Aminokyseliny, peptidy, proteiny a enzymy

Biogenní aminokyseliny (AMK)

  • Quizlet (20 kartiček) – procvičování triviálních názvů biogenních aminokyselin
  • Substituční deriváty karboxylových kyselin
  • Patří sem 20 biogenních L-stereoisomerních α aminokyselin tvořících peptidy a proteiny
  • Zajímavost: V některých textech se můžete setkat s údajem, že biogenních, nebo také
    proteinogenních AMK je doopravdy 21. Touto další AMK je selenocystein. Ten ve speciálních
    případech nahrazuje AMK serin a vznikají tak tzv. selenoproteiny. Selenocystein vzniká
    výměnou kyslíku serinu za selen během translace a lze ho tedy považovat za jakýsi derivát
    serinu.
  • Obecná struktura:

Dělení podle polarity postranního řetězce

  • Hydrofobní (nepolární)
  • Hydrofilní (polární)
    • Neutrální (s neionizovatelným postranním řetězcem) – stejný počet skupin COOH a NH2
    • Kyselé – více skupin COOH
    • Zásadité – více skupin NH2

Názvosloví

  • Triviální (alanin)
  • Substituční (kyselina 2-aminopropanová = kyselina α-aminopropanová)

Fyzikálně-chemické vlastnosti

  • Opticky aktivní látky (všechny až na glycin obsahují aspoň jeden chirální C)
    • L-forma – NH2 skupina je ve Fischerově projekci vlevo
    • D-forma – NH2 skupina je ve Fischerově projekci vpravo

  • Obsahují bazickou (-NH2) i kyselou (-COOH) skupinu → reagují s kyselinami
    i zásadami (jsou amfoterní)
  • Izoelektrický bod:
    • Hodnota pH, při které se daná aminokyselina vyskytuje v podobě amfionu (obojaký iont, vnitřní sůl) → navenek se tedy jeví elektroneutrální a nepohybuje se v elektrickém poli
    • Pokud se aminokyseliny nachází v kyselém pH → kationt
    • Nachází-li se v zásaditém pH → aniont

Nepolární aminokyseliny

  • Glycin (Gly)
    • Nejjednodušší AMK, bez optické aktivity

  • Alanin (Ala)
    • Transaminací tvoří pyruvát
    • Zajímavost: Transaminace alaninu na pyruvát je velice důležitou reakcí zajišťující zdroj energie v těle v případě nedostatku potravy (z pyruvátu lze procesem glukoneogeneze vytvořit v játrech glukózu a tu nabídnout ostatním tkáním jako zdroj energie).

  • Valin (Val), leucin (Leu), isoleucin (Ile)
    • Aminokyseliny s rozvětveným řetězcem (anglicky branched-chain amino acids – BCAA)
    • Ve velkém množství obsaženy v proteinech kosterní svaloviny
    • Isoleucin obsahuje 2 chirální C

  • Fenylalanin (Phe)
    • V těle se z něj syntetizuje tyrosin
    • Zajímavost: Genetické onemocnění fenylketonurie (AR) je způsobeno dědičnou poruchou v enzymatické výbavě buňky, která způsobuje hromadění fenylalaninu, který se nemůže přeměnit na tyrosin. Jedná se o jedno z onemocnění, na které musí být ihned po porodu testován každý novorozenec.

  • Tryptofan (Trp)
    • Obsahuje heterocyklus indol
    • Zajímavost: Jedná se o výchozí látku pro syntézu serotoninu (neurotransmiter, “hormon štěstí“).

  • Prolin (Pro)
    • Ve velkém množství obsažen v kolagenu, kde vytváří síťovou strukturu spolu s lysinem (nutná přítomnost vitamínu C)
    • Obsahuje heterocyklus pyrrolidin

  • Methionin (Met)
    • Jedna ze dvou sirných AMK
    • Důležitá pro tvorbu nukleových kyselin
    • Zajímavost: Její aktivní forma SAM (S-adenosylmethionin) slouží jako tzv. methylační činidlo – dodává methylové skupiny do jiných sloučenin, což je důležité např. při tvorbě nových dusíkatých bází.

Polární aminokyseliny s neionizovatelným řetězcem

  • Serin (Ser)
    • Nejjednodušší AMK s -OH skupinou
    • Hydroxyl může esterovou vazbou vázat fosfát
    • Zajímavost: Díky schopnosti tvořit esterové vazby se serin často vyskytuje v tzv. aktivních místech enzymů – tedy místech, které zodpovídají za funkci enzymů.

  • Threonin (Thr)
    • Další z AMK s -OH skupinou (podobné vlastnosti jako serin)
    • Dva chirální C

  • Cystein (Cys)
    • Obsahuje thiolovou (-SH) skupinu
    • Thiolová skupina snadno podléhá oxidaci a vytváří disulfidické vazby (R-S-S-R), které jsou velice důležité pro stabilizaci terciární struktury proteinů

  • Tyrosin (Tyr)
    • Základ pro syntézu katecholaminů (adrenalin, noradrenalin…)
    • Fenolová skupina může vytvářet esterové vazby

  • Asparagin (Asn)
    • Amid kyseliny asparagové

  • Glutamin (Gln)
    • Amid kyseliny glutamové
    • Zajímavost: Má velký význam při detoxikaci dusíku/amoniaku z těla, kdy souží jako transportní molekula pro dusík, která jej přenáší z jiných orgánů (které neumí tvořit močovinu) do jater. Principem je přenos dusíku z jiné AMK na kyselinu glutamovou a tím vytvoření glutaminu, který putuje krví do jater, kde dusík v podobě amoniaku odevzdá k detoxikaci v močovinovém cyklu.

Polární aminokyseliny – kyselé

  • Kyselina asparagová (Asp)
    • Zajímavost: Aspartát (iont kyseliny asparagové) hraje klíčovou roli při tvorbě močoviny v ornitinovém cyklu. Jeden atom dusíku v každé molekule močoviny pochází vždy z aspartátu.

  • Kyselina glutamová (Glu)

Polární aminokyseliny – bazické

  • Lysin (Lys)
    • Obsažen ve velkém množství kolagenu spolu s prolinem

  • Arginin (Arg)
    • Nejvíce bazická AMK, protože ve své struktuře obsahuje guanidin (pKB = 0,5)

  • Histidin (His)
    • Obsahuje heterocyklus imidazol (který patří mezi bazické heterocykly)

Esenciální aminokyseliny:

  • V textu označeny oranžovou barvou (Val, Leu, Ile, Phe, Trp, Met, Thr, Lys, Arg, His)
  • Nutné přijímat v potravě (lidské tělo si je neumí vyrobit)

 

Peptidy

  • Vznikají kondenzací většího počtu α-aminokyselin
  • Jednotlivé aminokyseliny jsou spojeny pomocí peptidové (amidové) vazby

Dělení

  • Dipeptidy (2 AMK)
  • Tripeptidy (3 AMK)
  • Oligopeptidy (2 – 10 AMK)
  • Polypeptidy (11 – 100 AMK)

Názvosloví

  • Název i číslování vždy od N (volná aminoskupina) k C-konci (volná karboxyskupina) peptidu
  • AMK od N-konce přípona -yl, konečná AMK na C-konci má původní koncovku

Zástupci

  • Glutathion (γ-glutamylcysteinylglycin):
    • Důležitý antioxidant krevní plazmy a červených krvinek

Proteiny (bílkoviny)

  • Jsou přítomny ve všech buňkách živých organismů, kde plní funkci proteinů strukturálních nebo funkčních
  • Složené z aminokyselin (>100 α-AMK, L-isomery) spojených peptidovou (amidovou) vazbou
  • Mají definovanou primární, sekundární, terciární a případně i kvartérní strukturu

Struktura

  • Primární struktura:
    • Pořadí (sekvence, posloupnost) AMK v polypeptidovém řetězci
    • Geneticky kódována
    • Stabilizace pomocí peptidové vazby:
      • Rigidní a planární – neumožňuje rotaci kolem své osy (způsobeno oscilací elektronové hustoty)

  • Sekundární struktura:
    • Prostorové uspořádání hlavního řetězce (bez ohledu na řetězce postranní)
    • Stabilizace vodíkovými můstky
    • α-helix:
      • Uspořádání do pravotočivé šroubovice
      • Postranní řetězce směřují vně šroubovice
      • 1 závit šroubovice = 3,6 AMK zbytků
    • β-skládaný list:
      • Tvar složeného listu papíru
      • Postranní řetězce AMK směřují nad a pod rovinu listu

    • Neuspořádaná struktura
  • Terciární struktura:
    • Prostorové uspořádání všech atomů řetězce (i postranní řetězce) = konečný tvar molekuly
    • Stabilizace disulfidickými můstky (kovalentní vazba, vzniká oxidací 2 molekul cysteinu, oxidovaná forma = cystin), vodíkovými vazbami, van der Waalsovými silami, iontovými vazbami a hydrofobními interakcemi

    • Globulární:
      • Většinou transportní nebo jinak funkční proteiny
      • Např. albumin, globuliny…
    • Fibrilární:
      • Plní v organismu většinou strukturní funkci (proteiny kůže, svalových vláken, vlasů…)
      • Např. kolagen, elastin…
    • Membránové:
      • Součásti membrán
      • Např. proteiny iontových kanálů…
  • Kvartérní struktura:
    • Prostorové uspořádání podjednotek daného proteinu → tvoří ji pouze složitější proteiny
    • Např. hemoglobin (2 jednotky α a 2 β)

Denaturace

  • Ztráta vyšších struktur (sekundární, terciární a kvartérní) spolu se ztrátou funkce proteinu
  • Vratná:
    • Např. vysolováním
    • Lze vrátit původní stav (u vysolování přídavkem vody)
  • Nevratná:
    • Denaturace trvalá
    • Teplo, pH, UV záření, kationty těžkých kovů…

 

Enzymy

  • Biokatalyzátory chemických reakcí v živých organismech

Výhody enzymů oproti chemickým katalyzátorům

  • Rozpustné v H2O
  • Stačí menší množství
  • Substrátová specificita (přeměňují pouze určitou látku/skupinu látek)
  • Netvoří se vedlejší produkty
  • Jsou netoxické

Názvosloví

  • Podle funkce nebo výskytu v organismu (pepsin, trypsin, ptyalin…)
  • Koncovka -áza k názvu substrátu, jehož přeměnu katalyzují (sacharáza, maltáza…)

Dělení

  • Oxidoreduktázy:
    • Katalyzují oxidačně redukční procesy – přenáší elektrony
    • Plní důležitou funkci v metabolických dějích (respirační cyklus, fotosyntéza, citrátový cyklus…)
    • K funkci potřebují kofaktory oxidoreduktáz (FAD, NAD+…)
    • Např. dehydrogenázy, oxidázy
  • Transferázy:
    • Přenáší atomy/skupiny atomů
    • Např. aminotransferázy, kinázy
  • Hydrolázy:
    • Katalyzují hydrolytické štěpení vazeb (štěpení vazeb pomocí molekuly vody)
    • Enzymy trávícího traktu:
      • Glykosidázy – štěpí glykosidovou (acetalovou) vazbu sacharidů
      • Lipázy – štěpí esterovou vazbu lipidů
      • Proteázy – štěpí peptidovou (amidovou) vazbu proteinů
  • Lyázy:
    • Katalyzují nehydrolytické štěpení vazeb (např. dekarboxylázy) a tvorbu vazeb bez účasti ATP (syntházy)
  • Izomerázy:
    • Umožňují intramolekulární přesuny atomů a vazeb
  • Ligázy:
    • Katalyzují anabolické procesy (syntéza větší molekuly z menších) za spotřeby ATP (synthetázy)

Složení

  • Buď čistě bílkovinné (jednosložkové), nebo s nebílkovinnou složkou (dvousložkové)
  • Dvousložkové enzymy jsou tvořeny:
    • Apoenzymem:
      • Bílkovinný nosič, zodpovědný za substrátovou specificitu
      • Obsahuje aktivní centrum, na které se váže jen určitý substrát (aktivní centrum si můžeme představit jako jeskyni uprostřed bílkoviny enzymu kam přesně zapadá jenom určitý substrát/skupina substrátů)
    • Kofaktorem:
      • Účinná nebílkovinná složka, zodpovědná za typ katalyzované reakce
      • Prostetická skupina (kofaktor je s apoenzymem spojen pevnou kovalentní vazbou) – typicky ionty kovů
      • Koenzym (k bílkovině vázány slabě a dočasně např. vodíkovými můstky) – např. NAD+
  • Apoenzym + kofaktor = holoenzym

Substrátová specificita

  • Zodpovědný je apoenzym (bílkovinná složka) s aktivním centrem
  • Princip „zámek – klíč“ – substrát, který má být přeměněn přesně zapadá do molekuly enzymu

Ovlivnění enzymové aktivity

  • Enzymová aktivita = rychlost katalyzované reakce (jednotka katal)
  • 1 katal je množství enzymu, který způsobí přeměnu 1 molu substrátu za 1 sekundu
  • Vliv teploty:
    • S vyšší teplotou je vyšší i energie reagujících částic a chemické reakce probíhají rychleji
    • Van’t Hoffovo pravidlo: Při vzrůstu teploty o 10 °C se zvyšuje reakční rychlost dvakrát až čtyřikrát
    • Pro většinu enzymů platí v rozmezí od 10 °C do 40 °C, při vyšších teplotách dochází k denaturaci bílkovin
  • Vliv pH:
    • Většina enzymů je aktivní pouze v úzkém rozmezí pH
    • Každý enzym má svoje optimum, většinou při pH 6–7 (ale např. pepsin 1,5–2,5)
  • Vliv koncentrace substrátu:
    • Rychlost roste se zvyšováním koncentrace substrátu do té doby, než jsou zaplněna všechna aktivní centra (enzym je plně saturován substrátem)
  • Vliv aktivátorů:
    • Enzymy jsou často produkovány v neaktivní formě – tzv. zymogen (proenzym) – aktivní centrum je blokováno krátkým řetězcem peptidů
    • Aktivátor odštěpí peptid a odhalí tak aktivní centrum
  • Vliv Inhibice:
    • Kompetitivní inhibice:
      • Substrát s inhibitorem soutěží o vazebné místo
      • Zvýšením koncentrace substrátu je inhibitor z vazebného místa vypuzen a naopak
    • Nekompetitivní inhibice:
      • Inhibitor se váže na celý komplex enzym-substrát a zabraňuje přeměně substrátu na produkt
      • Zvýšení koncentrace substrátu nemá na inhibitor vliv