Proteiny globulární a vláknité a jejich funkce Metabolismus aminokyselin
Funkce globulárních proteinů Skladování iontů a molekul myoglobin, ferritin Transport iontů a molekul hemoglobin, serotoninový transporter Obrana před patogeny protilátky, cytokiny Svalové kontrakce actin, myosin Biologická katalýza - enzymy chymotrypsin, lysozy
Příkad funkce globulárních proteinů Myoglobin jediný polypeptid skladování kyslíku v tkáních, svalech Hemoglobin tetramer dvou alfa a dvou beta podjednotek transportuje kyslík z plic do tkání
Vazba ligandů Vazba - reversibilní, přechodný proces s chemickou rovnováhou: A + B AB Molekula, ktetá se váže se nazývá ligand (typicky malá molekula) Místo, kam se ligand váže se nazývá vazebné místo Ligandy se váží nevazebnými interakcemi, které umožňují přechodnou vazbu ligandu
Funkce myoglobinu Organismus potřebuje skladovat kyslík Obecně vedlejší řetězce aminokyselin nemají možnost vázat O 2 Hem - Fe 2+ může být ve volném hemu oxidováno na Fe 3+ V hemu vázanému k proteinu je železo chráněno před oxidací vazbou na histidin U savců je myoglobin určený ke skladování kyslíku
Struktura porfirinu a hemu
Struktura myoglobinu
Vazba oxidu uhelnatého CO má podobnou velikost a strukturu jako O 2, a tak se může vázat do vazebného místa kyslíku CO se váže k hemu přes 20,000 x lépe než O 2 protože uhlík z CO může poskytnout jeden elektronový pár do prázdného d-orbitalu železa Fe 2+ Proteinová kapsa snižuje afinitu CO k proteinu, nicméně stále má CO asi 250 x vyšší afinitu k proteinu než kyslík CO je vysoce toxický tím, že kompetuje s kyslíkem. Blokuje funkci myoglobinu, hemoglobinu a mitochondriálních cytochromů účastnících se oxidativní fosforylace
Vazebné místo O 2 a CO v hemoglobinu a myoglobinu
Myoglobin nemůže fungovat jako dobrý O 2 transporter po 2 v plicích je asi 13 kpa: kyslík se dobře váže po 2 v tkáních je jen 4 kpa: kyslík se neuvolní q afinita kyslíku k proteinu
Obyčejné snížení afinity pomůže, ale není to ideální řešení Spolupráce více vazebných míst je řešení problému změna afinity po vazbě ligandu
Pro efektivní transport Affinita se mění po vazbě ligandu po 2 v plicích je přibližně 13 kpa: účinná vazba kyslíku po 2 v tkáních je přibližně 4 kpa: uvolní se asi polovina kyslíku (při ph ph 7,6)
Jak se mění afinita ke kyslíku? Proteinn s více vazebnými místy Vazebná místa mezi sebou musí interagovat To se nazývá kooperativní vazba (cooperativity) Pozitivní kooperativní vazba je charakterizována sigmoidní vazebnou křivkou
Hemoglobin Hemoglobin je tetramer dvou různých podjednotek (a2b2) Podjednotky jsou podobné myoglobinu - každá váže jeden hem
Hemoglobin Vazebná místa spolu musí interagovat
Interakce podjednotek: detail Vazebná místa spolu musí interagovat Příklady některých interakcí Interakce mezi podjednotkami ale i v rámci jedné pojednotky
Konformační změna indukovaná vazbou kyslíku na hem
Hemoglobin je alosterický protein alosterické proteiny mění svou aktivitu v závislosti na změně své konformace Hemoglobin dva afinitní stavy indukované vazbou ligandu
Molekulární nemoci u hemoglobinu
Srpková anemie Mutace Glu na Val na pozici 6 v beta řetězci Náhrada Glu za Val tvoří hydrofobní prostředí na povrchu Hemoglobin tak agreguje a deformuje tvar krvinek
Funkce vláknitých proteinů Strukturní funkce - kolagen, keratin, fibroin
Vláknité proteiny: od struktury k funkci Function Structure Example Tough, rigid, Cross-linked a-helixes a-keratin hard (nails, horns) Rigid linker (S S) Tensile strength, Cross-linked triple-helixes Collagen non-stretching Flexible linker (Lys-HyLys) (tendons, cartilage) Soft, flexible Non-covalently held b-sheets non-stretchy van der Waals interaction Silk fibroin (egg sac, nest, web)
Struktura a-keratinu
Struktura a-keratinu ve vlasech
Chemie vlasové trvalé
Struktura kolagenu Kolagen je důležitá součást pojivových tkání: šlachy, chrupavky, rohovka, krycí blány orgánů... Základní vlákno bohaté na Gly-, Pro- a Lys- tvoří levotočivou šroubovici Tři vlákna tvoří vyšší strukturu pravotočivé trojsuperšroubovice (triple helix) Trojitá šroubovice má vyšší pevnost v tahu než ocel (vztaženo na průřez) Množství trojitých šroubovic se skládají do kolagenových vláken
4-hydroxyprolin v kolagenu Vnucuje prolinu výhodnější pozici pro sbalení proteinu Zvyšuje množství možných vodíkových vazeb mezi jednotlivými vlákny Post-translační modifikace katalyzována prolyl hydroxylázou nutný vitamin C Podobnou funkci má v kolagenu i 5-hydroxylysin
Fibroin z hedvábí Fibroin je hlavním proteinem v hedvábí nebo pavučinách Antiparalelní b skládaný list Malé vedlejší řetězce aminokyselin (Ala a Gly) dovolují těsnější sbalení jednotlivých listů Struktura je stabilizována vodíkovými vazbami uvnitř listů Londonými dispersními silami mezi listy
Metabolismus aminokyselin
Katabolismus
Oxidace jako zdroj energie Karnivoři získávají bezprostředně po krmení okolo 90% energie z aminokyselin U herbivorů je jen malá část energie získávána z aminokyselin Mikroorganismy mohou aminokyseliny jako zdroj energie získávat ze svého okolí Rostliny jen velmi zřídka oxidují aminokysleiny jako zdroj energie, pouze pro metabolické účely
Podmínky, za kterých se metabolisují aminokyseliny Aminokyseliny podléhají oxidativnímu katabolismu za třech situacích: Aminokysleiny zbylé po normální výměně proteinů a jejich degradaci Aminokyseliny z potravy zbývající po syntéze proteinů Aminokyseliny z degradovaných proteinů v případě nedostatku cukrů (hladovění, diabetes mellitus)
Enzymatická hydrolýza proteinů z potravy Pepsin štípe v žaludku proteiny na peptidy Trypsin a chymotrypsin štípe v tenkém střevě proteiny a vetší peptidy na krátké peptidové řetězce Aminopeptidázy a carboxypeptidázy degradují v tenkém střevě peptidy na aminokyseliny
Enzymatická hydrolýza proteinů z potravy
Přehled katabolismu aminokyselin
Osud dusíku v organismech Rostliny recyklují téměř veškerý svůj dusík Vodní obratlovci uvolňují do prostředí dusík ve formě amoniaku Pasivní difúze přes buňky epitelu Aktivní transport přes žábry Ostatní obratlovci a žraloci uvolňují dusík ve formě močoviny Močovina je méně toxická než amoniak Močovina je dobře rozpustná Někteří živočicové ptáci, ještěři, plazi uvolňují dusík v močové kyselině Močová kyselina je málo rozpustná Vylučování tak šetří vodu (zárodky ve vajíčku) Lidé a lidoopi uvolňují dusík ve formě močoviny (z aminokyselin) a močové kyseliny (z purinů)
Formy vylučovaného dusíku
První je z aminokyseliny odstraněna aminoskupina Enzymatická transaminace Primárním příjemcem aminu je a-ketoglutarát za vzniku glutamátu Glutamin funguje k přechodnému uskladnění nadbytečného dusíku
Amomiak z glutamátu je metabolizován v mitochondriích
Dusík vstupuje do močovinového cyklu přes karbamoylfosfát Dusík vstupuje do mitochondrie jako součást glutaminu nebo glutamátu Amoniak reaguje s CO 2 (HCO 3- ) za vziku karbamoylfofátu a s oxalacetátem za vzniku aspartátu První dusík z vstupuje do močovinového cyklu reakcí karbamoylfosfátu s ornithinem Druhý dusík vstupuje do močovinového cyklu reakcí asptátu s citrulinem Močovinový cyklus má čtyři reakce
Reakce močovinového cyklu
Aspartát Arginosukcinát spojuje močovinový a citrátový cyklus
Cesty degradace jednotlivých aminokyslein
Ketogenní Sedm na acetyl-coa Leu, Ile, Thr, Lys, Phe, Tyr, Trp Glukogenní Šest na pyruvát Ala, Cys, Gly, Ser, Thr, Trp Pět naa-ketoglutarát Arg, Glu, Gln, His, Pro Čtyři na sukcinyl-coa Ile, Met, Thr, Val Dvě na fumarát Phe, Tyr Dvě na oxalacetát Asp, Asn
Přehled katabolismu aminokyselin
Biosyntéza aminokyselin
Přehled biosyntézy aminokyselin
Skupiny aminokyselin podle metabolických prekurzorů
Esenciální aminokyseliny pro lidi Musí být dodány v potravě
Jak jsou proteiny tráveny zvířaty Aminokyseliny jako důležitý zdroj energie u některých organismů (masožravci) Forma metabolismu dusíku u různých organismů Transfer amoniaku na a-ketoglutarat a vznik a úloha glutamátu a glutaminu Vznik močoviny Vstup amoniaku do močovinového cyklu Katabolismus aminokyselin na šest různých intermediátů Aminokyseliny Glukogenní a Ketogenní Syntéza aminokyselin Co musím znát