PEPTIDY A BÍLKOVIY (PROTEIY) (proteos = ec. prvotní) pítomny ve všech bukách základní stavební jednotkou jsou -L-aminokyseliny (AK) spojené tzv. peptidovými vazbami podle potu spojených AK zbytk (Mr): peptidy = spojeno 2-100 AK zbytk => Mr 10000 bílkoviny = spojeno více než 100 AK zbytk => Mr > 10000 SH A) AMIOKYSELIY z chemického hlediska = substituní deriváty karboxylových kyselin biochemicky významné jsou -L-aminokyseliny dnes známo ~ 300 AK z toho 20 je proteinogenních (kódovaných genetickým kódem) píslušnost k D- nebo L- ad se odvozuje od serinu (2-amino-3-hydroxypropanové kyseliny): H H H H OH L-serin OH D-serin => všechny proteinogenní AK obsahují spolenou ást: R L-aminokyselina chirální (asymetrický) uhlík H R D-aminokyselina pouze glycin je opticky inaktivní (nemá chirální uhlík) krom základních charakteristických skupin ( a ) obsahují nkteré AK i další skupiny, jako nap.: OH, SH, O, H ( )=H, S S, názvy AK používají se pednostn triviální od nichž jsou odvozeny típísmenné zkratky podle pomru potu základních charakteristických skupin a : neutrální = pomr : = 1 : 1 kyselé = pomr : > 1 : 1 zásadité = pomr : < 1 : 1 podle schopnosti organismu syntetizovat AK se rozlišují aminokyseliny: = organismus je nedokáže syntetizovat => nepostradatelné v potrav = organismus je dokáže syntetizovat nap. transaminací oxokyselin R O R H( ) dle množství ch AK se uruje biologická hodnota bílkovin plnohodnotné bílkoviny (obsahují AK), neplnohodnotné bílkoviny (neobsahují AK) VLASTOSTI AMIOKYSELI pevné, krystalické, bezbarvé látky s relativn vysokou teplotou tání iontové sloueniny > v roztoku podléhají disociaci, v krystalické mížce vnitní ionizace R H R H OO - amfion = obojetný ion (navenek neutrální!) K c ~ 10 5 => AK existují pevážn v podob amfiont Peptidy a bílkoviny - 1 -
Pehled kódovaných aminokyselin Glycin Gly G Serin Ser S polární HO Alanin Ala A Threonin Thr T polární HO Valin Val V ystein ys polární HS Leucin Leu L Methionin Met M S Isoleucin Ile I Lysin Lys K zásaditá Prolin Pro P H Arginin Arg R zásaditá H H Fenylalanin Phe F Kyselina aspragová Asp D HOO kyselá Tyrosin Tyr Y polární HO Kyselina glutamová Glu E HOO kyselá Tryptofan Trp W H Aspragin Asn polární O Histidin His H zásaditá H Glutamin Gln Q polární O Peptidy a bílkoviny - 2 -
podle prostedí se AK chovají jako kyseliny nebo jako zásady => amfoterní charakter R H OO - H R H R H OO - => v siln kyselém prostedí (ph~1) mají všechny AK náboj v siln zásaditém prostedí (ph~13) mají všechny AK náboj ph, pi kterém je výsledný náboj AK je 0 = izoelektrický bod pi =>AK je v podob amfiontu (=> AK se nepohybuje ve stejnosmrném elektrickém poli, stejn jako peptidy a bílkoviny jsou AK v pi nejmén rozpustné) hodnota ph = významný parametr všech kapalných prostedí živých soustav (obvykle ~ neutrální oblast => 6,0 7,5), nap.: - krevní plazma... 7,34 7,43 - žaludek. ~ 2,0 - dvanáctník.... 7,50 8,80 velká ást biologicky aktivních molekul = charakter slabých kyselin => ve fyziologickém prostedí (ph ~ 7) jsou disociovány => asto se oznaují názvy jejich aniont, nap.: - kys. citrónová.. citrát - kys. asaparagová. aspartát - kys. octová.. acetát - kys. trihydrogenfosforená.. fosfát (anorganický fosfát) - P i B) PEPTIDY OH - - O látky složené ze 2 100 zbytk AK spojených peptidovou (peptidickou, amidovou) vazbou Mr 10000 podle potu AK zbytk: oligopeptidy 2 10 zbytk AK (dipeptidy, tripeptidy, ) polypeptidy 11 100 zbytk AK (100<zbytk AK = bílkoviny (proteiny)) kondenzace peptidová vazba H R 1 H R 2 - O H R 1 O H H R 2 AK 1 AK 2 dipeptid všechny atomy peptidové vazby O H jsou v jedné rovin (význam pro strukturu a konformaci protein) názvosloví peptid základ = názvy acyl (zbytk) píslušných AK v poadí od -konce (volná skupina na -uhlíku) název AK na -konci (volná skupina ) => záleží na poadí Ala Gly Gly Ala (!), nap. tripeptid: -konec -konec H H H O H H O H OH - O OH alanin serin glycin alanyl-seryl-glycin Peptidy a bílkoviny - 3 - Ala-Ser-Gly nebo A-S-G
dkaz peptidové vazby = biuretová reakce reakce s u 2 ionty v alkalickém prostedí ervenofialový komplex (dkaz a analytické stanovení peptid a protein) stejnou pozitivní reakci poskytuje i kondenzát vzniklý zahíváním mooviny = biuret (obsahuje také peptidovou vazbu odtud název reakce) H O O - O O moovina moovina biuret (provedení biuretové reakce: 1g vzorku 0,5 ml uso 4 (aq,0,1%) 1 ml aoh (aq,10%)) BIOLOGIKÉ FUKE PÍRODÍH PEPTID - hormony, antibiotika, jedy, toxiny, 1) HORMOY Oxytocin (ocytocin) = cyklický oktapeptid - vznik v podhrbolí mezimozku do neurohypofýzy (zadního laloku hypofýzy) - zpsobuje kontrakce hladkého svalstva (nap. dlohy, mléných žláz, ) Tyr Ile Glu Asn SH ys S S ys Pro Leu Gly Vasopresin (antidiuretický hormon - ADH) = cyklický oktapeptid podobný oxytocinu - vznik v podhrbolí mezimozku do neurohypofýzy (zadního laloku hypofýzy) - zvyšuje resorpci vody v ledvinách => zvýšení krevního tlaku (vliv na množství tlních tekutin) Tyr Phe Glu Asn ys S S ys Pro Arg Gly Kortikotropin (adrenokortikotropní hormon - ATH) = polypeptid (39 AK) - vznik v podhrbolí mezimozku do adenohypofýzy (pedního laloku hypofýzy) - stimuluje tvorbu hormon kry nadledvinek Insulin = polypeptid (51 AK) - vznik v B-bukách Langerhansových ostrvk pankreas v podob proinsulinu (84 AK) aktivace = odštpení stední inaktivní ásti (tzv. peptid ) obsahující 33 AK 2 polypeptidové etzce (peptid A 21 AK a peptid B 30 AK) spojené dvma disulfidovými vazbami (3. disulfidová vazba uzavírá cyklus) - podporuje metabolismus odbourávání glukosy => snižuje hladinu Glc v krvi - nedostatek = Diabetes mellitus (cukrovka) Glukagon = polypeptid (29 AK) antagonista insulinu - vznik v A-bukách Langerhansových ostrvk pankreas - mobilizace Glc ze zásob (glykogenu) 2) ATIBIOTIKA = látky selektivn (více i mén) toxické vi mikroorganismm produkované mikroorganismy, asto obsahuhjí neobvyklé AK jako nap.: ornithin (Orn), -methylvalin, -methylglycin a neproteinogenní D-AK - nap.: penicilin G, ampicilin, = metamorfované dipeptidy aktinomycin D, gramicidin S, valinomycin, = s D-aminokyselinami Peptidy a bílkoviny - 4 -
S H H OO - H H O R R = R = H O O penicilin G ampicilin 3) JEDY - nap.: -amanitin (cyklický polypeptid) = jeden z jed muchomrky zelené 4) DALŠÍ PEPTIDY - nap.: glutathion (tripeptid) = redukní inidlo obsahující skupinu SH (ve všech bukách) ) BÍLKOVIY (PROTEIY) makromolekulární (vysokomolekulární) látky složení = polypetidový etzec složený z více než 100 zbytk AK spojených peptidovou vazbou nebílkovinné složky tvoí 80 % sušiny živé hmoty (u živoich více než u rostlin (více polysacharid)) vznik kondenzací AK: mikroorganismy (bakterie, sinice, ) syntéza AK z 2 rostliny syntéza AK z O 3 - živoichové píjem AK v potrav! prokaryotní buka ~ 3000 druh protein, eukaryotní buka ~ 10000 druh protein (10 3 10 6 molekul v buce) složení 50%, 24% O, 18%, 6% H, 2% další prvky (S, ) KLASIFIKAE PROTEI 1) JEDODUHÉ výjimené obsahují pouze polypeptidový etzec proteinogenních AK a) Fibrilární (skleroproteiny) - vláknité b) Globulární (sferoproteiny) - kulovité 2) SLOŽEÉ krom polypeptidového etzce (= apoprotein) obsahují i pevn vázanou nepeptidovou složku (= prosthetická skupina) a) Glykoproteiny obsahují glykosidov vázaný sacharid b) hromoproteiny obsahují vázané barvivo c) Metaloproteiny obsahují vázané ionty kov (= komplexy protein s kovy) d) Lipoproteiny obsahují vázané lipidy e) ukleoproteiny jednoduché bazické proteiny vázané na K (nap. v RA) f) FUKE PROTEI 1) STAVEBÍ - pevážn nerozpustné, fibrilární proteiny - extracelulární (mimobunené) struktury (chrupavky, kosti, vlasy, nehty, tkán kže, svaly, orgány, ) - nap.: kolageny (chrupavky), elastiny (elastická vaziva), keratiny (kže a její deriváty = vlasy, nehty, rohy, ), fibroin (hedvábí), 2) KATALYTIKÁ - enzymy vliv na biochemické dje v bukách i mimo n Peptidy a bílkoviny - 5 -
3) ÍDÍÍ A REGULAÍ - koordinátory hormony (bílkovinné povahy), nap.: insulin, hormony adenohypofýzy, - regulace toku látek metabolickými drahami a další fyziologické funkce 4) OBRAÁ A OHRAÁ - proteiny = antigeny (v cizím organismu vyvolávají imunitní reakci = vznik protilátek) - nap.: imunoglobuliny (IgG, IgE, ), hemokoagula ní systém (pemna fibrinogenu na fibrin pi zacelování porušených cév), 5) TRASPORTÍ - nap.: hemoglobin a myoglobin (penos O 2 ), transferin (penos Fe III pes bunné membrány), ferritin (váže zásobní Fe II ve slezin), sérový albumin (penos malých molekul a iont), 6) KOTRAKTILÍ - podíl na pemn chemické energie na mechanickou práci - obvykle komplexy katalyzující rozklad energeticky bohatých látek - nap.: aktin, myosin, troponin, tropomyosin, 7) ZÁSOBÍ - zásoba a zdroj energie - nap.: ovoalbumin (ve vajeném bílku), 8) TOXIY - nap.: hadí jedy VLASTOSTI PROTEI relativn vysoká Mr > 10000, velikost molekuly 5 100 nm => koloidní charakter mikrobiální rozklad = hnití zapáchající sloueniny (i jedovaté) rozpustnost ve vod: nerozpustné odolné vi fyzikálním i chemickým vlivm (v kži a jejích derivátech, ) rozpustné citlivé vi fyzikálním i chemickým vlivm (v krevní plazm, vajeném bílku, ) isoelektrický bod pi (analogie u AK) uruje pohyblivost molekuly v roztoku, do nhož je zaveden stejnosmrný elektrický proud => bílkoviny s pi pi rzném ph lze rozdlit pomocí elektroforézy lze je oddlit od minerálních solí dialýzou (za použití semipermeabilní membrány, jejíž póry nepropouštjí molekuly protein, ale propouštjí ionty solí a rozpouštdla) další dlící technika protein = chromatografie DKAZY PROTEI biuretová reakce = dkaz peptidové vazby (viz. peptidy) ninhydrinová reakce = ninhydrin (inidlo) reaguje s volnými skupinami za vzniku fialového zabarvení (pozitivní reakci poskytují i peptidy a AK) xanthoproteinová reakce = dkaz pítomnosti aromatických AK vzorek po zahátí s HO 3 poskytn žluté zabarvení (lze zvýraznit pidáním amoniaku) STRUKTURA PROTEI souvisí s funkcí X proteiny stejné funkce se liší ve struktue podle druhu organismu (nap. sérový albumin lidský koský hovzí, ), nkdy v rámci jednoho druhu i podle vývojového stadia (nap. u lovka fetální Hb (lidského plodu) Hb dosplého jedince ; u enzym asté variace isoenzymy drobné odchlky ve struktue i funkci) proteiny = chemická individua v pravém slova smyslu (=> pesn definované poadí AK zakódované v K unikátní dokonale organizovaná a úinn stabilizovaná struktura 1 i více polypeptidových etzc pomocí kovalentních i nekovalentních vazeb Peptidy a bílkoviny - 6 -
Typy vazeb fixující nej astji prostorové uspoádání protein 1) disulfidové vazby (mstky) kovalentní propojení dvou míst v etzci nebo mezi etzci uskuteuje se mezi dvma zbytky ys S S - velmi asté, nap.: v IgG propojení 4 etzc, ve fibrinogenu propojení 6 etzc, 2) nekovalentní vazby (nevazebné interakce) velmi významné pro stabilizaci tzv. nativní struktury (nativní konformace) protein nap. enzymy rzná struktura = rzná aktivita - pro každou nativní konformaci existuje soubor energeticky výhodných vazebných interakcí, kdy má protein nejnižší energii => nejvýhodnjší stav a) vodíkové vazby (mstky) vznikají mezi skupinami H a O ale i mezi ástmi postranních etzc AK b) iontové vazby (elektrostatické interakce) vznikají mezi opan nabitými ástmi postranních etzc AK a OO - c) hydrofóbní interakce pitažlivé psobení ch skupin zejména u globulárních a membránových protein d) Úrovn popisu struktury protein 1) Primární struktura = poadí (sekvence) AK v peptidovém etzci - zakódována poadím nukleotid v K - pro každý protein typická! - kódovaných AK je 20, ale nap. pro protein složený z 500 AK existuje 20 500 možných chemických individuí - neposkytuje úplnou informaci o chemické struktue proteinu tu poskytuje tzv. kovalentní stuktura bílkoviny (= primární struktura všechny chemické modifikace proteinu) - spojovcí lánek mezi genetickou informací (v DA i RA) a trojrozmrnou strukturou (ta uruje i funkci proteinu) 2) Sekundární struktura = urité pravideln se opakující uspoádání (konformaní motivy) - nejastji stabilizována H-mstky - podmínna volnou rotací podle -vazeb -uhlík AK - 2 typy: a) -helix (-šroubovice) pro L-AK obvykle pravotoivý, délka 1 závitu = 3,6 AK, postranní etzce AK jsou vn, chirální struktura, nkteré AK preferují tuto strukturu (nap. Ala, Glu, ), je-li v etzci Pro dochází k porušení -helixu SH Peptidy a bílkoviny - 7 -
b) -struktura (struktura skládaného listu) hlavní etzec je pln rozvinutý propjení 2 paralelních nebo astji antiparalelních (-konec jednoho je proti -konci druhého etzce) etzc, plochá struktura, postranní etzce AK jsou nad a pod rovinou skládaného listu, nkteré AK preferují tuto strukturu (nap. ys, Phe, ) SH c) kolagenová struktura zvláštní typ = 3 šroubovice stoené podle 1 osy (podobn jako lano), 3,3 AK na 1 závit, ~ 30% Pro neobvyklé AK (5-hydroxylysin, 4-hydroxprolin, ) - ob základní struktury (, ) jsou univerzální, dovolují inkorporacivšech proteinogenních AK s výjimkou Pro (nemá na peptidovém dusíku atom vodíku => nemže tvoit H-mstek => protein s vysokým obsahem Pro netvoí struktury a ) - nkdy se sekundární struktury kombinují do vtších opakujících se celk supersekundární struktura 3) Terciární struktura = výsledný tvar vlákna protienu fixovaný kovalentními a nekovalentními vazbami - asto obtížn odlišitelná od sekundární struktury - nap. klubíko (ve vodném prostedí jsou AK uvnit a polární vn) - jednotlivé ásti molekuly mohou být konforman i funkn nezávislé proteinové domény zabezpeující nap. vazbu na bunné struktury, katalytické funkce, imunochemické funkce, Peptidy a bílkoviny - 8 -
4) Kvarterní struktura = u protein složených z více peptidových etzc (jsou oligomerní ) - výsledný tvar molekuly protienu => kombinace kompletn sbalených struktur jednotlivých vláken (podjednotek) shodných (nap. u viru tabákové mozaiky) nebo rzných (nap. u hemoglobinu) - asociace podjednotek je vratná => nejsou spojeny kovalentními vazbami => schopné disociovat Protien Píklady protein s kvarterní strukturou Mr (oligomeru) Po et podjednotek Peptidy a bílkoviny - 9 - Funkce -amylasa 97 600 2 enzym štpící škrob hemoglobin 64 000 4 penos krevních plyn glutaminsynthetasa 592 000 12 enzym (pemna Glu Gln) ferritin 480 000 20 uskladnní Fe II pyruvátdekarboxylasa 4 400 000 72 multienzymová jednotka Virus tabákové mozaiky 39 300 000 2 130 bílkovinný obal virové RA Zjišování primární (resp. kovalentní) struktury protein - poprvé F. Sanger (obelova cena) postupné odštpování (sekvenování) AK zbytk od -konce pomocí fenylisothiokyanátu (tzv. Edmannovo odbourávání) - produkty se liší podle -koncové AK S - identifikace obvykle chromatogarficky (=> nutná výpoetní technika) - lze urit poadí až 80 AK fenylisothiokyanát BIOLOGIKÁ AKTIVITA PROTEI úzce souvisí se strukturou a složením charakteristický fixovaný prostorový tvar proteinu v organismu = nativní struktura energeticky nejvýhodnjší vlivem fyzikálních i chemických podnt (nap. tepání, teplo, psobení solí, kyelin, zásad, ) zmna vyšších úrovní struktury = denaturace => zánik biologické aktivity míra stability proteinu = odolnost proti zmn prostorového uspoádání (denturaci) denaturovaný protein: - mén pravidelné uspoádání vtšinou irreverzibilní (nevratná) zmna - pokles rozpustnosti a optické aktivity - ztráta biologické aktivity - lépe pístupný hydrolytickým enzymm => lepší stravitelnost (podstata tepelné úpravy pokrm vetn likvidace choroboplodných zárodk) - pln denaturovaný protein všechny stabilizující interkce perušeny náhodné svinutí etzce (random coil) => neuspoádaná struktura denaturace: - reverzibilní (vratná) vtšinou u jednoduchých protien vlivem vyšší koncentrace solí - irreverzibilní (nevratná) v nkterých pípadech i zmna kovalentní struktury proteinu koagulace (precipitace, agllutinace) = vylouení proteinu z roztoku: - reverzibilní vlivem psobení lehkých solí (H 4, K, a, ) - irreverzibilní vlivem psobení solí tžkých kov fotooxidace = nap. za podpory UV-záení oxidace postranních etzc nkterých AK
PEHLED PROTEI 1) JEDODUHÉ PROTEIY a) Fibrilární proteiny (skleroproteiny) - vláknitá struktura (makroskopiská vlákna = fibrily) - stvební funkce pojivové, podprné a povrchové tkán, vnitní bunné struktury - ve vod nerozpustné Kolagen kosti, chrupavky, šlachy, kže, - zahíváním v EtOH v alkalickém prostedí klih želatina (pi zahívání bobtná gel) Keratin kže a její deriváty (vlasy, nehty, chlupy, peí, vlna, rohy, šupiny, ) => základní protein n povrchu tla obratlovc Fibroin tvoí podstatu pírodního hedvábí b) Globulární proteiny (sferoproteiny) - kulovitý tvar - specifické funkce v tkáních - rozpustné ve vod (albuminy) nebo v roztocích solí (globuliny) Albuminy - rozpustné ve vod lze je vysolit vysokou koncentrací (H 4 ) 2 SO 4 - zdroj AK pro organismus - v mléce, krevní plazm, vajeném bílku, Globuliny - nerozpustné ve vod, ale rozpustné v roztocích solí - specifické funkce v organismu - v mléce, krevní plazm, vajeném bílku, nkterých tkáních (játra, svaly, ), Proteiny krevní plazmy - celkový obsah ~ 6,0 8,0 mg/100ml - jednoduché i složené proteiny - nejdležitjší frakce (ve 100 ml krevní plazmy): albumin (3,45 mg) -globulin (1,4 mg) - imunitní systém lovka fibrinogen (0,3 mg) - srážení krve ( vláknitý fibrin), obsažený i v míše další: 2 -protein (váže Fe), lipoproteiny rzné hustoty, glykoproteiny, hemoglobin, Histony - vtší podíl zásaditých AK - v bunných jádrech vázány na DA 2) SLOŽEÉ PROTEIY a) Glykoproteiny - obsahují glykosidicky vázaný sacharid (obvykle polsacharid) - souást sekret sliznic (vazkost) nap. v žaludku, sliny ; krevní skupiny - ve vod rozpustné ( viskózní roztoky), nkteré chemicky velmi odolné b) hromoproteiny - obsahují barvivo, asto v kombinaci s ionty Fe nebo u Hemoglobin a myoglobin penos krevních plyn (O 2, O 2 ) ytochromy souásti redoxních systém (nap. koncový dýchací etzec, fotosyntéza, ) - transport e - Peptidy a bílkoviny - 10 -
c) Metaloproteiny - komplexy protein s kovy Ferritin uskladnní Fe II (obsahuje ~ 20% Fe) Transferin penos Fe III pes membránu nkteré enzymy d) Lipoproteiny - vázána lipidová složka - u lipid vazbou na protein mže dojít ke zmn vlastností (nap. ztráta hydrofobnosti) => možnost transportu v polárním prostedí (nap. v krvi) - stavba biomembrán e) ukleoproteiny - bazické proteiny vázané na K =>v bunných jádrech f) Fosfoproteiny - esterov vázáno vtší množství kyseliny trihydrogenfosforené - v mléce, vajeném bílku, - zdroj fosforu pro syntézu K Kasein v mléce (jeho a 2 sl = zdroj vápníku pro organismus) OBSAH PROTEI V POTRAVIÁH vysoký - luštniny (24%), telecí maso (22%), drbež (21%), tvrdé sýry (25%), mkký tvaroh (19%), stední - zrna obilovin (hladká pšeniná mouka - 10%), nízký - zelenina (2%), brambory (2%), ovoce (1%), IMUITÍ SYSTÉM zajišuje obratlovcm obranu proti cizorodým látkám a mikroorganismm (bakterie, viry, paraziti, ) rozpoznává cizorodé molekuly startuje jejich destrukci humorální imunitní odpov rozpustné protilátky bílkovinné povahy celulární imunitní odpov speciální buky = lymfocyty (rozpoznávají a likvidují buky s cizorodými strukturami na povrchu) protilátky (imunoglobuliny) = proteiny - vznik = odpov na pítomnost antigenu (= imunogenu) jako antigen psobí makromolekuly (proteiny, polysacharidy, K, ), malé molekuly vtšinou tvorbu protilátek nevyvolávají - specifické detektory patogenních mikroorganism, poškození tkání nebo rakovinného procesu - každá protilátka má specifickou afinitu k antigenu, který ji vyvolal - struktura imunoglobulinu (Ig): 4 peptidové etzce: 2 lehké (L) Mr ~ 23 000 2 tžké (H) Mr ~ 50 000 70 000 spojené disulfidovými vazbami do tetramerní struktury tvaru Y - základní typ = IgG (struktura L 2 ) - další typy: IgA, IgD, IgE, IgM bun bý imunitní systém - brání šíení virové nákazy likvidací napadených bunk - nap. AIDS (vyvolán virem HIV) selhání imunitního systému = organismus se neumí bránit bžným infekcím - nkdy je nutné používat látky ásten potlaující imunitní odpov organismu pi transplantacích komplikace s nepijetím i odhojováním transplantátu, Peptidy a bílkoviny - 11 -
Struktura IgG: SH Peptidy a bílkoviny - 12 -