Upload
others
View
9
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
BIOCHEMIEKCH / N 208
Univerzita J. E. Purkyně v Ústí nad LabemPřírodovědecká fakulta
KCH / N 208
Nguyễn Thị Thu Hương
Ústí nad Labem 2013
Projekt „Mezioborové vazby a podpora praxe v přírodovědných a technických studijních
Obor: Chemie
Klíčová slova: biochemie, aminokyselina, protein, blkovina, sacharid, lipid, biomembrána, biokatalýza, enzym, metabolismus
přírodovědných a technických studijních programech UJEP“
Registrační číslo projektu: CZ.1.07/2.2.00/28.0296
Tento projekt byl podpořen z Evropského sociálního fondu a státníhorozpočtu České republiky.
Biochemie Biochemie
LITERATURA:
1. Vodrážka Z.: Biochemie.Academia, Praha 1996.2. Voet D., Voetová J. G.: Biochemie.Victoria publishing, Praha
1995.1995.3. Šípal Z.: Biochemie.SPN, Praha 1992.4. Němečková A. a kol.: Lékařská chemie a biochemie.Avicenum
1990.5. Musil J.: Biochemie v obrazech a ve schématech.Avicenum 1992.
Molekulová organizace buňky
BUŇKA↑↑↑↑
organel(jádro, mitochondrie, chloroplasty atd.)
↑↑↑↑nadmolekulové struktury (megamolekuly, supermolekuly):
základní prekursory: CO2, H2O, NH3, N2 a SO2
nadmolekulové struktury (megamolekuly, supermolekuly):Mr 106 až 109 (kontraktilní systémy, chromatin, ribosomy, enzymové komplexy, biomembrány apod.)↑↑↑↑
biomakromolekuly (biopolymery): Mr 103 až 106(bílkoviny, nukleové kyseliny, polysacharidy a lipidy)
↑↑↑↑stavební jednotky:organické látky o Mr 100 až 350
(nukleotidy, monosacharidy, aminokyseliny, mastné kyseliny)↑↑↑↑
Biopolymery
Bílkoviny: složeny z α-aminokyselin, tvoří 50-80 % sušiny organismů, mají funkce stavební, podpůrné, transportní, katalytické, vysoce specializované funkce (enzymy, hormony, protilátky a další).
Nukleové kyseliny:složeny z nukleotidů, mají funkce skladování, přenosu a zpracování biologické (genetické) informace (DNA a RNA).
Sacharidy: slouží jako zdroj a skladování energie (glykogen, škrob), stavební Sacharidy: slouží jako zdroj a skladování energie (glykogen, škrob), stavební materiál (celulosa, chitin), stavební jednotky NA (D-ribosa a 2-deoxy-D-ribosa).
Lipidy: estery vyšších mastných kyselin a alkoholů nebo jejich derivátů, slouží jako zdroj a zásobná forma energie (triacylglyceroly), stavební prvky biomembrán (polární lipidy).
Konečné produkty a meziprodukty látkové přeměny: aminokyseliny, jednoduché cukry, nukleotidy, vitaminy…
Hlavní úlohy biomolekul v organismu
Stavební:hlavně některé bílkoviny, a anorganické látky, v rostlinné říši je celulosa, pro výstavbu biomembrán polární lipidy.
Provozní:sacharidy, lipidy jako zdroj energie
Zásobní:zásobu energie pro případ pozdější potřeby tvoří např. škrob a tuk v semenech, sacharosa v řepné bulvě, glykogen v živočišném svalu.
Řídící: enzymy, hormony, různé nukleové kyseliny a některé soli
Aminokyseliny - struktura
Fischerovy vzorce
Přírodní aminokyseliny jsou většinou αααα-aminokyseliny, obsahují asymetrický atom uhlík Cαααα (s výjimkou glycinu),
existují ve dvou enantiomerních konfiguracích: D- a L-konfigurace
Fischerovy vzorce
NH3+
C* H
R
OO-
H C* NH3+
R
O-
O
L-aminokyselina D-aminokyselina
Proteinogenní aminokyseliny
NH3+
H
H
OO- Nemá postranní řetězec.
Zaujímá nejmenší prostor - důležité pro budování prostorových struktur bílkovin.Řada strukturních bílkovin (kolageny, bílkoviny hedvábí a vlny) obsahuje významné množství glycinu.
Glycin
Hmnožství glycinu.
• Má rigidní cyklickou strukturu• Dává vznik rigiditě a změně směru ve
kterém se buduje páteř polypeptidového řetězce.
• Má důležitou úlohu při formování prostorových struktur proteinů.
Prolin
H2N+
OO-
NH3+
H
OO-
-CH3 alanin
-CH(CH3)2 valin *
-CH2CH(CH3)2 leucin *
alanin, valin, leucin, isoleucin
Proteinogenní aminokyseliny
R2 3 2
-CH(CH3)CH 2CH3 isoleucin *
-CH2CH2SCH3 methionin *
fenylalanin, tryptofan-CH2C6H5 fenylalanin *
NH
CH2
tryptofan
mají alifatické a aromatické postranní řetězce
zdroj hydrofobních interakcí
NH3+
H
OO-
serin, methionin, cystein, tyrosin-CH2OH serin
-CH(OH)CH3 threonin*
-CH2SH cystein
Proteinogenní aminokyseliny
R-CH2SH cystein
-CH2C6H4-OH tyrosin
Přispívají k hydrofilnímvlastnostem bílkovin.
Uplatňují se v řadě biochemických reakcí díky schopnostem vytvářet vodíkové vazbya také jako nukleofil.
cysteinumožňuje vytváření příčných disulfidových vazeb
R-SH + HS-R→ R-S-S-R
-CH2CONH2 asparagin
asparagina glutamin Jsou neutrální a nereaktivníMohou vytvářet vodíkové vazby.Prostřednictvím asparaginu jsou v
Proteinogenní aminokyseliny
NH3+
H
R
OO-
-CH2CONH2 asparagin
-CH2CH2CONH2 glutamin
Prostřednictvím asparaginu jsou v glykoproteinech často vázány sacharidové složky.Ve volné formě jsou letentní zásobou aminoskupin v organismu
asparagová aglutamová kyselinaMají záporný náboj - zdroj elektrostatických interakcí.
Proteinogenní aminokyseliny
NH3+
H
R
OO-
-CH2COO- asparagová k.
-CH2CH2COO- glutamová k.
interakcí.Ve volné formě se účastní přenosu aminoskupin v organismu.Glutamát působí excitačně na přenos informací mezi nervovými buňkami.
Arginin, lysin, histidin
-(CH2)3NHC=NH2+ arginin*
NH2
je nejsilnější organická base, srovnatelná s basicitou hydroxidu sodného.
obsahuje velmi reaktivní aminoskupinu
NH3+
H
R
OO-Proteinogenní aminokyseliny
-(CH2)4NH3+ lysin*
NH+
NH
CH2 histidin*
obsahuje velmi reaktivní aminoskupinu vázanou na flexibilní čtyřuhlíkatý řetězec. Účastní se velké řady reakcí bílkovin.
má pK postranního řetězce blízké fysiologickému pH. Může proto simultánně přijímat protony i poskytovat je jiným látkám, a tak fungovat jako součást nábojové štafety (angl. Charge relay system). Imidazolový kruh je současně dobrým nukleofilem.
PeptidyPeptidy
Peptidová vazba• V organismu probíhá specifické hydrolytické štěpení peptidových
vazeb určitých aminokyselin působením enzymů.
• V silně kyselém i v alkalickém prostředí se snadno hydrolyticky štěpí, v neutrálním prostředí jsou relativně stálé.
Peptidy - Přírodní peptidy
Rozšířené diRozšířené di-- a tripeptidy:a tripeptidy:
Glutathion (γγγγ-glutamylcysteinylglycin):
Nejznámější a nejrozšířenější
Výskyt: Je přítomen ve většině buněk, prvně byl isolován z droždí (1921).
Funkce: oxidoredukční systém (E0´= -0,25 V):
NHNH
O-
O
NH3+
OSH
O
O-
O
Funkce: oxidoredukční systém (E0´= -0,25 V):
G-SH + HS-G = G-S-S-G + 2 e- + 2 H+
• Chrání volné thiolové skupiny bílkovin, udržuje určitý redoxpotenciál v buňkách, podílí se na detoxikaci volných radikálů a peroxidů.
• Působí v metabolismu a transportu a tvoří reservu thiolových skupin.
• Váže a odstraňuje těžké kovy a organické elektrofilní sloučeniny.
Peptidy - Přírodní peptidy
Homony povahy peptidů a bílkovin:
Insulin: reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu vjátrech. fosforolýzu glykogenu vjátrech.
Peptidy - Přírodní peptidy
Homony povahy peptidů a bílkovin:
Insulin: reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu vjátrech. fosforolýzu glykogenu vjátrech.
Oxytocin: způsobuje kontrakci hladkého svalstva
Vasopresin:zvyšuje krevní tlak působením na artérie a zvýšením
resorpce vody v ledvinách.
HCysSSCysProPro
TyrIleGluAsn
LeuGlyH2
N HCysSSCysProPro
TyrPheGluAsn
ArgGlyH2
N
oxytocin vasopresin
Peptidy - Přírodní peptidy
Peptidová antibiotika: antibiotika-látky nejrůznějších struktur.
Peptidová antibiotika obsahují často nekódované aminokyselinyvčetně D-enantiomerů a mají často cyklické struktury.
Jsou proto toxická a resistentní vůči enzymům normálních buněk, např. Jsou proto toxická a resistentní vůči enzymům normálních buněk, např.
peniciliny
S
N
NHR
O
O
CH3
CH3
OO
-
D-valincystein
Peptidy - Přírodní peptidy
Peptidové neuromodulátory:Jsou látky modulující účinek chemických přenašečů nervového vzruchu, např. endorfin: tlumí pocit bolesti.
Peptidové zootoxiny a fytotoxiny:neurotoxiny hadů a štírů, jedovaté cyklické peptidy muchomůrky zelené falloidiny a amanitiny.
Nekovalentní (slabé) interakce mezi jednotlivými částmi makromolekuly umožňují vytvářet celkový dostatečně rigidní tvar pro optimální prostorové orientace, ale zároveň dostatečně flexibilní pro dynamické změny konformace v průběhu biochemických reakcí.
Pro popis struktury proteinů proto používáme několik úrovní podle řádu jejich organizace:
Primární struktura:
Struktura protein ů
Primární struktura: úroveň konstituce a konfigurace, je dána pořadím aminokyselin v peptidovém řetězci.
Sekundární struktura: spojování sousedních nebo blízkých monomerních jednotek peptidového řetězce bez ohledu na jeho postranní řetězce nekovalentními vazbami (nejčastěji vodíkovými vazbami) ve pravidelných organizovaných úsecích.
Terciární struktura: sbalení jednotlivých úseků o dané sekundární struktuře v bizardních kompaktních útvarech kombinací různých typů slabých interakcí.
Kvartérní struktura: prostorové uspořádání několika nebo mnoha molekulových podjednotek do symetrického útvaru (molekulový oligomer, nadmolekulová struktura).
Struktura protein ů Kovalentní (primární) struktura protein ů a její určování
Primární struktura proteinů je určena sledem zbytků α-aminokyselin v peptidovém řetězci.
V proteinech se pravidelně vyskytuje jen 20 tzv. proteinogenních (kódovaných) aminokyselin. Proč?
Tento fakt souvisí s mechanismem biosynthesy proteinů. Pro vbudování Tento fakt souvisí s mechanismem biosynthesy proteinů. Pro vbudování (inkorporaci) aminokyselin do molekuly bílkovin jsou nutné specifické mechanismy, které se v průběhu prebiologického vývoje živé hmoty vytvořily a stabilizovaly právě jen pro těchto 20 aminokyselin.
V některých bílkovinách se vyskytují i zbytky jiných aminokyselin, ty však vznikají vždy teprve biochemickou transformací některé z proteinogenních aminokyselin po její inkorporaci do peptidového řetězce.
Proteiny
Svinutí polypeptidového řetězce
Proteiny
Vznik prostorové struktury (svinutí)
1. Všechny informace pro svinování polypeptidovéhořetězce jsou dány primární strukturou.
2. Nativní konformace odpovídá minimu Gibbsovy energie.3. Svinutí je kineticky kontrolovaný mnohostupňový proces již při
proteosyntéze. 4. Svinutí je postupný proces.
1. Vznik pravidelné sekundární struktury2. Vznik supersekundární struktury3. Formování strukturní domény4. Tvorba terciární struktury o maximální stabilitě a maximální
hustotě těsnání (jako v krystalu)
Struktura protein ůProstorová struktura proteinů: Sekundární strukturaSekundární struktura
Stabilizace určité sekundární struktury je vyvolána tvorbou vodíkových vazeb mezi kyslíkem karbonylu a skupinou –NH- peptidového skupinou –NH- peptidového seskupení vzdálenějších částí téhož řetězce nebo různých peptidových řetězců.
Jsou dva základní typy sekundární struktury:
šroubovice (helix)astruktura skládaného listu
Struktura protein ůProstorová struktura proteinů: Sekundární strukturaSekundární struktura
αααα-šroubovice (αααα-helixy):
Chirální pravotočivá α-šroubovice, na jeden závit připadá 3,6 závit připadá 3,6 aminokyselinového zbytku.
Vodíkové vazby jsou v tomto modelu prakticky paralelní s osou šroubovice.
pravotočivý helix 3 / 0,6 nm 3,6 / 0,54 nm 4,4 / 0,52 nm
Struktura protein ů Prostorová struktura proteinů: Sekundární strukturaSekundární struktura
ββββ-struktura (ββββ-hřeben, struktura skládaného listu):vzájemné propojení mezi dvěma peptidovými řetězci probíhajícími paralelně nebo antiparaleně.
Struktura protein ů Typ stavby molekul proteinů – Terciární a kvarterní strukturaTerciární a kvarterní struktura
1) Fibrilární proteiny 2) Globulární proteiny
Struktura protein ů Prostorová struktura fibrilárních proteinů
Makroskopická a molekolová struktura vlasu -
Příklad struktury helixu
Protofibrila α-keratinu se skládá ze dvou páru těsně spojených nadšroubovic (superhelix), které jsou svinuty v (superhelix), které jsou svinuty v levotočivou šroubovici).
αααα-Keratin je bohatý na cysteinové zbytky, které spojují příčnými vazbami sousední polypeptidové řetězce, jsou proto nerozpustné a pevné v ohybu. Disulfidové vazby lze redukčně štěpit a znovu oxidačně obnovit v nové „nakadeřené“ konformaci.
Struktura protein ů Prostorová struktura fibrilárních protein ů
Fibroin z hedvábí - Příklad struktury skládaného listu
Vlákna hedvábí jsou silná, ale pouze mírně
Polypeptidové řetězce fibroinu tvoří antiparalelní β-struktury a jsou souběžné s osou vlákna.
silná, ale pouze mírně roztažitelná
Globulární proteiny obsahují α-helixy i β-struktury.Postranní řetězce jsou rozmístěny v prostoru podle svých polarit.Vnitřek molekul globulárních proteinů je kompaktně uspořádán jako
organické krystaly.Velké polypeptidové řetězce tvoří domény.
Globulární proteiny Globulární proteiny -- Terciární strukturaTerciární struktura
Velké polypeptidové řetězce tvoří domény.
Terciární strukturaTerciární struktura
Větší bílkoviny svinuty do více globulárních shluků - domény.
Velké polypeptidové řetězce tvoří domény.
Většina domén se skládá ze 100 až 200 aminokyselinových zbytků.
Domény jsou strukturně nezávislé jednotky, které mají všechny charaktery malých globulárních proteinů.
Stabilita proteinů: Slabé interakceSlabé interakce
Nativní proteiny za fyziologických podmínek pouze velmi málo stabilní jednotky.
Struktura proteinu je výsledkem jemné rovnováhy mezi slabými (nevazebnými) interakcemi:
1. Elektrostatické síly:
- iontové interakce,
- interakce dipól-dipól (Van der Waalosovy interakce, Londonovy disperzní síly)
2. Vodíkové vazby
3. Hydrofobní interakce
4. Disulfidové vazby
Globulární proteiny Globulární proteiny -- Kvarterní strukturaKvarterní struktura
Mnohé globulární proteiny (většina intracelulárních proteinů) se skládají z několika polypeptidových řetězců. Tyto polypeptidové podjednotky asociují specifickým způsobem.
Prostorové uspořádání podjednotek je známo jako kvartérní struktura.Důvody:•Poruchy lze jednoduše opravit •Poruchy lze jednoduše opravit nahrazením poškozené podjednotky.•Místo výstavby podjednotky může být odlišné od místa stavby konečné struktury.•Genetická informace, nezbytná ke specifikaci celé stavby, jen určuje několik odlišných samopořádacích podjednotek.•V případě enzymů tato struktura umožňuje regulaci jejich aktivity.
Výrazným strukturním rysem je ” komplementarita”uspořádání funkčních skupin na povrchu
Interakce podjednotek
skupin na povrchu podjednotek, umožňující spojení mezi nimi a asociaci do komplexní
stabilní makromolekuly (multimeru).
Proteiny s identickými podjednotkami se nazývají oligomerya tyto identické podjednotkyprotomery.
Symetrie proteinů:• Ve většině oligomerních proteinů jsou protomery
Symetrie proteinů
• Ve většině oligomerních proteinů jsou protomery uspořádány symetricky.
• Proteiny však nemohou mít inverzní nebo zrcadlovou symetrii, protože při takové symetrii se převádějí chirální zbytky řady L na zbytky řady D.
• Proteiny mají proto pouze rotační symetrii:cyklická, di-, tetra-, okta-... edrální, a helikální symetrii.
Cyklická symetrie
Diedrální symetrie
Tetraedrální, oktaedrální, eikosaedrální symetrie
Helikální symetrie
Fyzikálně chemické vlastnostiFyzikálně chemické vlastnostiRozpustnost globulárních proteinů
• Bílkovina obsahuje polární “páteř” peptidových vazeb ⇒ nejsou rozpustné v nepolárních rozpouštědlech.
• Vysoký obsah nepolárních aminokyselinových zbytků však snižuje jejich rozpustnost v polárních rozpouštědlech a umožňuje vazbu na lipidové struktury např. v biologických membránách.
Ve vodě rozpustné bílkoviny:Ve vodě rozpustné bílkoviny:
Albuminy jsou bílkoviny, jejichž polární povrch je silně hydratován, a rozpouštějí se proto ve vodě i v nepřítomnosti jiných látek.
Funkce mobilních rezerv aminokyselin: složky krevní plazmy(sérumalbumin), mléka(laktalbumin), vaječného bílku(ovalbumin) aj.
Globuliny v čisté vodě nerozpouští, a přechází do roztoku teprve v přítomnosti solí.
Elektrochemické vlastnostiElektrochemické vlastnosti
• Bílkoviny jsou amfolyty, jejichž iontová forma závisí na pH.
• Elektrochemické vlastnosti bílkovin závisejí na její konformaci a velmi silně se mění denaturací. velmi silně se mění denaturací.
Izoiontový (izoionický) bod: pH, při němž má bílkovina stejný počet kladných i záporných nábojů v nepřítomnosti solí
Klasifikace bílkovinKlasifikace bílkovin
– Podle fyzikálních vlastností– Podle fyzikálních vlastností
– Podle chemického složení
– Podle biologických funkcí
Klasifikace proteinůKlasifikace proteinůZ fyzikálních hlediska
Klasifikace podle fysikálních vlastností, a to tvar molekuly a rozpustnost.
Podlecelkového hrubého tvarulze rozdělit na bílkoviny
fibrilární (vláknité) a
globulární (sféroproteiny).
Podle rozpustnosti ve vodě můžeme dělit bílkoviny na
nerozpustné(většina fibrilárních bílkovin, zvaných skleroproteiny a globulární bílkovin obilních zrn gluteliny a prolaminy ) a
rozpustné(globulární bílkoviny rozpustné včisté vodě zvané albuminy a silně bazické histony a bílkoviny rozpustné jen ve zředěných roztocích solí, které označujeme jako globuliny).
Klasifikace proteinůZ chemického hlediska
Jednoduché bílkovinyjsou spíše výjimkou.
Složené bílkoviny Podle současných představ jsou nepeptidové složky pravidelnou součástí převážné většiny bílkovin.
Přehled nejb ěžnějších t říd složených bílkovin
Třída Prostetická skupina Příklad
fosfoproteiny fosforylová kaseiny (mléko) vitelin ( žloutek)
nukleoproteiny nukleové kyseliny, nukleotidy
ribozomy, chromatin, viry
lipoproteiny lipidy, cholesterol
lipoproteiny krevního séra, membrán a nervové tkán ě
glykoproteiny sacharidy imunoglobuliny, chrupavky
chemoproteiny barevná hem deriváty riboflavinu
hemoglobin, cytochromy, flavinové enzymy, pigmenty k ůže, vlas ů
metaloproteiny ionty kov ů hemoglobin, transferin, ceruloplasmin, enzym alkoholdehydrogenasa
Klasifikace proteinůZ biologického hlediska
Bílkoviny základního metabolismu.Jsou přítomné ve všech nebo alespoň ve velké skupině organismů a mají přímý význam pro existenci buňky. Patří sem především enzymykatalysující reakce základních metabolických drah a podílející se na procesu kopírování a metabolických drah a podílející se na procesu kopírování a zpracovávání genetické informace, dále strukturní bílkovinycytoskeletonu buněk, chromatinu a biomembrán a různé bílkovinné faktory.
Bílkoviny specialisovaných buněk. Vyskytují se omezeně v některých typech buněk určitých organismů a samy nemají přímý význam pro existenci buněk, které je vyrábějí, ačkoliv mohou mít často životně důležité funkce pro celý organismus.
Biologické funkceBiologické funkceRealizace biologických funkcí proteinů
Přes značnou rozličnost biologických funkcí bílkovin mají tyto funkce mnoho společného:
• Vlastní funkci vesměs zajišťuje jen omezená oblast bílkovinné molekuly nazývaná aktivní centrum. Sestává z jedné nebo několika funkčních domén.funkčních domén.
• Úvodním krokem je vždy těsný kontakt bílkoviny s reakčním partnerem (např. enzymu se substrátem, protilátky s cizorodným agens, signální bílkoviny s receptorem), který většinou vede k jejich vzájemnému spojení serií nekovalentních vazeb; dochází k specifickému rozpoznání.
• Neaktivní část molekuly není pasivní nosič reaktivní oblasti, ale vytváří vhodné prostředí, reguluje aktivitu reaktivní oblasti apod.
Realizace biologických funkcí proteinů
Za základní funkci bílkovin lze označit rozlišování a vazbu jiných látek. Důležitou úlohu přitom většinou mají specifické konformační změny.
Shrnutí významu jednotlivých úrovní molekulové organizace bílkovin pro jejich biologickou aktivitu:
kovalentní struktura prostřednictvím aminokyselinových zbytků, kovalentní struktura prostřednictvím aminokyselinových zbytků, z nichž je případně ze účasti prosthetické skupiny zbudována aktivní oblast molekuly, určuje charakter biologické aktivity;
sekundární a terciální struktura zaručuje specifitu(aktivní oblast se stává dostupnou jen molekulám vhodné struktury);
kvartérní struktura umožňuje vnitromolekulovou regulacibiologické aktivity.
Biologické funkce bílkovin
– Strukturní– Katalytické– Transportní– Zásobní– Zásobní– Pohybové– Ochranné– Signální– Receptorové
Biologické funkceStrukturní proteiny
Funkce: Poskytuje mechanickou oporu buňkám a tkáním.
Příklady:
Kolageny: Jsou hlavní vláknitou složkou kůže, kostí, šlach, chrupavek, cévních stěn a zubů. Dále tvoří kontinuum spojující buňky do tkání a jsou též stavebním zubů. Dále tvoří kontinuum spojující buňky do tkání a jsou též stavebním materiálem některých membrán; jsou proto přítomné prakticky ve všech tkáních a orgánech.
Zahříváním roztoku kolagenu dochází při tepelné denaturaci rozpadu helikální struktury a vzniká želatinas neuspořádanou konformací.
Elastin:Tvoří podstatnou část pružných tkání (stěny artérií, hlasivky, vazy obratlů).
Keratiny : Jsou nejhojněji zastoupenou složkou vnější vrstvy kůže, vlasů, srsti, rohů, peří a nehtů.
Biologické funkceEnzymy
Funkce: Katalýza rozpadu a tvorby kovalentních vazeb.
Živé buňky obsahují tisíce různých enzymů, z nich každý katalyzuje jednu určitou reakci.
1. Oxidoreduktasy:katalyzují přenos atomu vodíku, přenos elektronů, vestavění atomu kyslíku do substrátu.
2. Transferasy: katalyzují přenos skupin (-CH3, -NH2, zbytek glukosyapod.). 3. Hydrolasy: katalyzují hydrolytické štěpení vazby např. amidové, esterové.4. Lyasy: katalysují (energeticky nenáročné) nehydrolické štěpení a vznikvazeb C-C,
C-O, C-N,... bez pomocí dalšího reaktantu. 5. Isomerasy: katalysují vnitromolekulové přesunyatomů a jejich skupin, tedy
vzájemné přeměny isomerů. 6. Ligasy: Katalysují vznik energeticky náročných vazeb s pomocí dalšího reaktantu
uvolňujícího energii, např. ATP.
Biologické funkceTransportní proteiny
Funkce: Přenáší malé molekuly a iont
Příklad:
Hemoglobin: zbudován ze čtyř podjednotek -α2β2
Myoglobin: váže a skladuje kyslík v kosterních svalech.
Hemoglobin a Myoglobin mají rozdílnou funkci –
jiné vazebné schopnosti.
je transportem O2 z plic do tkání, dále i H+ a CO2.
jedna molekula hemoglobinu je schopna vázat čtyři molekuly kyslíku.
Biologické funkceZásobní proteiny
Funkce: skladuje malé molekuly nebo ionty.
Příklady:Bílkoviny skladovací aminokyselin: ovalbumin ve vejcích, kasein
v mléce, legumin v luštěninách, gliadin a zein v obilných zrnech.
Bílkovina ke skladování iontů železa: ferritin ve slezině. Bílkovina ke skladování iontů železa: ferritin ve slezině.
Bílkovina ke skladování kyslíku: myoglobin
Význam bílkovinné makromolekuly pro depotní funkci spočívá v tom, že se při zachování hmotnosti koncentrace depotní látky sníží jeho molekulární koncentraci a tedy i jeho osmotický tlak. Tohoto principu se v živé hmotě užívá obecně pro skladování nízkomolekulárních látek.
Biologické funkcePohybové proteiny
Funkce: Je průvodcem pohybu buněk a tkání.
Příklady: Svalové vlákno obsahuje dvě základní svalové bílkoviny –myosina
aktin , dalšími složkami jsou troponin a tropomyosin.
Proces kontrakce svalu zahrnuje interakci všech těchto čtyř bílkovin za regulace ionty Ca2+.
Tyto speciální skupiny bílkovin vykonávají mechanochemické funkce: přeměňují chemickou energii na mechanickou práci.
Biologické funkceImunoglobuliny a Proteiny s ochrannou funkcí
Imunoglobuliny (protilátky) a imunitní systém: rozeznávají cizorodé struktury od vlastních, zneškodní a vyloučí tyto cizí struktury z organismu a vytvoří imunologické paměti, tj. schopnost urychlené odpovědi při opětovném setkání s danou cizí strukturou.
Funkce ochranné: Např. srážení krve -přeměna fibrinogenu, rozpustné bílkoviny krevní
plasmy, na nerozpustný fibrin.
Poranění organismu vyvolá kaskádovitou aktivaci řady faktorů bílkovinné povahy: aktivace jednoho faktoru katalyzuje aktivaci faktoru následujícího. Účastní se více než 10 různých bílkovin krevní plasmy, vitamin K a ionty Ca2+.
Biologické funkceSignální protein a Receptorový protein
Funkce: Přenáší informační signály z buňky do buňky
Příklady: mnoho hormonů, růstových faktorů, neuromodulátorů jsou proteiny
Signální proteiny
neuromodulátorů jsou proteiny
Funkce: V buňkách deteguje chemické signály (chuťové a vonné látky) a fyzikální signály (fotony elektromagnetického záření) a předává je k zpracování buňce.
Příklad: Rhodopsin v oční sítnici zachycuje světlo
Receptorový proteiny
Enzymy
1. Oxidoreduktasy:katalyzují • přenos atomu vodíku -Transhydrogenasy, Hydrogenasy; • přenos elektronů - Transelektronasy; nebo • vestavění atomu kyslíku do substrátu Oxygenasy. 2. Transferasy:
Realisují přenos skupin(-CH3, -NH2, zbytek glukosyapod.).3. Hydrolasy: 3. Hydrolasy:
Hydrolyticky štěpí vazby, vzniklé kondensací, např. amidové, esterové,… 4. Lyasy:
Katalyzují (energeticky nenáročné) nehydrolické štěpení a vznikvazeb C-C, C-O, C-N,... Provádějí to většinou tak, že odštěpují ze substrátu nebo do něj vnášejímalé molekuly (H2O, CO2, NH3,...) bez pomocí dalšího reaktantu.
5. Isomerasy: Realisují vnitromolekulové přesunyatomů a jejich skupin, tedy vzájemné přeměny isomerů.
6. Ligasy: Katalyzují vznik energeticky náročných vazeb za současného rozkladu látky uvolňující energii, např. ATP.
Složení a molekulární vlastnosti enzymů
Nebílkovinná část: KOFAKTOR
Enzym = bílkovinná část + nebílkovinná část
Prosthetická skupinaje pevně vázánana bílkovinnou složku jako stabilní součást molekuly
Koenzyms bílkovinnou složkou vázán jen slabě a může se od ní lehce oddělovat (disociovat). Apoenzym + koenzym = holoenzym
Koenzym a prosthetická skupina se však odlišují ve způsobu regenerace, tj. přechodu do původního stavu po splnění katalytické funkce.
Chemie kofaktorůPřehled vitaminů a jejich koenzymových foremPřehled vitaminů a jejich koenzymových forem
Název (symbol)Thiamin (B1)
Riboflavin (B2)
Kyselina nikotinová(resp. Nikotinamid)
Kyselina pantothenová
Koenzymová nebo aktivní formaThiamindifosfát (TPP)Flavinmononukleotid (FMN)Flavinadenindinukleotid (FAD)Nikotinamidadenindinukleotid (NAD)Nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP)Koenzym A (CoA)Kyselina pantothenová
Kyselina listová (folát)Pyridoxin (B6)
Kyanokobalalamin (B12)Kyselina askorbová (C)
Biotin (H)Kyselina lipoová
Vitaminy A (karotenoidy)Vitaminy D (kalciferoly)
Koenzym A (CoA)Tetrahydrofolát (FH4)Pyridoxalfosfát (PALP)Koenzym B12Není přesně známaBiocytinLipoyllysin
11-cis-retinal1,25-dihydroxycholekalciferol
Enzymové bílkoviny
Bílkovinná část: Enzymové bílkoviny• monomerní, tvořené jediným peptidovým řetězcem,
Enzym = bílkovinná část + nebílkovinná část
• monomerní, tvořené jediným peptidovým řetězcem, • oligomerní, složené z několika podjednotek, • multienzymové komplexy, tvořené několika molekulami různých
enzymů.
Domény v jednotlivých peptidových řetězcích mají specifickou funkci: katalytická, regulační, kooperativní.
Enzymové bílkoviny -Aktivní centrum enzymůAktivní centrum enzymů
Aktivní centrum enzymů oblast, kde se váží substráty a kofaktory.
Typy interakcí:•Vodíkovéa iontovévazby (nukleofilní a bazické katalýsy),•Kovalentní vazba(kovalentní katalýsa).
Katalytické skupiny:
•kovové ionty fungují jako elektrofilní činidla.
Katalytické skupiny: zbytky aminokyselin, podílející se na tvorbě a štěpení vazeb.
•karboxylové skupiny,•hydroxylová skupina, •thiolová skupina, •imidazolový kruh histidinu.
Tyto skupiny se účastnínukleofilníabazické katalýsy.
•aminoskupinalysinu tvoří Schiffovu basi s oxoskupinou- kovalentní katalýsa.
Specificita enzymové katalýzy
Specifita účinku Enzym sníží aktivační energii jen u jediné reakce z četných
termodynamicky možných reakcí.
COOH-OOC
H
H
H
H
H
NH2L-glutamát
glutamátdehydrogenasa (NADP+) glutamátdekarboxylasa (PALP)
Substrátová specifitaSubstrát v aktivním centru je vázán ve třech bodech a přesně orientován, tím je substrátová specifita zajišťována na třech úrovních: strukturní specifita , regiospecifitaa stereospecifita.
L-glutamát
glutamátaminotransferasa (PALP)
COOH-OOC
H
H
H
H
O
+ pyridoxamin-5-fosfát
glutamátdehydrogenasa (NADP+)
COOH-OOC
H
H
H
H
O
+ NADPH + NH4+
glutamátdekarboxylasa (PALP)
COOHH2C
H
H
H
HNH2
CO2 +
Mechanismus katalytického působení enzymů
Teorie aktivovaného komplexu:E + S = ES# = ES = EX# = EP = EP# = E + P
S
E-S#
E-S
E-X#
E-P
E-P#
P
Ea
E [kJ]
Arrheniova rovnice: k = A . exp (-Ea/RT)
Hypotéza zámku a klíče - Fischer (1894) reakèní koordináta
Hypotéza indukovaného přizpůsobení -Koshland (1959)
E
A
B
CS
ES
Hypotéza zámku a klíče - Fischer (1894)
Rentgenová analýza ukázala, že vazebná místa většiny enzymů jsou z větší části vytvořena předem, ale že vazba substrátu u nich navozuje určitou strukturní úpravu
Enzymová kinetika - Reakce s jedním substrátem (Reakce s jedním substrátem (11))
počáteční celková rychlost: v = d [P]/dt = k+2[ES]
S + E ES P + Ek+1
k-1
k+2
Lze vyjádřit formální rovnicí:
Biologické objekty jsou otevřené systémy s konstantním vnitřním prostředím: je v nich setrvalý (stacionární) stav- časově se neměnící složení a konstantnost fysikálních vlastností.
v = d [P]/dt = k+2[ES]rychlosti dílčích reakcí:-d[S]/dt = k+1[S].[E] – k-1[ES]; d[ES]/dt = k+1[S].[E] – (k-1 + k+2)[ES];d[E]/dt = -k+1[S].[E] + (k-1 + k+2)[ES]celková koncentrace enzymu:[E]0 = [E] + [ES]Za podmínky stacionárního stavu (d[ES]/dt = 0)
platí: k+1[S].[E] = k+1[S].([E]0 – [ES]) = (k-1 + k+2)[ES]; [ES] = k+1[S].[E]0/( k+1[S] + k-1 + k+2)
v = k+2[E]0[S]/{ (k-1 + k+2 )/k+1 + [S]}
Mezní (limitní) rychlostiV = k+2[E]0 a Michaelisa konstantaKM = (k-1 + k+2)/k+1
v = V[S]/( KM + [S]) rovnice Michaelise a Mentenové
Enzymová kinetika - Reakce s jedním substrátem (2)Reakce s jedním substrátem (2)
rovnice Michaelise a Mentenovv = V[S]/( KM + [S]) ⇒⇒⇒⇒ 1/v = (KM/V)(1/[S]) + 1/V
Mezní (limitní) rychlostiV = k+2[E]0 a Michaelisa konstantaKM = (k-1 + k+2)/k+1
Faktory odpovědné za vysokou účinnost a Faktory odpovědné za vysokou účinnost a specifityspecifity enzymové katalýzyenzymové katalýzy
� Schopnost enzymů přivést molekuly substrátů do potřebné blízkosti
� Vhodná orientace substrátu na molekule enzymu
� Přechodná tvorba kovalentních vazeb mezi substrátem a enzymem
� Aktivní centrum může deformovat nebo polarizovat vazby v substrátech a činit je aktivnější
� Aktivní centrum vytvoří specifické „mikroprostředí“ se značně odlišnými fyzikálními vlastnostmi vodného media
� Faktor časový - doby existence aktivovaného komplexu enzym-substrát.Čím déle bude tento komplex existovat, tím více se ho rozloží na produkt.
Fyzikálně chemické faktory ovlivňující EA (1)
Vliv teploty: Teplota ovlivňuje
Rychlost enzymových reakcí vzrůstá s rostoucí teplotou: k = A . exp (-Ea/RT)
rozpustnost kyslíkunezbytného pro oxidační reakce apod.
stabilitu enzymu, ionizaci funkčních skupin,
afinitu enzymu k substrátu, rychlost štěpení ES komplexu, pH pufrů,
Log k
1/TTeplotní optimum
Maximum této závislosti se nazývá optimální teplota enzymu.
a
však současně dochází k inaktivaci enzymuv důsledku denaturacejeho bílkovinné části a příp. i odštěpení kofaktoru.
Fyzikálně chemické faktory ovlivňující EA (2)
Vliv pH: Aktivita enzymů vymezena poměrně úzkou oblastí pH. Při extrémních hodnotách pH dochází k
• ireverzibilním změnám struktury enzymové bílkoviny,
• ionizace substrátů může způsobit jejich disociaci,
• disociaci vazebných skupinenzymu a katalytickou reakci.• disociaci vazebných skupinenzymu a katalytickou reakci.
Hodnota pH s maximem enzymové aktivity bývá označována jakopH-optimum.
7 8 9
aktivita
pHpH-optimum
Látky ovliv ňující EA - Inhibice a aktivace enzymových reakcí
aktivátory zvyšují aktivitukationty kovů s protonovým číslem od 11 do 30
nukleotidy, organické fosfáty
inhibitory snižují účinek enzymurůzné anorganické a organické sloučeniny, ionty
mají afinitu k některé komponentě enzymové reakce
Efektory nebo modifikátory.Látky ovlivňují katalytickou účinnost enzymů
InhibiceIreversibilní inhibitory blokují nevratně enzymovou aktivitu tím, že vytvářejí s enzymem velmi pevný komplex enzym-inhibitor (EI).
Reversibilní inhibitory inhibitor rychle a reversibilně váže na enzym nebo na komplex enzym-substrát.
Ireversibilní inhibitory Reversibilní inhibitory
Látky ovliv ňující EA - Inhibice a aktivace enzymových reakcí
aktivátory zvyšují aktivitukationty kovů s protonovým číslem od 11 do 30
nukleotidy, organické fosfáty
inhibitory snižují účinek enzymurůzné anorganické a organické sloučeniny, ionty
mají afinitu k některé komponentě enzymové reakce
Efektory nebo modifikátory.Látky ovlivňují katalytickou účinnost enzymů
Aktivace• Aktivátory : přispívají ke katalytické účinnosti enzymu, aniž se
jakkoli účastní vlastní reakce. • Modifikací kovalentní struktury bílkovin : např. proteolytickým
odštěpením blokující peptidové sekvence z neaktivního proenzymu.
Ireversibilní inhibitory Reversibilní inhibitory
Regulace enzymové aktivity
Regulace enzymově katalysovaných reakcí může probíhat v prostoru i čase.
Regulace kompartmentací enzymů:Spojení do multienzymových komplexů,Lokalizacev různých kompartmentech buňky (organelách, cytoplazmě),Lokalizacev různých kompartmentech buňky (organelách, cytoplazmě),Vázání v membránách organel nebo membráně cytoplasmatické.
Přímá regulace enzymové aktivity:Řízení jednotlivé metabolické dráhy tzv. regulačními enzymyRegulace rychlostí metabolických pochodů je zajišťována právě regulací aktivity těchto enzymů a to allosterickou regulací,
kovalentní regulací, regulací pomocí energetického náboje
Chemická energie a Gibbsova energie
Biologické objekty jsou otevřené systémy⇒ může se vytvořit setrvalý (stacionární) stav, charakterisovaný časově se neměnícím složením a konstantností fysikálních vlastností.
Při chemických reakcích za podmínekkonstantního tlaku a teplotylze Energetické změny kvantitativně charakterisovat změnou Energetické změny kvantitativně charakterisovat změnou enthalpie (∆∆∆∆H) a Gibbsovy energie (∆∆∆∆G).
∆∆∆∆H: udává celkovou energetickou změnu při přechodu z výchozího do konečného stavu a představuje reakční teplo při konstantním tlaku. Teplo získané z biochemických reakcí má význam pro udržení konstantní tělesné teploty, která je podmínkou života u vyšších organismů, nelze je však využít pro jiné životní funkce.
∆∆∆∆G = ∆∆∆∆H – T∆∆∆∆S: představuje maximální množství práce, které lze při této reakci získat. Výraz T∆S udává minimální množství tepla, které musí při dané teplotě (T) při reakci vzniknout i při jejím nejdokonaleji reversibilním provedení.
Chemická energie a Gibbsova energie
∆∆∆∆G = RT lncP
p.cQq
cAa.cB
b– RT ln
[P]p.[Q]q
[A] a.[B]b
aA + bB = pP + qQvan´t Hoffova rovnice:
Pro počáteční koncentrace všech složek reakce rovné jedné platí:Pro počáteční koncentrace všech složek reakce rovné jedné platí:
∆G0 = -RT ln K.Tento vztah platí i pro biochemické reakce; pokud se jich však účastní i vodíkové ionty, musela by podle definice být i jejich výchozí koncentrace rovna jedné, tj. pH = 0. Tato podmínka je, vzhledem k nutnosti enzymové katalýsy biochemických reakcí, nereálná.
Pro standardní změnu Gibbsovy energie při biochemické reakcise užívá místo veličiny ∆G0 velčina ∆∆∆∆G´, která platí pro výchozí pH = 7. Při T = 298 K platí: ∆G´ = - 8,341 . 10-3 . 298 . 2,3 log K
∆∆∆∆G´ = - 5,706 log K
Chemická energie a Gibbsova energie
∆∆∆∆G´ < 0 exergonické reakce ∆∆∆∆G´ > 0 endergonické reakce
Endergonické reakce jsou spřaženys exergonickými reakcemi.Podmínkou úspěšnosti tohoto spřažení je, aby absolutní hodnota ∆G
exergonické reakce byla větší než reakce endergonické a aby obě reakce měly společný meziprodukt. reakce měly společný meziprodukt.
Spřažené reakce:Exergonická reakce A + X → B + XX ∆G1 < 0Endergonická reakce C + XX → D + X ∆G2 > 0
∆G1 > ∆G2
Energie se přenáší z exergonické do endergonické reakce přenašečem energie
Universální přenašeč energie Universální přenašeč energie –– ATPATP
Adenosintrifosfát (ATP)
∆∆∆∆G´ hydrolysy ATP při 37°C, pH 7, za přítomnosti Mg2+
NN
NN
NH2
OCH2OP
O
O-
P
O
O
O-
O-
O-
O
O
P
ATP + H2O = ADP + Pi + H+ ∆∆∆∆G´ = - 33 kJ.mol-1
ATP + H2O = AMP + PPi + H+ ∆∆∆∆G´ = - 33 kJ.mol-1
ATP + 2 H2O = AMP + 2 Pi + 2 H+ ∆∆∆∆G´ = - 66 kJ.mol-1
∆∆∆∆G´ je často používáno jako jednotka metabolické energie Vysoká hodnota ∆G´ hydrolysy ATP je připisována především poklesu elektrostatické odpudivostiv molekulách produktů hydrolysy a dále existenci anorganického fosfátu v řadě resonančních foremo podobné energii. Produkty štěpení jsou proto termodynamicky stabilnější, takže mají nižší obsah Gibbsovy energie než molekula makroergické sloučeniny.
OHOH
Universální přenašeč energie Universální přenašeč energie –– ATPATP
Čerpání energie z molekul ATP:
Prostřednictvím zbytků molekuly ATP přenáší část její energie i na substráty, čímž se zvýší jejich chemická energie; určitý podíl energie se přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo.přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo.
O
OHH
HH
OHOH
H OH
H
OH
O
OHH
HH
OHOH
H OH
H
O(P)ATP ADP
hexokinasa
Universální přenašeč energie Universální přenašeč energie –– ATPATP
Čerpání energie z molekul ATP:
Prostřednictvím zbytků molekuly ATP přenáší část její energie i na substráty, čímž se zvýší jejich chemická energie; určitý podíl energie se přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo.přitom ovšem vždy znehodnotí jako neužitečné teplo.
Ukládání energie do molekul ATP:
Substrátovou fosforylace: ADP + M-P = ATP + M; ADP + Pi + M-X = ATP + M + X
Oxidační fosforylace, fotofosforylace:fosforylace spřažená s oxidací
Aerobní respirace a Oxidační fosforylace�Aerobní respirace tvoří terminální fázi katabolismu. Tento
metabolický děj spočívá v přenosu elektronů, odebraných organickým substrátům (NADH a sukcinátu) na molekulární kyslík - terminální akceptor elektronů.
�Elektrony při aerobní respiraci se předávají prostřednictvím dýchacího řetězce, složeného z oxidoreduktas, lokalizovaného v buněčných řetězce, složeného z oxidoreduktas, lokalizovaného v buněčných organelách mitochondriích.
�Oxidace a fosforylace jsou těsně spřaženy v dobře fungující mitochondrii: přenos elektronů dochází jen v případě, že ADP je fosforylován. Pokud v reakční směsi není přítomen žádný ADP, mitochondrie se nachází v klidovém stavu a rychlost spotřeby O2 je minimální.
�Fosforylace takto spojena s oxidací se označuje jako aerobní (oxidační) fosforylace.
COO-
CH2
COO-
HOH
COO-
CH2
COO-
OH+
+
+
+
N+
NH2
O
OOO
-
O
P N
NH2
O
OOO
-
O
P
HH
redukovaný substrát oxidovaný substrát
NAD+ NADH
Princip biologických oxidoredukcí
redukovaný substrát + NAD+ → oxidovaný substrát + NADH + H+
O
N
H
OH
H
OHH
O
O
O-
O
P
OH
OH
H
OH
H
N
N N
NH2
O
N
H
OH
H
OHH
O
O
O-
O
P
OH
OH
H
OH
H
N
N N
NH2
NAD NADH
Princip biologických oxidoredukcí
Nernst Peters: ΕΕΕΕ = E0Ox,Red-
RTzF
lnaRedaOx
Ox + z e = Red
Ox + Red = Red + OxOx1 + Red2 = Red1 + Ox2
Při rovnováze platí: K = aRed1aOx2 / aOx1aRed2
E1 = E2
⇒ -RT lnK = (E02 - E0
1) zFTedy ∆G0 = -RT lnK = (E0
2 - E01) zF
pro pH = 7 platí ∆∆∆∆G´ = (E0´2 - E0´1) zF
Princip biologických oxidoredukcí
Probíhá-li oxidace NADH + H+ + ½ O2 = NAD+ + H2O
E2°´ NAD+,NADH = -0,32 V; E1°´O,O2- = +0,81 V
∆∆∆∆G´ = (E0´2 - E0´
1) zF = -218 kJ⇒ je možno získat teoreticky 7 molekul ATP.
Ve skutečnosti nelze využít veškerou uvolněnou energii, takže oxidací 1 molekuly NADH molekulárním kyslíkem lze získat maximálně 3 molekuly ATP.NADH molekulárním kyslíkem lze získat maximálně 3 molekuly ATP.
Lehningerova rovnice
NADH + H+ + ½ O2 + 3 ADP + 3 Pi = NAD+ + 3 ATP + 4 H2O
Přenos vodíku z NADH na elementární kyslík probíhá stupňovitě „štafetou“ v dýchacím (respiračním) řetězci.
Struktura mitochondrie
Vnit řní membrána absolutně nepropustná pro NAD+, NADH, NADP+, NADPH a koenzym A a jeho acylderiváty. Obsahuje všechny složky
Mezimembránový prostorobsahuje především nukleosidkinasy, např. ATP + AMP = 2 ADP a nukleosiddifosfátkinasu:ATP + NDP = ADP + NTP
Obsahuje všechny složky dýchacího řetězce(flavoproteiny, FeS-proteiny, cytochromy a, a3, b, c) a ubichinon dále adenosintrifosfatasu.
Matrix obsahuje rozpustné enzymy citrátového cyklu, enzymy procesu ββββ-oxidace mastných kyselina systém proteosynthetických enzymů.
Dýchací řetězecje složen z oxidoreduktas, uspořádaných do
čtyř kotvenýchenzymových komplexů (I –IV ) amobilních přenasečů (CoQ a cytochrom c):
Komplex I NADH:ubichinon-oxidoreduktasakatalysuje redukci semichinoidní formy ubichinonu na ubichinol.
NADH + H+ + 2 UQH⋅⋅⋅⋅ = NAD+ + 2 UQH2
Komplex II sukcinát:ubichinon-oxidoreduktasakatalysuje reakci:Komplex II sukcinát:ubichinon-oxidoreduktasakatalysuje reakci:-OOC-CH2-CH2-COO- + UQ = -OOC-CH=CH-COO- + UQH2
Komplex III ubichinol:cytochrom c-oxidoreduktasa2 UQH2 + 2 cytochrom c Fe3+ → 2 cytochrom c Fe2+ + 2 UQH⋅ + 2 H+
Komplex IV ferrocytochromc:kyslík-oxidoredutasa4 cytochrom c Fe2+ + O2 = 4 cytochrom c Fe3+ + 2 O2-
Dýchací (respirační) řetězec
Součinností komplexů I, III a IV se přenášejí dva elektrony NADH na kyslík za současného transportu šesti H+ z matrix do mezimembránového prostoru mitochondrie.
Přenos dvou elektronů ze sukcinátu na O2, realisovaný součinností komplexů II, III, a IV, vede k přenosu pouze čtyř H+ přes vnitřní mitochondriální membránu. Nižší produkce osmotické práce z oxidace sukcinátu proti NADH odpovídá dobře rozdílům v E0´obou redox systémů.
Komplex V: ATP-synthasakatalysuje reakci:ADP + Pi = ATP + H2O ∆G´= +30,5 kJ . mol-1
ATP-synthasa využije transmembránový gradient koncentrace H+, vzniklý přenosem elektronů ze substrátů dýchacího řetězce (NADH a sukcinátu) jako zdroj energie.
Aerobní (oxidační) fosforylaceHypotézy energetického spřažení:
1. Chemická hypotéza (Edward Slater, 1953)
2. Chemiosmotická hypotéza (Peter Mitchell 1961)
3. Konformační hypotéza (Paul Boyer 1964)
Vychází z několika základních předpokladů:
1- Funkce oxidoredukčních složek membrány je prostorově směrována (napříč membránou jedním směrem);
2- V dýchacím řetězci se kombinují systémy, které přenášejí pouze elektrony (např. Fe2+
→ Fe3+ + e-), a systémy, v nichž je přenos elektronů kombinován s přenosem protonů (např. FADH2 → FAD + 2 e- + 2 H+).
Chemiosmotická teorie
(např. FADH2 → FAD + 2 e- + 2 H ).
3- Výsledkem je přeměna ∆G´ oxidoredukčních reakcí na osmotickou práci (přenos H+
z místa nižší koncentrace do místa vyšší koncentrace). Jak vytvořený gradient pH, tak membránový potenciál (∆Ψ) působí na protony tzv. protonmotorickou sílu a „táhnou“ je zpět
PMF = ∆Ψ + RT/nF . ∆ln[H+] = ∆Ψ – 2,3RT/nF . ∆pH
4- Když rozdíl elektrochemického potenciálu protonů je větší než změna Gibbsovy energie hydrolysy ATP, obrátí se při řízeném zpětném přechodu H+ přes membránu činnost adenosintrifosfatasy (ATP-asy) a nastává synthesa ATP, a tak se osmotická práce mění znovu na chemickou energii tím, že je tento pochod spojen s tvorbou ATP z ADP a anorganického fosfátu ADP + Pi + H+ = ATP + H2O.
Mechanismus syntézy ATP
ATP-synthasa je poháněna konformačními změnami:
Průchod 2 až 3 protonů kanálem vede na katalytické složce k synthese ATP z ADP a Pi. Reakce zahrnuje tři kroky:
1. Vazba ADP a Pi k volně vázajícímu místu L
ATP-synthasa je protein složený z mnoha podjednotek:
1. Vazba ADP a Pi k volně vázajícímu místu L
2. Konformační změna mění L-místo na T-místo a katalyzuje tvorbu ATP.
3. K syntéze ATP dochází na T-místě, zatímco ATP disociuje z O-místa na jiné podjednotce.
Sacharidy
Největší zastoupení v živé přírodě z kvantitativního hlediska.
Vyskytují se v každé buňce.
Funkce:- důležitý a lehko dostupný zdroj energie(např. glukosa)- důležitý a lehko dostupný zdroj energie(např. glukosa)
- stavebnísložky buněk a tkání (celulosa a chitin)
- zásobnílátky (glykogen, škrob)
- složkynukleotidů a jiných účinných látek (kofaktory enzymů, glykoproteiny, antibiotika)
- prekursory lipidů, aminokyselin, kyseliny askorbové a jiných významných složek živých soustav.
SacharidyRozdělení Název diagramu
Monosacharidy glykosidy
Rozdělení sacharidů
podle počtu uhlíkůtriosy, tetrosy, pentosy, hexosy, heptosy, nonosy
podle funkčních skupinaldosy, ketosy
deriváty monosacharidů
oligosacharidydo 10 jednotek
homopolysacharidy
heteropolysacharidy
polysacharidy
složené sacharidy a heteroglykosidy
SacharidyMonosacharidy -strukturastruktura
Stavba molekuly: alifatický uhlíkový řetězec, obsahující jednu karbonylovou skupinuC=O a hydroxylové skupiny OH na všech ostatních atomech uhlíku.
O OHO OH
D-glukosa D-fruktosa
OH
OH
OH
OH
O
OH
OH
OH
OH
OH
OH
O
1 1
2
3
4
5
6
2
3
4
5
6
OH
O
H OH
OH H
H OH
H OH
OH
OH H
H OH
H OH
OH
O
Aldosa: karbonylová skupina na primárním atomu uhlíku
Ketosa:karbonylová skupina na sekundárním atomu uhlíku
SacharidyMonosacharidy -nomenklaturanomenklatura
O
H OH
OH
O
OH
OHD-glyceraldehyd didydroaceton
(glyceron) Grn(glyceral) Gra
aldotriosa a ketotriosa (C3) aldotetrosy (C4)O
OH
H OH
H OH
OH
O
OH H
H OH
(glyceron) Grn(glyceral) Gra
OH
O
H OH
H OH
H OH
D-ribosaOH
O
H OH
OH H
H OH
D-xylosaOH
O
OH H
H OH
H OH
D-arabinosa
aldopentosy (C5) ketopentosy (C5)
OH OHD-erythrosa D-threosa
OH
H OH
H OH
O
OH
D-ribuosaOH
OH H
H OH
O
OH
D-xylulosa
SacharidyMonosacharidy -Fischerovy a Haworthovy vzorceFischerovy a Haworthovy vzorce
OH
H H
OH
14
5
6O H
OHHOH
H
OHOH
14
56
α
pětičlenný cyklus (furanosa) šestičlenný cyklus (pyranosa).
O
H OH
OH H
H OH
H OH
H
OH
H OH
OH H
H OH
H
H O
OH
OHD-glukosa
1
2
3
4
5
6
1
56
4
3
2
OHH
H
OHOH
H OHα-D-glukopyranosa
1
23
4
α
O OH
HH
OHH
OHH
OHOH
β-D-glukofuranosa
β O
HH
HH
OHOH
H OH
OH
OH
β-D-glukopyranosa
β
O
H OH
OH H
H OH
H
OH OH
1
56 4
3
2
OH
OHH
H23
α-D-glukofuranosa
α
SacharidyMonosacharidy -MutarotaceMutarotace
OH
H H
OH
OH
H OH
OHβ
H OH
OH H
OH
OHH
H
OHOH
H OH
α-D-glukopyranosa
α HH
H
OHOH
H OH
β-D-glukopyranosaCH2OH
OH H
H OH
H OH
D-glukosa
SacharidyMonosacharidy -derivátyderiváty
Alditoly, polyoly ( –itol):
O
H OH
OH H
OH
H OH
OH H
OH
OH H
H OH
H OH
OH
OH H
H OH
H OH
D-glukosa D-glucitol
redukce
Jsou většinou metabolicky inertní pro živočichy a rostliny, proto se např. D-glucitol (sorbit) užívá jako neenergické sladidlo pro diabetiky.
SacharidyMonosacharidy -deriváty deriváty
Alduronové kyseliny(-uronát):
OOHO
OOH
Aldarové kyseliny (-arát):
Aldonové kyseliny (-onát):
OH
H OH
OH H
H OH
H OH
kyselina D-glukonová OH
O
H OH
OH H
H OH
H OH
O kyselina D-glukuronová
O
OHH
HH
OHOH
H OH
H
OOH
OH
H OH
OH H
H OH
H OH
O
kyselina D-glukarová
SacharidyMonosacharidy -derivátyderiváty
Fosforečné estery
O
OH
HH
OHOH
H
OH
O-
O
P
1
O
OH
H
OH
OH
HH
O OH
O-
O-
O
P 6
D-fruktosa-6-fosfátOOH
H OH
O-
O-
P
D-glukosa-1-fosfát
D-fruktosa-6-fosfát
O
OHH
HH
OHOH
H OH
H
O
O-
O-
O P
6
D-glukosa-6-fosfát
O
OH
H
OH
OH
HH
O O
O-
O-
O
P O-
O-
O
P16
D-fruktosa-1, 6-bisfosfát
SacharidyMonosacharidy -derivátyderiváty
DeoxymonosacharidyNapř. 2-deoxy-D-ribosa-
základní složka DNA.
O H
OHH
H
H
OH
H
OH
2-deoxy-D-ribosa2-deoxy-D-ribosa
O
OHH
HH
OHOH
H NH2
H
OH
O
OHH
HH
OHOH
H NHCOCH3
H
OH
D-glukosamin N-acetyl-D-glukosamin
Aminomonosacharidy (deoxyaminosacharidy).
SacharidyGlykosidy - glykosidová vazba
Glykosidy lze odvodit reakcí poloacetalové hydroxylové skupiny s jinou molekulou za odštěpení vody.
Tato acetalová vazba se označuje jako glykosidová vazba.
O
OH
O
OH
H A
R
O
AOHOH
OH R
O
OHOHOH
OH
A = O: O-glykosid; A = N: N-glykosid ; A = S:S-glykosid
R = sacharid ⇒ oligomery a polymery sacharidů, tj. homoglykosidyR = nesacharidová molekula (aglykon) ⇒ heteroglykosidy.
SacharidyGlykosidy - oligosacharidy
Disacharidy:
Maltosa[α-D-Glc-(1→4)-D-Glc]: O
OH
OHO
OH
O
OHOH
OH
OH
OH
1α2
3
4
5
6
1α2
3
45
6
OH OH
O
OHOH
OH
O
OH
O OHOH
OH
OH
1β2
3
45
6
1β2
3
4
5
6
Cellobiosa[β-D-Glc-(1→4)-D-Glc]:
SacharidyGlykosidy - oligosacharidy
Disacharidy:Laktosa[β-D-Gal-(1→4)-D-Glc]:
O
OH6
1β23
4 5
6
1α2
3
456 O
OHOHOH
O
OHO
OH
OH
OH
OH
OOH
OH
OH
O
OH
O
OHOH
OH
12
3
4 5
1β2
3
4
5
6α
SacharidyGlykosidy - oligosacharidy
Sacharosa[α-D-Glc-(1→2)-β-D-Fru]:O
OHOH
CH3
OH
OO
OH
OH
5
6
1α
2β
234
5
6
O
OOHOH
OH
OH
OOH
OHCH3
OH1
3 4
5
6
1α 2β2
3
45
6
OOH
OH OH134
5 2β
SacharidyGlykosidy - reservní polysacharidy
Škrob: Je směsí αααα- amylosy(asi 20 %) a amylopektinu (asi 80 %).
αααα-Amylosa je lineární polymer, hexikálně svinutý, ve vodě rozpustný.
O
OH
OH
O
OH
OH
O
OH
OH
O
OH
OH
O
OH
OH
O
OH
OH
1α41α 1α41α4 1α41α4OH
OHO OOH
OH
OH
OH
OHO O
OH
OH
OH
OHO OH
OH
OH
1α1α 1α1α4 1α1α4
O
O
O
O
OO
O
O
O
O
OO
O
O
OH
OHO
SacharidyGlykosidy - reservní polysacharidy
Amylopektin vazba α(1→4), větvená molekula s vazbou αααα(1→→→→6) přibližně vždy po 20 až 30 glukosových jednotkách.
n
n n
O
OH
HH
O
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
OOH
H OH
H
OH
O
HH
H
OHOH
H OH
H
OH
O
O
HH
H
OOH
H OH
H
OH
O
O
HH
H
OHOH
H OH
H O
HH
H
OH
H OH
H
OH
O
OH
HH
OH
OH
H OH
H
OH
O
OHH
HH
O
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
O
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
O
OH
H OH
HO
HH
H
O
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
O
OH
H OH
HO
HH
H
O
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
OOH
H OH
H
OH
O
HH
H
OOH
H OH
H
OH
O
OH
HH
OHOH
H OH
H
OH
O
HH
H
OH
H OH
H
OH
SacharidyGlykosidy - reservní polysacharidy
O
OH
HH
O
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
OOH
H OH
H
OH
O
HH
H
OHOH
H OH
H
OH
OHOH OH
Glykogen: větvení po 12 glukosových jednotkách
Podobně jako Amylopektin obsahují i glykogen malé množství vázané kyseliny fosforečné.
n
n n
H OH
O
O
HH
H
OOH
H OH
HO
O
HH
H
OHOH
H OH
H O
HH
H
OH
H OH
H O
OH
HH
OH
OH
H OH
H
O
OHH
HH
O
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
O
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
O
OH
H OH
HO
HH
H
O
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
O
OH
H OH
HO
HH
H
O
OH
H OH
H
OH
O
HH
H
OOH
H OH
H
OH
O
HH
H
OOH
H OH
H
OH
O
OH
HH
OHOH
H OH
H
OH
O
HH
H
OH
H OH
H
OH
SacharidyGlykosidy - stavební polysacharidy
O
O
OH
OH
O
OH
O OHOH
OH
OH
O
OH
1β4
1β4
Celulosaje lineární polymer tvarunataženého pásuobsahující 1 400 až 15 000 zbytků D-glukosy spojených β(1→4) glykosidovými OH
O
O
OH
OH
O
OH
O
OH
OH
O
OHOH
OH
O
OH
O
OH
OH
OH
1β4
1β4
1β4
1β4
β(1→4) glykosidovými vazbami.
SacharidyGlykosidy - Heteroglykosidy
Heteroglykosidy jsou zvláštním případem složených sacharidů.
H A
O
AOHOH
OH
R
O
OHOHOH
OH
R OH ROH
Aglykonem může být alkohol, amin, thiolnebo karboxylová kyselina.
Heteroglykosidy mají často výrazný fysiologický účinek, a jsou součástí rostlinných drog, antibiotik, barviv. Glykosidová vazba se snadno hydrolyticky štěpí specifickými enzymy.
Univerzálně rozšířené jsou N-glykosidy purinových a pyrimidinových basí (nukleosidy).
SacharidyGlykosidy - Heteroglykosidy
Nukleosidysloženy z β-D-ribosy resp. deoxyribosy a nukleových bází.
Obáze
H
OH
H
OH
H
OH
Obáze
HHH
O
O-
O
O
P
O-
O-
O
P
n
Obáze
H
OH
H
O
OH
O
-
O POHOH
OHOHH
nukleosidnukleotid (n = 0, 1, 2)
OHOO
-
3´,5´-cyklický nukleotid
Nukleotidy jsou fosforečné estery nukleosidů, mají řadu funkcí:ƒ stavební jednotka nukleových kyselinƒ přenašeči energie, aktivují meziprodukty v řadě biosynthesƒ součástí důležitých kofaktorů enzymů – NAD(P)+, FAD aCoAƒ cyklické purinové nukleotidy (cAMP, cGMP) jsou regulátory metabolismu a neuromodulátory.
Metabolismus sacharidů
• Odbourávání oligosacharidů a polysacharidů
• Odbourávání monosacharidů - Glykolýza • Odbourávání monosacharidů - Glykolýza
• Oxidační dekarboxylace. Alkoholové kvašení. Mléčné kvašení
• Citrátový cyklus
Metabolismus sacharidůOdbourávání oligosacharidů a polysacharidů - HydrHydrololýzaýza
Podstatnou složku potravy živočichů tvoří rostlinné škroby a živočišné glykogeny.
Rostlinné škroby a živočišné glykogeny v gastrointestinálním systému (trávicím ústroji) jsou hydrolyticky štěpeny na glukosu.
Nejdůležitějšími enzymy, které je štěpí, jsou glykosidasy amylasy, obsažené ve slinách a pankreatu.
amylosa (lineární glukan) limitní dextrin maltosa + glukosaα-amylasa
amylopektin a glykogen (rozvětvený glukan) amyloglukosidasamaltosa
maltosa maltasa glukosa
laktosa galaktosa + glukosa
sacharosa fruktosa + glukosa
celulosa vodík, methan, octová, propionová, máselná kyselina
laktasa
sacharasa
celulasy
Metabolismus sacharidůOdbourávání oligosacharidů a polysacharidů - FFosfolosfolýzaýza
Zásobní a vnitrobuněčné polysacharidy se štěpí fosforolyticky působením enzymu fosforylasy
O
OOH
OHOH
OH
O
OOH
OH
OH
O
OH
OH
OH
neredukující konec
Pi.EH+
E + Pi + glykogen
OOH
OH
O
OOH
OH
OH
O
OOH
OH
OH
...
O
OH
OHOH
OH
OH O
OOH
OH
OH
O
OOH
OH
OH
O
OOH
OH
OH
O
OOH
OH
OH
...
+
+
.Pi.EH
O
OOH
OHOH
OH
O-
O-
O
P + EH+
glukosa-1-fosfát
Metabolismus sacharidůOdbourávání oligosacharidů a polysacharidů - FFosfolosfolýzaýza
Působením enzymů se glykogen štěpí na glukosa-1-fosfát.
E + Pi + glykogen→ glukosa-1-fosfát+ EH+
Asi 10 % glukanu zůstává nerozštěpenoa je zachováno jako „očko“
4-α-D-glukanotransferasa
amylo-1,6-glukosidasaAsi 10 % glukanu zůstává nerozštěpenoa je zachováno jako „očko“ (startér, primer) pro jeho novou biosynthesu.
Metabolismus sacharidůRegulace Regulace glykogenolýzyglykogenolýzy
Fosforylasa se vyskytuje ve dvou formách: jako aktivní, přítomný ve formě tetramer se označuje fosforylasa a; dimerní, neaktivní forma se označuje jako fosforylasa b.
ADRENALIN(glukagon)
adenylátcyklasa ADENYLÁTCYKLASA
ATP cAMP
proteinkinasa PROTEINKINASA
Ca-fosforylasa-b-kinasa Ca-FOSFORYLASA-b-KINASA-(P)
fosforylasa b FOSFORYLASA a
FOSFORYLASAFOSFATASA
glykogen
Glc-1-P
Mg2+/Ca2+, ATP
2 Pi
ATP ADP
Regulace fosforylasy
Adrenalin aglukagon vyvolávají intracelulární syntézu cAMP - aktivatoru proteinkinas.
Proteinkinasy: alosterické enzymy - tetramer, mají část regulační a část katalytickou. Vazbou cAMP v podjednotkách regulačních a jejich fosforylací za přítomnosti ATP se změní tetramer na dva dimery.
Aktivní proteinkinasaje schopna aktivovat fosforylasu ba přeměnit ji na fosforylasu a. Tím zahájí štěpení glykogenu – zvýšuje se koncetrace glukosy v krvi.
Aktivní proteinkinasaje však současně schopna fosforylovat glykogensynthasu, a tím ji přeměňovat z formy aktivní do formy neaktivní. A tím glykogeneze je inhibována. přeměňovat z formy aktivní do formy neaktivní. A tím glykogeneze je inhibována.
Insulin působí opačně – brání vzniku cAMP. Proto se rozvinou děje opačné: účinkem fosfoproteinfosfatasse přemění aktivní fosforylasu ana neaktivní. Defosforylací se však aktivuje glykogensynthasa, takže výsledkem této části regulačního obvodu je převaha glykogeneze nad glykogenolýzou
Alosterická regulace fosforylas, proteinkinas a fosfatas vlivy pozitiních nebo negativních efektorů.
Pro fosforylasypozitivním faktorem je AMP a Glc-1-P, zatímco ATP má účinek opačný.
Pro fosfoproteinfosfatasaje inhibitorem ATP.
Metabolismus sacharidůOdbourávání monosacharidů
Sacharidy jsou metabolisovány ve formě fosforečných esterů.
Fosforylace má trojí význam: �Vznikající fosforečné estery mají vyšší obsah energie, a jsou proto
reaktivnější�Fosforylové skupiny mohou být vazebnými, resp. rozpoznávacími �Fosforylové skupiny mohou být vazebnými, resp. rozpoznávacími
centry pro enzym�Přítomnost polární negativně nabité skupiny činí cukry neschopné
procházet membránami, a vystupovat tak z buněk nebo přecházet do jiných organel.
Klíčovou látkou v metabolismu sacharidů je glukosa-6-fosfát.
Metabolismus monosacharidůKlí čovou látkou v metabolismu sacharidů je glukosa-6-fosfát.
U živočichů glukosa-6-fosfát vzniká různými katabolickými i anabolickými reakcemi:�Fosforylací glukosy, která vzniká hydrolytickým štěpením oligo- a polysacharidů
potravy.�Isomerací glukosa-1-fosfátu, který je produktem fosforolytického štěpení reservního
polysacharidu glykogenu.�Z jiných monosacharidů, uvolňovaných při trávení potravy.
glukosa-6-P
glukosa-1-P
glykogen
glukosa 6-fosfoglukonát
fruktosa-6-P
manosa,aminocukry
Glukosa-6-fosfát je dále odbouráván na pyruvát .
Za aerobních podmínek je pyruvát oxidačně dekarboxylován na AcetylCoA a dále oxidován v citrátovém cyklu na oxid uhličitý a vodu.
Za anaerobních podmínek je pyruvát přeměňován na redukovaný konečný produkt, např. laktát ve svalu
nebo u kvasinek na ethanola oxid uhličitý.
Metabolismus monosacharidůMechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma
Glykolytické enzymy se vyskytují v cytoplazmě prakticky všech buněk.
Jednotlivé reakce glykolýzy můžeme rozdělit do dvou základních
reakčních celků: 1. Přeměna glukosy na glyceraldehyd-3-fosfát,
Pro glykolýzu jsou důležité tři základní aspekty:
1. Osud uhlíkatého skeletu sacharidů (změny strukturní)
2. Oxidačně-redukční přeměny jako zdroj energie
3. Přeměna ADP a anorganického fosfátu na ATP
2. Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfát a vznik pyruvátu.
Metabolismus monosacharidůMechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma
1. Přeměna glukosy na glyceraldehyd-3-fosfát
O
OHH
HH
OHOH
H
OH
glukosafosfátisomerasa
ATP ADP
hexokinasa
O
OHH
HH
OHOH
H
O(P)
O
OHOHH
H
(P)O OH
OHOH
H OH
O
OHH
OH
OH
HH
(P)O O(P)OH
O
O(P)
O
H OH
O(P)
+
triosafosfátisomerasa
fruktosabisfosfátaldolasa
OHOH
H OH
OHHOH
H
ATP ADP
fosfofruktokinasa
Metabolismus monosacharidůMechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma
2. Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfát
O
H OH
NAD+ NADH + H+PiO(P)
H OH
O
glyceraldehyd-3-fosfát
ADP ATP
fosfoglycerátkinasa
O-
H OH
O
O(P)
O-
H O(P)
OH
O
fosfoglycerátmutasa enolasa
CH2
O-
O(P)
O
O(P) O(P)
glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenasa
Metabolismus sacharidůMechanismus glykolýsy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma
3. Vznik pyruvátu
OHO O-
O
Mimořádně vysoké ∆G´hydrolýsy 2-fosfoenolpyruvátu způsobuje, že enzym pyruvátkinasaprakticky
CH2
OH
O(P)
OADP ATP
CH3
O
O
O
pyruvátkinasa
pyruvátkinasaprakticky nevratně fosforyluje ADP. Pyruvátkinasová reakce je tedy ventil, který brání zpětné synthese glukosy z pyruvátu cestou EMP a umožňuje regulaci synthesy a odbourávání sacharidů.
Metabolismus sacharidůMechanismus glykolysy: Embdenovo-Meyerhofovo-Parnasovo-schéma
Čistý výtěžek glykolýzy
Shrnutí: Sumární reakce tohoto procesu lze tedy vyjádřit rovnicí:
glukosa + 2 ATP + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 pyruvát + 4 ATP + 2 NADH + 4 H+ + 2 H2O
neboli glukosa + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 pyruvát + 2 NADH + 4 H+ + 2 ATP + 2 H2O
Odbourávání monosacharidů - mléčnmléčné kvašeníé kvašení
Hromaždění kyseliny mlečné vyvolává acidosu, a je příčinou únavy svalu a vyčerpání.
Odbourávání monosacharidů - Alkoholové kvašeníAlkoholové kvašení
Tvorba ethanolu není neomezená; při koncentraci
Mikroorganismy např. kvasinek, dekarboxyluje, dále redukuje na ethanol.
neomezená; při koncentraci 15% působí toxicky i na kvasinky a usmrcuje jej.
Jiné druhy kvasinek a plísní řeší problémy anaerobního života jinými chemickými mechanismy, čehož lze využít pro kvasné výroby např. kyseliny mlečné, butanolu, glycerolu aj.
Metabolismus sacharidůOdbourávání monosacharidů - oxidační dekarboxylaceoxidační dekarboxylace
Pyruvát se aerobně odbourává na acetyl-CoA v mitochondriích, kam přechází z cytoplasmy -Oxidační dekarboxylacedekarboxylace
je poměrně složitý proces, katalysuje ji multienzymová jednotka, tzv. pyruvátdehydrogenasový komplex.
Přeměna pyruvátu na acetyl-CoA: oxidační dekarboxylace
Metabolismus sacharidůOdbourávání monosacharidů - Citátový cyklusCitátový cyklus
Princip, význam
Citrátový cyklus, cyklus trikarboxylových kyselin nebo podle objevitele sira Hanse A. Krebse (1937) Krebsův cyklus je centrem veškerého metabolismu.
Odbourávání většiny substrátů ve druhé fázi aerobního katabolismu uvolní jen menší část jejich energie, asi ¾ jí zůstává v acetyl-CoA.
Odbourávání acetyl-CoA v citrátovém cyklu probíhá stupňovitě, konzervuje uvolněnou energii ve formě ATP a vytváří četné biosynthetické prekurzory
LipidyCharakteristika lipid ů - Definice lipidůDefinice lipidů
Název lipidy označujeme pestrou skupinu nízkomolekulárníchpřírodních látek, nerozpustných ve vodě (hydrofobních),ale dobře rozpustných v nepolárních rozpouštědlech(lipofilních).
Chemicky rozdělujeme lipidy podle jejich stavby na dvě hlavní skupiny:
Lipidy: estery vyšších mastných kyselin a alkoholů nebo jejich derivátů
(zmýdelnitelné lipidy).
Isoprenoidy: jejich molekuly jsou sestavovány ze zbytků isoprenu.
(nezmýdelnitelné lipidy).
LipidyCharakteristika lipid ů - Rozdělení lipidůRozdělení lipidů
Jednoduché Složené Isoprenoidní
LIPIDY
vosky
triacylglyceroly
acylsteroly
fosfolipidy
glykolipidy
steroly
žlučové kyseliny
LipidyCharakteristika lipid ů - Hlavní biologické funkce lipidůHlavní biologické funkce lipidů
Zdroj a reserva energie:
Acylglycerolyjsou energicky nejbohatší potravou 38 kJ.g-1(sacharidy17 kJ.g-1).
Strukturní funkce :
Polární lipidy vytvářejí strukturní jádro biomembrán. Polární lipidy vytvářejí strukturní jádro biomembrán.
Ochranné funkce:
Acylglycerolový obalněkterých orgánů chrání před mechanickým poškozením.
Podkožní tukzabraňuje nadměrné ztrátě tepla a vody.
Analogické funkce vykonávají i ochranné vrstvy vosků na listech, plodech, peří, srsti, krunýřích hmyzu apod.
LipidyJednoduché lipidy -acylglycerolyacylglyceroly
Acylglyceroly- tvoří nejpočetnější skupinu jednoduchých lipidů,
- jsou základem živočišných tuků a rostlinných olejů - směsi smíšených triacylglycerolů obsahujících různé acylové zbytky mastných kyselintriacylglycerolů obsahujících různé acylové zbytky mastných kyselinv jedné molekule.
H2C
CH
H2C
O
O
O CH3
O
CH3
O
O
CH3
1357911131518
1 3 5 7 9 11 1316
1 3 5 7 9 10 12 14 16 18
LipidyJednoduché lipidy –nasycené a nenasycené mastné kyselinynasycené a nenasycené mastné kyseliny
LipidyJednoduché lipidy –nasycené mastné kyselinynasycené mastné kyseliny
Mastné kyseliny
CH3 OH1246810121416
O
16
C4 máselnáC6 kapronováC8 kaprylováC10 kaprinová
C12 laurováC14 myristováC16 palmitová
C18 stearováC20 arachováC22 behenová
LipidyJednoduché lipidy –mastné kyselinymastné kyseliny
Nenasycené mastné kyselinydvojné vazby v konfiguraci cis
CH3OH
O
1357
910121416
O
CH91012141618
kys. palmitolejová 16 (9:10)
kys. olejová 18 (9:10)
OH
O
CH3 1357
9101213151618
OHCH3 1357
910121416
OH
O
CH31357
9101213151718
OH
O
CH313
5
7
9
10
12
13
15
1618
68111420
*kys. linolová 18 (9:10 12:13)je esenciální kyselina
kys. arachidonová 20 (5:6 8:9 11:12 14:15)
kys. arachidonová je prekurzor vysoce účinných látek zv. prostaglandiny a leukotrieny.
kys. olejová 18 (9:10)
kys. linolenová 18 (9:10 12:13 15:16)
LipidyEikosanoidy (prostaglandiny, thromboxany, prostacykliny)
Eikosanoidy jsou mastné kyseliny s dvaceti uhlíkovými atomy, které ve své struktuře obsahují pětičlenný kruh.
OH
O
CH3
O
PGA1
OH
O
CH3 CH3
OH
OH
O
CH3
OH
O
OH
O
CH3
OH
O
OH
PGB1
PGE1
OH
O
CH3
CH3
arachidonová kyselina
prostannová kyselina
13579
10
1113 15 17 19
20
LipidySložené (polární) lipidy
Složené (polární) se liší od lipidů jednoduchých nejen složitější chemickou stavbou, ale i biologickým významem.
složené lipidy
podle charakteru
podle polární složky
fosfolipidy glykolipidypodle charakteru alkoholové složky
fosfatidylethanolaminy fosfatidylinositoly
fosfatidylcholin plasmalogeny
fosfatidylseriny
glycerofosfolipidy
sfingomyeliny
sfingofosfolipidy sfingoglykolipidy
LipidySložené (polární) lipidy -GlycerofosfolipidyGlycerofosfolipidy
H2C
CH
CH2
O
O
O
O
P
O
O
O
CH3
CH3
Jsou amfifilní molekuly s nepolárními alifatickými konci a polárními X-fosforylovými hlavami. Charakteristický je pro ně obsah jednoho nenasyceného acylového zbytku.
Jsou v nízké koncentraci ve vodě rozpustné, nad určitou koncentrací(tzv. kritickou micelární koncentrací) se shlukují do větších celků (micel).
Uplatňují se především jako stavební základ biologických membrán.
O- x
O
LipidySložené (polární) lipidy -GlycerofosfolipidyGlycerofosfolipidy
Fosfoacylglycerolyjsou estery 1,2-diacylglycerol-3-fosforečné (fosfatidové) kyseliny s alkoholy.
CH
CH2
O O
O
O
CH3
CH3H2C O O
O-
P
xO
CH3
Název X-OH Vzorec Název fosfolipidu
Voda -H fosfatidová kyselinaEthanolamin -CH2CH2NH3
+ fosfatidylethanolamin (kefalin)Cholin -CH2CH2N(CH3)3
+ fosfatidylcholin (lecithin)Serin -CH2CH(NH3
+)COO- fosfatidylserin (kefalin)Glycerol -CH2CH(OH)CH2OH fosfatidylglycerol
LipidySložené (polární) lipidy -GlycerofosfolipidyGlycerofosfolipidy
H
H2C
CH
CH2
O
O
O
O-
O
P
x
O
O
O
CH3
CH3
HH
HOH
HOH
H OH
OHOH
H
CH2
HC
CH2
O
O
O
R4
R3
O
O
O-
O
O
P
CH2CHCH2
OH
Inositol fosfatidylinositol
Fosfatidylglycerol difosfatidylglycerol
(kardiolipin)
LipidySložené (polární) lipidy -GlycerofosfolipidyGlycerofosfolipidy
Plasmalogenyjsou glycerofosfolipidy, ve kterých je
substituent na C1 vázán na glycerolovou kostru α,βα,βα,βα,β-nenasycenou etherovou vazbou.
H2C
CH
CH2
O
O
O
O-
O
P
x
R2
O
R1 O
= -CH2CH2NH3
-CH2CH2N(CH3)3+
-CH2CH(NH3+)COO-
Polární skupiny plasmalogenů tvoří hlavně ethanolamin,
cholin, serin.
LipidySložené (polární) lipidy -SfingolipidySfingolipidy
Sfingolipidy: Základem struktury těchto látek je nenasycený aminoalkohol sfingosin (E)-2-aminooktadek-4-en-1,3-diol.
CH2CH3 OH34681012141618
H2C
CH
CH2
OH
NHR
O
CH3 OH
1
2
Mastná kyselina se váže amidovou vazbou na aminoskupinu a tvoří ceramidy - základní složku všech sfingolipidů.
LipidySložené (polární) lipidy -SfingoSfingoglykoglykolipidylipidy
CH
CH2
NHR
CH3 OH
Sfingoglykolipidy Jsou součástí vnějšího povrchu buněčných membrán.
sacharid vázaný na primární alkoholové
skupině.
Sulfatidy: vyskytují se v tkáních mozku, plic, kosterního svalstva, jater aj. sacharid = β-D-galaktosa-3-sulfát
H2C OO
sacharid
Cerebrosidyobsažené v mozkové tkáni mají sacharid = β-D-galaktosa,
Cerebrosidy jiných tkání majísacharid = β-D-glukosa
LipidySložené (polární) lipidy -SfingoSfingoglykoglykolipidylipidy
Gangliosidyse vyskytují převážně v šedé hmotě mozkové, kde tvoří 6 % lipidů.
CH
CH2
NHR
CH3 OH
H2COO
OOH
OH
OH
Orozvìtvený oligosacharid
obsahují jako sacharidovou složku rozvětvený oligosacharid vázaný na ceramid přes glukosu; postranní větve tvoří zbytky N-acetylneuraminové (sialové) kyseliny (NeuNAc).
LipidyIsoprenoidní lipidy
Isoprenoidní lipidy patří mezi steroidy, základ jejichž struktury je polycyklický skelet cyklopentano[b]perhydrofenanthrenu.
131712
1116
H
H H149
810 15
16
756
H1
4
2
3H
H
H
Steroidy jsou hydrofobní nebo amfifilní látky, z nichž mnohé mají charakter hormonů. Strukturní a transportní význam mají steroly a žlučové kyseliny, které řadíme do skupiny lipidů.
LipidyIsoprenoidní lipidy - SterolySteroly
Steroly se vyskytují v živočišných a rostlinných buňkách jako volné alkoholynebo estery mastných kyselinv rostlinách většinou jako aglykony heteroglykosidů;
byly prokázány i u některých mikroorganismů.
Steroly jsou obecně důležitou součástí membrán.
Podle původu dělíme steroly na zoosteroly(živočišné), fytosteroly (rostlinné), mykosteroly (steroly hub) a mořské steroly(steroly mořských živočichů a rostlin).
LipidyIsoprenoidní lipidy - ZoosterolyZoosteroly
CH3
CH3
CH3
H
H
H
HCH3
CH3
1
2
3β5 7
89
10
11
12
13
14 1516
17
18
19
20
2122
23
24
25
26
27
Cholesterol: se vyskytuje v relativně vysoké koncentraci v každé živočišné buňce.
Modeluje tekutost a permeabilitu její plasmové membrány.Je výchozí látkou pro biosyntézu dalších důležitých steroidů –
žlučových kyselin, pohlavních hormonů, kalciferolů.
V normálně fungující tkáni jsou plynule syntetizovány a odbourávány.
Patologicky se cholesterol ukládá ve stěnách krevních cév a vyvolává atherosklerosua nebo ukládá ve žlučových kamenech.
OH 45
67
LipidyIsoprenoidní lipidy - Žlučové kyselinyŽlučové kyseliny
Žlučové kyseliny jsou hlavní součástí žluče; syntetizují se z cholesterolu v játrech, skladují a koncentrují ve žlučníku.
CH3
CH3
H
OH X
O
CH3
CH3
H
OH OH
O
CH3
H
H
H
OH OHH
CH3
H
H
H
OHH
X: OH kyselina cholová NHCH2CH2SO3
- taurocholát
NHCH2COO- glykocholát
kyselina deoxycholová
Nejznámnější je cholová a deoxycholová kyselina,
Usnadňují trávení a střebávání lipidů.
LipidyLipoproteiny
Lipoproteiny vznikají spojením lipidů se specifickými bílkovinamizvanými apolipoproteiny, nekovalentní hydrofobní interakcí nepolárních interakcí nepolárních oblastí obou složek
Lipoproteiny tvoří součásti buněčných membrán, cytoplasmy buněk, krevní plasmy a vaječného žloutku. V krevní plasmě působí jako přenáseče triacylglycerolů a cholesterolu.
LipidyPlasmové lipoproteiny
Funkce: zajišťují transport a distribuci lipidů prostřednictvím krve a lymfatického systému. Fungují též jako regulátory metabolismu lipidů.
Typ Hustota (g.cm-3) Protein / LipidChylomikrony < 0,950 0,01
Funkcetransport triacylglycerolů a cholesterolu ze střev do Chylomikrony < 0,950 0,01
VLDL 0,950 – 1,006 0,1
IDL 1,006 – 1,019 0,25
LDL 1,019 – 1,063 0,25
HDL 1,063 – 1,210 1,00
LDL jsou LDL jsou zozoddpovědnépovědné za vysokou hladinu krevního cholesterolu a aterosklerosu.za vysokou hladinu krevního cholesterolu a aterosklerosu.
transport triacylglycerolů a cholesterolu ze střev do tkání
transport triacylglycerolů a cholesterolu z jater do tkání
transport cholesterolu z tkání do jater
Metabolismus lipidů
• Odbourávání triacylglycerolů
• Aktivace mastných kyselin• Aktivace mastných kyselin
• β-Oxidace mastných kyselin
Hydrolytické štěpení rezervních triacylglycerolů
Triacylglyceroly jsou skladovány ve zvláštních tkáních, jsou méně mobilních než sacharidy a jsou vhodné spíše pro dlouhodobou potřebu.
Hydrolýzu rezervních triacylglycerolů v tukových tkáních katalyzují hydrolasy - karboxylesterasy nazývané lipasy.
H2C
CH
H2C
O
O
C
O
R
C
O
R
O C
O
R
+ 3 H2O
H2C
CH
H2C
OH
OH
OH + 3 R-COO- + 3 H+
hydrolasy - karboxylesterasy nazývané lipasy.
Hydrolytické štěpení lipidů z potravyLipidy se podílejí ze 20-40% na energii, která je do organismu přiváděna potravou.
V žaludku začíná trávení lipidů činností žaludečních lipas.
V duodenu nastává intenzivní hydrolysa ⇒ di-, monoacylglyceroly + mastné kyseliny
V tenké střevě ⇒ glycerol + mastné kyseliny.
Z fosfolipidů odštěpují fosfolipasyfosforečnou kyselinu a aminoalkoholy.
Z glykolipidů odštěpují glykosidasysacharidy
H2C
H2C
O
O
O
R1O
R2
O O
O-
O
P Xfosfolipasa A2
H2O C
O
R2 O-
H2C
H2C
O
O
O
R1
H
O O
O-
O
P X
fosfolipid lysofosfolipid
fosfolipasa A1
fosfolipasa C fosfolipasa D
Vstřebávání a rozvod
K vstřebávání (resorpce) produktů trávení lipidů dochází v tenké střevě.
Mastné kyseliny 10-12C z buněk střevní sliznice přímo do krve.
Mastné kyseliny s delším řetězcem ⇒
Mastné kyseliny s delším řetězcem ⇒ triacylglyceroly.
Triacylglyceroly +
nehydrolysované lipidy
lipoproteinycholesterol
fosfolipidy
chylomikrony ⇒ do krve
Metabolismus glycerolu
Glycerol ⇒ dihydroxyacetonfosfát ⇒ EMP ⇒ citrátový cyklus.
H C OH + +
H2C OH
H2C
CH
H2C
OH
OH
OH
glycerol
ATP ADP
glycerolkinasa
H2C
CH
H2C
OH
OH
O O-
O-
O
P
glycerolfosfát
NAD+ NADH + H+
glycerolfosfát dehydrogenasa
C
H2C
O
O O-
O-
O
P
dihydroxyacetonfosfát
Odbourávání mastných kyselin cestou ββββ-oxidace
β-Oxidace byla objevena F. Knoopem v r. 1904,
její mechanismus objasnil F. Lynen až v r. 1951. její mechanismus objasnil F. Lynen až v r. 1951.
• Aktivace mastné kyseliny
• Vlastní β-oxidace.
• Thiolysa
Aktivace mastných kyselin a transport
mastná kyselina + CoA + ATP → acyl-CoA + AMP + PPi
Protože rovnovážná konstanta této reakce blíží 1, pro Protože rovnovážná konstanta této reakce blíží 1, pro „pohánění“ reakce je nutné odstranit jeden z jejích produktů, totiž difosfát, exergonickou hydrolýzou enzymem difosfátasou. Tím jsou z molekuly ATP čerpány dvě jednotky metabolické energie.
PPi + H2O = 2 Pi + 2 H+
Transport mastných kyselin přes mitochondriální membránu
ββββ-oxidace mastných kyselin a thiolysa
CH3 (CH2)n SCoA
H
H
H
H O
αβ
acyl-CoA
FAD FADH2
acyl-CoA- dehydrogenasa
CH3 (CH2)n SCoA
H
H O
αβ
trans-∆2-enoyl-CoA
H2O
enoyl-CoA- hydratasa
CH3 (CH2)n SCoA
OH
H
H
H O
αβ
3-hydroxyacyl-CoA
NAD+ NADH + H+
CH3 (CH2)n C SCoA
O H O CoASH
CH3 SCoA
O
CH3 (CH2)n C SCoA
O
+3-hydroxyacyl-CoA- dehydrogenasa
CH3 (CH2)n C SCoA
Hαβ
β-oxoacyl-CoA
β-oxoacyl-CoA-thiolasa
CH3 SCoA
acetyl-CoA
CH3 (CH2)n C SCoA
acyl-CoA+
SCoA
O
...CH2HH
HH
B:
Enz
SCoA
O
...CH2
H
H
HHB:
Enz
enoyl-CoA-isomerasa
SCoA
O
OH
O
SCoA
O
CH3
propionyl-CoA sukcinyl-CoA
Oxidace nenasycených mk a mk s lichým počtem uhlíkových atomů
Energetický výtěžek β-oxidace kyseliny palmitové vytvoří: 7x(2+3) + 8x12 – 1 = 130ATP.
Poruchy metabolismu sacharidů a lipidů
von Gierkova choroba: Nedostatek glukosa-6-fosfatasy např. znemožňuje využití jaterního glykogenu jako zdroj energie, zvětšení jater a hypoglykemie. McArdlova choroba: Nedostatek fosforylasy ve svalech, neschopnost využívat glykogen jako zdroj energie pro svalový tah. neschopnost intenzívní svalové práce a bolestivost svalů. Zažívací potíže po použití mléka: Nedostatek laktasyve střevní sliznici, hromaděná laktosa ve střevě podporuje růst patogenních mikroorganismů. Galaktosemie: Nedostatek galaktokinasy nebo příslušných uridyltransferas hromadění galaktosy v krvi (galaktosemie,) její přeměna na toxické produkty (např. alkohol galaktitol) - zvracení, žloutenka a nevratné poškození centrální nervové soustavy.
Energetický metabolismus sacharidů souvisí těsně s energetickým metabolismem lipidů. Tvorba toxických ketolátek (ketogenesa) doprovází všechny stavy nedostatku glukosy jako zdroj energie, tj. hladovění, von Gierkovu chorobu a chybnou funkci hormonálního systému regulujícího metabolismus glukosy.
Acetonurie: Využívání triacylglycerolů jako zdroj energie. zvýšená β-oxidace MK, rychlejší tvorba Ac-CoA, nedostatek oxalacetátu v citrátovém cyklu (bez odbourání glukosy chybí pyruvát pro anaplerotické pochody), vznik volného acetoacetátu(pKa 3,5) vyvolává tzv. acidozu, spontánně dekarboxyluje a vytváří aceton. Oba tyto produkty působí toxicky; aceton se vylučuje močí (acetonurie).
Diabetes mellitus: Nedostatek nebo neschopnost funkce hormonu insulinu, který reguluje vstup glukosy do svalů a tukových tkání a potlačuje fosforolýzu glykogenu v játrech. Projevuje se zvýšením obsahu glukosy v krvi nad hodnotu, která může být resorbována v ledvinách, a následkem toho vylučováním glukosy močí (glykosurií), což vyvolává také zvětšení objemu vyloučené moči. Tím se zvyšuje potřeba vody. Zároveň stává intenzivní ketogenesa a acetonurie. Diabetes mellitus se často projevuje u starších lidí, vede k závažnému poškození organismu (slepota, selhání ledvin, hormonální poruchy aj.) a je častou příčinou smrti, není-li řádně léčena.
Metabolismus bílkovin
• Proteasy a proteolýza
• Buněčný pool aminokyselin
• Metabolismus aminokyselin
• Obecné reakce odbourání aminokyseliny
• Metabolismus amoniaku, močovinový cyklus
Metabolismus bílkovin
Metabolismus bílkovin se v řadě směrů liší od metabolismu sacharidů a lipidů.
• Hlavní stavební materiálbuněk a tkání, prakticky jediný zdroj dusíku - tedy všech biologicky významných dusíkatých látek.
• Bílkoviny se neustále odbourávají a znovu tvoří. Průměrný poločas lidských bílkovin ~ 80dní.lidských bílkovin ~ 80dní.
• Jednotlivé aminokyseliny mají zcela individuální metabolismus.• Bílkoviny se účastní celkové látkové přeměny mnohem
podstatněji než sacharidy a lipidy: Postradatelné aminokyseliny mají velmi pestrý metabolismus; Esenciální aminokyseliny nevstupují tolik do reakcí s ostatními látkami, a souvisejí s nimi většinou nevratnými vztahy, neumožňujícími jejich zpětný vznik.
• Biosynthesa bílkovin je řízená genetickým kódem.
Proteolysa a Proteasy
Odbourávání bílkovin začíná jejich hydrolytickým štěpením. Proteolysu katalysují proteasy:
• Proteasy pracují bez kofaktorů, některé vyžadují přítomnost různých kovových iontů.
• Proteasy nejsou obecně substrátově specifické. Štěpí však určité typy • Proteasy nejsou obecně substrátově specifické. Štěpí však určité typy peptidových vazeb.
• endopeptidasy, katalysující hydrolysu uvnitř řetězce za vzniku peptidů různé velikosti,
• exopeptidasy: Karboxypeptidasy odštěpují C-koncové aminokyseliny, aminopeptidasyaminokyseliny z N-konce polypeptidového řetězce. Některé proteasy vykazují endo- i exopeptidasovou aktivitu.
Proteasy
Trávící (digestivní) enzymyúčastní se trávení potravy v zažívacím traktu:
• Žaludeční endopeptidasy.Žaludky dospělých savců obsahují pepsin Aa pepsin C, zvaný též gastricin. Mláďata savců vylučují do žaludeční šťavy chymosin. Vývojem mláděte dochází postupně k záměně chymosinu za pepsin. Při mléčné výživě živočicha synthesa chymosinu přetrvává déle.
• Proteasy pankreatické šťávy. Aktivovaná pankreatická šťáva obsahuje 7 odlišných • Proteasy pankreatické šťávy. Aktivovaná pankreatická šťáva obsahuje 7 odlišných proteas: endopepdidasy: trypsin, chymotrypsin A, B, C, elastasua exopeptidasy karboxypeptidasu Aa B. Jejich překrývající se specifita k určitým typům peptidových vazeb umožňuje kompletní rozklad bílkovin potravy.
• Enzymy střevní šťavy. V tenkém střevě vznikají aminopeptidasy, a dipeptidasy. Dipeptidasy vyžadují přítomnost určitých kovových iontů.
Kathepsiny odbourávají tkáňové bílkoviny živočichů. Jsou věšinou lokalisovány v buněčných organelách lysosomech a pracují při zhruba neutrálním pH. Uplatňují též při autolyse bílkovin v odumřelých tkáních, např. zrání masa.
Proteolysa
Hydrolýza bílkovin potravyv žaludku: pepsin, 0,4-0,5% HCl ⇒ bílkoviny denaturují a neúplně se hydrolysují
v tenké střevě: pH 7,5-8,5, pankreatické proteasy, střevní aminopeptidasy, dipeptidasy ⇒ volné aminokyseliny.
aminokyseliny + štěpy peptidů + neporušované bílkoviny přecházejí střevní sliznicí ⇒⇒
Odbourávání tkáňových bílkovin
Aktivní bílkovinaModifikace
Inaktivní bílkovinaProteasy
Fragmenty
LYSOSOM nebo VAKUOLA
fragmentyaminokyselinaAminokyselina
do lymfy nebo krve ⇒ do tkání.
Buněčný pool aminokyselin
Volné aminokyseliny tvoří v organismu stálou hotovost neboli pool:méně než 1/3 z exogenního zdroje, více než 2/3 z endogenního zdroje.
Další osud aminokyselin po výstupu z poolu může být různý:
• Největší část se využije jako stavební materiál k výstabě nových tělních • Největší část se využije jako stavební materiál k výstabě nových tělních bílkovin.• Mnohé aminokyseliny slouží k synthese jiných biologicky důležitých dusíkatých látek, jako jsou puriny, pyrimidiny, porfyriny, nikotinamid a další.• Přebytečné aminokyseliny jsou užity jako metabolické palivo nebo jako stavební materiál v procesu glukoneogenese. Jako zdroj energie slouží i při hladovění nebo poruchách organismu (např. při cukrovce).
Metabolismus aminokyselin
Pyridoxalfosfát (PLP) je kofaktorem početných enzymů metabolismu aminokyselin.
H2C CH2CH2CH2
N
CH
O-
O
CH
CO
NH2
+
R C* COO-
NH2
H C* COO-
N
CH
O-
O
R
H
Podle druhu katalysované reakce následují tyto obecné reakce odbourání aminokyselin.-labilisace vazby C-H a transaminace,-labilisace vazby C-C a následná dekarboxylace aminokyseliny,-labilisace vazby C-R a aldolové štěpení,-labilisace vazby C-N a racemisacePLP-enzymy katalisují i eliminační a substituční reakce na β- a γ- uhlících aminokyselin.
+
NH
+CH3
O
O-
O-
OP
-NH
+CH3
O
O-
O-
OP
R COO-
NH2+
NH
+
O-
CH3
O
Lys::::
PO3
NH
+
OH
CH3
O
PO3
-HCN
R COO-
NH
+
OH
CH3
O
PO3
H2CN
R COO-
NH
+
OH
CH3
O
PO3
NH2
R COO-
O+
N
R CH
H2CN
R CH-
O
R
NH2+
NH
+
OH
CH3
O
PO3
N
R COO-
H
+ Lys:::
NH
OH
CH3
O
PO3 NH
+
OH
CH3
O
PO3
H2C
NH
+
OH
CH3
O
PO3
INH
OH
CH3
O
PO3
HCN
HC COO-
NH
+
OH
CH3
O
PO3
HCN
CH-
COO-
NH
+
OH
CH3
O
PO3
O
NH2 CH2 COO-
+
Metabolismus aminokyselin
TransaminaceR1 CH COO-
NH2+ pyridoxal-P
R1 C COO-
O+ pyridoxamin-P
R2 CH COO-
NH2
+pyridoxal-P
R2 C COO-
O+pyridoxamin-P
R2 CH COO-
NH2
+R2 C COO-
O+
R1 CH COO-
NH2
R1 C COO-
O
α-Oxokyselinou na níž se převádí aminoskupina z PMP, bývá nejčastěji 2-oxoglutarová kyselina. Tento společný akceptor aminoskupin většiny aminokyselin umožňuje shromáždění těchto skupin do jedné látky, glutamát. Ten pak poskytuje aminoskupiny k různým synthesám, resp. je zavádí do finálních reakcí, jimiž se tvoří konečný produkt vylučování odpadního dusíku.
Oxidační deaminace
Oxidační deaminaci glutamátu katalysuje pyridinová dehydrogenasa glutamátdehydrogenasa (GDH) s koenzymem NAD+ i NADP+, jejich redukované formy se regerují v dychacím řetězci. Funguje v mitochondriích prakticky všech savčích buněk.
COO-
NH2
-OOC CH2CH2+ NAD+ + NADH + NH4
+COO-
O
-OOC CH2CH2
Močovinový cyklus
Ureosynthetický cyklus probíhá nepřetržitě v játrech. ⇒ do krve ⇒ v ledvinách glomerulární filtrací ⇒ do moče.U dospělého zdravého a náležitě živeného člověka se denně vytvoří a U dospělého zdravého a náležitě živeného člověka se denně vytvoří a vylučuje v průměru 25 až 35 g močoviny.
Děj realisovaný ureosynthetickým cyklem lze vystihnout sumární rovnicíNH3 +HCO3
- + -OOC-CH2-CH(NH3+)-COO- + 3ATP =
= H2NCONH2 + -OOC-CH=CH-COO- + 2ADP + 2Pi + AMP + PPi
Metabolismus bílkovinMetabolismus aminokyselin –Močovinový cyklusMočovinový cyklus
Metabolismus bílkovinMetabolismus aminokyselin –Močovinový cyklusMočovinový cyklus
Biosyntéza
• Biochemické redukce a systém NADPH/NADP+
• Pentosový cyklus• Pentosový cyklus
• Biosyntéza sacharidů
• Biosyntéza lipidů
N+
NH2
O
OOO
-
O
PN
+
NH2
O
OHH
OO-
O
P
jsou nejdéle známé (1906) koenzymy,jsou deriváty vitaminu B
NAHPH/NADP+ aNADH/NAD + - nikotinamidové dehydrogensy
Biochemické redukce a systém NADPH/NADPBiochemické redukce a systém NADPH/NADP++
nikotinamidadenindinukleotid (NAD+) nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP+)
O
N
H
OH
H
OHH
O
O
O-
O
P
OH
OH
H
OH
H
N
N N
NH2
O
N
H
O
H
OHH
O
O
O-
O
P
H
OH
H
OH
H
N
N N
NH2
O-
O-
O
P
vitaminu B6.
Nevázané mají E°´ = -0,32 V,vazbou na epoenzym se mění jejich redoxní potenciál E°´
Biochemické redukce a systém NADPH/NADPBiochemické redukce a systém NADPH/NADP++
NADPH/NADP+ Vs NADH/NAD+
shodný standardní redoxpotenciál (E0´ = -0,32 V). Odlišná specifičnost vazby na různé enzymy
biochemický rozdíl ve specifičnosti využití energie: biochemický rozdíl ve specifičnosti využití energie: redukční síly NADH k oxidační fosforylaci - energie NADPH se proto využívá k
přímým redukcím v cytosolárním prostoru buňky. Lokalizace NADH v mitochondriální matrix – NADPH mimomitochondriální a
NADPH + NAD+ = NADH + NADP+ katalyzuje enzym NAD(P)+-transhydrogenasa
Zdroj NADPH u heterotrofních organismů je především glukosa, u autotrofních fotochemická energie (sluneční záření).
Pentosový cyklusPentosový cyklusVýznam: Pentosový cyklus je amfibolický děj
•Pentosový cyklus umožňuje výrobu NADPH - potřebné „redukční síly“ biosynthetických reakcí,
•Je zdrojemribosafosfátupro synthesy nukleových kyselin a nukleotidových kofaktorů. nukleotidových kofaktorů.
Pentosový cyklus není hlavní cestou odbourávání sacharidů, ale dějem doplňkovým.
Všechny reakce pentosového cyklu jsou poměrně snadno reverzibilní ⇒snadná vzájemná přeměna meziproduktů.
Přestane-li být potřeba NADPH a ribosafosfátu nutná, odstraní se nadbytek meziproduktů pentosového cyklu tak, že se postupně převede na meziprodukty glykolýsy.
Metabolismus sacharidůOdbourávání monosacharidů - Pentosový cyklusPentosový cyklus
Pentosový cyklusPentosový cyklus
O
OHH
HH
OHOH
H
O(P)
O
HH
H
OHOH
O(P)
O
NADP+ NADPH + H+
glukosa-6-fosfátdehydrogenasa
H2O
6-fosfoglukonolaktonasa
O
H OH
OH H
H OH
H OH
OH
NADP+ NADPH + H+
6-fosfoglukonátdehydrogenasa
Oxidační fáze – Tvorba NADPH
H OH H OH
O(P)
H OH
O(P)
O
H OH
O
H OH
H OH
OH
O(P)
O
H OH
H OH
OH
ribulosa-5-fosfát
CO2
Pentosový cyklusPentosový cyklus
OH
H OH
OH
H ribosafosfátisomerasa O
OH H
OH
ribulosafosfát-3-epimerasaO
H OH
OH
Regenerační fáze – Tvorba ribosa-5-fosfátu
O(P)
H OH
H OH
ribosa-5-fosfát
O(P)
OH H
H OH
xylulosa-5-fosfát
O(P)
H OH
H OH
ribulosa-5-fosfát
Pentosový cyklusPentosový cyklus
R
H
O
R'
H
O
R R'
H
OH
O
+ transketolasa
Regenerační fáze – mechanismus acyloinové a aldolové kondenzace
acyloin
R
H
O
R'
OH
H O
H R R'
H
OH
OH
H O
+ transaldolasa
aldol
Metabolismus sacharidůOdbourávání monosacharidů - Pentosový cyklusPentosový cyklus
Pentosový cyklus Vs. GlykolýzaPentosový cyklus Vs. Glykolýza
Oba pochody probíhají v cytosolu, jednotlivé enzymy jsou volně pohyblivé v roztoku a jejich účinky se mohou kombinovat.
Glykolýza naprosto nezávisí na systému NADPH/NADP+.
Pentosový cyklus naprosto nezávisí na systému ATP/ADP.
Oba pochody vycházejí ze stejného meziproduktu - glukosa-6-fosfátu a katalytické aktivity jejich enzymů jsou srovnatelné.
Nízká spotřeba energie (nedostatek pohybu) spolu s vysokým obsahem sacharidů v potravě přispívá k zvýšení využití glukosy v alternativním pochodu, tj. tvorbě NADPH. Tento stav podporuje tvorbu vysoce redukovaných látek – mastných kyselin.
Biosyntéza sacharidů
K doplňování hladiny glukosy v organismu slouží její synthesa z necukerných látek: glukogenní aminokyseliny, pyruvát, laktát, glycerol, meziprodukty citrátového cyklu. laktát, glycerol, meziprodukty citrátového cyklu.
Této „novotvorbě“ glukosy říkáme glukoneogenesa.
Pokud na tento děj navazuje výstavba oligo- a polysacharidů užívá se termín glykogenogenesa.
Glukoneogenesa- Přeměna Přeměna pyruvátupyruvátu na glukosuna glukosu
CH3
O-
O
O
Promotorem glukoneogenesy jsou hormony glukagona adrenalin.
Hlavním místem glukoneogenese u savců jsou játra, ledviny. V cytoplasmě buněk těchto orgánů se aminokyseliny, laktát a glycerol, které sem byly přivedeny krví z periferie, mění na pyruvát.
HCO3- + ATP ADP + Pi
pyruvátkarboxylasa
O-
O
O
O-
GTP GDP + CO2
fosfoenolpyruvátkarboxykinasyCH2
O-
O(P)
O
fosfoenolpyruvát
fosfoglycerátmutasa
enolasa2-fosfoglycerát
pyruvát
Ooxalacetát
fosfoenolpyruvát
ADP ATP
fosfoglycerátkinasa
ADP ATP
3-fosfoglycerát 1,3-bisfosfoglycerát
NAD+ + PiNADH + H+
NAD+ + PiNADH + H+
glyceraldehy-3-fosfátdehydrogenasa
glyceraldehyd-3-fosfát
dihydroxyacetonfosfát
triosafosfátisomerasafruktosa-1,6-bisfosfát
aldolasa
ATPADP
fosfofruktokinasa
H2O Pi
fruktosabisfosfatasafruktosa-6-fosfát glukosafosfátisomerasa
glukosa-6-fosfát
ATPADP
glukosa-6-fosfatasa
hexokinasa
H2O Pi
glukosa
2 pyruvát + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H+ + 6 H2O → glukosa + 4 ADP + 2 GDP + 2 NAD+ + 6 P
Glykogenogenesa- Biosynthesa glykogenuBiosynthesa glykogenu
N
OCH2O
OHOH
P
O
O-
P
O
O
O-
O-
O-
O
O
P
NH
O
O
uridintrifosfát
O
O(P)H
HH
OHOH
H OH
H
OH
glukosa-1-fosfát
+
OHOH
N
OCH2O
OHOH
P
O
O-
P
O
O
O-
O
NH
O
OO
HH
H
OHOH
H OH
H
OH
+ O-
P
O
O-
P
O
O
O-
O-
uridindifosfoglukosa
Glukosa-1-fosfáturidyltransferasy
Glykogenogenesa- Biosynthesa glykogenuBiosynthesa glykogenu
ADRENALIN(glukagon)
adenylátcyklasa ADENYLÁTCYKLASA
ATP cAMP
Regulace syntézy glykogenu
Glykogenogenesa- Biosynthesa glykogenuBiosynthesa glykogenu
proteinkinasa PROTEINKINASA
glykogensynthasa DGLYKOGENSYNTHASA I
glykogensynthasa-D-fosfatasa
Rovnováhu mezi odbouráváním a biosyntézou glykogenu udržuje regulační mechanismus, v němž má významné postavení veličina, která je sama předmětem regulace – totiž koncentrace glukosy v krvi čili glykémie. Snížené hodnoty glykémie zvyšuje adrenalin a glukagon, a zvýšené hodnoty glykémie snižuje insulin.
Proces biosyntézy mastných kyselin lze rozdělit do tří fází:
• Výroba malonyl-CoA.
Biosynthesa mastných kyselinBiosynthesa mastných kyselin
• Výroba malonyl-CoA.
• Syntéza palmitové kyseliny.
• Další přeměny palmitátu.
Výroba Výroba malonylmalonyl--CoACoA -- AcetylAcetyl--CoACoA--karboxylasakarboxylasa
Výroba malonyl-CoA probíhá na enzymovém komplexu ligasy.
Acetyl-CoA-karboxylasase skládá ze tří funkčních podjednotek:
• bílkovinný nosič biotin BCCP (Biotin Carbonyl Carrier Protein);
• biotinkarboxylasa, která katalysuje za účasti ATP navázání CO2 na BCCP, čímž je CO2 převeden do aktivované formy;
• karboxyltransferasa, která přenáší CO2 z BCCP-biotinu na acetyl-CoA za vzniku malonyl-CoA.
Výroba Výroba malonylmalonyl--CoACoA -- AcetylAcetyl--CoACoA--karboxylasakarboxylasa
Mutienzymový komplex mastná kyselina-synthasa, se skládá ze dvou disociovatelných bílkovinných podjednotek A a B. Každá z sedmi podjednotek má různých katalytických míst s různými typy enzymové aktivity.
Součástí obou podjednotek je bílkovinný nosič ACP (acyl carrier
Mastná kyselinaMastná kyselina--synthassynthasaa
Součástí obou podjednotek je bílkovinný nosič ACP (acyl carrier protein), jehož součástí je 4´-fosfopantethein.
Fosfopantetheinpředstavuje dlouhé pohyblivé raménko, které umožňuje přenos meziproduktu, navázaného thiolovou skupinou (tzv. centrální SH, cSH), od jednoho katalytického místa k druhému.
Kondenzační reakce se aktivně účastní dvě sulfhydrylové skupiny: fosfopantetheinová (cSH) a další sulfhydrylová skupina periferního cysteinu (pSH), která je součástí kondenzačního enzymu.
Mastná kyselina-synthasa
• Transacylace
• Kondensace acylu s malonylem
Biosynthesa palmitové kyselinyBiosynthesa palmitové kyseliny
• První redukce
• Dehydratace
• Druhá redukce
Mechanismus syntézy mastných kyselinMechanismus syntézy mastných kyselin
Přehled reakční dráhy
Biosynthesa palmitové kyselinyBiosynthesa palmitové kyseliny
Vyrobená palmitová kyselina se uvolní z vazby na ACP a aktivuje reakcí s CoA za účasti ATP a katalýzy acyl-CoA-synthetasy.
Vzniklý palmitoyl-CoA se může buď – zapojit do synthesy lipidů, – použit na výrobu kyselin s delším řetězcem, – použit na výrobu nenasycených kyselin nebo hydroxykyselin.
Další přeměny palmitátuDalší přeměny palmitátu
Tyto další úpravy však neprobíhají v cytosolu:
Řetězec se prodlužuje v mitochondriích přímo acetyl-CoA bez použití malonyl-CoA.
Nenasycené mastné kyseliny se pak tvoří specifickými NADP+-dehydrogenasami; jsou stereospecifické a umožňují vznik cis-isomeru.
Energetická bilance: 7(n/2 – 1) ATP
Na výrobu mastné kyseliny o n uhlíkových atomech je tedy za potřebí 7(n/2 – 1) energetických jednotek ATP.
Elongace mastných kyselinElongace mastných kyselin
Desaturace mastných kyselinDesaturace mastných kyselin
Biosynthesa lipidů
Fotosyntéza
• Princip Fotosynthesy
• Fotosynthetický aparát - chloroplasty• Fotosynthetický aparát - chloroplasty
• Světlá fáze
• Tmavá fáze
Uhlíkový cyklus
Princip fotosyntézy
Synthesa glukosy redukcí oxidu uhličitého - CO2 za přítomnosti H2O
n CO2 + 4n e- + 4n H+ → (CH2O)n + n H2O
Dvě fáze fotosyntézy:
Organický uhlík
energie
katabolický dì jCO2
fotosyntéza
ν
Fotochemická (světlá): světelná energie ⇒ energie “chemická”, tj. ATP a NADPH.
Chemická (temná): chemická energie se využívá k redukci oxidu uhličitého.
V principu lze obě tyto fáze uskutečnit odděleně.
hνH2O
Fotosynthetický aparát - chloroplast
Fotosynthetický aparát
Chloroplasty obsahují zelená barviva
chlorofyl a (modrozelený),
chlorofyl b (žlutozelený),
některé pigmenty, např. karotenoidy;některé pigmenty, např. karotenoidy;podílejí se na absorpci světla v zelené oblasti.
FotosyntézaFotosynthetický aparát
chlorofyly + specifické bílkoviny↓
chlorofylové komplexy↓
anténové (světlosběrné) komplexy (kvantosomy), obsahující asi 200 molekul
chlorofylu.chlorofylu.
Uvnitř jednotky se předává zachycená energie mezi molekulami pigmentů bez podstatné ztráty energie. Tento proces je ukončen přenosem na specialisovaný chlorofylový komplex tzv. reakční centrum. K reakčnímu centru se připojuje systém využívající zachycenou energii, který je tvořen řetězcem oxidoredukčních systémů analogických dýchacímu řetězci.
FotosyntézaSvětlá fáze fotosyntézy
E = hν = hc / λE = NAhc / λ = 1,196.10-4 / λ
Viditelné záření λ = 400 - 700 nm Viditelné záření λ = 400 - 700 nm E = 171 až 299 kJ.mol-1
⇒⇒⇒⇒ Absorpce červeného světla může tedy poskytnout dostatečnou energii pro produkci ATP i NADPH.
FotosyntézaSvětlá fáze fotosynthesy -Fotoredukce NADPFotoredukce NADP++
Světlá fáze sestává ze čtyř procesů:
Fotochemická excitace fotoreceptoruabsorpce slunečního záření
Fotooxidace (fotolysa) vodyFotooxidace (fotolysa) vody
H2O → (2 H+ + 2 e-) + 1/2 O2
Fotoredukce NADP+
NADP+ + 2 H+ + 2 e- → NADPH + H+
Fotofosforylace(tvorba ATP)
ADP + Pi + H+ → ATP + H2O
Světlá fáze fotosynthesy -FotofosforylaceFotofosforylace
FotosyntézaTemná fáze fotosynthesy
Celkově lze vyjádřit Calvinův cyklus rovnicí:
→
FotosyntézaTemná fáze fotosynthesy -CalvinůvCalvinův cykluscyklus
6 CO2 + 12 NADPH + 12H+ + 18 ATP + 12 H2O → C6H12O6 + 12 NADP+ + 8 ADP + 18 Pi
Podle této rovnice může probíhat fixace a redukce CO2 i bez přístupu světla.
Nukleové kyseliny a Proteosynthesa
• Složky nukleových kyselin
• Struktura a funkce nukleových kyselin• Struktura a funkce nukleových kyselin
• Mechanismus přenosu genetické informace a jejích změn
• Biosynthesa peptidových řetězců, antibiotika
Složky nukleových kyselinSložky nukleových kyselin
- Dusíkaté base: pyridinové a purinové
N
N
NH
N
O
NH2
NH
NH
O
O
NH
NH
O
O
CH3
1
2
3
4
5
6
N
N
O
NH2
OH
5-methylcytosin (mC)
NH
N
O
NH2CH3
- Sacharid: D-ribosa a 2-deoxy-D-ribosa- Fosforečná kyselinaPodle sacharidové složky se dělí na ribonukleové kyseliny (RNA) a deoxyribonukleové kyseliny (DNA).
H H Hpyrimidin cytosin (Cyt, C) uracil (Ura, U) thymin (Thy, T)
1 NH
O5-hydroxymethylcytosin (hmC)
N
N N
NH
N
N
NH2
N
NH
N
NH
NH2
O
N
NH
N
NH
O
N
NH
purin adenin (Ade, A) guanin (Gua, G) hypoxanthin (Hyp, I)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
NukleosidyNukleosidy
Nukleosidy: ribosidy a 2-deoxyribosidy purinových a pyridinových basí
Přehled basí a jejich ribonukleosidůBase NukleosidCytosin (C, Cyt) Cytidin (C, Cyd)Uracil (U, Ura) Uridin (U, Urd)
O
N
HHH
OH
N
O
N
HHH
OHN
N N
O
N
OHOH
OH
NH
O
O
O
OHOH
OH
NHNH
O
O
uridin (U, Urd) pseudouridin (Ψ, Ψrd)
Uracil (U, Ura) Uridin (U, Urd)Pseudouridin (ψ, ψrd)
Thymin (T, Thy) Thymidin (T, Thd)Adenin (A, Ade) Adenosin (A, Ado)Guanin (G, Gua) Guanosin (G, Guo)Hypoxanthin (Hyp) Inosin (Ino)
Uracil tvoří dva typy nukleosidů: uridin a vzácněji tzv. pseudouridin
(OH, H)OH
H
(OH, H)OH
H
NukleotidyNukleotidy
Obáze
H
OH
H
OH
H
OH
Obáze
H
OH
H
OHH
O
O-
O
O
P
O-
O-
O
P
n
nukleosidnukleotid (n = 0, 1, 2)
Obáze
H
OH
H
O
OH
O
O-
O P
3´,5´-cyklický nukleotid
Nukleotidy jsou fosforečné estery nukleosidů. Nukleotidy jsou velice rozšířené složky organismů a plní v nich řadu funkcí:
� Jsou stavební jednotkami nukleových kyselin.� Nukleosidpolyfosfáty jsou přenašeči energie - ATP. Jiné nukleosidtrifosfáty mohou
analogicky sloužit jako reserva energie pro buňku. Jsou však používány pouze k některým speciálním účelům a nemají universální použití jako ATP.
� Adenosinové meziprodukty jsou součástí důležitých kofaktorů enzymů – NAD(P)+, FAD a CoA.
� Cyklické purinové nukleotidy (cAMP, cGMP) jsou regulátory metabolismu a neuromodulátory.
Struktura a funkce DNAStruktura a funkce DNA
Primární (kovalentní) chemická struktura je určena sledem nukletidových zbytků. Sledem basí nukleových kyselin je nejen zapsána genetická
ON
O
OH
N
N
N
NH2
O- OP N
NH
O
O
CH31'
2'3'4'
5'
12
3 4
56
7
89
21
34
5
6
5’-konec
A
Tje nejen zapsána genetická informace, ale base slouží též k jejímu předání a zpracovávání.
Na celkovém tvaru molekul NA, a zejména jejich funkci se více podílejí struktury vyšších řádů, založené především na vodíkových vazbách.
O
O OPO
N
O
O
O
O- OP
ON
O
N
NH2
O
O
O- OP
N
NN
NH
O
O
NH2
O
O
O-
PO-
1'2'3'
4'
5'
3’-konec
C
G
Struktura a funkce DNAStruktura a funkce DNA
Páry pyrimidinové a purinové base: A=T, C≡G jsou stabilní a nezaměnitelné.
Princip komplementarity je základem funkce nukleových kyselin: Dvě dvojice basí představují dva znaky dvojkové soustavy, která je vhodná pro přenos a uchovávání informace.
Struktura a funkce DNAStruktura a funkce DNA
Dvouvláknová makromolekula tvoří dvojitou šroubovici (dihelix); sousedící base se (dihelix); sousedící base se pootočí o cca 36°.
Průběh obou vláken pentosafosfátového řetězce je antiparalelní.
Rentgenová struktura
Kalotový model
Struktura a funkce RNAStruktura a funkce RNA
RNA je chemicky velmi podobná DNA.
Rozdíly:•C2´-hydroxyl ⇒ nízká chemická stabilita; použitá RNA rychle odbourávána.
•RNA obsahuje cytosin a uracil, adenin a guanina další minoritní base •RNA obsahuje cytosin a uracil, adenin a guanina další minoritní base dihydrouracil (UH2) a pseudouridin (Ψ).
•Buněčná RNA tvoří převážně lineární jednovláknovou formu. V sekundární struktuře pak vytvářejí komplementární úseky dvojšroubovice a nekomplementární úseky volné smyčky.
V buněčném prostředí RNA představují dynamické molekuly, jejichž konformace se mění během synthesy a funkce. RNA asociují s jedním nebo více proteiny, které je stabilisují a mají význam pro jejich funkci a strukturu RNA.
Transferová RNA (tRNA)
Představuje přibližně 15 % celkové buněčné RNA.
Molekuly tRNA obsahují průměrně 65 až 110 nukleotidových zbytků; značné množství minoritních basí, které jsou ve smyčkách.
Funkce: přenoszbytku aminokyseliny do místa biosynthesy bílkoviny Funkce: přenoszbytku aminokyseliny do místa biosynthesy bílkoviny (ribosomu) a jeho zařazení na správné místo sledu ve vznikajícím proteinu.
Chemickým základem přenosu informace z nukleových kyselin na bílkoviny je aminoacyl-tRNA: „aminokyselina označovaná antikodonem“
Struktura a funkceStruktura a funkce ttRNARNA
DHU-smyčka TΨC-smyčka
antikodonová smyčka Molekula tRNA
připomíná písmenko L
Nukleové kyseliny -Struktura a funkceStruktura a funkce rrRNARNA
Ribosomální RNA (rRNA)Je v buňce součástí specifických organel zvaných ribosomy.
Cytoplasmatické ribosomy eukariotních buněk jsou složeny ze 4 molekul RNA a 70 až 80 proteinů, které jsou specificky rozděleny mezi dvě nestejně velké složky organely, označováné jako podjednotky.
Ribosomální RNA představuje přibližně 80 % celkové buněčné RNA a je metabolicky stálá, obsahuje 50 až 70 % basí v komplementárních párech.
Nukleové kyseliny -Struktura a funkceStruktura a funkce mmRNARNA
Mediátorová RNA (mRNA, messenger RNA)
Neobsahuje minoritní base.
Funkce: přenos genetické informace z DNA, obsažené v buněčném jádře, do místa proteosynthesy, tj. cytosolárních ribosomů. do místa proteosynthesy, tj. cytosolárních ribosomů.
Nukleové kyseliny -Struktura a funkceStruktura a funkce mmRNARNA
mRNA obsahuje vedoucí, kódovací a závěrečnou sekvenci
čepička z 7-methyl-guanosinu (MeG).
Kódující sekvence pak začíná zpravidla tripletem AUG a končí tripletem UAG, nebo UAA nebo UGA
Závěrečná sekvence je různě dlouhá a je zakončena sekvencí poly A
sekvenci
MeG je “obráceně” vázán na 5´-koncový nukleotid trifosfátovou vazbou.
Kromě uvedených typů RNA existuje jaderná RNA, mitochodriální RNA a virová RNA.
Mechanismus přenosu genetické informace a jejích změn
Francis Crick 1958
“centrální dogma”molekulární biologie
Biosynthesa DNAPrincip replikacePrincip replikace
Dihelix mateřké DNA se přerušením vodíkových vazeb rozplete,
každé vlákno slouží jako matrice pro vytvoření komplementárního otisku.
Vzniknou tak pro dvě dceřiné buňky dvě, zcela identické kopie, v nichž jedno z vláken pochází identické kopie, v nichž jedno z vláken pochází z originálu (meteřské DNA) a druhé, doplňkové, je vyrobeno. Hovoříme proto o replikaci semikonservativní.
Stavebními jednotkami pro nové vlákno jsou energií bohaté deoxyribonukleosid-5´-trifosfáty.
Genetické analysy ukazují, že chybné zařazení jednoho nukleotidů připadá na 109 až 1011
kopírovaných nukleotidů.
Biosynthesa DNA- Hlavní replikační enzymyHlavní replikační enzymy
DNA-polymerasyjsou transferasyMg2+
(DNA)n zbytků + dNTP → (DNA)(n+1) zbytků + Ppi
Jsou známy tři druhy bakteriální DNA-polymerasy a dva druhy isolované z živočišných tkání s rozdílnými katalytickými vlastnostmi. tkání s rozdílnými katalytickými vlastnostmi. Mají vedle transferrasové (replikasové) aktivity i aktivitu hydrolytickou (nukleasovou). To umožňuje DNA-polymerase odstraňovat nesprávně zařazené zbytky rostoucího řetězce DNA.
Aby reakce proběhla, musí být splněny následující podmínky:•Musí existovat vlákno mateřské DNA, sloužící jako matice.•DNA-polymerasa dokáže připojovat další nukleotidy pouze na už existující polynukleotidový řetězec: očko neboli primer .•Base připojovaného nukleotidu musí být komplementární k basi mateřského vlákna. Enzymy DNA-polymerasy a RNA-polymerasy přijímají instrukce od mateřského vlákna.
Biosynthesa DNAMechanismus replikaceMechanismus replikaceReplikace začíná ve specifických místech chromosomu, zvaných počateční body replikace, iniciační body nebo replikační body.
Působením tzv. topoisomeras a různých faktorů přerušují vodíkové vazby mezi oběma vlákny DNA a nabývá tvaru vidlice.
Do ní nasedne do obou mateřských vláken RNA-polymerasa a vytvoří na každém z nich krátký RNA-primer.primer.
Na něm pak dochází k vlastní replikaci Okazakiho fragmentů za katalysy DNA-polymerasou III.
Po odstranění úseků RNA DNA-polymerasou I, Okazakiho fragmenty a jsou pak spojeny v souvislý řetězec činností DNA-ligasy.
Biosynthesa RNA––Transkripce genůTranskripce genů
RNA-polymerasy n NTP → RNA + n PPi
DNA-řízené (dependentní) RNA-polymerasy potřebují ke své funkci přítomnost iontů Mg2+; účinné jsou též ionty Mn2+.
RNA-polymerasa nepotřebuje primer.
Není také známo, že by tento enzym měl nukleasové aktivity.
RNA-polymerasa je velký oligomerní enzym. Např. enzym z E. coli je α2ββ´δω. Součástí molekuly jsou též dva ionty Zn2+, vázané v β a β´podjednotce. Mají katalytickou, regulační i strukturní úlohu.
Signály pro zahájení a ukončení transkripceIniciační signály a sekvence sloužící k vazbě RNA-polymerasy, jsou obsaženy v úseku DNA, kterému říkáme promotor . Je rozpoznán δ-podjednotkou enzymu.K zakončení (terminace) slouží k tomu úsek matrice DNA, nazývaný terminátor, terminační signál nebo stop signál.Tyto signály jsou dvojího druhu, jedny jsou pravděpodobně rozpoznávány samotnou RNA-polymerasou, druhé se uplatní pouze v přítomnosti specifické bílkoviny zvané ρ-faktor.
Transkripce probíhá ve čtyřech stupníchRekognace, Iniciace, Elongace, Terminace
Biosynthesa RNA––Mechanismus transkripceMechanismus transkripce
Posttranskripční modifikace
Transkripcí vznikají prekorsory všech typů RNA, k jejich převedení do konečné aktivní podoby, dříve než opustí jádro, slouží posttranskripční úpravy. Zahrnují tři druhy procesů:
Biosynthesa RNA––Mechanismus transkripceMechanismus transkripce
Štěpení fosfodiesterových vazeb v upravených velkých prekursorech a případné spojování vzniklých fragmentů.
Připojení nukleotidů ke koncům řetězců RNA.
Specifické chemické modifikace některých nukleotidových zbytků.
Mutace
Mutace je změna určitého genu. V přírodě vznikají mutacespontánně nebo mohou býtvyvolánymutagenními vlivy.
Základem genové mutace je změna sekvence nukleosidů v DNA. Genová mutace můženastat:
.změnoubaseči basí(bodovámutace).změnoubaseči basí(bodovámutace)
.posunem basí, způsobeným buď ztrátou páru basí (delece), nebo včleněním jinébase do sekvence (inserce)
Všechny modifikace struktury DNA mohou vést k mutaci pouze tehdy, uplatní-li se vprocesu replikace. Relativní stabilita DNA in vivo je zvýšena opravnými mechanismy,které jsou schopny v době mezi dvěma replikacemi chybu nejen identifikovat, ale iodstranit.Opravné mechanismy mají velký význam, neboť všechny buňky jsou víceči méněkontinuálně vystaveny mutagenním vlivům, které mohou poškodit jejich genetickouvýbavu. Mutagenesu a karcinogenesu je tak možné chápat jakoselhání opravnýchmechanismů.
Proteosynthesa -ProteosynthetickýProteosynthetický aparátaparát
Ribosomy
Ribosomy jsou buněčnými továrnami na výrobu bílkovin, sestávají ze dvou podjednotek – malé a velké. V průběhu proteosynthesy dochází k intenzivní disociaci a asociaci ribosomů.
Při proteosythese se ribosom posunuje po mRNA, je v přímém styku s ribosomem vždy jen velmi krátký úsek matrice. Na jednu molekulu mRNA se současně může vázat jen velmi krátký úsek matrice. Na jednu molekulu mRNA se současně může vázat několik ribosomů. Tím výrazně zvyšuje efektivita procesu výroby bílkovin a buňka vystačí s relativně malým množstvím mRNA.
Komplex mRNA s více ribosomy se nazývá polysom. Polysomy mohou být různě velké podle rozsahu mRNA a mohou zahrnovat 3 až 20, ale i 50 až 100 ribosomů.
Ribosomy mají řadu vazebných míst. Klíčový význam mají dvě oblasti, nazvané aminoacylové místo (místo A) a peptidové (peptidylové) místo (místo P).
U eukaryot se sekreční bílkoviny většinou synthetisují na ribosomech vázaných na membrány endoplasmatického retikula.
Proteosynthesa -ProteosynthetickýProteosynthetický aparátaparát
Aktivované aminokyselinyKaždá z 20 aminokyselin má nejméně jeden specifický aktivační enzym aminoacyl-tRNA-ligasa. Pro svou plnou aktivitu potřebuje ionty Mg2+ a tvorbu aminoacyl-tRNA realisuje jako dvoustupňový proces.
MatriceMatriceAktivní formy mRNA obsahují na obou koncích struktury, které se nepřekládají. Úvodní sekvence (angl. leader sequence), nazývaná též iniciační, usnadňuje rozpoznání iniciačních signálů translace a koncová sekvence rozpoznání signálů pro ukončení synthesy peptidového řetězce.
Translační faktoryJsou rozpustné bílkoviny cytoplasmy, vytvářejí komplex s GTP, který funguje jako allosterický efektor.
Iniciace probíhá ve třech fázích:1. Disociace ribosomu: na 40S-ribosomální
podjednotce je vázán iniciační faktor eIF-3, který se v závěru podílí na oddělení ribosomální 40S a 60S podjednotky.
V buňkách eukaryot váže iniciační faktor eIF-2specifickou iniciační aminoacyl-tRNAi (konkrétně Met-tRNA i
Met) s GTP a spolu s 40S-ribosomální podjednotkou vytváří vstupní komplex.
2. V dalším kroku se vstupní komplex naváže na mRNA a vytvoří tak za účasti nejméně tří dalších mRNA a vytvoří tak za účasti nejméně tří dalších faktorů, souhrnně označovaných jako eIF-4,iniciační 40S-komplex. Tento krok vyžaduje přítomnost GTP. Met-tRNAiMet rozpozná antikodonovou sekvencí startovací kodon AUG na mRNA, a tím se nastaví začátek “čtení”.
3. V závěru iniciace vzniká 80S-iniciační komplex za spoluúčasti iniciačního proteinu eIF-5 navázáním 60S-ribosomové podjednotky na 40S-iniciační komplex. To je doprovázeno uvolněním iniciačního faktoru eIF-2 a rozštěpením GTP na GDP a fosfát.
ELONGACE
Elongace peptidového řetězce spočívá v postupném vřazování zbytků dalších aminokyselin do synthetisovaného řetězce.
navázání aminoacyl tRNA do vazebného místa “A” iniciačního komplexu
přenesení vzniklé peptidyl-tRNA z vazebného místa “A” na
vytvoření peptidové vazby mezi aminokyselinami
místa “A” na “P”
TerminaceVe vazebném místě “A” stop-kodony UAG, UAA nebo UGA, dochází k vazbě bílkovinného uvolňovacího faktoru na ribosom. Tento protein využívá molekuly vody pro nukleofilní atak karbonylového uhlíku C-terminální aminokyseliny (místo další aminokyseliny).
Závěrečný krok po uvolnění polypeptidového řetězce je Závěrečný krok po uvolnění polypeptidového řetězce je rozpad ribosomu na podjednotky, které se tím připraví k zahájení synthesy další bílkoviny.
Rychlost proteosynthesy je značná – za 1 sakundu se naváže 20 až 40 aminokyselinových zbytků, takže za jednu minutu může být synthetisováno 6 molekul bílkoviny o Mr = 4 . 104.
Pro srovnání: při laboratorní přípravě peptidů se za den naváže je několik aminokyselinových zbytků.
Posttranslanční modifikace peptidových řetězcůUvolněný polypeptidový řetězec si svoji terciární strukturu formuje samostatně (jeho konformace závisí na primární struktuře) a většinou je již plně funkční. Přesto však bývá uvolněný protein z různých důvodů dále modifikován několika způsoby:
Formylová skupina: Koncového AN-formylmethioninu prokaryot bývá odštěpena účinkem formylmethionindeformylasy,jedna či několik A-koncových aminokyselin může být odštěpeno působením aminopeptidas.
Oxidací vhodných skupin-SH cysteinylových zbytků se mohou vytvářet pevné disulfidové můstky. Tyto můstky se podílejí na stabilizaci terciární struktury.
Modifikují se postranní řetězceněkterých aminokyselinových zbytků. V kolagenu je tak hydroxylován prolin na hydroxyprolin a lysin na hydroxylysin. To ale znamená, že poloha hydroxyprolinu a hydroxylysinu vřetězci není přímo řízena DNA; prolinový triplet tak kóduje i hydroxyprolin a lysinový triplet kóduje i hydroxylysin.
Odštěpením určitých “krycích” částípolypeptidového řetězce se z dosud inaktivní bílkoviny získá funkční protein.
Antibiotika a proteosynthesaŘada z antibiotik zasahuje i do proteosynthesy, popřípadě i do synthesy nukleových kyselin. Mechanismus jejich účinku je různý.
Na malou ribosomální podjednotkou ribosomů prokaryot se váže streptomycin (a další aminoglykosidová antibiotika), zkřiví ji a způsobí tím chybné interakce kodon-antikondon.
Vazba tetracyklinu na ribosomy prokaryot zabraňuje navázání aminoacyl-tRNA na vazebné místo „A“ ribosomů.ribosomů.
Inhibici translokace způsobuje erythromycin.
Peptidyltransferasu prokaryot specificky inhibuje chloramfenikol, který je jinak chemicky nejjednodušší antibiotikum a proto se vyrábí i syntheticky.
Tím, že různá antibiotika zasahují proteosynthesu na různých místech, mají i značný význam při jejím studiu. V něm se uplatnila i antibiotika, která jsou jinak příliš toxická pro klinické využití.
Biosynthesa peptidových antibiotik, jako jsou např. valinomycin, gramicidin S, aktinomycin, bacitracin, tyrothricin a další, neprobíhá na ribosomech, ale na multienzymových komplexech, které řídí a provádějí synthesu peptidu bez zásahu nukleových kyselin.
Tento výukový materiál vznikl v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/28.0296CZ.1.07/2.2.00/28.0296„Mezioborové vazby a podpora praxe v přírodovědných a technických studijních programech UJEP“, spolufinancovaného Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.