P 503

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

ÚVOD DO BIOCHEMIE KCH / P 503 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.

Úvod

• • • •

Co je biochemie? Charakteristika živých systémů Chemické složení živých systémů Buňka a její organely

Co je biochemie? Biochemie je chemie života. Biochemie statická: je nauka o látkovém složení živých objektů.

Biochemie dynamická: je nauka o vzniku a dalším osudu jednotlivých látek v organismech. Funkční biochemie: trávení, vidění, nervové činnosti, klíčení apod.

Biochemie organizační nebo biochemie struktur: uspořádání jednotlivých molekulových složek a biochemických dějů.

Charakteristika živých systémů

Aktivní vztah k okolnímu prostředí Homeostasa Časově omezená existence Samoreprodukce

Chemické složení živých systémů (1) Biogenní prvky Rozdělení: I. Makroprvky - podíl > 0,005 % C, H, N, O, P - základní biogenní prvky S, Ca, Mg, Na, Cl, K, Fe II. Mikroprvky - podíl < 0,005 % Zn, Mn, Cu, Mo, I, Co, B, F, Br, Se, As, Si, Al, Ti, V

Chemické složení živých systémů (2) Anorganické sloučeniny H2O CO2 NH3 Minerály: Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, HCO3-, SO42-, HPO42- … Koordinační sloučeniny iontů některých kovů

Chemické složení živých systémů (3) Organické sloučeniny Bílkoviny Nukleové kyseliny Sacharidy Lipidy Konečné produkty a meziprodukty látkové přeměny

Přehled látkového složení živých systémů 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Voda Bílkoviny Nukleové kyseliny Sacharidy Lipidy O st. O rg. Látky O st. Anorg. Látky

Člověk

Rostlina Kvasinka Baterie

Průměr

Hlavní úlohy biomolekul v organismu
Stavební
Provozní
Zásobní
Řídící

Buňka a její organely

Fyzikálně-chemické základy biochemie 1. Co je to optická izomerie? Co je její příčinou a jak nazýváme optické izomery? Jaké způsoby jejich znázornění znáte? 2. Vyjmenujte základní typy vazeb a slabších interakcí v chemických sloučeninách a vysvětlete jejich význam pro konformaci molekul. 3. Vysvětlete význam katalýzy pro průběh chemických reakcí. 4. Vysvětlete základní termodynamické pojmy (entalpie, entropie, Gibbsova energie). 5. Co to jsou „spřažené reakce“ a jaký význam mají pro průběh dějů v živých systémech? 6. Co je stacionární stav? Co je rovnovážný stav? Jaký rozdíl mezi stacionárním a rovnovážným stavem?

Aminokyselina • • • • •

Struktura, Fischerovy vzorce Kódované aminokyselina Elektrochemické vlastnosti Chemické vlastnosti Biochemické vlastnosti

Struktura - Fischerovy vzorce 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

O

O

+ H3N

H

Kódované aminokyseliny (1)

R

Aminokyselina bez postranního řetězce -R

Název

Symbol

pKa

-H

glycin

Gly, G

2,34; 9,60

Aminokyseliny s alifatickým postranním řetězcem -CH3

alanin

Ala, A

2,34; 9,69

-CH(CH3)2

valin

Val, V

2,32; 9,62

- CH2CH(CH3)2

leucin

Leu, L

2,36; 9,60

Ile, I

2,26; 9,62

- CH(CH3)CH 2CH3 Isoleucin

O

O

+ H3N

H

Kódované aminokyseliny (2)

R

Aminokyseliny s polárním postranním řetězcem -R

Název

Symbol

pKa

-CH2OH

serin

Ser, S

2,21; 9,15

-CH(OH)CH3

threonin

Thr, T

2,15; 9,12

- CH2SH

cystein

Cys, C

- CH2CH2SCH3

Methionin

Met, M

1,71; 10,78; 8,33 (SH) 2,28; 9,21

O

-

O

+ H3N

H

Kódované aminokyseliny (3)

R

Aminokyseliny s polárním postranním řetězcem -R

Název

Symbol

pKa

-CH2COO-

asparagová k.

Asp, D

2,09; 9,82; 3,86 (β−COO-)

-CH2CH2COO- glutamová k.

Glu, E

2,19; 9,67; 4,25 (γ−COO-)

- CH2CONH2

asparagin

Asn, N

2,02; 8,80

- CH2CH2CONH2

glutamin

Gln, Q

2,17; 9,13

O

O

+ H3N

H

Kódované aminokyseliny (4)

R

Aminokyseliny s polárním postranním řetězcem -R

Název

Symbol

pKa

-(CH2)4NH3+ lysin

Lys, K

2,20; 8,90; 10,28 (ε−NH3+)

-(CH2)3NHC=NH2+arginin  NH2

Arg, R

2,17; 9,04; 12,48 (Gua+)

his, H

1,82; 9,17 ; 6,0 (Im+)

H+ N

CH2 N H

histidin

O

O

+ H3N

H

Kódované aminokyseliny (5)

R

Aminokyseliny s aromatickým postranním řetězcem -R

Název

Symbol

-CH2C6H5 -CH2C6H4OH(p)

fenylalanin tyrosin

Phe, F Tyr, Y

tryptofan

Trp, W

CH2

pKa 1,83; 9,13 2,20; 9,11; 10,07 (OH) 2,38; 9,39

N H

Aminokyseliny s cyklickým postranním řetězcem + N H2

O O

-

prolin

Pro, P

1,99; 10,60

Elektrochemické vlastnosti (2) • Isolektrický bod pI: Hodnota pH prostředí, v němž je celkový náboj nulový (amfolyt ve formě amfiontu) • • pI = (pKa1 + pKa2)/2

pH

pKa2 pI

pKa1 VOH-

Chemické vlastnosti (1) Karboxylová skupina může vytvářet funkční deriváty zejména: H

amidy:

estery:

O

-

+ H3N

H

+ H2N R

O

H

O

R'

H2N

-

+ H3N

+ HO

R'

R

O

H

O

H2N

O

R

NH R'

R

+

H2O

+

H2O

R'

O

O

smíšené anhydridy:

H

O

+ H3N

+ O

R

O

O -

P O

H O R'

-

O

H2N

P O

R

O

O -

R' +

H2O

Chemické vlastnosti (2) Aminoskupina může vytvářet H

O

+ CO2 + H3N

karboxamidy:

R

O HO

H

OH

R

O

H

O

NH

O

O H

acylamidy:

R'

COO- +

-

NH

H R'

R'

+ H3N R

Schiffovy base:

O

-

O

O

+ CHO + H3N

-

R'

+ R

O

H

OH

+

N R

O

R

O

H2O

H2O

Chemické vlastnosti (3) Specifická reakce seskupení aa-aminokyseliny s ninhydrinem O

O COOR

COO-

HO

NH2 +

R HO

H

H O ninhydrin O

R

O +

+

N

O O

H2O

H2N

R

CH

-

CO2

N

H O 1-oxy-2-amino-3-oxoinden

O

-

O

HO

OH

NH3 + H

OH

O hydrindantin

O

N

H2O O

O

ninhydrin O

O O barevný produkt

2 H2O

Aminokyseliny 1. Co jsou kódované aminokyseliny? Znázorněte jejich konfigurace ve Fischerově vzorci. 2. Napište rovnice disociace glycinu! 3. Co je isolektrický bod pI? Vypočtěte isolektrický bod Kyseliny asparagové pK1 = 2,0, pK2 = 3,9, pK3 = 10,0 Lysinu pK1 = 2,2, pK2 = 9,2, pK3 = 10,8 Rozpustí-li se tyto látky ve vodě na roztoky stejných koncetrací, jak se bude lišit jejich pH? 4. Jaký náboj mají animokyseliny s bazickým postranním řetězcem, kyselým postranním řetězcem v neutrálním prostředí? 5. Vypočtěte pH roztoku prolinu 0,1 mol/l. pK1 = 2,95, pK2 = 10,65. 6. Co je ninhydrinová reakce? k čemu tato reakce slouží? Napište reakce glycinu s ninhydrinem!

Peptidy

Peptidová vazba Názvosloví peptidů Přírodní peptidy

Peptidová vazba R

R H

H C* C O

H

C*

C*

C O

N H

H + N H

R O

H C

C* R

HH

C* R

O

C

N C*

C*

R

R

HH

H + N C* R

Názvosloví peptidů Oligopeptidy: do 10 aminokyselinových zbytků Polypeptidy: od 11 do 100 aminokyselinových zbytků. Názvosloví peptidů Aminoacylaminokyseliny: od N-konce k C-konci, např. alanyl-glycyl-glutamyl-asparaginyl-serin. U přírodních peptidů lze použít systém třípísmenkových zkratek, např. Ala-Gly-Glu-Asn-Ser, Ala-Gly-Glu-Asn-Ser

Přírodní peptidy (1) SH O

O

Glutathion (γγ-glutamylcysteinylglycin): O-

NH NH +

Nejznámější a nejrozšířenější

O

NH3

O

-

O

Výskyt: Je přítomen ve většině buněk, prvně byl isolován z droždí (1921). • 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.

Přírodní peptidy (2) 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

Přírodní peptidy (3) Peptidová antibiotika: Peptidová antibiotika obsahují často nekódované aminokyseliny včetně D-enantiomerů aproto toxická a resistentní vůči enzymům normálních buněk, např. Peptidové neuromodulátory Peptidové zootoxiny a fytotoxiny

cystein

R

D-valin

NH

S

CH3

O N

CH3

O

peniciliny

O O

-

Peptidy 1. Vysvětlete, proč je systém tvořený peptidovou vazbou planární! Jak jsou definovány torzní vazeb vycházejících z α-uhlíku? 2. Znázorněte prostorové uspořádání peptidových vazeb a popište jejich vlastnosti. Jaká je jejich stabilita a) v neutrálním prostředí b) v kyselém prostředí c) v bazickém prostředí d) vůči oxidaci 3. Nakreslete struktury následujících peptidů alanyl-glycyl-glutamyl-asparaginyl-seryl γ-glutamyl-cysteinyl-glycin 4. Nakreslete následující oligopeptidy a vyznačte iontové formy převažující při pH 7. Phe-Met-Arg Trp-Lys-Asp Gln-Ile-His-Thr

Peptidy 5. Nakreslete vzorce následujících oligopeptidů tak, aby jejich cysteinové zbytky byly spojeny disulfidovou vazbou: Val-Cys a Ser-Cys-Pro 6. Co jsou oligopeptidy, polypeptidy, proteiny? Jaký je důvod pro jejich rozdělení? 7. Kolik může existovat různých dipeptidů, tripeptidů, tetrapeptidů a pentapeptidů složených z 20 kódovaných aminokyselin? 8. Kolik může existovat různých pentapeptidů obsahujících vždy po jedné z následujících aminokyselin: Gly, Asp, Tyr, Cys a Leu?

Proteiny • Struktura: – Pořadí aminokyselin – primární struktura – Konformace řetězců a prostorová struktura – sekundární a vyšší struktura – Struktura - funkce

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

• Biologické funkce – – – – – – – –

Strukturní Katalytické Transportní Zásobní Pohybové Ochranné Signální Receptorové

Struktura proteinů Protein obsahuje více než 100 aminokyselin. zbytků, Mr > 10000.

U proteinů rozlišujeme primární strukturu, danou kovalentními vazbami mezi jednotlivými atomy (která tedy odpovídá struktuře nízkomolekulárních látek), struktury vyšších řádů, odpovídají konformaci molekul.

Prostorová struktura proteinů Sekundární struktura (1)

Tvorba vodíkových vazeb mezi kyslíkem karbonylu a skupinou –NHpeptidového seskupení

Prostorová struktura proteinů Sekundární struktura (2)

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.

Prostorová struktura proteinů Sekundární struktura (3) β-struktura (β-hřeben, struktura skládaného listu): vzájemné propojení mezi dvěma peptidovými řetězci probíhajícími paralelně nebo antiparaleně.

Typ stavby molekul proteinů Terciální a kvartérní struktury 1) vláknité - fibrilární U fibrilárních proteinů jsou peptidové řetězce více či méně nataženy a spojují se vzájemně příčnými vazbami v makroskopická vlákna. Tento typ bílkovin má význam zejména pro tvorbu biologických struktur a jejich mechanickou funkci, např. bílkoviny plnící funkce konstrukční, podpůrné a krycí a bílkoviny odpovědné za kontrakci svalů.

2) s oblým tvarem molekuly - globulární V globulárních proteinech je peptidová ”páteř” molekuly sbalena do klubíčka (globule). Bílkoviny tohoto typu mají většinu biologických funkcí. Globulární bílkoviny jsou vesměs ve vodě rozpustné a jejich molekula se podobá micele: má nepolární jádro a polární obal.

Struktura fibrilárních proteinů Makroskopická a molekolová struktura vlasu - Příklad struktury helixu

Fibroin z hedvábí - Příklad struktury skládaného listu

Struktura globulárních proteinů Terciární struktura 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.

Struktura globulárních proteinů Kvarterní struktura Specifická asociace několika polypeptidových řetězců do komplexní stabilní makromolekuly

Struktura - funkce Realizace biologických funkcí proteinů

Význam 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.

Denaturace proteinů Nativní forma – konformace, v níž bílkoviny vznikají a fungují v organismech. Denaturace - porušení nativní konformace působením řady fyzikálních a chemických vlivů Fyzikální vlivy: zvýšená teplota rozptýlení bílkoviny na velkém povrchu (např. pěním). Chemické vlivy: působení silných kyselin a zásad, které ruší iontové vazby, organických rozpouštědel a tenzidů, které narušují nepolární vazby, sloučeniny s mimořádnou schopností tvorby vodíkových vazeb, které omezují jejich tvorbu v bílkovinné globule.

Denaturace proteinů v praxi Pozitivní význam v praxi: • Tepelné úpravy potravy: Denaturované bílkoviny jsou přístupnější hydrolytickým enzymům, a proto lépe stravitelné. • Tepelné i chemické sterilizace: Denaturace ničí choroboplodné zárodky • Desinfekční účinky tensidů: jsou důsledkem denaturačního vlivu. • Denaturace se také využívá k odstranění bílkovin (deproteinaci) např. ze vzorků pro klinickou a biochemickou analýzu, ale také v potravinářství (např. při výrobě piva).

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 fyzikálního hlediska 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.

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 bílkovin – – – – – – – –

Strukturní Katalytické Transportní Zásobní Pohybové Ochranné Signální Receptorové

Proteiny 1. Vysvětlete rozdíly mezi různými typy sekundární struktury bílkovinných molekul. 2. Jakých slabých interakcí ve formulování vyšších struktur bílkovin se účastní nepolární postranní řetězci, polární postranní řetězci a postranní řetězci s nábojem? 3. Jaké základní typy stavby molekul bílkovin znáte? Jak se liší? Jaký je vztah mezi typy stavby molekul bílkovin a jejich rozpustností ve vodě? 4. Vlas lze mnohem snadněji rozstřihnout podél jeho osy, zatímco nehty lze ustřihnout snadněji příčně než podélně. Jaká je orientace fibril keratinu ve vlasech a v nehtech?

SACHARIDY • • • •

Funkce Rozdělení sacharidů Monosacharidy Glykosidy Oligosacharidy a polysacharidy Složené sacharidy - Glykoproteiny Heteroglykosidy

Funkce -

zdroj energie stavební složky buněk a tkání zásobní látky (glykogen, škrob) složky nukleotidů a jiných účinných látek prekursory lipidů, aminokyselin, kyseliny askorbové a jiných významných složek živých soustav.

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

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

Monosacharidy – nomenklatura (1) 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

Monosacharidy – nomenklatura (2) aldohexosy (C6)

ketohexosa

ketoheptosa (C7) OH

O

O

O

OH

H

O

O

H HO

OH H

H

OH HO

HO

H

HO

H

OH HO

H

H

H

OH

OH

OH D-glukosa

H

OH D-galaktosa

H

H

HO

HO

OH

H

OH

OH

H

OH

OH D-manosa

H

H

OH D-fruktosa

H

OH

H

OH

H

OH

OH D-sedoheptulosa

Monosacharidy Fischerovy a Haworthovy vzorce Většina monosacharidů vytváří kyslíkatý heterocyklus 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

Cyklizací molekuly monosacharidu vzniká další centrum chirality. Tvoří se dvě isomerní formy α a β, nazývané anomery.

Monosacharidy - Mutarotace Všechny cyklické formy jsou ve vzájemné rovnováze, která závisí na prostředí, v něm se cukr nachází.

H

OH H

H OH

OH

HO

H α OH

HO H

H

OH

α-D-glukopyranosa

H H

O OH

OH H

H OH

H OH

β

O OH H

HO

H H

OH

OH

CH2OH D-glukosa

β-D-glukopyranosa

S anomerací se mění optická otáčivost – mutarotace.

Monosacharidy – deriváty (1) Alditoly, polyoly (–itol): vznikají redukcí karbonylové skupiny

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.

Monosacharidy - deriváty (2) Aldonové kyseliny (-onát): vznikají oxidací pouze aldehydové skupiny. Aldarové kyseliny (-arát): vznikají oxidací karbonylu i koncové primární alkoholové skupiny; sloučeniny této řady nemají biochemický význam.

Alduronové kyseliny (-uronát): vznikají oxidací pouze koncové primární alkoholové skupiny. HO

O

HO

O O

H HO H H

OH H OH OH

OH kyselina D-glukonová

H HO H H

OH H OH OH

O OH kyselina D-glukarová

HO H HO

OH H

H

H OH

O OH H

H

OH

H

OH

H

O

OH

kyselina D-glukuronová

HO

OH OH

Monosacharidy - deriváty (3) Fosforečné estery jsou metabolická forma monosacharidů.

O

OH H

O

OH

H OH

H

HO

O

1

O H

P

OH

O

O

P

O

O

-

OH

6

H

O HO OH

H

-

OH

D-glukosa-1-fosfát

H

D-fruktosa-6-fosfát

O O

P

O

O

O H

O

6

H OH

OH H

HO

O

6

O

H

O HO

OH

D-glukosa-6-fosfát

1

O

OH

P O

OH

H OH

H

P

O

H

D-fruktosa-1, 6-bisfosfát

O

Monosacharidy – deriváty (4) Deoxymonosacharidy Např. 2-deoxy-D-ribosa - základní složka DNA. HO

H

O H H

OH

H OH

OH H 2-deoxy-D-ribosa

H

H OH

HO

OH OH

H OH

H

H

NH2 D-glukosamin

H OH

HO

OH H OH

H

NHCOCH3

N-acetyl-D-glukosamin

Aminomonosacharidy Např. D-Glukosamin (2-deoxy-2-amino-D-glukosa) a D-galaktosamin (2-galaktosamin (2-deoxy-2-amino-D-galaktosa) jsou součástí antigenních determinantů a glykolipidů. N-acetyl-D-glukosamin je základní stavební jednotka polysacharidu chitinu, N-acetyl-D-galaktosamin je složka chondroitinsulfátu.

Monosacharidy – analýza (1) Kvalitativní důkazy využívají reaktivity hydroxylových a karbonylových skupin a schopnosti tvořit dehydratací deriváty 2-furaldehydu (furan2-karbaldehyd). OH O

HO

H

O H

H

OH

OH OH

H

O

H

H OH

O

OH

O

H

HO 2-furaldehyd (furfural)

HO

OH H

OH

5--hydroxymethyl-2-furaldehyd

Tento aldehyd snadno kondenzuje s aromatickými fenoly a aminy za vzniku barevných produktů: Thymolová reakce, Molischova reakce, Selivanova reakce, Schiffova reakce.

Monosacharidy – analýza (2) Thymolová reakce: Sacharidy např. glukosa, sacharosa, škrob, celulosa dávají s thymolem adukty karmínového zbarvení.

H3C

CH3 O

CH3 H3C

CH3

HO

H +

OH

2

R

OH CH3 H3C

CH3

R

CH3

Monosacharidy – analýza (3) Molischova reakce: reakce sacharidů s α-naftolem za vzniku červenofialového aduktu.

OH O

HO

OH

H + R

2 R

Monosacharidy – analýza (4) Selivanova reakce: slouží k rozlišení ketos od aldos, např. fruktosy od glukosy. S resorcinem reagují ketosy 20krát rychleji než aldosy. Vzniklý produkt: červený, červenohnědá sraženina.

OH O

HO

H + R

OH

2 OH OH

R

OH

Monosacharidy – analýza (5) Schiffova reakce: Touto reakcí rozlišíme pentosy od hexos. 2Furaldehyd (furfural) je těkavější než 5-hydroxymethyl-2-furaldehyd, 2-furaldehyd vzniklý dehydratací pentos lze vydestilovat a dokázat reakcí s anilinem.

H

H

NH2 NH

O O

+

2

HO N

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.

Oligosacharidy (1) Disacharidy: Maltosa [α-D-Glc-(1→4)-D-Glc]: Má jednu volnou acetalovou hydroxyskupinu, a proto je redukujícím cukrem. Maltosa se uvolňuje ze škrobu při klíčení ječmene (slad) a při trávení škrobu a glykogenu. 6

OH

3

2

OH

O

4 HO

1α

4

OH

5

O

5

OH OH

6

1α 2

O

3

OH

OH

6

OH

Cellobiosa [β-D-Glc-(1→4)-D-Glc]:

OH

HO 3

OH

OO 3

5 4

4

OH

6

2

OH

O OH

5

1β

2

OH

1β

Oligosacharidy (2) Disacharidy: Laktosa [β-D-Gal-(1→4)-D-Glc]: Má jednu volnou acetalovou hydroxyskupinu, je redukujícím cukrem. OH

6

HO 6 OH 4

HO 3

5 O 2 1β

OH

6 4

OH

O 5

O HO 3

2

OH

6

1α

OH OH

HO 4

OH

OH OO 3

5

O

5

4

1 2

α OH

OH

1β 2

3

OH

je součástí mléka savců a představuje hlavní zdroj uhlíku a energie u kojených mláďat.

Oligosacharidy (3) Sacharosa [α-D-Glc-(1→2)-β-D-Fru]: Její obě potenciální oxoskupiny jsou skryté v acetalové formě. Kruhy se nemohou otvírat, a sacharosa je proto neredukující cukr, nejeví mutarotaci a nemůže existovat v 6 OH anomerních formách. 5 6

OH

5 4

HO

OH

OH 1 O 2β HO

O 1α 2

O

3

OH

3

OH

4

4 OH 3

HO

2

1α

CH3O O 2β 5 HO 4 1 OH OH 3

HO 6

5 6

O

CH3

Je rozšířena transportní forma sacharidů u rostlin např. cukrová řepa, cukrová třtina. Průmyslově se vyrábí z těchto surovin. Používá se v potravinářství jako nejběžnější sladidlo a jako výchozí surovina pro různé biotechnologie.

Polysacharidy Mají různé vlastnosti: – některé se rozpouštějí ve vodě (amylosa), – jiné bobnají a tvoří viskózní roztoky nebo gely (např. pektiny), – některé jsou ve vodě zcela nerozpustné (např. celulosa). V přírodě existuje jen omezený počet polysacharidů (asi 300), většinou jsou směsi podobných polysacharidů, lišících se molekulovou hmotností. Stavebními jednotkami polysacharidů bývají často disacharidy např. stavební jednotka amylosy je maltosa, celulosy cellobiosa.

Polysacharidy - Prostorová struktura (1) Podle konformační analysy mohou lineární polysacharidové řetězce vytvářet čtyři základní uspořádané sekundární struktury. Preferovaná konformace vyžaduje orientaci OH-skupin usnadňují tvorbu vodíkových vazeb. V přírodních polysacharidech se běžně však vyskytují pouze dvě z nich: a) Tvar nataženého pásu b) Šroubovice (helix)

Polysacharidy - Prostorová struktura (2) a) Tvar nataženého pásu: Je to ideální konformace pro vznik vláken, jako je celulosa, chitin. H HO HO

OH

OH O OH

OH HO O HO

O

O HO

OH

O

HO O HO

OH

O

b) Šroubovice (helix): obvykle levotočivá, tuto konformaci preferuje amylosa. Počet glukosových jednotek na jeden závit šroubovice může být 6 až 8.

O

O

HO

O O O

O

O HO

O O

O O O O

O

H

H

OH O

Reservní polysacharidy (1) Škrob: Je směsí α- amylosy (asi 20 %) a amylopektinu (asi 80 %). – α-Amylosa je lineární polymer o několika tisíc glukosových jednotech spojovaných vazbou α(1→4) (Mr 40 000 do 150 000), hexikálně svinutý, ve vodě rozpustný.

OH

O

O OH OH

OH

OH 4 HO

1α

OH

4

OH

OH

4 HO

1α

O

O

O

O

1α

OH

OH 4

OH

4 HO

1α

1α

OH

O

O OH

O

O

1α

O

OH

OH

OH

OH

Reservní polysacharidy (2) – Amylopektin se skládá z glukosových zbytků, spojených vazbou α(1→4), má větvenou molekulu s vazbou α(1→ →6) přibližně vždy po 20 až 30 glukosových jednotkách. Relativní molekulová hmotnost se pohybuje kolem 50 000. Ve vodě bobtná. 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

Reservní polysacharidy (3) Glykogen Glykogeny mají stejnou molekulovou stavbu jako amylopektiny, ale jsou hustěji větvené: k větvení dochází průměrně po 12 glukosových jednotkách. OH H

H OH

OH

OH OH H

H

HO

H OH

OH H H

O H

OH

OH

H OH

H O

O H

H

OH

OH

OH H

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

OH

O

OH

OH H H

H OH

OH H H

O H

H

HO

O H

OH

H OH

OH

H OH

OH H H

OH

H OH

OH H H

O

O H

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

Stavební polysacharidy (1) 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 4

OH

OO

OH

4

OH

OO 4

OH

OH

OO

OH

4

O 4

OH

4

OH

1β

HO OH

OH

1β

O 1β

OH

OO

OH OH

1β

OH

1β

OH

1β

OH OH

Stavební polysacharidy (2) Hemicelulosy: v přírodě se vyskytující směs celulosy s látkami nesacharidové povahy (především s ligninem, fenolovým polymerem připomínajícím plastické hmoty) a dalšími polysacharidy, obsahující jako stavební jednotky různé monosacharidy (D-xylosu, D-galaktosu, L-arabinosu, D-glukosu a uronové kyseliny). Pektiny: částečně methylované poly-D-galakturonové kyseliny s vazbami α(1→4), přítomné ve střední buněčné lamele ovoce a jiných rostlinných pletivech. Chitin: homopolymer β(1→4)-vázaných N-acetylglukosaminových zbytků, je stavební polysacharid hub a členovců.

Mukopolysacharidy (1) Disacharidové jednotky obsahující hexosamin a deriváty uronových kyselin jsou pak spojovány glykosidovými vazbami 1→4 nebo 1→3 v lineární makromolekuly s tendencí tvořit v pevném stavu helikální konformace. O

Kyselina hyaluronová je důležitou mukopolysacharidovou složkou kloubního mazadla a očního sklivce

4

OH

O

O 1

β

O HO

D-glukuronurát

OH

O

β

1

3 HN

OH

CH3

N-acetyl-D-glukosamin

hyaluronát

O

O

Mukopolysacharidy (2) O

4

O

O

O 1

OH

D-glukuronurát

β

OH

O S O

O β

O

1

3

O

O HN

OH

Chondroitin-4-sulfát je hlavní složka chrupavek a pojivých tkání

CH3

N-acetyl-D-galaktosamin-4-sulfát

chondroitin-4-sulfát

O

O O

4

OH

O

O S O

-

O O 1

2

-

O 4

α

OH O

O O S O D-glukurono-2-sulfát O

1

α

O O NH S O O N-sulfo-D-glukosamin-6-sulfát

heparin

Heparin se vyskytuje zejména v játrech, plicích a v pokožce. Inhibuje srážlivost krve, široce používán v klinické praxi, např. u postoperačních pacientů.

Glykoproteiny a proteoglykany

S peptidy a bílkovinami tvoří sacharidy pestrou škálu sloučeniny, v nichž převažuje buď složka bílkovinná (glykoproteiny), nebo sacharidová (proteoglykany).

Proteoglykany Proteoglykany: Polysacharidová složka je většinou povahy glykoaminoglykanů a vytváří až 95% jejich komplexní molekuly. Fungují jako mnohoúčelové pojítko. Mohou tvořit matrici pojivových tkání, zprostředkovávat vazbu buněk na tuto matrici a imobilizovat rozpustné molekuly na matrici a na povrch buněk do poloh vhodných pro stavbu tkáně.

Glykoproteiny U glykoproteinů tvoří polysacharidové složky jen několik krátkých, zato často rozvětvených řetězců, různých monosacharidů, spojených různými typy glykosidových vazeb. – Sacharidové složky slouží jako molekulové značky buněk a účastní se procesu rozpoznávání při ”slepování” buněk, napojování buněk na matrici a při specifickém rozpoznávání buněk jinými látkami. – Sacharidový kód dovedou ”číst” také bílkoviny, zejména lektiny.

Heteroglykosidy (1) 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).

Heteroglykosidy (2) 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.

Sacharidy 1. Které funkční skupiny obsahují sacharidy? Co rozhoduje o příslušnosti monosacharidu k D a L řadě? 2. Co jsou anomery? Který uhlík je anomerní? Podle čeho je přiřazeno označení a nebo b příslušnému anomeru? Nakreslete struktury α-Dglukopyranosy a β-D-fruktofuranosy. 3. Čím je způsobena mutarotace? Určete procentuální zastoupení anomerů D-glukosy, je-li po ustanovení rovnováhy mutarotací měrná otáčivost rovnovážné směsi [α]D20 = 52,7°! α-anomer má [α]D20 = 112,2° a β-anomer 18,7°. 4. Nakreslete struktury následujících derivátů glukosy: D-glucitol Kyselina D-glukonová Kyselina D-glukarová Kyselina D-glukuronová α-D-glukopyranosa-1,6-bisfosfát β-2-deoxy- D-ribofuranosa α-2-deoxy-2-amino- D-glukopyranosa

Sacharidy 5. Nakreslete strukturu následujících cukrů! Kreré z nich jsou redukující? Sacharosa / O-α-D-glukopyranosyl-(1→2)-β-D-fruktofuranosid Laktosa / O-β-D-galaktopyranosyl-(1→4)- β-D-glukopyranosa Maltosa / O-α-D-glukopyranosyl-(1→4)- β-D-glukopyranosa. Rafinosa / O-α-D-galaktopyranosyl-(1→6)-O-α-D-glukopyranosyl(1→2)-β-D-fruktofuranosid. 6. Jaký rozdíl mezi strukturou škrobu a celulosy? Co jsou jejich monomerní jednotky? 7. Papír ztrácí většinu své pevnosti, pokud je namočen vodou, ale zachovává si ji, pokud je namočen olejem. Vysvětlete! 8. Molekula amylopektinu se skládá z 1000 glukosových zbytků a je větvená na každém 25. Zbytku. Kolik redukujících konců obsahuje? 9. Porovnejte strukturu amylopektinu a glykogenu! Kde v organismu se nachází glykogen?

Sacharidy 10. Napište reakční mechanismus kysele katalysované mutarotace glukosy v vodném roztoku! 11. Hodnoty specifické otáčivosti [α]D20 jsou pro α- a β-anomery Dgalaktosy 150,7° a 52,8°. Směs, obsahující 20% α-D-galaktosy a 80% β-D-galaktosy, je rozpuštěna ve vodě při 20°C. Jaká je počáteční specifická otáčivost roztoku? Jaké je anomerní složení směsi při rovnováze, jestli specifická otáčivost 80,2°?

Lipidy • Definice, rozdělení, funkce • Jednoduché lipidy • Složené lipidy • Izoprenoidy (izoprenoidní lipidy) • Lipoproteiny

Definice lipidů Název lipidy označujeme pestrou skupinu nízkomolekulárních přírodních látek, nerozpustných ve vodě (hydrofobních), ale dobře rozpustných v nepolárních rozpouštědlech (lipofilních). Podle molekulové stavby rozdělujeme lipidy 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).

Rozdělení lipidů LIPIDY

Jednoduché

Složené

Isoprenoidní

vosky

fosfolipidy

steroly

triacylglyceroly

glykolipidy

žlučové kyseliny

acylsteroly

Hlavní biologické funkce lipidů

Zdroj a reserva energie Strukturní funkce Ochranné funkce

Jednoduché lipidy - Vosky Vosky jsou tuhé estery mastných kyselin s monohydroxylovými alkoholy s dlouhým lineárním alifatickým řetězcem:

O H3C

O 14

CH3

15

cetylalkohol (C16), karnaubylalkohol (C24), cerylalkohol (C26), myricylalkohol (C30).

Vosky mají funkce ochranné. V průmyslu se vosky používají hlavně při výrobě svíček, krémů, mýdel a různých náplastí. Z živočišných vosků se v praxi užívá hlavně včelí vosk a lanonin, vosk ovčí vlny. Z roslinných vosků je nejpouživanější tzv. karnaubský vosk z listů palmy Copernicia cerifera.

Jednoduché lipidy - Acylsteroly Acylsteroly obsahují jako alkoholovou složku cholesterol nebo jiný sterol. H3C CH3 CH3

CH3 H

CH3

H

O H H3C

H

O 14

Jsou součástí lipidní složky biologických membrán a lipoproteinů, které umožňují regulovatelný transport lipidů v organismu.

Jednoduché lipidy - Acylglyceroly - tvoří nejpočetnější skupinu jednoduchých lipidů, - jsou základem živočišných tuků a rostlinných olejů.

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

Jednoduché lipidy –Mastné Mastné kyseliny

Nasycené mastné kyseliny Mastné kyseliny mají dlouhý, až na výjimky nevětvený řetězec, tvořený 4 až 26 atomy uhlíku, převážně se sudým počtem atomů uhlíku. H3C

16

14

12

10

8

6

4

2

1

OH

O

C4 máselná C6 kapronová C8 kaprylová C10 kaprinová

C12 laurová C14 myristová C16 palmitová

C18 stearová C20 arachová C22 behenová

V přírodě bylo nalezeno více než 50 různých mastných kyselin. Kyseliny s více než 10 atomy uhlíku se v buňkách ve volné formě normálně nevyskytují.

Nenasycené mastné kyseliny Nenasycené mastné kyseliny jsou olejovité látky. Dvojné vazby jsou vždy v konfiguraci cis ⇒ rigidní ohyb v řetězci. 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.

Jednoduché lipidy – Prostaglandiny (1) Prostaglandiny 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

Jednoduché lipidy – Prostaglandiny (2) Aktivní prostaglandiny jsou velmi nestálé; poločas některých prostaglandinů je řádu minisekund. Fungují jako regulátory některých specifických procesů v různých buněk. Mají schopnost měnit intenzitu signálu určeného pro regulaci procesů vnitrobuněčného metabolismu. Ovlivňují činnost všech druhů žláz, hladkých svalů i jednotlivých buněk. Přímo ovlivňují funkci reprodukčních orgánu, gastrointestinálního systému, respiračního a srdečně-cévního systému.

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

Složené lipidy – Glycerofosfolipidy (1) 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

Složené lipidy – Glycerofosfolipidy (2) 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

Složené lipidy – Glycerofosfolipidy (3) 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-

Složené lipidy – Glycerofosfolipidy (4) 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. 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.

Složené lipidy – Sfingolipidy Sfingolipidy: jejich alkoholová složka je nenasycený aminoalkohol sfingosin (E)-2-aminooktadec-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 amioskupinu a tvoří ceramidy - základní složku všech sfingolipidů.

Složené lipidy – Sfingo Sfingofosfo fosfolipidy lipidy Sfingomyeliny: jsou estery ceramidů a fosforylcholinu.

H3C

CH2OH R

O

NH CH O

H2 C

O

P O

Sfingomyeliny jsou součástí myelinového obalu nervových buněk.

O -

CH3 + N CH3 CH3

Složené lipidy – Sfingo Sfingoglyko glykolipidy lipidy (1) 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. sacharid = β-D-galaktosa, β-D-glukosa Sulfatidy: vyskytují se v tkáních mozku, plic, kosterního svalstva, jater aj. sacharid = β-D-galaktosa-3-sulfát

Složené lipidy – Sfingo Sfingoglyko glykolipidy lipidy (2) Gangliosidy se vyskytují se převážně v šedé hmotě mozkové, kde tvoří 6 % lipidů. H3C

CH2OH R

Gangliosidy mají značný fyziologický a lékařský význam. Jejich složité cukerné skupiny plní funkci receptorů pro určité hypofylární glykoproteinové hormony, které řídí mnoho důležitých fyziologických funkcí.

NH CH H2C

O

O OH O

rozvìtvený oligosacharid

O

OH OH

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.

Isoprenoidní lipidy - Steroly Steroly se vyskytují v živočisných a rostlinných buňkách jako volné alkoholy nebo estery mastných kyselin 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).

Isoprenoidní lipidy - Zoosteroly 21

H3C 12

H

3β

HO

18CH

3

19CH 11 H 13 3 1 14 9 8 10

2

4

H

7

5 6

20

H

17

23

CH3

25

CH3

26 16

15

27

24

22

Cholesterol: Modeluje tekutost a permeabilitu plasmové membrány. Je výchozí látkou pro biosynthesu 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.

Isoprenoidní lipidy - Fytosteroly Fytosteroly jsou přítomny v rostlinách většinou jako necukerné složky heteroglykosidů. CH 3

21

H3C 12

H

3β

HO

18CH

3

19CH 11 H 13 3 1 14 9 8 10

2

H

17

23

27

CH3

25

CH3

26 16

15

H

7

5 4

20

24S

22

6

Stigmasterol [(24S)-24-ethylcholesta-5,22-dien-3b-ol] je široce rozšířěný fytosterol, užívá se jako výchozí surovina při technické synthese steroidních hormonů.

Isoprenoidní lipidy - Mykosteroly H3C 21

H3C 12

1 2

3

10 3β

HO

8

H

3

13

17

14

15

H

23

27

CH3

25

CH3

26 16

H 7

5 4

18CH

19CH 11 9

20

24S

22

6

Ergosterol [(24R)-24-ethylcholesta-5,7,22-trien-2b-ol] Je důležitou součástí membrán buněk a mycelií většiny nižších hub. Ozářením ultrafialovým zářením se přeměňuje na vitamin D2.

Isoprenoidní lipidy - Kalciferoly Kalciferoly (vitamin D): Tvoří se účinkem ultrafialového záření z provitaminů - ∆5,7 nenasycené steroly.

12

1 2

3

10

9

8

H 6

provitaminy D

14

12 16 1

15 2

H 7

5 4

3

13

19CH 11

3β

HO

18CH R 17

H3C

H3C

hν

3

10

9

8

14

H

12

17

18CH R

15

9

3

13

11

16

8

teplo

14

6

12

17

11

15

9

8

6

19

5

2

3

3

HO

1 2

H3C 16

10 1

2

15

CH2

4

10

cholekalciferol (vitaminy D3) ergokaciferol (vitamin D ) HO

14

19

5

CH2

4

13

17

7

6

prekalciferoly

3

H

játra ledviny

7

OH

18CH

16

H

7

5 4

3

13

19CH 11

3β

HO

18CH R

vitamin D

Isoprenoidní lipidy - Žlučové kyseliny Žlučové kyseliny jsou hlavní součástí žluče. Usnadňují trávení a střebávání lipidů. 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

glykocholát

H

H H

HO H kyselina deoxycholová

OH H

Lipoproteiny

Lipoproteiny vznikají spojením lipidů se specifickými bílkovinami, nekovalentní hydrofobní interakcí.

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 zodpovědné za vysokou hladinu krevního cholesterolu a aterosklerosu.

Lipidy 1. Co jsou lipidy? Co jsou zmýdelnitelné lipidy a co jsou nezmýdelnitelné lipidy? 2. Jaké druhy sloučenin zahrnujeme mezi lipidy? 3. V jaké geometrické konfiguraci jsou dvojné vazby v mastných kyselinách obsažených v lipidech? Proč klesá teplota tání v pořadí olejová – linolová – a-linolenová kyselina, i když všechny tyto mastné kyseliny mají stejný počet uhlíků? 4. V čem spočívá hlavní význam esenciálních mastných kyselin? 5. Popište vztah mezi strukturou a vlastnostmi různých triacylglycerolů. 6. Jaký hlavní biologický význam mají složené (polární) lipidy? Jaké jsou jejich chemická složení? 7. Co jsou glycerolipidy, sfingolipidy, fosfolipidy, glykolipidy?

Lipidy 8. Tenzidové vlastnosti fosfolipidů se uplatňují při funkci plic: snižují povrchové napětí vody, která zvlhčuje tenké povrchové membrány alveolárních buněk. Vysvětlujte mechanismus jejich působení. 9. Nakreslete základní skelet isoprenoidních lipidů. Jaký význam mají tyto lipidy v živých organismech? 10. Jaká je struktura cholesterolu a jaký je jeho význam v organismu? 11. Co je příčínou vzniku aterosklerozy? 12. Z čeho se skládají lipoproteiny?

Biologické membrány

• Chemické složení a struktura membrán • Vlastnosti biologických membrán • Membránový transport • Účast na komunikacích buněk

Chemické složení a struktura membrán

Z chemického hlediska: struktury vybudované z molekul lipidů, bílkovin a sacharidů v organisovaném uspořádání udržovány nekovalentními interakcemi. Z fyzikálního hlediska: dvojrozměrné kapaliny.

Struktura membrán Základní stavební prvek je

lipidová dvojvrstva

Chemické složení - Membránové lipidy Fosfolipidy: fosfatidylethanolaminy fosfatidylcholiny fosfatidylseriny fosfatidylinositoly difosfatidylglyceroly sfingomyeliny

Steroly Glykolipidy

Chemické složení - Membránové bílkoviny (1)

Membránové proteiny rozdělujeme na periferní a integrální. Periferní (vnější) membránové bílkoviny jsou k membráně poutány slabými vazbami (většinou elektrostatickými a vodíkovými). Mnohé z periferních bílkovin jsou enzymy, umístěné na vnitřní (cytosolární) straně buněčné membrány.

Chemické složení - Membránové bílkoviny (2) Integrální (vnitřní) membránové bílkoviny: receptory, specifické detektory, kanály a pumpy, enzymy.

Chemické složení - Membránové sacharidy Sacharidy: glykolipidy glykoproteiny

Sacharidy na povrchu buněk slouží k mezibuněčnému rozpoznání.

Biologické membrány

Fyzikální vlastnosti

• Bariera, • Fluidita, • Strukturní a funkční asymetrie, • Kooperativita, • Isolační vlastnosti

Transport látek membránami

Účast na komunikacích buněk Přenos informace mezi buňkami zajišťují hormony a mediátory. Podstatou přenosu informace z jedné buňky do druhé je uvolnění chemického signálu v jedné buňce a jeho interakce s buňkou cílovou. U nosičů informace, které neprocházejí buněčnou membránou, je přijetí informace zprostředkováno receptory povahy bílkovin, umístěnými na vnější straně membrán.

Biomembrána 1. Z fyzikálního hlediska jsou biomembrány dvojrozměrné kapaliny. Vysvětlete! 2. Jaké jsou strukturní složky biomembrán? Jaké úlohy mají jednotlivé složky? 3. Co je aktivní transport a co je pasivní transport? 4. Mýdlové bubliny jsou obrácené dvojvrstvy; to znamená, že polární skupiny amfigfilů jsou společně s vodou ve styku, zatímco hydrofobní konce amfifilních molekul směřují do vzduchu. Vysvětlete fyzikální podstatu tohoto jevu!

Biokatalýza • Klasifikace a názvosloví enzymů • Složení a molekulární vlastnosti enzymů: chemie kofaktorů - koenzymy a vitaminy, enzymové bílkoviny • Mechanismus katalytického působení enzymů • Enzymová kinetika, faktory a látky ovlivňující EA • Regulace enzymové aktivity

Biokatalyzátory - Enzymy biokatalyzátory

enzymy urychlují chemické přeměny

faktory katalyzují procesy, při nichž nedochází k chemickým změnám např. změny konformace

Enzymy jsou pozoruhodné biologické katalyzátory. Vysoká reakční rychlost Mírné reakční podmínky Značná specifita účinková a substrátová Schopnost regulace na několika úrovních

Klasifikace a názvosloví enzymů (1) • Doporučené triviální názvy běžné dříve používané jméno • Systémové názvy zahrnují substrát i typ katalysované reakce a tvoří se takto: – Enzym katalysující přeměnu substrátu A reakcí typu R má název ARasa – Enzym katalyzující reakci substrátu A se substrátem (nebo kofaktorem) B reakcí typu R má název A: B-Rasa.

• Systémové klasifikační číslo vystihuje zařazení enzymu v uvedené klasifikaci EC (Enzym Commission).

Klasifikace a názvosloví enzymů (2) 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: Štěpí hydrolyticky vazby, vzniklé kondensací, např. amidové, esterové. 4. Lyasy: Katalysují (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: Katalysují vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu látky uvolňující energii, např. ATP.

Jednotky katalytické aktivity Standardní (mezinárodní) jednotka aktivity (EC IUB v roce 1961): U 1 U představuje množství enzymu katalysujícího za standardních podmínek (30 °C a optimální pH) při saturaci substrátem přeměnu 1 µmol substrátu za minutu. Katal (SI, 1972): kat 1 kat představuje množství katalysátoru, které přemění za standardních podmínek za 1 sekundu 1 mol substrátu. Rychlost přeměny substrátu (IUPAC, 1981): katalytická aktivita vyjádřená v katalech Koncentrace katalytické aktivity (jednotka kat.dm-3), Specifická katalytická aktivita (jednotka kat.kg-1) Molární katalytická aktivita (jednotka kat.mol-1).

Složení a molekulární vlastnosti enzymů (1) 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 odlišují ve způsobu regenerace.

Složení a molekulární vlastnosti enzymů (2) Katalytické působení koenzymu je realizováno spřažením dvou reakcí prováděných různými enzymy. SUBSTRÁT1 ENZYM1 (apoenzym1 - koenzym)

apoenzym1

PRODUKT1 apoenzym1 + koenzym*

koenzym + apoenzym2 PRODUKT2

apoenzym2

ENZYM2 (apoenzym2 - koenzym*) SUBSTRÁT2

Složení a molekulární vlastnosti enzymů (3) Enzymy s kofaktory typu prosthetické skupiny fungují jinak: krátce po sobě reagují se dvěma různými substráty, přičemž obě reakce realisuje tentýž enzym. SUBSTRÁT1 ENZYM (apoenzym - prosthetická skupina)

PRODUKT2

PRODUKT1 ENZYM (apoenzym + prosthetická skupina*)

SUBSTRÁT2

Chemie kofaktorů Kofaktor může být kovový iont nebo organická molekula, popřípadě obě složky najednou. Příklady enzymů, pro jejichž katalytickou aktivitu je nutný kovový ion Zn2+ alkoholdehydrogenasa, karbonátdehydrogenasa, karboxypeptidasa Mg2+ fosfohydrolasy, fosfotransferasy Mn2+ arginasa, fosfotransferasy Fe2+ nebo Fe3+ cytochromy, peroxidasa, katalasa, ferredoxin Cu2+ nebo Cu+ tyroxinasa, cytochromoxidasa

Kofaktory oxidoreduktas (1) O

O

Nikotinamidové nukleotidy:

NH2 O O

P

O

+ N

O

NH2 O P

+ N

O O

O

Nevázané mají E°´ = -0,32 V, vazbou na epoenzym se mění jejich redoxní potenciál E°´

H

H

OH

OH O

P

N O

O

OH

N

N N

O

OH NH2

NH2 N

O

H

H

H O

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+)

NAD+ a NADP+ jsou součástí nikotinamidové dehydrogensy

Kofaktory oxidoreduktas (2) Flavinové nukleotidy: O

O H3C

N

H3C

N

NH N

O

H3C

N

H3C

N

NH N

CH2

CH2 H3C

OH

H3C

OH

H3C

OH

H3C

OH

H3C

OH O

H3C

OH O

H2C

O

O

O

Riboflavinfosfát (FMN)

O

P -

H2C

O

NH2

P O

N

O O

P O

O

N O

-

Flavinadenindinukleotid (FAD)

OH

FMN, FAD (E°´ = -0,18 V) oxidují NADH a NADPH (E°´ = -0,32 V), účastní se oxidační dehydrogenace za vzniku dvojné vazby.

N

OH

N

Kofaktory oxidoreduktas (3) Ubichinony (koenzym Q): Nejběžnější jsou koenzymy Q6 (n = 6) a koenzym Q10 (n = 10);

OH

O O

O

H3C

+2e-, +2H+

H3C

H3C

-2e-, -2H+

H3C

O

H O

CH3

n

O

H OH

CH3

Ubichinony (E°´ = 0,10 V) tvoří i stabilní volné radikály (UQH•).

n

Kofaktory oxidoreduktas (4) Porfyrinový chelát železa:

COO-

-OOC

kofaktor tzv. hemových enzymů: katalasa, peroxidasy, cytochromy

H3C

CH3

N

N Fe N

N CH3

H2C H3C

CH2

Kofaktory transferas (1) Adenosintrifosfát (ATP): kofaktor fosfotransferasy nebo kinasy.

NH2 N

O O

-

O

O

O O

P -

P O

N

O -

P O

N

O

N O

-

H

H

OH

OH

H

Kofaktory transferas (2) Tetrahydrofolát může přenášet aktivované jednouhlíkové jednotky ve třech různých oxidačních stavech: (–CH3); (–CH2-); ( –CHO, –CH=NH, –CH=) O

OH

O OH NH 10

OH 4

HN H 5N

3N

H2N

2

N 1

8N

H

6

9

7

kyselina 5,6,7,8-tetrahydrolistová

O

Kofaktory transferas (3) Biotin: vitamin H přenáší HCO3O HN

O NH

O

-

O N

NH O

OH S biotin

NH S

O

karboxy-ε-N-biotinyllysin

OH O

NH2

Celkový průběh karboxylačních reakcí ukazují následující rovnice: ATP + HCO3- + biotinyl-apoenzym = ADP + P + karboxybiotyl-apoenzym karboxybiotyl-apoenzym + R-H = biotinyl-apoenzym + R-COO

Kofaktory transferas (4) Thiamindifosfát: CH3

+ N

N

O H3C

N

NH2

S

O

P

O O

O

Enzymy s thiaminovým koenzymem katalysují • dekarboxylaci 2-oxokyselin • tvorbu a odbourávání acyloinů.

P O

O -

-

Kofaktory transferas (5) Kyselina pantothenová a její deriváty: jsou universální přenášeče acylů při oxidačním odbourávání mastných kyselin, oxidační dekarboxylaci 2-oxokyselin, při acetylacích apod. OH O

H3C

O

HO

SH NH

O O

NH

O

O

O

SH NH

N N

O

CH3

N

H

H

O

OH

H O koenzym A CoA-SH

P O

O -

O

O

O

-

NH

N H3C

P

O

HO

-

O O

CH3 O O kyselina pantothenová

NH2

P

OH

HO

CH3

H3C

NH

O

P O

O

polypeptidového øetìzce ACP

-

NH H3C fosfopantethein prostetická skupina "mastná kyselina-synthasy"

Kofaktory transferas (6) Pyridoxalfosfát (PALP) je prosthetickou skupinou aminotransferas, které katalisují transaminační reakce aminokyselin.

O HO

O

P O

OH HO

HO

H3C

O

N

pyridoxin (vitamin B6)

H3C

N

pyridoxal-5-fosfát (PALP)

O

Kofaktory isomeras Isomerasy většinou nepotřebují kofaktory.

R

H2NOC

Zvláštní skupinu kofaktorů isomeras tvoří kofaktory odvozené od vitaminu B12 - kobalamin

CONH2

H3C

CH3

H2NOC N

N

H3C H3C

N H H2NOC

CONH2

Co+ N

CH3 CH3

O H3C

CH3

HN H3C

CONH2

N

CH3

N

CH3

O

O O

P -

O

OH

O HO

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.

Aktivní centrum enzymů Aktivní centrum enzymů je oblast, kde se váží substráty a kofaktory. Typy interakcí: •Vodíkové a iontové vazby (nukleofilní a bazické katalýzy), •Kovalentní vazba (kovalentní katalýza). 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 katalýzy. tvoří Schiffovu basi s oxoskupinou - kovalentní katalýza. fungují jako elektrofilní činidla.

Mechanismus katalytického působení enzymů Vysoká účinnost

E-X#

E [kJ]

Teorie aktivovaného komplexu: E + S = ES# = ES = EX# = EP = EP# = E + P Arrheniova rovnice:

Ea E-S# E-S

k = A . exp (-Ea/RT)

E-P# S

E-P

P

reakèní koordináta

Značná specifita Hypotéza zámku a klíče - Fischer (1894) Hypotéza indukovaného přizpůsobení - Koshland (1959) Rentgenová analýza ukázala, že vazebná místa většiny enzymů jsou z větší části vytvořena předem, ale že vazba substrátu u nich navozuje určitou strukturní úpravu.

Specificita enzymové katalýzy Reakční specifita: každý enzym sníží aktivační energii jen u jediné reakce z četných termodynamicky možných reakcí. 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. H

H

H

-OOC

dr dehy t á m gluta

O

H

a sa ogen

P+) (NAD

COOH NH2 H H L-glutamát

H H + NADPH + NH4+

O

COOH

mátd e

ka r b

glutamátaminotransferasa (PALP)

H

-OOC

gluta

H

ALP )

H COOH

H

sa (P

H

-OOC + pyridoxamin-5-fosfát

oxyla

H

H COOH

CO2 + H2C NH2 H

H

Enzymová kinetika (1) Reakce s 1 substrátem lze vyjádřit formální rovnicí:

S+E

k+1 k-1

ES

k+2

P+E

počateční celková rychlost: v = d [P]/dt = k+2[ES] rychlosti dílčích reakcí: -d[S]/dt = k+1[S].[E] – k-1[EC]; 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 + k+2)[ES]; [ES] = [E]0 - [E] [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 (2) rovnice Michaelise a Mentenové v = V[S]/( KM + [S])

⇒

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

v

1/v

V

V/2

1/V

0

KM

[S]

-1/KM

0

1/[S]

Fyzikálně chemické faktory ovlivňující EA (1) Vliv teploty: Vliv teploty na rychlost chemické reakce: k = A . exp (-Ea/RT) Vliv teploty na stabilitu bílkoviny - denaturace

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.

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 enzymových reakcí

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.

Reversibilní inhibitory Kompetitivní inhibitory: kompetují o vazbu na enzym s normálním substrátem.

Akompetitivní inhibitory: Reagují jen s komplexem ES zabrání jeho přeměně na produkt.

Smíšená a Nekompetitivní inhibitory: Zabraňují katalytické reakci vazbou na důležité funkční skupiny nebo změnou konformace molekuly enzymu na inaktivní.

Aktivace enzymových reakcí

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.

Aktivátory Aktivátory: Jsou kationty kovů s protonovým číslem od 11 do 30, organické látky nebo, některé anionty. Mechanismus působení aktivátorů je allosterický:

Regulace enzymové aktivity Regulace v prostoru: Spojení do multienzymových komplexů, Lokalizace v různých kompartmentech buňky, Vázání v membránách

Regulace v čase: allosterickou regulací, kovalentní regulací, regulací pomocí energetického náboje

Biokatalýza 1. Vysvětlete pojmy: faktor, enzym, kofaktor, koenzym, prostetická skupina, apoenzym a holoenzym! 2. Vysvětlete, proč rychlost enzymových reakcí vzrůstá s rostoucí teplotou jen do určité tzv. optimální teploty? 3. Co je příčinou toho, že je aktivita enzymů vymezena poměrně úzkou oblastí pH? 4. Kolikrát se při 25°C reakce urychlí, jestliže katalyzátor sníží volnou energii aktivovaného komplexu a) o 1 kJ/mol; b) o 10 kJ/mol? 5. Jakým obecným způsobem zvyšují enzymy rychlost reakce? a) Snižují koncentraci přirozených inhibitorů reakce; b) Posunují rovnováhu reakce energeticky výhodnějším směrem; c) Snižují aktivační energii reakce; d) Vedou ke vzniku energeticky bohatých produktů; e) Zvyšují koncentraci substrátů.

Biokatalýza 6. Koenzymy jsou a) nízkomolekulové sloučeniny účastnící se reakce většinou v labilní vazbě na enzym; b) kation kovů vázané v aktivním místě enzymu; c) organická nebílkovinná složka enzymu, která se účastní katalyzované reakce, chemicky se mění a po jejím skončení se vrací do původní podoby teprve v další reakci; d) mnohočetné molekulové formy enzymů; e) molekuly bílkovin kooperující s katalytickou aktivitou enzymů; f) hormony regulující aktivitu enzymů.

Biokatalýza 7. Charakteristická funkce všech koenzymů v enzymově katalyzovaných reakcích je a) zvyšovat specifitu enzymu; b) aktivovat substrát; c) zvyšovat polaritu, a tím i rozpustnost enzymu; d) snižovat pH-optimum reakce; e) podmiňovat aktivitu enzymu jako kosubstrát vázaný na apoprotein reverzibilně, nekovalentní vazbou.

Biokatalýza 8. Vyberte správné tvrzení o enzymově katalyzovaných reakcích: a) Aktivita enzymů nezávisí na fyzikálně chemických vlivech prostředí; b) Enzymová katalýza urychluje dosažení rovnováhy reakce; c) Množství produktu vytvořeného za časovou jednotku je v dané reakci při všech teplotách stejné; d) Kationty kovů mají obecně inhibiční účinek na činnost enzymů; e) Ředění roztoku enzymů vzrůstá jejich aktivita. 9. Jaký tvar má křivka závislosti počáteční rychlosti enzymové jednosubstrátové reakce na koncentraci substrátu? Jaký význam má Michaelisova konstanta?

Bioenergetika • Metabolismus a biochemické reakce • Chemická energie a Gibbsova energie • Přenašeče chemické energie, ukládání a čerpání energie z molekul ATP • Princip biologických oxidoredukcí • Struktura mitochondrie, dýchací řetězec, a oxidační fosforylace

Metabolismus Látková přeměna nebo (intermediární) metabolismus: Přeměny všech látek, které do organismu vstoupily a neustálá obměna látek, které se v něm vytvořily a s nimi spojené energetické přeměny.

Rozdělení organismů podle typu metabolismu Z hlediska způsobu výživy (trofiky):

Podle zdroje přijímané energie • Fototrofy (světloživné): využívají sluneční energie, • Chemotrofy (látkoživné): získávají energii oxidací organických nebo anorganických sloučenin (živin).

Podle zdroje stavebního materiálu • Autotrofy (samoživné): schopné synthetisovat všechny organické sloučeniny z anorganických zdrojů (CO2, NH3, NO3-, a SO42-), • Heterotrofy (cizoživné): používají jako stavební materiál organické látky, které jsou pro ně současně zdrojem energie.

Rozdělení organismů podle typu metabolismu Z hlediska donorů a akceptorů elektronů: Podle donorů elektronů • Chemoorganotrofy: dehydrogenují organické látky jako je glukosa nebo mastné kyseliny, • Chemolithotrofy: jejich zdroj elektronů jsou jednoduché anorganické sloučeniny jako H2, H2O. H2S, NH3, aj.

Podle konečných akceptorů elektronů • Aeroby: u nichž je finální akceptorem kyslík (O2), • Anaeroby: používající místo kyslíku jiné molekuly.

Metabolismus a biochemická reakce Z praktického hlediska je dále rozlišován: Metabolismus primární (základní) zahrnuje procesy nezbytné pro zabezpečování energie a stavebního materiálu a synthesy základních stavebních složek organismu. Probíhá ve všech organismech a jeho produkty jsou v podstatě stejné.

Metabolismus sekundární představuje procesy, které navazují na primární metabolismus a jejichž konečné produkty (sekundární metabolity) nemají významnější úlohu v ekonomice organismu.

Metabolické dráhy

Metabolická dráha je řada následných enzymových reakcí, vedoucí k tvorbě určitého produktu.

Z jejich funkcí vyplývá: • Metabolické dráhy jsou nevratné. • Každá metabolická dráha obsahuje časný určující stupeň. • Všechny metabolické dráhy jsou regulované. • Metabolické dráhy probíhají na specifických místech.

Metabolické dráhy

Amfibolické dráhy plní obě základní funkce metabolismu (citrátový cyklus). Anaplerotické reakce (sekvence) jedno- nebo několikastupňové, sloužící k doplňování vyčerpaných meziproduktů metabolických drah.

Chemická energie a Gibbsova energie Biologické objekty jsou otevřené systémy ⇒ může se vytvořit setrvalý (stacionární) stav, charakterizovaný časově se neměnícím složením a konstantností fyzikálních vlastností. Při chemických reakcích za podmínek konstantního tlaku a teploty lze Energetické změny kvantitativně charakterizovat změnou enthalpie (∆ ∆H) a Gibbsovy energie (∆ ∆G).

Chemická energie a Gibbsova energie Pro počáteční koncentrace všech složek reakce rovné jedné platí: ∆G0 = -RT ln K. Pro standardní změnu Gibbsovy energie při biochemické reakci se užívá místo veličiny ∆G0 veličina ∆G´, která platí pro výchozí pH = 7 při 298 K ∆G´ = - 5,706 log K ∆G´ < 0 exergonické reakce ∆G´ > 0 endergonické reakce

Spřažené reakce Exergonická reakce A + X → B + X ∆G1 < 0 Endergonická reakce C + X → D + X ∆G2 > 0 ∆G1 > ∆G2 Energie se přenáší z exergonické do endergonické reakce

přenašečem energie

Universální přenašeč energie – ATP NH2

Adenosintrifosfát (ATP) O O

-

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

O

P O

ATP + H2O = ADP + Pi + H+ ATP + H2O = AMP + PPi + H+ ATP + 2 H2O = AMP + 2 Pi + 2 H+

N

N

O -

P O

O O

P O

N

N O -

CH2

O

OH

OH

∆G´ = - 33 kJ.mol-1 ∆G´ = - 33 kJ.mol-1 ∆G´ = - 66 kJ.mol-1

∆G´ je často používáno jako jednotka metabolické energie

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 ln K = (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.

Bioenergetika 1. Co je látková přeměna ((intermediární) metabolismus)? Co je katabolismus, anabolismus? 2. Jaký je rozdíl mezi aeroby a anaeroby? 3. Co je primární metabolismus a co je sekundární metabolismus? 4. Co jsou makroergické přenašeče? 5. Jak vzniká ATP v organismu? Jak organismus z něho čerpá energii? 6. Jaká je struktura mitochondrie a jaký je její význam pro buňku? 7. Kde a jak jsou lokalizovány enzymy dýchacího řetězce: flavoproteiny, koenzym Q, cytochromy b, c1, c, a, a3? 8. Jak působí oxid uhelnatý a kyanidové ionty na cytochrom a3?

Glykolýza

• Odbourávání monosacharidů - Glykolýza • Oxidační dekarboxylace. • Citrátový cyklus

Glykolýza 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. U živočichů glukosa-6-fosfát vzniká: 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.

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)

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

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.

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

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

Citrátový 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

Odbourávání monosacharidů 1. Napište reakce glykolytické dráhy od glukosy po laktát. Kolik ATP se spotřebovává a kolik vzniká během glykolytické oxidace glukosy na pyruvát? 2. Jaké jsou možné konečné produkty další oxidace glykolýzou vzniklého pyruvátu? Napište úhrné rovnice reakcí jejich vzniků! 3. Co je produkt aerobní glykolýzy a co je produkt anaerobní glykolýzy? 4. Co je příčinou únavy svalu a vyčerpání během intenzivní práce?

Metabolismus sacharidů

• Pentosový cyklus • Biosyntéza sacharidů

Pentosový cyklus Význam: •Pentosový cyklus umožňuje výrobu NADPH - potřebné „redukční síly“ biosynthetických reakcí, •Je zdrojem ribosafosfátu pro synthesy nukleových kyselin a nukleotidových kofaktorů. 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. Energie NADPH se využívá k přímým redukcím v cytosolárním prostoru buňky. Biochemická odlišnost systém koenzymů NADPH/NADP+ a NADH/NAD+ je dána specifičností jejich vazby na různé enzymy. Enzym NAD(P)+-transhydrogenasa katalysuje jejich vzájemnou oxidoredukci: NADPH + NAD+ = NADH + NADP+

Metabolismus sacharidů Odbourávání monosacharidů - Pentosový cyklus

Biosyntéza sacharidů Glukoneogeneze - Přeměna pyruvátu na glukosu Přeměna pyruvátu na fosfoenolpyruvát probíhá v matrix mitochondrie. Přeměny fosfoenolpyruvátu přes fosfoglycerát a glyceraldehydfosfát až na fruktosa-1,6bisfosfát už probíhají reversí reakcí glykolysy. O

O

-

HCO3- + ATP ADP + Pi

O

O

ADP

-

-

ATP

3-fosfoglycerátfosfoglycerátkinasa ADP

O

O

pyruvátkarboxylasa

CH3 pyruvát

O

ATP

O

fruktosabisfosfatasa fosfofruktokinasa ADP

ATP

fruktosa-6-fosfát

-

GDP + CO2

GTP

O(P)

fosfoenolpyruvátkarboxykinasy CH2 fosfoenolpyruvát

O

2-fosfoglycerát enolasa

fosfoglycerát mutasa

oxalacetát

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

1,3-bisfosfoglycerát

NADH + H+

Pi

H2O

O

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

Biosynthesa oligosacharidů a polysacharidů O HN

OH H

H OH

O

OH

+

H

HO

O

-

O(P)

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 -

-

Biosynthesa oligosacharidů a polysacharidů

Metabolismus sacharidů Biosynthesa oligosacharidů a polysacharidů

Metabolismus lipidů

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

Hydrolytické štěpení rezervních triacylglycerolů Triacylglyceroly mají větší energetickou kapacitu než sacharidy, v organismu představují třetí úroveň skladování energie a jsou skladovány ve zvláštních tkáních, jsou méně mobilní než sacharidy a jsou vhodné spíše pro dlouhodobou potřebu. Proto k této rezervě organismus obvykle sahá až po vyčerpání sacharidové rezervy. Hydrolýzu rezervních triacylglycerolů v tukových tkáních katalyzují hydrolasy – karboxylesterasy (EC 3.1.1.1) 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 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

O

P

fosfolipasa A2 O

X

O fosfolipid

fosfolipasa C

O

R2 C O H

H2 C

O

R1 O

O H2 C

O

P

O

O lysofosfolipid

fosfolipasa D

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 chylomikrony

fosfolipidy

⇒ do krve

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

thiolasa

H β-oxoacyl-CoA

β

O SCoA

α

O

+

H3C (CH2)n C SCoA acyl-CoA

β-oxoacyl-CoA-

H

OH H 3-hydroxyacyl-CoA

O

CoASH

α

H3C (CH2)n

enoyl-CoAhydratasa

H trans-∆2-enoyl-CoA

O

H2O

H3C SCoA acetyl-CoA

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

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

Poruchy metabolismu sacharidů a lipidů Von Gierkova choroba: neschopnost produkovat glukosa-6-fosfatasu znemožňuje využití jaterního glykogenu jako zdroj energie a projevuje se obrovským zvětšením jater a hypoglykémií. McArdlova choroba: nedostatek fosforylasy ve svalech znemožňuje využití glykogenu jako zdroj energie pro svalový stah. Projevuje se neschopností intenzivní svalové práce a bolestí svalů. Nedostatek laktasy ve střevní sliznici je poměrně častý u dospělých lidí. Nerozštěpená laktosa se nevstřebávají, hromadí se ve střevě, podporuje růst patogenních mikroorganosmů a vyvolává zažívací potíže po požití mléka. Geneticky podmíněný nedostatek galaktokinasy nebo příslušných uridyltransferas vede k hromadění galakltosy v krvi (galaktosemie) a k její přeměně na toxické produkty (např. cukerný alkohol galaktitol), které vyvolávají zvracení, žloutenku a nevratné poškození centrální nervové soustavy.

Poruchy metabolismu sacharidů a 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. Nedostatek nebo neschopnost funkce hormonu insulinu, který reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu v játrech, vyvolává diabetes mellitus. Projevuje se zvýšením obsahu glukosy v krvi nad hodnotu, která může být resorbována v ledvinách, následkem toho vylučováním glukosy močí (glykosurií), což vyvolává také zvětšení objemu vyloučené moči. Tím se zvyšuje potřeba vody. Zároveň nastává intenzívní ketogenesa a acetonurie.

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

Biosynthesa palmitové kyseliny Mastná kyselina-synthasa Synthesu palmitové kyseliny zajišťuje mutienzymový komplex mastná kyselina-synthasa se sedmi různými katalytickými místy. Nosičem syntetizovaného řetězce je 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 sulfhydrylová skupina periferního cysteinu (pSH).

mastná kyselina-synthasa

Mechanismus syntézy mastných kyselin

Další přeměny palmitátu Vyrobená mastná kyselina se uvolní z vazby na ACP a aktivuje reakcí s CoA za účasti ATP a katalysy thiokinasou. Vzniklý acyl-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

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

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

• 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 pracují bez kofaktorů, některé vyžadují přítomnost různých kovových iontů.

• Proteasy nejsou obecně substrátově specifické. Štěpí však určité typy peptidových vazeb.

Metabolismus bílkovin Hydrolysa 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

R

R

COO-

Metabolismus aminokyselin

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 bílkovin Metabolismus aminokyselin – Močovinový cyklus

Metabolismus bílkovin Metabolismus aminokyselin – Močovinový cyklus

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 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 tRNA

DHU-smyčka

TΨC-smyčka antikodonová smyčka

Molekula tRNA připomíná písmenko L

Nukleové kyseliny - Struktura a funkce rRNA

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

Mechanismus přenosu genetické informace a jejích změn

Biosynthesa DNA Mechanismus replikace

Biosynthesa RNA – Mechanismus transkripce

Proteosynthesa Iniciace

Proteosynthesa Elongace

Proteosynthesa Terminace

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.

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.