N 208

Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad Labem Přírodovědecká fakulta

BIOCHEMIE KCH / N 208 Nguyễn Thị Thu Hương Ústí nad Labem 2013

Obor: Chemie

Klíčová slova: biochemie, aminokyselina, protein, blkovina, sacharid, lipid, biomembrána, biokatalýza, enzym, metabolismus

Projekt „Mezioborové vazby a podpora praxe v přírodovědných a technických studijních programech UJEP“ Registrační číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/28.0296 Tento projekt byl podpořen z Evropského sociálního fondu a státního rozpočtu České republiky.

Biochemie LITERATURA: 1. 2. 3. 4. 5.

Vodrážka Z.: Biochemie. Academia, Praha 1996. Voet D., Voetová J. G.: Biochemie. Victoria publishing, Praha 1995. Šípal Z.: Biochemie. SPN, Praha 1992. Němečková A. a kol.: Lékařská chemie a biochemie. Avicenum 1990. Musil J.: Biochemie v obrazech a ve schématech. Avicenum 1992.

Molekulová organizace buňky BUŇKA ↑ organel (jádro, mitochondrie, chloroplasty atd.) ↑ nadmolekulové struktury (megamolekuly, supermolekuly): Mr 10 až 10 (kontraktilní systémy, chromatin, ribosomy, enzymové komplexy, biomembrány apod.) ↑ biomakromolekuly (biopolymery): Mr 103 až 106 6

9

(bílkoviny, nukleové kyseliny, polysacharidy a lipidy)

↑ stavební jednotky: organické látky o Mr 100 až 350

(nukleotidy, monosacharidy, aminokyseliny, mastné kyseliny)

↑ základní prekursory: CO2, H2O, NH3, N2 a SO2

Biopolymery Bílkoviny: složeny z α-aminokyselin, tvoří 50-80 % sušiny organismů, mají funkce stavební, podpůrné, transportní, katalytické, vysoce specializované funkce (enzymy, hormony, protilátky a další).

Nukleové kyseliny: složeny z nukleotidů, mají funkce skladování, přenosu a zpracování biologické (genetické) informace (DNA a RNA).

Sacharidy: slouží jako zdroj a skladování energie (glykogen, škrob), stavební materiál (celulosa, chitin), stavební jednotky NA (D-ribosa a 2-deoxy-D-ribosa).

Lipidy: estery vyšších mastných kyselin a alkoholů nebo jejich derivátů, slouží jako zdroj a zásobná forma energie (triacylglyceroly), stavební prvky biomembrán (polární lipidy).

Konečné produkty a meziprodukty látkové přeměny: aminokyseliny, jednoduché cukry, nukleotidy, vitaminy…

Hlavní úlohy biomolekul v organismu Stavební:hlavně některé bílkoviny, a anorganické látky, v rostlinné říši je celulosa, pro výstavbu biomembrán polární lipidy.

Provozní:sacharidy, lipidy jako zdroj energie Zásobní:zásobu energie pro případ pozdější potřeby tvoří např. škrob a tuk v semenech, sacharosa v řepné bulvě, glykogen v živočišném svalu.

Řídící: enzymy, hormony, různé nukleové kyseliny a některé soli

Aminokyseliny - struktura Přírodní aminokyseliny jsou většinou α-aminokyseliny, obsahují asymetrický atom uhlík Cα (s výjimkou glycinu), existují ve dvou enantiomerních konfiguracích: D- a L-konfigurace

Fischerovy vzorce O

O

+ H3N C* H

-

O

O

H

+ C* NH3

R

R

L-aminokyselina

D-aminokyselina

Proteinogenní aminokyseliny Glycin

O

-

O

+ H3N

H H

Prolin

O

-

H2N

+

Nemá postranní řetězec. Zaujímá nejmenší prostor - důležité pro budování prostorových struktur bílkovin. Řada strukturních bílkovin (kolageny, bílkoviny hedvábí a vlny) obsahuje významné množství glycinu.

O • Má rigidní cyklickou strukturu • Dává vznik rigiditě a změně směru ve kterém se buduje páteř polypeptidového řetězce. • Má důležitou úlohu při formování prostorových struktur proteinů.

Proteinogenní aminokyseliny alanin, valin, leucin, isoleucin -CH3 -CH(CH3)2 -CH2CH(CH3)2 -CH(CH3)CH 2CH3 -CH2CH2SCH3

alanin valin * leucin * isoleucin * methionin *

O

-

O

+ H3N

H R

fenylalanin, tryptofan -CH2C6H5

fenylalanin * tryptofan

mají alifatické a aromatické postranní řetězce

CH2 N H

zdroj hydrofobních interakcí

Proteinogenní aminokyseliny O

serin, methionin, cystein, tyrosin -CH2OH -CH(OH)CH3 -CH2SH -CH2C6H4-OH

serin threonin* cystein tyrosin

-

O

+ H3N

H R

Přispívají k hydrofilním vlastnostem bílkovin. Uplatňují se v řadě biochemických reakcí díky schopnostem vytvářet vodíkové vazby a také jako nukleofil. cystein umožňuje vytváření příčných disulfidových vazeb R-SH + HS-R → R-S-S-R

Proteinogenní aminokyseliny

O

-

O

+ H3N

H R

asparagin a glutamin -CH2CONH2

asparagin

-CH2CH2CONH2

glutamin

Jsou neutrální a nereaktivní Mohou vytvářet vodíkové vazby. Prostřednictvím asparaginu jsou v glykoproteinech často vázány sacharidové složky. Ve volné formě jsou letentní zásobou aminoskupin v organismu

Proteinogenní aminokyseliny

O

-

O

+ H3N

H R

asparagová a glutamová kyselina -CH2COO-

asparagová k.

-CH2CH2COO- glutamová k.

Mají záporný náboj - zdroj elektrostatických interakcí. Ve volné formě se účastní přenosu aminoskupin v organismu. Glutamát působí excitačně na přenos informací mezi nervovými buňkami.

Proteinogenní aminokyseliny Arginin, lysin, histidin -(CH2)3NHC=NH2+  NH2 -(CH2)4NH3+ H + N

CH2 N H

O

histidin*

O

+ H3N

je nejsilnější organická base, arginin* srovnatelná s basicitou hydroxidu sodného.

lysin*

-

H R

obsahuje velmi reaktivní aminoskupinu vázanou na flexibilní čtyřuhlíkatý řetězec. Účastní se velké řady reakcí bílkovin. má pK postranního řetězce blízké fysiologickému pH. Může proto simultánně přijímat protony i poskytovat je jiným látkám, a tak fungovat jako součást nábojové štafety (angl. Charge relay system). Imidazolový kruh je současně dobrým nukleofilem.

Peptidy

Peptidová vazba • V organismu probíhá specifické hydrolytické štěpení peptidových vazeb určitých aminokyselin působením enzymů. • V silně kyselém i v alkalickém prostředí se snadno hydrolyticky štěpí, v neutrálním prostředí jsou relativně stálé.

Peptidy - Přírodní peptidy SH

Rozšířené didi- a tripeptidy: Glutathion (γγ-glutamylcysteinylglycin):

O O

O

O NH

-

NH +

NH3

O

-

O

Nejznámější a nejrozšířenější Výskyt: Je přítomen ve většině buněk, prvně byl isolován z droždí (1921). Funkce: oxidoredukční systém (E0´= -0,25 V): G-SH + HS-G = G-S-S-G + 2 e- + 2 H+ • Chrání volné thiolové skupiny bílkovin, udržuje určitý redoxpotenciál v buňkách, podílí se na detoxikaci volných radikálů a peroxidů. • Působí v metabolismu a transportu a tvoří reservu thiolových skupin. • Váže a odstraňuje těžké kovy a organické elektrofilní sloučeniny.

Peptidy - Přírodní peptidy Homony povahy peptidů a bílkovin: Insulin: reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu v játrech.

Peptidy - Přírodní peptidy Homony povahy peptidů a bílkovin: Insulin: reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu v játrech.

Oxytocin: způsobuje kontrakci hladkého svalstva Vasopresin: zvyšuje krevní tlak působením na artérie a zvýšením resorpce vody v ledvinách . H N

2

Gly

Leu

oxytocin

Pro

Pro

Cys

S

Asn Glu

S

Cys

Ile Tyr

H

H N

2

Gly

Arg

vasopresin

Pro

Pro

Cys

S

Asn Glu

S

Cys

PheTyr

H

Peptidy - Přírodní peptidy Peptidová antibiotika: antibiotika-látky nejrůznějších struktur. Peptidová antibiotika obsahují často nekódované aminokyseliny včetně D-enantiomerů a mají často cyklické struktury. Jsou proto toxická a resistentní vůči enzymům normálních buněk, např.

peniciliny

cystein

R

D-valin

NH

S

CH3

O N

CH3

O O O

-

Peptidy - Přírodní peptidy Peptidové neuromodulátory: Jsou látky modulující účinek chemických přenašečů nervového vzruchu, např. endorfin: tlumí pocit bolesti.

Peptidové zootoxiny a fytotoxiny: neurotoxiny hadů a štírů, jedovaté cyklické peptidy muchomůrky zelené falloidiny a amanitiny.

Struktura proteinů Nekovalentní (slabé) interakce mezi jednotlivými částmi makromolekuly umožňují vytvářet celkový dostatečně rigidní tvar pro optimální prostorové orientace, ale zároveň dostatečně flexibilní pro dynamické změny konformace v průběhu biochemických reakcí. Pro popis struktury proteinů proto používáme několik úrovní podle řádu jejich organizace: Primární struktura: úroveň konstituce a konfigurace, je dána pořadím aminokyselin v peptidovém řetězci. Sekundární struktura: spojování sousedních nebo blízkých monomerních jednotek peptidového řetězce bez ohledu na jeho postranní řetězce nekovalentními vazbami (nejčastěji vodíkovými vazbami) ve pravidelných organizovaných úsecích. Terciární struktura: sbalení jednotlivých úseků o dané sekundární struktuře v bizardních kompaktních útvarech kombinací různých typů slabých interakcí. Kvartérní struktura: prostorové uspořádání několika nebo mnoha molekulových podjednotek do symetrického útvaru (molekulový oligomer, nadmolekulová struktura).

Struktura proteinů Kovalentní (primární) struktura proteinů a její určování Primární struktura proteinů je určena sledem zbytků α-aminokyselin v peptidovém řetězci. V proteinech se pravidelně vyskytuje jen 20 tzv. proteinogenních (kódovaných) aminokyselin. Proč? Tento fakt souvisí s mechanismem biosynthesy proteinů. Pro vbudování (inkorporaci) aminokyselin do molekuly bílkovin jsou nutné specifické mechanismy, které se v průběhu prebiologického vývoje živé hmoty vytvořily a stabilizovaly právě jen pro těchto 20 aminokyselin. V některých bílkovinách se vyskytují i zbytky jiných aminokyselin, ty však vznikají vždy teprve biochemickou transformací některé z proteinogenních aminokyselin po její inkorporaci do peptidového řetězce.

Proteiny

Svinutí polypeptidového řetězce

Proteiny

Vznik prostorové struktury (svinutí) 1. Všechny informace pro svinování polypeptidového řetězce jsou dány primární strukturou. 2. Nativní konformace odpovídá minimu Gibbsovy energie. 3. Svinutí je kineticky kontrolovaný mnohostupňový proces již při proteosyntéze. 4. Svinutí je postupný proces. 1. Vznik pravidelné sekundární struktury 2. Vznik supersekundární struktury 3. Formování strukturní domény 4. Tvorba terciární struktury o maximální stabilitě a maximální hustotě těsnání (jako v krystalu)

Struktura proteinů Prostorová struktura proteinů: Sekundární struktura Stabilizace určité sekundární struktury je vyvolána tvorbou vodíkových vazeb mezi kyslíkem karbonylu a skupinou –NH- peptidového seskupení vzdálenějších částí téhož řetězce nebo různých peptidových řetězců. Jsou dva základní typy sekundární struktury: šroubovice (helix) a struktura skládaného listu

Struktura proteinů Prostorová struktura proteinů: Sekundární struktura

α-šroubovice (α-helixy): Chirální pravotočivá αšroubovice, na jeden závit připadá 3,6 aminokyselinového zbytku. Vodíkové vazby jsou v tomto modelu prakticky paralelní s osou šroubovice.

pravotočivý helix

3 / 0,6 nm

3,6 / 0,54 nm

4,4 / 0,52 nm

Struktura proteinů Prostorová struktura proteinů: Sekundární struktura

β-struktura (β-hřeben, struktura skládaného listu): vzájemné propojení mezi dvěma peptidovými řetězci probíhajícími paralelně nebo antiparaleně.

Struktura proteinů Typ stavby molekul proteinů – Terciární a kvarterní struktura

1) Fibrilární proteiny

2) Globulární proteiny

Struktura proteinů Prostorová struktura fibrilárních proteinů Makroskopická a molekolová struktura vlasu Příklad struktury helixu Protofibrila α-keratinu se skládá ze dvou páru těsně spojených nadšroubovic (superhelix), které jsou svinuty v levotočivou šroubovici). α-Keratin je bohatý na cysteinové zbytky, které spojují příčnými vazbami sousední polypeptidové řetězce, jsou proto nerozpustné a pevné v ohybu. Disulfidové vazby lze redukčně štěpit a znovu oxidačně obnovit v nové „nakadeřené“ konformaci.

Struktura proteinů Prostorová struktura fibrilárních proteinů Fibroin z hedvábí - Příklad struktury skládaného listu Polypeptidové řetězce fibroinu tvoří antiparalelní β-struktury a jsou souběžné s osou vlákna. Vlákna hedvábí jsou silná, ale pouze mírně roztažitelná

Globulární proteiny - Terciární struktura Globulární proteiny obsahují α-helixy i β-struktury. Postranní řetězce jsou rozmístěny v prostoru podle svých polarit. Vnitřek molekul globulárních proteinů je kompaktně uspořádán jako organické krystaly. Velké polypeptidové řetězce tvoří domény.

Terciární struktura Velké polypeptidové řetězce tvoří domény. Větší bílkoviny svinuty do více globulárních shluků - domény. Většina domén se skládá ze 100 až 200 aminokyselinových zbytků. Domény jsou strukturně nezávislé jednotky, které mají všechny charaktery malých globulárních proteinů.

Stabilita proteinů: Slabé interakce Nativní proteiny za fyziologických podmínek pouze velmi málo stabilní jednotky. Struktura proteinu je výsledkem jemné rovnováhy mezi slabými (nevazebnými) interakcemi: 1. Elektrostatické síly: - iontové interakce, - interakce dipól-dipól (Van der Waalosovy interakce, Londonovy disperzní síly) 2. Vodíkové vazby 3. Hydrofobní interakce 4. Disulfidové vazby

Globulární proteiny - Kvarterní struktura Mnohé globulární proteiny (většina intracelulárních proteinů) se skládají z několika polypeptidových řetězců. Tyto polypeptidové podjednotky asociují specifickým způsobem. Prostorové uspořádání podjednotek je známo jako kvartérní struktura.

Důvody: •Poruchy lze jednoduše opravit nahrazením poškozené podjednotky. •Místo výstavby podjednotky může být odlišné od místa stavby konečné struktury. •Genetická informace, nezbytná ke specifikaci celé stavby, jen určuje několik odlišných samopořádacích podjednotek. •V případě enzymů tato struktura umožňuje regulaci jejich aktivity.

Interakce podjednotek

Výrazným strukturním rysem je ”komplementarita” uspořádání funkčních skupin na povrchu podjednotek, umožňující spojení mezi nimi a asociaci do komplexní stabilní makromolekuly (multimeru).

Symetrie proteinů Proteiny s identickými podjednotkami se nazývají oligomery a tyto identické podjednotky protomery. Symetrie proteinů: • Ve většině oligomerních proteinů jsou protomery uspořádány symetricky. • Proteiny však nemohou mít inverzní nebo zrcadlovou symetrii, protože při takové symetrii se převádějí chirální zbytky řady L na zbytky řady D. • Proteiny mají proto pouze rotační symetrii: cyklická, di-, tetra-, okta-... edrální, a helikální symetrii.

Cyklická symetrie

Diedrální symetrie

Tetraedrální, oktaedrální, eikosaedrální symetrie

Helikální symetrie

Fyzikálně chemické vlastnosti Rozpustnost globulárních proteinů • Bílkovina obsahuje polární “páteř” peptidových vazeb ⇒ nejsou rozpustné v nepolárních rozpouštědlech. • Vysoký obsah nepolárních aminokyselinových zbytků však snižuje jejich rozpustnost v polárních rozpouštědlech a umožňuje vazbu na lipidové struktury např. v biologických membránách. Ve vodě rozpustné bílkoviny: Albuminy jsou bílkoviny, jejichž polární povrch je silně hydratován, a rozpouštějí se proto ve vodě i v nepřítomnosti jiných látek. Funkce mobilních rezerv aminokyselin: složky krevní plazmy (sérumalbumin), mléka (laktalbumin), vaječného bílku (ovalbumin) aj. Globuliny v čisté vodě nerozpouští, a přechází do roztoku teprve v přítomnosti solí.

Elektrochemické vlastnosti • Bílkoviny jsou amfolyty, jejichž iontová forma závisí na pH. • Elektrochemické vlastnosti bílkovin závisejí na její konformaci a velmi silně se mění denaturací. Izoiontový (izoionický) bod: pH, při němž má bílkovina stejný počet kladných i záporných nábojů v nepřítomnosti solí

Klasifikace bílkovin

– Podle fyzikálních vlastností – Podle chemického složení – Podle biologických funkcí

Klasifikace proteinů Z fyzikálních hlediska Klasifikace podle fysikálních vlastností, a to tvar molekuly a rozpustnost. Podle celkového hrubého tvaru lze rozdělit na bílkoviny fibrilární (vláknité) a globulární (sféroproteiny). Podle rozpustnosti ve vodě můžeme dělit bílkoviny na nerozpustné (většina fibrilárních bílkovin, zvaných skleroproteiny a globulární bílkovin obilních zrn gluteliny a prolaminy) a rozpustné (globulární bílkoviny rozpustné v čisté vodě zvané albuminy a silně bazické histony a bílkoviny rozpustné jen ve zředěných roztocích solí, které označujeme jako globuliny).

Klasifikace proteinů Z chemického hlediska

Jednoduché bílkoviny jsou spíše výjimkou. Složené bílkoviny Podle současných představ jsou nepeptidové složky pravidelnou součástí převážné většiny bílkovin. Přehled nejběžnějších tříd složených bílkovin Třída fosfoproteiny nukleoproteiny lipoproteiny glykoproteiny chemoproteiny

metaloproteiny

Prostetická skupina

Příklad

fosforylová nukleové kyseliny, nukleotidy lipidy, cholesterol

kaseiny (mléko) vitelin (žloutek)

sacharidy barevná hem deriváty riboflavinu

imunoglobuliny, chrupavky hemoglobin, cytochromy, flavinové enzymy, pigmenty kůže, vlasů hemoglobin, transferin, ceruloplasmin, enzym alkoholdehydrogenasa

ionty kovů

ribozomy, chromatin, viry lipoproteiny krevního séra, membrán a nervové tkáně

Klasifikace proteinů Z biologického hlediska Bílkoviny základního metabolismu. Jsou přítomné ve všech nebo alespoň ve velké skupině organismů a mají přímý význam pro existenci buňky. Patří sem především enzymy katalysující reakce základních metabolických drah a podílející se na procesu kopírování a zpracovávání genetické informace, dále strukturní bílkoviny cytoskeletonu buněk, chromatinu a biomembrán a různé bílkovinné faktory. Bílkoviny specialisovaných buněk. Vyskytují se omezeně v některých typech buněk určitých organismů a samy nemají přímý význam pro existenci buněk, které je vyrábějí, ačkoliv mohou mít často životně důležité funkce pro celý organismus.

Biologické funkce Realizace biologických funkcí proteinů Přes značnou rozličnost biologických funkcí bílkovin mají tyto funkce mnoho společného: • Vlastní funkci vesměs zajišťuje jen omezená oblast bílkovinné molekuly nazývaná aktivní centrum. Sestává z jedné nebo několika funkčních domén. • Úvodním krokem je vždy těsný kontakt bílkoviny s reakčním partnerem (např. enzymu se substrátem, protilátky s cizorodným agens, signální bílkoviny s receptorem), který většinou vede k jejich vzájemnému spojení serií nekovalentních vazeb; dochází k specifickému rozpoznání. • Neaktivní část molekuly není pasivní nosič reaktivní oblasti, ale vytváří vhodné prostředí, reguluje aktivitu reaktivní oblasti apod.

Realizace biologických funkcí proteinů Za základní funkci bílkovin lze označit rozlišování a vazbu jiných látek. Důležitou úlohu přitom většinou mají specifické konformační změny. Shrnutí významu jednotlivých úrovní molekulové organizace bílkovin pro jejich biologickou aktivitu: kovalentní struktura prostřednictvím aminokyselinových zbytků, z nichž je případně ze účasti prosthetické skupiny zbudována aktivní oblast molekuly, určuje charakter biologické aktivity; sekundární a terciální struktura zaručuje specifitu (aktivní oblast se stává dostupnou jen molekulám vhodné struktury); kvartérní struktura umožňuje vnitromolekulovou regulaci biologické aktivity.

Biologické funkce bílkovin – – – – – – – –

Strukturní Katalytické Transportní Zásobní Pohybové Ochranné Signální Receptorové

Biologické funkce Strukturní proteiny Funkce: Poskytuje mechanickou oporu buňkám a tkáním. Příklady: Kolageny: Jsou hlavní vláknitou složkou kůže, kostí, šlach, chrupavek, cévních stěn a zubů. Dále tvoří kontinuum spojující buňky do tkání a jsou též stavebním materiálem některých membrán; jsou proto přítomné prakticky ve všech tkáních a orgánech. Zahříváním roztoku kolagenu dochází při tepelné denaturaci rozpadu helikální struktury a vzniká želatina s neuspořádanou konformací. Elastin:Tvoří podstatnou část pružných tkání (stěny artérií, hlasivky, vazy obratlů). Keratiny: Jsou nejhojněji zastoupenou složkou vnější vrstvy kůže, vlasů, srsti, rohů, peří a nehtů.

Biologické funkce Enzymy Funkce: Katalýza rozpadu a tvorby kovalentních vazeb. Živé buňky obsahují tisíce různých enzymů, z nich každý katalyzuje jednu určitou reakci. 1. Oxidoreduktasy: katalyzují přenos atomu vodíku, přenos elektronů, vestavění atomu kyslíku do substrátu. 2. Transferasy: katalyzují přenos skupin (-CH3, -NH2, zbytek glukosy apod.). 3. Hydrolasy: katalyzují hydrolytické štěpení vazby např. amidové, esterové. 4. Lyasy: katalysují (energeticky nenáročné) nehydrolické štěpení a vznik vazeb C-C, C-O, C-N,... bez pomocí dalšího reaktantu. 5. Isomerasy: katalysují vnitromolekulové přesuny atomů a jejich skupin, tedy vzájemné přeměny isomerů. 6. Ligasy: Katalysují vznik energeticky náročných vazeb s pomocí dalšího reaktantu uvolňujícího energii, např. ATP.

Biologické funkce Transportní proteiny Funkce: Přenáší malé molekuly a iont Příklad: Hemoglobin: zbudován ze čtyř

podjednotek - α2β2

je transportem O2 z plic do tkání, dále i H+ a CO2. jedna molekula hemoglobinu je schopna vázat čtyři molekuly kyslíku. Myoglobin: váže a skladuje kyslík v kosterních svalech.

Hemoglobin a Myoglobin mají rozdílnou funkci – jiné vazebné schopnosti.

Biologické funkce Zásobní proteiny Funkce: skladuje malé molekuly nebo ionty. Příklady: Bílkoviny skladovací aminokyselin: ovalbumin ve vejcích, kasein v mléce, legumin v luštěninách, gliadin a zein v obilných zrnech. Bílkovina ke skladování iontů železa: ferritin ve slezině. Bílkovina ke skladování kyslíku: myoglobin Význam bílkovinné makromolekuly pro depotní funkci spočívá v tom, že se při zachování hmotnosti koncentrace depotní látky sníží jeho molekulární koncentraci a tedy i jeho osmotický tlak. Tohoto principu se v živé hmotě užívá obecně pro skladování nízkomolekulárních látek.

Biologické funkce Pohybové proteiny Funkce: Je průvodcem pohybu buněk a tkání. Příklady: Svalové vlákno obsahuje dvě základní svalové bílkoviny – myosin a aktin, dalšími složkami jsou troponin a tropomyosin. Proces kontrakce svalu zahrnuje interakci všech těchto čtyř bílkovin za regulace ionty Ca2+. Tyto speciální skupiny bílkovin vykonávají mechanochemické funkce: přeměňují chemickou energii na mechanickou práci.

Biologické funkce Imunoglobuliny a Proteiny s ochrannou funkcí Imunoglobuliny (protilátky) a imunitní systém: rozeznávají cizorodé struktury od vlastních, zneškodní a vyloučí tyto cizí struktury z organismu a vytvoří imunologické paměti, tj. schopnost urychlené odpovědi při opětovném setkání s danou cizí strukturou. Funkce ochranné: Např. srážení krve - přeměna fibrinogenu, rozpustné bílkoviny krevní plasmy, na nerozpustný fibrin. Poranění organismu vyvolá kaskádovitou aktivaci řady faktorů bílkovinné povahy: aktivace jednoho faktoru katalyzuje aktivaci faktoru následujícího. Účastní se více než 10 různých bílkovin krevní plasmy, vitamin K a ionty Ca2+.

Biologické funkce Signální protein a Receptorový protein Signální proteiny Funkce: Přenáší informační signály z buňky do buňky Příklady: mnoho hormonů, růstových faktorů, neuromodulátorů jsou proteiny Receptorový proteiny Funkce: V buňkách deteguje chemické signály (chuťové a vonné látky) a fyzikální signály (fotony elektromagnetického záření) a předává je k zpracování buňce. Příklad: Rhodopsin v oční sítnici zachycuje světlo

Enzymy 1. Oxidoreduktasy: katalyzují • přenos atomu vodíku - Transhydrogenasy, Hydrogenasy; • přenos elektronů - Transelektronasy; nebo • vestavění atomu kyslíku do substrátu Oxygenasy. 2. Transferasy: Realisují přenos skupin (-CH3, -NH2, zbytek glukosy apod.). 3. Hydrolasy: Hydrolyticky štěpí vazby, vzniklé kondensací, např. amidové, esterové,… 4. Lyasy: Katalyzují (energeticky nenáročné) nehydrolické štěpení a vznik vazeb C-C, C-O, C-N,... Provádějí to většinou tak, že odštěpují ze substrátu nebo do něj vnášejí malé molekuly (H2O, CO2, NH3,...) bez pomocí dalšího reaktantu. 5. Isomerasy: Realisují vnitromolekulové přesuny atomů a jejich skupin, tedy vzájemné přeměny isomerů. 6. Ligasy: Katalyzují vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu látky uvolňující energii, např. ATP.

Složení a molekulární vlastnosti enzymů Enzym = bílkovinná část + nebílkovinná část Nebílkovinná část: KOFAKTOR Prosthetická skupina je pevně vázána na bílkovinnou složku jako stabilní součást molekuly Koenzym s bílkovinnou složkou vázán jen slabě a může se od ní lehce oddělovat (disociovat). Apoenzym + koenzym = holoenzym Koenzym a prosthetická skupina se však odlišují ve způsobu regenerace, tj. přechodu do původního stavu po splnění katalytické funkce.

Chemie kofaktorů Přehled vitaminů a jejich koenzymových forem Název (symbol) Thiamin (B1) Riboflavin (B2) Kyselina nikotinová (resp. Nikotinamid) Kyselina pantothenová Kyselina listová (folát) Pyridoxin (B6) Kyanokobalalamin (B12) Kyselina askorbová (C) Biotin (H) Kyselina lipoová Vitaminy A (karotenoidy) Vitaminy D (kalciferoly)

Koenzymová nebo aktivní forma Thiamindifosfát (TPP) Flavinmononukleotid (FMN) Flavinadenindinukleotid (FAD) Nikotinamidadenindinukleotid (NAD) Nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP) Koenzym A (CoA) Tetrahydrofolát (FH4) Pyridoxalfosfát (PALP) Koenzym B12 Není přesně známa Biocytin Lipoyllysin 11-cis-retinal 1,25-dihydroxycholekalciferol

Enzymové bílkoviny Enzym = bílkovinná část + nebílkovinná část Bílkovinná část: Enzymové bílkoviny • • •

monomerní, tvořené jediným peptidovým řetězcem, oligomerní, složené z několika podjednotek, multienzymové komplexy, tvořené několika molekulami různých enzymů.

Domény v jednotlivých peptidových řetězcích mají specifickou funkci: katalytická, regulační, kooperativní.

Enzymové bílkoviny - Aktivní centrum enzymů Aktivní centrum enzymů oblast, kde se váží substráty a kofaktory. Typy interakcí: •Vodíkové a iontové vazby (nukleofilní a bazické katalýsy), •Kovalentní vazba (kovalentní katalýsa). Katalytické skupiny: zbytky aminokyselin, podílející se na tvorbě a štěpení vazeb. •karboxylové skupiny, •hydroxylová skupina, •thiolová skupina, •imidazolový kruh histidinu. •aminoskupina lysinu •kovové ionty

Tyto skupiny se účastní nukleofilní a bazické katalýsy. tvoří Schiffovu basi s oxoskupinou - kovalentní katalýsa. fungují jako elektrofilní činidla.

Specificita enzymové katalýzy Specifita účinku Enzym sníží aktivační energii jen u jediné reakce z četných termodynamicky možných reakcí. H

H

H

-OOC

gluta

O

H

ehyd mátd

n roge

+) ADP N ( a as

COOH NH2 H H L-glutamát

H H + NADPH + NH4+

O

COOH

mátd e

ka r b

glutamátaminotransferasa (PALP)

H

-OOC

gluta

H

)

H COOH

H

sa ( P AL P

H

-OOC + pyridoxamin-5-fosfát

oxyla

H

H COOH

CO2 + H2C NH2 H

H

Substrátová specifita Substrát v aktivním centru je vázán ve třech bodech a přesně orientován, tím je substrátová specifita zajišťována na třech úrovních: strukturní specifita, regiospecifita a stereospecifita.

Mechanismus katalytického působení enzymů Teorie aktivovaného komplexu: E + S = ES# = ES = EX# = EP = EP# = E + P

E-X#

E [kJ]

Ea

Arrheniova rovnice:

E-S#

k = A . exp (-Ea/RT)

E-S E-P# S

Hypotéza zámku a klíče - Fischer (1894)

E-P

P

reakèní koordináta

Hypotéza indukovaného přizpůsobení - Koshland (1959) A B C E

S ES

Rentgenová analýza ukázala, že vazebná místa většiny enzymů jsou z větší části vytvořena předem, ale že vazba substrátu u nich navozuje určitou strukturní úpravu

Enzymová kinetika - Reakce s jedním substrátem (1 (1) Biologické objekty jsou otevřené systémy s konstantním vnitřním prostředím: je v nich setrvalý (stacionární) stav - časově se neměnící složení a konstantnost fysikálních vlastností. Lze vyjádřit formální rovnicí:

S+E

k+1 k-1

ES

k+2

P+E

počáteční celková rychlost: v = d [P]/dt = k+2[ES] rychlosti dílčích reakcí: -d[S]/dt = k+1[S].[E] – k-1[ES]; d[ES]/dt = k+1[S].[E] – (k-1 + k+2)[ES]; d[E]/dt = - k+1[S].[E] + (k-1 + k+2)[ES] celková koncentrace enzymu: [E]0 = [E] + [ES] Za podmínky stacionárního stavu (d[ES]/dt = 0) platí: k+1[S].[E] = k+1[S].([E]0 – [ES]) = (k-1 + k+2)[ES]; [ES] = k+1[S].[E]0/( k+1[S] + k-1 + k+2) v = k+2[E]0[S]/{ (k-1 + k+2 )/k+1 + [S]} Mezní (limitní) rychlosti V = k+2[E]0 a Michaelisa konstanta KM = (k-1 + k+2)/k+1

v = V[S]/( KM + [S])

rovnice Michaelise a Mentenové

Enzymová kinetika - Reakce s jedním substrátem (2) Mezní (limitní) rychlosti V = k+2[E]0 a Michaelisa konstanta KM = (k-1 + k+2)/k+1 rovnice Michaelise a Mentenov v = V[S]/( KM + [S])

⇒

1/v = (KM/V)(1/[S]) + 1/V

Faktory odpovědné za vysokou účinnost a specifity enzymové katalýzy


Schopnost enzymů přivést molekuly substrátů do potřebné blízkosti
Vhodná orientace substrátu na molekule enzymu
Přechodná tvorba kovalentních vazeb mezi substrátem a enzymem
Aktivní centrum může deformovat nebo polarizovat vazby v substrátech a činit je aktivnější
Aktivní centrum vytvoří specifické „mikroprostředí“ se značně odlišnými fyzikálními vlastnostmi vodného media
Faktor časový - doby existence aktivovaného komplexu enzymsubstrát. Čím déle bude tento komplex existovat, tím více se ho rozloží na produkt.

Fyzikálně chemické faktory ovlivňující EA (1) Vliv teploty: Teplota ovlivňuje stabilitu enzymu, ionizaci funkčních skupin, afinitu enzymu k substrátu, rychlost štěpení ES komplexu, pH pufrů, rozpustnost kyslíku nezbytného pro oxidační reakce apod. Rychlost enzymových reakcí vzrůstá s rostoucí teplotou: k = A . exp (-Ea/RT) však současně dochází k inaktivaci enzymu v důsledku denaturace jeho bílkovinné části a příp. i odštěpení kofaktoru.

Maximum této závislosti se nazývá optimální teplota enzymu. Log k

Teplotní optimum

1/T

Fyzikálně chemické faktory ovlivňující EA (2) Vliv pH: Aktivita enzymů vymezena poměrně úzkou oblastí pH. Při extrémních hodnotách pH dochází k

• ireverzibilním změnám struktury enzymové bílkoviny, • ionizace substrátů může způsobit jejich disociaci, • disociaci vazebných skupin enzymu a katalytickou reakci.

Hodnota pH s maximem enzymové aktivity bývá označována jako pH-optimum. aktivita

pH-optimum 7

8

pH 9

Látky ovlivňující EA - Inhibice a aktivace enzymových reakcí Efektory nebo modifikátory. Látky ovlivňují katalytickou účinnost enzymů

aktivátory zvyšují aktivitu kationty kovů s protonovým číslem od 11 do 30 nukleotidy, organické fosfáty

inhibitory snižují účinek enzymu různé anorganické a organické sloučeniny, ionty mají afinitu k některé komponentě enzymové reakce

Ireversibilní inhibitory

Reversibilní inhibitory

Inhibice Ireversibilní inhibitory blokují nevratně enzymovou aktivitu tím, že vytvářejí s enzymem velmi pevný komplex enzym-inhibitor (EI). Reversibilní inhibitory inhibitor rychle a reversibilně váže na enzym nebo na komplex enzym-substrát.

Látky ovlivňující EA - Inhibice a aktivace enzymových reakcí Efektory nebo modifikátory. Látky ovlivňují katalytickou účinnost enzymů

aktivátory zvyšují aktivitu kationty kovů s protonovým číslem od 11 do 30 nukleotidy, organické fosfáty

inhibitory snižují účinek enzymu různé anorganické a organické sloučeniny, ionty mají afinitu k některé komponentě enzymové reakce

Ireversibilní inhibitory

Reversibilní inhibitory

Aktivace • Aktivátory: přispívají ke katalytické účinnosti enzymu, aniž se jakkoli účastní vlastní reakce. • Modifikací kovalentní struktury bílkovin: např. proteolytickým odštěpením blokující peptidové sekvence z neaktivního proenzymu.

Regulace enzymové aktivity Regulace enzymově katalysovaných reakcí může probíhat v prostoru i čase.

Regulace kompartmentací enzymů: Spojení do multienzymových komplexů, Lokalizace v různých kompartmentech buňky (organelách, cytoplazmě), Vázání v membránách organel nebo membráně cytoplasmatické.

Přímá regulace enzymové aktivity: Řízení jednotlivé metabolické dráhy tzv. regulačními enzymy Regulace rychlostí metabolických pochodů je zajišťována právě regulací aktivity těchto enzymů a to allosterickou regulací, kovalentní regulací, regulací pomocí energetického náboje

Chemická energie a Gibbsova energie Biologické objekty jsou otevřené systémy ⇒ může se vytvořit setrvalý (stacionární) stav, charakterisovaný časově se neměnícím složením a konstantností fysikálních vlastností. Při chemických reakcích za podmínek konstantního tlaku a teploty lze Energetické změny kvantitativně charakterisovat změnou enthalpie (∆ ∆H) a Gibbsovy energie (∆ ∆G). ∆H: udává celkovou energetickou změnu při přechodu z výchozího do konečného stavu a představuje reakční teplo při konstantním tlaku. Teplo získané z biochemických reakcí má význam pro udržení konstantní tělesné teploty, která je podmínkou života u vyšších organismů, nelze je však využít pro jiné životní funkce.

∆G = ∆H – T∆ ∆S: představuje maximální množství práce, které lze při této reakci získat. Výraz T∆S udává minimální množství tepla, které musí při dané teplotě (T) při reakci vzniknout i při jejím nejdokonaleji reversibilním provedení.

Chemická energie a Gibbsova energie aA + bB = pP + qQ van´t Hoffova rovnice:

cPp.cQq [P]p.[Q]q ∆G = RT ln a b – RT ln cA .cB [A]a.[B]b

Pro počáteční koncentrace všech složek reakce rovné jedné platí:

∆G0 = -RT ln K.

Tento vztah platí i pro biochemické reakce; pokud se jich však účastní i vodíkové ionty, musela by podle definice být i jejich výchozí koncentrace rovna jedné, tj. pH = 0. Tato podmínka je, vzhledem k nutnosti enzymové katalýsy biochemických reakcí, nereálná.

Pro standardní změnu Gibbsovy energie při biochemické reakci se užívá místo veličiny ∆G0 velčina ∆G´, která platí pro výchozí pH = 7. Při T = 298 K platí: ∆G´ = - 8,341 . 10-3 . 298 . 2,3 log K ∆G´ = - 5,706 log K

Chemická energie a Gibbsova energie ∆G´ < 0 exergonické reakce

∆G´ > 0 endergonické reakce

Endergonické reakce jsou spřaženy s exergonickými reakcemi. Podmínkou úspěšnosti tohoto spřažení je, aby absolutní hodnota ∆G exergonické reakce byla větší než reakce endergonické a aby obě reakce měly společný meziprodukt. Spřažené reakce: Exergonická reakce A + X → B + X Endergonická reakce C + X → D + X

∆G1 < 0 ∆G2 > 0 ∆G1 > ∆G2

Energie se přenáší z exergonické do endergonické reakce přenašečem energie

Universální přenašeč energie – ATP NH2

Adenosintrifosfát (ATP) O

∆G´

hydrolysy ATP při 37°C, pH 7, za přítomnosti Mg2+

N

N

O

-

O

P O

ATP + H2O = ADP + Pi + H+ ∆G´ = - 33 kJ.mol-1 ATP + H2O = AMP + PPi + H+ ∆G´ = - 33 kJ.mol-1 ATP + 2 H2O = AMP + 2 Pi + 2 H+ ∆G´ = - 66 kJ.mol-1

O -

P O

O O

P O

N

N O -

CH2

O

OH

OH

∆G´ je často používáno jako jednotka metabolické energie Vysoká hodnota ∆G´ hydrolysy ATP je připisována především poklesu elektrostatické odpudivosti v molekulách produktů hydrolysy a dále existenci anorganického fosfátu v řadě resonančních forem o podobné energii. Produkty štěpení jsou proto termodynamicky stabilnější, takže mají nižší obsah Gibbsovy energie než molekula makroergické sloučeniny.

Universální přenašeč energie – ATP Čerpání energie z molekul ATP: Prostřednictvím zbytků molekuly ATP přenáší část její energie i na substráty, čímž se zvýší jejich chemická energie; určitý podíl energie se přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo. OH H

H OH

O(P) OH

H

HO

OH H

OH

ATP

ADP H

hexokinasa

H OH

OH H

HO

OH H

OH

Universální přenašeč energie – ATP Čerpání energie z molekul ATP: Prostřednictvím zbytků molekuly ATP přenáší část její energie i na substráty, čímž se zvýší jejich chemická energie; určitý podíl energie se přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo. Ukládání energie do molekul ATP: Substrátovou fosforylace:

ADP + M-P = ATP + M; ADP + Pi + M-X = ATP + M + X

Oxidační fosforylace, fotofosforylace: fosforylace spřažená s oxidací

Aerobní respirace a Oxidační fosforylace  Aerobní respirace tvoří terminální fázi katabolismu. Tento metabolický děj spočívá v přenosu elektronů, odebraných organickým substrátům (NADH a sukcinátu) na molekulární kyslík - terminální akceptor elektronů.  Elektrony při aerobní respiraci se předávají prostřednictvím dýchacího řetězce, složeného z oxidoreduktas, lokalizovaného v buněčných organelách mitochondriích.  Oxidace a fosforylace jsou těsně spřaženy v dobře fungující mitochondrii: přenos elektronů dochází jen v případě, že ADP je fosforylován. Pokud v reakční směsi není přítomen žádný ADP, mitochondrie se nachází v klidovém stavu a rychlost spotřeby O2 je minimální.  Fosforylace takto spojena s oxidací se označuje jako aerobní (oxidační) fosforylace.

Princip biologických oxidoredukcí oxidovaný substrát COO-

redukovaný substrát COOH O H

H

CH2

+ + CH2

O

COO-

N

O

O

P

OH O

O

N

OH

OH

N

N N

N O

O

H

NH2

NH2

O

NADH

O H H

OH

P

N

NAD

H

NH2

O

H

O

+

+

O H

+

H

O

O P

O H

COO-

+ NH2

O

O

H

H

OH

OH

H

O

P

N N

O

N O

O

H

H

OH

OH

H

redukovaný substrát + NAD+ → oxidovaný substrát + NADH + H+

Princip biologických oxidoredukcí Ox + z e = Red Ε=

Nernst Peters:

E0

aRed RT ln a Ox,Red zF Ox

Ox1 + Red2 = Red1 + Ox2 Při rovnováze platí: Tedy pro pH = 7 platí

K = aRed1 aOx2 / aOx1aRed2 E1 = E2 ⇒ -RT lnK = (E02 - E01) zF ∆G0 = -RT lnK = (E02 - E01) zF

∆G´ = (E0´2 - E0´1) zF

Princip biologických oxidoredukcí Probíhá-li oxidace

NADH + H+ + ½ O2 = NAD+ + H2O E2°´ NAD+,NADH = -0,32 V;

E1°´O,O2- = +0,81 V

∆G´ = (E0´2 - E0´1) zF = -218 kJ ⇒ je možno získat teoreticky 7 molekul ATP. Ve skutečnosti nelze využít veškerou uvolněnou energii, takže oxidací 1 molekuly NADH molekulárním kyslíkem lze získat maximálně 3 molekuly ATP.

Lehningerova rovnice NADH + H+ + ½ O2 + 3 ADP + 3 Pi = NAD+ + 3 ATP + 4 H2O Přenos vodíku z NADH na elementární kyslík probíhá stupňovitě „štafetou“ v dýchacím (respiračním) řetězci.

Struktura mitochondrie

Mezimembránový prostor obsahuje především nukleosidkinasy, např. ATP + AMP = 2 ADP a nukleosiddifosfátkinasu: ATP + NDP = ADP + NTP Vnitřní membrána absolutně nepropustná pro NAD+, NADH, NADP+, NADPH a koenzym A a jeho acylderiváty. Obsahuje všechny složky dýchacího řetězce (flavoproteiny, FeS-proteiny, cytochromy a, a3, b, c) a ubichinon dále adenosintrifosfatasu. Matrix obsahuje rozpustné enzymy citrátového cyklu, enzymy procesu β-oxidace mastných kyselin a systém proteosynthetických enzymů.

Dýchací řetězec je složen z oxidoreduktas, uspořádaných do čtyř kotvených enzymových komplexů (I –IV) a mobilních přenasečů (CoQ a cytochrom c): Komplex I NADH:ubichinon-oxidoreduktasa katalysuje redukci semichinoidní formy ubichinonu na ubichinol. NADH + H+ + 2 UQH⋅ = NAD+ + 2 UQH2 Komplex II sukcinát:ubichinon-oxidoreduktasa katalysuje reakci: -OOC-CH -CH -COO- + UQ = -OOC-CH=CH-COO- + UQH 2 2 2 Komplex III ubichinol:cytochrom c-oxidoreduktasa 2 UQH2 + 2 cytochrom c Fe3+ → 2 cytochrom c Fe2+ + 2 UQH⋅ + 2 H+ Komplex IV ferrocytochromc:kyslík-oxidoredutasa 4 cytochrom c Fe2+ + O2 = 4 cytochrom c Fe3+ + 2 O2-

Dýchací (respirační) řetězec Součinností komplexů I, III a IV se přenášejí dva elektrony NADH na kyslík za současného transportu šesti H+ z matrix do mezimembránového prostoru mitochondrie.

Přenos dvou elektronů ze sukcinátu na O2, realisovaný součinností komplexů II, III, a IV, vede k přenosu pouze čtyř H+ přes vnitřní mitochondriální membránu. Nižší produkce osmotické práce z oxidace sukcinátu proti NADH odpovídá dobře rozdílům v E0´obou redox systémů.

Komplex V: ATP-synthasa katalysuje reakci: ADP + Pi = ATP + H2O ∆G´= +30,5 kJ . mol-1

ATP-synthasa využije transmembránový gradient koncentrace H+, vzniklý přenosem elektronů ze substrátů dýchacího řetězce (NADH a sukcinátu) jako zdroj energie.

Aerobní (oxidační) fosforylace Hypotézy energetického spřažení: 1. Chemická hypotéza (Edward Slater, 1953) 2. Chemiosmotická hypotéza (Peter Mitchell 1961) 3. Konformační hypotéza (Paul Boyer 1964)

Chemiosmotická teorie Vychází z několika základních předpokladů: 1- Funkce oxidoredukčních složek membrány je prostorově směrována (napříč membránou jedním směrem); 2- V dýchacím řetězci se kombinují systémy, které přenášejí pouze elektrony (např. Fe2+ → Fe3+ + e-), a systémy, v nichž je přenos elektronů kombinován s přenosem protonů (např. FADH2 → FAD + 2 e- + 2 H+). 3- Výsledkem je přeměna ∆G´ oxidoredukčních reakcí na osmotickou práci (přenos H+ z místa nižší koncentrace do místa vyšší koncentrace). Jak vytvořený gradient pH, tak membránový potenciál (∆Ψ) působí na protony tzv. protonmotorickou sílu a „táhnou“ je zpět PMF = ∆Ψ + RT/nF . ∆ln[H+] = ∆Ψ – 2,3RT/nF . ∆pH 4- Když rozdíl elektrochemického potenciálu protonů je větší než změna Gibbsovy energie hydrolysy ATP, obrátí se při řízeném zpětném přechodu H+ přes membránu činnost adenosintrifosfatasy (ATP-asy) a nastává synthesa ATP, a tak se osmotická práce mění znovu na chemickou energii tím, že je tento pochod spojen s tvorbou ATP z ADP a anorganického fosfátu ADP + Pi + H+ = ATP + H2O.

Mechanismus syntézy ATP ATP-synthasa je protein složený z mnoha podjednotek: ATP-synthasa je poháněna konformačními změnami: Průchod 2 až 3 protonů kanálem vede na katalytické složce k synthese ATP z ADP a Pi. Reakce zahrnuje tři kroky: 1.

Vazba ADP a Pi k volně vázajícímu místu L

2.

Konformační změna mění L-místo na T-místo a katalyzuje tvorbu ATP.

3.

K syntéze ATP dochází na T-místě, zatímco ATP disociuje z O-místa na jiné podjednotce.

Sacharidy Největší zastoupení v živé přírodě z kvantitativního hlediska. Vyskytují se v každé buňce. Funkce: - důležitý a lehko dostupný zdroj energie (např. glukosa) - stavební složky buněk a tkání (celulosa a chitin) - zásobní látky (glykogen, škrob) - složky nukleotidů a jiných účinných látek (kofaktory enzymů, glykoproteiny, antibiotika) - prekursory lipidů, aminokyselin, kyseliny askorbové a jiných významných složek živých soustav.

Sacharidy Rozdělení

Název diagramu

Rozdělení sacharidů Monosacharidy

glykosidy

podle počtu uhlíků triosy, tetrosy, pentosy, hexosy, heptosy, nonosy

oligosacharidy do 10 jednotek

podle funkčních skupin aldosy, ketosy

polysacharidy

deriváty monosacharidů homopolysacharidy heteropolysacharidy složené sacharidy a heteroglykosidy

Sacharidy Monosacharidy - struktura Stavba molekuly:

alifatický uhlíkový řetězec, obsahující jednu karbonylovou skupinu C=O a hydroxylové skupiny OH na všech ostatních atomech uhlíku.

O

HO

O

OH

1

1 H HO

OH H

H

OH

H

OH OH

O

2

HO

3

OH

3

HO

4

HO 5

OH

O

2 OH 4 5

OH

6

6

OH

OH

D-glukosa

Aldosa: karbonylová skupina na primárním atomu uhlíku

HO

H

H

OH

H

OH OH

D-fruktosa

Ketosa: karbonylová skupina na sekundárním atomu uhlíku

Sacharidy Monosacharidy - nomenklatura aldotriosa a ketotriosa (C3)

H

O

OH

OH

O

O

OH OH D-glyceraldehyd didydroaceton (glyceron) Grn (glyceral) Gra

OH

H

H

OH

HO

H

OH

H

D-ribosa

OH

D-xylosa

OH

H

OH

HO

H

OH

H

H OH

OH D-threosa

ketopentosy (C5)

O

H

O

OH D-erythrosa

aldopentosy (C5) O

aldotetrosy (C4)

O HO

H

H

H

OH

OH

H

OH

OH

OH D-arabinosa

OH

OH

O

O

H

OH

HO

H

OH

H

OH D-ribuosa

H OH

OH D-xylulosa

Sacharidy Monosacharidy - Fischerovy a Haworthovy vzorce

pětičlenný cyklus (furanosa)

šestičlenný cyklus (pyranosa).

OH 6

5

6

OH

H O 4 OH H 1 αOH H 3 2 H OH α-D-glukofuranosa

H H

OH OH H

O β OH OH H H H OH

β-D-glukofuranosa

5

H

HO 6

5

1 2 3 4

OH OH O

1

H OH OH H H

2

H

3

HO H H

4 5

O

H

OH

H

H

HO H

OH

6

OH

6

OH D-glukosa

HO

1 2 3 4 5

O

OH OH

H 4 OH HO 3 H

OH 1

H

α OH

2

OH

α-D-glukopyranosa

H OH

OH

OH H

H

H OH

OβOH H

HO

H H

OH

β-D-glukopyranosa

Sacharidy Monosacharidy - Mutarotace

H

O

OH

OH H

H OH

OH

HO

H α OH

HO H

H

OH

α-D-glukopyranosa

H H

OH

H

H OH OH

CH2OH D-glukosa

H OH

β

O OH H

HO

H H

OH

β-D-glukopyranosa

Sacharidy Monosacharidy - deriváty Alditoly, polyoly (–itol): O H

OH

OH

HO

H

H redukce

HO

OH H

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

OH D-glukosa

OH D-glucitol

Jsou většinou metabolicky inertní pro živočichy a rostliny, proto se např. D-glucitol (sorbit) užívá jako neenergické sladidlo pro diabetiky.

Sacharidy Monosacharidy - deriváty Aldonové kyseliny (-onát): HO

O

Aldarové kyseliny (-arát): HO

Alduronové kyseliny (-uronát):

O O

H HO H H

OH H

H HO

OH H

HO H

OH H

OH

OH

H

OH

HO

OH

H

OH

H

OH

H

OH

H

OH

O

OH O

OH

kyselina D-glukuronová

kyselina D-glukonová

kyselina D-glukarová

H

O

H OH

H

HO

OH OH

Sacharidy Monosacharidy - deriváty

O O

Fosforečné estery OH H

H OH

O

H

O O

P

1

O H

OH

H

O H HO OH

H O P

OH O

H

D-fruktosa-6-fosfát

O

D-glukosa-1-fosfát

O

O

OH

6

-

OH

HO

-

O

P

O 6

H OH

OH OH

H

P

O

6

O H HO

O

H

HO

O

O

OH

D-glukosa-6-fosfát

1

O

O OH

H OH

H

D-fruktosa-1, 6-bisfosfát

O

P -

Sacharidy Monosacharidy - deriváty HO

H

O

Deoxymonosacharidy Např. 2-deoxy-D-ribosa základní složka DNA.

H

H

H

OH

OH H 2-deoxy-D-ribosa

Aminomonosacharidy (deoxyaminosacharidy).

OH H

H OH

OH OH

H

HO

OH H

H

NH2

D-glukosamin

H OH

HO

OH H OH

H

NHCOCH3

N-acetyl-D-glukosamin

Sacharidy Glykosidy - glykosidová vazba Glykosidy lze odvodit reakcí poloacetalové hydroxylové skupiny s jinou molekulou za odštěpení vody. Tato acetalová vazba se označuje jako glykosidová vazba. OH

OH

O

O

OH

OH OH H

HO OH

A

HO R

A OH

R

A = O: O-glykosid; A = N: N-glykosid ; A = S: S-glykosid R = sacharid ⇒ oligomery a polymery sacharidů, tj. homoglykosidy R = nesacharidová molekula (aglykon) ⇒ heteroglykosidy.

Sacharidy Glykosidy - oligosacharidy Disacharidy: Maltosa [α-D-Glc-(1→4)-D-Glc]:

6

OH

3

O

4 HO

1α

4

OH OH

5

O

5

OH

6

2

1α 2

O

3

OH

OH

OH

6

Cellobiosa [β-D-Glc-(1→4)-D-Glc]:

OH

HO 3

2

OH

O OH

5

OH

OO 3

5 4

4

OH

6

1β

OH

2

OH

1β

Sacharidy Glykosidy - oligosacharidy Disacharidy: Laktosa [β-D-Gal-(1→4)-D-Glc]: OH

6

HO 6 OH 4

HO 3

5 O 2 1β

OH

6 4

OH

O 5

O HO 3

2

6

1α

OH OH

HO 4

OH OO 3

5

OH

4

OH

1β 2

3

OH

O

5

1 2

OH

α OH

Sacharidy

6 OH

Glykosidy - oligosacharidy

5

Sacharosa [α-D-Glc-(1→2)-β-D-Fru]:

4 OH 3

HO

OH O

5 4

HO

OH

OH 1 O 2β HO

1α 2

O

3

OH

3

OH

4

2

1α

CH3O O 2β 5 HO 4 1 OH 3 OH

HO 6 6

O

5 6

CH3

Sacharidy Glykosidy - reservní polysacharidy Škrob: Je směsí α- amylosy (asi 20 %) a amylopektinu (asi 80 %).

α-Amylosa je lineární polymer, hexikálně svinutý, ve vodě rozpustný. OH

O

O OH OH

OH

OH 4 HO

1α

4

4 HO

1α

OH

O

O

OH

O

O

1α

OH

OH

OH

O O

O

HO

O O O

O

O HO

O O

O O O O

4

OH

O

4 HO

1α

1α

OH

O

O

OH

O

O

1α

O

OH

OH

OH

OH

Sacharidy Glykosidy - reservní polysacharidy Amylopektin vazba α(1→4), větvená molekula s vazbou α(1→ →6) přibližně vždy po 20 až 30 glukosových jednotkách.

OH H

H OH

OH

OH OH H

H

HO

H OH

OH H H

O H

OH

OH

H OH

H

H

OH

O

O H

OH

H

OH

H

HO

H

H OH

OH H

HO

H

H OH

OH H

OH

H OH

H

H

OH

H OH

OH

OH

n

H

H

OH H H

H OH

OH

H O

OH

H

OH H H

H OH

OH H H

O H

OH

HO

O H

H OH

OH

OH

H OH

OH H H

H

OH

H OH

OH H H

O

O H

OH

OH

OH

OH

O H

OH

OH

O H

H OH

OH

O

OH

OH H

O

O H

H

H

H

OH

OH

OH

OH H

H OH

O H

OH

H

OH

H OH

OH

n

H OH

OH H H

OH

H

H

OH

OH

O

O H

OH

H OH

H

OH

n

Sacharidy Glykosidy - reservní polysacharidy Glykogen: větvení po 12 glukosových jednotkách OH H

OH

OH OH H

H OH

H

H

OH

HO

H OH

OH H H

O

OH

H OH

H

H

OH

O

O H

OH

H

OH

H

HO

H

H OH

OH H

HO

H

H OH

OH H

OH

H OH

H

H

OH

H OH

OH

OH

n

H

H

OH H H

H OH

OH

H O

OH

H

OH H H

H OH

OH H H

O H

OH

HO

O H

H OH

OH

OH

H OH

OH H H

H

OH

H OH

OH H H

O

O H

OH

OH

OH

OH

O H

OH

OH

O H

H OH

OH

O

OH

OH H

O

O H

H

H

H

OH

OH

OH

OH H

H OH

O H

OH

H

OH

H OH

OH

n

H OH

OH H H

OH

H

H

OH

OH

O

O H

OH

H OH

H

OH

n

Podobně jako Amylopektin obsahují i glykogen malé množství vázané kyseliny fosforečné.

Sacharidy Glykosidy - stavební polysacharidy OH

Celulosa je lineární polymer tvaru nataženého pásu obsahující 1 400 až 15 000 zbytků D-glukosy spojených β(1→4) glykosidovými vazbami. OH

O OH

OH

4

OO 4

OH

1β

HO OH

OH

OH

OO 4

OH

4

OH

1β

O OH

1β

OH

OO

1β

OH

4

OH

1β

OH

1β

OH

OO

O OH

4

OH

OH

Sacharidy Glykosidy - Heteroglykosidy Heteroglykosidy jsou zvláštním případem složených sacharidů. OH

OH O

O

OH

OH OH H

HO OH

A

HO R

A OH

R

Aglykonem může být alkohol, amin, thiol nebo karboxylová kyselina. Heteroglykosidy mají často výrazný fysiologický účinek, a jsou součástí rostlinných drog, antibiotik, barviv. Glykosidová vazba se snadno hydrolyticky štěpí specifickými enzymy. Univerzálně rozšířené jsou N-glykosidy purinových a pyrimidinových basí (nukleosidy).

Sacharidy Glykosidy - Heteroglykosidy Nukleosidy složeny z β-D-ribosy resp. deoxyribosy a nukleových bází. O

HO

báze

O H

H

H OH nukleosid

OH

O

P O

O O

P O

O O H

n

báze H

H OH nukleotid (n = 0, 1, 2)

O

OH

O

báze

O H

H

O

OH

OH

P -

O 3´,5´-cyklický nukleotid

Nukleotidy jsou fosforečné estery nukleosidů, mají řadu funkcí: ƒ stavební jednotka nukleových kyselin ƒ přenašeči energie, aktivují meziprodukty v řadě biosynthes ƒ součástí důležitých kofaktorů enzymů – NAD(P)+, FAD aCoA ƒ cyklické purinové nukleotidy (cAMP, cGMP) jsou regulátory metabolismu a neuromodulátory.

Metabolismus sacharidů

• Odbourávání oligosacharidů a polysacharidů • Odbourávání monosacharidů - Glykolýza • Oxidační dekarboxylace. Alkoholové kvašení. Mléčné kvašení • Citrátový cyklus

Metabolismus sacharidů Odbourávání oligosacharidů a polysacharidů - Hydr Hydrol olýza ýza Podstatnou složku potravy živočichů tvoří rostlinné škroby a živočišné glykogeny. Rostlinné škroby a živočišné glykogeny v gastrointestinálním systému (trávicím ústroji) jsou hydrolyticky štěpeny na glukosu. Nejdůležitějšími enzymy, které je štěpí, jsou glykosidasy amylasy, obsažené ve slinách a pankreatu. amylosa (lineární glukan)

α-amylasa

limitní dextrin

maltosa + glukosa

amylopektin a glykogen (rozvětvený glukan) amyloglukosidasa maltosa maltosa maltasa glukosa laktosa

laktasa

galaktosa + glukosa

sacharosa sacharasa fruktosa + glukosa celulosa celulasy vodík, methan, octová, propionová, máselná kyselina

Metabolismus sacharidů Odbourávání oligosacharidů a polysacharidů - Fosfolýza osfolýza Zásobní a vnitrobuněčné polysacharidy se štěpí fosforolyticky působením enzymu fosforylasy OH neredukující konec

E + Pi + glykogen

O

HO HO

OH OH

Pi.EH+

O

O HO

OH OH

O

O HO

OH OH

OH

OH

+ O

HO HO

OH OH

.

OH

Pi.EH

O HO

OH HO HO

O O O

glukosa-1-fosfát

O

OH

O -

-

+ EH+

O

...

OH O HO

O OH OH

P

O

O HO

O OH

OH

OH

O

HO HO +

OH

O

O HO

O HO

O OH

O

...

Metabolismus sacharidů Odbourávání oligosacharidů a polysacharidů - Fosfolýza osfolýza 4-α-D-glukanotransferasa

Působením enzymů se glykogen štěpí na glukosa-1-fosfát. E + Pi + glykogen → glukosa-1-fosfát + EH+ amylo-1,6-glukosidasa

Asi 10 % glukanu zůstává nerozštěpeno a je zachováno jako „očko“ (startér, primer) pro jeho novou biosynthesu.

Metabolismus sacharidů Regulace glykogenolýzy Fosforylasa se vyskytuje ve dvou formách: jako aktivní, přítomný ve formě tetramer se označuje fosforylasa a; dimerní, neaktivní forma se označuje jako fosforylasa b. ADRENALIN (glukagon) adenylátcyklasa

ADENYLÁTCYKLASA cAMP

ATP proteinkinasa

PROTEINKINASA

Mg2+/Ca2+, ATP Ca-fosforylasa-b-kinasa

Ca-FOSFORYLASA-b-KINASA-(P) ATP fosforylasa b

glykogen ADP FOSFORYLASA a

2 Pi FOSFORYLASAFOSFATASA

Glc-1-P

Regulace fosforylasy Adrenalin a glukagon vyvolávají intracelulární syntézu cAMP - aktivatoru proteinkinas. Proteinkinasy: alosterické enzymy - tetramer, mají část regulační a část katalytickou. Vazbou cAMP v podjednotkách regulačních a jejich fosforylací za přítomnosti ATP se změní tetramer na dva dimery. Aktivní proteinkinasa je schopna aktivovat fosforylasu b a přeměnit ji na fosforylasu a. Tím zahájí štěpení glykogenu – zvýšuje se koncetrace glukosy v krvi. Aktivní proteinkinasa je však současně schopna fosforylovat glykogensynthasu, a tím ji přeměňovat z formy aktivní do formy neaktivní. A tím glykogeneze je inhibována. Insulin působí opačně – brání vzniku cAMP. Proto se rozvinou děje opačné: účinkem fosfoproteinfosfatas se přemění aktivní fosforylasu a na neaktivní. Defosforylací se však aktivuje glykogensynthasa, takže výsledkem této části regulačního obvodu je převaha glykogeneze nad glykogenolýzou Alosterická regulace fosforylas, proteinkinas a fosfatas vlivy pozitiních nebo negativních efektorů. Pro fosforylasy pozitivním faktorem je AMP a Glc-1-P, zatímco ATP má účinek opačný. Pro fosfoproteinfosfatasa je inhibitorem ATP.

Metabolismus sacharidů Odbourávání monosacharidů Sacharidy jsou metabolisovány ve formě fosforečných esterů. Fosforylace má trojí význam: Vznikající fosforečné estery mají vyšší obsah energie, a jsou proto reaktivnější Fosforylové skupiny mohou být vazebnými, resp. rozpoznávacími centry pro enzym Přítomnost polární negativně nabité skupiny činí cukry neschopné procházet membránami, a vystupovat tak z buněk nebo přecházet do jiných organel. Klíčovou látkou v metabolismu sacharidů je glukosa-6-fosfát.

Metabolismus monosacharidů Klíčovou látkou v metabolismu sacharidů je glukosa-6-fosfát. U živočichů glukosa-6-fosfát vzniká různými katabolickými i anabolickými reakcemi: Fosforylací glukosy, která vzniká hydrolytickým štěpením oligo- a polysacharidů potravy. Isomerací glukosa-1-fosfátu, který je produktem fosforolytického štěpení reservního polysacharidu glykogenu. Z jiných monosacharidů, uvolňovaných při trávení potravy. glykogen

glukosa-1-P

glukosa

glukosa-6-P

6-fosfoglukonát

fruktosa-6-P

manosa, aminocukry

Glukosa-6-fosfát je dále odbouráván na pyruvát. Za aerobních podmínek je pyruvát oxidačně dekarboxylován na AcetylCoA a dále oxidován v citrátovém cyklu na oxid uhličitý a vodu. Za anaerobních podmínek je pyruvát přeměňován na redukovaný konečný produkt, např. laktát ve svalu nebo u kvasinek na ethanol a oxid uhličitý.

Metabolismus monosacharidů Mechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma

Glykolytické enzymy se vyskytují v cytoplazmě prakticky všech buněk. Jednotlivé reakce glykolýzy můžeme rozdělit do dvou základních reakčních celků: 1. Přeměna glukosy na glyceraldehyd-3-fosfát, 2. Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfát a vznik pyruvátu. Pro glykolýzu jsou důležité tři základní aspekty: 1. Osud uhlíkatého skeletu sacharidů (změny strukturní) 2. Oxidačně-redukční přeměny jako zdroj energie 3. Přeměna ADP a anorganického fosfátu na ATP

Metabolismus monosacharidů Mechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma

1. Přeměna glukosy na glyceraldehyd-3-fosfát OH

O(P) ATP

H

H OH

OH

H

H

HO

hexokinasa

OH H

ATP

H OH

H

(P)O

O(P)

glukosafosfátisomerasa

OH

H

OH OH O

OH

OH

H

OH

O H HO H

O H HO

OH H

fosfofruktokinasa

OH

HO

OH

ADP

OH

(P)O

ADP

H O

+

H

OH

fruktosabisfosfátaldolasa

O(P) triosafosfátisomerasa

O(P)

Metabolismus monosacharidů Mechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma

2. Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfát O H

Pi NAD+ NADH + H+

OH O(P)

O

O(P)

H

OH

ATP

ADP

fosfoglycerátkinasa

glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenasa

O(P) -

O

O

H

OH

-

O

O

H

O(P)

fosfoglycerátmutasa

O(P)

OH

O

O

-

O(P)

enolasa

CH2

Metabolismus sacharidů Mechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma

3. Vznik pyruvátu

O

OH

O ADP

O

ATP

O(P)

O pyruvátkinasa

CH2

-

CH3

Mimořádně vysoké ∆G´hydrolýsy 2fosfoenolpyruvátu způsobuje, že enzym pyruvátkinasa prakticky nevratně fosforyluje ADP. Pyruvátkinasová reakce je tedy ventil, který brání zpětné synthese glukosy z pyruvátu cestou EMP a umožňuje regulaci synthesy a odbourávání sacharidů.

Metabolismus sacharidů Mechanismus glykolysy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma Shrnutí: Sumární reakce tohoto procesu lze tedy vyjádřit rovnicí: glukosa + 2 ATP + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 pyruvát + 4 ATP + 2 NADH + 4 H+ + 2 H2O neboli glukosa + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 pyruvát + 2 NADH + 4 H+ + 2 ATP + 2 H2O

Čistý výtěžek glykolýzy

Odbourávání monosacharidů - mléčn mléčnéé kvašení

Hromaždění kyseliny mlečné vyvolává acidosu, a je příčinou únavy svalu a vyčerpání.

Odbourávání monosacharidů - Alkoholové kvašení Mikroorganismy např. kvasinek, dekarboxyluje, dále redukuje na ethanol. Tvorba ethanolu není neomezená; při koncentraci 15% působí toxicky i na kvasinky a usmrcuje jej. Jiné druhy kvasinek a plísní řeší problémy anaerobního života jinými chemickými mechanismy, čehož lze využít pro kvasné výroby např. kyseliny mlečné, butanolu, glycerolu aj.

Metabolismus sacharidů Odbourávání monosacharidů - oxidační dekarboxylace

Pyruvát se aerobně odbourává na acetyl-CoA v mitochondriích, kam přechází z cytoplasmy - Oxidační dekarboxylace je poměrně složitý proces, katalysuje ji multienzymová jednotka, tzv. pyruvátdehydrogenasový komplex.

Přeměna pyruvátu na acetyl-CoA: oxidační dekarboxylace

Metabolismus sacharidů Odbourávání monosacharidů - Citátový cyklus Princip, význam Citrátový cyklus, cyklus trikarboxylových kyselin nebo podle objevitele sira Hanse A. Krebse (1937) Krebsův cyklus je centrem veškerého metabolismu. Odbourávání většiny substrátů ve druhé fázi aerobního katabolismu uvolní jen menší část jejich energie, asi ¾ jí zůstává v acetyl-CoA. Odbourávání acetyl-CoA v citrátovém cyklu probíhá stupňovitě, konzervuje uvolněnou energii ve formě ATP a vytváří četné biosynthetické prekurzory

Lipidy Charakteristika lipidů - Definice lipidů Název lipidy označujeme pestrou skupinu nízkomolekulárních přírodních látek, nerozpustných ve vodě (hydrofobních), ale dobře rozpustných v nepolárních rozpouštědlech (lipofilních). Chemicky rozdělujeme lipidy podle jejich stavby na dvě hlavní skupiny: Lipidy: estery vyšších mastných kyselin a alkoholů nebo jejich derivátů (zmýdelnitelné lipidy). Isoprenoidy: jejich molekuly jsou sestavovány ze zbytků isoprenu. (nezmýdelnitelné lipidy).

Lipidy Charakteristika lipidů - Rozdělení lipidů

LIPIDY

Jednoduché

Složené

Isoprenoidní

vosky

fosfolipidy

steroly

triacylglyceroly

glykolipidy

žlučové kyseliny

acylsteroly

Lipidy Charakteristika lipidů - Hlavní biologické funkce lipidů Zdroj a reserva energie: Acylglyceroly jsou energicky nejbohatší potravou 38 kJ.g-1(sacharidy 17 kJ.g-1). Strukturní funkce: Polární lipidy vytvářejí strukturní jádro biomembrán. Ochranné funkce: Acylglycerolový obal některých orgánů chrání před mechanickým poškozením. Podkožní tuk zabraňuje nadměrné ztrátě tepla a vody. Analogické funkce vykonávají i ochranné vrstvy vosků na listech, plodech, peří, srsti, krunýřích hmyzu apod.

Lipidy Jednoduché lipidy - acylglyceroly

Acylglyceroly - tvoří nejpočetnější skupinu jednoduchých lipidů, - jsou základem živočišných tuků a rostlinných olejů - směsi smíšených triacylglycerolů obsahujících různé acylové zbytky mastných kyselin v jedné molekule. O O 18

H3C

H2C O 1 15

13

11

9

7

5

3

1

3

5

7

3

5

7

9

16

13

11

CH3

O CH H2C O 1 O

9

10

12

14

16

18

CH3

Lipidy Jednoduché lipidy – nasycené a nenasycené mastné kyseliny

Lipidy Jednoduché lipidy –nasycené nasycené mastné kyseliny

Mastné kyseliny

H3C

16

14

12

10

8

6

4

2

1

O

C4 máselná C6 kapronová C8 kaprylová C10 kaprinová

C12 laurová C14 myristová C16 palmitová

C18 stearová C20 arachová C22 behenová

OH

Lipidy Jednoduché lipidy – mastné kyseliny Nenasycené mastné kyseliny dvojné vazby v konfiguraci cis O 16 H3C

14

9

10

12

7

5

1

3

kys. palmitolejová 16 (9:10)

OH O

18 H3C

16

14

9

10

12

7

5

1

3

kys. olejová 18 (9:10)

OH

O 17

13

15

18 H3C

10

12

*kys. linolová 18 (9:10 12:13) je esenciální kyselina

9 7

5

1

3

OH

O 18 H3C

16

13

15

10

12

9 7

5

1

3

kys. linolenová 18 (9:10 12:13 15:16)

OH O

20 H3C

15

12

14

11

9

8

6

5 3

18

16

13

10

7

1

OH

kys. arachidonová 20 (5:6 8:9 11:12 14:15)

kys. arachidonová je prekurzor vysoce účinných látek zv. prostaglandiny a leukotrieny.

Lipidy Eikosanoidy (prostaglandiny, thromboxany, prostacykliny)

Eikosanoidy jsou mastné kyseliny s dvaceti uhlíkovými atomy, které ve své struktuře obsahují pětičlenný kruh. O

O

O OH

OH

CH3

CH3

arachidonová kyselina

O

OH

O OH

O

PGB1

CH3

9 10

PGA1

7 13

5 15

3 17

11

1

OH

19 CH3

O

OH

O

20

OH

prostannová kyselina

CH3 HO

OH

PGE1

Lipidy Složené (polární) lipidy Složené (polární) se liší od lipidů jednoduchých nejen složitější chemickou stavbou, ale i biologickým významem.

složené lipidy podle charakteru alkoholové složky

fosfolipidy

glycerofosfolipidy fosfatidylethanolaminy

fosfatidylinositoly

fosfatidylcholin

plasmalogeny

fosfatidylseriny

podle polární složky

glykolipidy

sfingofosfolipidy

sfingomyeliny

sfingoglykolipidy

Lipidy Složené (polární) lipidy - Glycerofosfolipidy O H3C H3C O

O

CH2

O

CH

H2C

O O

P O

O x

Jsou amfifilní molekuly s nepolárními alifatickými konci a polárními Xfosforylovými hlavami. Charakteristický je pro ně obsah jednoho nenasyceného acylového zbytku. Jsou v nízké koncentraci ve vodě rozpustné, nad určitou koncentrací (tzv. kritickou micelární koncentrací) se shlukují do větších celků (micel). Uplatňují se především jako stavební základ biologických membrán.

Lipidy Složené (polární) lipidy - Glycerofosfolipidy Fosfoacylglyceroly jsou estery 1,2-diacylglycerol-3-fosforečné (fosfatidové) kyseliny s alkoholy. O H3C H3C O

Název X-OH Voda Ethanolamin Cholin Serin Glycerol

Vzorec -H -CH2CH2NH3+ -CH2CH2N(CH3)3+ -CH2CH(NH3+)COO-CH2CH(OH)CH2OH

O

CH2

O

CH

H2C

Název fosfolipidu

O O

P O

O x

fosfatidová kyselina fosfatidylethanolamin (kefalin) fosfatidylcholin (lecithin) fosfatidylserin (kefalin) fosfatidylglycerol

Lipidy Složené (polární) lipidy - Glycerofosfolipidy O H3C H3C

O

CH2

O

CH

H2C

O

Inositol

H OH

OH H OH H

H

OH

H

O

P O

H OH

O O x

fosfatidylinositol

OH

Fosfatidylglycerol

CH2 CH CH2 O O

O

P O

difosfatidylglycerol (kardiolipin)

O -

R3

HC O

O

CH2

CH2

O

R4

Lipidy Složené (polární) lipidy - Glycerofosfolipidy

Plasmalogeny jsou glycerofosfolipidy, ve kterých je substituent na C1 vázán na glycerolovou kostru α,β-nenasycenou etherovou vazbou. α,β R1

O R2

O O

CH2 O

CH H2 C

O

P O

O -

Polární skupiny plasmalogenů tvoří hlavně ethanolamin, cholin, serin. x = -CH2CH2NH3 -CH2CH2N(CH3)3+ -CH2CH(NH3+)COO-

Lipidy Složené (polární) lipidy - Sfingolipidy

Sfingolipidy: Základem struktury těchto látek je nenasycený aminoalkohol sfingosin (E)-2-aminooktadek-4-en-1,3-diol. 18

H3C

16

14

12

10

8

6

4

3

CH2OH 2

R

NH CH 1

O

H2 C

OH

Mastná kyselina se váže amidovou vazbou na aminoskupinu a tvoří ceramidy - základní složku všech sfingolipidů.

Lipidy Složené (polární) lipidy - Sfingo Sfingoglyko glykolipidy lipidy Sfingoglykolipidy Jsou součástí vnějšího povrchu buněčných membrán. H3C

CH2OH R

NH CH O

H2 C

O

sacharid vázaný na primární alkoholové skupině.

sacharid

Cerebrosidy obsažené v mozkové tkáni mají sacharid = β-D-galaktosa, Cerebrosidy jiných tkání mají sacharid = β-D-glukosa Sulfatidy: vyskytují se v tkáních mozku, plic, kosterního svalstva, jater aj. sacharid = β-D-galaktosa-3-sulfát

Lipidy Složené (polární) lipidy - Sfingo Sfingoglyko glykolipidy lipidy

Gangliosidy se vyskytují převážně v šedé hmotě mozkové, kde tvoří 6 % lipidů. H3C

CH2OH R

NH CH H2C

O

O OH O

rozvìtvený oligosacharid

O

OH OH

obsahují jako sacharidovou složku rozvětvený oligosacharid vázaný na ceramid přes glukosu; postranní větve tvoří zbytky N-acetylneuraminové (sialové) kyseliny (NeuNAc).

Lipidy Isoprenoidní lipidy Isoprenoidní lipidy patří mezi steroidy, základ jejichž struktury je polycyklický skelet cyklopentano[b]perhydrofenanthrenu. 12 11 1

H

2

10

3

5 4

9

H 13

H

16 14

8 H

7

17 15

H

6

Steroidy jsou hydrofobní nebo amfifilní látky, z nichž mnohé mají charakter hormonů. Strukturní a transportní význam mají steroly a žlučové kyseliny, které řadíme do skupiny lipidů.

Lipidy Isoprenoidní lipidy - Steroly Steroly se vyskytují v živočišných a rostlinných buňkách jako volné alkoholy nebo estery mastných kyselin v rostlinách většinou jako aglykony heteroglykosidů; byly prokázány i u některých mikroorganismů.

Steroly jsou obecně důležitou součástí membrán. Podle původu dělíme steroly na zoosteroly (živočišné), fytosteroly (rostlinné), mykosteroly (steroly hub) a mořské steroly (steroly mořských živočichů a rostlin).

Lipidy Isoprenoidní lipidy - Zoosteroly 21

H3C 12

H

3β

HO

18CH

3

19CH 11 H 13 3 1 14 9 8 10

2

H

7

5 4

20

H

17

23

CH3

25

CH3

26 16

15

27

24

22

Cholesterol: se vyskytuje v relativně vysoké koncentraci v každé živočišné buňce.

6

Modeluje tekutost a permeabilitu její plasmové membrány. Je výchozí látkou pro biosyntézu dalších důležitých steroidů – žlučových kyselin, pohlavních hormonů, kalciferolů. V normálně fungující tkáni jsou plynule syntetizovány a odbourávány. Patologicky se cholesterol ukládá ve stěnách krevních cév a vyvolává atherosklerosu a nebo ukládá ve žlučových kamenech.

Lipidy Isoprenoidní lipidy - Žlučové kyseliny Žlučové kyseliny jsou hlavní součástí žluče; syntetizují se z cholesterolu v játrech, skladují a koncentrují ve žlučníku. O H3C OH CH3 CH3 H HO

H3C OH CH3

X H

H

CH3 H OH

H X: OH kyselina cholová NHCH2CH2SO3- taurocholát

NHCH2COO-

O

H

H H

HO H kyselina deoxycholová

glykocholát

Nejznámnější je cholová a deoxycholová kyselina, Usnadňují trávení a střebávání lipidů.

OH H

Lipidy Lipoproteiny Lipoproteiny vznikají spojením lipidů se specifickými bílkovinami zvanými apolipoproteiny, nekovalentní hydrofobní interakcí nepolárních oblastí obou složek

Lipoproteiny tvoří součásti buněčných membrán, cytoplasmy buněk, krevní plasmy a vaječného žloutku. V krevní plasmě působí jako přenáseče triacylglycerolů a cholesterolu.

Lipidy Plasmové lipoproteiny

Funkce: zajišťují transport a distribuci lipidů prostřednictvím krve a lymfatického systému. Fungují též jako regulátory metabolismu lipidů. Typ Hustota (g.cm-3) Protein / Lipid Funkce Chylomikrony < 0,950 0,01 transport triacylglycerolů a cholesterolu ze střev do tkání

VLDL 0,950 – 1,006 IDL 1,006 – 1,019 LDL 1,019 – 1,063

0,1 transport triacylglycerolů a cholesterolu z jater do 0,25 tkání 0,25

HDL 1,063 – 1,210

1,00 transport cholesterolu z tkání do jater

LDL jsou zod zodpovědné za vysokou hladinu krevního cholesterolu a aterosklerosu.

Metabolismus lipidů

• Odbourávání triacylglycerolů • Aktivace mastných kyselin • β-Oxidace mastných kyselin

Hydrolytické štěpení rezervních triacylglycerolů Triacylglyceroly jsou skladovány ve zvláštních tkáních, jsou méně mobilních než sacharidy a jsou vhodné spíše pro dlouhodobou potřebu. Hydrolýzu rezervních triacylglycerolů v tukových tkáních katalyzují hydrolasy - karboxylesterasy nazývané lipasy.

O O R

C

H2C O

O

CH

H2C

C

+ 3 H2O

O O

C

H2C

R

R

HC H2C

OH OH + 3 R-COO- + 3 H+ OH

Hydrolytické štěpení lipidů z potravy Lipidy se podílejí ze 20-40% na energii, která je do organismu přiváděna potravou. V žaludku začíná trávení lipidů činností žaludečních lipas. V duodenu nastává intenzivní hydrolysa ⇒ di-, monoacylglyceroly + mastné kyseliny V tenké střevě ⇒ glycerol + mastné kyseliny. Z fosfolipidů odštěpují fosfolipasy fosforečnou kyselinu a aminoalkoholy. Z glykolipidů odštěpují glykosidasy sacharidy fosfolipasa A1 O

O H2 C

O R2

O

R1

H2O

O

O H2 C

fosfolipasa C

O

P

fosfolipasa A2 O

O fosfolipid

O

R2 C O

X

fosfolipasa D

H

H2 C

O

R1 O

O H2 C

O

P

O

O lysofosfolipid

X

Vstřebávání a rozvod K vstřebávání (resorpce) produktů trávení lipidů dochází v tenké střevě. Mastné kyseliny 10-12C z buněk střevní sliznice přímo do krve. Mastné kyseliny s delším řetězcem ⇒ triacylglyceroly.

cholesterol

lipoproteiny

Triacylglyceroly + nehydrolysované lipidy

fosfolipidy

chylomikrony ⇒ do krve

Metabolismus glycerolu Glycerol ⇒ dihydroxyacetonfosfát ⇒ EMP ⇒ citrátový cyklus.

H2 C HO

OH

ATP

ADP

CH H2C

OH

glycerol

H2C

glycerolkinasa

HO

OH

NAD+

NADH + H+

O

OH O

C

O

CH H 2C

H2C

O

glycerolfosfát

P O

O

- glycerolfosfát dehydrogenasa

H 2C

O

P

O

-

O dihydroxyacetonfosfát

Odbourávání mastných kyselin cestou β-oxidace

β-Oxidace byla objevena F. Knoopem v r. 1904, její mechanismus objasnil F. Lynen až v r. 1951. • Aktivace mastné kyseliny • Vlastní β-oxidace. • Thiolysa

Aktivace mastných kyselin a transport mastná kyselina + CoA + ATP → acyl-CoA + AMP + PPi Protože rovnovážná konstanta této reakce blíží 1, pro „pohánění“ reakce je nutné odstranit jeden z jejích produktů, totiž difosfát, exergonickou hydrolýzou enzymem difosfátasou. Tím jsou z molekuly ATP čerpány dvě jednotky metabolické energie. PPi + H2O = 2 Pi + 2 H+

Transport mastných kyselin přes mitochondriální membránu

β-oxidace mastných kyselin a thiolysa H H3C (CH2)n

H

β H

O

α

FAD

H3C (CH2)n

SCoA

acyl-CoAdehydrogenasa

H

acyl-CoA

NADH + H+

NAD+

O

H

H3C (CH2)n C

β

3-hydroxyacyl-CoAdehydrogenasa

H

FADH2

β

O

H SCoA

α

SCoA

β

O SCoA

α

OH H 3-hydroxyacyl-CoA

O

+

H3C (CH2)n C SCoA acyl-CoA

β-oxoacyl-CoAthiolasa

H β-oxoacyl-CoA

H

O

CoASH

α

H3C (CH2)n

enoyl-CoAhydratasa

H trans-∆2-enoyl-CoA

O

H2O

H3C SCoA acetyl-CoA

Energetický výtěžek β-oxidace kyseliny palmitové vytvoří: 7x(2+3) + 8x12 – 1 = 130ATP.

Oxidace nenasycených mk a mk s lichým počtem uhlíkových atomů H

H

H

O SCoA

...CH2 B:

H

Enz

H

...CH2

enoyl-CoAisomerasa

H

O SCoA

H B: H Enz

O

O H3C

SCoA

propionyl-CoA

HO

SCoA O

sukcinyl-CoA

Poruchy metabolismu sacharidů a lipidů von Gierkova choroba: Nedostatek glukosa-6-fosfatasy např. znemožňuje využití jaterního glykogenu jako zdroj energie, zvětšení jater a hypoglykemie. McArdlova choroba: Nedostatek fosforylasy ve svalech, neschopnost využívat glykogen jako zdroj energie pro svalový tah. neschopnost intenzívní svalové práce a bolestivost svalů. Zažívací potíže po použití mléka: Nedostatek laktasy ve střevní sliznici, hromaděná laktosa ve střevě podporuje růst patogenních mikroorganismů. Galaktosemie: Nedostatek galaktokinasy nebo příslušných uridyltransferas hromadění galaktosy v krvi (galaktosemie,) její přeměna na toxické produkty (např. alkohol galaktitol) - zvracení, žloutenka a nevratné poškození centrální nervové soustavy. Energetický metabolismus sacharidů souvisí těsně s energetickým metabolismem lipidů. Tvorba toxických ketolátek (ketogenesa) doprovází všechny stavy nedostatku glukosy jako zdroj energie, tj. hladovění, von Gierkovu chorobu a chybnou funkci hormonálního systému regulujícího metabolismus glukosy. Acetonurie: Využívání triacylglycerolů jako zdroj energie. zvýšená β-oxidace MK, rychlejší tvorba Ac-CoA, nedostatek oxalacetátu v citrátovém cyklu (bez odbourání glukosy chybí pyruvát pro anaplerotické pochody), vznik volného acetoacetátu(pKa 3,5) vyvolává tzv. acidozu, spontánně dekarboxyluje a vytváří aceton. Oba tyto produkty působí toxicky; aceton se vylučuje močí (acetonurie). Diabetes mellitus: Nedostatek nebo neschopnost funkce hormonu insulinu, který reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu v játrech. Projevuje se zvýšením obsahu glukosy v krvi nad hodnotu, která může být resorbována v ledvinách, a následkem toho vylučováním glukosy močí (glykosurií), což vyvolává také zvětšení objemu vyloučené moči. Tím se zvyšuje potřeba vody. Zároveň stává intenzivní ketogenesa a acetonurie. Diabetes mellitus se často projevuje u starších lidí, vede k závažnému poškození organismu (slepota, selhání ledvin, hormonální poruchy aj.) a je častou příčinou smrti, není-li řádně léčena.

Metabolismus bílkovin • Proteasy a proteolýza • Buněčný pool aminokyselin • Metabolismus aminokyselin • Obecné reakce odbourání aminokyseliny • Metabolismus amoniaku, močovinový cyklus

Metabolismus bílkovin Metabolismus bílkovin se v řadě směrů liší od metabolismu sacharidů a lipidů. • Hlavní stavební materiál buněk a tkání, prakticky jediný zdroj dusíku - tedy všech biologicky významných dusíkatých látek. • Bílkoviny se neustále odbourávají a znovu tvoří. Průměrný poločas lidských bílkovin ~ 80dní. • Jednotlivé aminokyseliny mají zcela individuální metabolismus. • Bílkoviny se účastní celkové látkové přeměny mnohem podstatněji než sacharidy a lipidy: Postradatelné aminokyseliny mají velmi pestrý metabolismus; Esenciální aminokyseliny nevstupují tolik do reakcí s ostatními látkami, a souvisejí s nimi většinou nevratnými vztahy, neumožňujícími jejich zpětný vznik. • Biosynthesa bílkovin je řízená genetickým kódem.

Proteolysa a Proteasy Odbourávání bílkovin začíná jejich hydrolytickým štěpením. Proteolysu katalysují proteasy:

• Proteasy pracují bez kofaktorů, některé vyžadují přítomnost různých kovových iontů. • Proteasy nejsou obecně substrátově specifické. Štěpí však určité typy peptidových vazeb. • endopeptidasy, katalysující hydrolysu uvnitř řetězce za vzniku peptidů různé velikosti, • exopeptidasy: Karboxypeptidasy odštěpují C-koncové aminokyseliny, aminopeptidasy aminokyseliny z N-konce polypeptidového řetězce. Některé proteasy vykazují endo- i exopeptidasovou aktivitu.

Proteasy Trávící (digestivní) enzymy účastní se trávení potravy v zažívacím traktu: • Žaludeční endopeptidasy. Žaludky dospělých savců obsahují pepsin A a pepsin C, zvaný též gastricin. Mláďata savců vylučují do žaludeční šťavy chymosin. Vývojem mláděte dochází postupně k záměně chymosinu za pepsin. Při mléčné výživě živočicha synthesa chymosinu přetrvává déle. • Proteasy pankreatické šťávy. Aktivovaná pankreatická šťáva obsahuje 7 odlišných proteas: endopepdidasy: trypsin, chymotrypsin A, B, C, elastasu a exopeptidasy karboxypeptidasu A a B. Jejich překrývající se specifita k určitým typům peptidových vazeb umožňuje kompletní rozklad bílkovin potravy. • Enzymy střevní šťavy. V tenkém střevě vznikají aminopeptidasy, a dipeptidasy. Dipeptidasy vyžadují přítomnost určitých kovových iontů. Kathepsiny odbourávají tkáňové bílkoviny živočichů. Jsou věšinou lokalisovány v buněčných organelách lysosomech a pracují při zhruba neutrálním pH. Uplatňují též při autolyse bílkovin v odumřelých tkáních, např. zrání masa.

Proteolysa Hydrolýza bílkovin potravy v žaludku: pepsin, 0,4-0,5% HCl ⇒ bílkoviny denaturují a neúplně se hydrolysují v tenké střevě: pH 7,5-8,5, pankreatické proteasy, střevní aminopeptidasy, dipeptidasy ⇒ volné aminokyseliny. aminokyseliny + štěpy peptidů + neporušované bílkoviny přecházejí střevní sliznicí ⇒ do lymfy nebo krve ⇒ do tkání.

Odbourávání tkáňových bílkovin Aktivní bílkovina

Modifikace

Aminokyselina

Inaktivní bílkovina

Proteasy

aminokyselina

Fragmenty fragmenty

LYSOSOM nebo VAKUOLA

Buněčný pool aminokyselin Volné aminokyseliny tvoří v organismu stálou hotovost neboli pool: méně než 1/3 z exogenního zdroje, více než 2/3 z endogenního zdroje. Další osud aminokyselin po výstupu z poolu může být různý: • Největší část se využije jako stavební materiál k výstabě nových tělních bílkovin. • Mnohé aminokyseliny slouží k synthese jiných biologicky důležitých dusíkatých látek, jako jsou puriny, pyrimidiny, porfyriny, nikotinamid a další. • Přebytečné aminokyseliny jsou užity jako metabolické palivo nebo jako stavební materiál v procesu glukoneogenese. Jako zdroj energie slouží i při hladovění nebo poruchách organismu (např. při cukrovce).

Metabolismus aminokyselin Pyridoxalfosfát (PLP) je kofaktorem početných enzymů metabolismu aminokyselin. NH2 H2 C

CH2 CH2 CH2 CH

N

CO

H R

H R

C* COO-

N

NH2

CH

CH O O O

-

P O

-

+

-

+

C* COO-

O

-

O O

+ N H

-

CH3

O

-

P O

O -

+ N H

CH3

Podle druhu katalysované reakce následují tyto obecné reakce odbourání aminokyselin. -labilisace vazby C-H a transaminace, -labilisace vazby C-C a následná dekarboxylace aminokyseliny, -labilisace vazby C-R a aldolové štěpení, -labilisace vazby C-N a racemisace PLP-enzymy katalisují i eliminační a substituční reakce na β- a γ- uhlících aminokyselin.

R

R

COO-

R

COO-

N

O

R

O

COO-

-

OH O

N H

+

CH3

PO3

OH O

N H

+

CH3

PO3

N H

+ O

NH2

NH2

H2 C OH

PO3

O

+

N

-HC

Lys::::

COO-

+

CH3

R

PO3

+ N H

R

CH3

CH

CH

R

N

+

N

NH2 O

H2 C

OH

H R

O COO-

PO3

N

OH

OH

O

O

N H

CH3

PO3

+

N H

+

PO3

CH3

N H

CH3

OH O PO3

+ Lys::: +

N H

HC CH3

HC

COO-

CH2

+

N

N

COO-

O

HC

HC OH

OH

O

O

PO3

PO3

INH

H2N

COO-

CH3

N H

+

CH3

OH O PO3

+

N H

CH3

Metabolismus aminokyselin Transaminace R1

CH COO-

+ pyridoxal-P

R1

NH2 R2

C

COO-

R2

NH2

+ pyridoxamin-P

+

R2

C O

CH COO-

+ pyridoxal-P

NH2

O CH COO-

COO-

O

pyridoxamin-P +

R1

C

COO-

R1

C O

COO-

+

R2

CH COONH2

α-Oxokyselinou na níž se převádí aminoskupina z PMP, bývá nejčastěji 2-oxoglutarová kyselina. Tento společný akceptor aminoskupin většiny aminokyselin umožňuje shromáždění těchto skupin do jedné látky, glutamát. Ten pak poskytuje aminoskupiny k různým synthesám, resp. je zavádí do finálních reakcí, jimiž se tvoří konečný produkt vylučování odpadního dusíku.

Oxidační deaminace Oxidační deaminaci glutamátu katalysuje pyridinová dehydrogenasa glutamátdehydrogenasa (GDH) s koenzymem NAD+ i NADP+, jejich redukované formy se regerují v dychacím řetězci. Funguje v mitochondriích prakticky všech savčích buněk.

-OOC

CH2 CH2

COONH2

+ NAD+

-OOC

CH2 CH2 O

COO+ NADH + NH4+

Močovinový cyklus

Ureosynthetický cyklus probíhá nepřetržitě v játrech. ⇒ do krve ⇒ v ledvinách glomerulární filtrací ⇒ do moče. U dospělého zdravého a náležitě živeného člověka se denně vytvoří a vylučuje v průměru 25 až 35 g močoviny. Děj realisovaný ureosynthetickým cyklem lze vystihnout sumární rovnicí NH3 +HCO3- + -OOC-CH2-CH(NH3+)-COO- + 3ATP = = H2NCONH2 + -OOC-CH=CH-COO- + 2ADP + 2Pi + AMP + PPi

Metabolismus bílkovin Metabolismus aminokyselin – Močovinový cyklus

Metabolismus bílkovin Metabolismus aminokyselin – Močovinový cyklus

Biosyntéza

• Biochemické redukce a systém NADPH/NADP+ • Pentosový cyklus • Biosyntéza sacharidů • Biosyntéza lipidů

Biochemické redukce a systém NADPH/NADP+ NAHPH/NADP+ a NADH/NAD+ - nikotinamidové dehydrogensy jsou nejdéle známé (1906) koenzymy, jsou deriváty vitaminu B6. Nevázané mají E°´ = -0,32 V, vazbou na epoenzym se mění jejich redoxní potenciál E°´

O

O NH2 O O

P

O

+ N

O

NH2 O P

+ N

O O

O H

H

OH

OH

H O

O

P

N O

O

OH

OH

N

N N

O

H

NH2

NH2 N

O

H H

H

H

OH

OH

H

O

P

N N

O

N O

O

H

H

OH

O

H

O O

P O

-

nikotinamidadenindinukleotid (NAD+) nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP+)

Biochemické redukce a systém NADPH/NADP+ NADPH/NADP+ Vs NADH/NAD+ shodný standardní redoxpotenciál (E0´ = -0,32 V). Odlišná specifičnost vazby na různé enzymy biochemický rozdíl ve specifičnosti využití energie: redukční síly NADH k oxidační fosforylaci - energie NADPH se proto využívá k přímým redukcím v cytosolárním prostoru buňky. Lokalizace NADH v mitochondriální matrix – NADPH mimomitochondriální a NADPH + NAD+ = NADH + NADP+ katalyzuje enzym NAD(P)+-transhydrogenasa Zdroj NADPH u heterotrofních organismů je především glukosa, u autotrofních fotochemická energie (sluneční záření).

Pentosový cyklus Význam: Pentosový cyklus je amfibolický děj •Pentosový cyklus umožňuje výrobu NADPH - potřebné „redukční síly“ biosynthetických reakcí, •Je zdrojem ribosafosfátu pro synthesy nukleových kyselin a nukleotidových kofaktorů. Pentosový cyklus není hlavní cestou odbourávání sacharidů, ale dějem doplňkovým. Všechny reakce pentosového cyklu jsou poměrně snadno reverzibilní ⇒ snadná vzájemná přeměna meziproduktů. Přestane-li být potřeba NADPH a ribosafosfátu nutná, odstraní se nadbytek meziproduktů pentosového cyklu tak, že se postupně převede na meziprodukty glykolýsy.

Metabolismus sacharidů Odbourávání monosacharidů - Pentosový cyklus

Pentosový cyklus Oxidační fáze – Tvorba NADPH HO

O(P) H

H OH

O(P)

OH H

HO OH

H

glukosa-6-fosfátdehydrogenasa

OH H

NADP+ NADPH + H+

H

O H OH

H

H

OH

H2O

O

6-fosfoglukonolaktonasa

HO

HO

O OH

NADP+ NADPH + H+

H

H

OH

H

OH

6-fosfoglukonátdehydrogenasa

O(P)

HO

O

OH

H O H

OH

H

OH O(P)

ribulosa-5-fosfát

CO2

OH O

H

OH

H

OH O(P)

Pentosový cyklus Regenerační fáze – Tvorba ribosa-5-fosfátu

H

O

H

OH

H

OH

H

OH

HO

H

OH

H

OH

H

OH

OH O

ribosafosfátisomerasa

O(P)

ribosa-5-fosfát

O

ribulosafosfát-3-epimerasa

O(P)

ribulosa-5-fosfát

H OH O(P)

xylulosa-5-fosfát

Pentosový cyklus Regenerační fáze – mechanismus acyloinové a aldolové kondenzace O

OH

H

+

R

R'

H

transketolasa R

O

R' H

O

acyloin

H

O R

OH H R' transaldolasa R

+ H H

O

OH

O R'

H

OH aldol

Metabolismus sacharidů Odbourávání monosacharidů - Pentosový cyklus

Pentosový cyklus Vs. Glykolýza Oba pochody probíhají v cytosolu, jednotlivé enzymy jsou volně pohyblivé v roztoku a jejich účinky se mohou kombinovat. Glykolýza naprosto nezávisí na systému NADPH/NADP+. Pentosový cyklus naprosto nezávisí na systému ATP/ADP. Oba pochody vycházejí ze stejného meziproduktu - glukosa-6-fosfátu a katalytické aktivity jejich enzymů jsou srovnatelné. Nízká spotřeba energie (nedostatek pohybu) spolu s vysokým obsahem sacharidů v potravě přispívá k zvýšení využití glukosy v alternativním pochodu, tj. tvorbě NADPH. Tento stav podporuje tvorbu vysoce redukovaných látek – mastných kyselin.

Biosyntéza sacharidů K doplňování hladiny glukosy v organismu slouží její synthesa z necukerných látek: glukogenní aminokyseliny, pyruvát, laktát, glycerol, meziprodukty citrátového cyklu. Této „novotvorbě“ glukosy říkáme glukoneogenesa. Pokud na tento děj navazuje výstavba oligo- a polysacharidů užívá se termín glykogenogenesa.

Glukoneogenesa - Přeměna pyruvátu na glukosu Promotorem glukoneogenesy jsou hormony glukagon a adrenalin. Hlavním místem glukoneogenese u savců jsou játra, ledviny. V cytoplasmě buněk těchto orgánů se aminokyseliny, laktát a glycerol, které sem byly přivedeny krví O O Oz periferie, O O O mění na pyruvát. HCO + ATP GDP + CO GTP 3

O

ADP + Pi

O

pyruvátkarboxylasa

CH3 pyruvát

O

ADP

2

-

ATP

O(P)

fosfoenolpyruvátkarboxykinasy CH2 fosfoenolpyruvát

O

H2O

NADH + H+ NAD+ + Pi glyceraldehy-3-fosfát dehydrogenasa NADH + H+

Pi

fruktosabisfosfatasa fosfofruktokinasa ADP

ATP

ATP

fruktosa-6-fosfát

fosfoglycerát mutasa

oxalacetát

3-fosfoglycerát fosfoglycerátkinasa 1,3-bisfosfoglycerát ADP

2-fosfoglycerát enolasa

triosafosfátisomerasa aldolasa

fruktosa-1,6bisfosfát

NAD+ + Pi dihydroxyacetonfosfát Pi H2O

glukosa-6-fosfát

glukosafosfátisomerasa

glyceraldehyd-3-fosfát

glukosa-6-fosfatasa

glukosa

hexokinasa ADP

ATP

2 pyruvát + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+ + 6 H2O → glukosa + 4 ADP + 2 GDP + 2 NAD+ + 6 P

Glykogenogenesa

- Biosynthesa glykogenu O HN

OH H

H OH

O

OH

+

H

O

-

O(P)

HO

O

P O

O -

P O

O

O O

P

-

H OH glukosa-1-fosfát

O

O

CH2

-

uridintrifosfát

N O

OH

OH

Glukosa-1-fosfáturidyltransferasy O OH H

H OH

HN

OH H O

HO H

OH

O P O

O

O O -

P O

O -

CH2

N +

O

uridindifosfoglukosa OH

O O

-

P O

OH

O O -

P O

O -

-

Glykogenogenesa

- Biosynthesa glykogenu

Glykogenogenesa

- Biosynthesa glykogenu

Regulace syntézy glykogenu ADRENALIN (glukagon) adenylátcyklasa

ADENYLÁTCYKLASA ATP

cAMP PROTEINKINASA

proteinkinasa GLYKOGENSYNTHASA I

glykogensynthasa D

glykogensynthasa-D-fosfatasa

Rovnováhu mezi odbouráváním a biosyntézou glykogenu udržuje regulační mechanismus, v němž má významné postavení veličina, která je sama předmětem regulace – totiž koncentrace glukosy v krvi čili glykémie. Snížené hodnoty glykémie zvyšuje adrenalin a glukagon, a zvýšené hodnoty glykémie snižuje insulin.

Biosynthesa mastných kyselin

Proces biosyntézy mastných kyselin lze rozdělit do tří fází: • Výroba malonyl-CoA. • Syntéza palmitové kyseliny. • Další přeměny palmitátu.

Výroba malonylmalonyl-CoA - Acetyl Acetyl--CoACoA-karboxylasa Výroba malonyl-CoA probíhá na enzymovém komplexu ligasy. Acetyl-CoA-karboxylasa se skládá ze tří funkčních podjednotek: • bílkovinný nosič biotin BCCP (Biotin Carbonyl Carrier Protein); • biotinkarboxylasa, která katalysuje za účasti ATP navázání CO2 na BCCP, čímž je CO2 převeden do aktivované formy; • karboxyltransferasa, která přenáší CO2 z BCCP-biotinu na acetylCoA za vzniku malonyl-CoA.

Výroba malonylmalonyl-CoA - Acetyl Acetyl--CoACoA-karboxylasa

Mastná kyselinakyselina-synthas synthasaa Mutienzymový komplex mastná kyselina-synthasa, se skládá ze dvou disociovatelných bílkovinných podjednotek A a B. Každá z sedmi podjednotek má různých katalytických míst s různými typy enzymové aktivity. Součástí obou podjednotek je bílkovinný nosič ACP (acyl carrier protein), jehož součástí je 4´-fosfopantethein. Fosfopantethein představuje dlouhé pohyblivé raménko, které umožňuje přenos meziproduktu, navázaného thiolovou skupinou (tzv. centrální SH, cSH), od jednoho katalytického místa k druhému. Kondenzační reakce se aktivně účastní dvě sulfhydrylové skupiny: fosfopantetheinová (cSH) a další sulfhydrylová skupina periferního cysteinu (pSH), která je součástí kondenzačního enzymu.

Mastná kyselina-synthasa

Biosynthesa palmitové kyseliny

• Transacylace • Kondensace acylu s malonylem • První redukce • Dehydratace • Druhá redukce

Mechanismus syntézy mastných kyselin

Biosynthesa palmitové kyseliny Přehled reakční dráhy

Další přeměny palmitátu Vyrobená palmitová kyselina se uvolní z vazby na ACP a aktivuje reakcí s CoA za účasti ATP a katalýzy acyl-CoA-synthetasy. Vzniklý palmitoyl-CoA se může buď – – –

zapojit do synthesy lipidů, použit na výrobu kyselin s delším řetězcem, použit na výrobu nenasycených kyselin nebo hydroxykyselin.

Tyto další úpravy však neprobíhají v cytosolu: Řetězec se prodlužuje v mitochondriích přímo acetyl-CoA bez použití malonylCoA. Nenasycené mastné kyseliny se pak tvoří specifickými NADP+dehydrogenasami; jsou stereospecifické a umožňují vznik cis-isomeru. Energetická bilance: 7(n/2 – 1) ATP Na výrobu mastné kyseliny o n uhlíkových atomech je tedy za potřebí 7(n/2 – 1) energetických jednotek ATP.

Elongace mastných kyselin

Desaturace mastných kyselin

Biosynthesa lipidů

Fotosyntéza

• Princip Fotosynthesy • Fotosynthetický aparát - chloroplasty • Světlá fáze • Tmavá fáze

Uhlíkový cyklus

Princip fotosyntézy Synthesa glukosy redukcí oxidu uhličitého - CO2 za přítomnosti H2O energie

n CO2 + 4n e- + 4n H+ → (CH2O)n + n H2O Organický uhlík

Dvě fáze fotosyntézy:

katabolický dì j

CO2

fotosyntéza

H2O

hν ν

Fotochemická (světlá): světelná energie ⇒ energie “chemická”, tj. ATP a NADPH. Chemická (temná): chemická energie se využívá k redukci oxidu uhličitého. V principu lze obě tyto fáze uskutečnit odděleně.

Fotosynthetický aparát - chloroplast

Fotosynthetický aparát Chloroplasty obsahují zelená barviva chlorofyl a (modrozelený), chlorofyl b (žlutozelený), některé pigmenty, např. karotenoidy; podílejí se na absorpci světla v zelené oblasti.

Fotosyntéza Fotosynthetický aparát chlorofyly + specifické bílkoviny ↓ chlorofylové komplexy ↓ anténové (světlosběrné) komplexy (kvantosomy), obsahující asi 200 molekul chlorofylu. Uvnitř jednotky se předává zachycená energie mezi molekulami pigmentů bez podstatné ztráty energie. Tento proces je ukončen přenosem na specialisovaný chlorofylový komplex tzv. reakční centrum. K reakčnímu centru se připojuje systém využívající zachycenou energii, který je tvořen řetězcem oxidoredukčních systémů analogických dýchacímu řetězci.

Fotosyntéza Světlá fáze fotosyntézy E = hν = hc / λ E = NAhc / λ = 1,196.10-4 / λ Viditelné záření λ = 400 - 700 nm E = 171 až 299 kJ.mol-1 ⇒ Absorpce červeného světla může tedy poskytnout dostatečnou energii pro produkci ATP i NADPH.

Fotosyntéza Světlá fáze fotosynthesy - Fotoredukce NADP+ Světlá fáze sestává ze čtyř procesů: Fotochemická excitace fotoreceptoru absorpce slunečního záření

Fotooxidace (fotolysa) vody H2O → (2 H+ + 2 e-) + 1/2 O2

Fotoredukce NADP+ NADP+ + 2 H+ + 2 e- → NADPH + H+

Fotofosforylace (tvorba ATP) ADP + Pi + H+ → ATP + H2O

Světlá fáze fotosynthesy - Fotofosforylace

Fotosyntéza Temná fáze fotosynthesy

Fotosyntéza Temná fáze fotosynthesy - Calvinův cyklus

Celkově lze vyjádřit Calvinův cyklus rovnicí: 6 CO2 + 12 NADPH + 12H+ + 18 ATP + 12 H2O → C6H12O6 + 12 NADP+ + 8 ADP + 18 Pi Podle této rovnice může probíhat fixace a redukce CO2 i bez přístupu světla.

Nukleové kyseliny a Proteosynthesa • Složky nukleových kyselin • Struktura a funkce nukleových kyselin • Mechanismus přenosu genetické informace a jejích změn • Biosynthesa peptidových řetězců, antibiotika

Složky nukleových kyselin NH2

- Dusíkaté base: pyridinové a purinové

CH3

N NH2

O

O

4 3

N

5

N

HN

O

N H 5-methylcytosin (mC)

CH3

HN

NH2 N

6

2

O

N H cytosin (Cyt, C)

N 1

pyrimidin

O

N H uracil (Ura, U)

NH2

O

N H thymin (Thy, T)

OH

O

N H 5-hydroxymethylcytosin (hmC) O

O

6 1N

5

2

4

N7

N

N

HN

N

HN

N

8

N 3

purin

N9 H

N

N H adenin (Ade, A)

H2N

N

N H guanin (Gua, G)

N

N H hypoxanthin (Hyp, I)

- Sacharid: D-ribosa a 2-deoxy-D-ribosa - Fosforečná kyselina Podle sacharidové složky se dělí na ribonukleové kyseliny (RNA) a deoxyribonukleové kyseliny (DNA).

Nukleosidy Nukleosidy: ribosidy a 2-deoxyribosidy purinových a pyridinových basí N

N

Přehled basí a jejich ribonukleosidů Base Nukleosid Cytosin (C, Cyt) Uracil (U, Ura) Thymin (T, Thy) Adenin (A, Ade) Guanin (G, Gua) Hypoxanthin (Hyp)

N

HO

N

HO

O

Cytidin (C, Cyd) Uridin (U, Urd) Pseudouridin (ψ, ψrd) Thymidin (T, Thd) Adenosin (A, Ado) Guanosin (G, Guo) Inosin (Ino) HO

H

N O

H

H

H

H

H OH (OH, H)

OH (OH, H)

O

O

HN O

HN N

OH

NH O

HO O

O

Uracil tvoří dva typy nukleosidů: uridin a vzácněji tzv. pseudouridin

N

OH

uridin (U, Urd)

OH

OH

pseudouridin (Ψ, Ψrd)

Nukleotidy O

HO

báze O H

H

H OH nukleosid

OH

O

P O

O O

P O

O O H

n

báze H

H OH nukleotid (n = 0, 1, 2)

O

OH

O

báze

O H

H

O

OH

OH

P -

O 3´,5´-cyklický nukleotid

Nukleotidy jsou fosforečné estery nukleosidů. Nukleotidy jsou velice rozšířené složky organismů a plní v nich řadu funkcí:  Jsou stavební jednotkami nukleových kyselin.  Nukleosidpolyfosfáty jsou přenašeči energie - ATP. Jiné nukleosidtrifosfáty mohou analogicky sloužit jako reserva energie pro buňku. Jsou však používány pouze k některým speciálním účelům a nemají universální použití jako ATP.  Adenosinové meziprodukty jsou součástí důležitých kofaktorů enzymů – NAD(P)+, FAD a CoA.  Cyklické purinové nukleotidy (cAMP, cGMP) jsou regulátory metabolismu a neuromodulátory.

Struktura a funkce DNA Primární (kovalentní) chemická struktura je určena sledem nukletidových zbytků. Sledem basí nukleových kyselin je nejen zapsána genetická informace, ale base slouží též k jejímu předání a zpracovávání.

NH2

5’-konec N1 6 5 2

HO

5' 4'

3

A

4

9

N

7

N

8

N

O

O 3'

1'

2'

O O

P

CH3

HN3 4 5 2

O

O

T 1

6

N NH2

O

O

N

O O

-

P

O

O

N O

O O

Na celkovém tvaru molekul NA, a zejména jejich funkci se více podílejí struktury vyšších řádů, založené především na vodíkových vazbách.

C

O

O HN

H2N P O 5'

O

4'

N

G N

N O 3'

2'

O O

3’-konec

P O

O

1'

Struktura a funkce DNA Páry pyrimidinové a purinové base: A=T, C≡G jsou stabilní a nezaměnitelné.

Princip komplementarity je základem funkce nukleových kyselin: Dvě dvojice basí představují dva znaky dvojkové soustavy, která je vhodná pro přenos a uchovávání informace.

Struktura a funkce DNA Dvouvláknová makromolekula tvoří dvojitou šroubovici (dihelix); sousedící base se pootočí o cca 36°. Průběh obou vláken pentosafosfátového řetězce je antiparalelní.

Rentgenová struktura

Kalotový model

Struktura a funkce RNA RNA je chemicky velmi podobná DNA. Rozdíly: •C2´-hydroxyl ⇒ nízká chemická stabilita; použitá RNA rychle odbourávána. •RNA obsahuje cytosin a uracil, adenin a guanin a další minoritní base dihydrouracil (UH2) a pseudouridin (Ψ). •Buněčná RNA tvoří převážně lineární jednovláknovou formu. V sekundární struktuře pak vytvářejí komplementární úseky dvojšroubovice a nekomplementární úseky volné smyčky.

V buněčném prostředí RNA představují dynamické molekuly, jejichž konformace se mění během synthesy a funkce. RNA asociují s jedním nebo více proteiny, které je stabilisují a mají význam pro jejich funkci a strukturu RNA.

Transferová RNA (tRNA) Představuje přibližně 15 % celkové buněčné RNA. Molekuly tRNA obsahují průměrně 65 až 110 nukleotidových zbytků; značné množství minoritních basí, které jsou ve smyčkách. Funkce: přenos zbytku aminokyseliny do místa biosynthesy bílkoviny (ribosomu) a jeho zařazení na správné místo sledu ve vznikajícím proteinu. Chemickým základem přenosu informace z nukleových kyselin na bílkoviny je aminoacyl-tRNA: „aminokyselina označovaná antikodonem“

Struktura a funkce tRNA

DHU-smyčka

TΨC-smyčka antikodonová smyčka

Molekula tRNA připomíná písmenko L

Nukleové kyseliny - Struktura a funkce rRNA

Ribosomální RNA (rRNA) Je v buňce součástí specifických organel zvaných ribosomy. Cytoplasmatické ribosomy eukariotních buněk jsou složeny ze 4 molekul RNA a 70 až 80 proteinů, které jsou specificky rozděleny mezi dvě nestejně velké složky organely, označováné jako podjednotky. Ribosomální RNA představuje přibližně 80 % celkové buněčné RNA a je metabolicky stálá, obsahuje 50 až 70 % basí v komplementárních párech.

Nukleové kyseliny - Struktura a funkce mRNA Mediátorová RNA (mRNA, messenger RNA) Neobsahuje minoritní base. Funkce: přenos genetické informace z DNA, obsažené v buněčném jádře, do místa proteosynthesy, tj. cytosolárních ribosomů.

Nukleové kyseliny - Struktura a funkce mRNA Kódující sekvence pak začíná zpravidla tripletem AUG a končí tripletem UAG, nebo UAA nebo UGA

čepička z 7-methylguanosinu (MeG).

mRNA obsahuje vedoucí, kódovací a závěrečnou sekvenci

Kromě uvedených typů RNA existuje jaderná RNA, mitochodriální RNA a virová RNA.

MeG je “obráceně” vázán na 5´-koncový nukleotid trifosfátovou vazbou.

Závěrečná sekvence je různě dlouhá a je zakončena sekvencí poly A

Mechanismus Francis Crick 1958 jejích změn

“centrální dogma” molekulární biologie

přenosu genetické informace a

Biosynthesa DNA Princip replikace Dihelix mateřké DNA se přerušením vodíkových vazeb rozplete, každé vlákno slouží jako matrice pro vytvoření komplementárního otisku. Vzniknou tak pro dvě dceřiné buňky dvě, zcela identické kopie, v nichž jedno z vláken pochází z originálu (meteřské DNA) a druhé, doplňkové, je vyrobeno. Hovoříme proto o replikaci semikonservativní. Stavebními jednotkami pro nové vlákno jsou energií bohaté deoxyribonukleosid-5´-trifosfáty. Genetické analysy ukazují, že chybné zařazení jednoho nukleotidů připadá na 109 až 1011 kopírovaných nukleotidů.

Biosynthesa DNA - Hlavní replikační enzymy DNA-polymerasy jsou transferasy Mg2+ (DNA)n zbytků + dNTP → (DNA)(n+1) zbytků + Ppi Jsou známy tři druhy bakteriální DNA-polymerasy a dva druhy isolované z živočišných tkání s rozdílnými katalytickými vlastnostmi. Mají vedle transferrasové (replikasové) aktivity i aktivitu hydrolytickou (nukleasovou). To umožňuje DNA-polymerase odstraňovat nesprávně zařazené zbytky rostoucího řetězce DNA.

Aby reakce proběhla, musí být splněny následující podmínky: •Musí existovat vlákno mateřské DNA, sloužící jako matice. •DNA-polymerasa dokáže připojovat další nukleotidy pouze na už existující polynukleotidový řetězec: očko neboli primer. •Base připojovaného nukleotidu musí být komplementární k basi mateřského vlákna. Enzymy DNA-polymerasy a RNA-polymerasy přijímají instrukce od mateřského vlákna.

Biosynthesa DNA Mechanismus replikace Replikace začíná ve specifických místech chromosomu, zvaných počateční body replikace, iniciační body nebo replikační body. Působením tzv. topoisomeras a různých faktorů přerušují vodíkové vazby mezi oběma vlákny DNA a nabývá tvaru vidlice. Do ní nasedne do obou mateřských vláken RNApolymerasa a vytvoří na každém z nich krátký RNAprimer. Na něm pak dochází k vlastní replikaci Okazakiho fragmentů za katalysy DNA-polymerasou III. Po odstranění úseků RNA DNA-polymerasou I, Okazakiho fragmenty a jsou pak spojeny v souvislý řetězec činností DNA-ligasy.

Biosynthesa RNA – Transkripce genů RNA-polymerasy

n NTP →

RNA + n PPi

DNA-řízené (dependentní) RNA-polymerasy potřebují ke své funkci přítomnost iontů Mg2+; účinné jsou též ionty Mn2+. RNA-polymerasa nepotřebuje primer. Není také známo, že by tento enzym měl nukleasové aktivity. RNA-polymerasa je velký oligomerní enzym. Např. enzym z E. coli je α2ββ´δω. Součástí molekuly jsou též dva ionty Zn2+, vázané v β a β´podjednotce. Mají katalytickou, regulační i strukturní úlohu. Signály pro zahájení a ukončení transkripce Iniciační signály a sekvence sloužící k vazbě RNA-polymerasy, jsou obsaženy v úseku DNA, kterému říkáme promotor. Je rozpoznán δ-podjednotkou enzymu. K zakončení (terminace) slouží k tomu úsek matrice DNA, nazývaný terminátor, terminační signál nebo stop signál. Tyto signály jsou dvojího druhu, jedny jsou pravděpodobně rozpoznávány samotnou RNA-polymerasou, druhé se uplatní pouze v přítomnosti specifické bílkoviny zvané ρ-faktor.

Biosynthesa RNA – Mechanismus transkripce Transkripce probíhá ve čtyřech stupních Rekognace, Iniciace , Elongace , Terminace

Biosynthesa RNA – Mechanismus transkripce Posttranskripční modifikace Transkripcí vznikají prekorsory všech typů RNA, k jejich převedení do konečné aktivní podoby, dříve než opustí jádro, slouží posttranskripční úpravy. Zahrnují tři druhy procesů: Štěpení fosfodiesterových vazeb v upravených velkých prekursorech a případné spojování vzniklých fragmentů. Připojení nukleotidů ke koncům řetězců RNA. Specifické chemické modifikace některých nukleotidových zbytků.

Mutace Mutace je změna určitého genu. V přírodě vznikají mutace spontánně nebo mohou být vyvolány mutagenními vlivy. Základem genové mutace je změna sekvence nukleosidů v DNA. Genová mutace může nastat: .změnou base či basí (bodová mutace) .posunem basí, způsobeným buď ztrátou páru basí (delece), nebo včleněním jiné base do sekvence (inserce) Všechny modifikace struktury DNA mohou vést k mutaci pouze tehdy, uplatní-li se v procesu replikace. Relativní stabilita DNA in vivo je zvýšena opravnými mechanismy, které jsou schopny v době mezi dvěma replikacemi chybu nejen identifikovat, ale i odstranit. Opravné mechanismy mají velký význam, neboť všechny buňky jsou více či méně kontinuálně vystaveny mutagenním vlivům, které mohou poškodit jejich genetickou výbavu. Mutagenesu a karcinogenesu je tak možné chápat jako selhání opravných mechanismů.

Proteosynthesa - Proteosynthetický aparát Ribosomy Ribosomy jsou buněčnými továrnami na výrobu bílkovin, sestávají ze dvou podjednotek – malé a velké. V průběhu proteosynthesy dochází k intenzivní disociaci a asociaci ribosomů. Při proteosythese se ribosom posunuje po mRNA, je v přímém styku s ribosomem vždy jen velmi krátký úsek matrice. Na jednu molekulu mRNA se současně může vázat několik ribosomů. Tím výrazně zvyšuje efektivita procesu výroby bílkovin a buňka vystačí s relativně malým množstvím mRNA. Komplex mRNA s více ribosomy se nazývá polysom. Polysomy mohou být různě velké podle rozsahu mRNA a mohou zahrnovat 3 až 20, ale i 50 až 100 ribosomů. Ribosomy mají řadu vazebných míst. Klíčový význam mají dvě oblasti, nazvané aminoacylové místo (místo A) a peptidové (peptidylové) místo (místo P). U eukaryot se sekreční bílkoviny většinou synthetisují na ribosomech vázaných na membrány endoplasmatického retikula.

Proteosynthesa - Proteosynthetický aparát Aktivované aminokyseliny Každá z 20 aminokyselin má nejméně jeden specifický aktivační enzym aminoacyltRNA-ligasa. Pro svou plnou aktivitu potřebuje ionty Mg2+ a tvorbu aminoacyl-tRNA realisuje jako dvoustupňový proces. Matrice Aktivní formy mRNA obsahují na obou koncích struktury, které se nepřekládají. Úvodní sekvence (angl. leader sequence), nazývaná též iniciační, usnadňuje rozpoznání iniciačních signálů translace a koncová sekvence rozpoznání signálů pro ukončení synthesy peptidového řetězce.

Translační faktory Jsou rozpustné bílkoviny cytoplasmy, vytvářejí komplex s GTP, který funguje jako allosterický efektor.

Iniciace probíhá ve třech fázích: 1.

Disociace ribosomu: na 40S-ribosomální podjednotce je vázán iniciační faktor eIF-3, který se v závěru podílí na oddělení ribosomální 40S a 60S podjednotky. V buňkách eukaryot váže iniciační faktor eIF-2 specifickou iniciační aminoacyl-tRNAi (konkrétně Met-tRNAiMet) s GTP a spolu s 40S-ribosomální podjednotkou vytváří vstupní komplex.

2.

V dalším kroku se vstupní komplex naváže na mRNA a vytvoří tak za účasti nejméně tří dalších faktorů, souhrnně označovaných jako eIF-4, iniciační 40S-komplex. Tento krok vyžaduje přítomnost GTP. Met-tRNAiMet rozpozná antikodonovou sekvencí startovací kodon AUG na mRNA, a tím se nastaví začátek “čtení”.

3.

V závěru iniciace vzniká 80S-iniciační komplex za spoluúčasti iniciačního proteinu eIF-5 navázáním 60S-ribosomové podjednotky na 40S-iniciační komplex. To je doprovázeno uvolněním iniciačního faktoru eIF-2 a rozštěpením GTP na GDP a fosfát.

Elongace peptidového řetězce spočívá v postupném vřazování zbytků dalších aminokyselin do synthetisovaného řetězce. navázání aminoacyl tRNA do vazebného místa “A” iniciačního komplexu

ELONGACE přenesení vzniklé peptidyltRNA z vazebného místa “A” na “P”

vytvoření peptidové vazby mezi aminokyseli nami

Terminace Ve vazebném místě “A” stop-kodony UAG, UAA nebo UGA, dochází k vazbě bílkovinného uvolňovacího faktoru na ribosom. Tento protein využívá molekuly vody pro nukleofilní atak karbonylového uhlíku Cterminální aminokyseliny (místo další aminokyseliny). Závěrečný krok po uvolnění polypeptidového řetězce je rozpad ribosomu na podjednotky, které se tím připraví k zahájení synthesy další bílkoviny. Rychlost proteosynthesy je značná – za 1 sakundu se naváže 20 až 40 aminokyselinových zbytků, takže za jednu minutu může být synthetisováno 6 molekul bílkoviny o Mr = 4 . 104. Pro srovnání: při laboratorní přípravě peptidů se za den naváže je několik aminokyselinových zbytků.

Posttranslanční modifikace peptidových řetězců Uvolněný polypeptidový řetězec si svoji terciární strukturu formuje samostatně (jeho konformace závisí na primární struktuře) a většinou je již plně funkční. Přesto však bývá uvolněný protein z různých důvodů dále modifikován několika způsoby: Formylová skupina: Koncového AN-formylmethioninu prokaryot bývá odštěpena účinkem formylmethionindeformylasy, jedna či několik A-koncových aminokyselin může být odštěpeno působením aminopeptidas. Oxidací vhodných skupin-SH cysteinylových zbytků se mohou vytvářet pevné disulfidové můstky. Tyto můstky se podílejí na stabilizaci terciární struktury. Modifikují se postranní řetězce některých aminokyselinových zbytků. V kolagenu je tak hydroxylován prolin na hydroxyprolin a lysin na hydroxylysin. To ale znamená, že poloha hydroxyprolinu a hydroxylysinu v řetězci není přímo řízena DNA; prolinový triplet tak kóduje i hydroxyprolin a lysinový triplet kóduje i hydroxylysin. Odštěpením určitých “krycích” částí polypeptidového řetězce se z dosud inaktivní bílkoviny získá funkční protein.

Antibiotika a proteosynthesa Řada z antibiotik zasahuje i do proteosynthesy, popřípadě i do synthesy nukleových kyselin. Mechanismus jejich účinku je různý. Na malou ribosomální podjednotkou ribosomů prokaryot se váže streptomycin (a další aminoglykosidová antibiotika), zkřiví ji a způsobí tím chybné interakce kodon-antikondon. Vazba tetracyklinu na ribosomy prokaryot zabraňuje navázání aminoacyl-tRNA na vazebné místo „A“ ribosomů. Inhibici translokace způsobuje erythromycin. Peptidyltransferasu prokaryot specificky inhibuje chloramfenikol, který je jinak chemicky nejjednodušší antibiotikum a proto se vyrábí i syntheticky. Tím, že různá antibiotika zasahují proteosynthesu na různých místech, mají i značný význam při jejím studiu. V něm se uplatnila i antibiotika, která jsou jinak příliš toxická pro klinické využití. Biosynthesa peptidových antibiotik, jako jsou např. valinomycin, gramicidin S, aktinomycin, bacitracin, tyrothricin a další, neprobíhá na ribosomech, ale na multienzymových komplexech, které řídí a provádějí synthesu peptidu bez zásahu nukleových kyselin.

Tento výukový materiál vznikl v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0296 „Mezioborové vazby a podpora praxe v přírodovědných a technických studijních programech UJEP“, spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.