Proteiny globulární a vláknité a jejich funkce Metabolismus aminokyselin
Funkce globulárních proteinů • Skladování iontů a molekul – myoglobin, ferritin • Transport iontů a molekul – hemoglobin, serotoninový transporter • Obrana před patogeny – protilátky, cytokiny • Svalové kontrakce – actin, myosin • Biologická katalýza - enzymy – chymotrypsin, lysozy
Příkad funkce globulárních proteinů Myoglobin • jediný polypeptid • skladování kyslíku v tkáních, svalech Hemoglobin • tetramer dvou alfa a dvou beta podjednotek • transportuje kyslík z plic do tkání
Vazba ligandů • Vazba - reversibilní, přechodný proces s chemickou rovnováhou: A + B AB • Molekula, ktetá se váže se nazývá ligand (typicky malá molekula)
• Místo, kam se ligand váže se nazývá vazebné místo • Ligandy se váží nevazebnými interakcemi, které umožňují přechodnou vazbu ligandu
Funkce myoglobinu • Organismus potřebuje skladovat kyslík • Obecně vedlejší řetězce aminokyselin nemají možnost vázat O2 • Hem - Fe2+ může být ve volném hemu oxidováno na Fe3+ • V hemu vázanému k proteinu je železo chráněno před oxidací vazbou na histidin • U savců je myoglobin určený ke skladování kyslíku
Struktura porfirinu a hemu
Struktura myoglobinu
Vazba oxidu uhelnatého • CO má podobnou velikost a strukturu jako O2, a tak se může vázat do vazebného místa kyslíku • CO se váže k hemu přes 20,000 x lépe než O2 protože uhlík z CO může poskytnout jeden elektronový pár do prázdného d-orbitalu železa Fe2+ • Proteinová kapsa snižuje afinitu CO k proteinu, nicméně stále má CO asi 250 x vyšší afinitu k proteinu než kyslík • CO je vysoce toxický tím, že kompetuje s kyslíkem. Blokuje funkci myoglobinu, hemoglobinu a mitochondriálních cytochromů účastnících se oxidativní fosforylace
Vazebné místo O2 a CO v hemoglobinu a myoglobinu
Myoglobin nemůže fungovat jako dobrý O2 transporter • pO2 v plicích je asi 13 kPa: kyslík se dobře váže • pO2 v tkáních je jen 4 kPa: kyslík se neuvolní
q afinita kyslíku k proteinu
Obyčejné snížení afinity pomůže, ale není to ideální řešení
Spolupráce více vazebných míst je řešení problému
změna afinity po vazbě ligandu
Pro efektivní transport
Affinita se mění po vazbě ligandu • pO2 v plicích je přibližně 13 kPa: účinná vazba kyslíku • pO2 v tkáních je přibližně 4 kPa: uvolní se asi polovina kyslíku (při pH pH 7,6)
Jak se mění afinita ke kyslíku? • Proteinn s více vazebnými místy • Vazebná místa mezi sebou musí interagovat
• To se nazývá kooperativní vazba (cooperativity) Pozitivní kooperativní vazba je charakterizována sigmoidní vazebnou křivkou
Hemoglobin • Hemoglobin je tetramer dvou různých podjednotek (a2b2) • Podjednotky jsou podobné myoglobinu - každá váže jeden hem
Hemoglobin Vazebná místa spolu musí interagovat
Interakce podjednotek: detail Vazebná místa spolu musí interagovat
Příklady některých interakcí
Interakce mezi podjednotkami ale i v rámci jedné pojednotky
Konformační změna indukovaná vazbou kyslíku na hem
Hemoglobin je alosterický protein • alosterické proteiny mění svou aktivitu v závislosti na změně své konformace
Hemoglobin – dva afinitní stavy indukované vazbou ligandu
Molekulární nemoci u hemoglobinu
Srpková anemie • Mutace Glu na Val na pozici 6 v beta řetězci • Náhrada Glu za Val tvoří hydrofobní prostředí na povrchu • Hemoglobin tak agreguje a deformuje tvar krvinek
Funkce vláknitých proteinů • Strukturní funkce - kolagen, keratin, fibroin
Vláknité proteiny: od struktury k funkci Function
Structure
Example
Tough, rigid, hard (nails, horns)
Cross-linked a-helixes Rigid linker (S—S)
a-keratin
Tensile strength, non-stretching (tendons, cartilage)
Cross-linked triple-helixes Flexible linker (Lys-HyLys)
Collagen
Soft, flexible non-stretchy (egg sac, nest, web)
Non-covalently held b-sheets van der Waals interaction
Silk fibroin
Struktura a-keratinu
Struktura a-keratinu ve vlasech
Chemie vlasové trvalé
Struktura kolagenu • Kolagen je důležitá součást pojivových tkání: šlachy, chrupavky, rohovka, krycí blány orgánů ... • Základní vlákno bohaté na Gly-, Pro- a Lys- tvoří levotočivou šroubovici • Tři vlákna tvoří vyšší strukturu pravotočivé trojsuperšroubovice (triple helix) • Trojitá šroubovice má vyšší pevnost v tahu než ocel (vztaženo na průřez) • Množství trojitých šroubovic se skládají do kolagenových vláken
4-hydroxyprolin v kolagenu • Vnucuje prolinu výhodnější pozici pro sbalení proteinu • Zvyšuje množství možných vodíkových vazeb mezi jednotlivými vlákny • Post-translační modifikace katalyzována prolyl hydroxylázou – nutný vitamin C • Podobnou funkci má v kolagenu i 5-hydroxylysin
Fibroin z hedvábí • Fibroin je hlavním proteinem v hedvábí nebo pavučinách • Antiparalelní b skládaný list • Malé vedlejší řetězce aminokyselin (Ala a Gly) dovolují těsnější sbalení jednotlivých listů • Struktura je stabilizována – vodíkovými vazbami uvnitř listů
– Londonými dispersními silami mezi listy
Metabolismus aminokyselin
Katabolismus
Oxidace jako zdroj energie • Karnivoři získávají bezprostředně po krmení okolo 90% energie z aminokyselin • U herbivorů je jen malá část energie získávána z aminokyselin • Mikroorganismy mohou aminokyseliny jako zdroj energie získávat ze svého okolí • Rostliny jen velmi zřídka oxidují aminokysleiny jako zdroj energie, pouze pro metabolické účely
Podmínky, za kterých se metabolisují aminokyseliny Aminokyseliny podléhají oxidativnímu katabolismu za třech situacích: – Aminokysleiny zbylé po normální výměně proteinů a jejich degradaci – Aminokyseliny z potravy zbývající po syntéze proteinů – Aminokyseliny z degradovaných proteinů v případě nedostatku cukrů (hladovění, diabetes mellitus)
Enzymatická hydrolýza proteinů z potravy • Pepsin štípe v žaludku proteiny na peptidy
• Trypsin a chymotrypsin štípe v tenkém střevě proteiny a vetší peptidy na krátké peptidové řetězce • Aminopeptidázy a carboxypeptidázy degradují v tenkém střevě peptidy na aminokyseliny
Enzymatická hydrolýza proteinů z potravy
Přehled katabolismu aminokyselin
Osud dusíku v organismech • Rostliny recyklují téměř veškerý svůj dusík • Vodní obratlovci uvolňují do prostředí dusík ve formě amoniaku – Pasivní difúze přes buňky epitelu – Aktivní transport přes žábry
• Ostatní obratlovci a žraloci uvolňují dusík ve formě močoviny – Močovina je méně toxická než amoniak – Močovina je dobře rozpustná
• Někteří živočicové – ptáci, ještěři, plazi – uvolňují dusík v močové kyselině – Močová kyselina je málo rozpustná – Vylučování tak šetří vodu (zárodky ve vajíčku)
• Lidé a lidoopi uvolňují dusík ve formě močoviny (z aminokyselin) a močové kyseliny (z purinů)
Formy vylučovaného dusíku
První je z aminokyseliny odstraněna aminoskupina • Enzymatická transaminace • Primárním příjemcem aminu je a-ketoglutarát za vzniku glutamátu
• Glutamin funguje k přechodnému uskladnění nadbytečného dusíku
Amomiak z glutamátu je metabolizován v mitochondriích
Dusík vstupuje do močovinového cyklu přes karbamoylfosfát Dusík vstupuje do mitochondrie jako součást glutaminu nebo glutamátu Amoniak reaguje s CO2 (HCO3-) za vziku karbamoylfofátu a s oxalacetátem za vzniku aspartátu
První dusík z vstupuje do močovinového cyklu reakcí karbamoylfosfátu s ornithinem Druhý dusík vstupuje do močovinového cyklu reakcí asptátu s citrulinem Močovinový cyklus má čtyři reakce
Reakce močovinového cyklu
Aspartát – Arginosukcinát spojuje močovinový a citrátový cyklus
Cesty degradace jednotlivých aminokyslein
Ketogenní • Sedm na acetyl-CoA – Leu, Ile, Thr, Lys, Phe, Tyr, Trp
Glukogenní • Šest na pyruvát – Ala, Cys, Gly, Ser, Thr, Trp
• Pět naa-ketoglutarát – Arg, Glu, Gln, His, Pro
• Čtyři na sukcinyl-CoA – Ile, Met, Thr, Val
• Dvě na fumarát – Phe, Tyr
• Dvě na oxalacetát – Asp, Asn
Přehled katabolismu aminokyselin
Biosyntéza aminokyselin
Přehled biosyntézy aminokyselin
Skupiny aminokyselin podle metabolických prekurzorů
Esenciální aminokyseliny pro lidi Musí být dodány v potravě
Co musím znát • Jak jsou proteiny tráveny zvířaty • Aminokyseliny jako důležitý zdroj energie u některých organismů (masožravci) • Forma metabolismu dusíku u různých organismů
• Transfer amoniaku na a-ketoglutarat a vznik a úloha glutamátu a glutaminu • Vznik močoviny • Vstup amoniaku do močovinového cyklu • Katabolismus aminokyselin na šest různých intermediátů
• Aminokyseliny Glukogenní a Ketogenní • Syntéza aminokyselin
