Biochemie I 2015/2016 Makromolekuly buňky František Škanta
Makromolekuly buňky •Cukry •Tuky •Bílkoviny
Makromolekuly buňky •Cukry •Tuky •Bílkoviny
Cukry Jsou sladké Přehled strukturních forem sacharidů Monosacharidy Oligosacharidy Polysacharidy
Ketotriosa a aldotriosy
Stereoizomerie cukrů D- a L- izomery Epimery α a β anomery
Stereoizomerie cukrů D- a L- izomery Epimery α a β anomery
D- a L- izomery = zrcadlové obrazy (enantiomery) významné jsou D-monosacharidy
zrcadlo
Stereoizomerie cukrů D- a L- izomery Epimery α a β anomery
Stereoizomerie cukrů D- a L- izomery Epimery α a β anomery
Epimery = izomery cukrů lišící se polohou pouze jedné –OH skupiny
Man = 2-epimer Glc Gal = 4-epimer Glc
10
Stereoizomerie cukrů D- a L- izomery Epimery α a β anomery
Stereoizomerie cukrů D- a L- izomery Epimery α a β anomery
α a β anomery
β-D-Glc
pouze cyklické formy α-/β-OH = anomerní (poloacetalová) hydroxylová skupina
α-D-Glc
• při rozpouštění cukru ve vodě se ustanovuje
rovnováha mezi anomery = mutarotace (optická otáčivost anomerů se liší)
V roztoku převládají monosacharidy cukrů v cyklické formě. Aldehydy tvoří poloacetalové, ketony poloketalové.
O
O
Furan
Pyran
Stereoizomerie cukrů D- a L- izomery Epimery α a β anomery
Monosacharidy
D-Aldosy – se třemi až šesti uhlíky 1 2 3
CHO H
C
OH
CH2OH D-Glyceraldehyd
CHO
1
CHO
2
H
C
OH
HO
C
H
3
H
C
OH
H
C
OH
4
CH2OH
CH2OH
D-Erythrosa
D-Threosa
CHO
1 2
H
C
OH
3
H
C
OH
4
CH2OH D-Erythrosa
CHO
1
CHO
2
H
C
OH
HO
C
H
3
H
C
OH
H
C
OH
4
H
C
OH
H
C
OH
5
CH2OH D-Ribosa
CH2OH D-Arabinosa
1
CHO
2 HO
C
H
3
C
OH
4
H
CH2OH D-Threosa
CHO
1
CHO
H
C
OH
HO
C
H
3 HO
C
H
HO
C
H
4
C
OH
H
C
OH
2
5
H
CH2OH D-Xylosa
CH2OH D-Lyxosa
20
CHO
1
CHO
2
H
C
OH
HO
C
H
3
H
C
OH
H
C
OH
4
H
C
OH
H
C
OH
5
CH2OH
CH2OH
D-Ribosa
D-Arabinosa
CHO
1
CHO
CHO
CHO
2
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
HO
C
H
3
H
C
OH
H
C
OH
HO
C
H
HO
C
H
4
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
5
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
6
CH2OH D-Allosa
CH2OH D-Altrosa
CH2OH
CH2OH
D-Glukosa
D-Mannosa
CHO
1
CHO
H
C
OH
HO
C
H
3 HO
C
H
HO
C
H
4
C
OH
H
C
OH
2
5
H
CH2OH
CH2OH
D-Xylosa CHO
1
CHO
2
H
C
OH
3
H
C
H
4 HO
C
5
C
6
D-Lyxosa
H
CHO
HO
C
H
H
C
OH
HO
OH
H
CH2OH D-Gulosa
CHO
H
C
OH
HO
C
H
OH
HO
C
H
HO
C
H
C
H
HO
C
H
HO
C
H
C
OH
H
C
OH
H
C
OH
CH2OH D-Idosa
CH2OH D-Galaktosa
CH2OH D-Talosa
D-Ketosy se třemi až šesti uhlíky 1 O
CH2OH
2
C
3
CH2OH Dihydroxyaceton
1 O 2 3
C H
4
C
CH2OH OH
CH2OH D-Erythrulosa
1 O C
2
CH2OH
O C
3
H
C
OH
HO
C
H
4
H
C
OH
H
C
OH
5
CH2OH
CH2OH
D-Ribulosa
D-Xylulosa
1 O 2
C
CH2OH
O C
CH2OH
CH2OH
O C
CH2OH
OH
HO
C
H
OH
HO
C
H
HO
C
H
OH
H
C
OH
H
C
OH
C
OH
HO
C
H
4
H
C
OH
H
C
5
H
C
OH
H
C
D-Psikosa
C C
H
CH2OH
O
H
3
6
CH2OH
CH2OH
CH2OH
CH2OH
D-Fruktosa
D-Sorbosa
D-Tagatosa
Oligosacharidy
Volný anomerní (= poloacetalový) hydroxyl ⇒ redukční účinky
α-Glc(1→4)Glc
β-Gal(1→4)Glc
α-Glc(1→2)β- Fru
Lipopolysacharid
Polysacharidy Homopolysacharidy Heteropolysacharidy
Polysacharidy Homopolysacharidy Heteropolysacharidy
Zásobní polysacharidy
Uspořádání celulosy v buněčných stěnách rostlin
Chitin je polymer N-acetylglukosaminu
30
Polysacharidy Homopolysacharidy Heteropolysacharidy
Polysacharidy Homopolysacharidy Heteropolysacharidy
Glykosaminoglykany
Glykosaminoglykany – aniontové polysacharidy COO
-
-
O
O
CH2 OSO3 OH
O
-
CH2 OSO3
CH2OH
O
OH
O
O
OH O
O OH Chondroitin-6-sulfát
-
COO OH O
NH COCH3
-
COO OH
O
O
SO 3 CH2OH O
O
O
O O
OH
-
OSO 3
Keratansulfát
-
O
O
OH
OH
NH COCH3
-
CH2 OSO3
Heparin
COO O
-
O
O
CH2OH OH
O
O
OH
OH Dermatansulfát
NH COCH3
O
OH
NH COCH3
Hyaluronát
Opakující se disacharidové jednotky obsahující glukosamin nebo galaktosamin. Vazbou na proteiny tvoří proteoglykany.
O NH SO 3
Heteroglykosidy
Pektiny
300 až 1000 jednotek kyseliny galakturonové a jejího methylesteru spojených vazbou 1α→4
Funkce cukrů v organismu: krátkodobý zdroj energie (glukóza, fruktóza) zásobní látky (škrob, glykogen, inulin, pektiny) stavební materiál (celulóza, chitin, agar) složka jiných molekul (koenzymy, proteiny, NK)
Báze
Báze
Cukr jako složka jiných biomolekul
Báze H
H
O
5´
O 3´
+
P
O
O
5´
O 3´
O - O
O
N
NH
O
NH
P
HS
O O
β -Merkaptoethylamin
O
H 3C
Pantothenát
Koenzym A
O
CH3
O O
N O
O
O
H
H
OH
OH
H
+
O
O - O
Báze
N
H
N
5´
H
OH
OH O
O O 3´
+
P
O
5´
O 3´
+
P O - O
RNA
H
P
O 3´ P
Báze
O - O
NH2
Reaktivní skupina OH
5´
O - O
OH
H
O
DNA
O
-
+
P
Báze
-
H
O
O
O
5´
O 3´
+
P O - O
O
Glykoproteiny Glykosidové vazby mezi proteiny a sacharidy. Vazby přes Asn (N-glykosidy), vazby přes Thr nebo Ser (O-glykosidy). GlcNAc = N-acetylglukosamin. Asn O
Ser H N
C
O
C
C
H
H2C C CH2OH
H N
C O HOH2C
HN O
O
HO
OH
H
H2C O
OH
HO HN C
CH3
O
N-vázaný GlcNAc
HN C
CH3
O
O-vázaný GalNAc
Obecně: N-glykosylace začíná v ER a pokračuje v Golgiho komplexu. O-Glykosylace probíhá pouze v Golgiho komplexu.
Makromolekuly buňky •Cukry •Tuky •Bílkoviny
STRUKTURA LIPIDŮ
Tuky Látky extrahovatelné organickými rozpouštědly
Estery vyšších MK a alkoholu (glycerol aj.)
Značení uhlíkových atomů mastných kyselin
β
H3C
ω
H2 C 3 C H2
n
O 2
C H2
C 1
-
O
-
α
o hlavní složky fosfolipidů, sfingolipidů a glykolipidů o obsahují polární konec a dlouhý uhlovodíkový řetězec
Mastné kyseliny
Syntéza tuků
Syntéza triacylglycerolu
50
Tuky Látky extrahovatelné organickými rozpouštědly
Estery vyšších MK a alkoholu (glycerol aj.) Esterifikace Jednoduché lipidy - tuky, vosky, oleje Složené lipidy – struktura membrán
Membránové lipidy
Lipidové složky biomembrán o Fosfolipidy - deriváty glycerol-3-fosfátu - polární konec – fosfát- derivát alkoholu - dvě mastné kyseliny o Sfingolipidy - deriváty sfingosinu - jedna mastná kyselina o Glykolipidy - deriváty sfingosinu - jedna mastná kyselina - polární konec - cukr o Cholesterol - eukaryotní membrány - rigidní steroidní kruh
Fosfolipidy
Fosfolipidy Hlavní složka biologických membrán
Např. fosfatidylcholine (lecithin)
Alkoholy, které se váží esterovou vazbou na fosfatidát -
OOC
HO
H C
C H2
H2 C
HO
+ NH3
C H2
Serin
H2 C
HO
+ NH3
C H2
Ethanolamin
HO
H
H OH
C H2
OH
HO
C
OH C H2
Glycerol
HO H
CH3
Cholin H
HO
N
H
OH OH
H H
Inositol
+
CH3 CH3
Sfingolipidy
Sfingolipidy fosfolipidy odvozené od sfingosinu
Sfingomyelin – jediný fosfolipid v membránách, který není derivátem glycerolu
Glykolipidy
Glykolipidy
glykosphingolipidy
galactocerebrosid
GM1 gangliosid
Cholesterol
Cholesterol
Struktura membrán
Strukturní lipidy v plasmatické membráně savčí buňky
Transversální asymetrie lipidů
- Složení jednotlivých stran dvojvrstvy je velmi odlišné - Vlastnosti lipidů ovlivňují vlastnosti membrány
Propustnost membrán Které typy molekul mohou procházet volně přes membránu ?
A které ne ?
70
Funkce lipidů v organismu
Funkce v organismu o Nejvýhodnější skladování energie (triacylglyceroly) o Struktura membrán (fosfolipidy) o Vitaminy, hormony, signální molekuly o Žlučové kyseliny (emulgace tuků)
Zásobní lipidy
Složení zásobních lipidů je silně ovlivněno stravou!!!
Funkce v organismu o Nejvýhodnější skladování energie (triacylglyceroly) o Struktura membrán (fosfolipidy) o Vitaminy, hormony, signální molekuly o Žlučové kyseliny (emulgace tuků)
Makromolekuly buňky •Cukry •Tuky •Bílkoviny
Bílkoviny Stavební jednotka - aminokyseliny (20)
Chemické a fyzikální vlastnosti •
amfolity
•
optická aktivita a izomerie
•
absorbce světla v UV oblasti
Interakce postranních řetězců aminokyselin
Rozdělení aminokyselin podle funkce v metabolismu Esenciální aminokyseliny aminokyseliny s rozvětvenými řetězci valin, leucin, izoleucin, methionin aminokyseliny s aromatickým cyklem tryptofan, fenylalanin, tyrosin Glukogenní a ketogenní aminokyseliny Glukogenní (vznik glukózy) alanin, asparagová k. asparagin, glutamová k., glutamin a prolin Ketogenní (vznik MK) leucin 80
Amfolity
Ionizační stavy aminokyselin jako funkce pH H + H3N
H+
R
+
COO H
H+
H + H3N
H+
R
+
COO
H+
H2N
R COO
Obě skupiny deprotonizovány
Obojetná forma Koncentrace
H
Obě skupiny protonizovány
0
2
4
6
8 pH
10
12
14
-
Izomerie a optická aktivita
Třírozměrná struktura aminokyseliny
R
R
H
H Cα
N H+ 3
Cα COO
L-izomer
-
COO
-
NH + 3 D-izom er
Bílkoviny jako fluorofory
Aromatické aminokyseliny absorbují světlo v UV oblasti HO
HC
HC C
CH CH CH
CH
HC
CH C
H3N
C
CH
C
CH C CH2
-
COO
H3N
+
CH CH
C
HN
CH C CH2
+
CH
C
CH2 -
COO
H3N
+
C
-
COO
H
H
H
Fenylalanin (Phe, F)
Tyrosin (Tyr, Y)
Tryptofan (Trp, W)
Úrovně proteinové struktury Primární Sekundární Terciární Kvarterní
– sekvence (N-konec…C-konec) – lokální struktury - H-vazby – celková 3-D struktura – podjednotky
Primární struktura
Peptidická vazba R1
H C
H3N
O C
-
+ +
R2
H
+
+ +
C
H3N
O C
O
OH
H + +
H3N
-
O
HC
C
H3N
O
H N
Tyr Aminoskupina N-konec
C H
H
Gly
H
N H
O
H N
C
C
C O
H
C
C O
Gly
C H2C
Phe
H
CH3
H2C
H C
N H
O
H N
C
C
C R2
Peptidová vazba
O C
-
+ +
H
C
O
CH3
H2C
R1
O
Leu Karboxyl C-konec
O
H
+
H2 O
Sekundární struktura
Alfa-helix o Strukturu předpověděli Linus Pualing a Robert Corey, 1951 o Identifikována v keratinu (Max Perutz) o Všudypřítomná složka proteinů o Stabilizována H-vazbami o Residuí na otočku: 3.6 o Stoupání na jedno residuum: 1.5 Å
Beta-skládaný list o Také navrhli Pualing a Corey , 1951 o Vlákna mohou být paralelní nebo antiparalelní
Terciární struktura
Interakce vedoucí k terciární struktuře
Kvarterní struktura
Kvarterní struktura
Molekula hemoglobinu složená ze čtyř podjednotek
Molekula imunoglobulinu složená ze dvou lehkých a ze dvou těžkých řetězců
120
Úrovně proteinové struktury Primární Sekundární Terciární Kvarterní
– sekvence (N-konec…C-konec) – lokální struktury - H-vazby – celková 3-D struktura – podjednotky
Tvar - globulární nebo fibrilární
Globulární proteiny o Většina polárních residuí směřuje vně proteinu a je v kontaktu s rozpouštědlem o Většina hydrofobních residuí se nachází uvnitř proteinu, kde dochází k jejím vzájemným interakcím
Fibrilární proteiny o Většina polypetidového řetězce je organizována paralelně k jediné ose o Fibrilární proteiny jsou často mechanicky pevné o Fibrilární proteiny jsou často nerozpustné o V přírodě zastávají strukturní funkce o a- keratin - vlasy, nehty, drápy, rohy a zobák o Kolagen - klouby, kosti, zuby o β- keratin – hedvábí, pavoučí síť
Kolagen
a-keratin
β-keratin
Funkce v organismu
Funkce v organismu Stavební (kolagen, elastin, keratin) Transportní a skladovací (hemoglobin, transferin) Zajišťující pohyb (aktin, myosin) Katalytické, řídící a regulační (enzymy, hormony, receptory...) o Ochranné, obranné (imunoglobulin, fibrin, hadí jedy...) o Udržování osmotického tlaku a pH krve (albumin) o o o o
Biosyntéza bílkovin
Centrální dogma molekulární biologie
Proteosyntéza