Biopolymery 2008

Biologické makromolekuly polysacharidy lipidy proteiny nukleové kyseliny proteiny a nukleové kyseliny označujeme jako informační makromolekuly

Biopolymery vznikají kondenzací a rozkládají se hydrolýzou polysacharidy, proteiny, nukleové kyseliny polymery sestávají z tzv. monomerů polymery vznikají kondenzací monomerů. při této reakci vzniká vždy molekula vody polymery je možno rozložit reakcí zvanou hydrolýza. Molekula vody se při ní spotřebuje. hydrolýza probíhá např. v našich tělech při procesech trávení

Kondenzace Hydrolýza Při kondenzaci poskytuje jeden monomer hydroxyl –OH a druhý vodík –H Tato reakce stojí buňku energii a probíhá pouze za asistence enzymů. Při hydrolýze je vazba mezi monomery rozbita přidáním molekuly vody. Hydroxyl je přidán k jednomu vznikajícímu monomeru a vodík ke druhému monomeru

Z malého množství monomerů může vzniknout mnoho polymerů např. rozdíly mezi sourozenci jsou dány rozdílnou sekvencí polymerů DNA biopolymery se sestávají z cca 40 – 50 monomerů, ale z nich lze vytvořit téměř nekonečné množství polymerů, podobně jako z 26 písmen (anglické) abecedy lze vytvořit obrovské množství slov. V biopolymerech ale „slova“ mohou mít délku stovek nebo tisíců „písmen“ například proteiny sestávají z 21 druhů aminokyselin, ale jejich typická délka jsou stovky těchto aminokyselin.

Sacharidy – palivo a stavební materiál monosacharidy mají strukturu, ve které se opakuje skupina CH2O je zde rovněž karbonylová skupina C=0 podle umístění této skupiny odlišujeme aldózy a ketózy; např. glukosa patří mezi aldózy; fruktóza mezi ketózy dalším znakem je počet uhlíků: v monosacharidech je jich 3 - 7

Struktura a klasifikace monosacharidů Glukóza a galaktóza se liší pouze v orientaci skupin kolem asymetrického uhlíku. Tento rozdíl (vyznačeno šedými obdélníky) dává oběma molekulám odlišný tvar i odlišné chování

Ve vodném prostředí tvoří glukóza, stejně jako řada dalších cukrů, kruhové molekuly

Monosacharidy monosacharidy, zejména glukóza, slouží jako hlavní zdroj paliva pro procesy buněčné respirace jejich uhlíkové kostry však slouží i jako stavební materiál pro tvorbu dalších typů organických molekul, jako jsou aminokyseliny nebo mastné kyseliny

Disacharidy sestávají ze dvou monosacharidů, spojených glykosidickou vazbou maltosa je např. složena ze dvou glukóz (maltóza je důležitý cukr při vaření piva) laktóza sestává z glukózy a galaktózy sacharóza sestává z glukózy a fruktózy. Sacharidy, vzniklé fotosyntézou v listech, jsou transportovány do zásobních orgánů rostliny zpravidla ve formě sacharózy

Disacharidy

Polysacharidy mají zásobní a stavební funkci. Hydrolýzou některých polysacharidů jsou buňkám poskytovány monosacharidy pro respiraci. Jiné, např. celulóza, jsou užívány jako stavební materiál obvykle stovky – tisíce monosacharidů

Zásobní polysacharidy

Zásobní polysacharidy Škrob je nejčastější zásobní látkou u rostlin. Sestává z monomerů glukózy lineárně spojených 1 – 4 glykosidickou vazbou. Úhel této vazby činí výslednou molekulu spirálovitého tvaru Amylóza, nejjednodušší forma škrobu, je nevětvená Amylopektin, složitější forma škrobu je větvená. V bodech větvení je 1 – 6 vazba

Zásobní polysacharidy rostliny skladují tyto škroby v tzv. plastidech (chloroplasty, chromoplasty, leukoplasty). V přpadě potřeby je možno z této banky hydrolýzou vyzískat jednotlivé molekuly glukózy většina živočichů, včetně člověka, má enzymy schopně odbourat rostlinný škrob brambory, rýže, pšenice a další obiloviny jsou pro svůj obsah škrobu hlavním zdrojem lidské diety

Zásobní polysacharidy - glykogen živočichové ukládají zásobní polysacharidy ve formě glykogenu glykogen má podobnou strukturu jako amylopektin, ale je více větvený lidé a další obratlovci uchovávají glykogen především v játrech a svalech jeho hydrolýzou je získána glukóza pro buněčnou respiraci zásoba glykogenu v játrech a svalech však není velká, přibližně za den je vyčerpána a musí být doplněna potravou

Strukturální polysacharidy - celulóza celulóza je nejhojnější organickou látkou na světě; rostliny na Zemi produkují ročně 1011 (100 miliard) tun celulózy celulóza je podobně jako glykogen či amylóza tvořena z monomerů glukózy, ale vazba mezi jednotlivými monomery se u celulózy a škrobu odlišuje glukóza totiž při svém přechodu do kruhové molekuly může zaujmout dva prostorové tvary – α a β

α a β glukóza Při vzniku kruhové struktury je uhlík 1 uzamčen do jedné ze dvou možných konfigurací - α nebo β

Škrob a celulóza U škrobu se jedná o α glykosidickou vazbu, u celulózy o β vazbu. U celulózy jsou molekuly glukózy „vzhůru nohama“

Škrob a celulóza odlišná vazba dává oběma polysacharidům odlišné prostorové uspořádání; zatímco škrob je spirálovitý, molekula celulózy leží v rovině (a nikdy se nevětví). Díky tomu leží její hydroxylové skupiny volně v rovině a jsou schopny se vázat vodíkovými můstky k hydroxylům paralelních řetězců ve stěnách rostlinných buněk se tyto paralelně ležící celulózová vlákna nazývají mikrofibrily

Mikrofibrily celulózy ve stěně rostlinné buňky

Celulóza enzymy, které jsou schopny rozštěpit α glykosidickou vazbu škrobu neumí rozštěpit β vazbu celulózy. Jen málo organismů dokáže trávit celulózu i když lidé trávit celulózu nedokáží, při průchodu trávicím traktem vlákna celulózy dráždí střevní stěnu k sekreci látek hlenovité povahy, které usnadňují průchod potravy. tzv. vláknina je tedy důležitou složkou potravy člověka, i když je sama o sobě nestravitelná

Celulóza někteří prvoci či baktérie umí trávit celulózu na glukózové monomery např. krávy mají v první části svého žaludku (rumen) mutualistické baktérie, které štěpí celulózová vlákna trávy či sena termiti mají rovněž ve svém žaludku mikroorganismy schopné trávit celulózu i některé houby jsou schopny rozkládat dřevo padlých stromů a vrací tak chemické prvky zpět do oběhu ekosystému

Chitin chitin je látka užívaná členovci (Arthrpoda), jako jsou pavouci, hmyz či korýši ke tvorbě jejich exoskeletů, vnější kostry čistý chitin má kožovitou strukturu, bývá ale „vytvrzen“ např uhličitanem vápenatým rovněž i buněčná stěna hub je tvořena chitinem monomerem chitinu je N-acetylglukosamin

Chitin svlékající se cikáda (řád Hemiptera)

Lipidy - hydrofobní molekuly lipidy sice jsou makromolekuly, ale nepatří mezi polymery různé druhy těchto molekul jsou sloučeny dohromady v jednu širokou skupinu díky svým hydrofobním vlastnostem i když mají polární vazby, většina molekuly je tvořena uhlíky a vodíky a je proto nepolární lipidy jsou velká skupina látek odlišná ve struktuře i funkci: patří sem např. i vosky a některá barviva nejdůležitější však jsou: tuky, fosfolipidy a steroidy

Tuky obsahují velké množství energie tuky sestávají ze dvou typů molekul: je to glycerol a mastná kyselina glycerol je alkohol se třemi uhlíky. Každý z uhlíků obsahuje hydroxylovou skupinu mastná kyselina je většinou 16 – 18 uhlíkový útvar s karboxylovou skupinou, která dává molekule název mastná kyselina dlouhé C-H nepolární vazby jsou důvodem hydrofobních vlastností tuk je tvořen glycerolem a třemi zbytky mastné kyseliny: hovoříme o triacylglycerolech

Syntéza a struktura triacylglycerolu

Nasycené a nenasycené mastné kyseliny tuky se liší v délce uhlíkatého skeletu mastných kyselin a také v tom, zda tyto kyseliny obsahují či neobsahují dvojnou vazbu. Důležité je rovněž umístění této dvojné vazby. nasycená mastná kyselina neobsahuje dvojnou vazbu nenasycené mastné kyseliny obsahují dvojnou vazbu (či vazby) v místě dvojné vazby bude molekula mastné kyseliny zalomená

Nasycené a nenasycené mastné kyseliny

Nasycené a nenasycené mastné kyseliny živočišné tuky (např. lůj či máslo) jsou tvořeny z nasycených kyselin a při pokojové teplotě jsou pevné rostlinné tuky: díky nenasyceným vazbám (a „ohnutým“ molekulám) se k sobě nemohou molekuly dostat dostatečně blízko a při pokojové teplotě jsou tekuté – hovoříme proto spíše o rostlinných olejích termín „nasycený rostlinný tuk“ na obalech margarínů znamená, že k oleji byl synteticky přidán vodík a tím zrušeny dvojné vazby. Tím došlo ke vzniku ztuženého tuku

Význam tuků především palivo pro metabolismus: 1g tuku obsahuje dvakrát víc energie než gram škrobu (Alberts: gram tuku má až 6x víc energie než gram glukosy) protože rostliny jsou nepohyblivé, mohou „si dovolit“ uchovávat zásobní látky ve formě škrobu pohybliví živočichové potřebují relativně lehkou zásobárnu energie nosit při sobě tuková vrstva navíc chrání orgány (např. ledviny) před nárazem a slouží jako izolační vrstva

Fosfolipidy jsou hlavní složkou buněčných membrán fosfolipidy se podobají tukům, ale obsahují pouze dva zbytky mastných kyselin. Třetí hydroxylová skupina glycerolu je navázána na zbytek kyseliny fosforečné, který nese záporný náboj na tento zbytek kyseliny fosforečné je navázána další molekula, většinou polární nebo nabitá fosfolipidy mají tzv. amfipatický či amfifilní charakter: jsou zároveň hydrofobní i hydrofilní

Fosfolipidy na obrázku je fosfatidylcholin

Fosfolipidy pokud se fosfolipidy dostanou do vody, zorientují se hydrofilními hlavičkami směrem k vodě a hydrofobním koncem od ní. Vznikne tak kulovitý útvar nazývaný micela v buněčných membránách tvoří fosfolipidy dvojvrstvu, hydrofilními konci směrem dovnitř a ven. Hydrofobní konce jsou uprostřed vrstvy. Tato dvojvrstva je silná cca 7 nm

Micely a fosfolipidová dvojvrstva

Steroidy: cholesterol a steroidní hormony steroidy jsou lipidy charakterizované čtyřmi spojenými cykly uhlíkové kostry cholesterol je častou složkou membrán živočišných buněk a prekurzorem řady steroidních hormonů vysoká hladina cholesterolu v krvi však může vést k tzv. ateroskleróze – ukládání látek tukové povahy na vnitřním povrchu krevních cév, což vede ke snížení průtoku krve či dokonce úplnému ucpání cévy

Cholesterol vznik aterosklerózy

Cholesterol v plasmatických membránách živočichů

Steroidní hormony

Proteiny proteios = (řec.) první místo proteiny tvoří víc než 50% sušiny buňky nosné lešení buňky, transport, zásobní látky, signalizace z jedné části těla do jiné, pohyb, obrana proti patogenům, enzymy člověk má v těle desítky tisíc různých druhů proteinů Rozdělení podle délky: oligopeptidy (cca do 10 aminokyselin), polypeptidy (cca do 100 aminokyselin) a proteiny (cca nad 100). Jednotlivé učebnice se ovšem v klasifikaci liší

Funkce proteinů - přehled

Aminokyseliny jsou malé organické molekuly, obsahující karboxylovou skupinu a aminoskupinu v centru aminokyseliny je asymetrický uhlík, označovaný jako α uhlík na tento uhlík je navázán atom vodíku, karboxyl, aminoskupina a zbytek – R, kterým se jednotlivé aminokyseliny liší

Aminokyseliny od krásnoočka po žirafu je veškerý život tvořen jako skládačka z této dvacítky aminokyselin… …jako z dvaceti kostek stavebnice lego vytvoříte celou biosféru

Existuje 21 druhů aminokyselin, nacházejících se v živých organismech otázky: proč zrovna tyto a proč ne jiné? proč jsou všechny aminokyseliny v živých organismech levotočivé? (s výjimkou aminokyselin v buněčných stěnách některých bakterií a v některých antibiotikách) dělí se na: nepolární polární elektricky nabité: zásadité postranní řetězce kyselé postranní řetězce

Nepolární aminokyseliny

Polární a elektricky nabité aminokyseliny

Dělení aminokyselin nepolární: gylcin, alanin, valin, leucin, isoleucin, metionin, fenylalanin, tryptofan, prolin polární: asparagin, glutamin, serin, threonin, tyrosin zásadité: lysin, arginin, histidin kyselé: kyselina asparagová, kyselina glutamová

Aminokyseliny v buňce mohou ovšem být i jiné druhy aminokyselin, které se ovšem nezabudovávají do proteinů nepolární aminokyseliny jsou hydrofobní, polární hydrofilní – to je důležitá pro prostorový tvar proteinu ve vodném prostředí buňky

Peptidová vazba Vzniklý oligopeptid je polární (zde má ovšem slovo polarita jiný význam) – tripeptid na obrázku má tzv. N konec a tzv. C konec. Na jednom konci (N) peptidu je aminoskupina, na druhém (C) je karboxyl.

Peptidová vazba peptidy v buňkách mohou mít délku od dvou až do několika tisíc aminokyselin. Z 21 monomerů tak může vzniknout nepřeberné množství proteinů různých vlastností a funkce

Čtyři úrovně struktury proteinu funkční protein není pouze řetězec aminokyselin, ale jeden či více řetězců ve správné prostorové konformaci mnoho proteinů je globulárních (kulovitých), jiné tvoří vlákna na správné prostorové orientaci závisí správná funkce proteinu (vzpomeňme na neurotransmittery minulého semináře) existují celkem tři úrovně prostorového uspořádání proteinu. Čtvrtá úroveň vzniká, když se protein skládá z několika polypeptidových řetězců

Primární struktura = sekvence aminokyselin na příštím obrázku je znázorněn antibakteriální protein lysozym, sestávající u člověka ze 129 aminokyselin někdy se stane, že chybné zařazení byť i jediné aminokyseliny zcela znemožní funkci proteinu

Primární struktura lysozymu

Srpkovitá anémie je autozomálně dědičná recesívní choroba, vzniklá záměnou jediného nukleotidu DNA díky tomu se na šesté místo vznikajícího hemoglobinového řetězce zařadí nesprávně valin místo kyseliny glutamové tím se jednotlivé molekuly hemoglobinu „slepí“ k sobě, zřetězí se a ovlivní i tvar erytrocytu do tvaru srpu

Srpkovitá anémie

Primární struktura insulinu Fred Sanger 1958 - Nobelova cena za objev struktury insulinu 1980 - druhá Nobelova cena za techniku sekvencování DNA, tzv. „dideoxy“ nebo „Sangerova“ Strukturu insulinu Sanger objevil ve 40. – 50. letech XX. stol

Sekundární struktura: α- helix a β-skládaný list řada proteinů má své řetězce uspořádané díky vodíkovým můstkům v pravidelně se opakujících vzorcích na sekundární struktuře se podílí pouze atomy proteinové kostry, nikdy – R zbytky kladnější vodík aminoskupiny je přitahován ke kyslíku karboxyskupiny i když jsou jednotlivé vodíkové můstky slabé, díky stálému opkování získává celá struktura relativní pevnost

α- helix je spirálovitá struktura polypeptidu, držená vodíkovými můstky mezi každou první a čtvrtou aminokyselinou např. lysozym na dalším obrázku je globulární protein, který má alfa helixů relativně málo naopak keratin, protein vlasů a chlupů je fibrilární a má alfa helixy téměř po celé své délce

β-skládaný list tato vazba vzniká díky mnoha vodíkovým můstkům mezi paralelními řetězci peptidů. Díky prostorové konformaci tak celá struktura připomíná skládaný list papíru je častá zejména u fibrilárních bílkovin díky struktuře skládaného listu jsou např. pavoučí vlákna silnější než ocel

Sekundární struktura: α- helix a β-skládaný list

Motivy = „supersecondary structure“ β α β motiv β skládaný list se často svine do podoby duté trubice α turn α (α otáčka α) motiv: protein v této konstituci se snadno váže k DNA

Motivy …mohou vypadat například takto

Terciární struktura je tvořena – R zbytky aminokyselin je tvořena: hydrofobní interakce disulfidické můstky (mezi dvěma cysteiny) vodíková vazba iontová vazba

Terciární struktura hydrofobní interakce je způsobena molekulami vody, které přikládají nepolární R zbytky těsně k sobě. Následně mezi nimi začnou fungovat van der Waalsovy interakce. Termín hydrofobní interakce je tedy do značné míry sporný disulfidické můstky jsou pevná kovalentní vazba mezi dvěma molekulami cysteinu

Terciární struktura proteinu

Domény jsou exprimované exony, domény často pracují víceméně nezávisle na sobě jedna doména například poutá protein k plasmatické membráně, jiná má enzymatickou aktivitu

Kvartérní struktura vzniká interakcí několika polypeptidových řetězců např. kolagen je fibrilární protein, vzniklý ze tří alfa helixových vláken, spojených do trojšroubovice. To dává celé struktuře velkou pevnost. Kolagen proto tvoří šlachy, vazy atd. hemoglobin je příkladem globulárního proteinu. Sestává ze dvou druhů řetězců, z nichž je ovšem každý přítomen dvakrát. Hemoglobin tedy obsahuje celkem čtyři polypeptidové řetězce

Kvartérní struktura

Opakování

Denaturace proteinů protein se po svém vzniku často sám sbalí do trojrozměrné funkční struktury (princip „self-assembly“) pokud se ovšem v buňce změní pH, koncentrace solí či teplota, protein může ztratit svou nativní trojrozměrnou strukturu. Proces nazýváme denaturace. denaturovaný protein je biologicky inaktivní proteiny např. denaturují v nepolárním rozpouštědle (např. chloroformu či eteru) – protein se tak vlastně obrátí „naruby“

Denaturace a renaturace proteinů denaturaci lze rovněž dosáhnout přidáním tepla – zvýšení kinetické energie rozbije vodíkové můstky po odstranění denaturačního agens se protein často vrací do své funkční struktury – renaturuje to je dokladem toho, že informace o sekundární a terciární struktuře proteinů jsou obsaženy již v sekvenci aminokyselin, tedy v primární struktuře

Denaturace a renaturace proteinů

Problém sbalování proteinů dnes je známa primární struktura cca 100 000 proteinů a trojrozměrná struktura u cca 10 000 proteinů problém sbalování proteinů ovšem není tak jednoduchý. Protein často vystřídá několik konformací, než dospěje do funkčního tvaru existuje i skupina proteinů, zvaných chaperony (chaperon proteins nebo chaperonins), které napomáhají správnému sbalování proteinů

Problém sbalování proteinů princip „self-assembly“ asi nefnguje tak jednoduše, jak se dříve myslilo samosbalování by zřejmě trvalo příliš dlouho a intermediáty by zřejmě ihned reagovaly s dalšími látkami v cytoplasmě za vzniku nerozpletitelné směsky

Chaperony chaperony asistují správnému sbalování proteinů zřejmě spíš pasivně – chrání protein od „špatných vlivů“ – oddělují jej od cytoplazmy; protein se sbalí spontánně jeden z dobře prozkoumaných chaperonů je z bakterie E. coli. Je to obrovský komplex tvaru duté válcovité nádoby tvořený 21 podjednotkami o hmotnosti 900 000 daltonů! společnost IBM vyvíjí superpočítač zvaný Blue Gene, který by měl určit trojrozměrný tvar proteinu z jeho primární struktury (či ze sekvence nukleotidů) dnes je možné zdarma i na síti

Chaperony v akci

Rentgenová krystalografie (X-ray crystallography) je metoda založena na vychýlení rentgenových paprsků po dopadu na krystal proteinu používá se na určení trojrozměrné struktury proteinů

Rentgenová krystalografie

Nukleové kyseliny primární struktura peptidu je určena genem. Gen je část molekuly DNA existují dva typy nukleových kyselin: DNA a RNA monomery NA se nazývají nukleotidy DNA řídí svou vlastní syntézu (!) a řídí rovněž syntézu RNA. Podle informace v RNA pak vznikají proteiny

DNA je dlouhá molekula obsahující obvykle stovky či tisíce genů (celkový počet genů člověka je cca 25 000) každý tzv. chromosom obsahuje jednu molekulu DNA DNA dědí organismus od svých rodičů

DNA DNA předává informaci obvykle do tzv. mRNA, podle které se později vyrábí proteiny

NA je polymer nukleotidů nukleotid sestává ze tří částí: báze, cukr, zbytek kyseliny fosforečné existují dva typy bází: puriny (adenin, guanin) = šestičetný kruh s atomy uhlíku a dusíku pyrimidiny (cytosin, thymin, uracil) = spojený šestičetný a pětičetný kruh s atomy uhlíku a dusíku

NA je polymer nukleotidů DNA obsahuje: C,G,A,T RNA obsahuje: C,G,A,U DNA obsahuje cukr: deoxyribosa RNA obsahuje cukr: ribosa polynukleotid vzniká fosfodiesterovou vazbou mezi fosfátem jednoho nukleotidu a cukernou skupinou druhého protože cukrfosfátová kostra se stále opakuje, používá se pro NA pouze zkratky bází, např: AGGTTACTT

Nukleotidy DNA a RNA

Dvoušroubovice prostorovou strukturou DNA je dvoušroubovice útvar složený ze dvou vláken DNA spojených vodíkovými vazbami adenin se páruje s thyminem dvěma vodíkovými vazbami cytosin se páruje s guaninem třemi vodíkovými vazbami tato prostorová struktura DNA byla objevena 1953 Jamesem Watsonem a Francisem Crickem

Komplementarita dvě vlákna dvoušroubovice jsou tzv. komplementární – známe-li sekvenci nukleotidů jednoho, snadno dopočítáme sekvenci druhého pokud je např. na jednom vláknu sekvence AGGTCCG, pak bude na komplementárním TCCAGGC při přípravě na dělení buňky se dvoušroubovice rozplete a každé vlákno slouží jako matrice pro syntézu dceřiného, komplementárního vlákna

Typy DNA A – DNA = pravotočivá, 11 pb na otáčku B – DNA = pravotočivá, 10 pb na otáčku Z – DNA = levotočivá, 12 pb na otáčku za fysiologických podmínem je většina DNA bakteriálního či eukaryotického genomu ve formě B – DNA

Typy DNA A – DNA B – DNA Z DNA

DNA můžeme použít pro výzkum evoluční příbuznosti pokud dědíme DNA od rodičů, mezi sourozenci by měla být velká podobnost v jejich DNA, větší než u nepříbuzných jedinců stejného druhu totéž ovšem platí i pro blízce příbuzné druhy – vzniká tak tzv. molekulární genealogie, která zkoumá sekvenci DNA a proteinů u různých organismů pokud evoluce probíhá, blízce příbuzné druhy by měly vykazovat větší podobnost v DNA a sekvenci proteinů

Srovnání beta řetězce hemoglobinu mezi člověkem a ostatními druhy

příště: úvod do cytologie. hezký týden přeje Orko