Biochemie Biopolymery Doc. MUDr. Jan Šimůnek, CSc. Ústav preventivního lékařství 14. října 2008 Biopolymery V biologických objektech mají zásadní význam biopolymery, složené z velkého počtu stejných nebo podobných jednotek, případně doplněných dalšími chemickými látkami. Struktura biopolymerů primární ­ jaké jednotky a jakým způsobem jsou řazeny za sebou sekundární ­ stočení vzniklého vlákna (nejčastěji nějaký typ šroubovnice) terciární ­ další natvarování sekundární struktury kvartérní ­ pospojování více základních jednotek do struktury vyššího řádu (v některých případech i spojení různých typů polymerů nebo polymerů s ladšími látkami) Přehled biopolymerů bílkoviny ­ základní stavební jednotkou je aminokyselina nukleové kyseliny ­ základní stavební jednotkou je nukleotid sloučenina pětiuhlíkatého sacharidu, organické báze a kyseliny fosforečné polysacharidy ­ základní stavební jednotkou je sacharid, nejčastěji glukóza, nicméně mohou se vyskytovat i fruktózové polysacharidy a některé mohou obsahovar různé sacharidové jednotky, případně sacharidy spolu s jejich deriváty Bílkoviny Monomery bílkovin jsou aminokyseliny. Aminokyseliny spolu tvoří peptidovou vazbu, při níž se -COOH jedné aminokyseliny (odštěpením -OH) a -NH2 druhé aminokyseliny (odštěpením H) propojí za vzniku vody. (Při opačném procesu se musí voda dodávat ­ hydrolýza.) Vzniklá sloučenina má na jednom konci skupinu -COOH, na druhém -NH2, takže může nabírat další aminokyselinu ­ atd. . . Bílkovinné a nebílkovinné aminokyseliny Pouze malá část existujících aminokyselin je zabudována do bílkovin. Uměle lze vytvořit i peptidy a bílkoviny s dalšími, ale v živých organismech se takové nevyskytují. Navíc všechny biogenní aminokyseliny jsou v l-variantě. Aminokyseliny vyskytující se v bílkovinách 1 Triv. n. Zkratka E M Kyselina: S alifatickými postranními řetězci glycin Gly N g 2-aminopenthanová alanin Ala N g 2-aminopropanová valin Val E g 2-amino-3methylbutanová leucin Leu E k 2-amino-4methylpentanová isoleucin Ile E s 2-amino-3-methylpentanová S postranními řetězci s -OH skupinou serin Ser N g 2-amino-3-hydrohypropanová threonin Thr E g 2-amino-3-hydroxybutanová Aminokyseliny vyskytující se v bílkovinách 2 S postranními řetězci obsahujícími síru cystein Cys N g 2-amino-3-merkaptopropanová cystin ­ N g 3,3-dithiobis(2-aminopropanová) methionin Met E g 2-amino-4-(methylthio)butanová S postranními řetězci obsahujícími kyselé skupiny nebo jejich amidy k. asparagová Asp N g aminojantarová asparagin Asn N g 2-aminosukcinamová k. glutamová Glu N g 2-aminoglutarová glutamin Gln N g 2-aminoglutaramová Aminokyseliny vyskytující se v bílkovinách 3 S postranními řetězci obsahujícími basické (zásadité) skupiny arginin Arg E g 2-amino-5-guanidinovalerová lysin Lys E s 2,6-diaminohexanová hydroxylysin Hyl s 2,6-diamino-5-hydroxyhexanová histidin His E/N g 2-amino-3-imidazolylpropanová Obsahující aromatické cykly histidin His E/N g 2-amino-3-imidazolylpropanová fenylalanin Phe E s 2-amino-3-fenylpropanová tyrosin Tyr N s 2-amino-3-(4-hydroxyfenyl)p.p. tryptofan Trp E s 2-amino-3-(3-indolyl)propanová Iminokyseliny prolin Pro N g 2-pyrrolidinkarboxylová 4-hydroxyprolin Hyp N g 4-hydroxy-2-pyrrolidinkarboxylová Oligopeptid, polypeptid, bílkovina Oligopeptid Oligopeptid obsahuje 2 - 10 zřetězených amin okyselin. Řada těchto látek se uplatňuje v organismu jako látky regulační mají silný biologický účinek. I toxiny Amanita phalloides mají 8 a 10 aminokyselin, jsou tedy oligopeptidy. Polypeptidy Polypeptid má více než deset aminokyselin. Horní hranice je v rozmezí 50 ­ 100 aminokyselin a závisí na tom, zda má sloučenina definovanou sekundární a teciární strukturu. Významné peptidy Vedle výše uvedených toxinů mezi ně patří hormony zadního i předního laloku hypofýzy, hormony regulující hladinu Ca v krvi i některé hormony nervové tkáně. Glutathion je používán jako tkáňový antioxidant. Panicilín je derivátem Cys-Val dipeptidu. Santerické sladidlo Aspartam je dipeptid Asp-Phe. Struktura bílkovin Sekundární struktura Nejčastější sekundární struktura bílkovin je emph-helix, pravotočivá šroubovnice, u náíž připadá 3,6 aminokyselin na závit. -struktura je hřebenovitá a podobá se hřebenu, nakresleném na skládaný list. Vyznačuje se velkou pevností. Terciární struktura Jejím výsledkem je zevní tvar bílkoviny a je udržována vazbami v místech, kde se bílkovina sama sebe dotýká. Kvartérní struktura Jedná se o spojení více jednotek, udržovanéí podobnými vazbami jako tercáární. Není u všech bílkovin. Typický zástupce: Hemoglobin, myoglobin, Ca2+ dependentní ATP-asa (ve svalech). Změny struktury bílkovin Sekundární a vyšší struktura bílkoviny závisí na fyzikálních a chemických vlastnostech prostředí. Při jejich změně dochází i ke změně těchto struktur. Uvedené zmeny mohou být vratné, vyvolané menšími změnami teploty, pH, koncentrace minerálních látek apod. Využívají se v činnosti organismu (např. hemoglobin má při nižší teplotě a alkaličtějším pH (prostředí plic) vyšší vazebnou afinitu ke kysliku než oxidu uhličitému, při vyšší teplotě a kyselejším pH (tkáně) je tomu naopak. Mohou být limitující pro teplotní rozmezí funkčnosti nebo přežívání organismu, mohou neutralizovat bílkovinné jedy atd. Velké změny pH, vysoká teplota, mráz (za určitých podmínek), těžké kovy a další chemické látky vedou k nevratné změně struktury bílkovin, denaturaci. K denaturaci bílkovin dochází i při přípravě pokrmů a bílkoviny jsou snadněji stravitelné. Rozdělení bílkovin 1 Podle tvaru molekuly Globulární bílkoviny Mají oblý a ž kulovitý tvar molekuly, jsou vesměs dobře rozpustné ve vodě, patří mezi ně albumin, globuliny, trypsin, hemoglobin a mnoho dalších. Fibrilární bílkoviny Mají tvar vláken, většinou jsou nerozpustné ve vodě, jsou součástí cytoskeletu buněk, extracelulární hmoty (vazivo, chrupavka, kost). Patří mezi ně i keratin (kůže, ale také chlupy, vlasy, rohy, kopyta atd.) a elastin. Membránové bílkoviny Jsou uzpůsobeny k připoutání na membránu, některé jsou do ní zanořeny, nebo ji dokonce prostupují a ovlivňují průchod látek skrze ni. Rozdělení bílkovin 2 Podle funkce 1 Enzymy Biokatalyzátory, viz příště. Řada bílkovin má nespoecifickou katalytickou aktivitu. Strukturní bílkoviny Vytvářejí struktury na tkáňové nebo buněčné úrovni (od organel po mezibuněčnou hmotu). Podílejí se na tvaru buněk i celého těla. Rozdělení bílkovin 3 Podle funkce 2 Transportní bílkoviny Řada látek v tělě je transportována spolu se specifickým bílkovinným nosičem (typicky dýchací plyny), ale i železo a některé další. Další látky využívají nespecifické vazby na bílkoviny, především albumin, týká se řady endogenních látek (např. hormony, žlučová barviva), ale i léků apod. Osmotická funkce Plazmatické bílkoviny vytvářejí onkotický tlak. Zásobní Tělo neumí bílkoviny uložit do zásoby, ale některé odbourává přednostně při bílkovinném nedostatku (hladovění), jejich množství může signalizovat výživový stav organismu.