Organika 17 Bílkoviny (názvosloví, struktura, zástupci, vlastnosti, reaktivita, použití).

Bílkoviny (názvosloví, struktura, zástupci, vlastnosti, reaktivita, použití).

bílkoviny - co

• bio makromolekulární látka

• bílkoviny jsou přítomny ve všech buňkách – podíl v tkáních vyšších organismů a člověka 80 %

  • základní stavebné jednotkou jsou α – L – AMK (AK) (substituční deriváty KK → na tvorbě bílkovin se jich podílí 21 → všechny L) spojeném peptidovými vazbami -CO-NH-

    • živočichové – příjem v potravě x rostliny – sami si je vytváří z anorg. látek

  • dle počtu spojených AMK rozlišujeme

    • peptidy = spojeno 2-100 AMK

    • bílkoviny = spojeno více než 100 AMK

bílkoviny - dělení

• dle počtu spojených AMK rozlišujeme

  • peptidy = spojeno 2-100 AMK

  • bílkoviny = spojeno více než 100 AMK

bílkoviny - peptidy - spojení AMK

ke spojení jednotlivých AMK dochází tzv peptidovou (peptidickou, amidovou) vazbou

kondenzace → spojením karboxylové sk. s aminovou za současného odštěpení vody

x       hydrolýza = reakce s vodou a Z/K/enzymem → vznik jednotlivých AMK

bílkoviny - peptidy - dělení

podle počtu AMK rozlišujeme:

• oligopeptidy = 2-10 AMK (dál se dělí na dipeptidy, tripeptidy, …)

• polypeptidy = 11-100 AMK

bílkoviny - peptidy - vlastnosti

• (s výjimkou Gly) mají chirální C

  • v R řetězci další aminová / karboxylová sk.:

    • kyselé COOH > NH₂

    • zásadité COOH < NH₂

    • neutrální COOH = NH₂

  • kondenzace AMK → vznik peptidů a proteinů

    • AMK – zdroj N

bílkoviny - peptidy - důkaz peptidové vazby

• biuretovou reakcí (biuret = nejjednodušší sl. s peptidovou vazbou takto reagující)

• reakcí s Cu²⁺ ionty v alkalickém prostředí dochází ke vzniku červenofialového komplexu

bílkoviny - peptidy -  biologické funkce přírodních peptidů

• hormony

  • oxytocin = způsobuje kontrakce hladkého svalstva, vzniká v mezimozku

  • insulin = vzniká ve štítné žláze, podporuje metabolismus (odbourávání glukosy)

    • glukagon = vznik ve štítné žláze, mobilizace glukosy ze zásob

• antibiotika = látky selektivně toxické vůči mikroorganismům produkované mikroorganismy

  • penicilin

• jedy

bílkoviny - proteiny - co jsou

• makromolekulární látky složené z polypeptidového řetězce

• tvoří 80 % sušiny živé hmoty (u živočichů více než u rostlin)

• vznikají kondenzací AMK

• základní strukturní prvek = peptidový řetězec, ze kterého vybíhají krátké postranní řetězce zbytků AMK

bílkoviny - proteiny - klasifikace

• jednoduché = obsahují pouze polypeptidový řetězec AMK (pouze výjimečně)

  • fibrilární (skleroproteiny) – vláknité, stavební funkce (pojivové, podpůrné a povrchové tkáně, vnitřní buněčné struktury)

    • ve vodě nerozpustné

  • globulární (sferoproteiny)

    • kulovité, specifické funkce ve tkáních, ve vodě rozpustné → polární povrch (nebo v roztocích solí)

    • nepravidelný elipsoid – na povrchu polární sk., uvnitř nepolární = micely

• složené = kromě polypeptidového řetězce obsahují i pevně vázanou nepeptidovou (nebílkovinnou) složku

  • glykoproteiny = obsahují glykosidově vázaný sacharid (na OH sk.)

  • chromoproteiny = obsahují vázané barvivo

  • metaloproteiny= obsahují vázané ionty kovů (Ca²⁺, Mg²⁺)

    • patří sem hemoproteiny – mají sk. HEM + ve středu ion Fe (hemoglobin)

  • lipoproteiny = obsahují vázané lipidy → uplatnění při transportu ve vodě nerozp. lipidů

• membránové bílkoviny – části molekul zabudovány v dvojvrstvě polárních lipidů, kde interagují s nepolárními alkanovými řetězci

  • na povrchu mají nepolární (hydrofobní aminokyselinové zbytky)

bílkoviny - proteiny - klasifikace - jednoduché

= obsahují pouze polypeptidový řetězec AMK (pouze výjimečně)

• fibrilární (skleroproteiny) – vláknité, stavební funkce (pojivové, podpůrné a povrchové tkáně, vnitřní buněčné struktury)

  • ve vodě nerozpustné

• globulární (sferoproteiny)

  • kulovité, specifické funkce ve tkáních, ve vodě rozpustné → polární povrch (nebo v roztocích solí)

  • nepravidelný elipsoid – na povrchu polární sk., uvnitř nepolární = micely

bílkoviny - proteiny - klasifikace - složené

= kromě polypeptidového řetězce obsahují i pevně vázanou nepeptidovou (nebílkovinnou) složku

• glykoproteiny = obsahují glykosidově vázaný sacharid (na OH sk.)

• chromoproteiny = obsahují vázané barvivo

• metaloproteiny= obsahují vázané ionty kovů (Ca²⁺, Mg²⁺)

  • patří sem hemoproteiny – mají sk. HEM + ve středu ion Fe (hemoglobin)

• lipoproteiny = obsahují vázané lipidy → uplatnění při transportu ve vodě nerozp. lipidů

bílkoviny - proteiny - klasifikace - membránové

části molekul zabudovány v dvojvrstvě polárních lipidů, kde interagují s nepolárními alkanovými řetězci

• na povrchu mají nepolární (hydrofobní aminokyselinové zbytky)

bílkoviny - proteiny - funkce

• stavební – převážně nerozpustné fibrilární (vláknité) proteiny

  • např. kolageny (chrupavky), keratiny (kůže, vlasy) + fibroin (hedvábí)

    • mimobuněčné struktury – chrupavky, kosti, vlasy, nehty, tkáně, svaly, orgány

• katalytická

  • enzymy – vliv na biochemické děje v buňkách i mimo ně – biokatalyzátory

• řídící a regulační

  • koordinátory – hormony (bílkovinné povahy) – např. inzulin

  • regulace toku látek metabolickými drahami a další fyziologické funkce

• obranná a ochranná

  • např. imunoglobuliny (protilátky)

  • proteiny = antigeny (v cizím organismu vyvolávají imunitní reakci = vznik protilátek

• transportní – např. hemoglobin a myoglobin

  • transport O a CO₂ v hemoglobinu, transport mastných kyselin ve vazbě na albumin a lipidů v lipoproteinech, transport Fe v transferinu, ukládání ve feritinu, transport látek přes membrány

• zásobní (zásoba a zdroj energie)

  • např. ovoalbumin ve vaječném bílku

• toxiny – hadí jedy

• podílí se na syntéze lipidové dvojvrstvy, nukleotidů a alkaloidů

• zajišťují pohyb svalové tkáně na buněčné úrovni – fibrilární bílkovina myosin a globulární bílkovina aktin

• zajišťují vznik a přenos nervového vzruchu – toto umožňují především lipoproteinové komplexy buněk nervové tkáně a glykoproteiny receptorů synaptických membrán

bílkoviny - proteiny - vlastnosti proteinů

• relativně vysoká molekulární hmotnost (M_r > 10 000)

• mají koloidní charakter

• při mikrobiálním rozkladu (hnití) vznikají zapáchající sloučeniny, které mohou být i jedovaté

• rozpustnost ve vodě

  • nerozpustné – odolné vůči fyzikálním i chemickým vlivům (např. v kůži)

  • rozpustné – citlivé vůči fyzikálním i chemickým vlivům (např, v krevní plazmě)

• lze je oddělit od minerálních solí dialýzou

• za použití semipermeabilní membrány, jejíž póry nepropouštějí molekuly proteinů, ale propouští ionty solí a rozpouštědla

bílkoviny - proteiny - struktura

• přesně definované pořadí AMK zakódované v NK (nukleových kys.)

• souvisí s jejich funkcí (přesto proteiny stejné funkce se liší ve své struktuře podle druhu organismu)

• typy vazeb fixující nejčastěji prostorové uspořádání proteinů:

  • disulfidové vazby = kovalentní propojení 2 míst v řetězci nebo mezi řetězci (uskutečňuje se mezi 2 zbytky Cys)

  • nevazebné interakce:

    • vodíkové můstky mezi -NH a 0=C skupinami peptidového řetězce

    • iontové vazby – přitahovány opačně nabité řetězce AMK (elektrostatické interakce)

    • hydrofobní interakce – vzájemné působení nepolárních skupin

• primární struktura = pořadí (sekvence) AMK v peptidovém řetězci

  • zakódovaná pořadím nukleotidů v NK (nukleových kys.)

    • jejich pořadí čteme od N- k C-konci

  • neposkytuje úplnou informaci o chemické struktuře proteinu

  • podmiňuje vlastnosti a funkci bílkovin

• sekundární struktura = určité pravidelně se opakující uspořádání, nejčastěji stabilizována vodíkovými můstky mezi CO…HN

  • geometrické uspořádání polypeptidického řetězce

    • α - helix ( -šroubovice): obvykle pravotočivé

    • β - struktura (struktura skládaného listu)

• terciární struktura = výsledný tvar vlákna proteinu fixovaný kovalentními i nekovalentními vazbami (van der Waalsovy, iontové vazby + disulfidické)

  • často obtížně odlišitelná od sekundární struktury

  • uspořádání sekundární struktury do konečného tvaru molekuly bílkoviny

    • fibrilární – vlákno

    • globulární – klubko

• kvartérní struktura = výsledný tvar molekuly proteinu = vzájemné prostorové uspořádání podjednotek

  • u proteinů složených z více peptidových řetězců

  • kombinace kompletně sbalených struktur jednotlivých vláken

bílkoviny - proteiny - struktura - primární

= pořadí (sekvence) AMK v peptidovém řetězci

• zakódovaná pořadím nukleotidů v NK (nukleových kys.)

  • jejich pořadí čteme od N- k C-konci

• neposkytuje úplnou informaci o chemické struktuře proteinu

• podmiňuje vlastnosti a funkci bílkovin

bílkoviny - proteiny - struktura - sekundární

= určité pravidelně se opakující uspořádání, nejčastěji stabilizována vodíkovými můstky mezi CO…HN

• geometrické uspořádání polypeptidického řetězce

  • α - helix ( -šroubovice): obvykle pravotočivé

  • β - struktura (struktura skládaného listu)

bílkoviny - proteiny - struktura - terciární

= výsledný tvar vlákna proteinu fixovaný kovalentními i nekovalentními vazbami (van der Waalsovy, iontové vazby + disulfidické)

• často obtížně odlišitelná od sekundární struktury

• uspořádání sekundární struktury do konečného tvaru molekuly bílkoviny

  • fibrilární – vlákno

  • globulární – klubko

bílkoviny - proteiny - struktura - kvartérní

= výsledný tvar molekuly proteinu = vzájemné prostorové uspořádání podjednotek

• u proteinů složených z více peptidových řetězců

• kombinace kompletně sbalených struktur jednotlivých vláken

denaturace 

• = děj, při kterém dochází k narušení všech vyšších struktur proteinu kromě primární

• protein ztrácí svou funkčnost, jeho energetická hodnota ale zůstává zachována

• mezi příčiny mohou náležet vysoká teplota, změna pH nebo přítomnost solí těžkých kovů

bílkoviny - proteiny - přehled

• fibrilární – vláknité → funkce konstrukční, podpůrné a krycí

  • kolagen = kosti, chrupavky, šlachy, kůže

    • zahříváním vzniká klih, popř. želatina

  • keratin = kůže a její deriváty (vlasy, nehty, chlupy, peří, vlna)

  • fibroin = tvoří podstatu přírodního hedvábí

• globulární (enzymy, protilátky)

  • albuminy = zdroj AMK pro organismus, v mléce, krevní plazmě, vaječném bílku

  • globuliny = specifické funkce v organismu - obranná, transportní i enzymová

  • histony = v buněčných jádrech, vázány na NK (DNA)

• glykoproteiny

  • součást sekretů sliznic, např. v žaludku, ve slinách, krevní skupiny

• metaloproteiny → hemoproteiny

  • hemoglobin a myoglobin = přenos krevních plynů (O₂, CO₂)

• lipoproteiny - vyskytují se v krevní plazmě

  • stavba biomembrán → vazba lipidu na bílkovinu umožňuje transport v polárním prostředí (krvi)

• fosfoproteiny

  • zdroj fosforu pro syntézu AMK a NK (DNA, RNA)

  • kasein = v mléce (jeho Ca²⁺ sůl je zdroj vápníku pro organismus)

bílkoviny - proteiny - přehled - fibrilární

– vláknité → funkce konstrukční, podpůrné a krycí

• kolagen = kosti, chrupavky, šlachy, kůže

  • zahříváním vzniká klih, popř. želatina

• keratin = kůže a její deriváty (vlasy, nehty, chlupy, peří, vlna)

• fibroin = tvoří podstatu přírodního hedvábí

bílkoviny - proteiny - přehled - globulární

(enzymy, protilátky)

• albuminy = zdroj AMK pro organismus, v mléce, krevní plazmě, vaječném bílku

• globuliny = specifické funkce v organismu - obranná, transportní i enzymová

• histony = v buněčných jádrech, vázány na NK (DNA)

bílkoviny - proteiny - přehled - glykoproteiny

• součást sekretů sliznic, např. v žaludku, ve slinách, krevní skupiny

bílkoviny - proteiny - přehled - metaloproteiny

→ hemoproteiny

• hemoglobin a myoglobin = přenos krevních plynů (O₂, CO₂)

bílkoviny - proteiny - přehled - lipoproteiny

• vyskytují se v krevní plazmě

  • stavba biomembrán → vazba lipidu na bílkovinu umožňuje transport v polárním prostředí (krvi)

bílkoviny - proteiny - přehled - fosfoproteiny

• zdroj fosforu pro syntézu AMK a NK (DNA, RNA)

• kasein = v mléce (jeho Ca²⁺ sůl je zdroj vápníku pro organismus)

bílkoviny - proteiny - biologická aktivita proteinů

• úzce souvisí se strukturou a složením

  • charakteristicky fixovaný prostorový tvar proteinů v organismu = nativní struktura

  • při změně vyšších úrovní struktury (změna t, chem. činidly, ultrazvukem) – denaturaci (nevratná změna konfigurace) – dochází k zániku biologické aktivity

• denaturovaný protein

  • méně pravidelné uspořádání

  • většinou nevratná změna, pokles rozpustnosti a optické aktivity, ztráta biologické aktivity

  • lépe přístupný hydrolytickým enzymům = lepší stravitelnost (podstata tepelné úpravy pokrmů, včetně likvidace choroboplodných zárodků)

    • využití denaturace u vaření masa a vajec

• koagulace = vyloučení proteinu z roztoku (vratná – působením lehkých solí  /  nevratná – působením solí těžkých kovů)

bílkoviny - proteiny - stanovení struktury

• jaké AMK a v jakém počtu peptid obsahuje = analyzátor AMK

  • redukce všech disulfidových vazeb

  • chránění cysteinu kyselinou jodoctovou

  • hydrolýza všech amidových vazeb peptidu HCl

  • sloupcová chromatografie – rozdílná migrace AMK dle isoelektrického bodu pI

• stanovení sekvence – může probíhat z C- nebo N- konce AMK

  • odštěpování vždy pouze 1 aminokyselinového zbytku

  • Edmanovo odbourávání (N-koncová analýza)

    • reakce peptidu s fenylisothiokyanátem (PITC) za odštěpení 1 AMK

      • uvolněná AMK se stanoví chromatograficky a zbytek peptidu se podrobí dalšímu cyklu

  • Parciální hydrolýza (enzymová reakce, štěpení enzymy na menší fragmenty)

    • určení C-koncové AMK

    • analýza spočívá v inkubaci a sledování první AMK, která se objeví

bílkoviny - proteiny - stanovení struktury - analyzátor AMK

= jaké AMK a v jakém počtu peptid obsahuje

• redukce všech disulfidových vazeb

• chránění cysteinu kyselinou jodoctovou

• hydrolýza všech amidových vazeb peptidu HCl

• sloupcová chromatografie – rozdílná migrace AMK dle isoelektrického bodu pI

bílkoviny - proteiny - stanovení struktury - stanovení sekvence

– může probíhat z C- nebo N- konce AMK

• odštěpování vždy pouze 1 aminokyselinového zbytku

• Edmanovo odbourávání (N-koncová analýza)

  • reakce peptidu s fenylisothiokyanátem (PITC) za odštěpení 1 AMK

    • uvolněná AMK se stanoví chromatograficky a zbytek peptidu se podrobí dalšímu cyklu

• Parciální hydrolýza (enzymová reakce, štěpení enzymy na menší fragmenty)

  • určení C-koncové AMK

  • analýza spočívá v inkubaci a sledování první AMK, která se objeví

bílkoviny - proteiny - syntéza

• rozdíl od přípravy jednoduchých amidů – více specifických požadavků

  • při spojení 2 AMK jsou 2 možnosti amino- a 2 možnosti karboxy- spojení

    • proto se používá chránění

      • chránění a odchránění -COOH skupiny

        

      • chránění a odchránění aminoskupiny

bílkoviny - proteiny - syntéza v organismu

• obecný mechanismus je společný pro všechny eukaryotické buňky, syntéza většiny proteinů trvá 20 sekund až několik minut

• dělí se na 3 fáze:

  • transkripce = přepis genetické informace z DNA do RNA (probíhá v jádře buňky)

    • dochází k rozpletení dvoušroubovice DNA a následnému připojením nukleotidů na základě komplementarity

    • vzniknou vlákna mRNA, která se odpojí

  • translace = překlad genetické informace z mRNA do primární struktury proteinu

    • vlákno mRNA se naváže na ribozómy, ve kterých se uskutečňuje samotná tvorba proteinu

    • tento proces probíhá čtením trojic bází v řetězci mRNA

      • trojice bází se nazývá kodon a kóduje určitou aminokyselinu

        • vztah mezi kodonem a aminokyselinou se nazývá genetický kód

    • na každý kodon se napojí aminokyselina, která se spojí s předchozí a následující aminokyselinou peptidovou vazbou

      • jednotlivé aminokyseliny jsou vázány na nukleotidy tRNA

  • posttranslační modifikace = další úpravy polypeptidového řetězce, např. glykosylace, která probíhá uvnitř endoplazmatického retikula a v Golgiho aparátu

    • proteiny určené na export jsou zabaleny do sekrečních váčků

  • většina proteinů se začíná sbalovat do trojrozměrné struktury již během syntézy na ribozómu

    • skládání proteinů do jejich nativní konformace napomáhají tzv. molekulové chaperony = proteiny, které se váží k částečně složenému řetězci syntetizované bílkoviny a udržují jej v rozvinuté formě během pohybu cytoplazmou a přes jednotlivé buněčné membrány

    • chybně svinuté proteiny jsou zadržovány a následně přesunuty do cytoplazmy, kde jsou odbourány

bílkoviny - proteiny - syntéza v organismu - transkripce

= přepis genetické informace z DNA do RNA (probíhá v jádře buňky)

• dochází k rozpletení dvoušroubovice DNA a následnému připojením nukleotidů na základě komplementarity

• vzniknou vlákna mRNA, která se odpojí

bílkoviny - proteiny - syntéza v organismu - translace

= překlad genetické informace z mRNA do primární struktury proteinu

• vlákno mRNA se naváže na ribozómy, ve kterých se uskutečňuje samotná tvorba proteinu

• tento proces probíhá čtením trojic bází v řetězci mRNA

  • trojice bází se nazývá kodon a kóduje určitou aminokyselinu

    • vztah mezi kodonem a aminokyselinou se nazývá genetický kód

• na každý kodon se napojí aminokyselina, která se spojí s předchozí a následující aminokyselinou peptidovou vazbou

  • jednotlivé aminokyseliny jsou vázány na nukleotidy tRNA

bílkoviny - proteiny - syntéza v organismu - posttranslační modifikace

= další úpravy polypeptidového řetězce, např. glykosylace, která probíhá uvnitř endoplazmatického retikula a v Golgiho aparátu

• proteiny určené na export jsou zabaleny do sekrečních váčků

bílkoviny - proteiny - syntéza v organismu - sbalování

• většina proteinů se začíná sbalovat do trojrozměrné struktury již během syntézy na ribozómu

  • skládání proteinů do jejich nativní konformace napomáhají tzv. molekulové chaperony = proteiny, které se váží k částečně složenému řetězci syntetizované bílkoviny a udržují jej v rozvinuté formě během pohybu cytoplazmou a přes jednotlivé buněčné membrány

  • chybně svinuté proteiny jsou zadržovány a následně přesunuty do cytoplazmy, kde jsou odbourány