Aminokyseliny, proteiny, enzymy Základy lékařské chemie a biochemie 2013/2014 Ing. Jarmila Krotká
Metabolismus
základní projev života
látková přeměna souhrn veškerých dějů, které probíhají uvnitř organismu a které slouží k získání energie a k tvorbě látek, určených pro činnost organismu
Metabolismus bílkovin
souhrn biochemických přeměn bílkovin v organismu
Odpověď na otázky: Co je to bílkovina? Z čeho se skládá? Jaké je její chemické složení?
Co je to bílkovina (protein)
organická sloučenina (látka složená ze stejných molekul, které vždy obsahují jeden nebo více atomů C a dále atomy vodíku, kyslíku, dusíku, síry, aj.)
molekula bílkoviny je tvořena řetězcem aminokyselin
Aminokyselina
organická sloučenina, která obsahuje současně na jednom atomu uhlíku (alfa) funkční aminoskupinu (-NH2) a karboxylovou skupinu (-COOH)
amino skupina
karboxylová skupina
Vlastnosti aminokyselin
dipolární charakter = amfoterní látky - v závislosti na pH prostředí se mohou chovat a) jako kyseliny b) jako zásady
Fyzikální vlastnosti aminokyselin -
jsou dobře rozpustné ve vodě (polární rozpouštědlo) Amfiterní povaha umožňuje jejich separaci a identifikaci (elektroforéza, chromatografie)
Chemické vlastnosti aminokyselin 1.
na α-uhlíku - peptidová vazba
2.
R–postranní řetězec (radikál) může být jednoduchý, rozvětvený, obsahovat aromatická jádra, síru apod. důležité pro budování prostorových struktur bílkovin
Peptidová vazba
Dělení aminokyselin podle struktury
Esenciální aminokyseliny V organismu se vyskytuje celkem 20 aminokyselin (L forma) z toho 8 neumí sám syntetizovat esenciální AMK nezbytný příjem potravou, důležitý je jejich vzájemný poměr Přebytečné AMK se neukládají, jsou odbourány nebo využity ke glukoneogenezi
Dělení aminokyselin
Esenciální AMK – organismus neumí vytvořit, musí se přijímat v potravě Neesenciální AMK – organismus umí vytvořit z jiných AMK
Neesenciální Ala Asn Asp Cys Gln Glu Gly Pro Ser Tyr, Arg*, His*
Esenciální Isoleucin Leucin Lysin Methionin Phenylalanin Threonin Tryptofan Valin
Získávání aminokyselin pro organismus
Esenciální – nutné v potravě (živočišné a rostlinné bílkoviny)
syntéza v lidském organismu 1. transaminace 2. přestavba neesenciální aminokyselin 3. přestavba esenciální aminokyselin
Základní metabolické procesy AMK dekarboxylace
deaminace
R
amin
aminokyselina
α-ketokyselina
transaminace aminotransferázy
2.10.2009
14
Močovinový cyklus (Ornitinový cyklus)
Výměna AMK mezi orgány 1. cyklus glukosa – alanin mezi svaly a játry (alanin jde ze svalů do jater, zde podstoupí glukoneogenezi vznikne glukosa, ta jde do svalů, glykolýzou poskytne pyruvát, který se transaminací opět přemění na alanin) 2. játra – detoxikují aminový dusík na netoxickou močovinu 3. ledviny – přijímají glutamin a vylučují do moče amoniový iont, do krve vrací alanin a serin
Funkce AMK v organismu
základ pro stavbu peptidů a bílkovin (příjem z potravy – bílkoviny živočišného a rostlinné původu, v trávicím procesu a dále v játrech jsou metabolizovány na AMK)
produkt metabolismu při odbourávání peptidů a bílkovin – dekarboxylace, deaminace, transaminace, vznik močoviny
Aminokyselinová hotovost
70 kg dospělý člověk, jeho tělo obsahuje cca 14 kg proteinů Aminokyselinová hotovost 600 – 700 g Příjem potravou 70 – 100 g/den Proteolýza 300 – 500 g/den Proteosyntéza 300 – 500 g/den Resyntéza AMK 30 – 40 g/den, nejvíce alanin a glutamin Odbourávní AMK 120 – 130 g/den
Dědičné metabolické poruchy
screaning novorozenců
Fenylketonurie (fenylalanin) Nemoc javorového sirupu (leucin)
2.10.2009
19
Peptidy Peptid – látka tvořená řetězcem dvou a více AMK: a) oligopeptidy (2 – 10 aminokyselin) b) polypeptidy (11 – 100 aminokyselin) příklady v organismu – hormony (insulín, C peptid, PTH, hormony hypofýzy, oxytocin, vasopresin) vznik v organismu –rozštěpením bílkovin, jejich natrávením pepto = vařit, trávit
Peptidová vazba
Bílkoviny = proteiny
charakteristika, struktura, dělení, metabolismus, vlastnosti a funkce
řec. protos – první vysokomolekulární látka (makromolekula), tvořená řetězcem AMK (až tisíc v jedné molekule) přesné pořadí AMK tvořících bílkovinu je zakódováno v genech v organismu existuje 20 AMK → velký počet různých kombinací, přesné pořadí AMK je rozhodující pro funkci bílkovin
Struktura bílkovin
rozlišujeme 4 úrovně struktury, každá z nich je důležitá pro správnou funkci bílkoviny v organismu
odlišnost ve stavbě bílkoviny může být rozeznána imunitním aparátem a vést k tvorbě protilátek.
Primární struktura bílkovin
- lineární pořadí aminokyselin v polypeptidovém řetězci
Sekundární struktura bílkovin
prostorové uspořádání lineárního řetězce polypeptidu. Vzniká na základě vzájemných interakcí mezi jednotlivými aminokyselinovými zbytky v polypeptidovém řetězci uplatňují se především slabé vazebné (nekovalentní) interakce. Nejčastějšími typy je struktura alfa-helix (šroubovice) a betaskládaný list. Sekundární struktura závisí na fyzikálně chemických podmínkách prostředí, ve kterých se protein nachází (pH, iontová síla, přítomnost dalších látek).
Terciální struktura bílkovin
další prostorové uspořádání jednotlivých úseků proteinů, uspořádaných do sekundární struktury, vzniká během syntézy proteinu procesem zvaným sbalování proteinu - podle terciární struktury se proteiny dělí na globulární (klubíčko) nebo fibrilární (vlákna)
Kvartérní struktura bílkovin
uspořádání jednotlivých polypeptidů u proteinů tvořených více polypeptidy (tzv. oligomerní proteiny)
Význam bílkovin pro organismus
1. stavební (konstrukční) – kolagen - šlachy, chrupavky, kůže, pojivová tkáň - pevný v tahu – elastin - stavba cév – keratin - vlasy, nehty, kůže
2. transportní – hemoglobin - krevní barvivo v erytrocytech, podílí se na přenosu kyslíku a CO2 krví, je složen ze 4 jednotek bílkoviny globinu – albumin – plasmatická bílkovina, produkován jaterními hepatocyty, podílí se z více než 70 % na onkotickém tlaku plazmy, dále transportní bílkovina (nekonjugovaný bilirubin, tyreoidní hormony, ionty vápníku, hořčíku, zinku, léky aj.) – transferin - transportní bílkovina přenášející v krvi železo
3. zásobní (skladovací)
– feritin - bílkovina sloužící k uložení železa v buňce, jeho hladina v krvi odráží velikost zásob železa v organismu
4. zajišťující pohyb
– bílkoviny svalových vláken - aktin, myosin
5. katalytické, řídící a regulační – enzymy – hormony
6. ochranné, obranné - imunoglobuliny
– fibrin, fibrinogen - zamezení krvácení
Proteolýza
jedná se o rozložení bílkovin na menší části (peptidy) a na aminokyseliny
Žaludek: Kyselina chlorovodíková rozvolňuje kolagen spojující svalová vlákna přijatého masa a umožňuje trávicím enzymům přístup k jeho bílkovině, která se štěpí na kratší řetězce
Tenké střevo: pokračuje trávení bílkovin prostřednictvím enzymů (proteázy - např. pepsin a trypsin) na peptidy. Ty jsou dále štěpeny peptidázami až na aminokyseliny, di- a tripeptidy. Ty již většinou prostupují volnou difúzí stěnou střeva do krevního oběhu.
Štěpení bílkovin I Žaludek
pepsinogen
HCl (pH 2-5)
pepsin
Duodenum – pankreatická šťáva
trypsinogen
enteropeptidasa
chymotrypsinogen
trypsin
trypsin
chymotrypsin
karboxypeptidasy Tenké střevo
dipeptidasy, aminopeptidasy 2.10.2009
31
Štěpení bílkovin II Endopeptidasy pepsin trypsin chymotrypsin
Exopeptidasy
AK AK AK AK AK AK AK AK AK AK AK AK
AK AK
aminopeptidasa
karboxypeptidasy aminopeptidasy
2.10.2009
AK AK AK AK AK AK AK
AK
AK
AK AK AK AK
AK AK AK AK AK
AK
AK AK AK
karboxypeptidasa
AK AK AK AK AK AK AK AK AK AK AK AK AK AK NH2 AK AK AK AK COOH AK AK AK AK AK 32
Odbourávání bílkovin v tkáních štěpení tkáňových bílkovin probíhá v buněčných organelách - lysozomech reakce katalyzují protázy kathepsiny rozklad na jednotlivé AMK - hotovost AMK - přestavba - odbourání (biodegradace)
a) glukogenní pyruvát, oxalacetát (syntéza glukózy) b) ketogenní acetylkoenzym A, acetoacetylkoenzym A (syntéza mastných kyselin) c) glukogenní i ketogenní
Měřené parametry celková bílkovina (směs bílkovin) albumin imunoglobuliny (A, G, M, E) transferin, ferritin ceruloplasmin C reaktivní protein aminokyseliny hormony, enzymy fibrinogen reaktanty akutní fáze 2.10.2009
34
Enzymy
Enzymy – slouží jako tzv. biokatalyzátory
Význam: chceme ze substrátu S získat produkt P S P a) reakce samovolně neprobíhá b) reakce probíhá rychle za současného uvolnění velkého množství energie (exploze) c) chci řídit, jaké množství substrátu se přemění d) substrát může být surovinou pro více produktů a potřebuji zvolit pouze jeden z nich
Zapojení enzymu S + E S-E P-E P + E
Enzymy bílkoviny nebo peptidy apoenzym (bílkovinná složka) + koenzym (nebílkovinová složka, např. vitamíny B) Funkce: koenzym se váže váže v blízkosti aktivního centra enzymu a účastní se katalyzované reakce
Specifičnost enzymové reakce
substrátová – enzym katalyzuje přeměnu pouze jednoho substrátu na produkt
funkční – enzym katalyzuje stejný typ reakce u podobných substrátů (např. lipáza katalyzuje hydrolýzu triacylglycerolů)
Enzymy
Názvosloví enzymů triviální (historické) – tripsin, pepsin obecně užívané – pojmenovává substrát a často typ přeměny – laktátdehydrogenáza, kreatinkináza, amyláza vědecké – klasifikace všech enzymů pomocí 4-místného čísla, které určuje typ reakce, koenzymu a substrátu např. LDH L-laktát: NAD+ oxidoreduktáza, EC 1.1.1.27 oxidoreduktázy, transferázy, hydrolázy, lyázy, isomerázy, ligázy (syntetázy)
Koncentrace enzymu
Katalytická koncentrace = množství substrátu přeměněného pomocí enzymu na produkt za časovou jednotku a) katal/l, μkat/l b) U/l, IU/l – mezinárodní jednotka 1 μkat/l = 60 IU/l hmotnostní koncentrace enzymu (mass) – g/l, μg/l
2.10.2009
40
Faktory ovlivňující aktivitu enzymu 1. 2. 3.
teplota (37o C) acidita (pH 7 - 8) aktivátory – umožňují nebo urychlují reakci (např. Ca2+ pro koagulační faktory)
4.
5.
inhibitory – zpomalují nebo zastavují enzymovou reakci a) struktura molekuly je podobná substrátu a obsadí část aktivních center (reakce je vratná) b) pevně se navážou na aktivní centra (Hg, Pb) koncentrace substrátu
Inhibitory
nekompetitivní
kompetitivní
Mechanismus enzymové katalýzy
KM = Michaelisova konstanta = taková koncentrace substrátu, při které rychlost enzymové reakce dosahuje ½ maximální rychlosti,
v – rychlost enzymové reakce S – koncentrace substrátu
v
[E] = konst.
KM 2.10.2009
[S] 43
Vyšetřované enzymy
aminotransferázy - AST, ALT – katalyzují přenos aminoskupiny NH2- z aminokyseliny na ketokyselinu a naopak alanin + 2-oxoglutarát pyruvát + glutamát aspartát + 2-oxoglutarát oxalacetát + glutamát
při poškození buněk přejdou enzymy v nich obsažené do krve a v laboratořích prokazujeme jejich zvýšenou aktivitu v plazmě nejčastěji vyšetřované enzymy: AST, ALT, GGT, CK, AMS, LPS, ALP, CHS
Děkuji Vám za pozornost a prosím o Vaše případné dotazy.
