AMINOKYSELINY PROTEINY Ivana Tichá Ústav biochemie a experimentální onkologie, 1.LF UK

Proteiny Významné organické sloučeniny lineární polymery tvořené monomerními jednotkami - a-aminokyselinami (AA) (prvky: C, H, O, N, S) bílkoviny/proteiny= molekuly složené z více než 50 AA peptidy= molekuly složené z méně než 50 AA

Proteiny_funkce v organismu dynamická katalýza chemických transformací (n. enzymy) kontrakce svalů (aktin, myosin) transportní přenos prvků (n. hemoglobin – transport O2 v krvi, myoglobin – transport O2 ve svalu, transferin – transport Fe v krvi,…), účinných látek (léky, xenobiotika), metabolických intermediátů

Proteiny_funkce v organismu protektivní/ochranná Imunitní systém chrání tělo před bakteriální a virovou nákazou (n. imunoglobuliny, interferony) strukturní pevnost a pružnost (n. kolagen elastin) regulační receptory a membránové přenašeče kontrola a regulace transkripce a translace některé hormony jsou proteiny či peptidy

Proteiny proteiny jsou složeny z 20 (+1) standardních AA spojených peptidovou vazbou Standardní AA = taková AA, pro kterou existuje alespoň jeden kodón v genetickém kódu Genetický kód = souhrn pravidel, podle kterých se přepisuje informace obsažená v DNA do proteinu Kodón = triplet nukleotidů Odvozené AA = chemická přeměna AA již zainkorporovaných do řetězce

Vznik peptidů, proteinů Standardní aminokyseliny jsou stavební jednotky peptidů a bílkovin, v jejichž molekulách jsou vázány peptidovou vazbou -CO-NH- R1 R2   CH-CO-OH + H-NH-CH NH2 COOH R1 R2   CH-CO - NH-CH + H2O NH2 COOH N- a C- konec peptidu

Proteiny Pořadí AA od N-konce k C-konci určuje vlastnost proteinu, opačné pořadí AA by dalo vzniknout proteinu s jinými vlastnostmi Pojmenování proteinu je také od N-konce směrem k C-konci

Proteiny Polypeptidový řetězec tedy tvoří konstantní kostra (z peptidových vazeb) a variabilní postranní řetězce

Přenos genetické informace do proteinu Transkripce a translace DNA kódu vede k polymerizaci AA za vzniku specifické lineární sekvence proteinu GENETICKÝ KÓD = soubor pravidel, podle kterého se v živé buňce přepisuje informace zakódovaná v DNA translací do proteinu

Genetický kód Kodón =trinukleotid iniciační terminační se smyslem (tj.kódující AA)

Aminokyseliny Funkční skupiny Karboxylová –COOH amino –NH2 Náboj +/- funkčních skupin určuje pH roztoku ve kterém se AA nacházejí Postranní řetězec –R rozhoduje o chemickém chování a struktuře AA (polarita, kyselost, zásaditost)

Funkční skupiny_náboj Závislost výsledného náboje na pH Funkční skupiny i další skupiny AA (Arg, imidazol histidinu) jsou ionizovatelné

Funkční skupiny AA mají amfoterní charakter – tj. mohou být jak kladné, tak záporné, za fyziologického pH má většina AA záporný náboj Vnitřní ionizace dle pH – AA mají kladný náboj/ ve formě obojetného iontu (amfion)/ záporný náboj pI = izoelektrický bod, pH roztoku, při kterém je součet kladných a záporných nábojů AA nulový (elektroneutrální) - amfion V podobě amfiontu jsou AA nejméně rozpustné ve vodě, nejméně pohyblivé v el. poli, nejstabilnější

Standardní AMINOKYSELINY Pro, P Prolin Asp , D Aspart á t Trp, W Tryptofan Met, M Methionin Tyr , Y Tyrosin Cys , C Cystein Phe , F Fenylalanin Thr , T Treonin His, H Histidin Ser , S Serin Arg , R Arginin Ile , I Isoleucin Lys , K Lysin Leu, L Leucin Gln , Q Glutamin Val, V Valin Asn , N Asparagin Ala, A Alanin Glu , E Glutam Gly , G Glycin Symbol Trivi ln í n zev + 21 standardní AA selenocystein (UGA)

Klasifikace aminokyselin neboli řazení do skupin: dle vlastností postranního řetězce esenciální/neesenciální dle izomerie

Klasifikace aminokyselin neboli řazení do skupin: dle vlastností postranního řetězce esenciální/neesenciální dle izomerie

Klasifikace dle postranního řetězce Polární (hydrofilní) Nepolární (hydrofobní) Tyr Asn Gln Ser Thr Cys Gly Ala Val Leu Ile Phe Trp Met Pro Kyselý Zásaditý Asp Glu His Arg Lys

Polární AA Nepolární AA Kyselé AA Zásadité AA

Klasifikace aminokyselin neboli řazení do skupin: dle vlastností postranního řetězce esenciální/neesenciální dle izomerie

ESENCIÁLNÍ NEESENCIÁLNÍ valin leucin isoleucin lysin methionin fenylalanin threonin tryptofan glycin alanin serin cytein prolin tyrosin arginin histidin asparagin aspartát glutamin glutamát

Esenciální AMK – člověk Val Leu Ile PheTyr Trp AMK podmíněně esenciální Lys MetCys Thr Arg “semiesenciální” AMK Amino Acid Abbrev. Remarks   Alanine A Ala Very abundant, very versatile. More stiff than glycine, but small enough to pose only small steric limits for the protein conformation. It behaves fairly neutrally, can be located in both hydrophilic regions on the protein outside and the hydrophobic areas inside. Cysteine C Cys The sulfur atom bonds readily to heavy metal ions. Under oxidizing conditions, two cysteines can join together in a disulfide bond to form the amino acid cystine. When cystines are part of a protein, insulin for example, this stabilises tertiary structure and makes the protein more resistant to denaturation; disulfide bonds are therefore common in proteins that have to function in harsh environments including digestive enzymes (e.g., pepsin and chymotrypsin) and structural proteins (e.g., keratin). Disulfides are also found in peptides too small to hold a stable shape on their own (eg. insulin). Aspartic acid D Asp Behaves similarly to glutamic acid. Carries a hydrophilic acidic group with strong negative charge. Usually is located on the outer surface of the protein, making it water-soluble. Binds to positively-charged molecules and ions, often used in enzymes to fix the metal ion. When located inside of the protein, aspartate and glutamate are usually paired with arginine and lysine. Glutamic acid E Glu Behaves similar to aspartic acid. Has longer, slightly more flexible side chain. Phenylalanine F Phe Essential for humans. Phenylalanine, tyrosine, and tryptophan contain large rigid aromatic group on the side chain. These are the biggest amino acids. Like isoleucine, leucine and valine, these are hydrophobic and tend to orient towards the interior of the folded protein molecule. Phenylalanine can be converted into Tyrosine. Glycine G Gly Because of the two hydrogen atoms at the α carbon, glycine is not optically active. It is the smallest amino acid, rotates easily, adds flexibility to the protein chain. It is able to fit into the tightest spaces, e.g., the triple helix of collagen. As too much flexibility is usually not desired, as a structural component it is less common than alanine. Histidine H His In even slightly acidic conditions protonation of the nitrogen occurs, changing the properties of histidine and the polypeptide as a whole. It is used by many proteins as a regulatory mechanism, changing the conformation and behavior of the polypeptide in acidic regions such as the late endosome or lysosome, enforcing conformation change in enzymes. However only a few histidines are needed for this, so it is comparatively scarce. Isoleucine I Ile Essential for humans. Isoleucine, leucine and valine have large aliphatic hydrophobic side chains. Their molecules are rigid, and their mutual hydrophobic interactions are important for the correct folding of proteins, as these chains tend to be located inside of the protein molecule. Lysine K Lys Essential for humans. Behaves similarly to arginine. Contains a long flexible side-chain with a positively-charged end. The flexibility of the chain makes lysine and arginine suitable for binding to molecules with many negative charges on their surfaces. E.g., DNA-binding proteins have their active regions rich with arginine and lysine. The strong charge makes these two amino acids prone to be located on the outer hydrophilic surfaces of the proteins; when they are found inside, they are usually paired with a corresponding negatively-charged amino acid, e.g., aspartate or glutamate. Leucine L Leu Essential for humans. Behaves similar to isoleucine and valine. See isoleucine. Methionine M Met Essential for humans. Always the first amino acid to be incorporated into a protein; sometimes removed after translation. Like cysteine, contains sulfur, but with a methyl group instead of hydrogen. This methyl group can be activated, and is used in many reactions where a new carbon atom is being added to another molecule. Asparagine N Asn Similar to aspartic acid. Asn contains an amide group where Asp has a carboxyl. Proline P Pro Contains an unusual ring to the N-end amine group, which forces the CO-NH amide sequence into a fixed conformation. Can disrupt protein folding structures like α helix or β sheet, forcing the desired kink in the protein chain. Common in collagen, where it often undergoes a posttranslational modification to hydroxyproline. Uncommon elsewhere. Glutamine Q Gln Similar to glutamic acid. Gln contains an amide group where Glu has a carboxyl. Used in proteins and as a storage for ammonia. The most abundant Amino Acid in the body. Arginine R Arg Functionally similar to lysine. Serine S Ser Serine and threonine have a short group ended with a hydroxyl group. Its hydrogen is easy to remove, so serine and threonine often act as hydrogen donors in enzymes. Both are very hydrophilic, therefore the outer regions of soluble proteins tend to be rich with them. Threonine T Thr Essential for humans. Behaves similarly to serine. Valine V Val Essential for humans. Behaves similarly to isoleucine and leucine. See isoleucine. Tryptophan W Trp Essential for humans. Behaves similarly to phenylalanine and tyrosine (see phenylalanine). Precursor of serotonin. Naturally fluorescent. Tyrosine Y Tyr Behaves similarly to phenylalanine (precursor to Tyrosine) and tryptophan (see phenylalanine). Precursor of melanin, epinephrine, and thyroid hormones. Naturally fluorescent, although fluorescence is usually quenched by energy transfer to tryptophans.

Esenciální/neesenciální AA musejí být přijímány potravou, tělo si je neumí vyrobit NEESENCIÁLNÍ nemusí se vyskytovat v dietě mohou se formovat z oxokyselin transaminací a následnými reakcemi

Klasifikace aminokyselin neboli řazení do skupin: dle vlastností postranního řetězce esenciální/neesenciální dle izomerie

Izomerie Stereoizomery (opticky aktivní prostorové izomery) AA obsahují chirální/asymetrické centrum D a L izomerie a-uhlík a-AA je chirální uhlík (kromě glycinu) a-uhlík

Stereoizomerie Stereoizomery = optické izomery, mají stejný strukturní vzorec ALE různé prostorové uspořádání Mnoho biologicky důležitých sloučenin má stereoizomery (i aminokyseliny) Stereoizomery mají stejné pořadí a typy vazeb rozdílné prostorové uspořádání rozdílné vlastnosti

D/L izomerie Enantiomery = optické antipody, kdy každý izomer stáčí jinak rovinu polarizovaného světla (doprava+/doleva-). Směr stáčení roviny polarizovaného světla je nezávislé na stereochemii molekul!! = jsou sami sobě zrcadlovým obrazem, nemohou být v sebe “přeměněny” pouhou rotací molekuly Optická aktivita_enantiomery-pravotočivé/levotočivé

D/L izomerie Racemická směs = směs dvou optických antipodů (tj.D/L izomery) o téže koncentraci, tj. nestáčí rovinu polarizovaného světla L-glyceraldehyd D-glyceraldehyd

Příklady L- AA D-AA -alanin -alanin a b

Aminokyseliny V přírodě se setkáváme s L– i D–aminokyselinami V proteinech jsou především L–a–aminokyseliny D-aminokyseliny v některých proteinech exotických organismů, a hojně v buněčných stěnách bakterií (peptidoglykany) Lysine

AA – další funkce Přes 150 AMK (volné nebo vázané), které se nikdy nevyskytují v proteinech. D-konfigurační řada AA (D-glutamová kys. V bakteriálních buněčných stěnách, D-serin jako neurotransmiter) Prekurzory/intermediáty metabolismu (citrulin a ornithin – intermediáty tvorby močoviny, b-alanin – prekuzor pro syntézu koenzymu A)

Struktura proteinů Lineární řetězec složený z AA vázaných kovalentní peptidovou vazbou Na výsledné struktuře proteinů se uplatňují především nekovalentní interakce PRIMÁRNÍ - kovalentní struktura proteinu SEKUNDÁRNÍ - nekovalentní interakce TERCIÁLNÍ = nativní konformace KVARTÉRNÍ

Primární struktura = sekvence/sled AA spojených peptidovou vazbou Základ specifičnosti každého proteinu. Obsahuje informaci pro tvorbu tzv. vyšších struktur proteinu (sekundární, terciární a kvartérní), pro realizaci nadmolekulárních struktur a pro biologickou funkci.

Vyšší strukturní úrovně SEKUNDÁRNÍ TERCIÁRNÍ KVARTÉRNÍ uplatnění nekovalentních interakcí nezbytné pro funkci proteinu

Nekovalentní interakce určují celkový tvar a konformaci iontové vazby vodíkové vazby interakce polárních skupin s vodou (hydratace) hydrofobní interakce Van der Waalsovy interakce

Sekundární struktura = lokální 3D/prostorové uspořádání polypeptidového řetězce podílejí se hl. vodíkové vazby – poměrně stabilní struktura Elementy sekundární struktury a-helix (šroubovice) b-strutura (skládaný list) b-otáčka

Sekundární struktura a-helix (= šroubovice) – základem jsou vodíkové vazby mezi CO- a NH- skupinami peptidových vazeb polypeptidového řetězce Na 1 otáčku přpadá 3,6 zbytku AA Převažují u fibrilárních proteinů (a-keratiny, 75% myoglobin) Učastní se všechny AA kromě prolinu Pravotočivá šroubovice (v proteinech) Levotočivá šroubovice

Sekundární struktura b-struktura (= skládaný list) – základem jsou vodíkové vazby mezi CO- a NH- skupinami peptidových vazeb 2 různých polypeptidových řetězců paralelní antiparalelní

Sekundární struktura b-otáčka = vodíková vazba mezi CO-skupinou jedné peptidové vazby a NH-skupinou v pořadí třetí peptidové vazby stejného řetězce Stabilizuje polypeptidový řetězec jako antiparalelní b-strukturu

-helix -struktura

Terciární struktura = 3D struktura polypeptidu Podle celkového uspořádání řetězců rozlišujeme 2 hlavní typy: Globulární proteiny (biologické fce.) Fibrilární proteiny (mechanická fce.) keratin, fibroin, kolagen

Kvartérní struktura = nekovalentní asociace polypeptidových podjednotek do multipodjednotkové molekuly molekula polypeptidu složená z více řetězců ALE chová se jako 1 molekula nemají ji všechny proteiny Jednotlivé polypeptidové řetězce oligomerního proteinu = protomery nebo monomery

Kvartérní struktura dimer ze dvou identických podjednotek

tetramer ze čtyř identických podjednotek

Struktura proteinů

Interakce AA_nekovalentní

Interakce AA_kovalentní

Disulfidický můstek – oxidace cysteinu na cystin

Sbalování proteinů Sbalení primární struktury do nativní konformace spontánní (většinou) pomoc chaperonů Chaperony nejsou součástí výsledného proteinu Usnadňují a zrychlují sbalení Soudkovité multipodjednotkové proteinové útvary, pro svou funkci vyžadují ATP Nezmění samotnou nativní konformaci, jen chrání protein před špatným/nefunkčním sbalením

Denaturace bílkovin Zborcení nativní struktury proteinu – porušení nekovalentních interakcí faktory teplota chemikálie pH iontová síla typy reverzibilní ireverzibilní

Denaturace bílkovin

Složené proteiny Glykoproteiny – obsahují kovalentně vázanou sacharidovou složku Glykoproteiny s N-glykosidově vázaným kratším oligosacharidovým řetězcem (přes amidový dusík Asn) Glykoproteiny s O-glykosidově vázaným kratším oligosacharidovým řetězcem (přes OH skupinu Ser nebo Thr) Proteoglykany – obsahují molekuly glykosaminoglykanů (v pojivech) Kolagen – D-galaktosa nebo disacharid D-galaktosa + D-glukosa

Složené proteiny Fosfoproteiny – často depotní funkce, kovalentně vázaná kyselina fosforečná (OH skupina Ser a Thr) Fosvatin – žloutek, Kasein - mléko Metaloproteiny – komplexy s těžkými kovy Depotní prot. – ferritin Transport. prot. – transferrin (Fe), ceruloplasmin (Cu) Enzymy – xantinoxidáza (Mo), pyruvátdekarboxyláza (Mn), karboxypeptidáza (Zn) Hemoproteiny – hem (Fe v komplexu s porfyrinem) – přřenašeče kyslíku, cytochromy, hemové enzymy

Metabolismus bílkovin _odbourávání

Metabolismus bílkovin po přijetí potravy – endo- a exo-peptidázy hydrolyticky štěpí AA na směs různě dlouhých peptidů n. pepsin v žaludku, trypsin v pankreatické šťávě Další enzymy: elastasa, C-peptidasa, N-peptidasa, dipeptidasa

Metabolismus bílkovin Transaminace = reakce mezi a-ketokyselinou a a-aminokyselinou za účasti enzymu transamináza Takto je syntetizována většina neesenciálních aminokyselin

Transaminace

Metabolismus bílkovin _odbourávání

Vyloučení dusíku Rostliny – nevylučují NH3 (ukládají N ve formě toxinů) Živočichové Amonotelní – NH3 - vodní živočichové Urikotelní – kys. močová - vejcorodí Ureotelní – močovina – placentálové (tvorba močoviny - ornitinový cyklus) Přibližně 25 – 35 g bílkovin se v lidském těle denně přemění na močovinu.

KONTROLNÍ OTÁZKY

1. Vzorec aminokyseliny je? a) CHO b) COOH c) CHO H C-OH H-C-NH2 HC-OH CH2OH CH2OH HC-OH CH2OH D-glyceraldehyd D-serin D-erythrosa

2. Peptidová vazba je…? Kovalentní interakce mezi amino skupinou a –SH skupinou cysteinu Kovalentní interakce mezi amino- a karboxy skupinou aminokyselin Nekovalentní interakce b

3. Jaký je výsledný náboj aminokyseliny…? Kladný, protože má ve své molekule NH3+ skupinu záporný, protože má ve své molekule COO- skupinu Nulový, protože má ve své molekule NH3+ skupinu i COO- skupinu Záleží na pH roztoku d

4. Aminokyseliny…? Se účastní vzniku peptidů a proteinů Se podílejí na signalizaci Existují pouze jako b-aminokyseliny Mění svůj náboj podle pH roztoku ve kterém se vyskytují Jsou monomery pro tvorbu nukleových kyselin A, b, d

5. Vyšší strukturní uspořádání…? Je určeno především nekovalentními interakcemi mezi postranními řetězci aminokyselin Se nazývá “nativní konformace” Může být narušeno tepelným působením i budoucí funkce proteinu je zakódováno již v primárním uspořádání Není nutné pro správnou funkci proteinu A, b, c, d

6. Primární struktura proteinů je určena…? Kovalentní interakcí mezi cysteiny Pořadím aminokyselin Pořadím nukleotidů v DNA daného genu, který kóduje daný protein B,c

DĚKUJI ZA POZORNOST