Aminokyseliny © Biochemický ústav LF MU (J.D.) 2013 2 •Výslovnost a etymologie aminokyselin •Chiralita aminokyselin •Charakter vedlejšího řetězce a důsledky z toho plynoucí •Acidobazické vlastnosti aminokyselin •Hlavní biochemické přeměny aminokyselin •Nekódované aminokyseliny (příklady) • • 3 Výslovnost •výslovnost přípony –nin je tvrdá [nyn] •česky: alanin [alanyn] •anglicky: alanine [æləny:n] •stejně i v jiných názvech se stejnou příponou: threonin, arginin, adenin, guanin, chinin, serotonin, kreatinin ... ! 4 Jazyková poznámka: Původ názvů aminokyselin Aminokyselina Původ názvu alanin arginin asparagin asparagová kys. cystin cystein fenylalanin glutamin glutamová kys. glycin složenina z aldehyd kyanhydrin (substrát syntézy) arginin nitrát připomíná stříbro, lat. argentum poprvé izolován z chřestu, lat. asparagus od asparaginu (produkt hydrolýzy) poprvé izol. z moč. kamene, řec. cystis (moč. měchýř) od cystinu (produkt hydrogenace) fenyl derivát alaninu poprvé izolován z rostlinného proteinu glutenu od glutaminu (produkt hydrolýzy) má sladkou chuť, řec. glykos 5 Jazyková poznámka: Původ názvů aminokyselin Aminokys. Původ názvu histidin leucin isoleucin lysin methionin prolin serin taurin threonin tryptofan tyrosin valin z řec. histos (tkáň) tvoří bílé krystalky, řec. leukos (bílý) isomer leucinu objeven při hydrolýze kaseinu, z řec. lysis obsahuje methyl na atomu síry, řec. theion obsahuje heterocyklus pyrrolidin poprvé izolován z hedvábí, lat. sericum poprvé izolován ze žluče býka, lat. taurus, nestandardní AK má podobnou konfiguraci jako monosacharid threosa objeven při štěpení trypsinem, řec. tryptic + phane (objev) poprvé izolován ze sýru, řec. tyros podle kys. valerové, izolované z Valeriana officinalis 6 Aminokyseliny podle různých hledisek Poloha -NH2 skupiny α-AK (v proteinech), b-AK (b-alanin, CoA), γ-AK (GABA) ... atd. Konfigurace na C* L-aminokyseliny (většina) ´ D-aminokyseliny (? nejasná funkce) Acidobazické chování „amino-kyselé“ (15) ´ kyselé (2) ´ bazické (3) Charakter postr. řetězce nepolární (9) ´ polární (6) ´ ionizovaný (5) Dostupnost pro člověka esenciální (9) ´ semiesenciální (3) ´ neesenciální (11) Metabolismus glukogenní (13) ´ ketogenní (2) ´ smíšené (5) Výskyt v proteinech proteinogenní (20) ´ neproteinogenní (např. ornithin, homocystein) 7 Obecný vzorec a-aminokyseliny POZOR! a-uhlík je C2 α vedlejší řetězec 8 Chiralita aminokyselin •Většina AK je chirální (jeden C*) •Pouze glycin je achirální = nemá asymetrický uhlík •Threonin a isoleucin mají dva C* Þ 4 izomery •V lidském těle se vyskytují a jsou biochemicky využitelné jen L-aminokyseliny •D-aminokyseliny jen zřídka – jejich role nejasná 9 Fischerova D/L-konvence L-aminokyselina D-aminokyselina pravidla: LCH II, s. 12 10 Stereoprojekce za nákresnu před nákresnu 11 Dvojí pohled na jedno chirální centrum L-forma D-forma S-izomer R-izomer 12 R/S-konvence: pořadí substituentů na obvodu volantu Pořadí 1-2-3 je proti směru hod. ručiček Þ S-konfigurace 13 Čtyři izomery threoninu (22 = 4) L-threonin D-threonin L-allothreonin D-allothreonin 14 Čtyři izomery isoleucinu (22 = 4) L-isoleucin D-isoleucin L-alloisoleucin D-alloisoleucin 15 Využití volných L-aminokyselin •v běžné stravě nejsou volné aminokyseliny, jen bílkoviny •obsah volných L-AK svědčí o rozložení bílkovin •obsah volných D-AK svědčí o mikrobiální kontaminaci / fermentaci •Komerčně užívané volné L-aminokyseliny: •glutamát sodný – potravinářské aditivum (E621, MSG) •arginin – různé přípravky v lékárnách •rozvětvené AK (BCAA): potravinové doplňky pro sportovce • • Infuzní roztoky L-aminokyselin •Různé směsi, různé poměry, dávkování: 1-2 g/kg/den •Pro krytí potřeby bílkovin při parenterální výživě, když není možné přijímat potravu ústy •Při postižení jater – speciální roztoky, nižší obsah dusíku •Infuze rozvětvených AK mají velmi příznivý léčebný efekt (antikatabolický) – např. při selhávání ledvin 16 Výskyt D-aminokyselin •V buněčných stěnách bakterií •V metabolických produktech bakterií a plísní (antibiotika často obsahují D-AK) •Volné D-AK se vyskytují ve fermentovaných nebo mikrobiálně kontaminovaných potravinách •V lidském těle byly stanoveny v tělesných tekutinách D-aspartát a D-serin •pravděpodobně mají funkce signálních molekul •Racemizace L-AK může být příčinou a/nebo indikátorem různých chorob (schizofrenie) • 17 Charakter vedlejšího řetězce (R) rozhoduje o typu nevazebných interakcí v proteinech Charakter vedlejšího řetězce Interakce Nepolární (9) hydrofobní Polární (6) dipól-dipólové vodíkové vazby (5) Ionizovaný (5) elektrostatické 18 Nepolární skupiny vytvářejí hydrofobní interakce AK Nepolární skupina R Glycin Alanin Valin Leucin Isoleucin Fenylalanin Prolin Tryptofan Methionin H methyl isopropyl (propan-2-yl) isobutyl (2-methylpropyl) isobutyl (1-methylpropyl) fenyl trimethylen (cyklizovaný) indolylmethyl -CH2-CH2-S-CH3 * * 2-(methylsulfanyl)ethyl 19 Hydrofobní interakce mezi nepolárními skupinami fenylalaninu a valinu Stabilizují terciární a kvartérní strukturu bílkovin 20 Aminokyseliny s polárními skupinami AK Polární skupina Funkce skupiny v bílkovině Ser Thr Tyr Asn Gln Cys alkohol. hydroxyl (-OH) alkohol. hydroxyl (-OH) fenol. hydroxyl (-OH) amidová -CO-NH2 amidová -CO-NH2 -SH (sulfanyl) H-vazby, fosforylace, O-glykosylace, katalýza* H-vazby, fosforylace, O-glykosylace H-vazby, fosforylace H-vazby, N-glykosylace (N-glykoproteiny) H-vazby disulfidové můstky, nukleofil Þ katalýza* * serinové/cysteinové proteasy 21 Fosforylace a defosforylace enzymu ovlivňuje jeho aktivitu kinasa fosfatasa 22 N-glykosidová vazba mezi asparaginem (Asn) a N-acetylglukosaminem v N-glykoproteinech ... N O O N N H O H H O C C H 3 O C O H H N-glykosidová vazba 23 Ionizace aminokyselin závisí na pH Které aminokyseliny mají při fyziologickém pH 7,40 v postranním řetězci ionizovanou skupinu? kation amfion R R R 24 Aminokyseliny s ionizovanými skupinami AK Kyselá skupina pKA Disociace Náboj Při pH 7,40 Asp Glu β-karboxyl γ-karboxyl 3,9 4,3 (téměř) úplná (téměř) úplná záporný záporný His Lys Arg imidazolium ε-amonium guanidinium 6,0 10,5 12,5 více jak 50 % (téměř) žádná (téměř) žádná kladný kladný kladný 25 Rozlišujte guanidin (iminomočovina) relativně silná báze (iminodusík) pKB = 1,5 guanidinium velmi slabá kyselina pKA = 12,5 26 Histidin podmiňuje pufrační vlastnosti bílkovin pKB = 8 pKA (His) = 6 pKA (His v bílk.) = 6-8 27 Elektrostatická interakce je přitažlivá interakce mezi kationtem a aniontem „solný můstek“ 28 pH Postupná disociace asparagové kyseliny pKA1 = 2,19 pKA2 = 3,87 pKA3 = 9,82 maximálně protonizovaná forma 29 pH pKA1 = 2,18 pKA2 = 8,93 pKA3 = 10,55 Postupná disociace lysinu maximálně protonizovaná forma 30 aminokyselina/bílkovina za isoelektrického bodu: • existuje ve formě amfiontu • má celkový náboj nulový • nepohybuje se v elektrickém poli • má nejmenší stabilitu v roztocích Isoelektrický bod (pI) je hodnota pH roztoku 31 Jak počítat pI ? Neutrální AK pI = ½ (pKA1 + pKA2) Bazické AK průměr pK obou bazických skupin Kyselé AK průměr pK obou kyselých skupin 32 Jak určit iontovou formu AK • Nakreslete maximálně protonizovanou formu AK. • Ke všem kyselým skupinám přiřaďte jejich pKA hodnoty. • U každé kyselé skupiny zvlášť (!) rozhodněte, zda je při daném pH disociovaná či ne. • Jestliže pH < pKA Þ skupina je převážně protonizovaná. • Jestliže pH > pKA Þ skupina je převážně disociovaná. • Jestliže pH = pKA Þ skupina je disociovaná z 50 %. ! 33 Jaká je převažující iontová forma tyrosinu při pH 12 ? (pKA1 = 2,2 pKA2 = 9,1 pKA3 = 10,1) Maximálně protonizovaná forma: 34 Jaká je převažující iontová forma histidinu při pH 7,4 ? (pKA1 = 1,7 pKA2 = 9,2 pKA3 = 6,0) Maximálně protonizovaná forma: 35 Jaká je převažující iontová forma argininu při pH 4 ? (pKA1 = 2,0 pKA2 = 9,0 pKA3 = 12,5) Maximálně protonizovaná forma: 36 Přehled metabolismu aminokyselin (anabolické a katabolické dráhy) hotovost AK Endogenní proteiny Exogenní proteiny MK, TAG CO2 + energie Glukosa Biogenní aminy Neurotransmitery Puriny/pyrimidiny Porfyriny Kreatin NO a další NH3 D NH4+ Syntéza neesenc. AK Močovina Glutamin CC trávení Intracelulární degradace transaminace deaminace 37 Esenciální aminokyseliny •valin •leucin •isoleucin •threonin •methionin • •fenylalanin •tryptofan •lysin •histidin • • Podmíněně esenciální (semiesenciální) • arginin - v období růstu • alanin, glutamin - při metabolickém stresu 38 deaminace primární amin R C H C O O H N H 2 NH3 2H H2O R C H 2 N H 2 R C C O O H O dekarboxylace 2-oxokyselina R C C O O H O transaminace 2-OG Glu CO2 2-oxokyselina dehydrogenace Významné biochemické přeměny aminokyselin [iminokyselina] 39 Obecné schéma transaminace 40 1. Fáze transaminace AK ® oxokyselina pyridoxal-P ® pyridoxamin-P 41 2. Fáze transaminace 2-oxoglutarát ® glutamát pyridoxamin-P ® pyridoxal-P izomerace 42 Transaminace alaninu ALT = alaninaminotransferasa glutamát 43 Transaminace aspartátu aspartát oxalacetát AST = aspartátaminotransferasa 44 Biochemicky významné dvojice •pyruvát / laktát = redoxní pár •pyruvát / alanin = transaminace • •oxalacetát / malát = redoxní pár •oxalacetát / aspartát = transaminace ! 45 Dehydrogenační deaminace glutamátu využívá pyridinový kofaktor NAD+ (NAD+) hlavní zdroj amoniaku v buňkách glutamátdehydrogenasa 46 Oxidační deaminace AK se účastní flavinový kofaktor a v následné reakci dikyslík • reakce typická pro glycin • odbourání D-aminokyselin • vedlejší produkt H2O2 H2O + ½ O2 47 Desaturační deaminace histidinu kys. urokanová 48 Dekarboxylace AK poskytuje biogenní aminy Reakce vyžaduje: Enzym: dekarboxylasa Kofaktor: pyridoxalfosfát 49 Produkty dekarboxylace aminokyselin AK Produkt Komentář Ser ethanolamin součást fosfolipidů, prekurzor cholinu Cys cysteamin součást koenzymu A (CoA-SH) Phe fenethylamin strukturní základ fenethylaminů (efedrin, pervitin, aj.) Tyr tyramin v některých potravinách, může způsobit migrénu Asp b-alanin součást pantothenátu, CoA-SH, karnosinu Glu GABA gama-aminobutyric acid, inhibiční neurotransmiter Lys kadaverin produkt putrefakce (hnití bílkovin) His histamin mediátor alergické reakce Arg agmatin signální molekula v mozku, neurotransmiter Trp tryptamin prekurzor serotoninu a melatoninu DOPA dopamin katecholamin, prekurzor noradrenalinu/adrenalinu Ornithin putrescin produkt putrefakce, prekurzor spermidinu/sperminu Speciální přeměny aminokyselin 51 Glutamin je donorem aminoskupiny při syntéze glukosaminu Fruktosa má reaktivní skupinu na C2, proto i glukosamin má –NH2 na C2 D-glukosamin přesmyk viz Semináře str. 45 52 Biosyntéza purinových bází de novo: tři aminokyseliny poskytují čtyři atomy N fumarát glutamát 53 Aspartát poskytuje jeden dusík při biosyntéze pyrimidinových bází 54 Arginin je meziprodukt močovinového cyklu. Hydrolýza argininu poskytne močovinu a ornitin arginin (jeden N pochází z aspartátu) 55 Aspartát poskytuje jeden dusík do močoviny CO2 + NH4+ + CO(NH2)2 + -OOC-CH=CH-COO- + H2O + 2 H+ volný ammoniak aspartát 56 Syntéza glutaminu je způsob detoxikace amoniaku glutaminsynthetasa 57 Hydrolýza glutaminu uvolňuje amoniak z amidové skupiny glutamát glutamin glutaminasa 58 Z glutaminu se v ledvinách uvolňuje NH4+ moč (pH ~ 5) 59 Glycin, arginin a methionin jsou nutné na tvorbu kreatinu glycin guanidin-acetát kreatin kreatin kreatinin 60 Glycin je konjugační činidlo žlučových kyselin amidová vazba konjugace kys. benzoové na hippurát: viz přednáška Heterocykly 61 Z tyrosinu vzniká DOPA a dopamin 62 Další dva katecholaminy z dopaminu Cu2+ Předpona nor- znamená N-demethyl 63 Přeměna tyrosinu na thyroxin 64 AK Biochemicky významný produkt Ala Arg Ser Gly Met Cys Asp Glu Gln Pro His Lys Tyr Trp pyruvát ® glukosa (pyruvát vznikne z Ala transaminací) močovina, NO, kreatin ethanolamin ® cholin ® betain; sfingosin, donor 1C fragmentu hem, kreatin, glutathion, konjugační činidlo (např. glykocholát) donor methylu, kreatin, homocystein glutathion, taurin, SO42-, cysteamin (CoA-SH) donor -NH2 (urea, pyrimidiny), oxalacetát, fumarát, β-alanin (CoA) 2-oxoglutarát, GABA donor -NH2 (syntéza glukosaminu, purinů) hydroxyprolin histamin, donor 1C fragmentu allysin (kolagen), karnitin, kadaverin fumarát, katecholaminy, thyroxin, melaniny nikotinamid, serotonin, melatonin, donor 1C fragmentu ! 65 Selenocystein - 21. aminokyselina •Několik enzymů (redoxní reakce) obsahuje selenocystein •Glutathionperoxidasa (2 GSH + H2O2 ® 2 H2O + G-S-S-G) •Dejodasy thyroninů (thyroxin T4 ® trijodthyronin T3) •Thioredoxin reduktasa (ribosa ® deoxyribosa) • Nekódované aminokyseliny (výběr) 67 Nekódované aminokyseliny jako složky proteinů: produkty posttranslační úpravy proteinů 4-hydroxyprolin allysin g-karboxyglutamová kyselina 68 Hydroxylace prolinu v kolagenu prolin 2-oxoglutarát 4-hydroxyprolin sukcinát (askorbát, Fe2+) monooxygenasa CO2 Skorbut (kurděje) Nedostatek kyseliny askorbové ® nedochází k hydroxylaci Nemůže docházet ke vzniku příčných můstků Značná část abnormálního kolagenu je degradována v buňce Krvácivost, uvolnění zubů, špatné hojení ran, praskání jizev apod. Jazyková poznámka askorbová odvozeno z: a- (ne, anti) + skorbut 69 Vznik allysinu v kolagenu O2 NH3+H2O C H 2 C H 2 C H 2 C H 2 C C N H O H 2 N C H C H 2 C H 2 C H 2 C C N H O O lysyloxidasa (Cu2+-enzym) allysin oxidační deaminace zbytků lysinu 70 γ-Karboxylace glutamátu probíhá v bílkovinách, které chelatují vápník: - osteokalcin (kosti) - faktory krevního srážení (krevní plazma) CO2, O2, vitamin K zbytek glutamátu v polypeptidovém řetězci γ-karboxyglutamát vytváří chelát s Ca2+ 71 Neproteinogenní aminokyseliny betain beta-alanin taurin SAM homocystein GABA 72 Betain vzniká oxidací cholinu oxidace Dekarboxylací serinu vzniká ethanolamin. Methylací ethanolaminu vzniká cholin dekarboxylace methylace serin ethanolamin cholin betain cholin 73 Syntetické betainy jsou amfoterní tenzidy Šampon na vlasy Aqua, Sodium Laureth Sulfate, Cocamidopropyl Betaine, Sodium Chloride, Benzylalcohol, Betula pendula extract, Perfume, 2-Bromo-2-Nitropropane-1,3-Diol, CI 42051 viz Semináře, str. 21 74 Beta-alanin vzniká dekarboxylací aspartátu - CO2 β α součást struktury: pantothenová kyselina (B vitamin) koenzymu A (CoA-SH) karnosin (dipeptid ve svalech) 75 Koenzym A pantothein 76 Taurin je sulfonová kyselina, vzniká z cysteinu 77 Methionin po odštěpení methylu poskytuje homocystein B12 ethanolamin noradrenalin guanidinacetát 78 S-Adenosylmethionin (SAM) obsahuje trojvaznou kladně nabitou síru Kation - sulfonium 79 GABA glutamát GABA g-aminomáselná kys., gamma-aminobutyric acid, inhibiční neurotransmiter v CNS, ligand pro chloridový kanál, vzniká dekarboxylací glutamátu