15.11.2013
Metabolismus
Aminokyseliny, proteiny, enzymy Základy lékařské chemie a biochemie 2013/2014 Ing. Jarmila Krotká
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
Vlastnosti aminokyselin
Aminokyselina
organická sloučenina, která obsahuje současně na jednom atomu uhlíku (alfa) funkční aminoskupinu ((-NH2) a karboxylovou skupinu (-COOH)
amino skupina
základní projev života
karboxylová skupina
dipolární charakter = amfoterní látky - v závislosti na pH prostředí se mohou chovat a) jako kyseliny b) jako zásady
1
15.11.2013
Fyzikální vlastnosti aminokyselin jsou dobře rozpustné ve vodě (polární rozpouštědlo) - Amfiterní povaha umožňuje jejich separaci a identifikaci (elektroforéza, chromatografie) -
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
Dělení aminokyselin
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
Chemické vlastnosti aminokyselin
Esenciální AMK – organismus neumí vytvořit, musí se přijímat v potravě
Neesenciální AMK – organismus umí vytvořit z jiných AMK
Esenciální
Neesenciální Ala Asn Asp Cys Gln Glu Gly Pro Ser Tyr, Arg*, His*
Isoleucin Leucin Lysin Methionin Phenylalanin Threonin Tryptofan Valin
2
15.11.2013
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
α-ketokyselina
aminokyselina transaminace aminotransferázy
2.10.2009
14
Výměna AMK mezi orgány
Močovinový cyklus (Ornitinový cyklus)
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
Aminokyselinová hotovost
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
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
3
15.11.2013
Dědičné metabolické poruchy
screaning novorozenců
Fenylketonurie (fenylalanin) Nemoc javorového sirupu (leucin)
Peptidy
2.10.2009
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
19
Bílkoviny = proteiny
Peptidová vazba
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
4
15.11.2013
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.
Terciální struktura bílkovin
Nejčastějšími typy je struktura alfaalfa-helix (šroubovice) a betabetaskládaný list. Sekundární struktura závisí na fyzikálně chemických podmínkách prostředí, ve kterých se protein nachází (pH, iontová síla, přítomnost dalších látek).
Kvartérní struktura bílkovin
uspořádání jednotlivých polypeptidů u proteinů tvořených více polypeptidy (tzv. oligomerní proteiny)
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)
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
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, didi- a tripeptidy. Ty již většinou prostupují volnou difúzí stěnou střeva do krevního oběhu.
4. zajišťující pohyb – bílkoviny svalových vláken - aktin, myosin
Proteolýza
5. katalytické, řídící a regulační – enzymy – hormony
6. ochranné, obranné - imunoglobuliny – fibrin, fibrinogen - zamezení krvácení
5
15.11.2013
Štěpení bílkovin II
Štěpení bílkovin I Žaludek
pepsinogen
HCl (pH 2-5)
Endopeptidasy
pepsin
pepsin trypsin chymotrypsin
Duodenum – pankreatická šťáva
trypsinogen
enteropeptidasa
chymotrypsinogen
trypsin
trypsin chymotrypsin
Exopeptidasy
karboxypeptidasy
AK AK AK AK AK AK AK AK AK AK AK AK
dipeptidasy, aminopeptidasy 2.10.2009
31
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
AK AK
AK
AK
aminopeptidasa
karboxypeptidasy aminopeptidasy
Tenké střevo
AK AK AKAK 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
2.10.2009
32
Měřené parametry celková bílkovina (směs bílkovin) albumin imunoglobuliny imuno globuliny (A, G, M, E) E) transferin, ferritin ceruloplasmin C reaktivní protein aminokyseliny hormony, enzymy fibrinogen reaktanty akutní fáze 2.10.2009
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
34
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
6
15.11.2013
Enzymy
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)
Koncentrace enzymu
Názvosloví enzymů
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
triviální (historické) – tripsin, pepsin obecně užívané – pojmenovává substrát a často typ přeměny – laktátdehydrogen laktátdehydrogenáza áza,, kreatinkináza kreatinkin áza,, amyláza amyláza vědecké – klasifikace všech enzymů pomocí 4-místného čísla, které určuje typ reakce, koenzymu a substrátu např. LDH LL-laktát: NAD+ oxidoreduktáza, EC 1.1.1.27 oxidoreduktázy, transferázy, hydrolázy, lyázy, isomerázy, ligázy (syntetázy)
2.10.2009
Inhibitory
Faktory ovlivňující aktivitu enzymu 1. 2. 3.
teplota (37o C) acidita (pH 7 - 8) aktivátory – umožňují nebo urychlují reakci
40
nekompetitivní
kompetitivní
(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
7
15.11.2013
Mechanismus enzymové katalýzy
Vyšetřované enzymy
KM = Michaelisova konstanta = taková koncentrace substrátu, při které rychlost enzymové reakce dosahuje ½ maximální rychlosti, v – rychlost enzymové reakce S – koncentrace substrátu
aminotransferázy - AST, ALT – katalyzují přenos aminoskupiny NH2- z aminokyseliny na ketokyselinu a naopak alanin + 22-oxoglutarát pyruvát + glutamát aspartát + 2-oxoglutarát oxalacetát + glutamát
v
[E] = konst.
KM 2.10.2009
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
[S] 43
Děkuji Vám za pozornost a prosím o Vaše případné dotazy.
8
