|
Historie poznávání bílkovin, Vznik bílkovin z anorganických látek, Aminokyseliny, Struktura bílkovin, RozděleníHistorie poznávání bílkovin, Vznik bílkovin z anorganických látek, Aminokyseliny, Struktura bílkovin, Rozdělení bílkovin, Metabolismus bílkovinObsah seminární práce: 1) Úvod – bílkoviny……………………………………..str. 1 2) Historie poznávání bílkovin…………………………str. 2 - 3 3) Vznik bílkovin z anorganických látek………………str. 4 - 5 4) Aminokyseliny………………………………………..str. 6 - 8 37175ngf89yxu3q 5) Struktura bílkovin……………………………………str. 9 - 13 6) Rozdělení bílkovin……………………………………str. 14 - 18 7) Metabolismus bílkovin……………………………….str. 19 - 22 8)Význam bílkovin v potravě………………………..…str. 23 -24 gx175n7389yxxu 10)Literatura…………………………………………….str. 25 Bílkoviny Slovo protein pochází z řečtiny, kde znamená „na prvním místě“.Tento název navrhl Berzelius a je pro bílkoviny velmi výstižný.Na různé bílkoviny se váže mnoho životně důležitých procesů.Jsou důležitou součástí každé buňky a v organismech bezpochyby na prvním místě jsou.Jak co do množství (tvoří 50 – 80% suché hmoty organismů a jsou tak nejhojnějšími organickými sloučeninami), tak i z hlediska jejich významu.Zastávají mnoho životně důležitých funkcí: strukturní bílkoviny se podílejí na stavbě jednotlivých tkání, enzymy urychlují chemické reakce v organismech a uvolňují energii nutnou pro život, hormony jsou nezbytné k správnému chodu vyšších organismů, proteiny můžeme nalézt v krvi, kde se účastní transportu látek (transportní proteiny) jejich funkcí je samozřejmě mnohem víc.Všechny tyto vlastnosti z nich činí látky natolik významné, že živé organismy by bez nich nemohly vůbec existovat.Pro život samotný mají ještě jeden význam a to, že na samém počátku existence života (přechod od anorganických molekul k živým organismům) stály právě tyto látky. O pestrosti zastoupení bílkovin svědčí také to, že i nejjednodušší buňky bakterií obsahují přes 3000 různých bílkovin.Se složitostí organismu počet druhů proteinů pochopitelně vzrůstá, takže typická savčí buňka jich obsahuje už cca 10000, v celém lidském organismu se pak odhaduje na 5 000000 různých bílkovin!! Z chemického hlediska jde o přírodní makromolekulární látky, jejichž podstatnou část tvoří dusík (15-18 %).Jejich monomerními jednotkami jsou α-aminokyseliny, spojené peptidovou vazbou do polypeptidového řetězce.Látky vzniklé spojením aminokyselin do polypeptidového řetězce s relativní atomovou hmotností menší než 10 000 se označují jako peptidy, pokud jejich relativní atomová hmotnost překročí hodnotu 10 000 řadí se mezi bílkoviny. (1) Vývoj znalostí o bílkovinách Historie poznávání bílkovin sahá do minulého století, kdy jejich výzkum probíhal v rámci organické chemie. Ta ale nebyla svými tehdejšími prostředky schopna řešit otázku složení molekul bílkovin a jejich vlastností, proto zájem organických chemiků o tyto biomakromolekuly téměř na třicet let ustal. Dostaly se však do popředí zájmu fyzikálních chemiků. Nástup chemie syntetických polymerů po roce 1920 vyprovokoval snahu po vypracování metod studia fyzikálně – chemických vlastností roztoků makromolekulárních látek. Těmito metodami byly bílkoviny v letech 1925 – 1960 studovány jako rigidní nabité koloidní částice. Byla určována jejich hmotnost, tvar a velikost, molekulově kinetické parametry, elektrické náboje a sledovány interakce bílkovin s okolními látkami. Vysvětlení těchto vlastností vyžadovalo vytvoření značně zjednodušeného modelu bílkovinné molekuly jako rigidní koule s rovnoměrně rozprostřeným nábojem. Takový model byl ale velmi vzdálen realitě. Chemici proto toužili po detailní znalosti struktury molekuly .Tento náročný cíl se však dařilo plnit až po druhé světové válce, kdy bylo vypracováno mnoho nových metod (zejména chromatografických a elektromigračních), vhodných pro izolaci a čištění bílkovin a analýzu jejich směsí a metod studia chemické stavby jejich molekul. Dochází tedy k přechodu od „koloidního“ pohledu na bílkoviny k pohledu molekulovému ( strukturnímu ) - bílkoviny už nejsou považovány jen za koloidní částice popisované jako rotační elipsoid nebo koule, ale za flexibilní organické molekuly se specifikovatelnou strukturou. Rozvinula se organická chemie bílkovin zahrnující studium chemické stavby molekul, chemické obměňování bílkovin a pokusy o jejich chemickou syntézu. V letech 1950 – 1960 došlo také k vyřešení problému aplikace ohybu paprsků rentgenového záření na krystaly bílkovin, což otevřelo cestu k získání podrobného obrazu stavby bílkovin a vytváření jejich modelů na atomové úrovni. Znalost struktury molekuly bílkovin otevřela cestu k výkladu jejich nejrůznějších funkcí. Zhruba před 25 lety začal zájem o bílkoviny upadat a přesunul se na jiné biomakromolekuly – nejprve RNA pak DNA (vědci si uvědomili, že odpověď na to, co zajišťuje organizaci a řízení celkového uspořádání organismů, nelze nalézt v dalším studiu bílkovin, nýbrž ve zkoumání genetiky a nukleových bílkovin). V poslední době se však zájem o bílkoviny dostává opět do popředí díky snahám o vytvoření syntetických materiálů, které napodobují některé biologické struktury a funkce. Tyto materiály nacházejí uplatnění především v medicíně (náhrady orgánů, tkání, nosiče pro programové a lokální dávkování léků apod.), ale pronikají též do technické praxe (např. membrány pro různé separační procesy). (2) Důležité milníky v historii poznávání bílkovin Počáteční obdobíStudium bílkovin v rámci organické chemie 1829 důkaz, že aminokyseliny jsou štěpné produkty bílkovin ( H. Braconnot ) 1840 krystalizace první bílkoviny – hemoglobinu ( F. Hoppe – Seyler ) 1902 objev, že základem bílkovin je polypeptidový řetězec ( E. Fischer) 1923 objev amfoterní povahy aminokyselin (N. Bjerrum) 1926 důkaz, že enzymy jsou bílkoviny a krystalizace prvního enzymu-ureasy (J.Sumner) 1930 vypracování metod na stanovení enzymových aktivit (J. Northop) Stadium fyzikálně chemické : Studium bílkovin jako rigidních nabitých koloidních částic (1925-1962) 1925 stanovení molárních hmotností sedimentační analýzou (T. Svedberg) 1930 dělení směsí bílkovin a studium jejich nábojových vlastností metodou kyvetové elektroforesy (A. Tiselius) 1942 vypracování metody na tovární výrobu bílkovin krevní plasmy (E. Cohn) 1943 vytvoření základů fyzikální chemie aminokyselin, peptidů a bílkovin (E. Cohn a J. Edsall) Období strukturních studiíStudium bílkovin jako organických molekul s poznatelnou strukturou (1945-1970) 1951 odvození α-helixu jako prvku prostorové struktury (L. Pauling a R. Corey) 1952 první určení kovalentní struktury (insulínu) (F. Sanger) 1953 vypracování postupné syntézy pepti 1958 vytvoření prvního prostorového modelu molekuly bílkoviny (myoglobinu) (J. Kendrew) 1960 kovalentní struktura prvního enzymu (ribonukleasy) (S. Moor a W. Stein) 1962 návrh mechanismu enzymové katalýzy ve strukturních pojmech (D. Koshland, F. Westheimer a C. Anfinsen) 1963 teorie allosterického efektu (J. Monod, J. Changeaux a J. Jacob) 1970 teorie funkce hemoglobinu (M. Perutz) 1971 první chemická syntéza enzymu (ribonukleasy) (E. Merrifield a současně R. Hirschermann) (3) Vznik bílkovin a jejich význam při vzniku života Jak jsem se již zmínil v úvodu, proteiny hrály klíčovou úlohu při vzniku života na Zemi.Zhruba před 3,8 miliardami let (tj. 1 miliardu let po vzniku samotné planety Země) byly v pozemské atmosféře přítomny všechny čtyři biologicky nejdůležitější prvky – vodík, kyslík, dusík a uhlík.Při teplotě 20 °C tyto prvky vytvářely tzv. primární atmosféru, která se skládala z vodíku, vodní páry, amoniaku a methanu.Kvůli vulkanickým erupcím, které byly na rané planetě obvyklé, se postupem času vytvořila tzv. sekundární atmosféral ve které se kromě methanu, amoniaku a vodní páry ( vodík již nebyl tak významný ) vyskytoval oxid uhličitý, oxid uhelnatý a dusík.Aby se tyto malé molekuly ( přítomné buď v atmosféře, nebo rozpuštěné v povrchových vodách ) mohly slučovat do větších celků, bylo nutné dodat jim určitou energii.Ta byla zajištěna jednak díky slunečnímu záření ( především vlivem ultrafialového záření, které mohlo dobře pronikat tehdejší atmosférou ), jednak díky přírodním radioaktivním procesům, které v té době dodávaly zhruba 3x více energie než dnes.Svou roli také sehrály elektrické výboje a horko ze sopečných láv. Dnešní laboratorní pokusy potvrzují, že při dodání energie v takovýchto formách, je skutečně možné z jednoduchých složek staré atmosféry vytvořit složitější organické sloučeniny: z methanu a vody se vytváří formaldehyd (H2CO) a vodík, z methanu a amoniaku vzniká kyselina kyanovodíková (HCN) .Formaldehyd spolu s kyselinou kyanovodíkovou a amoniakem dávají za tepla vzniknout aminoacetonitrilu a vodě.Při dalším zahřívání a dostatečném přísunu vody pak vzniká glycin ( CH2(NH2)COOH ) s amoniakem a právě glycin je nejjednodušší aminokyselinou. Ve druhé fázi se za teploty kolem 200 °C různé aminokyseliny spojují do kondenzačních produktů – velkých bílkovinných molekul.I to se dá dokázat laboratorními pokusy.Právě tímto způsobem se na naší planetě vytvořily první proteiny z anorganických látek a bez účasti živých organismů. Přestože od prvních bílkovin ke vzniku života už nebylo daleko, dosud se nepodařilo úplně objasnit, jak k tomuto přechodu došlo.I v této oblasti se ale objevují některé nové poznatky.Chemikové a biologové objevili pozoruhodný jev, ke kterému dochází při působení dalších fyzikálních jevů na vzniklé bílkoviny – při ochlazování roztoků vzniklých proteinoidů dochází k „sebeorganizaci“ těchto látek do určitých molekulových struktur.Vznikají drobné kulovité útvary podobné biologickým buňkám – tzv. mikrosféry. (4) Obalují se něčím podobným buněčné bláně, která má význam při látkových výměnách.Přes tento „obal“ pak prostupují dovnitř látky z vnějšího prostředí.Otázkou, která však zůstává stále nevyřešená je, jak takovéto předbuněčné útvary získaly svůj genetický kód, který je nezbytný pro obnovu a další vývoj organismů.Zcela nejasný je potom vlastní proces „oživení“ těchto útvarů z neživých makromolekul. (5) Aminokyseliny Přestože mnohé bílkoviny obsahují kromě zbytků aminokyselin i jiné látky, stavba molekuly proteinů a jejich základní vlastnosti jsou určeny právě druhem a pořadím aminokyselinových zbytků v polypeptidovém řetězci.Pro pochopení vlastností bílkovin je proto nutné se zmínit i o aminokyselinách. Charakteristika Aminokyseliny patří mezi substituční deriváty karboxylových kyselin.Jde o krystalické látky s relativně vysokou teplotou tání a jsou rozpustné většinou pouze ve vodě.Z přírody známe několik set různých aminokyselin - některé se vyskytují jen v určitých druzích nebo dokonce v jediném organismu, jiné jsou rozšířeny u všech organismů.Existuje ale pouze 20 aminokyselin, které mají pro proteiny ( a tím i pro život ) zásadní význam.Právě z těchto tzv. proteinogenních ( kódovaných ) aminokyselin jsou složeny všechny bílkoviny na této planetě.Kvůli zaměření této seminární práce na bílkoviny se budu dále věnovat jen kódovaným aminokyselinám. Proteinogenní aminokyseliny S výjimkou prolinu jde o α-aminokyseliny – to znamená, že karboxylová skupina a aminoskupina se váží na stejný atom uhlíku (prolin je výjimkou, protože neobsahuje primární, ale sekundární aminoskupinu, a proto je α-iminokyselinou, běžně je ovšem řazen mezi aminokyseliny).Všechny kromě glycinu obsahují chirální uhlík, a proto jde o opticky aktivní látky, v bílkovinách se ovšem uplatňují pouze v L-formě.Rostliny a celá řada mikroorganismů si zajišťují aminokyseliny samovýrobou.Živočichové vyrábějí jen některé a ostatní proto musí přijímat potravou (převážně ve formě bílkovin).Těm které musí být přijímány v potravě se říká nepostradatelné – esenciální a jsou to tyto: leucin, izoleucin, valin, methionin, threonin, lysin, fenylalanin, histidin a tryptofan.Zbylé aminokyseliny se označují jako postradatelné a živočichové jsou schopni si je syntetizovat. Další důležitou vlastností aminokyselin je dipolární charakter jejich molekul – v závislosti na pH prostředí se mohou chovat jako kyseliny :
i jako zásady:
Řadíme je proto mezi látky amfoterní neboli amfolyty. (6) Je-li výsledný náboj nulový, je amfolyt ve formě tzv. amfiontu a nijak se nepohybuje v elektrickém poli.Hodnota pH prostředí v němž dochází k tvorbě amfiontu se nazývá izoelektrický bod pI .Ke všem proteinogenním aminokyselinám ji uvádím v tabulce. Rozdělení aminokyselin Existuje několik klíčů, podle kterých se aminokyseliny dělí do různých skupin.Jedním z nich je již uvedené dělení na neesenciální a esenciální, dle schopností organismů syntetizovat je.Další způsob dělení vychází z vlastností postranního řetězce.Přibližně polovina aminokyselin má postranní řetězec nepolární (alanin, valin, leucin, isoleucin, prolin, fenylalanin,do značné míry tryptofan a methionin ).Ostatní aminokyseliny lze rozdělit na ty, jejichž postranní řetězec a) nemá v neutrálním prostředí el. náboj a může vytvářet vodíkové vazby (serin, threonin, cystein, tyrosin, asparagin, glutamin) b) má na postranním řetězci el. náboj (kys. asparagová a glutamová – kyselé AMK,histidin, lysin, arginin – zásadité AMK).Podrobnější rozdělení dle postranního řetězce uvádím v tabulce na konci této kapitoly. Reakce aminokyselin Škála chemických reakcí aminokyselin je sice velmi široká (všechny obsahují aminoskupinu i karboxylovou skupinu a za určitých podmínek poskytují většinu reakcí těchto skupin ), v souvislosti s bílkovinami je však jedna reakce nejdůležitější – tvorba peptidové vazby.Peptidová vazba vzniká mezi α-aminoskupinu jedné aminokyseliny a α-karboxylem druhé, v podstatě znamená odstranění 1 molekuly vody.Pro příklad uvádím reakci alaninu s valinem za vzniku dipeptidu alanyl-valinu (Ala-Val) . Peptidová vazba je vyznačena červeně.
(7) Spojením 2 aminokyselin vzniká dipeptid, při kondenzaci 3 molekul tripeptid atdn.Je-li v polypeptidovém řetězci 11-100 aminokys. zbytků, mluvíme o polypeptidech.Při počtu zbytků větším než 100 jde o bílkoviny.Právě pořadí a druh aminokyselin v polypeptidovém řetězci určuje strukturu peptidů a bílkovin. Další důležitá reakce AMK je transaminace.Je to vzájemná přeměna páru α-aminokyselin a α-ketokyselin.Právě pomocí této reakce mohou v těle živočichů vznikat postradatelné aminokyseliny (s využitím dusíku aminoskupin z aminokyselin, které jsou v nadbytku ) obecný vzorec této reakce je:
(8)
| ||||||||||||||||||
