Struktura, chemické a biologické vlastnosti aminokyselin, peptidů a proteinů

Transkript

1 Struktura, chemické a biologické vlastnosti aminokyselin, peptidů a proteinů

2 Aminokyseliny CH COOH 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 NH 2

3 Funkce aminokyselin Převzato: Koolman, J., Roehm, K. H.; Color Atlas of Biochemistry, 2005

4 Aminokyseliny amk proteinů nekódové amk vzácné amk proteinů neproteinové amk proteinogenní amk α-aminokyseliny, asymetrický uhlík, konfigurace L kódované amk, jen 20

5 esenciální amk 10 Aminokyseliny Agr, His semiesenciální nedostatečná syntéza v období růstu

6 Aminokyseliny proteinů základní přehled 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

7 Neutrální aminokyseliny s nepolárním postranním řetězcem glycin alanin H H 3 C prolin (iminokyselina) H N C OH O valin H 3 C CH fenylalanin CH 2 CH 3 leucin isoleucin H 3 C H 3 C CH CH 2 CH 3 CH 2 CH tryptofan N H CH 2 CH 3 methionin H 3 C S CH 2 CH 2

8 Neutrální aminokyseliny s polárním postranním řetězcem serin HO CH 2 asparagin H 2 N C CH 2 O threonin H 3 C CH OH glutamin H 2 N C O CH 2 CH 2 tyrosin HO CH 2 cystein HS CH 2

9 Kyselé aminokyseliny kyselina asparagová HO C O CH 2 kyselina glutamová HO C O CH 2 CH 2

10 Zásadité aminokyseliny lysin H 2 N CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 arginin H 2 N C NH CH 2 CH 2 CH 2 NH histidin HN N CH 2

11 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)

12 Acidobazické vlastnosti amk nedisociovaná forma H CH COOH zwitterion, amfion, obojetný ion, amfoterní povaha NH 2 H CH COO disociace aminokyselin NH 3 H CH COOH H CH COO H CH COO NH 3 NH 3 NH 2 ph = 1 ph = 6 ph = 11

13 Izoelektrický bod pi = izoelektrický bod pi = pka + 2 pkb rovnováha mezi kladnými a zápornými náboji amk je nejméně rozpustná! nenese žádný náboj (+ a se vyruší)

14 Chemické vlastnosti přeměny možné na COOH, NH 2, 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

15 PEPTIDY vznikají spojením amk peptidovými vazbami tvorba peptidové vazby: O H 2 N CH COOH H 2 N CH COOH H 2 N CH C N CH COOH R 1 rozdělení: + R 2 R 1 oligopeptidy di-, tri- až dekapeptidy 2-10 amk polypeptidy amk proteiny bílkoviny - nad 100 amk H R 2 + H 2 O

16 Peptidová vazba N-konec, N-koncová aminokyselina C-konec, C-koncová aminokyselina O O H 2 N CH C N CH C N CH COOH R 1 H R 2 H R 3

17 Peptidová vazba 2 tautomery Převzato: Koolman, J., Roehm, K. H.; Color Atlas of Biochemistry, 2005

18 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

19 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%

20 Struktura proteinů 20 aminokyselin vzájemně propojených peptidovými vazbami v lineární nerozvětvený řetězec počet amk od několika desítek po několik tisíc, Mr = 10 4 až 10 6 funkce bílkovin je dána jejich strukturou

21 funkce bílkovin je dána jejich strukturou Enzym či receptor

22 4 úrovně struktury bílkovin Primární 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

23 Primární struktura pořadí (sekvence) amk v řetězci N-konec, C-konec sekvence amk jednoznačně určuje prostorové uspořádání molekuly a tím i biologickou funkci

24 Sekundární struktura geometrické uspořádání polypetidového řetězce vyvolané otáčením rovin peptidových vazeb kolem α-uhlíků stabilizované vodíkovými vazbami vodíkové vazby mezi C=O H-N předpoklady vzniku stabilizované struktury: L-amk, trans peptidová vazba, max. možnost tvorba H vazeb struktury α-helix a β-struktura

25 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

26 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

27 Struktura skládaného listu Antiparalelní β-struktura Paralelní β-struktura Převzato: Koolman, J., Roehm, K. H.; Color Atlas of Biochemistry, 2005

28 Přehled sekundárních struktur bílkovin

29 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

30 Terciární struktura vazby vytvářející terciární strukturu: vodíkové vazby NH 2, -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

31 Vazby v bílkovinách KOVALENTNÍ VAZBY PEPTIDOVÁ -CO-NH 2 - DISULFIDOVÁ -S-S- NEVAZEBNÉ INTERAKCE vodíkové můstky hydrofóbní interakce Iontové interakce Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition 2005 Thieme

32 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

33 Fibrilární proteiny dlouhé molekuly uspořádané v jednom směru proteiny kůže, kosti, pojiva funkce ochranná, stavební, spojovací, pohybová - α-keratin, fibroin, kolagen

34 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

35 α-keratin Převzato: Koolman, J., Roehm, K. H.; Color Atlas of Biochemistry, 2005

36 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

37 Kolagen, fibroin Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition 2005 Thieme

38 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

39 Kvartérní struktura asociace dvou nebo více polypeptidových řetězců do oligomeru globulárního charakteru na vazbě se podílejí větší oblasti polypeptidových řetězců, geometrická komplementárnost těchto oblastí vysoká specifita spojení hemoglobin tetramer, dva α a dva β- řetězce velké molekuly proteinů, velmi časté

40 Kvartérní struktura Výhody kvartérní struktury velká molekula se tvoří lépe z menších stavebních podjednotek, lépe se opravují chyby syntéza podjednotky jinde než sestavování kompletní molekuly větší molekuly stabilnější důležité u enzymů aktivita enzymů (podjednotkových) může být lépe regulovaná Podjednotky identické (oligomer) neidentické (protomer)

41 Přehled struktur bílkovin

42 Nepeptidové složky bílkovin sacharidy v proteinech glykoproteiny proteoglykany kolagen disacharid (D-gal, D-glu) fosfát fosfoproteiny kovové ionty metaloproteiny lipidy lipoproteiny nukleové kyseliny - nukleoproteiny

43 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

44 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

45 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), porušení vodíkové a hydrofóbní vazby (močoviny, detergenty)

46 Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition 2005 Thieme

47 86 amk Struktury insulinu Zn