Lékařská chemie a biochemie 2. ročník - zimní semestr Aminokyseliny Lékařská chemie a biochemie 2. ročník - zimní semestr © Ústav lékařské biochemie a laboratorní diagnostiky, 1. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze a Všeobecná fakultní nemocnice v Praze, 2005 - 2015

Aminokyseliny – zkratky názvů (3 a 1 písmenkové) Název 3 1 P-postradatelná, E-Esenciální, PP-podmíněně postradatelná Alanin Ala A P Arginin Arg R P (v dětství E) Asparagin Asn N Asparágová Asp D Cystein Cys C PP Glutamin Gln Q Glutamová Glu E Glycin Gly G Histidin His H P (v dětství snad E) Leucin Leu L Isoleucin Ile I Lysin Lys K Methionin Met M Fenylalanin Phe F Prolin Pro Serin Ser S Threonin Thr T Tryptofan Trp W Tyrosin Tyr Y Valin Val V Aminokyseliny 2014/2015

Optická isomerie aminkyselin D-řada L-řada V živých organismech se vyskytují převážně L-formy AMK. Aminokyseliny 2014/2015

Eluční profil vzorku (hydrolyzátu) Identifikace aminokyselin v neznámém vzorku (popř. v peptidovém hydrolyzátu) Dělení iontoměničovou chromatografií Aminokyseliny 2014/2015

Disociační konstanty a isoelektrické body aminokyselin Název pK1 (-COOH) pK2 (-NH2) pK2 (postr.ř.) pI Glycin 2,35 9,78 - 6,10 Alanin 2,34 9,67 6,00 Valin 2,32 9,62 5,97 Leucin 2,36 9,60 5,98 Isoleucin 9,68 6,02 Prolin 2,00 10,6 6,30 Fenylalanin 1,83 9,13 5,48 Tryptofan 2,38 9,39 5,81 Methionin 2,28 9,21 5,75 Serin 2,21 9,15 5,68 Threonin 2,63 10,40 6,53 Cystein 1,96 10,28 8,18 (-SH) 5,07 Tyrosin 2,20 9,11 10,10 (-SH) 5,66 Asparagin 2,02 8,80 5,41 Glutamin 2,17 5,63 Asparagová 2,19 9,82 3,87 (-COOH) 2,77 Glutamová 4,28 (-COOH) 3,22 Lysin 2,18 8,95 10,55 (-NH2) 9,74 Arginin 9,04 12,48 (guanidin) 10,76 Hystidin 1,82 9,17 6,00 (imidazol) 7,59 Aminokyseliny 2014/2015

AMK se chovají jako amfoionty – mohou nést kladný i záporný náboj. OBECNÉ VLASTNOSTI AMK R – postranní řetězec Nedisociovaná forma Disociovaná forma (amfoion) převažuje při pH ~ 1 převažuje při pH ~ 7 převažuje při pH ~ 11 AMK se chovají jako amfoionty – mohou nést kladný i záporný náboj. Isoelektrický bod (pI) – pH, při kterém jsou si disociace obou skupin rovny- látka se jeví jako elektricky neutální dipól – nepohybuje se v elektrickém poli (nejmenší stálost-srážení) Aminokyseliny 2014/2015

PŘEHLED JEDNOTLIVÝCH AMK - 1 AMK s nepolárními zbytky Název AMK Postranní řetězec (-R) Alanin Valin Leucin Isoleucin Fenylalanin Prolin (Tryptofan) (Methionin) (Glycin) Aminokyseliny 2014/2015

PŘEHLED JEDNOTLIVÝCH AMK - 2 AMK s polárními neionizovatelnými zbytky Název AMK Postranní řetězec (-R) Serin Threonin Tyrosin Cystein Asparagin Glutamin (Glycin) Viz výše – tyto AMK mají přechodný charakter (Methionin) (Tryptofan) Aminokyseliny 2014/2015

PŘEHLED JEDNOTLIVÝCH AMK - 3 AMK s kyselými a zásaditými zbytky Název AMK Postranní řetězec (-R) Kyselé Kyselina asparagová Kyselina glutamová Zásadité Lysin Arginin Histidin !!!PEPTIDOVÁ VAZBA!!! dipeptid Aminokyseliny 2014/2015

HYDROFOBNÍ AMK Název AMK Strukturní vzorec Valin (Val, V) kyselina α-aminoisovalerová, kyselina 2-amino-3-methylbutanová Leucin (Leu, L) kyselina α-aminoisokapronová, kyselina 2-amino-4-methylpentanová Isoleucin (Ile, I) kyselina α-amino-β-methylvalerová, kyselina 2-amino-3-methylpentanová Všechny tři tyto AMK patří mezi nepostradatelné (esenciální), protože lidský organismus si je nedokáže sám vytvořit. Musí proto být přiváděny v bílkovinách obsažených v potravě. Uplatňují se hlavně v místech, kde bílkovina interaguje s lipidy (biomembrány, lipoproteiny). Aminokyseliny 2014/2015

Glycin (Gly, G), též glykokol DALŠÍ AMK Alanin (Ala, A) = kyselina α-aminopropionová, kyselina 2-aminopropanová Typická „postradatelná“ AMK. Snadno vzniká zavedením –NH2 skupiny na kyselinu pyrohroznovou. Je běžná ve všech bílkovinách. Jejím polohovým isomerem je β-alanin (kys. β-aminopropionová, kys. 3-aminopropanová) β-alanin je součístí vitaminu – kyseliny panthotenové – a dále peptidů karnosinu a anserinu. V bílkovinách se β-alanin nevyskytuje. V organismu vzniká při odbourávání pyrimidinových bází. Alanin má nepolární postranní řetězec (-R = -CH3). Glycin (Gly, G), též glykokol = kyselina aminooctová, kyselina 2-aminoethanová Ve velkém množství je obsažen ve skleroproteinech (kolagen). Volný je nezbytný pro přenos vzruchu v centrálním nervovém systému. Jeho navázáním se v organismu zvyšuje rozpustnost některých sloučenin ve vodě a usnadňuje se tak jejich vylučování (žlučové kyseliny, cizorodé látky). Aminokyseliny 2014/2015

Glycin-pokračování Jeho methylderivát je méně obvyklá AMK – sarkosin (methylglycin) Je obsažen například v protinádorovém antibiotiku aktinomycinu D. V organismu vzniká sarkosin v malém množství při přeměně látek (metabolismu). Betain (trimethylglycin) Slouží při přeměně látek V organismu jako donor (dárce) methylových skupin. Za derivát glycinu můžeme považovat i kyselinu N-methylguanidinoctovou, nebo N-(aminoiminomethyl)-N-methylglycin, známý pod triviálním názvem kreatin. Glycin patří mezi postradatelné AMK, organismus si ho dokáže syntetizovat z produktů odbourávání glukosy. Aminokyseliny 2014/2015

Serin (Ser, S) = kyselina α-amino-β-hydroxypropionová, kyselina 2-amino-3-hydroxy propanová Je v aktivních místech řady enzymů. Na –OH skupinu se může esterickou vazbou vázat kyselina fosforečná (fosfát). Odštěpením karboxylu z něj vzniká aminoalkohol ethanolamin, který je součástí některých lipidů. Methylací ethanolaminu dále vzniká cholin, kvarterní amoniová báze, která je též součástí některých lipidů. Daleko větší význam má však pro přenos nervového vzruchu acethylcholin. Serin patří mezi postradatelné AMK, organismus ho syntetizuje z produktů odbourávání glukosy. Aminokyseliny 2014/2015

Threonin (Thr, T) Methionin (Met, M) = kyselina α-amino-β-hydroxymáselná, kyselina 2-amino-3-hydroxybutanová Patří mezi nepostradatelné AMK. Podle jeho –OH skupiny se orientují některé proteolytické enzymy (trypsin) – štěpí tam, kde je navázán threonin nebo serin v peptidovém řetězci. Methionin (Met, M) = kyselina α-amino-γ-methylthiomáselná, kyselina 2-amino-4-(methylthio)butanová Patří mezi nepostradatelné (esenciální) AMK. V metabolismu funguje jako dárce methylové skupiny. Může z něj vznikat cystein nebo po demethylaci homocystein = kyselina 2-amino-4-merkaptobutanová (thiobutanová) Aminokyseliny 2014/2015

Cystein (Cys, C) = kyselina α-amino-β-thiopropionová, kyselina 2-amino-3-merkaptopropanová Při dostatkyu methioninu postradatelná AMK („podmíněně“ postradatelná) Vzniká navázáním –SH skupiny homocysteinu na serin přes meziprodukt – cystathionin Obsahuje vysoce reaktivní –SH skupinu, která se snadno oxiduje (podléhá dehydrogenaci): Cy-SH + HS-Cy Cy-S-S-Cy + 2 H Vzniklý disulfid cystin je produktem hydrolýzy bílkovin, ve kterých vzniká při tvorbě disulfidických můstků stabilizujících terciární a kvarterní strukturu. Tato možnost, že sloučeniny obsahující cystein se snadno oxidují (a přitom redukují jiné látky, např. Fe v hemoglobinu) má velký biologický význam. Podobně mohou sloučeniny obsahující cystein bránit oxidaci lipidů, která může být jednou z příčin aterosklerosy. Aminokyseliny 2014/2015

Tryptofan (Trp, W) = INDOLALANIN kyselina α-amino-β-indolpropionová kyselina 2-amino-3-(3-indolyl)propanová Nepostradatelná AMK, součást bílkovin, dává vznik biologicky velmi účinným látkám: serotonin (5-hydroxytryptamin), ze kterého vzniká melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamin) regulační biologický amin, působí hormon epifysy a periferních nervů, antagonista v mozku i systémově (v celém MSH (melanocyty stimulující hormon, organismu) melanotropin – ztmavnutí kůže) melatonin – zesvětlení kůže (u obojživelníků) Aminokyseliny 2014/2015

Histidin (His, H) kyselina α-amino-β-imidazolylpropionová kyselina 2-amino-3-(4-imidazolyl)propanová Lehce zásaditý, v dětství nepostradatelná AMK, v dospělosti snad postradatelná. Odstranění karboxylu vzniká důležitý amin – histamin Deaminací His a vznikem dvojných vazeb pak vzniká kyselina urokanová kys. 3-(4-imidazolyl)akrylová součást potu chrání proti UV záření Aminokyseliny 2014/2015

Lysin (Lys, K) - kys. α,ε-diaminokapronová - kys. 2,6-diaminohexanová Nepostradatelná (esenciální) AMK – nutný příjem potravou. Alkalická AMK, je ve většině bílkovin, zvláště ve vazivu, kde se vyskytuje i její hydroxyderivát hydroxylysin (HyL), která nepatří mezi AMK, ze kterých vznikají bílkoviny. K její syntéze dochází až v hotové bílkovině hydroxylací postranního řetězce lysinu. kys. α,ε-diamino-δ-hydroxykapronová kys. 2,6-diamino-4-hydroxyhexanová Deaminací na α-uhlíku se od Lys odvozuje ε-aminokapronová, 6-aminohexanová Farmakologicky účinná látka ovlivňující např. srážení krve Aminokyseliny 2014/2015

Kyselina asparagová (Asp, D). kys. aminojantarová, kys Kyselina asparagová (Asp, D) kys. aminojantarová, kys. 2-aminobutandiová SILNĚ KYSELÁ !!!, patří rovněž mezi postradatelné AMK Má podobný význam jako kyselina glutamová, hraje důležitou roli při transaminačních pochodech. V mozku je její význam ve srovnání s Glu asi 10x menší. Je nutná pro tvorbu močoviny. Asparagin (Asn, N) amid kyseliny asparagové Vyskytuje se v bílkovinách, postradatelná AMK, snadno vzniká z Asp. Methylací Asp vzniká NMDA (N-methyl-d-asparagová kyselina) selektivní stimulátor některých mozkových receptorů Dekarboxylací Asp vzniká β-alanin Aminokyseliny 2014/2015

Kyselina glutamová (Glu, E). kys. α-aminoglutarová, kys Kyselina glutamová (Glu, E) kys. α-aminoglutarová, kys. 2-aminopentandiová Silně kyselá AMK, patří mezi postradatelné. Může vznikat několika způsoby v průběhu přeměny látek. Je velmi významná pro funkci organismu. Přenáší vzruch v CNS („excitační AMK“), hraje ústřední roli v přeměně dusíkatých látek. V mozku na sebe váže toxický amoniak za vzniku svého amidu, glutaminu. Glutaminu (Gln, Q), Glutamin je též běžná AMK, kterou nacházíme v bílkovinách. Je méně kyselá než Glu. Dekarboxylací (odstraněním karboxylu) na α-uhlíku získáme další významnou AMK: kyselina γ-aminomáselná (angl. GABA – Gamma Ammino Butyric Acid) inhibiční v CNS,nevyskytuje se v bílkovinách kyselina γ-karboxyglutamová Méně obvyklá AMK, nalézáme ji v prothrombinu. Pomocí dvou volných karboxylů dobře váže ionty Ca2+. Tato vazba je nezbytná pro srážení krve. K zavedení druhého karboxylu dochází až po syntéze prothrombinu (podobně jako při hydroxylaci prolinu a lysinu v kolagenu). Pro tuto reakci je nezbytný vitamin K. Aminokyseliny 2014/2015

Arginin (Arg, R). kys. α-amino-δ-guanidinvalerová, kys Arginin (Arg, R) kys. α-amino-δ-guanidinvalerová, kys. 2-amino-5-(aminoiminokarbaminopentanová) SILNĚ ZÁSADITÝ!!! V dospělosti je postradatelný, v dětství je nutný dostatek v potravě. Je nezbytný pro syntézu močoviny a kreatinu. Při syntéze močoviny se uplatňují další dvě AMK, které se nevyskytují v bílkovinách: Ornithin 2,5-diaminopentanová kyselina Citrulin 2-amino-5-ureidopentanová kyselina Fenylalanin (Phe, F) kys. α-amino-β-fenylpropionová, kys. 2-amino-3-fenylpropanová Nepostradatelná AMK, - aromatický kruh umí syntetizovat jen rostliny. Hydroxylací v p-poloze je od něj odvozena další AMK – tyrosin (Tyr, Y) Aminokyseliny 2014/2015

Prolin (Pro, P) kys. pyrrolidin-2-karboxylová Tyrosin (Tyr, Y) p-hydroxyfenylalanin, kys. α-amino-β-(p-hydroxyfenyl)propionová - kys. 2-amino-3-(4-hydroxyfenyl)propanová Podmíněně esenciální AMK, při dostatku Phe z něj může vznikat Tyr je základem pro syntézu biologicky významných látek: hormony dřeně nadledvin (adrenalin, noradrenalin) hormony štítné žlázy (thyroxin, trijodthyronin) přirozená barviva – melaniny (pigmenty vlasů, vousů, kůže, očí) Prolin (Pro, P) kys. pyrrolidin-2-karboxylová Nemá primární, ale sekundární aminoskupinu. Je obsažen ve většině bílkovin. Nejčastěji se vyskytuje spolu se svým hydroxyderivátem Hydroxyprolinem Hydroxyprolin (Hypro, Hyp) kys. 4-hydroxypyrrolidin-2-karboxylová (méně často 3-hydroxy...) Vyskytuje se ve vazivu v jeho hlavní složce, bílkovině kolagenu Podobně jako u hydroxylysinu dochází k zavedení hydroxylu až do hotového polypeptidového řetězce. Stanovení hydroxyprolinu v krvi a moči slouží jako ukazatel (indikátor) odbourávání kolagenu v těle (např. u osteoporosy). Aminokyseliny 2014/2015

PEPTIDOVÁ VAZBA Vznik peptidové vazby: - reakce probíhá v roztoku, proto jsou ionizovatelné skupiny ionizovány peptidová vazba Peptidová vazba je planární – leží v rovině, protože má částečně charakter dvojné vazby C–N = 0,149 nm, C=N = 0,127 nm Peptidová vazba = 0,132 nm Aminokyseliny 2014/2015

TŘÍDĚNÍ BÍLKOVIN Vznik peptidové vazby: - reakce probíhá v roztoku, proto jsou ionizovatelné skupiny ionizovány Holoproteiny „čisté“ – bez nebílkovinné složky patří mezi ně čím dál méně bílkovin – u většiny z dnes známých bílkovin byla prokázána nebílkovinná složka, byť v malém množství dříve se sem řadily – histony, albuminy, globuliny, prolaminy a gluteliny (lepek) a skleroproteiny Heteroproteiny složené, starší název – proteidy, mají nebílkovinnou složku řadíme sem většinu bílkovin metaloproteiny, fosfoproteiny (kasein), lipoproteiny, nukleoproteiny, glykoproteiny, chromoproteiny (hemoproteiny) Aminokyseliny 2014/2015