9.4.2011
Aminokyseliny, proteiny, enzymologie
Aminokyseliny • Co to je? – Organické látky – karboxylové kyseliny, které mají na sousedním uhlíku navázanou aminoskupinu
• Jak to vypadá?
• K čemu je to dobré? – AK jsou stavební kameny všech proteinů – Pro výstavbu všech proteinů je třeba pouze 20 AK (+1) – AK mohou být přídavnými látkami v potravinách (glutamát, aspartam), kosmetice (šampony)
1
9.4.2011
Struktura aminokyselin • • •
• • •
Každá AK v organismu obsahuje karboxylovou skupinu na 1. uhlíku Ve fysiologickém pH je karboxylová skupina ionisována a tvoří anion Aminoskupina je u proteiny tvořících AK na α-uhlíku – uhlíku sousedícím s karboxylovou skupinou Ve fysiologickém pH je aminoskupina protonována a tvoří kation Jednotlivé aminokyseliny se liší postraním řetězcem Přirozené AK vykazují konfiguraci L
Aminokyseliny
2
9.4.2011
Bílkoviny (Proteiny) • Co to je? – Polymery aminokyselin – Dlouhé řetězce na sebe poutaných AK (peptidová vazba)
• Jak to vypadá?
Proteiny – primární struktura • Sled aminokyselin v polypeptidu, zapsaný od N- k C-konci • Současně je podstatné, zda v proteinu lze najít disulfidové můstky • AK je možné zapisovat celými názvy (nepraktické), třípísmennými zkratkami (velmi časté), nebo písmeny (nejjednodušší) • Primární struktura nevysvětluje funkci proteinu, ale je možné pomocí PC odhadnout prostorovou strukturu
3
9.4.2011
Peptidová vazba • Peptidová vazba je spojovacím článkem mezi AK v proteinech • Jedná se amidickou vazbu • Vazbu je možno hydrolysovat – zjišťování struktury • Struktura peptidu se zapisuje od N-konce (volná aminoskupina) k C-konci (volný karboxyl)
Bílkoviny (Proteiny) – peptidová vazba
4
9.4.2011
Proteiny – sekundární struktura • Vyjadřuje prostorové uspořádání peptidového řetězce na omezených úsecích jeho primární struktury • Známe tři sekundární struktury: – α-helix – β-list – β-smyčku
α-helix
5
9.4.2011
β-list
β-smyčka
6
9.4.2011
Proteiny – Terciární struktura
Keratin
7
9.4.2011
Kolagen
Hedvábí
8
9.4.2011
Globulární proteiny
Bílkoviny (Proteiny) • K čemu je to dobré? – Stavební hmota vlasů, nehtů – Zdroj energie – Imunita (protilátky) – Pohyb – Přenos kyslíku – Komunikace mezi buňkami – Enzymy: • Přírodní katalysatory • Všechny chemické reakce v živých organismech jsou řízeny enzymy
9
9.4.2011
Protilátky • •
Několik typů Nejvýznamnější IgG
•
•
Proměnná doména – zodpovědná za rozpoznání antigenu (cizí struktura) Neměnná struktura – zodpovědná za vazbu na bílé krvinky
Pohyb
10
9.4.2011
Komunikace
Komunikace
11
9.4.2011
Přenos kyslíku Myoglobin • Jedna podjednotka • Ve svalech • Vázaný hem • Silná vazba na kyslík • Zodpovědný za převzetí kyslíku od hemoglobinu z krve a jeho distribuci mezi buňkami tkáně
Hemoglobin • 4 podjednotky (2 α, 2 β) • Každá podjednotka vázaný hem • Přenos kyslíku v krevním řečišti – navázání v plicích a uvolnění ve tkáních • Síla vázání kyslíku je ovlivněna působením mezi podjednotkami
Myoglobin
12
9.4.2011
Hemoglobin
Hemoglobin – vazba kyslíku
13
9.4.2011
Enzymy • Biokatalysatory – látky urychlující chemické děje v živých organismech snižováním aktivační energie potřebné k proběhnutí těchto procesů = ENZYMY • Enzymologie = vědecká disciplína zabývající se problematikou biokatalysatorů
Charakteristiky enzymů • Snižuje aktivační energii • Účinková specificita: – Pouze jeden typ reakce/ chemické přeměny – Bez vedlejších produktů – Jedna reakce = jeden katalysator → spousta enzymů
• Substrátová specifita – Substrát = přeměňovaná molekula (látka vstupující do reakce, reaktant) – Absolutní specifita – enzym rozezná pouze jeden jediný substrát – Skupinová specifita – enzym rozezná více substrátů s podobným strukturním znakem
• Regulovatelná účinnost / aktivita
14
9.4.2011
Struktura enzymů • Enzymy se skládají z: – – – –
Proteinů RNA (RNAzym) DNA(DNAzym) Složených struktur (holoenzym)
• Aktivní místo: – Místo navázání substrátu a jeho chemické přeměny – Vazebné skupiny – přidržují substrát v enzymu a ulehčují jeho správnou orientaci a přístup k aktivním skupinám – Katalytické skupiny – zodpovědné za samotnou chemickou reakci
Struktura enzymů - chymotrypsin
15
9.4.2011
Struktura enzymů - hexokinasa
Kofaktory enzymů a holoenzymy • Složené enzymy (holoenzymy) potřebují pro funkci pomocné látky – kofaktory • Kofaktory: – Prostetické skupiny: • Malá organické molekuly pevně vázané na proteinovou část enzymu
– Koenzymy • Rozpustné organické molekuly • Dočasně vážou atomy, nebo skupiny atomů
• Apoenzym – bílkovinná část enzymu apoenzym + kofaktor = holoenzym
16
9.4.2011
Prostetické skupiny - příklady
Pyridoxalfosfát, Vitamin B6
FMN, Vitamin B2 Hem
Koenzymy - příklady NADP+
Koenzym A
17
9.4.2011
Klasifikace enzymů • Název enzymu končí zpravidla na –asa • 1. Oxidoreduktasy: – Jedna z nejpočetnějších tříd enzymů – Často složené enzymy
Klasifikace enzymů • 2. Transferasy: – Složené bílkoviny – Umožňují přenos skupin (-CH3, -NH2, fosfát, etc.)
• 3. Hydrolasy: – – – – –
Štěpí chemické vazby s pomocí vody Jednoduché proteiny Proteasy – štěpí peptidickou vazbu v peptidech a proteinech Glykosidasy – štěpí glykosidové vazby v sacharidech Lipasy – štěpí esterové vazby v tucích
18
9.4.2011
Klasifikace enzymů • 4. Lyasy: – Katalysují nehydrolytické štěpení vazeb – Eliminace malé molekuly ze substrátu nebo adice na dvojnou vazbu
• 5. Isomerasy: – Vnitromolekulové přeměny
• 6. Ligasy: – Katalysují vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu energeticky bohatých látek (ATP)
Kinetika enzymových reakcí • L. Michaelis, M. Mentenová (1913) • Rovnice Michaelis-Mentenové: o o o o
v … rychlost reakce Vlim … limitní rychlost reakce KM … Michaelisova konstanta [S] … koncentrace substrátu
v=
Vlim .[S ] K M + [S ]
19
9.4.2011
Důsledky rovnice Michaelis-Mentenové • A) Pro nízkou koncentraci substrátu:
v=
Vlim .[S ] KM
– KM >> [S] – Vzorec přejde na lineární tvar a rychlost reakce roste přímo úměrně s koncentrací substrátu
• B) Pro vysokou koncentraci substrátu
v = Vlim
– KM << [S] – Rychlost dosáhne téměř limitní hodnoty a hodnota rychlosti se s koncentrací substrátu prakticky nemění
• C) Pro koncentraci substrátu velikostí srovnatelnou s hodnotou Michaelisovy Konstanty Vlim .[S ] – KM ≈ [S] – Nelineární průběh
v=
K M + [S ]
Důsledky rovnice Michaelis-Mentenové
20
9.4.2011
Závislost rychlosti enzymové reakce na koncentraci substrátu • Limitní rychlost závisí na koncentraci enzymu Vlim = k 2 .[E ] • S rostoucí koncentrací enzymu roste rychlost reakce přímo úměrně
Regulace enzymové aktivity • Regulace na úrovni exprese enzymu – V případě nedostatku enzymu, nebo v případě potřeby je tvořena mRNA a je vyráběn enzym
• Regulace kovalentní modifikací – Fosforylace – navázáním, nebo odštěpením fosfátové skupiny z molekuly ezymu je možno enzym aktivovat, nebo zastavit jeho aktivitu – Proenzymy – nejprve je vytvořen předstupeň enzymu – neaktivní protein, který je odštěpením malého úseku aktivován (trávicí enzymy pepsin a trypsin)
• Regulace pomocí efektorů – Aktivátory – jejich navázání na enzym enzym aktivuje – Inhibitory – jejich navázání na enzym enzym deaktivuje
21
9.4.2011
Využití enzymů – celé buňky • Nejstarší methody • Potravinářství – Výroba sýrů a joghurtů (Lactobacillus) – Výroba piva a vína (Saccharomyces cerevisiae) – Výroba octa (Saccharomyces cerevisiae)
• Chemické výroby – Výroba kyseliny citronové (Aspergillus niger) – Výroba antibiotik (plísně) – Výroba vitaminů, steroidů a aminokyselin
• Těžké technologie – Čištění odpadních vod – Zpracování rud
Využití enzymů – isolované enzymy • Široká paleta enzymových preparátů • Invertasa – výroba invertovaného cukru • Proteasy, lipasy – prací prostředky • DNA-polymerasy, restrikční endonukleasy, ligasy – genové technologie • β-galaktosidasa – odstraňování laktosy z mléka • Další možná využití: – Loupání ovoce, lékařství (analytické testy), chemické synthesy
22
