3.2. Metabolismus bílkovin, peptidů a aminokyselin

Transkript

1 3.2. Metabolismus bílkovin, peptidů a aminokyselin Základní charakteristiky Bílkoviny (proteiny) jsou makromolekulární sloučeniny tvořené různě dlouhými polypeptidovými řetězci, které jsou složené z proteinogenních aminokyselin (jde o dvacet různých L-α-aminokyselin, které se podílejí na výstavbě všech proteinů jednotlivé aminokyseliny popisuje kapitola 2.2.). Aminokyseliny v bílkovině jsou vzájemně spojovány peptidovou vazbou: vzniká kondenzací α-karboxylu jedné aminokyseliny a α-aminoskupiny druhé aminokyseliny. Je proto jasné, že na jednom konci řetězce musí být aminokyselina, která má volnou α-aminokyselinu (levá část řetězce N konec) a na opačném konci je aminokyselina (pravá část řetězce C konec), která má volný α-karboxyl: NH 2 řetězec aminokyselin COOH Sled jednotlivých aminokyselin v řetězci nazýváme primární strukturou dané bílkoviny. Jednotlivé aminokyseliny v tomto řetězci číslujeme tak, že aminokyselina s volnou aminoskupinou nese číslo 1. Proteiny Proteiny tvoří velmi heterogenní skupinu látek. Mnoho bílkovin vykazuje významné biologické vlastnosti, jsou to např. enzymy, hormony, proteiny receptorů, dále bílkoviny, které často ve spojení s ATP přenášejí různé látky přes biologickou membránu. Polypeptidové řetězce jsou budovány podle přísných pravidel. Pořadí jednotlivých aminokyselin v řetězci (primární struktura bílkoviny) určuje třípísmenový kód jedná se vždy o tři různé heterocyklické báze v DNA: purinové adenin A, guanin G a pyrimidinové thymin T a cytosin C, které se dále přepisují do messenger (mediátorové) ribonukleové kyseliny (mrna) tvořené v procesu transkripce. Přepis z DNA probíhá do tří různých RNA: ribosomální rrna, transferové trna a mrna; mrna však obsahuje namísto báze -thyminu v DNA bázi - uracyl U. Vlastní proces tvorby proteinů nastává až v průběhu translace, tj. biosyntézy polypeptidového řetězce. Tyto třípísmenové kódy (kodóny) určují nejen pořadí jednotlivých aminokyselin, ale kromě toho stop kodóny určují i ukončení procesu proteosyntézy (v DNA se jedná o sekvence TAA, TAG, TGA; v RNA přepisu jde o sekvence UAA, UAG a UGA). Jiné trojice bazí zase určují začátek tvorby proteinu (v DNA se jedná o ATG a TGA; v RNA přepisu jde o AUG a UGA); tyto dvě trojice navíc specifikují aminokyseliny methionin a valin uprostřed řetězce aminokyselin. Syntéza polypetidového řetězce probíhá od N konce k jeho C konci. Ribosomy čtou mrna ve směru 5 3 a

2 k růstu řetězce dochází jeho připojováním na aminokyselinový zbytek aminoacyl trna. Během syntézy polypeptidu jsou postupně aminokyselinové zbytky připojovány k C konci ribosomálního řetězce přenesením s peptidyl trna (P vazebné místo) na amino trna zbytku (A vazebné místo) v ribosomu. Po vzniku peptidové vazby je P místo uvolněno a nahrazeno novým; na místě A místa se děj znovu opakuje. Řada proteinů obsahuje pouze jeden řetězec aminokyselin, jiné bílkoviny tvoří dva řetězce (případně více), které jsou spojeny kovalentními vazbami (viz kapitola 1.). Některé proteiny tvoří oligomery, vytvořené z různého počtu podjednotek, které jsou spojeny nekovalentními interakcemi. Mnoho bílkovin obsahuje různé nízkomolekulární pevně vázané prosthetické skupiny (nepeptidové složky). Pokud dojde k jejich odtržení od proteinové skupiny, potom protein zbavený prosthetické skupiny se označuje jako apoprotein (nebo také holoprotein). Podle povahy prosthetické skupiny rozdělujeme tyto složené bílkoviny na: glykoproteiny (prosthetickou skupinou je sacharidová komponenta), lipoproteiny (obsahují lipid), fosfoproteiny (obsahují zbytky kyseliny fosforečné), metaloproteiny (mají vázaný iont kovu) a nukleoproteiny (bílkovina je navázána na nukleovou kyselinu). Charakter řetězce určuje dvě kategorie bílkovin: globulární (peptidová struktura je sbalena a vytváří klubko - např. imunoglobuliny v krevním séru) a fibrilární (tvoří se vláknitá struktura delšího řetězce jsou v organismu velmi rozšířené, protože vytvářejí různé biologické struktury např. svalová vlákna) Sekundární stavba bílkovin V bílkovinách se setkáme většinou s dvěma typy geometrické struktury, která určuje sekundární stavbu bílkoviny: a) β-struktura struktura skládaného listu, b) α-šroubovice (α-helix). Obě struktury jsou určeny geometrickým uspořádáním peptidické vazby. Jde o interakci mezi volným elektronovým párem dusíku a elektrony konjugované dvojné vazby mezi uhlíkem a kyslíkem (C=O), při které dochází k fixaci šesti atomů (čtyři atomy peptidické vazby C, O, N, H a dvou α-c, které obsahují různé postranní zbytky R). Přitom je nutné uvažovat, že geometrie peptidické vazby je rovina. Peptidický řetězec je přitom tvořen plochami, které jsou volně otáčivé okolo vazeb s α-uhlíky aminokyselinových zbytků a stabilizace sekundární vazby je dána tvorbou vodíkových vazeb mezi kyslíky karbonylu (C=O) a skupinou NH. Stabilní sekundární struktura vznikne spojením různých peptidických řetězců nebo spojením vzdálenějších částí v daném řetězci. β-struktura umožní propojení dvou peptidických řetězců buď paralelně (shodná

3 orientace obou řetězců) nebo antiparalelně (opačná orientace, tj. střídání N a C konců). Model antiparalelní β-struktury α-šroubovice znamená, že plochy sousedních peptidických vazeb svírají úhel 80. Postranní řetězce všech aminokyselinových zbytků (R) směřují od osy šroubovice v úhlu 100 mezi sousedními částmi aminokyselin a tímto uspořádáním se proto do zákrytu dostane až každý 19. zbytek postranního řetězce. Stabilizace ve šroubovici je dána vodíkovými můstky mezi karboxylovým kyslíkem aminokyselinového zbytku a vodíkem aminoskupiny až čtvrté následující aminokyseliny. Na jeden závit proto připadá 3,6 aminokyselinového zbytku.

4 Trojrozměrná projekce α-šroubovice Obě sekundární struktury dovolují inkorporaci všech proteinogenních aminokyselin kromě prolinu. Tato aminokyselina totiž nemá na peptidickém dusíku vodík a proto nemůže bílkovina, která tuto aminokyselinu obsahuje, tvořit ani α-šroubovici ani β-strukturu skládaného listu; to je charakteristické pro extracelulární protein kolagen (ten tvoří specifickou sekundární strukturu). Terciální struktura je prostorové uspořádání proteinu a je tvořeno sekundární strukturou (popisovanou výše) a dále iontovými interakcemi, které jsou výsledkem reakcí mezi skupinami s opačným nábojem umístěnými v různých částech proteinového řetězce. Na této struktuře se podílí dále disulfidické ( S S ) můstky (vzniklé oxidací -SH skupin dvou molekul cysteinu) a nepolární interakce, které vedou ke sbalení bílkovinné struktury do klubíčka. K tomu dojde ve vodném roztoku tím, že polární skupiny zůstanou na povrchu molekuly a nepolární skupiny naopak zůstávají uvnitř. V rámci určité větší globulární struktury se vyskytují různé motivy domény, které sice nesou charakteristické vlastnosti celé molekuly, ale doména je relativně samostatná nezávislá na celku; tyto domény jsou vzájemně volně propojeny a mohou plnit rozdílné funkce (mají specifickou imunochemickou reakci, katalytickou funkci, váží se na různé buněčné struktury aj.). Kvarterní struktura bílkoviny je vytvořena terciálními interakcemi (výše popsanými), ale tyto působí intermolekulárně. Zvýšení počtu peptidických řetězců vede ke vzniku odlišných kvalitativních vlastností. Celý útvar (molekula) je nekovalentně spojen s různými složkami podjednotkami. Tyto mohou snadněji disociovat a proces disociace se stává důležitým prvkem regulace funkce proteinu.

5 Denaturace bílkoviny je výsledkem působení různých fyzikálních faktorů: tepla, významných změn ph, působení UV světla, tlaku, mechanických vlivů a dalších faktorů. Přitom se sice primární struktura bílkoviny nezmění, ale významně se ovlivní sekundární, terciální i kvarterní struktury; dojde ke změnám v rozpustnosti proteinu, mění se optická otáčivost, ztrácí se biologické vlastnosti daného proteinu apod. Většinu těchto vlastností již nelze znovu vrátit jedná se většinou o ireversibilní poškození. Pokud je působení výše uvedených fyzikálních podnětů krátké, nebo se jedná pouze o mírné změny, může jít výjimečně o reversibilní poškození. Peptidy a aminokyseliny Peptidy jsou látky, které obsahují různě dlouhé řetězce aminokyselin spojených peptidickou vazbou: oligopeptidy (do 10 aminokyselin), polypeptidy ( aminokyselin). Pokud je ještě větší počet aminokyselinových zbytků, potom se již jedná o proteiny. Stejně jako u proteinů, vychází názvosloví peptidů z označení sledu aminokyselin od N konce k C konci: Gly Ala Glu Asp Ser N konec C konec Do této skupiny látek patří mnoho biologicky významných komponent: hormony (oxytocin, vasopresin, glukagon, insulin), glutation (tripeptid: glytamyl-cysteinyl-glycin se uplatňuje při odstraňování volných radikálů a cizorodých látek), antibiotika (penicilin obsahuje modifikovaný dipeptid: VAL-CYS; jiná antibiotika obsahují často i neproteinogenní aminokyseliny, např. ornithin, N methylvalin, N methylglycin, případně D aminokyseliny u aktinomycinu D a gramicidinu), jedy (α-amanitin je obsažen v muchomůrkách). Aminokyseliny jsou organické kyseliny, které obsahují vždy nejen skupinu karboxylovou ( COOH), ale i aminoskupinu ( NH 2 ). Řada těchto L-aminokyselin (kromě glycinu) obsahuje i další funkční skupiny (podrobně se tím zabývá kapitola 2.2), které můžeme dělit na: a) aminokyseliny neutrální s hydrofobním postranním řetězcem Gly, Val, Leu, Ile, Met, Phe, b) aminokyseliny neutrální s hydrofilním (polárním) postranním řetězcem Ser, Thr, Tyr, Cys, Asn (amid od Asp), Gln (amid od Glu), c) aminokyseliny kyselé s hydrofilním postranním řetězcem Asp, Glu, d) aminokyseliny bazické s hydrofilním postranním řetězcem Lys, Arg, His.

6 Trávení proteinů Výživa Vyvážená strava člověka musí obsahovat celou řadu různých chemických látek: cukry (mají tvořit %), tuky (30 %), bílkoviny (15 20 %). Kromě toho, v tucích a vodě rozpustné vitaminy, různé anorganické látky a vodu (její denní potřeba odpovídá 2,5 l; z tohoto objemu přijímá dospělý člověk vodu v objemu kolem 1200 ml, zbývajících 900 ml je přijato ve stravě a kolem 300 ml vody je vytvořeno během metabolické přeměny jednotlivých substrátů). Denní potřeba energie, vznikající spálením přijatých organických látek, závisí jak na tělesné hmotnosti člověka, rozsahu jeho tělesné aktivity a dalších faktorech; průměrný denní požadavek dospělého muže je kj, dospělé ženy kolem 9200 kj. Množství energie v jednotlivých kategoriích je dále závislé na řadě fyziologických a patofyziologických skutečností (např. během růstu dítěte od jeho narození až do dospívání, v průběhu těhotenství, kojení, během nemoci a následné rekonvalescence). Přijatá denní norma nemůže odpovídat pouze přesnému dodržení množství, ale strava musí mít i správnou kvalitu (např. je nutno udržovat proporci nasycených a nenasycených mastných kyselin, podíl monosacharidů a polysacharidů, jednotlivých vitaminů, solí atd.). V rámci této kapitoly je nutno zdůraznit, že denní minimum přijatých bílkovin u dospělého člověka musí být 37g (u mužů) a 29g (u ženy); ale fyziologická potřeba je zhruba dvojnásobná a je dále zvyšována i dalšími faktory (jak uvádíme výše). Kromě toho existuje i požadavek, aby strava dodávala nezbytné aminokyseliny (esenciální), protože je tělo nedovede syntetizovat. Jedná se o Val, Leu, Ile ( rozvětvené aminokyseliny ), dále o Lys, Trp, Phe, Met, Thr a dvě semiesentiální aminokyseliny: Arg a His (jsou vyžadovány především v době růstu, v dospělosti je jejich potřeba podstatně menší). Aminokyseliny jsou využívány při výstavbě různých bílkovinných struktur těla. Nadbytek přijatých aminokyselin tělo degraduje a používá jako zdroj energie. Z aminokyselin jsou tvořeny i další substráty: glukogenní aminokyseliny pro výstavbu sacharidů, ketogenní aminokyseliny jsou přeměněny na ketolátky a různé lipidy (podrobněji v další částech této kapitoly). Proteolytické enzymy trávicího traktu (rozštěpí proteinový řetězec) V trávicím traktu jsou proteiny rozštěpeny různými intracelulárně vytvořenými proteinasami: ty jsou vytvářeny jako neaktivní enzymy a pak jsou následně, extracelulárně, aktivovány různými podněty. Pepsin v žaludku je aktivován účinkem HCl (koncentrace kyseliny cca 0,1 mol/l). Než

7 však začne aktivovaný enzym účinkovat, denaturuje HCl nejprve protein a teprve na takto připravenou strukturu začnou účinkovat různé endopeptidasy (štěpí uvnitř peptidického řetězce). Aktivní enzym pepsin působí na peptidickou vazbu s účastí aromatických aminokyselin (Tyr a Phe); ph optimum pepsinu je kolem 2. Trypsin v pankreatické šťávě štěpí bílkoviny také uvnitř peptidického řetězce; působí na peptidickou vazbu s účastí basických aminokyselin (Arg, Lys), ph optimum trypsinu je kolem 8,2 (změněná koncentrace vodíkových iontů ph je výsledkem vysoké koncentrace HCO - 3 aniontů); trypsin je v duodenu aktivován účinkem střevní enteropeptidasy. Chymotrypsin štěpí bílkoviny také uvnitř peptidického řětězce působí na peptidickou vazbu s účastí aromatických aminokyselin (Tyr a Phe), ale tyto aminokyseliny se účastní svojí karboxylovou skupinou; ph optimum chymotrypsinu je podobné jako u trypsinu. Chymotrypsin je v duodenu aktivován účinkem trypsinu. V duodenu působí ještě další enzymy: endopeptidasa elastasa a dále exopeptidasa karboxypeptidasa (štěpí proteinový řetězec na C konci). Výsledkem působení všech těchto enzymů je rozštěpení peptidického řetězce na řadu různě velkých peptidů. Teprve potom se tyto peptidy rozštěpí účinkem aminopeptidas na jednotlivé aminokyseliny, které vstupují do enterocytů; přestup z lumen střeva do buněk se děje pomocí přenašečových proteinů a paralelním navázáním Na + iontů. Za transport aminokyseliny je proto zodpovědný kotransport monovalentního iontu a příslušné aminokyseliny (jde o rozdíl gradientů Na + uvnitř enterocytu a ve střevním lumen. Podrobněji jsou další regulační mechanismy diskutovány v rámci fyziologie. Metabolismus aminokyselin Jednotlivé aminokyseliny se postupně resorbují z enterocytu do krve; přestup je dvojím způsobem: a) je vázán na kotransport se sodnými kationty, b) není vázán na sodné ionty a děje se uniportem (existují různé přenašečové proteiny zodpovědné za přenos pouze jedné aminokyseliny; jiné přenašečové proteiny nejsou tak přísně specifické přenášejí více různých aminokyselin). Každá aminokyselina dále prochází řadou metabolických procesů: dekarboxylací (odstranění CO 2 z COOH skupiny), deaminací (odstranění NH 2 ) a pak následuje metabolismus zbytku aminokyseliny (kostry aminokyseliny) se vstupem těchto komponent na různá místa v Krebsově cyklu. Dekarboxylace Po odstranění CO 2 se aminokyselina (AA) mění na amin; řada vzniklých sloučenin je

8 biologicky velmi účinných : AA Vzniklý amin Tyr katecholaminy (adrenalin, noradrenalin) Try serotonin, další přeměnou melatonin His histamin Lys kadaverin Ser ethanolamin Asp β-alanin Deaminace Probíhá buď účinkem dehydrogenas (enzymy obsahují NAD nikotinamid adenin dinukleotid) a oxidas (enzymy obsahují FMN a FAD) výsledkem je vznik oxosloučeniny (někdy nejdříve vznikne iminokyselina má místo skupiny NH 2 skupinu =NH) a přitom se dále uvolní NH 3. Vzniklý amoniak (který je toxický) musí být převeden na netoxickou sloučeninu močovinu (je rozpustná ve vodě a proto může být transportována v krevním séru a vylučována močí z těla). Vznik močoviny je komplexní děj; na začátku jsou dvě anorganické komponenty (NH 3 a CO 2 ), které jsou základem močovinového cyklu, který začíná v jaterní mitochondrii. Výsledkem je vytvoření organické látky močoviny. Na začátku nejprve vzniká (v přítomnosti 2 molekul ATP) karbamoyl fosfát (má jeden uhlík), který je přenesen na ornithin (pětiuhlíková aminokyselina, která vzniká v cytoplasmě). V mitochondrii je vytvořen citrulin (šestiuhlíková sloučenina, která opouští mitochondrii), v cytoplasmě se spojí s aspartátem a vzniká arginosukcinát (desetiuhlíková komponenta). Tento je rozštěpen na fumarát (vstupuje do Krebsova cyklu) a arginin, který je následně enzymaticky rozštěpen (arginasou) na močovinu (H 2 N CO NH 2 ) a ornithin (cyklus se podle této atypické aminokyseliny také někdy nazývá ornithinový). Transaminace Transaminace je děj, kterým prochází především neesenciální aminokyseliny (např. aspartát, alanin). Aminoskupina příslušné aminokyseliny se přitom přenese na α-oxokyselinu (např. oxoglutarát či pyruvát) a vzniká jiná aminokyselina a jiná oxokyselina. Tento děj je podmíněn enzymaticky aminotransferasami (enzym ke své aktivaci pořebuje pyridoxal vitamin B 6 ). Aktivita určitých aminotransferas je významně zvýšena při některých onemocněních: aspartát aminotransferasa (AST) je zvýšena u srdečních onemocnění, alanin aminotransferasa (ALT) je zvýšena u jaterních onemocnění. Metabolismus kostry aminokyselin Po dekarboxylaci a deaminaci zůstává různě dlouhý zbytek aminokyseliny (hydrofilní a

9 hydrofobní zbytek viz výše) odbourán a řadou metabolických dějů je postupně odstraněn. Vzniklé produkty vstupují do Krebsova cyklu přímo, jiné vstupují přes pyruvát a acetylkoenzym A (CH 3 CO~SCoA) do tohoto cyklu, další se přemění na acetoacetylkoenzym a vstupují přes CH 3 CO~SCoA do cyklu. Přímý vstup přes: oxoglutarát: Arg, His, Pro, Glu, Gln; sukcinyl koenzym: Ile, Met, Val; fumarát: Tyr, Phe; oxalacetát: Asp, Asn. Nepřímý vstup přes: pyruvát a CH 3 CO~SCoA: Ala, Cys, Gly, Ser, Thr (dále Hyp z kolagenu); CH 3 CO~SCoA: Ile, Leu, Trp; CH 3 COCH 2 CO~SCoA a CH 3 CO~SCoA: Phe, Tyr, Leu, Lys, Trp. Literatura: 1. Murray, R.K., Granner, D.K., Mayer, P.A., Rodwell, V.W. Harper s Illustrated Biochemistry. New York : McGraw-Hill Comp., 2003, 693 s., ISBN Peč, P., Pečová, D. Učebnice středoškolské chemie a biochemie. Olomouc : Nakladatelství Olomouc, 2001, 518 s., ISBN Kolman, J., Rohm, K.H. Collor Atlas of Biochemistry. New York : Georg Thieme Verlag, 1996, 435 s., ISBN Vodrážka, Z. Biochemie, Praha : Academia, 1999, s., ISBN