Aminokyseliny, proteiny, enzymologie

Aminokyseliny Co to je? Jak to vypadá? K čemu je to dobré? Organické látky – karboxylové kyseliny, které mají na sousedním uhlíku navázanou aminoskupinu Jak to vypadá? K čemu je to dobré? AK jsou stavební kameny všech proteinů Pro výstavbu všech proteinů je třeba pouze 20 AK (+1) AK mohou být přídavnými látkami v potravinách (glutamát, aspartam), kosmetice (šampony)

Struktura aminokyselin Každá AK v organismu obsahuje karboxylovou skupinu na 1. uhlíku Ve fysiologickém pH je karboxylová skupina ionisována a tvoří anion Aminoskupina je u proteiny tvořících AK na a-uhlíku – uhlíku sousedícím s karboxylovou skupinou Ve fysiologickém pH je aminoskupina protonována a tvoří kation Jednotlivé aminokyseliny se liší postraním řetězcem Přirozené AK vykazují konfiguraci L

Aminokyseliny

Bílkoviny (Proteiny) Co to je? Jak to vypadá? Polymery aminokyselin Dlouhé řetězce na sebe poutaných AK (peptidová vazba) Jak to vypadá?

Proteiny – primární struktura Sled aminokyselin v polypeptidu, zapsaný od N- k C-konci Současně je podstatné, zda v proteinu lze najít disulfidové můstky AK je možné zapisovat celými názvy (nepraktické), třípísmennými zkratkami (velmi časté), nebo písmeny (nejjednodušší) Primární struktura nevysvětluje funkci proteinu, ale je možné pomocí PC odhadnout prostorovou strukturu

Peptidová vazba Peptidová vazba je spojovacím článkem mezi AK v proteinech Jedná se amidickou vazbu Vazbu je možno hydrolysovat – zjišťování struktury Struktura peptidu se zapisuje od N-konce (volná aminoskupina) k C-konci (volný karboxyl)

Bílkoviny (Proteiny) – peptidová vazba

Proteiny – sekundární struktura Vyjadřuje prostorové uspořádání peptidového řetězce na omezených úsecích jeho primární struktury Známe tři sekundární struktury: a-helix b-list b-smyčku

a-helix

b-list

b-smyčka

Proteiny – Terciární struktura

Keratin

Kolagen

Hedvábí

Globulární proteiny

Bílkoviny (Proteiny) K čemu je to dobré? Stavební hmota vlasů, nehtů Zdroj energie Imunita (protilátky) Pohyb Přenos kyslíku Komunikace mezi buňkami Enzymy: Přírodní katalysatory Všechny chemické reakce v živých organismech jsou řízeny enzymy

Protilátky Několik typů Nejvýznamnější IgG Proměnná doména – zodpovědná za rozpoznání antigenu (cizí struktura) Neměnná struktura – zodpovědná za vazbu na bílé krvinky

Pohyb

Komunikace

Komunikace

Přenos kyslíku Myoglobin Hemoglobin Jedna podjednotka Ve svalech Vázaný hem Silná vazba na kyslík Zodpovědný za převzetí kyslíku od hemoglobinu z krve a jeho distribuci mezi buňkami tkáně 4 podjednotky (2 a, 2 b) Každá podjednotka vázaný hem Přenos kyslíku v krevním řečišti – navázání v plicích a uvolnění ve tkáních Síla vázání kyslíku je ovlivněna působením mezi podjednotkami

Myoglobin

Hemoglobin

Hemoglobin – vazba kyslíku

Enzymy Biokatalysatory – látky urychlující chemické děje v živých organismech snižováním aktivační energie potřebné k proběhnutí těchto procesů = ENZYMY Enzymologie = vědecká disciplína zabývající se problematikou biokatalysatorů

Charakteristiky enzymů Snižuje aktivační energii Účinková specificita: Pouze jeden typ reakce/ chemické přeměny Bez vedlejších produktů Jedna reakce = jeden katalysator → spousta enzymů Substrátová specifita Substrát = přeměňovaná molekula (látka vstupující do reakce, reaktant) Absolutní specifita – enzym rozezná pouze jeden jediný substrát Skupinová specifita – enzym rozezná více substrátů s podobným strukturním znakem Regulovatelná účinnost / aktivita

Struktura enzymů Enzymy se skládají z: Aktivní místo: Proteinů RNA (RNAzym) DNA(DNAzym) Složených struktur (holoenzym) Aktivní místo: Místo navázání substrátu a jeho chemické přeměny Vazebné skupiny – přidržují substrát v enzymu a ulehčují jeho správnou orientaci a přístup k aktivním skupinám Katalytické skupiny – zodpovědné za samotnou chemickou reakci

Struktura enzymů - chymotrypsin

Struktura enzymů - hexokinasa

Kofaktory enzymů a holoenzymy Složené enzymy (holoenzymy) potřebují pro funkci pomocné látky – kofaktory Kofaktory: Prostetické skupiny: Malá organické molekuly pevně vázané na proteinovou část enzymu Koenzymy Rozpustné organické molekuly Dočasně vážou atomy, nebo skupiny atomů Apoenzym – bílkovinná část enzymu apoenzym + kofaktor = holoenzym

Prostetické skupiny - příklady Pyridoxalfosfát, Vitamin B6 FMN, Vitamin B2 Hem

Koenzymy - příklady NADP+ Koenzym A

Klasifikace enzymů Název enzymu končí zpravidla na –asa 1. Oxidoreduktasy: Jedna z nejpočetnějších tříd enzymů Často složené enzymy

Klasifikace enzymů 2. Transferasy: 3. Hydrolasy: Složené bílkoviny Umožňují přenos skupin (-CH3, -NH2, fosfát, etc.) 3. Hydrolasy: Štěpí chemické vazby s pomocí vody Jednoduché proteiny Proteasy – štěpí peptidickou vazbu v peptidech a proteinech Glykosidasy – štěpí glykosidové vazby v sacharidech Lipasy – štěpí esterové vazby v tucích

Klasifikace enzymů 4. Lyasy: 5. Isomerasy: 6. Ligasy: Katalysují nehydrolytické štěpení vazeb Eliminace malé molekuly ze substrátu nebo adice na dvojnou vazbu 5. Isomerasy: Vnitromolekulové přeměny 6. Ligasy: Katalysují vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu energeticky bohatých látek (ATP)

Kinetika enzymových reakcí L. Michaelis, M. Mentenová (1913) Rovnice Michaelis-Mentenové: v … rychlost reakce Vlim … limitní rychlost reakce KM … Michaelisova konstanta [S] … koncentrace substrátu

Důsledky rovnice Michaelis-Mentenové A) Pro nízkou koncentraci substrátu: KM >> [S] Vzorec přejde na lineární tvar a rychlost reakce roste přímo úměrně s koncentrací substrátu B) Pro vysokou koncentraci substrátu KM << [S] Rychlost dosáhne téměř limitní hodnoty a hodnota rychlosti se s koncentrací substrátu prakticky nemění C) Pro koncentraci substrátu velikostí srovnatelnou s hodnotou Michaelisovy Konstanty KM ≈ [S] Nelineární průběh

Důsledky rovnice Michaelis-Mentenové

Závislost rychlosti enzymové reakce na koncentraci substrátu Limitní rychlost závisí na koncentraci enzymu S rostoucí koncentrací enzymu roste rychlost reakce přímo úměrně

Regulace enzymové aktivity Regulace na úrovni exprese enzymu V případě nedostatku enzymu, nebo v případě potřeby je tvořena mRNA a je vyráběn enzym Regulace kovalentní modifikací Fosforylace – navázáním, nebo odštěpením fosfátové skupiny z molekuly ezymu je možno enzym aktivovat, nebo zastavit jeho aktivitu Proenzymy – nejprve je vytvořen předstupeň enzymu – neaktivní protein, který je odštěpením malého úseku aktivován (trávicí enzymy pepsin a trypsin) Regulace pomocí efektorů Aktivátory – jejich navázání na enzym enzym aktivuje Inhibitory – jejich navázání na enzym enzym deaktivuje

Využití enzymů – celé buňky Nejstarší methody Potravinářství Výroba sýrů a joghurtů (Lactobacillus) Výroba piva a vína (Saccharomyces cerevisiae) Výroba octa (Saccharomyces cerevisiae) Chemické výroby Výroba kyseliny citronové (Aspergillus niger) Výroba antibiotik (plísně) Výroba vitaminů, steroidů a aminokyselin Těžké technologie Čištění odpadních vod Zpracování rud

Využití enzymů – isolované enzymy Široká paleta enzymových preparátů Invertasa – výroba invertovaného cukru Proteasy, lipasy – prací prostředky DNA-polymerasy, restrikční endonukleasy, ligasy – genové technologie b-galaktosidasa – odstraňování laktosy z mléka Další možná využití: Loupání ovoce, lékařství (analytické testy), chemické synthesy