Charakteristika a význam bílkovin

Bílkoviny (proteiny) patří mezi důležité biopolymery. Svou chemickou podstatou jsou shodné s peptidy. Základní stavební jednotkou jsou aminokyseliny, rozdíl mezi peptidy a bílkovinami je v polymeračním stupni. Hranice mezi peptidy a bílkovinami je umělá a u různých autorů se liší. Hranici lze stanovit:
a) počtem kondenzovaných aminokyselin (polymeračním stupněm). Peptidy mají polymerační stupeň 2 – 100, bílkoviny větší,
b) relativní molekulovou hmotností. Peptidy mají relativní molekulovou hmotnost menší než 10.000, bílkoviny větší.
Všechny peptidy a bílkoviny vznikají kondenzací (resp. polykondenzací).
Aminokyseliny – základní jednotky bílkovin
Aminokyseliny jsou substituční deriváty karboxylových kyselin, většina přírodních aminokyselin má aminoskupino vázanou na alfa-uhlíku (druhý uhlík ležící hned vedle uhlíku karboxylu). Tento uhlík je proto chirálním centrem a aminokyseliny jsou opticky aktivní (výjimkou je glycin). Všechny aminokyseliny přírodního původu jsou L-enantiomer (s výjimkou buněčných stěn bakterií a některých antibiotik).
V bílkovinách se vyskytuje běžně asi 20 proteinogenních aminokyselin, existují však i další, které se vyskytují jen u některých druhů organismů. Pro různé organismy jsou různé aminokyseliny esenciální (nepostradatelné, musí se přijímat potravou, u lidí jsou to valin, leucin, izoleucin, threonin, lysin, methionin, fenylalanin, tryptofan) a jiné neesenciální (dokáží je syntetizovat, ale jen z organických sloučenin, především z oxokyselin procesem transaminace). Autotrofní organismy (rostliny) dokáží svým metabolismem vytvářet všechny potřebné aminokyseliny z anorganických látek (zdrojem dusíku je především dusičnanový anion nebo amonný kation).
Vlastnosti
Aminokyseliny se snadno rozpouštějí v polárních rozpouštědlech (voda, ethanol), v nepolárních rozpouštědlech jsou nerozpustné. Jsou to bezbarvé krystalické látky s vysokou teplotou tání. Každá aminokyselina se chová amfoterně, protože obsahuje kyselou skupinu –COOH i zásaditou –NH2 (s volným elektronovým párem). Proto se chovají v kyselém prostředí jako zásady (tvoří se –NH3+) a v zásaditém jako kyseliny (odštěpují vodík z karboxylu).
IZOELEKTRICKÝ BOD – Jedná se o hodnotu pH, má daná aminokyselina nulový volný elektrický náboj – nachází se ve formě amfiontu (obojakého iontu), který se nepohybuje v elektrickém poli. Izoelektrické pH u aminokyselin, které mají dvě disociovatelné skupiny, leží uprostřed hodnot pK na obou
OH-H+ONH2RO-ONH3+RO-ONH3+ROHOH-H+
stranách izoiontového uspořádání: .
Podle počtu charakteristických skupin v molekule se aminokyseliny rozdělují na neutrální
(obsahují jednu zásaditou aminoskupinu a jednu kyselou karboxylovou skupinu), kyselé
(počtem převažují karboxylové skupiny nad aminoskupinami, např. kyselina asparagová a
glutamová) a zásadité (počtem převažují aminoskupiny nad karboxylovými skupinami, např.
lysin, arginin, histidin).
Také je lze dělit na nepolární (postranní řetězec je uhlovodíkový zbytek) a polární (obsahují
polární funkční skupiny). Nepolární aminokyseliny (např. alanin nebo glycin) dodávají
bílkovinám hydrofobní vlastnosti, ale mají schopnost vázat nepolární nízkomolekulární
látky, např. lipidy. Polární aminokyseliny (např. serin, threonin či tyrosin) snadno tvoří
vodíkové můstky s molekulami vody a zvyšují tak rozpustnost bílkovin ve vodě.
Zástupci
GLYCIN – Nejjednodušší
aminokyselina, jako jediná
není opticky aktivní. Z důvodu
krátkého postranního řetězce
se může glycin vázat na místa,
na která jiné aminokyseliny ze
sterických důvodů nemohou.
Například pouze glycin může
být vnitřní aminokyselinou
kolagenové šroubovice.
Většina proteinů obsahuje
pouze malé množství glycinu,
výjimkou jsou kolagen a
elastin. Glycin je inhibiční
neuropřenašeč v CNS, obzvláště v míše, mozkovém kmeni a v sítnici.
ALANIN – Alanin je významný pro tvorbu alfa-helixů, protože ze všech proteinogenních
aminokyselin nejvíce stabilizuje tento typ struktury. Protože je methylová skupina alaninu
málo reaktivní, a pouze vzácně nese nějakou specifickou funkci, alanin může být snadno
zaměněn za jinou aminokyselinu. Naopak, záměna aminokyseliny za alanin změní funkci
proteinu za předpokladu, že daná aminokyselina je pro funkci proteinu důležitá. Této
skutečnosti se používá v genovém inženýrství při tzv. alaninovém skenování, kdy se
zaměňuje zkoumaná aminokyselina za alanin, a zkoumají se změny ve funkci proteinu. Dalanin
je významnou složkou bakteriálního peptidoglykanu (mimo jiné spolu s D-glutamovou
kyselinou). Přítomnost D-alaninu chrání bakterie před působením defensinů a dalších
antibakteriálních enzymů a je důležitá pro tvorbu biofilmu.
METHIONIN – Jeho kodón (kombinace tří bází v mRNA určujících druh aminokyseliny) je
AUG, typický start kodon, kterým se začíná syntéza proteinu na ribozomu. Proto je
methionin obvykle první aminokyselinou v proteinu, ke které se další aminokyseliny připojují.
Methionin slouží pouze pro nastartování tvorby bílkovin, a proto je často její počátek
s methioninem při posttranslačních modifikacích odštěpen. To je také důvod, proč je
methioninu v bílkovinách relativně málo. U eubakterií, na plastidových a mitochondriálních
ribozomech se místo něj používá N-formylmethionin (nepatří mezi 20 typických AK).
Peptidy
Jsou to kratší řetězce
aminokyselin. Podle počtu
kondenzovaných aminokyselin se
peptidy rozdělují na dipeptidy,
tripeptidy až polypeptidy (11 až
100 aminokyselin). Vazba, kterou jsou spojeny aminokyseliny v peptidech i v bílkovinách, se
nazývá peptidická. Je to nesourodá skupina látek s různými účinky a vlastnostmi, které
vycházejí z počtu a druhu aminokyselin. Jsou dobře rozpustné ve vodě.
Přítomnost peptidické vazby můžeme dokázat tzv. Biuretovou reakcí. K roztoku bílkoviny
(peptidu) přidáme roztok síranu měďnatého a roztok hydroxidu sodného a pozorujeme
modrofialové zbarvení. Název reakce je odvozen od sloučeniny
biuretu, která vzniká zahříváním močoviny a také obsahuje
peptidickou vazbu.
Zástupci
GLUTATHION (GSH) – Jedná se o přírodní tripeptid, složený
z aminokyselin kyseliny glutamové, cysteinu a glycinu,
obsažený ve většině živých buněk. Je to nukleofilní činidlo
schopné odstraňovat z buněk těžké kovy a peroxid vodíku
(vzniká, když kyslík likviduje bílkoviny – každá obsahuje
cystein s SH skupinou, kyslík je transformován R-SH + HS-R + O2 R-S-S-R + H2O2)a udržující
v nich stálý redoxní potenciál.
OXYTOCIN – Jedná se o cyklický oktapeptid sloužící jako hormon produkovaný
hypotalamem a skladovaný v neurohypofýze, vyvolává stahy děložní svaloviny.
INZULIN – Jedná se o hormon (složený z 51 aminokyselin) produkovaný Langerhansovými
ostrůvky ve slinivce břišní. Usnadňuje difuzi krevní glukózy do svalových a tukových buněk,
kde pak dochází k syntéze glykogenu a tuků. Tím snižuje hladinu glukózy v krvi. Při
nedostatečné produkci inzulínu dochází k nemoci zvané cukrovka (diabetes mellitus).
Bílkoviny
Proteiny jsou stavební jednotkou všech živých organismů a kromě stavební mají ještě několik
O
NH2
R
OH
O
NH2
R
OH
O
NH2
R
NH
R O
+ OH -H2O
O
NH2
O
H2N NH
další funkcí. Především katalytickou (enzymy), regulační (hormony), obrannou (protilátky) a
transportní (hemoglobin). Mohou být jednoduché (pouze z aminokyselin) nebo složené
(obsahují nebílkovinnou část – prostetickou skupinu). Jejich základní povahu rozpoznal
Braconnot již v r. 1819 při zahřívání klihu s kyselinou sírovou. Za podrobnější znalost
struktury bílkovin vděčíme E. Fischerovi a L. Paulingovi.
Struktura
PRIMÁRNÍ – Je dána pořadím aminokyselin v polypeptidovém řetězci a podmiňuje
biochemickou funkci a chemické vlastnosti. Standardně se zapisuje od N-konce k C-konci
proteinu pomocí třípísmenných zkratek aminokyselin (např. Gly-Gly-Ala-Leu-Gly).
SEKUNDÁRNÍ – Jedná se o prostorové
uspořádání polypeptidového řetězce
v menším měřítku (na úrovni několika
aminokyselin). Má nejčastěji podobu
pravotočivé šroubovice (tzv. α-
helixová struktura, podobná
sekundární struktuře amylosy) nebo
podobu skládaného listu (β-
struktura). Existují ale i neuspořádaná struktura (random coil) a další. Prostorové uspořádání
polypeptidického řetězce do podoby šroubovice nebo skládaného listu je stabilizované (=
drží pohromadě) přitažlivými silami dipól-dipól mezi polárními skupinami C=Oδ-….Hδ+–N
polypeptidického řetězce (vodíkové můstky).
TERCIÁLNÍ – Tímto pojmem se označuje trojrozměrné uspořádání celého peptidového
řetězce. Nejčastější terciární struktury = tvary bílkovinných makromolekul) jsou vláknitá
(fibrilární) a kulovitá (globulární) struktura. Přitažlivé síly držící makromolekuly bílkovin v
terciární podobě jsou: vodíkové vazby, ion-ion, disulfidické vazby (= kovalentní chemické
vazby mezi aminokyselinami cys-cys) a Van der Waalsovy síly.
KVARTÉRNÍ – Objasňuje výstavbu molekul bílkovinových aglomerátů z jednotlivých
polypeptidových řetězců, které spolu nejsou spojeny peptidickými vazbami. Takovéto
uspořádání vykazují jen složitější komplexy bílkovin, např. fibrily kolagenu, nebo lidské DNA
polymerázy.
Vlastnosti
Bílkoviny, které jsou rozpustné ve vodě, tvoří koloidní roztoky. Některé bílkoviny jsou
nerozpustné.
Charakteristickou vlastností bílkovin je jejich snadná denaturace. Denaturace je nevratná
změna terciární a sekundární struktury bílkoviny. Denaturací bílkovina trvale ztrácí své
původní vlastnosti a ztrácí i svou biologickou funkci v organismu. Denaturaci lze vyvolat
fyzikálními faktory nebo chemickými látkami. Běžnými fyzikálními faktory způsobujícími
denaturaci bílkovin jsou teplo, ultrafialové záření, γ-záření. Z chemických látek denaturaci
způsobují kyseliny, alkalické hydroxidy, soli těžkých kovů a mnoho organických sloučenin,
např. ethanol, formaldehyd. Denaturace má praktické využití např. při sterilizaci lékařských
nástrojů teplem nebo desinfekčními prostředky nebo při konzervaci potravin.
Některé chemické látky způsobují vratnou změnu terciární a sekundární struktury. To
znamená, že po oddělení těchto látek od bílkovin se obnoví původní sekundární a terciární
struktura. Vratná změna sekundární a terciární struktury bílkovin se nazývá koagulace.
Koagulaci způsobují vodné roztoky některých solí, např. NaCl, Na2SO4, MgSO4, (NH4)2SO4.
Protože v koagulovaném stavu jsou bílkoviny nerozpustné ve vodě (týká se to pochopitelně
jen těch, které v přirozeném = nativním stavu rozpustné jsou), využívá se možnosti koagulace
k oddělování bílkovin od rozpustných látek.
Zástupci
Jednoduché bílkoviny
Skleroproteiny (fibrilární bílkoviny) – nerozpustné ve vodě, stavební materiál
živočišných organismů
KOLAGEN – Vyskytuje se v kostech, chrupavkách, kůži a šlachách (vroucí vodou se mění v
želatinu). Je to nejrozšířenější bílkovina obratlovců (tvoří třetinu všech bílkovin obsažných
v těle). Tvorba jeho vláknité terciární struktury závisí na dostatku kyseliny askorbové
(vitaminu C). Při hypovitaminóze C nemá kolagen dostatečně vláknitou strukturu a pevnost.
To se projevuje poruchami celistvosti kůže, křehkostí cév a následnou krvácivostí a špatným
hojením ran. Soubor těchto poruch je onemocnění zvané kurděje.
KERATIN – Je obsažený v kůži, ve vlasech, nehtech, peří a vlně. Je mechanicky i chemicky
odolný. Proto má ochrannou funkci a vyskytuje se hlavně v tkáních na povrchu těla. Je
podstatou vlněných textilií.
ELASTIN – Vyskytuje se v pružných tkáních (šlachy, tepny).
Sféroproteiny (globulární bílkoviny) – rozpustné ve vodě, rozmanité funkce
ALBUMINY – Jsou součástí mléka nebo krevního séra vaječného bílku.
GLOBULINY – Ve vodě jsou rozpustné méně než albuminy, které často doprovází. Patří sem
imunoglobulin, který se podílí na obranyschopnosti organismů.
HISTONY – Obsahují zásadité aminokyseliny, vyskytují se v buněčných jádrech, kde jsou na
ně vázány molekuly DNA
Složené bílkoviny
LIPOPROTEINY – obsahují jako nebílkovinnou látku lipid. Podílejí se na stavbě buněčných membrán, mají stavební funkci.
GLYKOPROTEINY – obsahují jako nebílkovinnou látku zpravidla polysacharid. Některé pro svoji chemickou odolnost zastávají v organismech ochrannou funkci (např. glykoproteiny vyloučené do dutiny žaludku chrání žaludeční sliznici před trávícím účinkem enzymu pepsinu. Dalšími glykoproteiny jsou aglutinogeny v červených krvinkách. Některé glykoproteiny jsou součástí buněčných membrán – mají stavební funkci, jiné mají značný imunologický význam, např. interferon, který hraje důležitou roli v boji organismu proti virům. Jeho nedostatek může způsobit vznik zhoubného bujení buněk.
FOSFOPROTEINY – obsahují esterově vázané molekuly kyseliny trihydrogenfosforečné. Jsou zásobárnou fosforu pro syntézu nukleových kyselin.
METALLOPROTEINY – obsahují stopový (= v nepatrném množství se vyskytující) prvek, zpravidla kov, který často tvoří komplexní sloučeninu s makromolekulou bílkoviny. Nejvýznamnější je ferritin, sloužící jako zásobárna železa při biosyntéze hemu. Přenos železa krví zprostředkovává transferrin.
HEMOPROTEINY – obsahují v molekule hem, jehož struktura je odvozena od porfinu. Příklady hemoproteinů jsou hemoglobin, myoglobin, hemokyanin, cytochromy. Pro svoji barevnost se nazývají také chromoproteiny.
NUKLEOPROTEINY – jsou bílkoviny obsahující především zásadité aminokyseliny vázané na nukleové kyseliny.