BIOCHEMIE KCH / N 208

Transkript

1 Univerzita J. E. Purkyně vústí nad Labem Přírodovědecká fakulta BICEMIE KC / N 208 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 Biochemie LITERATURA: 1. Vodrážka Z.: Biochemie. Academia, Praha Voet D., Voetová J. G.: Biochemie. Victoria publishing, Praha Šípal Z.: Biochemie. SPN, Praha Němečková A. a kol.: Lékařská chemie a biochemie. Avicenum Musil J.: Biochemie v obrazech a ve schématech. Avicenum 1992.

4 Molekulová organizace buňky BUŇKA organel (jádro, mitochondrie, chloroplasty atd.) nadmolekulové struktury (megamolekuly, supermolekuly): Mr 10 6 až 10 9 (kontraktilní systémy, chromatin, ribosomy, enzymové komplexy, biomembrány apod.) biomakromolekuly (biopolymery): M r 10 3 až 10 6 (bílkoviny, nukleové kyseliny, polysacharidy a lipidy) stavební jednotky: organické látky o M r 100 až 350 (nukleotidy, monosacharidy, aminokyseliny, mastné kyseliny) základní prekursory: C 2, 2, N 3, N 2 a S 2

5 Biopolymery Bílkoviny: složeny z α-aminokyselin, tvoří % sušiny organismů, mají funkce stavební, podpůrné, transportní, katalytické, vysoce specializované funkce (enzymy, hormony, protilátky a další). Nukleové kyseliny: složeny z nukleotidů, mají funkce skladování, přenosu a zpracování biologické (genetické) informace (DNA a RNA). Sacharidy: slouží jako zdroj a skladování energie (glykogen, škrob), stavební materiál (celulosa, chitin), stavební jednotky NA (D-ribosa a 2-deoxy-D-ribosa). Lipidy: estery vyšších mastných kyselin a alkoholů nebo jejich derivátů, slouží jako zdroj a zásobná forma energie (triacylglyceroly), stavební prvky biomembrán (polární lipidy). Konečné produkty a meziprodukty látkové přeměny: aminokyseliny, jednoduché cukry, nukleotidy, vitaminy

6 lavní úlohy biomolekul v organismu Stavební:hlavně některé bílkoviny, a anorganické látky, v rostlinné říši je celulosa, pro výstavbu biomembrán polární lipidy. Provozní:sacharidy, lipidy jako zdroj energie Zásobní:zásobu energie pro případ pozdější potřeby tvoří např. škrob a tuk v semenech, sacharosa v řepné bulvě, glykogen v živočišném svalu. Řídící: enzymy, hormony, různé nukleové kyseliny a některé soli

7 Aminokyseliny - struktura 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

8 Proteinogenní aminokyseliny Glycin - 3 N + Nemá postranní řetězec. Zaujímá nejmenší prostor - důležité pro budování prostorových struktur bílkovin. Řada strukturních bílkovin (kolageny, bílkoviny hedvábí a vlny) obsahuje významné množství glycinu. Prolin - 2N + Má rigidní cyklickou strukturu Dává vznik rigiditě a změně směru ve kterém se buduje páteř polypeptidového řetězce. Má důležitou úlohu při formování prostorových struktur proteinů.

9 Proteinogenní aminokyseliny alanin, valin, leucin, isoleucin -C 3 alanin -C(C 3 ) 2 valin * -C 2C(C 3) 2 leucin * -C(C 3 )C 2 C 3 isoleucin * -C 2 C 2 SC 3 methionin * - 3 N + R fenylalanin, tryptofan -C 2 C 6 5 fenylalanin * tryptofan C2 N mají alifatické a aromatické postranní řetězce zdroj hydrofobních interakcí

10 serin, methionin, cystein, tyrosin -C 2 Proteinogenní aminokyseliny -C()C 3 -C 2 S -C 2 C serin threonin* cystein tyrosin Přispívají k hydrofilním vlastnostem bílkovin. - 3 N + R Uplatňují se v řadě biochemických reakcí díky schopnostem vytvářet vodíkové vazby a také jako nukleofil. cystein umožňuje vytváření příčných disulfidových vazeb R-S + S-R R-S-S-R

11 Proteinogenní aminokyseliny - 3 N + asparagin a glutamin -C 2 CN 2 asparagin -C 2 C 2 CN 2 glutamin Jsou neutrální a nereaktivní Mohou vytvářet vodíkové vazby. Prostřednictvím asparaginu jsou v glykoproteinech často vázány sacharidové složky. Ve volné formě jsou letentní zásobou aminoskupin v organismu R

12 Proteinogenní aminokyseliny - 3 N + asparagová a glutamová kyselina -C 2 C - asparagová k. -C 2 C 2 C - glutamová k. Mají záporný náboj - zdroj elektrostatických interakcí. Ve volné formě se účastní přenosu aminoskupin v organismu. Glutamát působí excitačně na přenos informací mezi nervovými buňkami. R

13 Proteinogenní aminokyseliny - Arginin, lysin, histidin -(C 2 ) 3 NC=N + 2 N 2 -(C 2 ) 4 N 3 + C2 N + N arginin* lysin* histidin* 3 N + je nejsilnější organická base, srovnatelná s basicitou hydroxidu sodného. obsahuje velmi reaktivní aminoskupinu vázanou na flexibilní čtyřuhlíkatý řetězec. Účastní se velké řady reakcí bílkovin. má pk postranního řetězce blízké fysiologickému p. Může proto simultánně přijímat protony i poskytovat je jiným látkám, a tak fungovat jako součást nábojové štafety (angl. Charge relay system). Imidazolový kruh je současně dobrým nukleofilem. R

14 Peptidy Peptidová vazba V organismu probíhá specifické hydrolytické štěpení peptidových vazeb určitých aminokyselin působením enzymů. V silně kyselém i v alkalickém prostředí se snadno hydrolyticky štěpí, v neutrálním prostředí jsou relativně stálé.

15 Peptidy - Přírodní peptidy Rozšířené di- a tripeptidy: S Glutathion (γ-glutamylcysteinylglycin): Nejznámější a nejrozšířenější - N 3 + N N - Výskyt: Je přítomen ve většině buněk, prvně byl isolován z droždí (1921). Funkce: oxidoredukční systém (E 0 = -0,25 V): G-S + S-G = G-S-S-G + 2 e 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.

16 Peptidy - Přírodní peptidy omony povahy peptidů a bílkovin: Insulin: reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu v játrech.

17 Peptidy - Přírodní peptidy 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

18 Peptidy - Přírodní peptidy Peptidová antibiotika: antibiotika-látky nejrůznějších struktur. Peptidová antibiotika obsahují často nekódované aminokyseliny včetně D-enantiomerů a mají často cyklické struktury. Jsou proto toxická a resistentní vůči enzymům normálních buněk, např. peniciliny R cystein N N S D-valin C 3 C 3 -

19 Peptidy - Přírodní peptidy Peptidové neuromodulátory: Jsou látky modulující účinek chemických přenašečů nervového vzruchu, např. endorfin: tlumí pocit bolesti. Peptidové zootoxiny a fytotoxiny: neurotoxiny hadů a štírů, jedovaté cyklické peptidy muchomůrky zelené falloidiny a amanitiny.

20 Struktura proteinů Nekovalentní (slabé) interakce mezi jednotlivými částmi makromolekuly umožňují vytvářet celkový dostatečně rigidní tvar pro optimální prostorové orientace, ale zároveň dostatečně flexibilní pro dynamické změny konformace v průběhu biochemických reakcí. Pro popis struktury proteinů proto používáme několik úrovní podle řádu jejich organizace: Primární struktura: úroveň konstituce a konfigurace, je dána pořadím aminokyselin v peptidovém řetězci. Sekundární struktura: spojování sousedních nebo blízkých monomerních jednotek peptidového řetězce bez ohledu na jeho postranní řetězce nekovalentními vazbami (nejčastěji vodíkovými vazbami) ve pravidelných organizovaných úsecích. Terciární struktura: sbalení jednotlivých úseků o dané sekundární struktuře v bizardních kompaktních útvarech kombinací různých typů slabých interakcí. Kvartérní struktura: prostorové uspořádání několika nebo mnoha molekulových podjednotek do symetrického útvaru (molekulový oligomer, nadmolekulová struktura).

21 Struktura proteinů Kovalentní (primární) struktura proteinů a její určování Primární struktura proteinů je určena sledem zbytků α-aminokyselin v peptidovém řetězci. V proteinech se pravidelně vyskytuje jen 20 tzv. proteinogenních (kódovaných) aminokyselin. Proč? Tento fakt souvisí s mechanismem biosynthesy proteinů. Pro vbudování (inkorporaci) aminokyselin do molekuly bílkovin jsou nutné specifické mechanismy, které se v průběhu prebiologického vývoje živé hmoty vytvořily a stabilizovaly právě jen pro těchto 20 aminokyselin. V některých bílkovinách se vyskytují i zbytky jiných aminokyselin, ty však vznikají vždy teprve biochemickou transformací některé z proteinogenních aminokyselin po její inkorporaci do peptidového řetězce.

22 Proteiny

23 Svinutí polypeptidového řetězce

24 Proteiny

25 Vznik prostorové struktury (svinutí) 1. Všechny informace pro svinování polypeptidovéhořetězce jsou dány primární strukturou. 2. Nativní konformace odpovídá minimu Gibbsovy energie. 3. Svinutí je kineticky kontrolovaný mnohostupňový proces již při proteosyntéze. 4. Svinutí je postupný proces. 1. Vznik pravidelné sekundární struktury 2. Vznik supersekundární struktury 3. Formování strukturní domény 4. Tvorba terciární struktury o maximální stabilitě a maximální hustotě těsnání (jako v krystalu)

26 Struktura proteinů Prostorová struktura proteinů: Sekundární struktura Stabilizace určité sekundární struktury je vyvolána tvorbou vodíkových vazeb mezi kyslíkem karbonylu a skupinou N- peptidového seskupení vzdálenějších částí téhož řetězce nebo různých peptidových řetězců. Jsou dva základní typy sekundární struktury: šroubovice (helix) a struktura skládaného listu

27 Struktura proteinů Prostorová struktura proteinů: Sekundární struktura 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.

28 pravotočivý helix 3 / 0,6 nm 3,6 / 0,54 nm 4,4 / 0,52 nm

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

30 Struktura proteinů Typ stavby molekul proteinů Terciární a kvarterní struktura 1) Fibrilární proteiny 2) Globulární proteiny

31 Struktura proteinů Prostorová struktura fibrilárních proteinů Makroskopická a molekolová struktura vlasu - Příklad struktury helixu Protofibrila α-keratinu se skládá ze dvou páru těsně spojených nadšroubovic (superhelix), které jsou svinuty v levotočivou šroubovici). α-keratin je bohatý na cysteinové zbytky, které spojují příčnými vazbami sousední polypeptidové řetězce, jsou proto nerozpustné a pevné v ohybu. Disulfidové vazby lze redukčně štěpit a znovu oxidačně obnovit v nové nakadeřené konformaci.

32 Struktura proteinů Prostorová struktura fibrilárních proteinů Fibroin z hedvábí - Příklad struktury skládaného listu Polypeptidové řetězce fibroinu tvoří antiparalelní β-struktury a jsou souběžné s osou vlákna. Vlákna hedvábí jsou silná, ale pouze mírně roztažitelná

33 Globulární proteiny - Terciární struktura Globulární proteiny obsahují α-helixy i β-struktury. Postranní řetězce jsou rozmístěny v prostoru podle svých polarit. Vnitřek molekul globulárních proteinů je kompaktně uspořádán jako organické krystaly. Velké polypeptidové řetězce tvoří domény.

34 Terciární struktura Velké polypeptidové řetězce tvoří domény. 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.

35 Stabilita proteinů: Slabé interakce Nativní proteiny za fyziologických podmínek pouze velmi málo stabilní jednotky. Struktura proteinu je výsledkem jemné rovnováhy mezi slabými (nevazebnými) interakcemi: 1. Elektrostatické síly: - iontové interakce, - interakce dipól-dipól (Van der Waalosovy interakce, Londonovy disperzní síly) 2. Vodíkové vazby 3. ydrofobní interakce 4. Disulfidové vazby

36 Globulární proteiny - Kvarterní struktura Mnohé globulární proteiny (většina intracelulárních proteinů) se skládají z několika polypeptidových řetězců. Tyto polypeptidové podjednotky asociují specifickým způsobem. Prostorové uspořádání podjednotek je známo jako kvartérní struktura. Důvody: Poruchy lze jednoduše opravit nahrazením poškozené podjednotky. Místo výstavby podjednotky může být odlišné od místa stavby konečné struktury. Genetická informace, nezbytná ke specifikaci celé stavby, jen určuje několik odlišných samopořádacích podjednotek. V případě enzymů tato struktura umožňuje regulaci jejich aktivity.

37 Interakce podjednotek Výrazným strukturním rysem je komplementarita uspořádání funkčních skupin na povrchu podjednotek, umožňující spojení mezi nimi a asociaci do komplexní stabilní makromolekuly (multimeru).

38 Symetrie proteinů Proteiny s identickými podjednotkami se nazývají oligomery a tyto identické podjednotky protomery. Symetrie proteinů: Ve většině oligomerních proteinů jsou protomery uspořádány symetricky. Proteiny však nemohou mít inverzní nebo zrcadlovou symetrii, protože při takové symetrii se převádějí chirální zbytky řady L na zbytky řady D. Proteiny mají proto pouze rotační symetrii: cyklická, di-, tetra-, okta-... edrální, a helikální symetrii.

39 Cyklická symetrie

40 Diedrální symetrie

41 Tetraedrální, oktaedrální, eikosaedrální symetrie

42 elikální symetrie

43 Fyzikálně chemické vlastnosti Rozpustnost globulárních proteinů Bílkovina obsahuje polární páteř peptidových vazeb nejsou rozpustné v nepolárních rozpouštědlech. Vysoký obsah nepolárních aminokyselinových zbytků však snižuje jejich rozpustnost v polárních rozpouštědlech a umožňuje vazbu na lipidové struktury např. v biologických membránách. Ve vodě rozpustné bílkoviny: Albuminy jsou bílkoviny, jejichž polární povrch je silně hydratován, a rozpouštějí se proto ve vodě i v nepřítomnosti jiných látek. Funkce mobilních rezerv aminokyselin: složky krevní plazmy (sérumalbumin), mléka (laktalbumin), vaječného bílku (ovalbumin) aj. Globuliny včisté vodě nerozpouští, a přechází do roztoku teprve v přítomnosti solí.

44 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

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

46 Klasifikace proteinů Z fyzikálních hlediska Klasifikace podle fysikálních vlastností, a to tvar molekuly a rozpustnost. 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).

47 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

48 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. Patří sem především enzymy katalysující reakce základních metabolických drah a podílející se na procesu kopírování a zpracovávání genetické informace, dále strukturní bílkoviny cytoskeletonu buněk, chromatinu a biomembrán a různé bílkovinné faktory. 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.

49 Biologické funkce Realizace biologických funkcí proteinů Přes značnou rozličnost biologických funkcí bílkovin mají tyto funkce mnoho společného: Vlastní funkci vesměs zajišťuje jen omezená oblast bílkovinné molekuly nazývaná aktivní centrum. Sestává z jedné nebo několika funkčních domén. Úvodním krokem je vždy těsný kontakt bílkoviny s reakčním partnerem (např. enzymu se substrátem, protilátky s cizorodným agens, signální bílkoviny s receptorem), který většinou vede k jejich vzájemnému spojení serií nekovalentních vazeb; dochází k specifickému rozpoznání. Neaktivní část molekuly není pasivní nosič reaktivní oblasti, ale vytváří vhodné prostředí, reguluje aktivitu reaktivní oblasti apod.

50 Realizace biologických funkcí proteinů Za základní funkci bílkovin lze označit rozlišování a vazbu jiných látek. Důležitou úlohu přitom většinou mají specifické konformační změny. Shrnutí významu 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.

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

52 Biologické funkce Strukturní proteiny Funkce: Poskytuje mechanickou oporu buňkám a tkáním. Příklady: Kolageny: Jsou hlavní vláknitou složkou kůže, kostí, šlach, chrupavek, cévních stěn a zubů. Dále tvoří kontinuum spojující buňky do tkání a jsou též stavebním materiálem některých membrán; jsou proto přítomné prakticky ve všech tkáních a orgánech. Zahříváním roztoku kolagenu dochází při tepelné denaturaci rozpadu helikální struktury a vzniká želatina s neuspořádanou konformací. Elastin:Tvoří podstatnou část pružných tkání (stěny artérií, hlasivky, vazy obratlů). Keratiny: Jsou nejhojněji zastoupenou složkou vnější vrstvy kůže, vlasů, srsti, rohů, peří a nehtů.

53 Biologické funkce Enzymy Funkce: Katalýza rozpadu a tvorby kovalentních vazeb. Živé buňky obsahují tisíce různých enzymů, z nich každý katalyzuje jednu určitou reakci. 1. xidoreduktasy: katalyzují přenos atomu vodíku, přenos elektronů, vestavění atomu kyslíku do substrátu. 2. Transferasy: katalyzují přenos skupin (-C 3, -N 2, zbytek glukosy apod.). 3. ydrolasy: katalyzují hydrolytické štěpení vazby např. amidové, esterové. 4. Lyasy: katalysují (energeticky nenáročné) nehydrolické štěpení a vznik vazeb C-C, C-, C-N,... bez pomocí dalšího reaktantu. 5. Isomerasy: katalysují vnitromolekulové přesuny atomů a jejich skupin, tedy vzájemné přeměny isomerů. 6. Ligasy: Katalysují vznik energeticky náročných vazeb s pomocí dalšího reaktantu uvolňujícího energii, např. ATP.

54

55

56 Biologické funkce Transportní proteiny Funkce: Přenáší malé molekuly a iont Příklad: emoglobin: zbudován ze čtyř podjednotek - α 2 β 2 je transportem 2 z plic do tkání, dále i + a C 2. jedna molekula hemoglobinu je schopna vázat čtyři molekuly kyslíku. Myoglobin: váže a skladuje kyslík v kosterních svalech. emoglobin a Myoglobin mají rozdílnou funkci jiné vazebné schopnosti.

57 Biologické funkce Zásobní proteiny Funkce: skladuje malé molekuly nebo ionty. Příklady: Bílkoviny skladovací aminokyselin: ovalbumin ve vejcích, kasein v mléce, legumin v luštěninách, gliadin a zein v obilných zrnech. Bílkovina ke skladování iontů železa: ferritin ve slezině. Bílkovina ke skladování kyslíku: myoglobin Význam bílkovinné makromolekuly pro depotní funkci spočívá v tom, že se při zachování hmotnosti koncentrace depotní látky sníží jeho molekulární koncentraci a tedy i jeho osmotický tlak. Tohoto principu se v živé hmotě užívá obecně pro skladování nízkomolekulárních látek.

58 Biologické funkce Pohybové proteiny Funkce: Je průvodcem pohybu buněk a tkání. Příklady: Svalové vlákno obsahuje dvě základní svalové bílkoviny myosin a aktin, dalšími složkami jsou troponin a tropomyosin. Proces kontrakce svalu zahrnuje interakci všech těchto čtyř bílkovin za regulace ionty Ca 2+. Tyto speciální skupiny bílkovin vykonávají mechanochemické funkce: přeměňují chemickou energii na mechanickou práci.

59 Biologické funkce Imunoglobuliny a Proteiny s ochrannou funkcí Imunoglobuliny (protilátky) a imunitní systém: rozeznávají cizorodé struktury od vlastních, zneškodní a vyloučí tyto cizí struktury z organismu a vytvoří imunologické paměti, tj. schopnost urychlené odpovědi při opětovném setkání s danou cizí strukturou. Funkce ochranné: Např. srážení krve - přeměna fibrinogenu, rozpustné bílkoviny krevní plasmy, na nerozpustný fibrin. Poranění organismu vyvolá kaskádovitou aktivaci řady faktorů bílkovinné povahy: aktivace jednoho faktoru katalyzuje aktivaci faktoru následujícího. Účastní se více než 10 různých bílkovin krevní plasmy, vitamin K a ionty Ca 2+.

60 Biologické funkce Signální protein a Receptorový protein Signální proteiny Funkce: Přenáší informační signály z buňky do buňky Příklady: mnoho hormonů, růstových faktorů, neuromodulátorů jsou proteiny Receptorový proteiny Funkce: V buňkách deteguje chemické signály (chuťové a vonné látky) a fyzikální signály (fotony elektromagnetického záření) a předává je k zpracování buňce. Příklad: Rhodopsin v oční sítnici zachycuje světlo

61 Enzymy 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: ydrolyticky štěpí vazby, vzniklé kondensací, např. amidové, esterové, 4. Lyasy: Katalyzují (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: Katalyzují vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu látky uvolňující energii, např. ATP.

62 Složení a molekulární vlastnosti enzymů 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 však odlišují ve způsobu regenerace, tj. přechodu do původního stavu po splnění katalytické funkce.

63 Chemie kofaktorů 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

64 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.

65

66 Enzymové bílkoviny - Aktivní centrum enzymů Aktivní centrum enzymů oblast, kde se váží substráty a kofaktory. Typy interakcí: Vodíkové a iontové vazby (nukleofilní a bazické katalýsy), Kovalentní vazba (kovalentní katalýsa). 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 katalýsy. aminoskupina lysinu tvoří Schiffovu basi s oxoskupinou - kovalentní katalýsa. kovové ionty fungují jako elektrofilní činidla.

67 Specificita enzymové katalýzy Specifita účinku Enzym sníží aktivační energii jen u jediné reakce z četných termodynamicky možných reakcí. -C C glutamátdehydrogenasa (NADP+) N2 L-glutamát glutamátaminotransferasa (PALP) -C C -C C + pyridoxamin-5-fosfát + + NADP + N 4 glutamátdekarboxylasa (PALP) C C N 2 C Substrátová specifita Substrát v aktivním centru je vázán ve třech bodech a přesně orientován, tím je substrátová specifita zajišťována na třech úrovních: strukturní specifita, regiospecifita a stereospecifita.

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

69 Enzymová kinetika - Reakce s jedním substrátem (1) Biologické objekty jsou otevřené systémy s konstantním vnitřním prostředím: je v nich setrvalý (stacionární) stav -časově se neměnící složení a konstantnost fysikálních vlastností. Lze vyjádřit formální rovnicí: k +1 k +2 S + E ES P + E k -1 počáteční celková rychlost: v = d [P]/dt = k +2 [ES] rychlosti dílčích reakcí: -d[s]/dt = k +1 [S].[E] k -1 [ES]; d[es]/dt = k +1 [S].[E] (k -1 + k +2 )[ES]; d[e]/dt = - k +1 [S].[E] + (k -1 + k +2 )[ES] celková koncentrace enzymu: [E] 0 = [E] + [ES] Za podmínky stacionárního stavu (d[es]/dt = 0) platí: k +1 [S].[E] = k +1 [S].([E] 0 [ES]) = (k -1 + k +2 )[ES]; [ES] = k +1 [S].[E] 0 /( k +1 [S] + k -1 + k +2 ) v = k +2 [E] 0 [S]/{ (k -1 + k +2 )/k +1 + [S]} Mezní (limitní) rychlosti V = k +2 [E] 0 a Michaelisa konstanta K M = (k -1 + k +2 )/k +1 v = V[S]/( K M + [S]) rovnice Michaelise a Mentenové

70 Enzymová kinetika - Reakce s jedním substrátem (2) Mezní (limitní) rychlosti V = k +2 [E] 0 a Michaelisa konstanta K M = (k -1 + k +2 )/k +1 rovnice Michaelise a Mentenov v = V[S]/( K M + [S]) 1/v = (K M /V)(1/[S]) + 1/V

71 Faktory odpovědné za vysokou účinnost a specifity enzymové katalýzy Schopnost enzymů přivést molekuly substrátů do potřebné blízkosti Vhodná orientace substrátu na molekule enzymu Přechodná tvorba kovalentních vazeb mezi substrátem a enzymem Aktivní centrum může deformovat nebo polarizovat vazby v substrátech a činit je aktivnější Aktivní centrum vytvoří specifické mikroprostředí se značně odlišnými fyzikálními vlastnostmi vodného media Faktor časový - doby existence aktivovaného komplexu enzymsubstrát.čím déle bude tento komplex existovat, tím více se ho rozloží na produkt.

72 Fyzikálně chemické faktory ovlivňující EA (1) Vliv teploty: Teplota ovlivňuje stabilitu enzymu, afinitu enzymu k substrátu, rychlost štěpení ES komplexu, rozpustnost kyslíku nezbytného pro oxidační reakce apod. ionizaci funkčních skupin, p pufrů, Rychlost enzymových reakcí vzrůstá s rostoucí teplotou: k = A. exp (-E a/rt) však současně dochází k inaktivaci enzymu v důsledku denaturace jeho bílkovinné části a příp. i odštěpení kofaktoru. Maximum této závislosti se nazývá optimální teplota enzymu. Log k Teplotní optimum 1/T

73 Fyzikálně chemické faktory ovlivňující EA (2) Vliv p: Aktivita enzymů vymezena poměrně úzkou oblastí p. Při extrémních hodnotách p dochází k ireverzibilním změnám struktury enzymové bílkoviny, ionizace substrátů může způsobit jejich disociaci, disociaci vazebných skupin enzymu a katalytickou reakci. odnota p s maximem enzymové aktivity bývá označována jako p-optimum. aktivita p-optimum p

74 Látky ovlivňující EA - Inhibice a aktivace enzymových reakcí Efektory nebo modifikátory. Látky ovlivňují katalytickou účinnost enzymů aktivátory zvyšují aktivitu kationty kovů s protonovým číslem od 11 do 30 nukleotidy, organické fosfáty inhibitory snižují účinek enzymu různé anorganické a organické sloučeniny, ionty mají afinitu k některé komponentě enzymové reakce Ireversibilní inhibitory Reversibilní inhibitory Inhibice Ireversibilní inhibitory blokují nevratně enzymovou aktivitu tím, že vytvářejí s enzymem velmi pevný komplex enzym-inhibitor (EI). Reversibilní inhibitory inhibitor rychle a reversibilně váže na enzym nebo na komplex enzym-substrát.

75 Látky ovlivňující EA - Inhibice a aktivace enzymových reakcí Efektory nebo modifikátory. Látky ovlivňují katalytickou účinnost enzymů aktivátory zvyšují aktivitu kationty kovů s protonovým číslem od 11 do 30 nukleotidy, organické fosfáty inhibitory snižují účinek enzymu různé anorganické a organické sloučeniny, ionty mají afinitu k některé komponentě enzymové reakce Ireversibilní inhibitory Reversibilní inhibitory Aktivace Aktivátory: přispívají ke katalytické účinnosti enzymu, aniž se jakkoli účastní vlastní reakce. Modifikací kovalentní struktury bílkovin: např. proteolytickým odštěpením blokující peptidové sekvence z neaktivního proenzymu.

76 Regulace enzymové aktivity Regulace enzymově katalysovaných reakcí může probíhat v prostoru i čase. Regulace kompartmentací enzymů: Spojení do multienzymových komplexů, Lokalizace v různých kompartmentech buňky (organelách, cytoplazmě), Vázání v membránách organel nebo membráně cytoplasmatické. Přímá regulace enzymové aktivity: Řízení jednotlivé metabolické dráhy tzv. regulačními enzymy Regulace rychlostí metabolických pochodů je zajišťována právě regulací aktivity těchto enzymů a to allosterickou regulací, kovalentní regulací, regulací pomocí energetického náboje

77 Chemická energie a Gibbsova energie Biologické objekty jsou otevřené systémy může se vytvořit setrvalý (stacionární) stav, charakterisovaný časově se neměnícím složením a konstantností fysikálních vlastností. Při chemických reakcích za podmínek konstantního tlaku a teploty lze Energetické změny kvantitativně charakterisovat změnou enthalpie ( ) a Gibbsovy energie ( G). : udává celkovou energetickou změnu při přechodu z výchozího do konečného stavu a představuje reakční teplo při konstantním tlaku. Teplo získané z biochemických reakcí má význam pro udržení konstantní tělesné teploty, která je podmínkou života u vyšších organismů, nelze je však využít pro jiné životní funkce. G = T S: představuje maximální množství práce, které lze při této reakci získat. Výraz T S udává minimální množství tepla, které musí při dané teplotě (T) při reakci vzniknout i při jejím nejdokonaleji reversibilním provedení.

78 Chemická energie a Gibbsova energie van t offova rovnice: aa + bb = pp + qq G = RT ln c P p.c Q q c Aa.c B b RT ln [P]p.[Q] q [A] a.[b] b Pro počáteční koncentrace všech složek reakce rovné jedné platí: G 0 = -RT ln K. Tento vztah platí i pro biochemické reakce; pokud se jich však účastní i vodíkové ionty, musela by podle definice být i jejich výchozí koncentrace rovna jedné, tj. p = 0. Tato podmínka je, vzhledem k nutnosti enzymové katalýsy biochemických reakcí, nereálná. Pro standardní změnu Gibbsovy energie při biochemické reakci se užívá místo veličiny G 0 velčina G, která platí pro výchozí p = 7. Při T = 298 K platí: G = - 8, ,3 log K G = - 5,706 log K

79 Chemická energie a Gibbsova energie G < 0 exergonické reakce G > 0 endergonické reakce Endergonické reakce jsou spřaženy s exergonickými reakcemi. Podmínkou úspěšnosti tohoto spřažení je, aby absolutní hodnota G exergonické reakce byla větší než reakce endergonické a aby obě reakce měly společný meziprodukt. Spřažené reakce: Exergonická reakce A + X B + X G 1 < 0 Endergonická reakce C + X D + X G 2 > 0 G 1 > G 2 Energie se přenáší z exergonické do endergonické reakce přenašečem energie

80 Universální přenašeč energie ATP N2 Adenosintrifosfát (ATP) N N G hydrolysy ATP při 37 C, p 7, za přítomnosti Mg 2+ - P - P - P - N C2 N ATP + 2 = ADP + P i + + G = - 33 kj.mol -1 ATP + 2 = AMP + PP i + + G = - 33 kj.mol -1 ATP = AMP + 2 P i G = - 66 kj.mol -1 G je často používáno jako jednotka metabolické energie Vysoká hodnota G hydrolysy ATP je připisována především poklesu elektrostatické odpudivosti v molekulách produktů hydrolysy a dále existenci anorganického fosfátu v řadě resonančních forem o podobné energii. Produkty štěpení jsou proto termodynamicky stabilnější, takže mají nižší obsah Gibbsovy energie než molekula makroergické sloučeniny.

81 Universální přenašeč energie ATP Čerpání energie z molekul ATP: Prostřednictvím zbytků molekuly ATP přenáší část její energie i na substráty, čímž se zvýší jejich chemická energie; určitý podíl energie se přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo. ATP hexokinasa ADP (P)

82 Universální přenašeč energie ATP Čerpání energie z molekul ATP: Prostřednictvím zbytků molekuly ATP přenáší část její energie i na substráty, čímž se zvýší jejich chemická energie; určitý podíl energie se přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo. Ukládání energie do molekul ATP: Substrátovou fosforylace: ADP + M-P = ATP + M; ADP + P i + M-X = ATP + M + X xidační fosforylace, fotofosforylace: fosforylace spřažená s oxidací

83 Aerobní respirace a xidační fosforylace Aerobní respirace tvoří terminální fázi katabolismu. Tento metabolický děj spočívá v přenosu elektronů, odebraných organickým substrátům (NAD a sukcinátu) na molekulární kyslík - terminální akceptor elektronů. Elektrony při aerobní respiraci se předávají prostřednictvím dýchacího řetězce, složeného z oxidoreduktas, lokalizovaného v buněčných organelách mitochondriích. xidace a fosforylace jsou těsně spřaženy v dobře fungující mitochondrii: přenos elektronů dochází jen v případě, že ADP je fosforylován. Pokud v reakční směsi není přítomen žádný ADP, mitochondrie se nachází v klidovém stavu a rychlost spotřeby 2 je minimální. Fosforylace takto spojena s oxidací se označuje jako aerobní (oxidační) fosforylace.

84

85 Princip biologických oxidoredukcí redukovaný substrát C- oxidovaný substrát C C2 C- P + N2 N + NAD + N2 - C2 C- P + N N2 N2 NAD N N N N - P N N - P N N redukovaný substrát + NAD + oxidovaný substrát + NAD + +

86 Princip biologických oxidoredukcí Nernst Peters: x + z e = Red Ε = E 0 x,red - RT zf lna Red a x Při rovnováze platí: Tedy x 1 + Red 2 = Red 1 + x 2 K = a Red1 a x2 / a x1 a Red2 E 1 = E 2 -RT lnk = (E E 0 1) zf G 0 = -RT lnk = (E E 0 1) zf pro p = 7 platí G = (E E 0 1) zf

87 Princip biologických oxidoredukcí Probíhá-li oxidace NAD ½ 2 = NAD E 2 NAD+,NAD = -0,32 V; E 1,2- = +0,81 V G = (E0 2 - E0 1 ) zf = -218 kj je možno získat teoreticky 7 molekul ATP. Ve skutečnosti nelze využít veškerou uvolněnou energii, takže oxidací 1 molekuly NAD molekulárním kyslíkem lze získat maximálně 3 molekuly ATP. Lehningerova rovnice NAD ½ ADP + 3 P i = NAD ATP Přenos vodíku z NAD na elementární kyslík probíhá stupňovitě štafetou v dýchacím (respiračním) řetězci.

88

89 Struktura mitochondrie

90 Mezimembránový prostor obsahuje především nukleosidkinasy, např. ATP + AMP = 2 ADP a nukleosiddifosfátkinasu: ATP + NDP = ADP + NTP Vnitřní membrána absolutně nepropustná pro NAD +, NAD, NADP +, NADP a koenzym A a jeho acylderiváty. bsahuje všechny složky dýchacího řetězce (flavoproteiny, FeS-proteiny, cytochromy a, a 3, b, c) a ubichinon dále adenosintrifosfatasu. Matrix obsahuje rozpustné enzymy citrátového cyklu, enzymy procesu β-oxidace mastných kyselin a systém proteosynthetických enzymů.

91 Dýchací řetězec je složen z oxidoreduktas, uspořádaných do čtyř kotvených enzymových komplexů (I IV) a mobilních přenasečů (CoQ a cytochrom c): Komplex I NAD:ubichinon-oxidoreduktasa katalysuje redukci semichinoidní formy ubichinonu na ubichinol. NAD UQ = NAD UQ 2 Komplex II sukcinát:ubichinon-oxidoreduktasa katalysuje reakci: - C-C 2 -C 2 -C - + UQ = - C-C=C-C - + UQ 2 Komplex III ubichinol:cytochrom c-oxidoreduktasa 2 UQ cytochrom c Fe 3+ 2 cytochrom c Fe UQ Komplex IV ferrocytochromc:kyslík-oxidoredutasa 4 cytochrom c Fe = 4 cytochrom c Fe

92 Dýchací (respirační) řetězec Součinností komplexů I, III a IV se přenášejí dva elektrony NAD na kyslík za současného transportu šesti + z matrix do mezimembránového prostoru mitochondrie. Přenos dvou elektronů ze sukcinátu na 2, realisovaný součinností komplexů II, III, a IV, vede k přenosu pouze čtyř + přes vnitřní mitochondriální membránu. Nižší produkce osmotické práce z oxidace sukcinátu proti NAD odpovídá dobře rozdílům v E 0 obou redox systémů.

93 Komplex V: ATP-synthasa katalysuje reakci: ADP + P i = ATP + 2 G = +30,5 kj. mol -1 ATP-synthasa využije transmembránový gradient koncentrace +, vzniklý přenosem elektronů ze substrátů dýchacího řetězce (NAD a sukcinátu) jako zdroj energie.

94 Aerobní (oxidační) fosforylace ypotézy energetického spřažení: 1. Chemická hypotéza (Edward Slater, 1953) 2. Chemiosmotická hypotéza (Peter Mitchell 1961) 3. Konformační hypotéza (Paul Boyer 1964)

95 Chemiosmotická teorie Vychází z několika základních předpokladů: 1- Funkce oxidoredukčních složek membrány je prostorově směrována (napříč membránou jedním směrem); 2- V dýchacím řetězci se kombinují systémy, které přenášejí pouze elektrony (např. Fe 2+ Fe 3+ + e-), a systémy, v nichž je přenos elektronů kombinován s přenosem protonů (např. FAD + 2 FAD + 2 e- + 2 ). 3- Výsledkem je přeměna G oxidoredukčních reakcí na osmotickou práci (přenos + z místa nižší koncentrace do místa vyšší koncentrace). Jak vytvořený gradient p, tak membránový potenciál ( Ψ) působí na protony tzv. protonmotorickou sílu a táhnou je zpět PMF = Ψ + RT/nF. ln[ + ] = Ψ 2,3RT/nF. p 4- Když rozdíl elektrochemického potenciálu protonů je větší než změna Gibbsovy energie hydrolysy ATP, obrátí se při řízeném zpětném přechodu + přes membránu činnost adenosintrifosfatasy (ATP-asy) a nastává synthesa ATP, a tak se osmotická práce mění znovu na chemickou energii tím, že je tento pochod spojen s tvorbou ATP z ADP a anorganického fosfátu ADP + P i + + = ATP + 2.

96 Mechanismus syntézy ATP ATP-synthasa je protein složený z mnoha podjednotek: ATP-synthasa je poháněna konformačními změnami: Průchod 2 až 3 protonů kanálem vede na katalytické složce k synthese ATP z ADP a P i. Reakce zahrnuje tři kroky: 1. Vazba ADP a Pi k volně vázajícímu místu L 2. Konformační změna mění L-místo na T-místo a katalyzuje tvorbu ATP. 3. K syntéze ATP dochází na T-místě, zatímco ATP disociuje z -místa na jiné podjednotce.

97 Sacharidy Největší zastoupení v živé přírodě z kvantitativního hlediska. Vyskytují se v každé buňce. Funkce: - důležitý a lehko dostupný zdroj energie (např. glukosa) - stavební složky buněk a tkání (celulosa a chitin) - zásobní látky (glykogen, škrob) - složky nukleotidů a jiných účinných látek (kofaktory enzymů, glykoproteiny, antibiotika) - prekursory lipidů, aminokyselin, kyseliny askorbové a jiných významných složek živých soustav.

98 Sacharidy Rozdělení 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

99 Sacharidy 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

100 Sacharidy Monosacharidy - nomenklatura 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

101 Sacharidy Monosacharidy - Fischerovy a aworthovy vzorce 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

102 Sacharidy Monosacharidy - Mutarotace Mutarotace β α-d-glukopyranosa α β-d-glukopyranosa C 2 D-glukosa

103 Sacharidy Monosacharidy - deriváty Alditoly, polyoly ( itol): 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.

104 Sacharidy Monosacharidy - deriváty Aldonové kyseliny (-onát): Aldarové kyseliny (-arát): Alduronové kyseliny (-uronát): kyselina D-glukonová kyselina D-glukarová kyselina D-glukuronová

105 Sacharidy Monosacharidy - deriváty Fosforečné estery - P D-glukosa-1-fosfát D-glukosa-6-fosfát P P 6 - D-fruktosa-6-fosfát P P - - D-fruktosa-1, 6-bisfosfát

106 Sacharidy Monosacharidy - deriváty Deoxymonosacharidy Např. 2-deoxy-D-ribosa - základní složka DNA. 2-deoxy-D-ribosa Aminomonosacharidy (deoxyaminosacharidy). N2 NCC3 D-glukosamin N-acetyl-D-glukosamin

107 Sacharidy 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.

108 Sacharidy Glykosidy - oligosacharidy Disacharidy: Maltosa [α-d-glc-(1 4)-D-Glc]: 1α α β β Cellobiosa [β-d-glc-(1 4)-D-Glc]:

109 Sacharidy Glykosidy - oligosacharidy Disacharidy: Laktosa [β-d-gal-(1 4)-D-Glc]: β α β α 3

110 Sacharidy Glykosidy - oligosacharidy Sacharosa [α-d-glc-(1 2)-β-D-Fru]: α 1 2β α 6 C 3 5 C β

111 Sacharidy Glykosidy - reservní polysacharidy Škrob: Je směsí α- amylosy (asi 20 %) a amylopektinu (asi 80 %). α-amylosa je lineární polymer, hexikálně svinutý, ve vodě rozpustný. 1α 4 1α α 1α 4 1α 1α

112 Sacharidy Glykosidy - reservní polysacharidy Amylopektin vazba α(1 4), větvená molekula s vazbou α(1 6) přibližně vždy po 20 až 30 glukosových jednotkách. n n n

113 Sacharidy Glykosidy - reservní polysacharidy Glykogen: větvení po 12 glukosových jednotkách Podobně jako Amylopektin obsahují i glykogen malé množství vázané kyseliny fosforečné. n n n

114 Sacharidy Glykosidy - stavební polysacharidy 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 1β 4 1β

115 Sacharidy Glykosidy - eteroglykosidy 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).

116 Sacharidy Glykosidy - eteroglykosidy 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.

117 Metabolismus sacharidů dbourávání oligosacharidů a polysacharidů dbourávání monosacharidů - Glykolýza xidační dekarboxylace. Alkoholové kvašení. Mléčné kvašení Citrátový cyklus

118 Metabolismus sacharidů dbourávání oligosacharidů a polysacharidů - ydrolýza Podstatnou složku potravy živočichů tvoří rostlinné škroby a živočišné glykogeny. Rostlinné škroby a živočišné glykogeny v gastrointestinálním systému (trávicím ústroji) jsou hydrolyticky štěpeny na glukosu. Nejdůležitějšími enzymy, které je štěpí, jsou glykosidasy amylasy, obsažené ve slinách a pankreatu. amylosa (lineární glukan) α-amylasa limitní dextrin maltosa + glukosa amylopektin a glykogen (rozvětvený glukan) amyloglukosidasa maltosa maltosa maltasa glukosa laktosa sacharosa celulosa laktasa sacharasa celulasy galaktosa + glukosa fruktosa + glukosa vodík, methan, octová, propionová, máselná kyselina

119 Metabolismus sacharidů dbourávání oligosacharidů a polysacharidů - Fosfolýza Zásobní a vnitrobuněčné polysacharidy se štěpí fosforolyticky působením enzymu fosforylasy neredukující konec P i.e + + glukosa-1-fosfát +. P i.e - P + E + - E + P i + glykogen......

120 Metabolismus sacharidů dbourávání oligosacharidů a polysacharidů - Fosfolýza 4-α-D-glukanotransferasa Působením enzymů se glykogen štěpí na glukosa-1-fosfát. E + Pi + glykogen glukosa-1-fosfát + E + amylo-1,6-glukosidasa Asi 10 % glukanu zůstává nerozštěpeno a je zachováno jako očko (startér, primer) pro jeho novou biosynthesu.

121

122 Metabolismus sacharidů Regulace glykogenolýzy Fosforylasa se vyskytuje ve dvou formách: jako aktivní, přítomný ve formě tetramer se označuje fosforylasa a; dimerní, neaktivní forma se označuje jako fosforylasa b. ADRENALIN (glukagon) adenylátcyklasa ADENYLÁTCYKLASA ATP camp proteinkinasa PRTEINKINASA Mg 2+ /Ca 2+, ATP Ca-fosforylasa-b-kinasa Ca-FSFRYLASA-b-KINASA-(P) ATP ADP fosforylasa b FSFRYLASA a 2 P i glykogen Glc-1-P FSFRYLASAFSFATASA

123 Regulace fosforylasy Adrenalin a glukagon vyvolávají intracelulární syntézu camp - aktivatoru proteinkinas. Proteinkinasy: alosterické enzymy - tetramer, mají část regulační a část katalytickou. Vazbou camp v podjednotkách regulačních a jejich fosforylací za přítomnosti ATP se změní tetramer na dva dimery. Aktivní proteinkinasa je schopna aktivovat fosforylasu b a přeměnit ji na fosforylasu a. Tím zahájí štěpení glykogenu zvýšuje se koncetrace glukosy v krvi. Aktivní proteinkinasa je však současně schopna fosforylovat glykogensynthasu, a tím ji přeměňovat z formy aktivní do formy neaktivní. A tím glykogeneze je inhibována. Insulin působí opačně brání vzniku camp. Proto se rozvinou děje opačné: účinkem fosfoproteinfosfatas se přemění aktivní fosforylasu a na neaktivní. Defosforylací se však aktivuje glykogensynthasa, takže výsledkem této části regulačního obvodu je převaha glykogeneze nad glykogenolýzou Alosterická regulace fosforylas, proteinkinas a fosfatas vlivy pozitiních nebo negativních efektorů. Pro fosforylasy pozitivním faktorem je AMP a Glc-1-P, zatímco ATP má účinek opačný. Pro fosfoproteinfosfatasa je inhibitorem ATP.

124 Metabolismus sacharidů dbourávání monosacharidů Sacharidy jsou metabolisovány ve formě fosforečných esterů. Fosforylace má trojí význam: Vznikající fosforečné estery mají vyšší obsah energie, a jsou proto reaktivnější Fosforylové skupiny mohou být vazebnými, resp. rozpoznávacími centry pro enzym Přítomnost polární negativně nabité skupiny činí cukry neschopné procházet membránami, a vystupovat tak z buněk nebo přecházet do jiných organel. Klíčovou látkou v metabolismu sacharidů je glukosa-6-fosfát.

125 Metabolismus monosacharidů Klíčovou látkou v metabolismu sacharidů je glukosa-6-fosfát. U živočichů glukosa-6-fosfát vzniká různými katabolickými i anabolickými reakcemi: Fosforylací glukosy, která vzniká hydrolytickým štěpením oligo- a polysacharidů potravy. Isomerací glukosa-1-fosfátu, který je produktem fosforolytického štěpení reservního polysacharidu glykogenu. Z jiných monosacharidů, uvolňovaných při trávení potravy. glykogen glukosa-1-p glukosa glukosa-6-p 6-fosfoglukonát fruktosa-6-p manosa, aminocukry

126 Glukosa-6-fosfát je dále odbouráván na pyruvát. Za aerobních podmínek je pyruvát oxidačně dekarboxylován na AcetylCoA a dále oxidován v citrátovém cyklu na oxid uhličitý a vodu. Za anaerobních podmínek je pyruvát přeměňován na redukovaný konečný produkt, např. laktát ve svalu nebo u kvasinek na ethanol a oxid uhličitý.

127 Metabolismus monosacharidů Mechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma Glykolytické enzymy se vyskytují v cytoplazmě prakticky všech buněk. Jednotlivé reakce glykolýzy můžeme rozdělit do dvou základních reakčních celků: 1. Přeměna glukosy na glyceraldehyd-3-fosfát, 2. Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfát a vznik pyruvátu. Pro glykolýzu jsou důležité tři základní aspekty: 1. sud uhlíkatého skeletu sacharidů (změny strukturní) 2. xidačně-redukční přeměny jako zdroj energie 3. Přeměna ADP a anorganického fosfátu na ATP

128 Metabolismus monosacharidů Mechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma 1. Přeměna glukosy na glyceraldehyd-3-fosfát ATP ADP hexokinasa (P) (P) glukosafosfátisomerasa (P) ATP ADP fosfofruktokinasa (P) fruktosabisfosfátaldolasa (P) + (P) triosafosfátisomerasa

129 Metabolismus monosacharidů Mechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma 2. Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfát P i NAD + NAD + + (P) ADP ATP (P) glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenasa (P) fosfoglycerátkinasa fosfoglycerátmutasa (P) enolasa (P) (P) C2

130 Metabolismus sacharidů Mechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma 3. Vznik pyruvátu - ADP ATP (P) pyruvátkinasa C2 C3 Mimořádně vysoké G hydrolýsy 2- fosfoenolpyruvátu způsobuje, že enzym pyruvátkinasa prakticky nevratně fosforyluje ADP. Pyruvátkinasová reakce je tedy ventil, který brání zpětné synthese glukosy z pyruvátu cestou EMP a umožňuje regulaci synthesy a odbourávání sacharidů.