BIOCHEMIA

WYKŁAD 1

STRUKTURA AMINOKWASÓW

COO- gr. karboksylowa

|

gr. aminowa +H₃N - α - H

|

łańcuch boczny

1. Aminokwasy z łańcuchami niepolarnymi

Łańcuchy boczne nie zawierają grup funkcyjnych: alanina, walina, leucyna, izoleucyna, fenyloalanina, tryptofan, metionina, glicyna, prolina. Są hydrofobowe- nie wiążą wody.

1. Aminokwasy z łańcuchami polarnymi bez ładunku

Łańcuchy boczne zawierają grupę SH- cysteina, grupy OH- seryna, treonina i tyrozyna. Do tej grupy należy również asparagina i glutamina.

1. Aminokwasy z łańcuchami kwasowymi

Łańcuchy boczne zawierają grupy karboksylowe, uwalniające protony [COO^-]: kwas asparaginowy i kwas glutaminowy.

1. Aminokwasy z łańcuchami zasadowymi

Łańcuchy boczne zawierają grupy aminowe, wiążące protony [NH₃⁺]: lizyna, arginina i histydyna.

Inne aminokwasy:

- hydroksyprolina, hydroksylizyna: nie są wbudowywane do białek w trakcie ich syntezy, powstają w procesie posttranslacyjnej modyfikacji reszt proliny i lizyny

- selenocysteina i pirololizyna: pochodne cysteiny i lizyny

Aminokwasy poza białkowe

Β- alanina – składnik koenzymu A

ornityna, cytrulina – metabolity cyklu mocznikowego

γ- aminomaślan – neuromediator

homocysteina – metabolit aa siarkowych

Biologiczne znaczenie aminokwasów

• Są składnikami peptydów i białek

• Są prekursorami:

-hormonów: adrenaliny, noradrenaliny, tyroksyny, trijodotyroniny, histaminy, serotoniny, dopaminy, melatoniny

-barwników biologicznych: melanin, hemu

-niektórych koenzymów: np. koenzymu A

-neuroprzekaźników: np. acetylocholiny, kwasu γ- aminomasłowego

• Pełnią rolę substratów w syntezie puryn i pirymidyn

• Są zużywane do syntezy glukozy, ciał ketonowych lub utleniają się do CO₂ i H₂O dostarczając energii

• Dwa aminokwasy wiążą się ze sobą w wyniku reakcji grupy α- karboksylowej jednego z nich z grupą α- aminową drugiego. Odłącza się cząsteczka wody- powstaje wiązanie peptydowe

• Wiązanie peptydowe wykazuje cechy wiązania podwójnego

• Produkt reakcji dwóch aminokwasów to dipeptyd

• Tripeptyd zawiera 3 reszty aminokwasowe itd.

Tworzenie wiązania peptydowego

NH₂ – 1 – COOH NH₂ – 2 – COOH

↓ - H₂O

O

||

NH₂ – 1 – C – N – 2 – COOH

|

H

• Peptydy złożone z kiku- kilkunastu aminokwasów to oligopeptydy

• Dłuższe peptydy, zawierające kilkadziesiąt reszt aa noszą nazwę polipeptydów

• Sekwencję zapisuje się przy pomocy symboli trój- lub jednoliterowych- zawsze od końca N

R O R O R O R O

| || | || | || | ||

H₃N⁺ – C_α1 – C – O^- + H₃N⁺ – C_α2 – C – O^- -----→ H₃N⁺ – C_α1 – C – N – C_α2 – C – O^-

| | – H₂O | | |

H H H H H

aminokwas aminokwas di peptyd

R O R O R O R O

| || | || | || | ||

H₃N⁺ – C –C– N– C – C – N – C – C – N – C – C – O^-

| | | | | | |

H H H H H H H

aminokwas aminokwas

N- końcowy C- końcowy

Peptydy biologicznie aktywne:

-glutation - tripeptyd, bierze udział w procesach oksydacyjno- redukcyjnych

-kininy np. bradykinina - mediatory stanu zapalnego

-angiotensyna I – podnosi ciśnienie tętnicze

-enkefaliny – pentapeptydy mózgu, wykazują silne działanie przeciwbólowe

-endorfiny – peptydy przysadki mózgowej, wykazują działanie przeciwbólowe

-oksytocyna i wazopresyna – oksytocyna pobudza czynność skurczową macicy w czasie porodu, wazopresyna (adiuretyna) pobudza resorpcję wody w kanalikach nerkowych

-hormony: glukagon, insulina, parathormon, kalcytonina, ACTH

BIAŁKA

• Są wielkocząsteczkowymi produktami powstałymi poprzez interakcję grup α-karboksylowych z grupami α-aminowymi aminokwasów z wytworzeniem wiązań peptydowych

• Nie ma wyraźnej granicy pomiędzy peptydami i białkami- produkt zawierający ponad 100 aminokwasów jest białkiem

• W skład jednego łańcucha białkowego wchodzi najczęściej od 100 do 1000 reszt aminokwasowych

Strukturę białek można rozpatrywać na 4 ‘’poziomach’’. Są to struktury pierwszo-, drugo-, trzecio- i czwartorzędowe. Trzy ostatnie określane są wspólną nazwą- konformacja białka.

Struktura pierwszorzędowa białek

Sekwencja, czyli kolejność aminokwasów w łańcuchu białkowym nosi nazwę struktury pierwszorzędowej. Jest uwarunkowana genetycznie, determinuje pozostałe struktury.

Zastąpienie choćby jednego aminokwasu innym w łańcuchu hemoglobiny powoduje powstanie hemoglobiny patologicznej. Opisano ponad 100 takich hemoglobin.

Hb. A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…

Hb. S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…

Hb. C Val-His-Leu-Thr-Pro-Lys-Glu-Lys…

Krwinki czerwone obarczone tak zmienioną hemoglobiną, mają nietypowy kształt, żyją krócej, są bardzo podatne na hemolizę. Rozwija się obraz chorobowy określany niedokrwistością (anemią) hemolityczną.

Struktura drugorzędowa białek

Jest to sposób przestrzennego rozmieszczenia fragmentu łańcucha poipeptydowego. Ocenia się ją metodami dyfrakcji promieni X.

Helisa α (kształt sprężyny):

• Występuje najczęściej. Na jeden skręt helisy α przypada 3,6 reszty aa. Skok spirali wynosi 0,54 nm, a odległość osiowa dwu reszt 0,15 nm.

• Taki układ pozwala na tworzenie wewnątrz-łańcuchowych wiązań wodorowych

Helisa β (kształt harmonijki):

• Zwana także ‘’pofałdowaną kartką’’ lub ‘’harmonijką β’’. Łańcuch jest bardziej rozciągnięty w kierunku osiowym.

• W białkach o tej strukturze dominują między-łańcuchowe wiązania wodorowe.

Struktury niepowtarzalne:

• Około połowy białek globularnych obejmują mniej uporządkowane, niepowtarzalne, specyficzne dla konkretnego białka struktury przestrzenne.

• Forma wytwarzanej struktury zależy od składu aminokwasowego.

Struktura kolagenowa:

• Łańcuchy kolagenów układają się w specyficzną strukturę przestrzenną, zwaną potrójną helisą kolagenową.

• Podstawową jednostką strukturalną kolagenu jest tropokolagen- cząsteczka złożona z trzech łańcuchów polipeptydowych, zwanych podjednostkami α

Struktura trzeciorzędowa białek

Określa sposób wtórnego, trójwymiarowego pofałdowania cząsteczki białka (pojedynczego łańcucha polipeptydowego) z zachowaniem elementów struktury drugorzędowej.

Jest indywidualna dla każdego białka.

Struktura czwartorzędowa białek

Białka o znacznych masach cząsteczkowych składają się z dwóch lub większej liczby łańcuchów polipeptydowych, zwanych podjednostkami.

Struktura czwartorzędowa określa skład podjednostkowy i ich wzajemny układ przestrzenny.

Denaturacja białek

Polega na zniszczeniu struktur przestrzennych (konformacji białka) z zachowaniem struktury pierwszorzędowej. Czynnikami denaturującymi są przede wszystkim: temperatura na ogół powyżej 60^oC, rozpuszczalniki organiczne, kwasy, zasady, jony metali ciężkich (Hg,Pb), stężone roztwory mocznika lub chlorowodorku guanidyny. Zmiana konformacji powoduje najczęściej utratę funkcji danego białka- wyjaśnia to zależność pomiędzy budową a funkcją białka.

białko aktywne białko zdenaturowane

denaturacja

Funkcje białek

Białka odgrywają kluczową rolę we wszystkich procesach metabolicznych. Pełnią funkcje:

• Regulacyjne: katalityczne (enzymy), kontrola metabolizmu, wzrostu i zróżnicowania (hormony, czynniki wzrostowe, receptory)

• Strukturalne np. kolagen, elastyna

Odpowiadają za:

• Transport i magazynowanie np. hemoglobina, ferrytyna

• Uporządkowany ruch np. aktyna, miozyna

• Ochronę immunologiczną np. albuminy

• Hemostazę

• Stabilizację pH

Podziały białek

• Proste- zbudowane wyłącznie z aminokwasów np. albuminy, globuliny

• Złożone- zawierają dodatkowe komponenty np. glikoproteiny (zawierają cukry), lipoproteiny (tłuszcze), nukleoproteiny (kwasy nukleinowe)

• Pełnowartościowe (najczęściej zwierzęce)- zawierają aa egzogenne

• Niepełnowartościowe (najczęściej roślinne)- nie zawierają aa egzogennych

• Istotą życia w ujęciu biologicznym jest nieustanne przetwarzanie materii i energii, zwane metabolizmem

• Komórka przekształca setki wnikających do niej składników odżywczych i tysiące pośrednich produktów tych przekształceń

• W bardzo małej przestrzeni komórkowej zachodzą równocześnie tysiące reakcji chemicznych

Równocześnie funkcjonują dwa przeciwstawne procesy metaboliczne:

• Kataboliczne- polegają na przekształcaniu składników tkanek do mniejszych, prostszych cząsteczek, w wyniku czego uwalniana jest energia w formie użytecznej dla komórki

• Anaboliczne- polegają na syntezie składników złożonych ze składników prostych, z wykorzystaniem energii uzyskanej w procesach katabolicznych

Enzymy:

- reakcje biochemiczne wymagają udziału katalizatorów (biokatalizatorów) zwanych enzymami. Przyspieszają one przebieg reakcji, co najmniej 1 000 000 razy

-niemal wszystkie enzymy są białkami. Jedynie niektóre kwasy RNA wykazują aktywność enzymatyczną-substancja przekształcana przez enzym nosi nazwę substratu, jest przekształcana w produkt

-aktywność katalityczna wielu enzymów zależy od obecności kofaktorów. Są nimi drobno-cząsteczkowe związki organiczne- koenzymy lub jony metali

-białko enzymatyczne bez kofaktora nosi nazwę apoenzymu

-katalitycznie aktywne białko, zawierające kofaktor, nazywa się holoenzymem

Miejsce (centrum aktywne) enzymu :

• Warunkiem biokatalizy jest powstanie kompleksu enzym- substrat. Substrat wiąże się w specyficznym regionie enzymu, nazywanym miejscem lub centrum aktywnym

• Miejsce aktywne jest układem przestrzennym. W jego tworzeniu uczestniczą nieliczne reszty aminokwasowe

Model ‘’klucza i zamka’’ Fischera:

substrat + miejsce aktywne enzymu kompleks ES

Prędkość (szybkość) reakcji enzymatycznej:

• Prędkość reakcji enzymatycznej określamy ilością substratu przekształconego przez enzym w jednostce czasu

• Prędkość reakcji enzymatycznej zależy głównie od temp, pH, stężenia substratu (ów), obecności aktywatorów i inhibitorów

• Prędkości reakcji enzymatycznej nie należy utożsamiać z aktywnością enzymu

Wpływ temperatury:

• Prędkość reakcji enzymatycznej w przedziale temperatur 0-40^oC wzrasta wraz z temperaturą

• Wzrost temperatury o 10^oC podwaja prędkość reakcji

• Wzrost temperatury powyżej 40^oC w wielu przypadkach obniża prędkość reakcji , gdyż następuje denaturacja termiczna białek enzymatycznych

Zależność prędkości reakcji enzymatycznej (v) od temperatury:

Zależność prędkości reakcji katalizowanych przezniektóre enzymy, od pH

Wpływ stężenia substratu:

• Prędkość reakcji enzymatycznej (v) rośnie wraz ze wzrostem stężenia substratu [S]

• Zależność tę przedstawia wykres Michaelisa- Menten

• Stężenie substratu, przy którym prędkość reakcji osiąga połowę prędkości maksymalnej, nosi nazwę stałej Michaelisa, oznaczonej symbolem K_M

• K_M jest miarą powinowactwa enzymu do określonego substratu. Wyraża się ją w molach substratu na litr roztworu

Wykres Michaelisa-Menten:

Efektory allosteryczne:

Zmieniają powinowactwo enzymu do substratu. Są dodatnie-aktywatory allosteryczne lub ujemne-inhibitory allosteryczne.

Aktywność enzymu:

Aktywność enzymu jest prędkością reakcji, mierzonej w ściśle określonych warukach.

• Katal (kat)- jest to aktywność enzymu przekształcającego 1 mol substratu w czasie 1 sekundy, w temp 30^oC, w optymalnym pH, w warunkach reakcji rzędu zerowego (przy pełnym wysyceniu enzymu substratem). Zazwyczaj stosuje się jednostki pochodne: mili-, mikro-, nanokatal

• Międzynarodowa jednostka enzymatyczna (u)- jest to aktywność enzymu przekształcającego 1 mikromol substratu w czasie 1 minuty , w temp 30^oC, w optymalnym pH, , w warunkach reakcji rzędu zerowego 1u=16,67 nkat

Inhibicja enzymów:

Zjawisko hamowania aktywności enzymów nosi nazwę inhibicji, a substancje hamujące przebieg reakcji enzymatycznych nazywamy inhibitorami. Dzielą się na dwie podstawowe grupy:

-inhibitory kompetycyjne (współzawodniczące)

-inhibitory niekompetycyjne

Wiele inhibitorów wykazuje jednak właściwości pośrednie, dlatego też istnieje inhibicja mieszana

	Inhibitor kompetycyjny	Inhibitor niekompetycyjny
Budowa	Podobny do substratu	Niepodobny do substratu
M-ce wiązania	M-ce aktywne	Poza m-cem aktywnym
Odwracalność inhibicji	Odwracalna przez wzrost stężenia substratu	Nieodwracalna przez wzrost stężenia substratu
Vmax	Bez zmian	Maleje
KM	Wzrasta	Pozostaje bez zmian

Praktyczne znaczenie inhibitorów enzymatycznych:

• Gazy bojowe (iperyt, luizyt, sarin)

• Stosuje się szereg inhibitorów o właściwościach bakteriobójczych, owadobójczych, chwastobójczych, grzybobójczych, gryzoniobójczych itd. , co zmniejszyło rozprzestrzenianie się niektórych chorób

• Inhibitory enzymów są stosowane jako leki

Aktywność enzymu jest precyzyjnie regulowana:

-poprzez aktywację proteolityczną

-wiązanie i odłączanie białek regulacyjnych

-fosforylację i defosforylację białka enzymatycznego

-regulację allosteryczną

-naturalne inhibitory

-sprzężenie zwrotne

-tworzenie kompleksów wieloenzymatycznych

Swoistość enzymów:

• Enzymy działają na określone substraty, co nazywamy swoistością substratową

• Enzymy o swoistości bezwzględnej działają tylko na jeden substrat, a nawet tylko na jeden z jego izomerów

• Enzymy o swoistości względnej (grupowej) przekształcają grupę podobnych związków

Koenzymy:

• Właściwości katalityczne wielu enzymów są zależne od obecności koenzymów-w większości pochodnych witamin rozpuszczalnych w wodzie

• Koenzymy przenoszą grupy funkcyjne, drobnocząsteczkowe rodniki, atomy wodoru lub elektrony z odpowiedniego donora na akceptor

• Koenzymy trwale związane z białkiem enzymatycznym noszą nazwę grup prostetycznych enzymu

• Dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NAD+) oraz fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NADP+) – są akceptorami protonów i elektronów w procesie utleniania przez dehydrogenazy

• Flawinomononukleotyd (FMN) oraz dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD) – są pochodnymi ryboflawiny (witaminy B₂). W odróżnieniu od NAD+ i NADP+ są trwale związane z białkami enzymatycznymi

• Koenzym A (CoA)- jest przenośnikiem grup acylowych (reszt kwasowych)

• S-adenozylometionina (SAM)- jest donorem grupy metyowej dla różnych akceptorów

• Biotyna- wiąże (przenosi) CO₂ przechodząc w karboksybiotynę

• Kwas liponowy (lipinian)- jest przejściowym akceptorem grup acylowych w procesie oksydacyjnej dekarboksylacji ketokwasów

• Pirofosforan tiaminy- pochodn witaminy B₁. Uczestniczy w procesie oksydacyjnej dekarboksylacji α-ketokwasów

• Fosforan pirydoksalu- pochodna witaminy B₆. Jest przenośnikiem grup aminowych, uczestniczy w reakcjach transami nacji

• Tetrahydrofolian- jest pochodną kwasu foliowego. Przenosi fragmenty jednowęglowe

• Hem- jest porfiryną, koenzymem cytochromów

Izoenzymy:

• Są to genetycznie uwarunkowane odmiany enzymu, katalizujące tę samą reakcję, a różniące się strukturą molekularną i niektórymi parametrami kinetyki enzymatycznej (V_MAX, K_M)

• Zazwyczaj różnią się składem podjednostkowym lub sekwencją aminokwasową

• Izoenzymy kinazy keratynowej- postać mózgowa (CK-1), sercowa (CK-2) i mięśniowa (CK-3) ułatwiają np. diagnostykę zawału mięśnia sercowego

• Izoenzymy dehydrogenazy mleczanowej (LDH). Składają się z 4 jednakowych lub różnych podjednostek: typu sercowego (H) i typu mięśniowego (M)

• LDH-1 występuje głównie w mięśniu sercowym, a także w mózgu. Jest wrażliwy na hamujące działanie pirogronianu, który hamuje aktywność tego izoenzymu, przez co zapobiega przechodzeniu pirogronianu w mleczan

• LDH-5 występuje głównie w mięśniu szkieletowym. Jest Mao wrażliwy na pirogronian, co umożliwia pracę mięśni w stanie względnego niedotlenienia

Systematyka enzymów:

Enzymy dzielą się na 6 podstawowych klas

1. Oksydoreduktazy- katalizują reakcje utleniania i redukcji

2. Transferazy- przenoszą grupy chemiczne

3. Hydrolazy- rozkładają wiązania chemiczne przy udziale cząsteczki wody

4. Liazy- katalizują reakcje, którym towarzyszy powstanie bądź zanik podwójnego wiązania

5. Izomerazy- katalizują różne reakcje izomeryzacji

6. Syntetazy, czyli ligazy- katalizują reakcje syntezy kosztem energii pochodzącej najczęściej z ATP

Kod enzymatyczny EC a. b. c. d.

Każdemu enzymowi przypisano jego niepowtarzalny numer identyfikacyjny, np. EC 1.7.12.35

Symbol EC (enzyme code) oznacza:

-liczba a określa numer klasy głównej enzymu

-licza b –numer podklasy w obrębie tej klasy

-liczba c- numer podpodklasy w obrębie podklasy

-liczba d- numer enzymu w obrębie podpodklasy

Zastosowanie enzymów w praktyce medycznej:

Enzymy jako markery chorób- niektóre enzymy osoczowe są traktowane jako wskaźniki (markery) charakterystyczne dla pewnych chorób. Ich podwyższona aktywność wskazuje na toczący się proces chorobowy, a normalizacja jest wskaźnikiem skuteczności leczenia np. aktywność aminotransferaz w przebiegu zawału mięśnia sercowego lub uszkodzenia wątroby. Aktywność amylazy- u chorych z zapaleniem trzustki.

Enzymy jako leki- np. tkankowy aktywator plazminogenu i urokinaza mają zastosowanie w leczeniu choroby zakrzepowej. Lipaza-enzym hydrolizujący tłuszcze, jest użyteczna w leczeniu niedomogi wydzielniczej trzustki.

Pewne enzymy służą jako odczynniki w praktyce laboratoryjnej, np. ureaza może być zastosowana do oznaczania mocznika, peroksydaza do oznaczania cholesterolu.

Enzymy w biotechnologii i terapii genowej- przy pomocy enzymów- nukleaz można wycinać pewne fragmenty kwasów nukleinowych i wszczepiać je do innych komórek tego samego gatunku lub wymieniać pewne fragmenty DNA pomiędzy różnymi gatunkami . Tą drogą uzyskuje się rośliny i zwierzęta transgeniczne, będące nosicielami obcogatunkowego materiału genetycznego.