Biochemie – úvod Josef Trögl

Biopolymery Řada látek v organismu má polymerní charakter = biopolymery dlouhé řetězce vysoké molekulové hmotnosti Bílkoviny Polysacharidy Nukleové kyseliny Polykyseliny Polyfosfáty Odvozené kombinované struktury (peptidoglykan, lipopolysacharidy, glykoproteiny…) 2

Biopolymery Zpravidla uspořádaná prostorová struktura související s funkcí Základem obvykle lineární struktura základních stavebních jednotek aminokyseliny  peptidy  bílkoviny monosacharidy  polysacharidy nukleotidy  nukleové kyseliny Spojování do nadmolekulárních a subcelulárních struktur enzymové komplexy membránové struktury peptidoglykan lipopolysacharidy ribozómy …. 3

Biopolymery Kooperativní efekt Flexibilní – více konformací části těsně propojené – vlastnosti jedné části závisí na okamžitém stavu (struktuře, konformaci) jiné části rychlé změny Flexibilní – více konformací předpoklad pro řadu funkcí (transportní, enzymatická atd.) – změny v konformaci Nativní struktura – prostorová struktura, která se vyskytuje in vivo 4

Aminokyseliny Látky obsahující kyselou karboxylovou skupinu, zásaditou aminoskupinu a postranní řetězec V biologických systémech popsáno cca 200 aminokyselin 20 z nich se vyskytuje v peptidových řetězcích (bílkovinách) – pořadí je kódováno v genetické informaci – kódované aminokyseliny H 3 N+ C R O- O H 2 N C R O 5

Aminokyseliny Obsahují asymetrický uhlík – chirální, opticky aktivní (stáčí rovinu polarizovaného světla) konfigurace D- a L- převažuje L- kódované jsou všechny L- (kromě glycinu – achirální) vzácnější jsou D- (buněčné stěny některých MO, toxiny, antibiotika…) Amfoterní charakter – kyseliny i zásady dle prostředí V neutrální prostředí dva náboje (amfiont) - na karboxylu, pKa 2,32-2,36 + na aminoskupině, pKa 9,60-9.97 pKa postranních řetězců variabilní – někdy více nábojů Izoelektrický bod – pH, při kterém má aminokyselina souhrnný nulový náboj 6

Názvosloví aminokyselin Systematické – nepraktické Triviální názvy Zkratky – vhodné pro zápis sekvence (primárná struktura bílkovin) třípísmenné jednopísmenné L-Alanin kyselina L-2-aminopropanová Ala A H 3 N+ C CH3 O- O 7

Glycin Gly G pI = 5,97 Nejmenší postranní řetězec – častý v těsných strukturách (kolagen až 33%) 8

Alanin Ala A pI = 6,01 9

Valin Val V pI = 5,97 10

Leucin Leu L pI = 5,98 11

Isoleucin Ile I pI = 5,94 12

Serin Ser S pI = 5,68 Častá esterifikace -OH (např. fosforylace) 13

Threonin Thr T pI = 5,64 14

Cystein Cys C pI = 5,02 2 Cys se redukčně spojují disulfidickým můstkem na cystin - kovalentní vazba, zpevňuje bílkoviny (thermofilní organismy, pevné obaly…) 15

Methionin Met M pI = 5,74 16

Kyselina asparagová Asp D pI = 2,98 17

Kyselina glutamová Glu E pI = 3,22 18

Asparagin Asn N pI = 5,41 19

Glutamin Gln Q pI = 5,65 20

Lysin Lys K pI = 9,59 21

Arginin Arg R pI = 10,76 22

Histidin His H pI = 7,59 23

Fenylalanin Phe F pI = 5,48 24

Tyrosin Tyr Y pI = 5,66 25

Tryptofan Trp W pI = 5,89 26

Prolin Pro P pI = 6,40 Není vlatsně aminokyselina, ale iminokyselina „Zatáčky“ v řetězci 27

Kódované aminokyseliny Postranní řetězce zahrnují řadu různých skupin – všechny možné vzájemné interakce Žádný řetězec – Gly Hydrofobní - Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Met, Phe, Trp Alifatický řetězec – Ala, Val, Leu, Ile, Pro Aromatický řetězec – Phe, Trp Polární nenabité – Gly, Ser, Thr, Cys, Tyr, Asn, Gln, Polární nabité – Asp, Glu, Lys, Arg, His Zásadité – Lys, Arg, His Kyselé – Asp, Glu Neutrální pH 28

Esenciální aminokyseliny Esenciální = nezbytný Látky, které si organismus neumí sám syntetizovat a musí ji přijímat v potravě Závisí na organismu!!! Člověk: rozvětvené AA – Val, Leu, Ile hydroxyaminokyselina – Thr methyl-sirná AA – Met Aromatické AA – Trp, Phe Diaminokyselina – Lys Bakterie, rostliny: většinou žádné 29

 + C-konec N-konec Peptidy a bílkoviny Biopolymery s rozmanitou strukturou a funkcí Strukturním základem peptidy – řetězce alespoň dvou aminokyselin spojených peptidovou vazbou H 2 N C R1 O R2 +  H 2 N C R1 O C H R2 O C-konec N-konec 30

Názvosloví peptidů Délka řetězce – dipeptidy, tripeptidy, tetrapeptidy… Systematické: (acyl)n-1-aminokyselina Ala-Gly-Lys: Alanylglycyllysin Triviální – častější inzulín Peptidy se zapisují od N-konce, stejně jako probíhá proteosyntéza 31

Bílkoviny Biopolymery s polypeptidovým základem až 200 aminokyselin Časté nepeptidové součásti ionty kovů sacharidy lipidové zbytky fosfátové skupiny kofaktory Rozmanité struktury a funkce stavební katalytická, obranná… Primární struktura většiny bílkovin je zakódována v DNA

Bílkoviny Rozmanité struktury a funkce – neznáme živý organismus bez bílkovin stavební – cytoskelet, keratin… katalytická - enzymy obranná – protilátky, toxiny komunikační - receptory transportní – membránové přenašeče zásobní – zdroj organického N, C, energie (záložní) …

Struktura bílkovin Primární struktura = pořadí aminokyselin v řetězci zapisuje se od N-konce in vivo syntéza probíhá také od N-konce Sekvenace pomocí sekvenátorů Jednoduší je ale přečíst sekvenci DNA a překódovat

Struktura bílkovin Sekundární struktura = lokální uspořádání řetězce Tři základní typy pravidelné (periodické) ohybové nepravidelné Pravidelné struktury šroubovice (helixy) – nejčastěji a-helix – pravotočivý, 3,6 AA na závit skládaný list (b-skládaný list, b-hřeben)

Struktura bílkovin

Struktura bílkovin Terciární struktura = kompletní prostorové uspořádání jednoho polypeptidového řetězce polypeptidové „klubíčko“ do blízkosti se mohou dostat v primární struktuře vzdálené aminokyseliny Fibrilární bílkoviny – vláknité kolagen,keratin… Globulární bílkoviny – „kulaté“ (sféroproteiny) obvykle nepolární jádro (core) a polární obal Doména – uspořádaná část bílkoviny se samostatnou funkcí (vazebná, katalytická…)

Struktura bílkovin Terciární struktura = kompletní prostorové uspořádání jednoho polypeptidového řetězce polypeptidové „klubíčko“ do blízkosti se mohou dostat v primární struktuře vzdálené aminokyseliny Fibrilární bílkoviny – vláknité kolagen,keratin… Globulární bílkoviny – „kulaté“ (sféroproteiny) obvykle nepolární jádro (core) a polární obal Doména – uspořádaná část bílkoviny se samostatnou funkcí (vazebná, katalytická…)

Struktura bílkovin Domény

Struktura bílkovin Kvartérní struktura = spojení více peptidových podjednotek dohromady Velice část Podjednotky buď stejné (hemoglobin) nebo častěji různé Jednotky až desítky, řidčeji více Označují se řeckými písmeny, a2b2

Sacharidy Polyalkoholy s oxoskupinou (=hydroxyaldehydy, hydroxyketony) Základní stavební jednotky = monosacharidy Spojují se do složitějších disacharidy – 2 jednotky trisacharidy – 3 jednotky oligosacharidy – několik málo jednotek polysacharidy – hodně jednotek

Monosacharidy Hydroxyaldehydy – aldózy Hydroxyketony – ketózy Podle počtu uhlíků v molekule triózy – 3 C tetrózy – 4 C pentózy – 5 C hexózy – 6 C heptózy – 7 C

Monosacharidy Asimetrické uhlíky – chirální látky Většina v konfiguraci D D-glyceraldehyd L-glyceraldehyd

Aldózy Trióza D-glyceraldehyd Tetrózy D-erythróza D-threóza

Aldózy Pentózy RAXL D-ribóza D-arabinóza D-xylóza D-lyxóza

Aldózy Hexózy - AlAGluMaGulIGaTa D-Allóza D-altróza D-glukóza D-manóza D-Gulóza D-Idóza D-Galaktóza D-Talóza

Ketózy Trióza dihydroxyaceton Tetrózy D-erythrulóza

Ketózy Pentózy D-ribulóza D-xylulóza Hexózy - PsiFruSoTa D-psikóza D-fruktóza D-sorbóza D-tagatóza

Cyklizace Pentózy a hexózy tvoří v roztoku cyklické formy (vnitřní hemiacetaly, hemiketaly) pětičlenné cykly – furanózy šestičlené cykly – pyranózy furan pyran

Cyklizace O H CH 2 OH H O O H CH 2 OH H O O H

Cyklizace Z karbonylového C se stává chirální – dvě konfigurace (anomery) Konfigurace a a b alfa: stejná konfigurace jako na posledním chirálním C beta: opačná konfigurace a-D-glukopyranóza b-D-glukopyranóza O H O H

Cyklizace O H CH 2 OH H O O H CH 2 OH H O O H

Glykosidy Anomerní OH skupina kondenzuje s jinými látkami  vznikají glykosidy Podle druhého partnera se označují jako O-glykosidy, N-glykosidy, S-glykosidy Methyl-b-D-glukopyranosid O H C 3

Disacharadidy Dva monosacharidy spojené glykosidickou vazbou Redukující – mají volnou aldehydovou skupinu - glykosylglykosa Neredukující – nemají volnou aldehydickou skupinu - glykosylglykosid Sacharóza (řepný cukr) – neredukující b-D-fruktofuranosyl-(2↔1)-a-D-glukopyranosid

Disacharadidy Laktóza (mléčný cukr) – redukující b-D-galaktopyranosyl-(1→4)-b-D-glukopyranosa Maltóza (sladový cukr) – redukující a-D-glukopyranosyl-(1→4)-a-D-glukopyranosa Celobioóza – redukující b-D-glukopyranosyl-(1→4)-b-D-glukopyranosa

Polysacharidy Složené z mnoha monosacharidových jednotek Lineární i rozvětvené

Celulóza poly-b-1,4-glukopyranóza polysacharid s Mr 300 000 – 500 000 nerozvětvené řetězce krystalická nerozpustná ve vodě

Hemicelulózy Polysacharidy o nižší molekulové hmotnosti Lineární i rozvětvené Amorfní Xylan – poly-D-xylóza Glukomanan – kopolymer D-glukózy a D-manózy Minoritní složky Arabinóza Galaktóza Kyselé sacharidy Spoluurčují tvrdost dřeva

Škrob Zásobní látka rostlin Směs a-amylosy (10-20%) a a-amylopektinu (80-90%) Amylosa = lineární (1→4)-a-D-glukopyranan Amylopektin = rozvětvený (1→4)-a-D-glukopyranan s postranními řetězci a-(1→6) Větvení cca po 24-30 jednotkách Až 1 000 000 glukózových jednotek

Glykogen Zásobní látka živočichů Podobný amylopektinu, ale častěji větvený (každý 8-12 C)

Nukleové kyseliny Základní nositelky dědičné informace DNA = deoxirubonukleová kyselina (deoxyribonucleic acid) RNA = ribonukleová kyselina (ribonucleic acid) Fosfát – pentózová kostra s postranně navázanými bázemi Pořadí bází nese genetickou informaci

Nukleové kyseliny P P P P P P P P A T G C G A C C A G G G T C C T P P

5’ T C G A 3’

Nukleové kyseliny DNA Deoxyribóza Báze Adenin, Guanin, Cytozin, Thymin Stabilnější Obvykle dvouvláknová (double-stranded = ds) RNA Ribóza Báze Adenin, Guanin, Cytozin, Uracil Méně stabilní Obvykle jednovláknová (single-stranded ss)

Báze nukleových kyselin Purinové báze N H purin Adenin Guanin Pyrimidinové báze N H pyrimidin Cytosin Thymin Uracil

N H 2 O P -

Dvouřetězcové NK NK bývají obvykle dvouvláknové = dva samostatné řetězce NK jsou spojené vodíkovými vazbami mezi bázemi Báze se tzv. párují Oba řetězce jsou tzv. komplementární = nesou opačnou (doplňkovou) genetickou informaci („negativ a pozitiv“)

Párování bazí Základ všech genetických pochodů Párování umožňuje předávání a expresi genetické informace Purin (A, G) s pyrimidinem (T, U, C) 2 nebo 3 vodíkové můstky A = T A = U C ≡ G

Šroubovicová struktura Oba řetězce NK se vzájemně obtáčejí = dvojšroubovice Řetězce leží tzv. antiparalelně = konec jednoho leží u začátku druhého („hlava-pata“, „69“, „Petřín“) podle popisu struktury pentózy jsou konce vlákna označovány jako 3’- a 5’-

Párování bazí DNA - DNA DNA – RNA RNA – RNA 5’- A T T C G G C T T A G G C G - 3’ 3’- T A A G C C G A A T C C G C - 5’ DNA – RNA 3’- U A A G C C G A A U C C G C - 5’ RNA – RNA 5’- A U U C G G C U U A G G C G - 3’