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
