Biopolymery
Řada látek s klíčovým významem pro fungování organismů má charakter polymerů (z řečtiny poly = mnoho, mer = část), tedy obrovských molekul složených z mnoha základních stavebních jednotek. Pro odlišení polymerů z živých organismů od chemicky připravených (např. plastů) je nazýváme biopolymery. Mezi nejvýznamnější patří:
· Peptidy, složené z několika málo až několika stovek aminokyselin (viz dále)
· Bílkoviny, složené z jednoho až mnoha desítek peptidů (viz dále)
· Polysacharidy, složené ze stovek až desetitisíců monosacharidů (kapitola 2)
· Nukleové kyseliny, složené až z desítek miliónů nukleotidů (kapitola 6)
Z dalších lze zmínit např. polyfosfáty, polykyseliny, polyfenoly a další. Často se různé typy biopolymerů ještě kombinují dohromady a vznikají tak struktury jako je peptidoglykan (polysacharid+bílkovina, základ buněčných stěn bakterií), glykoproteiny (bílkovina+sacharid, např. protilátky) nebo lipopolysacharidy (lipid+polysacharid, známé např. z vnějších mambrán gramnegativních bakterií) a další.
Biopolymery bývají obvykle nějakým způsobem uspořádané a tato uspořádanost předurčuje jejich biologickou funkci (např. základem vlasů jsou dlouhé molekuly bílkoviny keratinu). Časté je také další spojování biopolymerů do tzv. nadmolekulárních (=větších než jedna molekula) nebo subcelulárních (=menších než buňka) struktur. Příkladem mohou být enzymové komplexy složené z mnoha bílkovin, membrány složené z mnoha bílkovin a fosfolipidů, buněčné stěny rostlin, hub nebo bakterií složené z mnoha polysacharidových vláken, lipoproteiny složené z mnoha bílkovin a tuků, ribozómy složené z bílkovin a nukleových kyselin atd.
Na rozdíl od většiny chemicky syntetizovaných polymerů mají některé biopolymery (především bílkoviny) tzv. kooperativní efekt. To znamená, že různé části jejich molekul jsou navzájem těsně spojené a i malá změna v jedné části se rychle přenáší na celou molekulu. Různému prostorovému uspořádání se říká konformace a různými konformacemi lze dosáhnout řady biologických efektů, např. přepnutí enzymu z aktivního do neaktivního stavu, spojení bílkoviny s jinou molekulou, transportní funkce bílkovin = přenašečů látek přes membrány, buněčného pohybu, svalového stahu apod. Pokud se snažíme izolovat biopolymer z živého systému, nemusí se to vždy povést bez jeho deformace. Uspořádání , v kterém se biopolymer vyskytuje in vivo se nazývá nativní struktura.
Většina biopolymerů má v základě lineární strukturu svých jednotek, může se ale i tak uspořádat do rozličných tvarů (podobně jako klubíčko, jehož základem je jeden dlouhý provázek).
Aminokyseliny a peptidy
Základními stavebními kameny bílkovin jsou aminokyseliny. Jedná se o organické látky, které mají ve své molekule jednu zásaditou aminoskupinu a jednu kyselou karboxylovou skupinu. Kromě tohoto základního strukturního motivu mají ještě tzv. postranní řetězec, který je v každé aminokyselině jiný a udává její další charakteristické vlastnosti.
V biologických systémech bylo dosud popsáno přibližně 200 různých aminokyselin, nicméně zdaleka ne všechny se vyskytují u všech organismů. Bílkoviny jsou ale tvořeny jen z 20 aminokyselin, které se proto nazývají proteinogenní (=tj. tvořící bílkoviny) nebo také kódované (protože jejich pořadí v každé bílkovině je zakódované v genetické informaci organismu).
Pozn.: Různé učebnice biochemie uvádějí někdy až 23 proteionogenních aminokyselin. Jako aminokyselina č. 21 byl popsán selenocystein, který se ale vyskytuje jen u eukaryotních organismů a kódován je v genomu poněkud odlišně ve srovnání s ostatními aminokyselinami. Aminokyselina č. 21 je formylmethionin, která se vyskytuje jen u prokaryotických organismů (bakterií a archeí) a to vždy jen na začátku syntetizovaného řetězce. Aminokyselina č. 23 je pyrolyzin, který je znám jen u některých bakterií a archejí.
Struktury všech aminokyselin jsou uvedeny v prezentacích.
Aminokyseliny obsahují asymetrický uhlík, díky kterému jsou chirální (s výjimkou nejjednodušší aminokyseliny glycinu, její molekuly jsou díky absenci postranního řetězce symetrické). V bílkovinách jsou aminokyseliny v konfiguraci L. Konfigurace se D se objevuje jen vzácně, např. v některých hadích jedech (a právě přítomnost D-aminokyselin přispívá k jejich toxicitě).
Aminokyseliny, díky současné přítomnosti kyselé i zásadité skupiny, se v čistých kulturách vyskytují jako tzv. obojetné ionty (amfionty). Jejich karboxylové skupiny jsou ionizované a uvolněný iont H+ je předán aminoskupině. Ve vodném roztoku závisí ionizace jednotlivých skupin na pH. Acidobazické vlastnosti mají i některé postranní řetězce. Asparagová a glutamová kyselina jsou kyselé, lyzin, asparagin a histidin jsou zásadité.
Postranní řetězce proteinogenních aminokyselin jsou „vybrány“ velice účelně. Umožňují mezi sebou realizovat všechny vzájemné mezimolekulární interakce, což dává bílkovinám ohromnou flexibilitu struktur a činností:
· Glycin má za postranní řetězec jen malý atom vodíku. To je účelné v hustých pevných strukturách, kde je potřeba mít mnoho aminokyselin na malém prostoru. Tvoří např. třetinu všech aminokyselin v bílkovině keratinu, které tvoří základ vlasů, nehtů nebo kopyt zvířat.
· Alanin, valin, leucin, izoleucin, prolin, methionin, fenylalanin a tryptofan mají postranní řetězce výrazně hydrofobní. Tyto aminokyseliny se často vyskytují uvnitř tzv. globulárních bílkovin, kde stabilizuje kulovitou strukturu, nebo u bílkovin, které jsou vázané v biologických membránách.
· Fenylalanin a tryptofan mají postranní řetězce aromatické a mohou tvořit tzv. p-p interakce.
· Kyseliny asparagová a glutamová mají v postranním řetězci druhou karboxylovou skupinu, díky čemuž jsou kyselé.
· Histidin, lysin a asparagin mají postranní řetězce zásadité. Asparagin je dokonce nejzásaditější organická struktura, která se svojí bazicitou blíží anorganickým hydroxidům.
· Kyselé i zásadité aminokyseliny jsou schopné vstupovat do iontových vazeb jak mezi sebou, tak s jinými ionty.
· Glycin, serin, threonin, cystein, tyrosin, asparagin a glutamin mají postranní řetězce polární, nicméně za fyziologických podmínek obvykle nenabité. Často tvoří vodíkové můstky s dalšími částmi bílkovin.
· Dvě molekuly cysteinu jsou schopné se postranními řetězci redukčně spojit tzv. disulfidickým můstkem (R-S-S-R). Vzniklá diaminokyselina se nazývá cystin. Disulfidické můstky jsou nejpevnějším známým spojením postranních řetězců. Mnoho cysteinu najdeme proto v bílkovinách, které potřebují být pevné (keratin) nebo tepelně odolné.
· Prolin není de-facto aminokyselina, ale cyklická iminokyselina. Tato odlišnost od ostatních aminokyselin je velmi významná pro prostorová uspořádání molekul bílkovin, protože umožňuje vytvářet v řetězcích záhyby.
· Hydroxylová skupina serinu bývá často esterifikována (např. zbytkem kyseliny fosforečné = fosfátem nebo sacharidy). Tyto esterifikace ale probíhají až po syntéze primárního řetězce, při tzv. posttranslačních úpravách (kapitola 6).
Některé organismy neumí syntetizovat všechny aminokyseliny, které se vyskytují v jejich bílkovinách. V takovém případě musí tyto aminokyseliny přijímat v potravě. Těmto aminokyselinám pak říkáme esenciální (=nezbytné) a jejich nedostatek v potravě může způsobit vážné metabolické poruchy. Je třeba zdůraznit, že to, zda je aminokyselina esenciální nebo ne, záleží jen na organismu, s chemickými vlastnostmi to nemá nic společného. Rostliny i většina mikroorganismů jsou schopné syntetizovat všechny aminokyseliny. Některé mikroorganismy mají mutace v některých syntetických drahách a musí přijímat obvykle jednu, méně často několik aminokyselin. Takové organismy nazýváme auxotrofní (z latinského auxiliare = dodatečný). Pro člověka je esenciálních 8 aminokyselin – všechny s rozvětveným řetězcem (valin, leucin, izoleucin), dále aromatické aminokyseliny (tryptofan, fenylalanin) a dále threonin, lysin a methionin. Tyrosin člověk umí syntetizovat jen z esenciálního fenylalaninu.
Základem peptidů a bílkovin je tzv. peptidová vazba mezi dvěma aminokyselinami. Jedna dává do vazby svou aminoskupinu, druhá karboxylovou skupinu. Odštěpením vody vzniká peptidová vazba. Takovéto reakci se říká kondenzace (spojení dvou molekul za odštěpení menší molekuly) a lze tak peptidy připravit v laboratoři. In vivo nicméně syntéza probíhá jinak (viz. kapitola 6).
Spojením dvou aminokyselin vzniká tzv. dipeptid, pokud se připojí další vzniká tripeptid atd. Každý peptid má nicméně vždy ne jednom konci volnou aminoskupinu a na druhém volnou karboxylovou skupinu. Tyto konce pak označujeme jako N-konec a C-konec. Struktura peptidu se zapisuje vždy od N-konce k C-konci, což odpovídá pořadí, v jakém jsou aminokyseliny zařazovány do řetězce při proteosyntéze in vivo.
Názvosloví aminokyselin a peptidů
Jako všechny chemické látky, mají i aminokyseliny své systematické názvy. Ty jsou však obvykle příliš dlouhé i pro pojmenování jen jedné aminokyseliny, natož složitějších peptidů a bílkovin. Prakticky se proto nepoužívají a používají se jejich názvy triviální, tradiční. Pro zápis delších peptidů nebo bílkovin se obvykle používají třípísmenné nebo jednopísmenné zkratky, které má každá aminokyselina.
Peptidy se systematicky pojmenovávají jako (acyl)n-1-aminokyselina (např. tripeptid Ala-Gly-Lys se pojmenuje jako Alanylglycyllysin, koncovka –yl se používá u zbytků organických kyselin, tzv. acylů). Nejčastěji se ale používají triviální názvy (např. glutathion, inzulín), pro delší se obvykle jen zapisuje pořadí aminokyselin zkratkami.
Bílkoviny a jejich struktura
Bílkoviny jsou řetězce peptidů, často několika, které mají prostorové funkční uspořádání. Součástí výsledných molekul bílkovin bývají běžně i nepeptidové součásti, které mají význam pro funkci nebo strukturu bílkoviny. Jde např. eterově vázané zbytky kyseliny fosforečné (fosfáty), ionty kovů, sacharidy nebo tzv. kofaktory (viz dále).
Bílkoviny mají v organismu celou řadu funkcí, které budou dle představeny detailněji. Mezi nejvýznamnější patří stavební funkce (svaly, vlasy, cytoskelet…), katalytická funkce (enzymy), obrané funkce (protilátky, fibrin…), transportní funkce (krevní apolipoproteiny, hemoglobin…), komunikační funkce (receptory hormonů, bílkoviny vidění…), zásobní (přebytečné bílkoviny lze rozložit na aminokyseliny jako zdroj uhlíku, dusíku a energie) a další.
Strukturu bílkovin si lze zjednodušeně představit jako stavebnici lego. Stejně jako dítě zvládne s hromádkou několika druhů kostiček postavit jednou hrad a po druhé třeba loď, umí organismy ze základních univerzálních 20 aminokyselin vystavět velice různorodé bílkoviny. Nebílkovinné části už je jen tyto struktury dotvoří.
Při popisu struktury bílkovin rozlišujeme čtyři úrovně popisu:
· Primární struktura popisuje jen pořadí aminokyselin v jednotlivých peptidových řetězcích. Primární struktura je u většiny bílkovin zakódovaná v genetické informaci organismu.
· Sekundární struktura představuje základní, často se opakující strukturní motivy. Nejvýznamnější jsou tzv. a-helix (šroubovice) a b-skládaný list (paralelní uspořádání řetězce). Časté jsou ale i neuspořádané úseky.
· Terciární struktura představuje výsledné prostorové uspořádání jednoho peptidového řetězce. V některých případech vznikají na jednom řetězci samostatně funkční uspořádané části, ty nazýváme domény.
· Kvartétní struktura představuje výsledné uspořádání více peptidových řetězců, což je poměrně běžný případ (např. hemoglobin je složen ze čtyř peptidů).
Strukturu bílkoviny si tak lze představit jako provázek (resp. několik provázků) smotaný do klubíčka. Doménu si lze představit tak, že na jednom provázku uděláme několik menších klubíček, které budou propojené nesmotaným provázkem.
Bílkoviny někdy dělíme na globulární a fibrilární.
