Upload
others
View
12
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Struktura, chemické a biologické vlastnosti
aminokyselin, peptidů a proteinů
Aminokyseliny
� obsahují karboxylovou skupinu a aminovou skupinu
� nebarevné sloučeniny (Trp, Tyr, Phe – absorbce v UV)
� základní stavební prvky peptidů a bílkovin� tvorba biogenních aminů, purinů,
pyrimidinů, hemu� celkem známých amk 300� pouze 20 proteinogenní
CH COOH
NH2
Funkce aminokyselin
Převzato: Koolman, J., Roehm, K. H.; Color Atlas of Biochemistry, 2005
Aminokyseliny
� amk proteinů� „nekódové“ amk – vzácné amk proteinů� neproteinové amk
� proteinogenní amk� α-aminokyseliny, asymetrický uhlík, konfigurace L� kódované amk, jen 20
� esenciální amk – 10� Agr, His – semiesenciální
nedostatečná syntéza v obdobírůstu
Aminokyseliny
Aminokyseliny proteinů – základnípřehled
� Neutrální s nepolárním postranním řetězcem� glycin, alanin, valin, leucin, isoleucin, prolin, fenylalanin,
tryptofan, methionin
� Neutrální s polárním postranním řetězcem� serin, threonin, tyrosin, asparagin, glutamin, cystein
� Kyselé aminokyseliny� kyselina asparagová, kyselina glutamová
� Zásadité aminokyseliny� lysin, arginin, histidin
Neutrální aminokyseliny s nepolárním postranním řetězcem
H
H3C
CH
CH3
H3C
CH2CH
CH3
H3C
CH
CH3
CH2
glycin
alanin
valin
leucin
isoleucin H3C
HN
C
OH
O
CH2
CH2
NH
CH2CH2SH3C
prolin
fenylalanin
tryptofan
methionin
(iminokyselina)
Neutrální aminokyseliny s polárním postranním řetězcem
CH2CH2N
O
CH2CH2CH2N
O
CH2HS
asparagin
glutamin
cystein
CH2HO
CH
OH
H3C
CH2HO
serin
threonin
tyrosin
Kyselé aminokyseliny
CH2CH2CHO
O
CH2CHO
O
kyselinaasparagová
kyselinaglutamová
Zásadité aminokyseliny
CH2CH2CH2CH2H2N
CH2CH2CH2NHCH2N
NH
CH2
N
HN
lysin
arginin
histidin
Další významné aminokyseliny
� 4-hydroxyprolin, 5-hydroxylysin - v kolagenu� ornithin a citrulin – součástí močovinového cyklu� kyselina γ-aminomáselná (GABA) – neurotransmitér� tetrajodthyronin a trijodthyronin - hormony štítné
žlázy� kyselina p-aminobenzoová – výroba lokálních
anestetik, (procain, novocain)� β-alanin – kyselina panthotenová = vit. B5� homocystein – metabolismus amk, vznik z
methioninu (methylhomocystein)
Acidobazické vlastnosti amk
nedisociovaná forma
„zwitterion“, amfion, obojetný ion, amfoterní povaha
disociace aminokyselin
H CH COOH
NH2
H CH COO
NH3
H CH COO
NH3
H CH COOH
NH3
H CH COO
NH2
pH = 1 pH = 6 pH = 11
Izoelektrický bod
� pI = izoelektrický bod
� rovnováha mezi kladnými a zápornými náboji� amk je nejméně rozpustná!� nenese žádný náboj (+ a – se vyruší)
2
pKbpKapI
+=
Chemické vlastnosti
� přeměny možné na COOH, NH2, R
� tvorba peptidové vazby� syntéza peptidů
� dekarboxylace za vzniku aminů� v organismu katalyzována dekarboxylázami – pro vznik
biogenních aminů (Histidin – Histamin)� transaminace
� reakce amk a 2-oxokyseliny, katalyzováno aminotransferázou
� oxidační deaminace� katalyzováno oxidázami amk v játrech a ledvinách,
deaminace kys. glutamové na kyselinu 2-oxoglutarovou
PEPTIDY
� vznikají spojením amk peptidovými vazbami� tvorba peptidové vazby:
� rozdělení:� oligopeptidy – di-, tri- až dekapeptidy – 2- 10 amk� polypeptidy – 10 – 100 amk� proteiny – bílkoviny - nad 100 amk
H2N CH COOH
R1
H2N CH COOH
R2
+H2N CH C
R1
O
N CH COOH
R2
+ H2O
H
Peptidová vazba
� N-konec, N-koncová aminokyselina� C-konec, C-koncová aminokyselina
H2N CH C
R1
O
N CH C
R2
N
O
CH COOH
R3H H
Peptidová vazba – 2 tautomery
Převzato: Koolman, J., Roehm, K. H.; Color Atlas of Biochemistry, 2005
Významné peptidy� glutathion – tripeptid – Gly-Cys-Glu
� v buňkách, 90 % v redukované formě GSH/GSSH� Endorfíny (16-31 amk), enkefaliny – pentapeptidy
� vytvářené v mozku, účinky pododné jako morfium, jejich prekurzory jsou endorfiny
� angiontensin II – oktapeptid� produkovaný ledvinami, vytváří vazokonstrikci
periferních cév� vasopresin a oxytocin – nonapeptidy
� vyvolávají kontrakci děložní svaloviny� bradykinin – nonapeptid
� snižuje krevní tlak a permeabilitu kapilár
Proteiny – bílkoviny - složení
� stálost prvkového složení� C 50 – 60%� H 6,5 – 7,5%� O 21,5 – 28,5%� N 16 – 18%� S do 2%� P do 2%
� průměrný obsah N 16%
Struktura proteinů
� 20 aminokyselin vzájemně propojených peptidovými vazbami v lineární nerozvětvený řetězec
� počet amk – od několika desítek po několik tisíc, Mr = 104 až 106
� funkce bílkovin je dána jejich strukturou
funkce bílkovin je dána jejich strukturou
Enzym či receptor
4 úrovně struktury bílkovin
� Prim ární struktura- určena pořadním (sekvencí) amk v polypeptidovém řetězci� Sekundární struktura- pravidelná struktura části peptidových řetězců, pravidelné
konformace� Terciární struktura- trojrozměrná struktura peptidového řetězce jako celku, mezi
sekundární a terciární strukturou je nejasná hranice� Kvartérní struktura- týká se proteinů složených z více podjednotek (řetězců),
prostorové uspořádání podjednotek navzájem, př. Hemoglobin
Primární struktura
� pořadí (sekvence) amk v řetězci� N-konec, C-konec� sekvence amk jednoznačně určuje prostorové
uspořádání molekuly a tím i biologickou funkci
Sekundární struktura
� geometrické uspořádání polypetidovéhořetězce vyvolané otáčením rovin peptidových vazeb kolem α-uhlíků stabilizovanévodíkovými vazbami� vodíkové vazby mezi C=O … H-N� předpoklady vzniku stabilizované struktury:
� L-amk, trans peptidová vazba, max. možnost tvorba H vazeb
� struktury αααα-helix a ββββ-struktura
Helikální stuktura� α-helix� pravidelná struktura� stabilizace H-vazbami� pravotočivá šroubovice s 11 amk
připadajícími na 3 otáčky (1 závit 3,6 amk)� roviny peptidových vazeb rovnoběžné s
osou šroubovice� postranní řetězce amk vyčnívají ven ze
šroubovice� převažuje v keratinu a myosinu� Pro ruší pravidelnost řetězce, způsobuje
ohyb
Převzato: R. Murray, Harper´s Biochemistry, 26th edition
Struktura skládaného listu
� β-struktura� polypeptidový řetězec více natažen� H-vazby mezi vzdálenými C=O a N-H skupinami
dvou sousedních řetězců� řetězce uloženy paralelně nebo antiparalelně v
počtu 2-15 (průměrně 6)� postranní řetězce amk vyčnívají nad a pod rovinu
skládaného listu� převažuje ve fibroinu
Převzato: R. Murray, Harper´s Biochemistry, 26th edition
Struktura skládaného listu
Antiparalelní β-struktura Paralelní β-struktura
Převzato: Koolman, J., Roehm, K. H.; Color Atlas of Biochemistry, 2005
Přehled sekundárních struktur bílkovin
Terciární struktura
� trojrozměrná struktura polypeptidového řetězce –interakce mezi aminokyselinovými zbytky, které jsou v primární struktuře od sebe vzdáleny
� základní typy:� fibrilární� globulární� řada přechodných typů
Převzato: R. Murray, Harper´s Biochemistry, 26th edition
Terciární struktura
� vazby vytvářející terciární strukturu:� vodíkové vazby –NH2, -NH-, -OH, -COOH skupin
postranních řetězců – v hydrofóbních částech� iontové vazby – mezi kyselinou asparagovou,
glutamovou a histidinem, lysinem a argininem, v hydrofóbních částech
� hydrofóbní interakce – mezi hydrofóbními zbytky Valinu, Leucinu, Isoleucinu
� disulfidové vazby – mezi dvěma cysteinovými zbytky
Vazby v bílkovinách
Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thieme
KOVALENTNÍ VAZBY� PEPTIDOVÁ -CO-NH2-
� DISULFIDOVÁ -S-S-
NEVAZEBNÉ INTERAKCE
� vodíkové můstky
� hydrofóbní interakce
�Iontové interakce
Hydrofóbní interakce
� hydrofóbní efekt – nepolární látky (mastné) mají snahu ve vodném prostředí minimalizovat svůj kontakt s vodou, shlukují se
� proteiny tvoří útvary s minimálním povrchem – nepolární skupiny dovnitř
� proteiny jsou vlastně intracelulární micely (albumin), většina nepolárních molekul směřuje dovnitř molekuly, nejsou v kontaktu s vodou
� hydrofóbní interakce jsou důležitým determinantem struktury proteinů
Fibrilární proteiny
� dlouhé molekuly uspořádané v jednom směru� proteiny – kůže, kosti, pojiva� funkce – ochranná, stavební, spojovací,
pohybová
- α-keratin, fibroin, kolagen
Fibrilární proteiny
� α-keratin� Inertní, vyšší obratlovci (vlasy, rohy, nehty, srst)
� α–keratin - savci� β-keratin – ptáci, plazi� chemické vlastnosti – celá struktura α–helix, bohatý na
cys, S-S - nerozpustnost
Struktura vlasu: protofibrily – mikrofibrily – makrofibrila –buňka – vlas
α-keratin
Převzato: Koolman, J., Roehm, K. H.; Color Atlas of Biochemistry, 2005
Fibrilární proteiny
� Fibroin� podstata hedvábného vlákna� chemické složení – velký podíl malých amk – Gly, Ala, Ser
� struktura skládaného listu
� pevné vazby
� Kolagen� nejrozšířenější protein, extracelulární
� uspořádaný do nerozpustných vláken� pojivové tkáně
� 3 řetězce
� 1/3 Gly, 10% Pro a 10% OH-pro
kolagen
Kolagen, fibroin
Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thieme
Globulární proteiny
� rozpustné ve vodě
� v molekule α–helix, β-konformace v různých poměrech
� myoglobin – pouze α-helix� velké molekuly (více než 200 amk)� uspořádané do několika domén – funkčně a
konformačně nezávislé části molekul
Kvartérní struktura
� asociace dvou nebo více polypeptidových řetězců do oligomeru globulárního charakteru� na vazbě se podílejí větší oblasti
polypeptidových řetězců, geometrickákomplementárnost těchto oblastí – vysokáspecifita spojení
� hemoglobin – tetramer, dva α– a dva β-řetězce� velké molekuly proteinů, velmi časté
Kvartérní struktura
� Výhody kvartérní struktury� velká molekula se tvoří lépe z menších
stavebních podjednotek, lépe se opravujíchyby
� syntéza podjednotky jinde než sestavování kompletnímolekuly
� větší molekuly – stabilnější – důležité u enzymů
� aktivita enzymů (podjednotkových) může být lépe regulovaná
� Podjednotky� identické (oligomer)� neidentické (protomer)
Přehled struktur bílkovin
Nepeptidové složky bílkovin
� sacharidy v proteinech � glykoproteiny� proteoglykany� kolagen – disacharid (D-gal, D-glu)
� fosfát – fosfoproteiny� kovové ionty – metaloproteiny� lipidy – lipoproteiny� nukleové kyseliny - nukleoproteiny
Chování bílkovin v roztocích
� Rozpustnost bílkovin� roste se vzrůstající ionizací postranních skupin� s přídavkem neutrální soli nejprve roste - tvorba
hydratačního obalu, při určité koncentraci soli začne klesat – vysolování bílkoviny
� albuminy – rozpustné v čisté vodě� globuliny – rozpustné ve zředěných roztocích solí� závisí na pH, iontové síle (jaké ionty jsou ve
vodném prostředí), teplotě
Elektrochemické vlastnosti bílkovin
� jsou dány počtem a druhem ionizovatelných skupin v molekule
� proteiny se chovají jako obojetný ion� celkový náboj závisí na pH prostředí� pH = pI … izoelektrický bod, celkový náboj proteinu
je 0� pI závisí na iontech v prostředí, závisí na konformaci
molekuly� využití – izolace proteinů ze směsi, elektroforéza
Denaturace bílkovin
� ztráta vyšších struktur při zachování struktury primární – ztráta vlastností nativní bílkoviny
� stabilita klesá od sekundární po kvartérní strukturu� vratná (reversibilní), nevratná (irreversibilní)Denaturační faktory:� fyzikální – teplo, mechanické účinky, záření (RTG,
UV, radioaktivní)� chemické – změna pH, soli těžkých kovů, změna
permitivity (organická rozpouštědla), porušenívodíkové a hydrofóbní vazby (močoviny, detergenty)
Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thieme
Struktury insulinu86 amk
Zn