Biopolymery 2008.

Prezentace na téma: "Biopolymery 2008."— Transkript prezentace:

1 Biopolymery 2008

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

3 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

4 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

5 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.

6 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

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

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

9 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

10 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

11 Disacharidy

12 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

13 Zásobní polysacharidy

14 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

15 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

16 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

17 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

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

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

20 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

21 Mikrofibrily celulózy ve stěně rostlinné buňky

22 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

23 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

24 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

25 Chitin svlékající se cikáda (řád Hemiptera)

26 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

27 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

28 Syntéza a struktura triacylglycerolu

29 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

30 Nasycené a nenasycené mastné kyseliny

31 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

32 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

33 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

34 Fosfolipidy na obrázku je fosfatidylcholin

35 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

36 Micely a fosfolipidová dvojvrstva

37 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

38 Cholesterol vznik aterosklerózy

39 Cholesterol v plasmatických membránách živočichů

40 Steroidní hormony

41 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

42 Funkce proteinů - přehled

43 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

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

45 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

46 Nepolární aminokyseliny

47 Polární a elektricky nabité aminokyseliny

48 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

49 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

50 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.

51 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

52 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

53

54 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

55 Primární struktura lysozymu

56 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

57 Srpkovitá anémie

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

59 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

60 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

61 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

62 Sekundární struktura: α- helix a β-skládaný list

63 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

64 Motivy …mohou vypadat například takto

65

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

67 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

68 Terciární struktura proteinu

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

70 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

71 Kvartérní struktura

72 Opakování

73 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“

74 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

75 Denaturace a renaturace proteinů

76 Problém sbalování proteinů
dnes je známa primární struktura cca proteinů a trojrozměrná struktura u cca 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

77 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

78 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 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

79 Chaperony v akci

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

81 Rentgenová krystalografie

82 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

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

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

85 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

86 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

87 Nukleotidy DNA a RNA

88 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

89

90 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

91 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

92 Typy DNA A – DNA B – DNA Z DNA

93 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

94 Srovnání beta řetězce hemoglobinu mezi člověkem a ostatními druhy

95 příště: úvod do cytologie. hezký týden přeje Orko