ÚVOD DO BIOCHEMIE KCH / P 503

Transkript

1 Univerzita J. E. PurkyněvÚstí nad Labem Přírodovědecká fakulta ÚVD D BICEMIE KC / P 503 Nguyễn Thị Thu ương Ústí nad Labem 2013

2 bor: Chemie Klíčová slova:biochemie, aminokyselina, protein, blkovina, sacharid, lipid, biomembrána, biokatalýza, enzym, metabolismus Projekt Mezioborové vazby a podpora praxe v přírodovědných a technických studijních programech UJEP Registrační číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/ Tento projekt byl podpořen z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

3 Úvod Co je biochemie? Charakteristika živých systémů Chemické složení živých systémů Buňka a její organely

4 Co je biochemie? Biochemie je chemie života. Biochemie statická: je nauka o látkovém složení živých objektů. Biochemie dynamická: je nauka o vzniku a dalším osudu jednotlivých látek v organismech. Funkční biochemie: trávení, vidění, nervové činnosti, klíčení apod. Biochemie organizační nebo biochemie struktur: uspořádání jednotlivých molekulových složek a biochemických dějů.

5 Charakteristika živých systémů Aktivní vztah k okolnímu prostředí omeostasa Časově omezená existence Samoreprodukce

6 Chemické složení živých systémů (1) Biogenní prvky Rozdělení: I. Makroprvky - podíl > 0,005 % C,, N,, P - základní biogenní prvky S, Ca, Mg, Na, Cl, K, Fe II. Mikroprvky - podíl < 0,005 % Zn, Mn, Cu, Mo, I, Co, B, F, Br, Se, As, Si, Al, Ti, V

7 Chemické složení živých systémů (2) 2 Anorganické sloučeniny C 2 N 3 Minerály: Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, Cl -, C 3-, S 4 2-, P 4 2- Koordinační sloučeniny iontů některých kovů

8 Chemické složení živých systémů (3) rganické sloučeniny Bílkoviny Nukleové kyseliny Sacharidy Lipidy Konečné produkty a meziprodukty látkové přeměny

9 Přehled látkového složení živých systémů Člověk Rostlina Kvasinka Baterie Průměr Voda Bílkoviny Nukleové kyseliny Sacharidy Lipidy st. rg. Látky st. Anorg. Látky

10 lavní úlohy biomolekul v organismu Stavební Provozní Zásobní Řídící

11 Buňka a její organely

12 Fyzikálně-chemické základy biochemie 1. Co je to optická izomerie? Co je její příčinou a jak nazýváme optické izomery? Jaké způsoby jejich znázornění znáte? 2. Vyjmenujte základní typy vazeb a slabších interakcí v chemických sloučeninách a vysvětlete jejich význam pro konformaci molekul. 3. Vysvětlete význam katalýzy pro průběh chemických reakcí. 4. Vysvětlete základní termodynamické pojmy (entalpie, entropie, Gibbsova energie). 5. Co to jsou spřažené reakce a jaký význam mají pro průběh dějů v živých systémech? 6. Co je stacionární stav? Co je rovnovážný stav? Jaký rozdíl mezi stacionárním a rovnovážným stavem?

13 Aminokyselina Struktura, Fischerovy vzorce Kódované aminokyselina Elektrochemické vlastnosti Chemické vlastnosti Biochemické vlastnosti

14 Struktura - Fischerovy vzorce Přírodní aminokyseliny jsou většinou α-aminokyseliny, obsahují asymetrický atom uhlík C α (s výjimkou glycinu), existují ve dvou enantiomerních konfiguracích: D- a L-konfigurace Fischerovy vzorce N + C* R L-aminokyselina C* N3 + R D-aminokyselina

15 - 3 N + Kódované aminokyseliny (1) R Aminokyselina bez postranníhořetězce -R Název Symbol pk a - glycin Gly, G 2,34; 9,60 Aminokyseliny s alifatickým postrannímřetězcem -C 3 alanin Ala, A 2,34; 9,69 -C(C 3 ) 2 valin Val, V 2,32; 9,62 - C 2 C(C 3 ) 2 leucin Leu, L 2,36; 9,60 - C(C 3 )C 2 C 3 Isoleucin Ile, I 2,26; 9,62

16 - 3 N + Kódované aminokyseliny (2) R Aminokyseliny s polárním postrannímřetězcem -R Název Symbol pk a -C 2 serin Ser, S 2,21; 9,15 -C()C 3 threonin Thr, T 2,15; 9,12 - C 2 S cystein Cys, C 1,71; 10,78; 8,33 (S) - C 2 C 2 SC 3 Methionin Met, M 2,28; 9,21

17 - Kódované aminokyseliny (3) 3 N + R Aminokyseliny s polárním postrannímřetězcem -R Název Symbol pk a -C 2 C - asparagová k. Asp, D 2,09; 9,82; 3,86 (β C - ) -C 2 C 2 C - glutamová k. Glu, E 2,19; 9,67; 4,25 (γ C - ) - C 2 CN 2 asparagin Asn, N 2,02; 8,80 - C 2 C 2 CN 2 glutamin Gln, Q 2,17; 9,13

18 - Kódované aminokyseliny (4) 3 N + R Aminokyseliny s polárním postrannímřetězcem -R Název Symbol pk a -(C 2 ) 4 N + 3 lysin Lys, K 2,20; 8,90; 10,28 (ε N 3+ ) -(C 2 ) 3 NC=N 2+ arginin Arg, R 2,17; 9,04; 12,48 (Gua + ) N 2 C 2 + N histidin his, 1,82; 9,17 ; 6,0 (Im + ) N

19 - Kódované aminokyseliny (5) 3 N + R Aminokyseliny s aromatickým postrannímřetězcem -R Název Symbol pk a -C 2 C 6 5 fenylalanin Phe, F 1,83; 9,13 -C 2 C 6 4 (p) tyrosin Tyr, Y 2,20; 9,11; 10,07 () C 2 N tryptofan Trp, W 2,38; 9,39 Aminokyseliny s cyklickým postrannímřetězcem + N 2 - prolin Pro, P 1,99; 10,60

20 Elektrochemické vlastnosti (2) Isolektrický bod pi: odnota p prostředí, v němž je celkový náboj nulový (amfolyt ve formě amfiontu) pi = (pka1 + pka2)/2 p pk a2 pi V pk a1

21 Chemické vlastnosti (1) Karboxylová skupina může vytvářet funkční deriváty zejména: amidy: 3 N + R - + 2N R' 2N + 2 R N R' estery: 3 N + R - R' + R' 2N + 2 R smíšené anhydridy: 3 N + R - P R' + - P R' 2N R

22 Chemické vlastnosti (2) Aminoskupina může vytvářet karboxamidy: C N + R - N R acylamidy: - R' - R' C- + 3 N + N + 2 R R Schiffovy base: R' C - R' + 3 N + N + 2 R R

23 Chemické vlastnosti (3) Specifická reakce seskupení a-aminokyseliny aminokyseliny s ninhydrinem R N2 + ninhydrin - 2 R C- C- N - C R + 2N 1-oxy-2-amino-3-oxoinden R C N - N N barevný produkt hydrindantin ninhydrin

24 Aminokyseliny 1. Co jsou kódované aminokyseliny? Znázorněte jejich konfigurace ve Fischerově vzorci. 2. Napište rovnice disociace glycinu! 3. Co je isolektrický bod pi? Vypočtěte isolektrický bod Kyseliny asparagové pk 1 = 2,0, pk 2 = 3,9, pk 3 = 10,0 Lysinu pk 1 = 2,2, pk 2 = 9,2, pk 3 = 10,8 Rozpustí-li se tyto látky ve vodě na roztoky stejných koncetrací, jak se bude lišit jejich p? 4. Jaký náboj mají animokyseliny s bazickým postranním řetězcem, kyselým postranním řetězcem v neutrálním prostředí? 5. Vypočtěte p roztoku prolinu 0,1 mol/l. pk 1 = 2,95, pk 2 = 10, Co je ninhydrinová reakce? kčemu tato reakce slouží? Napište reakce glycinu s ninhydrinem!

25 Peptidy Peptidová vazba Názvosloví peptidů Přírodní peptidy

26 Peptidová vazba R C* C N C C* R N C* R C* R R C* C - - C N + C* R N + C* C* R R

27 Názvosloví peptidů ligopeptidy: do 10 aminokyselinových zbytků Polypeptidy: od 11 do 100 aminokyselinových zbytků. Názvosloví peptidů Aminoacylaminokyseliny: od N-konce k C-konci, např. alanyl-glycyl-glutamyl-asparaginyl-serin. U přírodních peptidů lze použít systém třípísmenkových zkratek, např. Ala-Gly-Glu-Asn-Ser, Ala-Gly-Glu-Asn-Ser

28 Přírodní peptidy (1) S Glutathion (γ-glutamylcysteinylglycin): Nejznámější a nejrozšířenější - N 3 + N N - Výskyt: Je přítomen ve většině buněk, prvně byl isolován z droždí (1921). Chrání volné thiolové skupiny bílkovin, udržuje určitý redoxpotenciál v buňkách, podílí se na detoxikaci volných radikálů a peroxidů. Působí v metabolismu a transportu a tvoří reservu thiolových skupin. Váže a odstraňuje těžké kovy a organické elektrofilní sloučeniny.

29 Přírodní peptidy (2) omony povahy peptidů a bílkovin: Insulin: reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu v játrech. xytocin: způsobuje kontrakci hladkého svalstva Vasopresin: zvyšuje krevní tlak působením na artérie a zvýšením resorpce vody v ledvinách. 2 N Gly Leu Pro Pro Cys S S Cys 2 N Gly Arg Pro Pro Cys S S Cys oxytocin Asn Glu Ile Tyr vasopresin Asn Glu PheTyr

30 Přírodní peptidy (3) Peptidová antibiotika: Peptidová antibiotika obsahují často nekódované aminokyseliny včetně D-enantiomerů aproto toxická a resistentní vůči enzymům normálních buněk, např. R cystein N peniciliny N S D-valin C 3 C 3 - Peptidové neuromodulátory Peptidové zootoxiny a fytotoxiny

31 Peptidy 1. Vysvětlete, proč je systém tvořený peptidovou vazbou planární! Jak jsou definovány torzní vazeb vycházejících z α-uhlíku? 2. Znázorněte prostorové uspořádání peptidových vazeb a popište jejich vlastnosti. Jaká je jejich stabilita a) v neutrálním prostředí b) v kyselém prostředí c) v bazickém prostředí d) vůči oxidaci 3. Nakreslete struktury následujících peptidů alanyl-glycyl-glutamyl-asparaginyl-seryl γ-glutamyl-cysteinyl-glycin 4. Nakreslete následující oligopeptidy a vyznačte iontové formy převažující při p 7. Phe-Met-Arg Trp-Lys-Asp Gln-Ile-is-Thr

32 Peptidy 5. Nakreslete vzorce následujících oligopeptidů tak, aby jejich cysteinové zbytky byly spojeny disulfidovou vazbou: Val-Cys a Ser-Cys-Pro 6. Co jsou oligopeptidy, polypeptidy, proteiny? Jaký je důvod pro jejich rozdělení? 7. Kolik může existovat různých dipeptidů, tripeptidů, tetrapeptidů a pentapeptidů složených z 20 kódovaných aminokyselin? 8. Kolik může existovat různých pentapeptidů obsahujících vždy po jedné z následujících aminokyselin: Gly, Asp, Tyr, Cys a Leu?

33 Proteiny Struktura: Pořadí aminokyselin primární struktura Konformace řetězců a prostorová struktura sekundární a vyšší struktura Struktura - funkce Klasifikace Podle fyzikálních vlastností Podle chemického složení Podle biologických funkcí Biologické funkce Strukturní Katalytické Transportní Zásobní Pohybové chranné Signální Receptorové

34 Struktura proteinů Protein obsahuje více než 100 aminokyselin. zbytků, M r > U proteinů rozlišujeme primární strukturu, danou kovalentními vazbami mezi jednotlivými atomy (která tedy odpovídá struktuře nízkomolekulárních látek), struktury vyšších řádů, odpovídají konformaci molekul.

35 Prostorová struktura proteinů Sekundární struktura (1) Tvorba vodíkových vazeb mezi kyslíkem karbonylu a skupinou Npeptidového seskupení

36 Prostorová struktura proteinů α-šroubovice (α-helixy): Chirální pravotočivá α- šroubovice, na jeden závit připadá 3,6 aminokyselinového zbytku. Vodíkové vazby jsou v tomto modelu prakticky paralelní s osou šroubovice. Sekundární struktura (2)

37 Prostorová struktura proteinů Sekundární struktura (3) β-struktura (β-hřeben, struktura skládaného listu): vzájemné propojení mezi dvěma peptidovými řetězci probíhajícími paralelně nebo antiparaleně.

38 Typ stavby molekul proteinů Terciální a kvartérní struktury 1) vláknité - fibrilární U fibrilárních proteinů jsou peptidové řetězce více či méně nataženy a spojují se vzájemně příčnými vazbami v makroskopická vlákna. Tento typ bílkovin má význam zejména pro tvorbu biologických struktur a jejich mechanickou funkci, např. bílkoviny plnící funkce konstrukční, podpůrné a krycí a bílkoviny odpovědné za kontrakci svalů. 2) s oblým tvarem molekuly - globulární V globulárních proteinech je peptidová páteř molekuly sbalena do klubíčka (globule). Bílkoviny tohoto typu mají většinu biologických funkcí. Globulární bílkoviny jsou vesměs ve vodě rozpustné a jejich molekula se podobá micele: má nepolární jádro a polární obal.

39 Struktura fibrilárních proteinů Makroskopická a molekolová struktura vlasu - Příklad struktury helixu Fibroin z hedvábí - Příklad struktury skládaného listu

40 Struktura globulárních proteinů Terciární struktura Větší bílkoviny svinuty do více globulárních shluků - domény. Většina domén se skládá ze 100 až 200 aminokyselinových zbytků. Domény jsou strukturně nezávislé jednotky, které mají všechny charaktery malých globulárních proteinů.

41 Struktura globulárních proteinů Kvarterní struktura Specifická asociace několika polypeptidových řetězců do komplexní stabilní makromolekuly

42 Struktura - funkce Realizace biologických funkcí proteinů Význam jednotlivých úrovní molekulové organizace bílkovin pro jejich biologickou aktivitu: kovalentní struktura: prostřednictvím aminokyselinových zbytků, z nichž je případně ze účasti prosthetické skupiny zbudována aktivní oblast molekuly, určuje charakter biologické aktivity; sekundární a terciální struktura: zaručuje specifitu (aktivní oblast se stává dostupnou jen molekulám vhodné struktury); kvartérní struktura: umožňuje vnitromolekulovou regulaci biologické aktivity.

43 Denaturace proteinů Nativní forma konformace, v níž bílkoviny vznikají a fungují v organismech. Denaturace - porušení nativní konformace působením řady fyzikálních a chemických vlivů Fyzikální vlivy: zvýšená teplota rozptýlení bílkoviny na velkém povrchu (např. pěním). Chemické vlivy: působení silných kyselin a zásad, které ruší iontové vazby, organických rozpouštědel a tenzidů, které narušují nepolární vazby, sloučeniny s mimořádnou schopností tvorby vodíkových vazeb, které omezují jejich tvorbu v bílkovinné globule.

44 Denaturace proteinů v praxi Pozitivní význam v praxi: Tepelné úpravy potravy: Denaturované bílkoviny jsou přístupnější hydrolytickým enzymům, a proto lépe stravitelné. Tepelné i chemické sterilizace: Denaturace ničí choroboplodné zárodky Desinfekční účinky tensidů: jsou důsledkem denaturačního vlivu. Denaturace se také využívá k odstranění bílkovin (deproteinaci) např. ze vzorků pro klinickou a biochemickou analýzu, ale také v potravinářství (např. při výrobě piva).

45 Elektrochemické vlastnosti Bílkoviny jsou amfolyty, jejichž iontová forma závisí na p. Elektrochemické vlastnosti bílkovin závisejí na její konformaci a velmi silně se mění denaturací. Izoiontový (izoionický) bod: p, při němž má bílkovina stejný počet kladných i záporných nábojů v nepřítomnosti solí

46 Klasifikace bílkovin Podle fyzikálních vlastností Podle chemického složení Podle biologických funkcí

47 Klasifikace proteinů z fyzikálního hlediska Podle celkového hrubého tvaru lze rozdělit na bílkoviny fibrilární (vláknité) a globulární (sféroproteiny). Podle rozpustnosti ve vodě můžeme dělit bílkoviny na nerozpustné (většina fibrilárních bílkovin, zvaných skleroproteiny a globulární bílkovin obilních zrn gluteliny a prolaminy) a rozpustné (globulární bílkoviny rozpustné včisté vodě zvané albuminy a silně bazické histony a bílkoviny rozpustné jen ve zředěných roztocích solí, které označujeme jako globuliny).

48 Klasifikace proteinů z chemického hlediska Jednoduché bílkoviny jsou spíše výjimkou. Složené bílkoviny Podle současných představ jsou nepeptidové složky pravidelnou součástí převážné většiny bílkovin. Přehled nejběžnějších tříd složených bílkovin Třída Prostetická skupina Příklad fosfoproteiny fosforylová kaseiny (mléko) vitelin (žloutek) nukleoproteiny nukleové kyseliny, ribozomy, chromatin, viry nukleotidy lipoproteiny lipidy, lipoproteiny krevního séra, cholesterol membrán a nervové tkáně glykoproteiny sacharidy imunoglobuliny, chrupavky chemoproteiny metaloproteiny barevná hem deriváty riboflavinu ionty kovů hemoglobin, cytochromy, flavinové enzymy, pigmenty kůže, vlasů hemoglobin, transferin, ceruloplasmin, enzym alkoholdehydrogenasa

49 Klasifikace proteinů z biologického hlediska Bílkoviny základního metabolismu. Jsou přítomné ve všech nebo alespoň ve velké skupině organismů a mají přímý význam pro existenci buňky. Bílkoviny specialisovaných buněk. Vyskytují se omezeně v některých typech buněk určitých organismů a samy nemají přímý význam pro existenci buněk, které je vyrábějí, ačkoliv mohou mít často životně důležité funkce pro celý organismus.

50 Biologické funkce bílkovin Strukturní Katalytické Transportní Zásobní Pohybové chranné Signální Receptorové

51 Proteiny 1. Vysvětlete rozdíly mezi různými typy sekundární struktury bílkovinných molekul. 2. Jakých slabých interakcí ve formulování vyšších struktur bílkovin se účastní nepolární postranní řetězci, polární postranní řetězci a postranní řetězci s nábojem? 3. Jaké základní typy stavby molekul bílkovin znáte? Jak se liší? Jaký je vztah mezi typy stavby molekul bílkovin a jejich rozpustností ve vodě? 4. Vlas lze mnohem snadněji rozstřihnout podél jeho osy, zatímco nehty lze ustřihnout snadněji příčně než podélně. Jaká je orientace fibril keratinu ve vlasech a v nehtech?

52 SACARIDY Funkce Rozdělení sacharidů Monosacharidy Glykosidy ligosacharidy a polysacharidy Složené sacharidy - Glykoproteiny eteroglykosidy

53 Funkce - zdroj energie - stavební složky buněk a tkání - zásobní látky (glykogen, škrob) - složky nukleotidů a jiných účinných látek - prekursory lipidů, aminokyselin, kyseliny askorbové a jiných významných složek živých soustav.

54 Název diagramu Rozdělení sacharidů Monosacharidy glykosidy podle počtu uhlíků triosy, tetrosy, pentosy, hexosy, heptosy, nonosy podle funkčních skupin aldosy, ketosy deriváty monosacharidů oligosacharidy do 10 jednotek polysacharidy homopolysacharidy heteropolysacharidy složené sacharidy a heteroglykosidy

55 Monosacharidy - struktura Stavba molekuly: alifatický uhlíkový řetězec, obsahující jednu karbonylovou skupinu C= a hydroxylové skupiny na všech ostatních atomech uhlíku D-glukosa D-fruktosa Aldosa: karbonylová skupina na primárním atomu uhlíku Ketosa: karbonylová skupina na sekundárním atomu uhlíku

56 Monosacharidy nomenklatura (1) aldotriosa a ketotriosa (C3) aldotetrosy (C4) D-glyceraldehyd (glyceral) Gra didydroaceton (glyceron) Grn D-erythrosa D-threosa aldopentosy (C5) ketopentosy (C5) D-ribosa D-xylosa D-arabinosa D-ribuosa D-xylulosa

57 Monosacharidy nomenklatura (2) aldohexosy (C6) ketohexosa ketoheptosa (C7) D-glukosa D-galaktosa D-manosa D-fruktosa D-sedoheptulosa

58 Monosacharidy Fischerovy a aworthovy vzorce Většina monosacharidů vytváří kyslíkatý heterocyklus pětičlenný cyklus (furanosa) šestičlenný cyklus (pyranosa) α 3 2 α-d-glukofuranosa β β-d-glukofuranosa D-glukosa α α-d-glukopyranosa β β-d-glukopyranosa Cyklizací molekuly monosacharidu vzniká další centrum chirality. Tvoří se dvě isomerní formy α a β, nazývané anomery.

59 Monosacharidy - Mutarotace Všechny cyklické formy jsou ve vzájemné rovnováze, která závisí na prostředí, v něm se cukr nachází. α α-d-glukopyranosa C 2 D-glukosa β β-d-glukopyranosa S anomerací se mění optická otáčivost mutarotace.

60 Monosacharidy deriváty (1) Alditoly, polyoly ( itol): vznikají redukcí karbonylové skupiny redukce D-glukosa D-glucitol Jsou většinou metabolicky inertní pro živočichy a rostliny, proto se např. D-glucitol (sorbit) užívá jako neenergické sladidlo pro diabetiky.

61 Monosacharidy - deriváty (2) Aldonové kyseliny (-onát): vznikají oxidací pouze aldehydové skupiny. Aldarové kyseliny (-arát): vznikají oxidací karbonylu i koncové primární alkoholové skupiny; sloučeniny této řady nemají biochemický význam. Alduronové kyseliny (-uronát): vznikají oxidací pouze koncové primární alkoholové skupiny. kyselina D-glukonová kyselina D-glukarová kyselina D-glukuronová

62 Monosacharidy - deriváty (3) Fosforečné estery jsou metabolická forma monosacharidů. 1 D-glukosa-1-fosfát P P 6 - D-fruktosa-6-fosfát - P - 6 D-glukosa-6-fosfát - P P - - D-fruktosa-1, 6-bisfosfát

63 Monosacharidy deriváty (4) Deoxymonosacharidy Např. 2-deoxy-D-ribosa - základní složka DNA. 2-deoxy-D-ribosa N2 D-glukosamin NCC3 N-acetyl-D-glukosamin Aminomonosacharidy Např. D-Glukosamin (2-deoxy-2-amino-D-glukosa) a D-galaktosamin (2-galaktosamin (2-deoxy-2-amino-D-galaktosa) jsou součástí antigenních determinantů a glykolipidů. N-acetyl-D-glukosamin je základní stavební jednotka polysacharidu chitinu, N-acetyl-D-galaktosamin je složka chondroitinsulfátu.

64 Monosacharidy analýza (1) Kvalitativní důkazy využívají reaktivity hydroxylových a karbonylových skupin a schopnosti tvořit dehydratací deriváty 2-furaldehydu (furan- 2-karbaldehyd). 2-furaldehyd (furfural) 5--hydroxymethyl-2-furaldehyd Tento aldehyd snadno kondenzuje s aromatickými fenoly a aminy za vzniku barevných produktů: Thymolová reakce, Molischova reakce, Selivanova reakce, Schiffova reakce.

65 Monosacharidy analýza (2) Thymolová reakce: Sacharidy např. glukosa, sacharosa, škrob, celulosa dávají s thymolem adukty karmínového zbarvení. C 3 3 C C 3 3 C C 3 R C C 3 C 3 R C 3

66 Monosacharidy analýza (3) Molischova reakce: reakce sacharidů s α-naftolem za vzniku červenofialového aduktu. R + 2 R

67 Monosacharidy analýza (4) Selivanova reakce: slouží k rozlišení ketos od aldos, např. fruktosy od glukosy. S resorcinem reagují ketosy 20krát rychleji než aldosy. Vzniklý produkt: červený, červenohnědá sraženina. R + 2 R

68 Monosacharidy analýza (5) Schiffova reakce: Touto reakcí rozlišíme pentosy od hexos. 2- Furaldehyd (furfural) je těkavější než 5-hydroxymethyl-2-furaldehyd, 2-furaldehyd vzniklý dehydratací pentos lze vydestilovat a dokázat reakcí s anilinem. N N N

69 Glykosidy - Glykosidová vazba Glykosidy lze odvodit reakcí poloacetalové hydroxylové skupiny s jinou molekulou za odštěpení vody. Tato acetalová vazba se označuje jako glykosidová vazba. A R A R A = : -glykosid; A = N: N-glykosid ; A = S: S-glykosid R = sacharid oligomery a polymery sacharidů, tj. homoglykosidy R = nesacharidová molekula (aglykon) heteroglykosidy.

70 ligosacharidy (1) Disacharidy: Maltosa [α-d-glc-(1 4)-D-Glc]: Má jednu volnou acetalovou hydroxyskupinu, a proto je redukujícím cukrem. Maltosa se uvolňuje ze škrobu při klíčení ječmene (slad) a při trávení škrobu a glykogenu α α Cellobiosa [β-d-glc-(1 4)-D-Glc]: β β

71 ligosacharidy (2) Disacharidy: Laktosa [β-d-gal-(1 4)-D-Glc]: Má jednu volnou acetalovou hydroxyskupinu, je redukujícím cukrem β α β α 1 je součástí mléka savců a představuje hlavní zdroj uhlíku a energie u kojených mláďat.

72 ligosacharidy (3) Sacharosa [α-d-glc-(1 2)-β-D-Fru]: Její obě potenciální oxoskupiny jsou skryté v acetalové formě. Kruhy se nemohou otvírat, a sacharosa je proto neredukující cukr, nejeví mutarotaci a nemůže existovat v anomerních formách α 1 2β C α C 3 5 Je rozšířena transportní forma sacharidů u rostlin např. cukrová řepa, cukrová třtina. Průmyslově se vyrábí z těchto surovin. Používá se v potravinářství jako nejběžnější sladidlo a jako výchozí surovina pro různé biotechnologie β

73 Polysacharidy Mají různé vlastnosti: některé se rozpouštějí ve vodě (amylosa), jiné bobnají a tvoří viskózní roztoky nebo gely (např. pektiny), některé jsou ve vodě zcela nerozpustné (např. celulosa). V přírodě existuje jen omezený počet polysacharidů (asi 300), většinou jsou směsi podobných polysacharidů, lišících se molekulovou hmotností. Stavebními jednotkami polysacharidů bývají často disacharidy např. stavební jednotka amylosy je maltosa, celulosy cellobiosa.

74 Polysacharidy - Prostorová struktura (1) Podle konformační analysy mohou lineární polysacharidové řetězce vytvářet čtyři základní uspořádané sekundární struktury. Preferovaná konformace vyžaduje orientaci -skupin usnadňují tvorbu vodíkových vazeb. V přírodních polysacharidech se běžně však vyskytují pouze dvě z nich: a) Tvar nataženého pásu b) Šroubovice (helix)

75 Polysacharidy - Prostorová struktura (2) a) Tvar nataženého pásu: Je to ideální konformace pro vznik vláken, jako je celulosa, chitin. b) Šroubovice (helix): obvykle levotočivá, tuto konformaci preferuje amylosa. Počet glukosových jednotek na jeden závit šroubovice může být 6 až 8.

76 Reservní polysacharidy (1) Škrob: Je směsí α- amylosy (asi 20 %) a amylopektinu (asi 80 %). α-amylosa je lineární polymer o několika tisíc glukosových jednotech spojovaných vazbou α(1 4) (Mr do ), hexikálně svinutý, ve vodě rozpustný. 1α 4 1α 4 1α 4 1α 4 1α 4 1α

77 Reservní polysacharidy (2) Amylopektin se skládá z glukosových zbytků, spojených vazbou α(1 4), má větvenou molekulu s vazbou α(1 6) přibližně vždy po 20 až 30 glukosových jednotkách. Relativní molekulová hmotnost se pohybuje kolem Ve vodě bobtná. n n n

78 Reservní polysacharidy (3) Glykogen Glykogeny mají stejnou molekulovou stavbu jako amylopektiny, ale jsou hustěji větvené: k větvení dochází průměrně po 12 glukosových jednotkách. n n n

79 Stavební polysacharidy (1) Celulosa je lineární polymer tvaru nataženého pásu obsahující až zbytků D-glukosy spojených β(1 4) glykosidovými vazbami β 4 1β 4 1β 4 1β 4 1β 1β

80 Stavební polysacharidy (2) emicelulosy: v přírodě se vyskytující směs celulosy s látkami nesacharidové povahy (především s ligninem, fenolovým polymerem připomínajícím plastické hmoty) a dalšími polysacharidy, obsahující jako stavební jednotky různé monosacharidy (D-xylosu, D-galaktosu, L-arabinosu, D-glukosu a uronové kyseliny). Pektiny: částečně methylované poly-d-galakturonové kyseliny s vazbami α(1 4), přítomné ve střední buněčné lamele ovoce a jiných rostlinných pletivech. Chitin: homopolymer β(1 4)-vázaných N-acetylglukosaminových zbytků, je stavební polysacharid hub a členovců.

81 Mukopolysacharidy (1) Disacharidové jednotky obsahující hexosamin a deriváty uronových kyselin jsou pak spojovány glykosidovými vazbami 1 4 nebo 1 3 v lineární makromolekuly s tendencí tvořit v pevném stavu helikální konformace. Kyselina hyaluronová je důležitou mukopolysacharidovou složkou kloubního mazadla a očního sklivce - β 4 1 D-glukuronurát β 1 3 N N-acetyl-D-glukosamin C3 hyaluronát

82 Mukopolysacharidy (2) - β 4 1 D-glukuronurát - S β 3 1 N N-acetyl-D-galaktosamin-4-sulfát C3 Chondroitin-4-sulfát je hlavní složka chrupavek a pojivých tkání chondroitin-4-sulfát - S α α S - N S - D-glukurono-2-sulfát heparin N-sulfo-D-glukosamin-6-sulfát eparin se vyskytuje zejména v játrech, plicích a v pokožce. Inhibuje srážlivost krve, široce používán v klinické praxi, např. u postoperačních pacientů.

83 Glykoproteiny a proteoglykany S peptidy a bílkovinami tvoří sacharidy pestrou škálu S peptidy a bílkovinami tvoří sacharidy pestrou škálu sloučeniny, v nichž převažuje buď složka bílkovinná (glykoproteiny), nebo sacharidová (proteoglykany).

84 Proteoglykany Proteoglykany: Polysacharidová složka je většinou povahy glykoaminoglykanů a vytváří až 95% jejich komplexní molekuly. Fungují jako mnohoúčelové pojítko. Mohou tvořit matrici pojivových tkání, zprostředkovávat vazbu buněk na tuto matrici a imobilizovat rozpustné molekuly na matrici a na povrch buněk do poloh vhodných pro stavbu tkáně.

85 Glykoproteiny U glykoproteinů tvoří polysacharidové složky jen několik krátkých, zato často rozvětvených řetězců, různých monosacharidů, spojených různými typy glykosidových vazeb. Sacharidové složky slouží jako molekulové značky buněk a účastní se procesu rozpoznávání při slepování buněk, napojování buněk na matrici a při specifickém rozpoznávání buněk jinými látkami. Sacharidový kód dovedou číst také bílkoviny, zejména lektiny.

86 eteroglykosidy (1) eteroglykosidy jsou zvláštním případem složených sacharidů. A R A R Aglykonem může být alkohol, amin, thiol nebo karboxylová kyselina. eteroglykosidy mají často výrazný fysiologický účinek, a jsou součástí rostlinných drog, antibiotik, barviv. Glykosidová vazba se snadno hydrolyticky štěpí specifickými enzymy. Univerzálně rozšířené jsou N-glykosidy purinových a pyrimidinových basí (nukleosidy).

87 eteroglykosidy (2) Nukleosidy složeny z β-d-ribosy resp. deoxyribosy a nukleových bází. nukleosid báze - P P - - n nukleotid (n = 0, 1, 2) báze báze P - 3,5 -cyklický nukleotid Nukleotidy jsou fosforečné estery nukleosidů, mají řadu funkcí: ƒ stavební jednotka nukleových kyselin ƒ přenašeči energie, aktivují meziprodukty v řadě biosynthes ƒ součástí důležitých kofaktorů enzymů NAD(P)+, FAD acoa ƒ cyklické purinové nukleotidy (camp, cgmp) jsou regulátory metabolismu a neuromodulátory.

88 Sacharidy 1. Které funkční skupiny obsahují sacharidy? Co rozhoduje o příslušnosti monosacharidu k D a Lřadě? 2. Co jsou anomery? Který uhlík je anomerní? Podle čeho je přiřazeno označení a nebo b příslušnému anomeru? Nakreslete struktury α-dglukopyranosy a β-d-fruktofuranosy. 3. Čím je způsobena mutarotace? Určete procentuální zastoupení anomerů D-glukosy, je-li po ustanovení rovnováhy mutarotací měrná otáčivost rovnovážné směsi [α] 20 D = 52,7! α-anomer má [α] 20 D = 112,2 a β-anomer 18,7. 4. Nakreslete struktury následujících derivátů glukosy: D-glucitol Kyselina D-glukonová Kyselina D-glukarová Kyselina D-glukuronová α-d-glukopyranosa-1,6-bisfosfát β-2-deoxy- D-ribofuranosa α-2-deoxy-2-amino- D-glukopyranosa

89 Sacharidy 5. Nakreslete strukturu následujících cukrů! Kreré z nich jsou redukující? Sacharosa / -α-d-glukopyranosyl-(1 2)-β-D-fruktofuranosid Laktosa / -β-d-galaktopyranosyl-(1 4)- β-d-glukopyranosa Maltosa / -α-d-glukopyranosyl-(1 4)- β-d-glukopyranosa. Rafinosa / -α-d-galaktopyranosyl-(1 6)--α-D-glukopyranosyl- (1 2)-β-D-fruktofuranosid. 6. Jaký rozdíl mezi strukturou škrobu a celulosy? Co jsou jejich monomerní jednotky? 7. Papír ztrácí většinu své pevnosti, pokud je namočen vodou, ale zachovává si ji, pokud je namočen olejem. Vysvětlete! 8. Molekula amylopektinu se skládá z 1000 glukosových zbytků a je větvená na každém 25. Zbytku. Kolik redukujících konců obsahuje? 9. Porovnejte strukturu amylopektinu a glykogenu! Kde v organismu se nachází glykogen?

90 Sacharidy 10. Napište reakční mechanismus kysele katalysované mutarotace glukosy v vodném roztoku! 11. odnoty specifické otáčivosti [α] 20 D jsou pro α- a β-anomery D- galaktosy 150,7 a 52,8. Směs, obsahující 20% α-d-galaktosy a 80% β-d-galaktosy, je rozpuštěna ve vodě při 20 C. Jaká je počáteční specifická otáčivost roztoku? Jaké je anomerní složení směsi při rovnováze, jestli specifická otáčivost 80,2?

91 Lipidy Definice, rozdělení, funkce Jednoduché lipidy Složené lipidy Izoprenoidy (izoprenoidní lipidy) Lipoproteiny

92 Definice lipidů Název lipidy označujeme pestrou skupinu nízkomolekulárních přírodních látek, nerozpustných ve vodě (hydrofobních), ale dobře rozpustných v nepolárních rozpouštědlech (lipofilních). Podle molekulové stavby rozdělujeme lipidy na dvě hlavní skupiny: Lipidy: estery vyšších mastných kyselin a alkoholů nebo jejich derivátů (zmýdelnitelné lipidy). Isoprenoidy: jejich molekuly jsou sestavovány ze zbytků isoprenu. (nezmýdelnitelné lipidy).

93 Rozdělení lipidů LIPIDY Jednoduché Složené Isoprenoidní vosky triacylglyceroly acylsteroly fosfolipidy glykolipidy steroly žlučové kyseliny

94 lavní biologické funkce lipidů Zdroj a reserva energie Strukturní funkce chranné funkce

95 Jednoduché lipidy - Vosky Vosky jsou tuhé estery mastných kyselin s monohydroxylovými alkoholy s dlouhým lineárním alifatickým řetězcem: 3C cetylalkohol (C 16 ), karnaubylalkohol (C 24 ), cerylalkohol (C C3 26 ), 15 myricylalkohol (C ). Vosky mají funkce ochranné. V průmyslu se vosky používají hlavně při výrobě svíček, krémů, mýdel a různých náplastí. Z živočišných vosků se v praxi užívá hlavně včelí vosk a lanonin, vosk ovčí vlny. Z roslinných vosků je nejpouživanější tzv. karnaubský vosk z listů palmy Copernicia cerifera.

96 Jednoduché lipidy - Acylsteroly Acylsteroly obsahují jako alkoholovou složku cholesterol nebo jiný sterol. 3C C3 C3 C3 C3 3C 14 Jsou součástí lipidní složky biologických membrán a lipoproteinů, které umožňují regulovatelný transport lipidů v organismu.

97 Jednoduché lipidy - Acylglyceroly - tvoří nejpočetnější skupinu jednoduchých lipidů, - jsou základem živočišných tuků a rostlinných olejů. 18 3C C C C3 2C C3

98 Jednoduché lipidy Mastné kyseliny

99 Nasycené mastné kyseliny Mastné kyseliny mají dlouhý, až na výjimky nevětvený řetězec, tvořený 4 až 26 atomy uhlíku, převážně se sudým počtem atomů uhlíku. 3C C4 máselná C6 kapronová C8 kaprylová C10 kaprinová C12 laurová C14 myristová C16 palmitová C18 stearová C20 arachová C22 behenová V přírodě bylo nalezeno více než 50 různých mastných kyselin. Kyseliny s více než 10 atomy uhlíku se v buňkách ve volné formě normálně nevyskytují.

100 Nenasycené mastné kyseliny Nenasycené mastné kyseliny jsou olejovité látky. Dvojné vazby jsou vždy v konfiguraci cis rigidní ohyb v řetězci C kys. palmitolejová 16 (9:10) C kys. olejová 18 (9:10) C C kys. linolová 18 (9:10 12:13) je esenciální kyselina kys. linolenová 18 (9:10 12:13 15:16) C kys. arachidonová 20 (5:6 8:9 11:12 14:15) kys. arachidonová je prekurzor vysoce účinných látek zv. prostaglandiny a leukotrieny.

101 Jednoduché lipidy Prostaglandiny (1) Prostaglandiny jsou mastné kyseliny s dvaceti uhlíkovými atomy, které ve své struktuře obsahují pětičlenný kruh. C3 C3 PGA 1 arachidonová kyselina C3 20 prostannová kyselina C3 PGB 1 PGE 1 C3

102 Jednoduché lipidy Prostaglandiny (2) Aktivní prostaglandiny jsou velmi nestálé; poločas některých prostaglandinů je řádu minisekund. Fungují jako regulátory některých specifických procesů v různých buněk. Mají schopnost měnit intenzitu signálu určeného pro regulaci procesů vnitrobuněčného metabolismu. vlivňují činnost všech druhů žláz, hladkých svalů i jednotlivých buněk. Přímo ovlivňují funkci reprodukčních orgánu, gastrointestinálního systému, respiračního a srdečně-cévního systému.

103 Složené (polární) lipidy Složené (polární) se liší od lipidů jednoduchých nejen složitější chemickou stavbou, ale i biologickým významem. složené lipidy podle polární složky podle charakteru alkoholové složky fosfolipidy glykolipidy glycerofosfolipidy sfingofosfolipidy sfingoglykolipidy fosfatidylethanolaminy fosfatidylcholin fosfatidylseriny fosfatidylinositoly plasmalogeny sfingomyeliny

104 Složené lipidy Glycerofosfolipidy (1) Fosfoacylglyceroly jsou estery 1,2-diacylglycerol-3-fosforečné (fosfatidové) kyseliny s alkoholy. 3C C2 3C Název X- Vzorec Název fosfolipidu C 2C P - x Voda - fosfatidová kyselina Ethanolamin -C 2 C 2 N + 3 fosfatidylethanolamin (kefalin) Cholin -C 2 C 2 N(C 3 ) + 3 fosfatidylcholin (lecithin) Serin -C 2 C(N 3+ )C - fosfatidylserin (kefalin) Glycerol -C 2 C()C 2 fosfatidylglycerol

105 Složené lipidy Glycerofosfolipidy (2) 3C C2 3C Inositol C 2C P - x fosfatidylinositol Fosfatidylglycerol C2 C C2 P - C2 C R4 difosfatidylglycerol (kardiolipin) R3 C2

106 Složené lipidy Glycerofosfolipidy (3) Plasmalogeny jsou glycerofosfolipidy, ve kterých je substituent na C 1 vázán na glycerolovou kostru α,β-nenasycenou etherovou vazbou. R1 R2 C2 C 2C P - x = -C 2 C 2 N 3 Polární skupiny plasmalogenů tvoří hlavně ethanolamin, cholin, serin. -C 2 C 2 N(C 3 ) 3 + -C 2 C(N 3+ )C -

107 Složené lipidy Glycerofosfolipidy (4) 3C C2 3C 2C C P - x Jsou amfifilní molekuly s nepolárními alifatickými konci a polárními X- fosforylovými hlavami. Jsou v nízké koncentraci ve vodě rozpustné, nad určitou koncentrací (tzv. kritickou micelární koncentrací) se shlukují do větších celků (micel). Uplatňují se především jako stavební základ biologických membrán.

108 Složené lipidy Sfingolipidy Sfingolipidy: jejich alkoholová složka je nenasycený aminoalkohol sfingosin (E)-2-aminooktadec-4-en-1,3-diol C R 4 N 3 C2 2 C 2C 1 Mastná kyselina se váže amidovou vazbou na amioskupinu a tvoří ceramidy - základní složku všech sfingolipidů.

109 Složené lipidy Sfingofosfolipidy Sfingomyeliny: jsou estery ceramidů a fosforylcholinu. C 3 C2 R N C 2C P - C3 N + C3 C3 Sfingomyeliny jsou součástí myelinového obalu nervových buněk.

110 Složené lipidy Sfingoglykolipidy lipidy (1) Sfingoglykolipidy Jsou součástí vnějšího povrchu buněčných membrán. C 3 R N C2 C sacharid vázaný na primární alkoholové skupině. 2C sacharid Cerebrosidy obsažené v mozkové tkáni. sacharid = β-d-galaktosa, β-d-glukosa Sulfatidy: vyskytují se v tkáních mozku, plic, kosterního svalstva, jater aj. sacharid = β-d-galaktosa-3-sulfát

111 Složené lipidy Sfingoglykolipidy lipidy (2) Gangliosidy se vyskytují se převážně v šedé hmotě mozkové, kde tvoří 6 % lipidů. C 3 Gangliosidy mají značný fyziologický a lékařský význam. Jejich složité cukerné skupiny plní funkci receptorů pro určité hypofylární glykoproteinové hormony, které řídí mnoho důležitých fyziologických funkcí. R rozvìtvený oligosacharid C2 N C 2C

112 Isoprenoidní lipidy Isoprenoidní lipidy patří mezi steroidy, základ jejichž struktury je polycyklický skelet cyklopentano[b]perhydrofenanthrenu Steroidy jsou hydrofobní nebo amfifilní látky, z nichž mnohé mají charakter hormonů. Strukturní a transportní význam mají steroly a žlučové kyseliny, které řadíme do skupiny lipidů.

113 Isoprenoidní lipidy - Steroly Steroly se vyskytují v živočisných a rostlinných buňkách jako volné alkoholy nebo estery mastných kyselin Jsou obecně důležitou součástí membrán. Podle původu dělíme steroly na zoosteroly (živočišné), fytosteroly (rostlinné), mykosteroly (steroly hub) a mořské steroly (steroly mořských živočichů a rostlin).

114 Isoprenoidní lipidy - Zoosteroly 2 3β C C C C C3 Cholesterol: Modeluje tekutost a permeabilitu plasmové membrány. Je výchozí látkou pro biosynthesu dalších důležitých steroidů žlučových kyselin, pohlavních hormonů, kalciferolů. V normálně fungující tkáni jsou plynule syntetizovány a odbourávány. Patologicky se cholesterol ukládá ve stěnách krevních cév a vyvolává atherosklerosu a nebo ukládá ve žlučových kamenech.

115 Isoprenoidní lipidy - Fytosteroly Fytosteroly jsou přítomny v rostlinách většinou jako necukerné složky heteroglykosidů. 2 3β C C C3 Stigmasterol [(24S)-24-ethylcholesta-5,22-dien-3b-ol] je široce rozšířěný fytosterol, užívá se jako výchozí surovina při technické synthese steroidních hormonů S 25 C3 27 C3 26 C3

116 Isoprenoidní lipidy - Mykosteroly 2 3β C3 21 3C C C 24S C C3 Ergosterol [(24R)-24-ethylcholesta-5,7,22-trien-2b-ol] Je důležitou součástí membrán buněk a mycelií většiny nižších hub. zářením ultrafialovým zářením se přeměňuje na vitamin D 2.

117 Isoprenoidní lipidy - Kalciferoly Kalciferoly (vitamin D): Tvoří se účinkem ultrafialového záření z provitaminů - 5,7 nenasycené steroly. 3C R 18 R C3 18 R 18 18C C3 12 C C3 14 C hν teplo játra 3β 3β ledviny provitaminy D prekalciferoly 5 C cholekalciferol (vitaminy D 3 ) 1 ergokaciferol (vitamin D 2 ) C vitamin D 16 3C 3C

118 Isoprenoidní lipidy - Žlučové kyseliny Žlučové kyseliny jsou hlavní součástí žluče. Usnadňují trávení a střebávání lipidů. 3C C3 X 3C C3 C3 C3 X: kyselina cholová - NC 2 C 2 S 3 taurocholát NC 2 C - glykocholát kyselina deoxycholová

119 Lipoproteiny Lipoproteiny vznikají spojením lipidů se specifickými bílkovinami, nekovalentní hydrofobní interakcí.

120 Plasmové lipoproteiny Funkce: zajišťují transport a distribuci lipidů prostřednictvím krve a lymfatického systému. Fungují též jako regulátory metabolismu lipidů. Typ ustota (g.cm -3 ) Protein / Lipid Funkce Chylomikrony < 0,950 0,01 transport triacylglycerolů a cholesterolu ze střev do tkání VLDL 0,950 1,006 0,1 IDL 1,006 1,019 0,25 LDL 1,019 1,063 0,25 transport triacylglycerolů a cholesterolu z jater do tkání DL 1,063 1,210 1,00 transport cholesterolu z tkání do jater LDL jsou zodpovědné za vysokou hladinu krevního cholesterolu a aterosklerosu.

121 Lipidy 1. Co jsou lipidy? Co jsou zmýdelnitelné lipidy a co jsou nezmýdelnitelné lipidy? 2. Jaké druhy sloučenin zahrnujeme mezi lipidy? 3. V jaké geometrické konfiguraci jsou dvojné vazby v mastných kyselinách obsažených v lipidech? Proč klesá teplota tání v pořadí olejová linolová a-linolenová kyselina, i když všechny tyto mastné kyseliny mají stejný počet uhlíků? 4. Včem spočívá hlavní význam esenciálních mastných kyselin? 5. Popište vztah mezi strukturou a vlastnostmi různých triacylglycerolů. 6. Jaký hlavní biologický význam mají složené (polární) lipidy? Jaké jsou jejich chemická složení? 7. Co jsou glycerolipidy, sfingolipidy, fosfolipidy, glykolipidy?

122 Lipidy 8. Tenzidové vlastnosti fosfolipidů se uplatňují při funkci plic: snižují povrchové napětí vody, která zvlhčuje tenké povrchové membrány alveolárních buněk. Vysvětlujte mechanismus jejich působení. 9. Nakreslete základní skelet isoprenoidních lipidů. Jaký význam mají tyto lipidy v živých organismech? 10. Jaká je struktura cholesterolu a jaký je jeho význam v organismu? 11. Co je příčínou vzniku aterosklerozy? 12. Z čeho se skládají lipoproteiny?

123 Biologické membrány Chemické složení a struktura membrán Vlastnosti biologických membrán Membránový transport Účast na komunikacích buněk

124 Chemické složení a struktura membrán Z chemického hlediska: struktury vybudované z molekul lipidů, bílkovin a sacharidů v organisovaném uspořádání udržovány nekovalentními interakcemi. Z fyzikálního hlediska: dvojrozměrné kapaliny.

125 Základní stavební prvek je lipidová dvojvrstva Struktura membrán

126 Chemické složení - Membránové lipidy Fosfolipidy: fosfatidylethanolaminy fosfatidylcholiny fosfatidylseriny fosfatidylinositoly difosfatidylglyceroly sfingomyeliny Steroly Glykolipidy

127 Chemické složení - Membránové bílkoviny (1) Membránové proteiny rozdělujeme na periferní a integrální. Periferní (vnější) membránové bílkoviny jsou k membráně poutány slabými vazbami (většinou elektrostatickými a vodíkovými). Mnohé z periferních bílkovin jsou enzymy, umístěné na vnitřní (cytosolární) straně buněčné membrány.

128 Chemické složení - Membránové bílkoviny (2) Integrální (vnitřní) membránové bílkoviny: receptory, specifické detektory, kanály a pumpy, enzymy.

129 Chemické složení - Membránové sacharidy Sacharidy: glykolipidy glykoproteiny Sacharidy na povrchu buněk slouží k mezibuněčnému rozpoznání.

130 Biologické membrány

131 Fyzikální vlastnosti Bariera, Fluidita, Strukturní a funkční asymetrie, Kooperativita, Isolační vlastnosti

132 Transport látek membránami

133 Účast na komunikacích buněk Přenos informace mezi buňkami zajišťují hormony a mediátory. Podstatou přenosu informace z jedné buňky do druhé je uvolnění chemického signálu v jedné buňce a jeho interakce s buňkou cílovou. U nosičů informace, které neprocházejí buněčnou membránou, je přijetí informace zprostředkováno receptory povahy bílkovin, umístěnými na vnější straně membrán.

134 Biomembrána 1. Z fyzikálního hlediska jsou biomembrány dvojrozměrné kapaliny. Vysvětlete! 2. Jaké jsou strukturní složky biomembrán? Jaké úlohy mají jednotlivé složky? 3. Co je aktivní transport a co je pasivní transport? 4. Mýdlové bubliny jsou obrácené dvojvrstvy; to znamená, že polární skupiny amfigfilů jsou společně s vodou ve styku, zatímco hydrofobní konce amfifilních molekul směřují do vzduchu. Vysvětlete fyzikální podstatu tohoto jevu!

135 Biokatalýza Klasifikace a názvosloví enzymů Složení a molekulární vlastnosti enzymů: chemie kofaktorů - koenzymy a vitaminy, enzymové bílkoviny Mechanismus katalytického působení enzymů Enzymová kinetika, faktory a látky ovlivňující EA Regulace enzymové aktivity

136 Biokatalyzátory - Enzymy biokatalyzátory enzymy urychlují chemické přeměny faktory katalyzují procesy, při nichž nedochází k chemickým změnám např. změny konformace Enzymy jsou pozoruhodné biologické katalyzátory. Vysoká reakční rychlost Mírné reakční podmínky Značná specifita účinková a substrátová Schopnost regulace na několika úrovních

137 Klasifikace a názvosloví enzymů (1) Doporučené triviální názvy běžné dříve používané jméno Systémové názvy zahrnují substrát i typ katalysované reakce a tvoří se takto: Enzym katalysující přeměnu substrátu A reakcí typu R má název ARasa Enzym katalyzující reakci substrátu A se substrátem (nebo kofaktorem) B reakcí typu R má název A: B-Rasa. Systémové klasifikační číslo vystihuje zařazení enzymu v uvedené klasifikaci EC (Enzym Commission).

138 Klasifikace a názvosloví enzymů (2) 1. xidoreduktasy: katalyzují přenos atomu vodíku - Transhydrogenasy, ydrogenasy; přenos elektronů - Transelektronasy; nebo vestavění atomu kyslíku do substrátu xygenasy. 2. Transferasy: Realisují přenos skupin (-C 3, -N 2, zbytek glukosy apod.). 3. ydrolasy: Štěpí hydrolyticky vazby, vzniklé kondensací, např. amidové, esterové. 4. Lyasy: Katalysují (energeticky nenáročné) nehydrolické štěpení a vznik vazeb C-C, C-, C-N,... Provádějí to většinou tak, že odštěpují ze substrátu nebo do něj vnášejí malé molekuly ( 2, C 2, N 3,...) bez pomocí dalšího reaktantu. 5. Isomerasy: Realisují vnitromolekulové přesuny atomů a jejich skupin, tedy vzájemné přeměny isomerů. 6. Ligasy: Katalysují vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu látky uvolňující energii, např. ATP.

139 Jednotky katalytické aktivity Standardní (mezinárodní) jednotka aktivity (EC IUB v roce 1961): U 1 U představuje množství enzymu katalysujícího za standardních podmínek (30 C a optimální p) při saturaci substrátem přeměnu 1 µmol substrátu za minutu. Katal (SI, 1972): : kat 1 kat představuje množství katalysátoru, které přemění za standardních podmínek za 1 sekundu 1 mol substrátu. Rychlost přeměny substrátu (IUPAC, 1981): katalytická aktivita vyjádřená v katalech Koncentrace katalytické aktivity (jednotka kat.dm -3 ), Specifická katalytická aktivita (jednotka kat.kg -1 ) Molární katalytická aktivita (jednotka kat.mol -1 ).

140 Složení a molekulární vlastnosti enzymů (1) Enzym = bílkovinná část + nebílkovinná část Nebílkovinná část = KFAKTR Prosthetická skupina je pevně vázána na bílkovinnou složku jako stabilní součást molekuly Koenzym s bílkovinnou složkou vázán jen slabě a může se od ní lehce oddělovat (disociovat). Apoenzym + koenzym = holoenzym Koenzym a prosthetická skupina se odlišují ve způsobu regenerace.

141 Složení a molekulární vlastnosti enzymů (2) Katalytické působení koenzymu je realizováno spřažením dvou reakcí prováděných různými enzymy. SUBSTRÁT 1 PRDUKT 1 ENZYM 1 (apoenzym 1 - koenzym) apoenzym 1 + koenzym* apoenzym 2 apoenzym 1 koenzym + apoenzym 2 ENZYM 2 (apoenzym 2 - koenzym*) PRDUKT 2 SUBSTRÁT 2

142 Složení a molekulární vlastnosti enzymů (3) Enzymy s kofaktory typu prosthetické skupiny fungují jinak: krátce po sobě reagují se dvěma různými substráty, přičemž obě reakce realisuje tentýž enzym. SUBSTRÁT 1 PRDUKT 1 ENZYM (apoenzym - prosthetická skupina) ENZYM (apoenzym + prosthetická skupina*) PRDUKT 2 SUBSTRÁT 2

143 Chemie kofaktorů Kofaktor může být kovový iont nebo organická molekula, popřípadě obě složky najednou. Příklady enzymů, pro jejichž katalytickou aktivitu je nutný kovový ion Zn 2+ Mg 2+ Mn 2+ alkoholdehydrogenasa, karbonátdehydrogenasa, karboxypeptidasa fosfohydrolasy, fosfotransferasy arginasa, fosfotransferasy Fe 2+ nebo Fe 3+ cytochromy, peroxidasa, katalasa, ferredoxin Cu 2+ nebo Cu + tyroxinasa, cytochromoxidasa

144 Kofaktory oxidoreduktas (1) Nikotinamidové nukleotidy: Nevázané mají E = -0,32 V, vazbou na epoenzym se mění jejich redoxní potenciál E - - P P N N2 N N + N N nikotinamidadenindinukleotid (NAD + ) nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP + ) N2 - - P P N N2 N N + N P - N - N2 NAD + a NADP + jsou součástí nikotinamidové dehydrogensy

145 Kofaktory oxidoreduktas (2) Flavinové nukleotidy: 3C N N 3C N N C 3 N N C 3 N N C2 C2 3C 3C N2 3C 3C 3C 3C N N 2C P - - 2C P - P - N N Riboflavinfosfát (FMN) Flavinadenindinukleotid (FAD) FMN, FAD (E = -0,18 V) oxidují NAD a NADP (E = -0,32 V), účastní se oxidační dehydrogenace za vzniku dvojné vazby.

146 Kofaktory oxidoreduktas (3) Ubichinony (koenzym Q): Nejběžnější jsou koenzymy Q6 (n = 6) a koenzym Q10 (n = 10); 3C +2e -, C 3C -2e -, C C3 n C3 n Ubichinony (E = 0,10 V) tvoří i stabilní volné radikály (UQ ).

147 Kofaktory oxidoreduktas (4) Porfyrinový chelát železa: -C C- kofaktor tzv. hemových enzymů: katalasa, peroxidasy, cytochromy 3C3 N N C3 Fe N N C3 2C 3C C2

148 Kofaktory transferas (1) Adenosintrifosfát (ATP): kofaktor fosfotransferasy nebo kinasy. N2 N N - P P P N N - - -

149 Kofaktory transferas (2) Tetrahydrofolát může přenášet aktivované jednouhlíkové jednotky ve třech různých oxidačních stavech: ( C 3 ); ( C 2 -); ( C, C=N, C=) N 3 N 4 5 N 6 10 N 9 2N 2 N 1 8 N 7 kyselina 5,6,7,8-tetrahydrolistová

150 Kofaktory transferas (3) Biotin: vitamin přenáší C 3 - N N - N N S S N biotin karboxy-ε-n-biotinyllysin N2 Celkový průběh karboxylačních reakcí ukazují následující rovnice: ATP + C 3- + biotinyl-apoenzym = ADP + P + karboxybiotyl-apoenzym karboxybiotyl-apoenzym + R- = biotinyl-apoenzym + R-C

151 Kofaktory transferas (4) Thiamindifosfát: C3 C 3 N N + N N2 S P P Enzymy s thiaminovým koenzymem katalysují dekarboxylaci 2-oxokyselin tvorbu a odbourávání acyloinů.

152 Kofaktory transferas (5) Kyselina pantothenová a její deriváty: jsou universální přenášeče acylů při oxidačním odbourávání mastných kyselin, oxidační dekarboxylaci 2-oxokyselin, při acetylacích apod. 3C C3 N N S 3C N C3 kyselina pantothenová P - N N2 N 3C C3 N N S P - koenzym A CoA-S - N N P - P polypeptidového øetìzce ACP - N 3C fosfopantethein prostetická skupina "mastná kyselina-synthasy"

153 Kofaktory transferas (6) Pyridoxalfosfát (PALP) je prosthetickou skupinou aminotransferas, které katalisují transaminační reakce aminokyselin. P - - 3C N pyridoxin (vitamin B 6 ) 3C N pyridoxal-5-fosfát (PALP)

154 Kofaktory isomeras Isomerasy většinou nepotřebují kofaktory. R 2NC 3C CN2 Zvláštní skupinu kofaktorů isomeras tvoří kofaktory odvozené od vitaminu B 12 - kobalamin 2NC 3C 3C 2NC 3C N N N N Co + N C3 C3 CN2 C3 C3 CN2 3C N C3 - P N C3

155 Přehled vitaminů a jejich koenzymových forem Název (symbol) Thiamin (B 1 ) Riboflavin (B 2 ) Kyselina nikotinová (resp. Nikotinamid) Kyselina pantothenová Kyselina listová (folát) Pyridoxin (B 6 ) Kyanokobalalamin (B 12 ) Kyselina askorbová (C) Biotin () Kyselina lipoová Vitaminy A (karotenoidy) Vitaminy D (kalciferoly) Koenzymová nebo aktivní forma Thiamindifosfát (TPP) Flavinmononukleotid (FMN) Flavinadenindinukleotid (FAD) Nikotinamidadenindinukleotid (NAD) Nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP) Koenzym A (CoA) Tetrahydrofolát (F 4 ) Pyridoxalfosfát (PALP) Koenzym B 12 Není přesně známa Biocytin Lipoyllysin 11-cis-retinal 1,25-dihydroxycholekalciferol

156 Enzymové bílkoviny Enzym = bílkovinná část + nebílkovinná část Bílkovinná část = Enzymové bílkoviny monomerní, tvořené jediným peptidovým řetězcem, oligomerní, složené z několika podjednotek, multienzymové komplexy, tvořené několika molekulami různých enzymů. Domény v jednotlivých peptidových řetězcích mají specifickou funkci: katalytická, regulační, kooperativní.

157 Aktivní centrum enzymů Aktivní centrum enzymů je oblast, kde se váží substráty a kofaktory. Typy interakcí: Vodíkové a iontové vazby (nukleofilní a bazické katalýzy), Kovalentní vazba (kovalentní katalýza). Katalytické skupiny: zbytky aminokyselin, podílející se na tvorbě a štěpení vazeb. karboxylové skupiny, hydroxylová skupina, thiolová skupina, imidazolový kruh histidinu. Tyto skupiny se účastní nukleofilní a bazické katalýzy. aminoskupina lysinu tvoří Schiffovu basi s oxoskupinou - kovalentní katalýza. kovové ionty fungují jako elektrofilní činidla.

158 Mechanismus katalytického působení enzymů Vysoká účinnost E [kj] E-X # Teorie aktivovaného komplexu: E + S = ES # = ES = EX # = EP = EP # = E + P E-S # E a Arrheniova rovnice: k = A. exp (-E a /RT) E-S E-P # S E-P P reakèní koordináta Značná specifita ypotéza zámku a klíče - Fischer (1894) ypotéza indukovaného přizpůsobení - Koshland (1959) Rentgenová analýza ukázala, že vazebná místa většiny enzymů jsou z větší části vytvořena předem, ale že vazba substrátu u nich navozuje určitou strukturní úpravu.