PEPTIDY, BÍLKOVINY Definice: Bílkoviny (proteiny) jsou makromolekulární látky, které vznikají spojením sto a více molekul různých aminokyselin peptidickou vazbou. Obsahují atomy uhlíku (50 až 55%), vodíku (6 až 7%), kyslíku (20 až 23%), dusíku (12 až 17%), někdy také síru, fosfor a jod. Peptid je látka, ve které je vázáno jen 2 -99 aminokyselin peptidickou (peptidovou) vazbou. Obecný vzorec: V organismech se vyskytují zejména bílkoviny tvořené tzv. α aminokyselinami, které mají obě charakterické skupiny navázané na stejný α -uhlík: α kyselá karboxylová skupina zásaditá aminoskupina
–COOH –NH2
-
Zařazení a zdroje: Bílkoviny tvoří spolu se sacharidy a tuky jednu ze tří základních živin. Od ostatních živin se liší obsahem dusíku, ten je vázán v aminokyselinách (AK). Rostliny vytváří AK z anorganických látek - dusitanů a dusičnanů, které přijímají kořeny ve vodě. Heterotrofní organismy přijímají dusík z AK v potravě, enzymaticky je štěpí v trávícím traktu a tvoří si z nich v játrech vlastní AK. Tělo člověka obsahuje jen 20 AK, ale 9 z nich neumí samo vytvořit, jsou to tzv. esenciální AK. Přijímáme je z rostlinné potravy, nejvíce bílkovin obsahují luštěniny (čočka, fazole, hrách), méně již obiloviny a brambory. Zdrojem živočišných bílkovin jsou zejména mléčné výrobky, maso, vejce. Bílkoviny jsou v těle degradovány na CO2, H2O a močovinu H2N – CO - NH2. Nadbytek bílkovinné stravy bůže vyvolat hromadění močoviny v tělních dutinách, kloubech (artritida, dna – nemoc králů). Funkce: Spolu nukleovými kyselinami jsou podstatou všech živých organismů. Cokoliv je živé, obsahuje tyto 2 skupiny látek, protože ve vzájemné součinnosti zajišťují, aby se genetický kód zapsaný v NK ztvárnil v živém organismu (histony v chromozomech blokují či „odkrývají“ přepis DNA). Stavební: tvoří tkáně - pojiva (kolagen, elastin, keratin), svalstvo (aktin, myosin), součást tělních tekutin, cytoplazmy. Řídící: jsou základní složkou enzymů, podstatnou některých hormonů (insulin), jsou součástí receptorů na povrchu buněk Transportní: např. hemoglobin Ochranné a obranné (imunoglobulin, fibrin, fibrinogen) Všechny proteiny mají schopnost působit jako antigen, průnik cizorodé bílkoviny do organismu vyvolá tvorbu protilátek. -
Vlastnosti -
-
Většinou jsou rozpustné ve vodě a ve zředěných roztocích solí (tvoří pravé roztoky). Rozpustností se pro jednotlivé druhy bílkovin liší: fibrilární bílkoviny, které jsou stavebním materiálem organismů, se ve vodě nerozpouštějí (např. kolagen); globulární proteiny, které plní v organismu různé biologické funkce (např. fc. enzymů), jsou rozpustné ve vodě, ale tvoří koloidní roztoky (albuminy, globulin) Denaturace - změna nativní struktury vlivem tepla, pH, detergenty, organických rozpouštědel (ethanol), močoviny, kyselina sulfosalicylové (acylpirin), iontů těžkých kovů jsou bezbarvé látky, k výjimkám patří hemoproteiny a flavoproteiny, které řadíme mezi pigmenty.
1 Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143
Bílkoviny a peptidy dávají barevné reakce založené na reaktivitě peptidové vazby nebo volných koncových skupin, toto se využívá v klinické praxi k důkazu bílkoviny Elektroforéza - metoda využívaná k oddělení jednotlivých bílkovin. Ty mají v AK desítky ionizovatelných skupin, proto mají různě velký kladný či záporný náboj a mohou putovat v elektrickém poli. Např. kladně nabité bílkoviny putují k záporné elektrodě. V závislosti na pH prostředí mohou mít bílkoviny výsledný náboj kladný nebo záporný. Při určitém pH se počet kladných a záporných nábojů v molekule vyrovná a celkový náboj bílkoviny je roven nule (tzv. izoelektrický bod). Při pH izoelektrického bodu se protein nepohybuje v elektrickém poli.
-
H+
OH-
Typy AK v bílkovinách: a) b) c) d) e)
Neutrální (glycin Gly (G), alanin Ala (A), valin Val (V), Leucin Leu (L), Isoleucin Ile (I) Kyselé, s karboxylovou nebo amidovou skupinou na postranním řetězci: kyselina asparagová Asp (D), asparagin Asn (N), kyselina glutamová Glu (E), Glutamin Gln (Q) Basické s aminovou skupinou na postranním řetězci: arginin Arg (R), lysin Lys (K) Se sírou v postranním řetězci (Methionin Met, Cystein Cys) Heterocyklické: Prolin Pro (P)
Struktura bílkovin: Aminokyselin jsou vzájemně vázány peptickými vazbami a tvoří tzv. polypeptidy. Jejich nabité skupiny se vzájemně přitakují a způsobí uspořádání zkracující dálku řetězců. Ty se dále v prostoru tvarují trojrozměrných útvarů. Vzniká bílkovina - její vlastnosti jsou dané pořadím a specifickými chemickými vlastnostmi jednotlivých aminokyselin a tvarem daného proteinu. Podlouhlé bílkoviny tvoří fibrily pojiv (kolagen, elastin), kulovité mají uprostřed vazebná místa pro jiné látky, sférické jsou vhodné např. ke stavbě oválných červených krvinek. Rozeznáváme 4 úrovně prostorové struktury: Primární, sekundární, terciární, kvartérní.
1. Primární struktura je dána pořadím aminokyselin v polypeptidovém řetězci. Obecný zápis vzniku dipeptidu: AK1 + AK2 → AK1 – AK2 + H2O
Obecný zápis peptidické vazby:
– CO – NH –
Příklad: Gly + Ala → Gly - Ala + H2O NH2-CH2-COOH + NH2-CH(CH3)-COOH → NH2-CH2-CO-NH-CH(CH3)-COOH + H2O Příklad primární struktury hexapeptidu:
Gly – Ala – Ser– Phe – Glu – Val
2 Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143
http://fld.czu.cz/vyzkum/nauka_o_lp/chemie/aminokyseliny.jpg http://www.aktin.cz/obrazky/thumb/4937.gif viz předepsaná učebnice Biologie pro gymnázia, přehled proteinogenních aminokyselin, kapitola Doplňky
2. Sekundární struktura bílkovin je prostorové uspořádání několika po sobě jdoucími AK, které tvoří např. • alfa helix • strukturu skládaného listu Stáčení řetězců v prostoru umožňují kovalentní vazby bisulfidických můstků sírné aminokyseliny cystein, které vznikají mezi – SH skupinami
Cystein
Struktura insulinu (peptid, bisulfidické můstky)
Z primární struktury v prostoru vzniká sekundární terciární struktura
3. Terciární struktura bílkovin je trojrozměrné uspořádání celého peptidového řetězce. 4. Kvartérní struktura je uspořádání podjednotek bílkoviny, které jsou navzájem spojeny nekovalentními vazbami Kvartérní prostorové uspořádání těchto podjednotek zajišťuje danou funkci bílkoviny. Takto jsou uspořádány jen složitější komplexy bílkovin, např. hemoglobinu či vlákna kolagenu.
Rozdělení bílkovin: 1. jednoduché – obsahují jen peptidické řetězce 2. složené – obsahují nebílkovinnou složku (prostetickou skupinu) a) skleroproteiny- vláknité, nR v H2O, stavební fc. (kreatin – vlasy a nehty, kolagen - pojiva, vzniká z něho varem želatina) b) prostetická skupina vytváří reakční centrum, které umožňuje biochemické reakce fosfoproteiny (kasein v mléce, váže Ca) glykoproteidy – mukózní sekrety sliznic chromoprotieny – obsahují navázané kationy kovů – hemoglobin-Fe2+ lipoproteidy - transport cholesterolu k buňkám nukleoproteiny (histony – buněč. jádro)
Schéma kvartérní struktury hemoglobinu
Nukleoprotein
3 Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143
Schéma buněčné membrány - motel tekuté mozaik y1. glykolipid 2. alfa-helix protein 3. oligosacharidový boční řetězec 4. fosfolipid 5. globulární protein 6. hydrofobní část alfa-helix proteinu 7. cholesterol Příklady využití bílkovin v průmyslu či lékařství: 1. potravinářství – přirozená výživa organismů, 2. krmné směsi pro dobytek (kostní moučka) 3. biotechnologie - kultivované enzymy pro produkci látek mimo těla organismů v různých průmyslových odvětvích 4. ve sportu jsou hormony zneužity pro nárůst výkonnosti sportovců 5. kosmetický průmysl (kolagen) 6. zvýšení obranyschopnosti organismu - očkování protilátkami 7. protilátky slouží pro určení nemocí na základě jejich detekce v krvi Odkazy a základní doporučená literatura: MAREČEK, Aleš; HONZA, Jaroslav. CHEMIE pro čtyřletá gymnázia: 3. díl. 1. vydání, reprint 2005. Olomouc: NAKLADATELSTVÍ OLOMOUC, s.r.o., 2005. 255 s. ISBN 80-7182-057-1. JELÍNEK, Jan, ZICHÁČEK, Vladimír. Biologie pro gymnázia. 9. rozšířené vydání., 2007. Olomouc: Nakladatelství Olomouc, s.r.o., 2007. 574 s. ISBN: 978-80-7182-213-4. KOTLÍK, Bohumír a Květoslava RŮŽIČKOVÁ. Chémia II. v kocke. 1. vydání. Havlíčkův Brod: Fragment, 1996. 135 s. ISBN 80-88879-97-3. NEZNÁMÝ. wikipedia [online]. [cit. 9.5.2014]. Dostupný na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Proinsuline_schematic_topological_diagram.svg MENZEL. wikipedia [online]. [cit. 9.5.2014]. Dostupný na WWW: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a9/Protein_folding.png MENZEL. wikipedia [online]. [cit. 9.5.2014]. Dostupný na WWW: http://www.wikiskripta.eu/images/2/2f/Hemoglobin3.jpg SPLETTSTOESSER. wikimedia [online]. [cit. 7.1.2014]. Dostupný na WWW: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Nucleosome1.png DAEDALUS. www.wikipedia.org [online]. [cit. 9.5.2013]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:CellMembraneDrawing_numbered.jpg
4 Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143
http://sph.bu.edu/otlt/mph-modules/ph/ph709_a_cellular_world/ProteinStructure.jpg
5 Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143
PEPTIDY A BÍLKOVINY Pracovní list Pozorně si přečtěte úvodní informace, nastudujte zápisy vzorců z předepsané literatury a seznamu předepsaných základních pojmů.Poté vyvozujte odpovědi, dohledejte údaje či odpovídejte na přímo zadanou otázku. 1
Definujte pojem bílkovina.
2
Popište, z které skupiny látek vznikají bílkoviny. Které charakteristické skupiny mají aminokyseliny? Napište obecný vzorec AK a vyznačte alfa uhlík Jaký je rozdíl mezi peptidem a bílkovinou? Jaké funkci v těle plní bílkoviny? Vyjmenujte 5 názvů bílkovin lidského těla. Dohledejte, které hormony mají bílkovinnou povahu. Co je to antigen? Jakou reakci v těle vyvolá? Popište stavbu a funkci hormonů: insulin a glukagon. Popište fyzikálně chemické vlastnosti bílkovin. Napište rovnici vziku peptidické vazby Napište vzorec aminokyseliny alanin Vyhledejte, jak se jmenuje tato AK, objasněte pojem aromatická AK. Objasněte pojem fenylketonúrie. Co je to elektoforéza? Napište pentapeptid složený jen z neutrálních aminokyselin. Objasněte pojem polyklonální protilátka. Napište rovnici, kdy dochází k reakci alaninu a serinu a barevně vyznačte vzniklou peptidickou vazbu. Popište ve větách typ struktury bílkoviny:
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
primární sekundární terciární kvartérní 21 Doplňte názvy aminokyselin do tabulky: Kyselá AK
Bazická AK
Aromatická AK
Sírná aminokyselina
6 Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143
Zdroje obrázků pracovního listu: • •
VÍTEK, Antonín. Wikipedia.cz [online]. [cit. 8.9.2013]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Mol_geom_fenylalanin.PNG EN:USER:CBURNETT. Wikipedia.cz [online]. [cit. 8.9.2013]. Dostupný na WWW: http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Autorecessive.svg
Příloha:
Téma: AMINOKYSELINY, PEPTIDY BÍLKOVINY, POLYMERY povinné vzorce, pojmy Amoniak Kovalentní vazba Aminoskupina Karboxylová skupina Charakteristická skupina Aminokyselina α-uhlík α- aminokyselina Beta aminokyselina Peptidická vazba Dipeptid Peptid Bílkovina Glycin Alanin Serín Aromaomatická aminokyselina Fenylalanin Fenylkentonúrie Heterocyklická aminokyselina Prolin Bazická aminokyselina Histidin Histony Kyselá aminokyselina Kyselina glutamová Elektroforéza Makromolekulární látka Denaturace Silon (polyamid) H2N[(CH2)5CONH]n(CH2)5COOH
Sirná aminokyselina Cystein Bisulfidický můstek Methionin Insulin Glukagon Pepsin Tripsin Primární struktura Sekundární struktura Alfa helix Struktura skládaného listu Terciární struktura Kvartérní struktura Skleroproteiny Globulární bílkoviny (globulíny a albubíny) Nukleoproteiny Lipoproteiny Integrální bílkoviny Přilehlé bílkoviny Glykoproteiny Hemoglobin Myoglobin Kasein Keratin Kolagen Protilátky Antigeny Polyklonální protilátka Enzym Prostetická skupina
7 Reg. č. projektu CZ.1.07/1.1.00/14.0143
