Biochemie 1 aminokyseliny

AMINOKYSELINY
Obsah
•
•
•
•
•
•
•
•
Obecná struktura
Názvosloví, třídění a charakterizace
Nestandardní aminokyseliny
Reaktivita - peptidová vazba
Biogenní aminy
Funkce aminokyselin
Acidobazické vlastnosti
Optická aktivita
Aminokyseliny
Obecná struktura a-aminokyselin
• a-aminokyseliny (2-aminokyseliny)
• R – specifický zbytek jednotlivých AK
• Ve fyziologickém prostředí ve formě amfiontu
Definice amfionty: obsahují jak kyselé, tak basické skupiny. V neutrálním roztoku
karboxylová skupina ztrácí proton a vzniká z ní záporně nabitá skupina -COO-,
aminoskupina zde proton přijímá a vzniká kladně nabitá skupina -NH3+. Volný náboj
aminokyseliny, obsahující jednu karboxylovou a jednu aminovou skupinu, je tedy
v neutrálním roztoku nulový. Pro každý amfion existuje určitá hodnota pH, při níž má
nulový volný náboj (tzv. isoelektrický bod).
Třídění aminokyselin
• V bílkovinách 20 + 2 (proteinogenní)
• Posttranslační modifikace
• Volné AK a deriváty, složky jiných biomolekul
• Dělení podle struktury – významných vlastností
• Nepolární – neutrální – alifatické
• Polární nedisociované (zbytky R)
• Polární disociované (zbytky R)
• Kyselé
• Bazické
•
Jiné dělení
•
•
•
Aromatické
Sirné
Heterocyklické apod.
Nepolární - alifatické
Glycin
• Nejmenší AK
• První objevená
AK,
v hydrolyzátu želatiny
v roce 1820
Nepolární - alifatické, větvené, sirné
Nepolární - aromatické
Tryptofan
• Indolová skupina
Fenylalanin
• Fenolová skupina
Tyrozin
• Je
řazený i mezi polární
nedisociované AK
Nepolární heterocyklické
Prolin
• Cyklická a-iminokyselina
• Pyrrolidinová postranní skupina
• Vliv na strukturu polymeru – bílkoviny
Polární - nedisociované
Tyrozin, serin,
threonin
• Hydroxy AK
Polární - nedisociované
Cystein
• Thiolová skupina
• Sirná - (slabě kyselá)
• Možnost tvorby disulfidové můstky
(vznik cystinu)
Asparagin, glutamin
• Amid kys. asparagové, resp. glutamové
H
C
O
C
CH2
+
SH
Cystein
NH
SH
CH2
C
O
C
Cystein
NH
H
1/2 O2
H2O
H
C
O
C
CH2
NH
S
S
NH
disulfidová
vazba
CH2
C
O
C
H
Polární - disociované - bazické
Lysin
• Butylamoniový postranní řetězec
Arginin
• Guanidinová skupina
Histidin
• Imidazolová skupina
• Při pH 6 postranní skupina
disociována z 50 %
• V zásaditém prostředí – neutrální
molekula
Polární - disociované - kyselé
Aspartát, glutamát
• Při pH vyšším než 3 negativní náboj
Speciální aminokyseliny
Selenocytein
"21. proteinotvorná aminokyselina"
• Je
zvláštní neesenciální proteinogenní aminokyselina podobná
cysteinu, místo atomu síry atom selenu. -SeH (pKa-5,3) má nížší pKa
než –SH (pak-8,3), je převážně v disociovaném stavu v buňce
• Hlavní zdroj organického selenu (stopový prvek)
• U člověka obsažena v cca 10 bílkovinách
• Selenocystein se váže na speciální tRNA, která nese antikodon UCA.
Tento antikodon rozeznává UGA kodon na mRNA, což je za
normálních okolností stopkodon - žádná aminokyselina by se v
tomto případě neměla zařadit a prodlužování proteinu by se mělo
zastavit.
• Zařazení selenocysteinu, je způsobeno sekvencí v bezprostředním
okolí kodonu UGA
Selenocystein v proteinech s enzymovou aktivitou
Enzym
Funkce
glutathionperoxidasa
odbourání hydroperoxidů v lipidech (R-O-H)
dejodasa
přeměna tyroxinu na trijodtyronin
thioredoxinreduktasa
antioxidační ochrana, syntéza
deoxyribonukleotidů
Speciální aminokyseliny
Pyrolyzin
"22. proteinotvorná aminokyselina"
• Zvláštní proteinogenní aminokyselina
• Začleňování pyrolysinu jako proteinogenní
aminokyseliny bylo
objeveno u některých archebakterií (Methanosarcina barkeri) v
enzymu monomethylaminmethyltransferasa
• U prokaryot, jako jsou archebakterie Methanococcoides burtoni či
grampozitivní bakterie Desulfitobacterium hafniense
• Bakterie
Desulfitobacterium hafniense je zatím jediný známý
organismus, který používá při translaci všech 22 aminokyselin
Proteinogenní aminokyseliny
Proteinogenní aminokyseliny
Proteinogenní aminokyseliny
Názvy a zkratky
• Troj- a jednopísmenkové
AMK
glycin
alanin
valin
leucin
izoleucin
serin
threonin
cystein
histidin
prolin
selenocystein
Symboly
Gly
Ala
Val
Leu
Ile
Ser
Thr
Cys
His
Pro
Sec
G
A
V
L
I
S
T
C
H
P
U
AMK
methionin
glutamová k.
asparagin
glutamin
lysin
arginin
tyrosin
fenylalanin
tryptofan
asparagová k.
pyrolyzin
Symboly
Met
Glu
Asn
Gln
Lys
Arg
Tyr
Phe
Trp
Asp
Pyl
M
E
N
Q
K
R
Y
F
W
D
O
Základy biochemie ZS 2014
Esenciální aminokyseliny
nezbytná složka potravy, neumíme je syntetizovat
•
•
•
•
rozvětvené (Val, Leu, Ile)
aromatické (Phe, Trp)
bazické (Lys, Arg, His)
Thr, Met
Modifikované
aminokyseliny
Nestandardní aminokyseliny
• Mohou být složkou proteinů nebo biologicky aktivních polypeptidů
• Vznik – modifikací aminokyselinových zbytků v již syntetizovaném polypeptidickém
řetězci
Kolagen
• 4-hydroxyprolin,
5-hydroxyprolin
Histony
• AK mohou být
methylovány, acetylovány,
fosforylovány, sulfurylovány
Proteiny působící při srážení
krve
• g-karboxyglutamová kys
Volné aminokyseliny a deriváty
Součásti jiných biomolekul
•
b-alanin
Meziprodukty metabolických drah
•
•
homocystein, S-adenosylmethionin
ornitin a citrulin
Nervové mediátory a hormony
•
•
•
glycin, g aminomáselná (GABA)
DOPA, dopamin, adrenalin
thyroxin, trijodthyronin
Antibiotika
•
azaserin, cykloserin, chloramfenikol
Volné aminokyseliny a deriváty
Biogenní aminy
Aminokyselina
Amin
Funkce
Serin
etanolamin
součást lipidů
Cystein
cysteamin
součást koenzymu A
Treonin
aminopropanol
součást vitamínu B12
Aspartát
b-alanin
součást koenzymu A
Ornitin
putrescin
základní polyamin
Glutamát
g-aminobutyrát
neurotransmiter (GABA)
Histidin
histamin
mediátor, neurotransmiter
Dopa
dopamin
neurotransmiter
5-hydroxytryptofan
serotonin
mediátor, neurotransmiter
Arginin
agmatin
neuromodulátor
• Vznik – dekarboxylací AK
• Inaktivace – deaminací a současnou oxidací na aldehyd – aminoxidasy
(inhibitory aminoxidas – významné účinky na metabolismus
neurotransmiterů)
Funkce aminokyselin
Funkce
Příklad
Stavební součást peptidů a bílkovin
20+2 proteinogenních AK
Stavební součást fosfolipidů
serin ve fosfolipidech
glycin ve žlučových kyselinách
Stavební součást
glycin ve žlučových kyselinách
Neurotansmitery nebo jejich prekurzory glutamát, aspartát, glycin
Prekurzory
oxokyselin, biogenních aminů, glukózy,
nukleotidů, hemu, kreatinu, hormonů,
neurotransmiterů…
Transportní molekula (-NH2)
pro skupinu (-NH2)
Acidobazické vlastnosti
• Obojetné ionty x zjednodušené vzorce
• Rozpustnost ve vodě, téměř nerozpustné v organických
rozpouštědlech
Hodnoty pK ionozovatelných skupin dvaceti
základních a-aminokyselin při 25°C
a-aminokyselina
pK1 (a-COOH)
pK2 (a-NH3+)
Alanin
2,35
9,87
Arginin
1,82
8,99
Asparagin
2,10
8,84
Asparagová kyselina
1,99
9,90
3,90 (b-COOH)
Cystein
1,92
10,78
8,33 (thiol)
Fenylalanin
2,16
9,18
Glutain
2,17
9,13
Glutamová kyselina
2,10
9,47
Glycin
2,35
9,78
Histidin
1,80
9,33
Isoleucin
2,32
9,76
Leucin
2,33
9,74
Lysin
2,16
9,18
Methionin
2,13
9,28
Prolin
2,95
10,65
Serin
2,19
9,21
Threonin
2,09
9,10
Tryptofan
2,43
9,44
Tyrosin
2,20
9,11
Valin
2,29
9,74
pKR (postranní řetězec)
12,48 (guanidinium)
4,07 (b-COOH)
6,04 (imidazolium)
10,79 (e-NH3-)
10,13 (fenol)
Titrační (disociační) křivka glycínu
• Disociace AK
• Jednoduchá struktura
• Více disociabilních skupin
– složitější křivka
• Pojem pI (izoelektrický bod
= hodnota pH, kdy má
molekula nulový elektrický
náboj)
pKCOOH + pKNH2
pI =
2
Titrační (disociační) křivka histidinu
Aromatické aminokyseliny
absorbují světlo v UV oblasti:
HO
HC
HC
C
CH CH
CH
CH
HC
CH C
+
C
CH
C
CH C
CH2
-
COO
H3N
+
CH
CH
C
HN
CH C
CH2
H3N
CH
C
CH2
-
COO
H3N
+
C
-
COO
H
H
H
Fenylalanin
(Phe, F)
Tyrosin
(Tyr, Y)
Tryptofan
(Trp, W)
Absorpční spektra a molární
absorpční koeficienty Trp, Phe a Tyr:
40 000
20 000
10 000
5 000
Trp
2 000
e
1 000
Tyr
500
200
100
Phe
50
20
10
200
220
240
260
280
300
320
 (nm)
Tyr a Trp silně absorbují v oblasti 250 – 300 nm
→ možnost fotometrického stanovení
Chemická reaktivita
Reakce karboxylu
• Tvorba solí (disociace – viz výše)
• Tvorba esterů
• Tvorba anhydridů
• Tvorba amidů – vazba –CO-NHReakce aminoskupin
• Tvorba solí (disociace – viz výše)
• Acylace – vazba –CO-NH• Diazotace – R-CH(NH2).COOH + HNO2 = R-CH(OH).COOH + N2 – van Slyke
Reakce skupin bočního řetězce
• Speciální, podle druhu AK
• Význam metabolický – struktura, funkce (oxidace –SH aj.)
• Analytické využití
Vazba jiných sloučenin na protein
• Ser, Thr, (Tyr) ← vazba fosfátu nebo sacharidu
• Asn
← vazba sacharidu
Tvorba disulfidových můstků (oxidace/redukce):
• 2 Cys-SH → Cys-S-S-Cys („cystin“)
Významné reakce aminokyselin
• tvorba solí
• dekarboxylace → biogenní aminy
• transaminace → 2-oxokyseliny
• oxidativní deaminace → 2-oxokyseliny
• tvorba peptidové vazby → peptidy a proteiny
Peptidová vazba
• kovalentní chemická
vazba
• obsahuje seskupení
atomů –CO–NH–
• typická např. pro
proteiny a polypeptidy
• vzniká kondenzací
jednotlivých
aminokyselin
• kondenzace hydroxylové
a primární aminové
skupiny
Optická aktivita
chiralita aminokyselin
• Všechny proteinogenní AK (s vyjímkou glycinu) jsou opticky aktivní
– stáčí rovinu polarizovaného světla – L isomer
• Centrum chirality – a-atomy C aminokyselin
Fischerovy projekční vzorce
•
•
•
L-aminokyseliny typické pro většinu biomolekul
D-aminokyseliny – vzácně
Nejméně 1 asymetrický C (vyjímka Gly)
CAHN-INGOLD-PRELOGŮV model
absolutní konfigurace
• Substituenty na a-uhlíku se řadí podle klesající priority.
• Substituenty s vyšším atomovým číslem zařazeny před ty s nižším.
• Směr šipky proti směru hodinových ručiček značí S konfiguraci
(sinister = doleva)
Skupiny dle klesající priority
SH; OR; OH; NH-COCH3; NH2; COOR; COOH; CHO; CH2OH; C6 H5; CH3; 3H; 2H; H
Absolutní konfigurace
•
Gly (G) není chirální
•
L-Cys (C) je v absolutní konfiguraci R
•
Ile (I) a Thr (T) mají dvě chirální centra
•
L-Ile (2S,3S), L-Thr (2S,3R)
L-konfigurace
– čtení ve směru hodinových
ručiček CORN
Všechny ostatní L-aminokyseliny mají S konfiguraci !!!
Optická otáčivost aminokyselin
• Důsledkem
chirality aminokyselin je vlastnost jejich roztoků
otáčet rovinu polarizovaného světla (kmitá v jedné rovině).
• Otočení
• ve směru hodinových ručiček: Značíme (d nebo +),
• proti směru hodinových ručiček: Značíme (l nebo -)
• Nezaměňovat l a L , d a D !!! Některé L-aminokyseliny
otáčí
doprava (např. L-Leu) !!! Měří se polarimetrem.
• Úhel otočení závisí na:
• délce optické dráhy (1 dm),
• vlnové délce polarizovaného
589,3 nm),
• koncentraci roztoku a teplotě.
světla (žlutá D čára sodíku
Polarimetr