2c. Struktura proteinů

Aminokyseliny

• základní stavební jednotky peptidů a proteinů

• 20 základních AK → kódované aminokyseliny

• karboxylové kyseliny s primární aminoskupinou nejčastěji vázanou na Cα

• opticky aktivní látky

• Cα chirální uhlík → dvě enantiomerní konformace

Triviální názvy

Glycin, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Serin, Threonin, Cystein, Methionin, Kys. asparagová, Kys. glutamátové, Asparagin, Glutamin, Lysin, Arginin, Histidin, Fenylalanin, Tyrosin, Tryptofan, Prolin

Esenciální aminokyseliny

(Val, Leu, Ile, Thr, Met, Lys, Phe, Trp)

• v proteosyntéze jsou do polypeptidového řetězce řazeny výhradně L-aminokyseliny

• biologicky významné AK nejen α-, ale i β-, γ-, δ-

• substituované přírodní AK → ornithin, citrulin (odbourávání amoniaku) katecholaminy (odvozené od tyrosinu) thyroxin, trijodthyronin (odvozené od tyrosinu)

Fyzikální vlastnosti aminokyselin

1. Polarita

   • Nepolární

   • Polární s postranním řetězcem bez el. náboje v neutrálním prostředí

   • Polární s potravním řetězcem s el. nábojem

2. Acidobazické vlastnosti

3. Optické vlastnosti

Nepolární AK

Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Trp, Met

• méně rozpustné ve vodě

• hydrofobní interakce bílkovin

Polární AK s postranním řetězcem bez el. náboje v neutrálním prostředí

Ser, Trh, Cys, Tyr, Asn, Gln

• vodíkové vazby v bílkovinách

Polární s postranním řetězcem s el. nábojem

Asp, Glu, His, Lys, Arg

• elektrostatické interakce

Acidobazické vlastnosti

• bipolární charakter → amfolyty

• výsledný náboj molekuly nulový → amfiont → nepohybuje se v elektrickém poli → izoelektrický bod pI

• většina AK dobře rozpustná ve vodě a málo rozpustná v organických rozp.

• soli AK lépe rozpustné než volné AK → závislost na pH

Neutrální AK

• obsahují zásadité a kyselé skupiny v poměru 1:1

• pl = 5,0 - 6,4

Kyselé AK

• v molekule převažuje skupina -COOH

• pl = 2,3 - 3,1

Zásadité AK

• v molekule převažuje skupina -NH₂

• pl = > 7,0

Optické aminokyseliny

• aromatické AK absorbují při 260 – 300 nm → chromofory

• chiralita → optická aktivita – schopnost stáčet rovinu polarizovaného světla

Stavba aminokyselin

Základní kostra s postranním řetězcem

Neutrální, nepolární AK

Neutrální, polární

Zásadité AK

Kyselé AK

Glycin

• nejjednodušší AK bez optické aktivity!!!

• monoaminokarboxylová AK

• kyselina aminoethanová

• bez postranního řetězce

• nejvíce zastoupen v kolagenu

• ve většině albuminů není zastoupen vůbec

• nepolární

Alanin

• kys. 2-aminopropanová

• vzniká transaminací pyruvátu

• monoaminokarboxylová AK

• součást běžných proteinů

• nepolární

Valin

• kys. 2-amino-3-methylbutanová

• esenciální AK živočichů

• monoaminokarboxylová AK

• nejvíce obsažen ve strukturních proteinech elastinech

• nepolární

Leucin

• kys. 2-amino-4-methylpentanová

• monoaminokarboxylová AK

• součást běžných proteinů

• nepolární

Isoleucin

• kys. 2-amino-3-methylpentanová

• monoaminokarboxylová AK

• součást běžných proteinů

• nepolární

Kyselina asparagová

• kys. 2-aminobutandiová

• monoaminodikarboxylová AK

• AK zbytek dává proteinům za fyziologického pH záporný náboj

• ve vyšším množství v albuminech a globulinech

• polární s nábojem v postranním řetězci

• kyselá

Kyselina glutamová

• kys. 2-aminopentandiová

• monoaminodikarboxylová AK

• AK zbytek dává proteinům za fyziologického pH záporný náboj

• nejhojnější AK nervové tkáně

• polární s nábojem v postranním řetězci

• kyselá

Asparagin

• 4-amid kyseliny asparagové

• významný donor aminoskupiny v syntézách

• vyšší obsah v albuminech a globulinech

• polární bez náboje v postranním řetězci v neutrálním prostředí

Glutamin

• 5-amid kyseliny glutamové

• vyšší obsah v rostlinných proteinech

• polární bez náboje v postranním řetězci v neutrálním prostředí

Lysin

• kys. 2,6-diaminohexanová

• diaminomonokarboxylová k.

• polární s nábojem v postranním řetězci

• bazická

• postranní řetězce důležité pro tvorbu kovalentních meziřetězcových vazeb kolagenu a elastinu

Arginin

• kys. 2-amino-5-guanidinopentanová

• polární s nábojem v postranním řetězci

• bazická

• diaminomonokarboxylová k.

• v jaterních buňkách intermediátem ureosyntézy

• hydrolýza guanidinové skupiny → urea + ornithin

• ornithinový cyklus → citrulin → arginin

Serin

• kys. 2-amino-3-hydroxypropanová

• hydroxyderivát aminokyseliny

• polární bez náboje v postranním řetězci v neutrálním prostředí

• -OH zbytek může esterově vázat na kys. fosforečnou → regulace proteinů

• hodně zastoupen ve většině proteinů

Threonin

• kys. 2-amino-3-hydroxybutanová

• hydroxyderivát aminokyseliny

• -OH zbytek může esterově vázat na kys. fosforečnou → regulace proteinů

• hodně zastoupen ve většině proteinů

• polární bez náboje v postranním řetězci v neutrálním prostředí

Cystein

• kys. 2-amino-3-sulfanylpropanová

• sirný derivát AK

• reaktivní –SH skupina → dvě molekuly cysteinu → cystin (vratná reakce)

• tvorba disulfidových můstků v proteinech

• nejvíce v keratinech společně s cystinem

• volný cystein málo rozpustný

• cysteinurie → krystaly cystinu

• pro syntézu některých proteinů – selenocystein

• polární bez náboje v postranním řetězci v neutrálním prostředí

Methionin

• kys. 2-amino-4-methylsulfanylbutanová

• esenciální AK, sirný derivát AK

• methylová skupina buňkami využívaná k methylacím → homocystein → zpětná regenerace na methionin

• homocystein je jeden z faktorů vzniku kardiovaskulárních onemocnění

• vyšší výskyt v živočišných než rostlinných proteinech

• nepolární

Fenylalanin

• kys. 2-amino-3-fenylpropanová

• esenciální AK, aromatická

• nepolární

• způsobuje fenylketonurii → vrozená metabolická porucha přeměny Phe na tyrosin (defekt v enzymu fenylalaninhydroxylázy) → poruchy CNS

Tyrosin

• kys. 2-amino-3(4-hydroxyfenyl)propanová

• vznik hydroxylací Phe

• aromatická

• polární bez náboje v postranním řetězci v neutrálním prostředí

• v proteinech spolu s Phe

• prekurzor fenolických látek (melanin, adrenalin, thyroniny)

Tryptofan

• kys. 2-amino-3-(3´-indolyl)propanová

• obsahuje heterocyklus indol

• prekurzorem serotoninu, melatoninu, nikotinamidu

• nepolární

Histidin

• kys. 2-amino-3-(4-imidazolyl)propanová

• obsahuje imidazolový heterocyklus

• polární s nábojem v postranním řetězci

• bazická

• při malých změnách pH se mohou uplatňovat jako donory nebo akceptory protonů

• v hemoglobinu zprostředkovává histidin vazbu hemového železa

• volný histidin poskytuje dekarboxylací biogenní amin histamin

Prolin

• kys. pyrrolidin-2-karboxylová

• nepolární

• na α uhlíku nemá primární aminoskupinu

• aminoskupina součástí pyrrolidinového kruhu

• vysoký obsah v kolagenu

• asi polovina prolinových zbytků v kolegenu je posttranslačně modifikováno na 4- nebo 3-hydroxyprolin

• přítomen v kaseinu

Peptidy

• vznikají kondenzací jednotlivých aminokyselin za vzniku peptidové vazby

• zvláštní typ amidové vazby

• reakce –COOH jedné AK s –NH2 druhé AK za odštěpení vody

• vyloučení vody je jen formální – rovnováha výrazně posunuta ve prospěch výchozích látek

• peptidy se relativně lehce hydrolyticky štěpí na AK

• hydrolýza peptidové vazby → exergonní

• syntéza peptidové vazby → endergonní

• in vivo – AK jsou aktivovány zaúčasti ATP a deriváty s vysokou energií → pak může dojít k syntéze peptidové vazby v ribozomech

• částečně charakter dvojné vazby → není možná rotace

• -NH – CO- tvoří planární útvar v jedné rovině

• v peptidech a proteinech převládá trans- konformace, cis- v proteinech obsahujících v sekundární struktuře Pro

Struktura polypeptidového řetězce

• spojením AK vzniká lineární polypeptidový řetězec

• N-konec → volná α-aminoskupina

• C-konec → volná karboxylová skupina

• z hlavního řetězce vystupují postranní řetězce AK

• název peptidu → od N-konce k C-konci

• dipeptidy, tripeptidy – nonapeptidy → oligopeptidy → > 10 polypeptidy

• biologicky aktivní peptidy mají sekvenci danou gentickým kódem

• peptid nebo už protein??

• není důležitý počet AK v řetězci, ale sekundární a terciární struktura

• peptidy plní řadu funkcí → hormony, antibiotika, toxiny

• peptidy v potravinách → produkty metabolismu

Oligopeptidy

• Dipeptidy

• Tripeptidy

Polypeptidy

PROTEINY

Proteiny

• polymery aminokyselin

• vznik proteosyntézou

• obsahují více než 100 AK spojených peptidovou vazbou

• obsahují i vazbydisulfidové, esterové a amidové (s kys. fosforečnou)

• pořadí a počet AK v řetezci je pro daný protein specifické

• existují proteiny s úseky se shodným pořadím AK → homologní proteiny

Rozdělení proteinů

1. Strukturní

2. Katalytické

3. Transportní

4. Pohybové

5. Obranné

6. Zásobní

7. Senzorické

8. Regulační

9. Výživové

Strukturní proteiny

tvoří cytoskelet, organely, membrány

Katalytické proteiny

• zejména enzymy a hormony

• vysoce specifické, aktivita regulovatelná

Transportní proteiny

• membránové proteiny zajišťující transport látek přes membrány

• přenašeče látek v extracelulárních tekutinách – nízkomolekulární látky nebo ionty vázané na proteiny (albumin, transferin, hemoglobin, steroidní hormony

Pohybové proteiny

• proteiny svalových vláken (aktin, myosin)

• proteinová filamenta umožňující pohyb řasinek, chromozomů při mitóze

Obranné proteiny

• specifické proteiny zajišťující ochranu buňek, organismu…

• imunoglobuliny, znaky krevních skupin

Zásobní proteiny

Ferritin

Senzorické proteiny

Rhodopsin

Regulační proteiny

hormony – inzulin, parathormon, růstový hormon

Výživové proteiny

• získané z potravin, degradované na AK, z nichž jsou syntetizovány opět proteiny

  1. nativní - vysoce stabilní

  2. denaturované - působením vnějších vlivů je narušena nativní konformace

  3. upravené - chemicky modifikované

Dělení proteinů podle struktury

1. Jednoduché

2. Složené

Jednoduché proteiny

• složené pouze z aminokyselin

• globulární (sferoproteiny) – oblý až kulovitý tvar, nepolární skupiny uvnitř polární tvoří vnější obal, rozpustné ve vodě, tvoří koloidní roztoky

• fibrilární (skleroproteiny) – nerozpustné strukturní proteiny, tvar makroskop. vláken

Složené proteiny

• nukleoproteiny

• lipoproteiny

• glykoproteiny

• fosfoproteiny

• chromoproteiny

• metaloproteiny

Dělení proteinů podle významu funkce

1. Proteiny základního metabolismu

2. Proteiny specializovaných buněk

Proteiny základního metabolismu

• přímo spojeny s existencí buňky

• enzymy základních metabolických drah podílejících se na přenosu genetické informace

• strukturní proteiny buněk, membrán

Proteiny specializovaných buněk

• nemají přímý vliv na existenci buněk, pouze pro určité typy

• enzymy sekundárního metabolismu

• proteiny pohybového aparátu, antigeny

Struktura proteinů

• stavbu molekuly popisuje kovalentní struktura

• prostorové uspořádání označujeme konformace

  1. Primární struktura

  2. Sekundární struktura

  3. Terciární struktura

  4. Kvarterní struktura

Primární struktura proteinů

• popisuje kovalentní strukturu

• počet a pořadí AK v řetězci

• pořadí je ve všech molekulách téhož druhu identické

• určuje vlastnosti proteinu, prostorovou strukturu a funkci

Sekundární struktura proteinů

• prostorové uspořádání atomů v hlavním řetězci

• je dána sledem jednotlivých AK z primární struktury

  1. Pravidelné

  2. Nepravidelné

Pravidelné sekundární struktury

Helikální struktury – stočení řetězce kolem Cα do šroubovice (helixu)

• chirální, pravotočivé (většina) nebo levotočivé (kolagen)

• α-helix – intramolekulové vodíkové vazby

• na 1 otáčku šroubovice → 3,6 aminokyselin

• vodíkové vazby rovnoběžné s osou šroubovice

• tvoří se mezi CO skupinou aminokyseliny s NH skupinou o 4 aminokyseliny dál → 3,6₁₃-helix

β – struktury (skládaný list, β-hřeben) – pro některé sekvence je výhodnější

• pravidelná struktura s roztaženým a zprohýbaným řetězcem

• spojení dvou paralelně nebo antiparalelně orientovaných řetězců

• stabilizace intramolekulovými vodíkovými vazbami kolmými na směr řetězců za vzniku pásů

• postranní řetězce orientované nad nebo pod osou hřebene

• nikdy neobsahují prolin

Nepravidelné sekundární struktury

• ohnutí, stočení a jiné deformace pravidelných tvarů

• nepravidelně vytvořené vodíkové můstky, sterické vlivy

β – ohyb – mění směr hlavního řetězce o 180°, stabilizováno vodíkovou vazbou

• tvoří spojovací úseky mezi pravidelnými segmenty, kličky

Supersekundární struktury

• vyskytují se v terciární struktuře

• stabilní

• vzniklé sdružením α-helixu nebo β-hřebene

Terciární struktura

• určuje celkovou konformaci polypeptidového řetězce a prostorové uspořádání postranních řetězců

• nejsou to rovinné útvary

• strukturní doména – stabilizované, složené ze supersekundárních struktur, mohou mít vlastní terciární strukturu

• funkční doména – určité úseky struktury proteinu s nezávislou biologickou funkcí, tvořená jednou nebo více strukturními doménami

• vazby účastnící se terciární struktury: disulfidové můstky, nevazebné interakce hydrofobní a elektrostatické interakce

Kvarterní struktura

• tvoří ji pouze některé proteiny

• tvořena několika nezávislými globulárními podjednotkami (protomery)

• podjednotky vázány nekovalentními vazbami

• udává počet a prostorové uspořádání podjednotek

• funkční skupiny jsou na povrchu a umožňují propojení

• vlivem vnějšího prostředí se může uspořádání měnit → změna biologické funkce

• typické pro enzymy, receptory, transportní proteiny

• hemoglobin

Důležité skupiny proteinů

• Globulární proteiny

• Fibrilární proteiny

• Proteiny s konstrukční a podpůrnou funkcí

• Proteiny transportní a skladovací

• proteiny kontraktilních a pohybových orgánů

• Proteiny s ochrannou funkcí

• Modifikované proteiny