Struktura aminokyselin, peptidů

Struktura aminokyselin, peptidů a bílkovin.

Ústav lékařské chemie a klinické biochemie 2.LF UK a FN Motol MUDr. Bc. Matej Kohutiar, Ph.D.

matej.kohutiar@lfmotol.cuni.cz

Praha 2018

I. Struktura aminokyselin a peptidů

Aminokyseliny

• Substituční deriváty karboxylových kyselin

• Poloha aminoskupiny

N H₃ ⁺

O NH₃⁺

O^-

O O

NH

GABA β-alanin

γ β

O NH₂

R

OH

α

Aminokyseliny

• Prolin je sekundární amin

• 20 kódovaných aminokyselin a stovky nekódovaných

N O

H OH

Stereochemie aminokyselin

zrcadlo

Stereochemie aminokyselin

zrcadlo

→objekt, který nemá střed a rovinu symetrie je chirální

Stereochemie aminokyselin

zrcadlo

→objekt, který nemá střed a rovinu symetrie je chirální

→asymetrický uhlík = uhlík se 4 různými substituenty

Stereochemie aminokyselin

• Fischerova projekce

• Absolutní konfigurace

R

H N

H₂

COOH

R

H NH₂

COOH

R

H N

H₂

COOH

R

H NH₂ COOH

D-aminokyselina L-aminokyselina

(R)-aminokyselina (S)-aminokyselina

Klasifikace aminokyselin

AMINOKYSELINY

NEPOLÁRNÍ

POLÁRNÍ

AROMATICKÉ

KYSELÉ ZÁSADITÉ ALIFATICKÉ

NENABITÉ

AMINOKYSELINY

NEPOLÁRNÍ

POLÁRNÍ

AROMATICKÉ

KYSELÉ ZÁSADITÉ ALIFATICKÉ

NENABITÉ

O

NH₂ CH₃ OH

O

NH₂ CH₃

CH₃ OH

O

NH₂

CH₃ CH₃ OH

O

NH₂ CH₃

CH₃ OH

O OH NH

O

NH₂

S CH₃ OH

AMINOKYSELINY

NEPOLÁRNÍ

POLÁRNÍ

AROMATICKÉ

KYSELÉ ZÁSADITÉ ALIFATICKÉ

NENABITÉ

O

NH₂ OH

O

NH₂

N H OH

AMINOKYSELINY

NEPOLÁRNÍ

POLÁRNÍ

AROMATICKÉ

KYSELÉ ZÁSADITÉ ALIFATICKÉ

NENABITÉ

O NH₂ OH

O

NH₂

OH OH

O

NH₂

OH CH₃ OH

O

NH₂

SH OH

O

NH₂

OH OH

O

O

NH₂ NH₂

OH

O O

NH₂

NH₂ OH

AMINOKYSELINY

NEPOLÁRNÍ

POLÁRNÍ

AROMATICKÉ

KYSELÉ ZÁSADITÉ ALIFATICKÉ

NENABITÉ

O

O NH₂

OH OH

O O

NH₂

OH OH

AMINOKYSELINY

NEPOLÁRNÍ

POLÁRNÍ

AROMATICKÉ

KYSELÉ ZÁSADITÉ ALIFATICKÉ

NENABITÉ

O

NH₂

N H

N OH

O

NH₂

NH₂ OH

NH

O NH

NH₂

NH₂ OH

Klasifikace aminokyselin

• Zdroje bílkovin

– rostlinné a živočišné

• Kvalita bílkovin

– plnohodnotné neplnohodnotné

Esenciální Podmíněné esenciální Neesenciální Totálně C skelet je

esenciální

Vznik z esenciálních

AMK

Deficit u zátěže

Syntéza je dostatečná

LYS VAL CYS ARG ALA

THR LEU TYR CYS GLY

ILE ORN TYR GLU

TRP ORN ASP

PHE GLU PRO

MET ASN

HIS

Hydrofobicita

ΔS >0

Cytochrom c RNAasa Lysosym Chymotrypsin

Směr růstu hydrofobicity molekuly (žlutě)

Hydrofobicita

ΔS >0

Kyte, J. and Doolittle, R. 1982. A simple method for displaying the hydropathic character of a protein. J. Mol. Biol. 157: 105-132

červená – modrá + bílá 0

Acidobazické vlastnosti aminokyselin

R

H N

H

O

O

• Zwitterion

• Amfion

• Obojetný ion

• Počet nábojů = Σ nábojů (bez ohledu na znaménko)

• Volný náboj = Σ nábojů

• Isoelektrický bod pI = nulový volný náboj

Acidobazické vlastnosti aminokyselin

R H N

H₃ ⁺

O^- O

R H N

H₂

O^- O

+

R H N

H₃ ⁺

O^- O

+

R

H N

H₃ ⁺

OH O

• Při pH > pI se molekula chová jako kyselina a stává se donorem H⁺

• Při pH < pI se molekula chová jako zásada a stává se akceptorem H⁺

Acidobazické vlastnosti aminokyselin

   



 Gly

log Gly pK

pH

0 a

CH₂ N

H₃ ⁺

O^- O

CH₂ N

H₃ ⁺

OH O

CH₂ N

H₂

O^- O

pKa₁ pKa₂

+1 0 -1

2

pK

pI  pK



Acidobazické vlastnosti aminokyselin

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0

pH

NaOH (mL)

pT₁

CH₂ N

H₃ ⁺

O^- O

CH₂ N

H₃ ⁺

OH O

CH₂ N

H₂

O^- O

pH< pI pH>pI

+1 0 -1

pT₂

Acidobazické vlastnosti aminokyselin

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0

pH

NaOH (mL)

pT₁

CH₂ N

H₃ ⁺

O^- O

CH₂ N

H₃ ⁺

OH O

CH₂ N

H₂

O^- O

pH< pI pH>pI

+1 0 -1

pT₂

Gly⁺/Gly⁰ Gly⁰ Gly⁰/Gly^–

Acidobazické vlastnosti aminokyselin

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0

pH

NaOH (mL)

pT₁

CH₂ N

H₃ ⁺

O^- O

CH₂ N

H₃ ⁺

OH O

CH₂ N

H₂

O^- O

pH< pI pH>pI

+1 0 -1

pT₂

Gly⁺/Gly⁰ Gly⁰ Gly⁰/Gly^–

   



 Gly

log Gly pK

pH

0 a

Acidobazické vlastnosti aminokyselin

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0

pH

NaOH (mL)

pT₁

CH₂ N

H₃ ⁺

O^- O

CH₂ N

H₃ ⁺

OH O

CH₂ N

H₂

O^- O

pH< pI pH>pI

+1 0 -1

pT₂

Gly⁺/Gly⁰ Gly⁰ Gly⁰/Gly^– pKa₁

Acidobazické vlastnosti aminokyselin

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

0,0 20,0 40,0 60,0 80,0 100,0 120,0 140,0 160,0

pH

NaOH (mL)

pKa₂

pT₁

CH₂ N

H₃ ⁺

O^- O

CH₂ N

H₃ ⁺

OH O

CH₂ N

H₂

O^- O

pH< pI pH>pI

+1 0 -1

pT₂

Gly⁺/Gly⁰ Gly⁰ Gly⁰/Gly^– pKa₁

Acidobazické vlastnosti aminokyselin

Skupina Aminokyselina pK_a volné pK_a v proteinu

α-karboxyl Všechny 1,7-2,6 1,8-3,6

β-karboxyl Asp 3,86 3,0-4,7

Imidazol His 6,04 5,6-7,0

α-amin Všechny 8,8-10,7 7,9-10,6

ε-amin Lys 10,53 9,4-11,0

fenol Tyr 10,07 9,8-10,8

thiol Cys 8,33 8,3-8,6

Acidobazické vlastnosti aminokyselin

• V jaké formě se bude vyskytovat kyselina glutamová při pH=7,4 ?

O O

NH₂

OH OH

γ-karboxyl α-karboxyl

α-aminoskupina

α γ

Acidobazické vlastnosti aminokyselin

• V jaké formě se bude vyskytovat kyselina glutamová při pH=7,4 ?

O O

NH₂

OH OH

γ-karboxyl α-karboxyl

α-aminoskupina

α γ

pK_a1 = 2,0 pK_a2 = 3,8

pK_a3 = 9,1

Acidobazické vlastnosti aminokyselin

• V jaké formě se bude vyskytovat kyselina glutamová při pH=7,4 ?

α γ

Funkční skupina

pK_a <2,0 2,0–3,8 3,8–9,1 9,1<

α-karboxyl 2,0 0 -1 -1 -1

γ-karboxyl 3,8 0 0 -1 -1

α-amin 9,1 +1 +1 +1 0

Volný náboj – +1 0 -1 -2

Struktura odpovídá zwitterionu = nulový volný náboj O O NH₃⁺

OH O^-

Chemické reakce aminokyselin

• Vznik peptidové vazby

→

C _ CO N

H

R C

H ₃ H

H

O

+

NH₃⁺

CH₃ C

H₃

O^-

O N H₃ ⁺

O H

CH₃

O^-

O NH

O H

CH₃

O^- O

N H₃ ⁺

CH₃ C

H₃

Valin Threonin

Valyl-threonin

Chemické reakce aminokyselin

• Redoxní rovnováha cysteinu

+

O

NH₂

SH OH

O NH₂ S

H

OH

O

NH₂ S OH

O NH₂ S

OH

Cystein Cystein Cystin

Redukovaná forma Cys Oxidovaná forma Cys

Peptidy

• Peptidy (2+)

• Oligopeptidy (2–10)

• Polypeptidy (10+)

• Proteiny (100+)

O NH

O H

CH₃

O^- O

N H₃ ⁺

CH₃ C

H₃

N-konec

C-konec γ-glutamyl-cysteinyl-glycin

GLUTATHION

Valyl-threonin

II. Struktura proteinů

Proteiny

• protein=bílkovina

• funkční skupiny (slabé kyseliny/zásady) → stálé vnitřní prostředí

• velikost v Da

• zdroj dusíku

• Obrovská variabilita

Proteiny

• Kolik dipeptidů lze teoreticky poskládat z 20 základních proteinogenních

aminokyselin, pokud lze každou

aminokyselinou použít jenom jednou?

! 380 18

! 18 19

20

! 18

! 20 )!

2 20

(

! 20 k)!

- (n

V n!     

 



→ záleží na pořadí → variace bez opakování

Proteiny

• Kolik dipeptidů lze teoreticky poskládat z 20 základních proteinogenních

aminokyselin, pokud se mohou opakovat?

400 20

n

V  ^k  ² 

→ záleží na pořadí → variace s opakováním

Proteiny

• Kolik hektapeptidů (100) lze teoreticky

poskládat z 20 základních proteinogenních aminokyselin, pokud se mohou opakovat?

130 130

100

k 20 1 , 27 10 10

n

V     

→ záleží na pořadí → variace s opakováním

→ počet odhadovaných atomů ve vesmíru ~10

Proteiny

Klasifikace:

1. Podle funkce

2. Podle složení

3. Podle tvaru

Proteiny

1. Podle funkce

• Enzymy

• Zásobní bílkoviny

• Transportní

• Kontraktilní

• Hormony

• Obrana

• Strukturální

• Receptory pro signální molekuly 2. Podle složení

3. Podle tvaru

Proteiny

1. Podle funkce 2. Podle složení

• Glykoproteiny

• Metaloproteiny

• Lipoproteiny

3. Podle tvaru

Proteiny

1. Podle funkce 2. Podle složení 3. Podle tvaru

• Globulární

• Fibrilární

• Membránové

http://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-2-molecular-biology/24-proteins/fibrous-vs-globular-protein.html http://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-1-cell-biology/13-membrane-structure/membrane-proteins.html

Struktura proteinů

• Nativní konformace = biologicky aktivní

• Primární struktura

• Sekundární struktura

• Terciární struktura

• Kvarterní struktura

Molecular chaperones in protein folding and proteostasis - Scientific Figure on ResearchGate.

Available from: https://www.researchgate.net/Competing-reactions-of-protein-folding-and-aggregationScheme-of-the-funnel shaped_fig3_51508608 [accessed 28 Sep, 2018]

Peptidová vazba a primární struktura

Resonanční struktury peptidové vazby

Peptidová vazba a primární struktura

trans cis

Peptidová vazba a primární struktura

Torzní úhly Cα-N-C (Φ) a Cα-C-N (ψ)

Peptidová vazba a primární struktura

Omezení rotace Ramachandranův

diagram

Sekundární struktura

• –NH–CHR–CO–

• α-helix

• Parametry helixu:

• výška závitu (0,54 nm)

• směr otáčení (+,-)

• počet aminokyselin (3,6)

• NE: Pro, Hypro, přítomnost

aminokyselin se stejným nábojem

Sekundární struktura

• β-skládaný list

• Paralelní

• Antiparalelní

β-barel

Sekundární struktura

• Suprasekundární struktury (motivy)

• αβα, αα, βαβ, β-barel

β-barel

Zinkový prst

EF hand motif Leucinový zip

Terciární struktura

• Prostorové uspořádaní polypeptidového řetězce,

• Doménové uspořádání

• Interakce postranních řetězců a disulfidické

můstky

Kvarterní struktura

• Více samostatných polypeptidových

řetězců (pojdednotek) organizovaných do celku

• Dimery, trimery, tetramery

• Homodimer, heterodimer

• Nekovaleltní interakce

Interakce stabilizující molekuly bílkovin

1. Vazba vodíkovým můstkem

2. Elektrostatické interakce

3. Londonovy disperzní síly

4.Patrové interakce

5.Hydrofobní interakce ΔS >0

Folding (sbalování proteinů)

Folding (sbalování proteinů)

Hydrofobní efekt TΔS>0

Vodíkové vazby ΔH<0

Nevazebné interakce ΔH<0

Konformační změny řetězce TΔS<0

Stabilita proteinu ΔG<0

http://biochem-vivek.tripod.com/id23.html

Patologické konformace proteinů

Nerozpustné extracelulární útvary s převahou β-struktury

https://elements.chem.umass.edu/vachetgroup/research/

https://www.researchgate.net/figure/Protein-folding-and-amyloid-formation-Amyloid-fibril-formation-commences-from-partially_fig1_279594821

Globulární protein

Nesvinutý protein

fibrila protofibrila

zralé fibrily

Patologické konformace proteinů

https://elements.chem.umass.edu/vachetgroup/research/ http://missinglink.ucsf.edu/lm/ids_104_neurodegenerative/Case1/Case1Diagnosis.htm https://www.researchgate.net/figure/Protein-folding-and-amyloid-formation-Amyloid-fibril-formation-commences-from-partially_fig1_279594821

Globulární protein

Nesvinutý protein

fibrila

Depozita amyloidu

v mozku pacienta s AD (kongo červeň)

protofibrila

zralé fibrily

Denaturace

• Ztráta charakteristické nativní struktury vedoucí ke ztrátě biologických funkcí

• Neuspořádané klubko (random coil)

• Expozice hydrofobních skupin a řetězců

Teplota

Denaturace:

•vratná

•nevratná