struktura, chemické a biologické vlastnosti aminokyselin...

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


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


Struktura skládaného listu

Antiparalelní β-struktura Paralelní β-struktura


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


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


� 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



� 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


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)

Struktury insulinu86 amk

Zn

struktura, chemické a biologické vlastnosti aminokyselin...

Documents