6. Základní stavební prvky buněk, biopolymery, struktura proteinů

Základní stavební prvky buněk
Buňky se skládají ze stejných prvků jako neživé systémy, nejvíce zastoupené jsou C, N, O, H.
Život je založen na sloučeninách uhlíku (organické molekuly) zejména na tzv. biopolymerech.
Život není ale možný ani bez malých molekul (voda, glukóza, fosfolipidy, puriny, pyrimidiny) a iontů Na, K, Mg, Ca, S, P, Cl....

Chemické složení buňky
Voda....................70% 1 typ
Ionty.....................1% 20 typů
Cukry....................1% 250
Aminokyseliny.....0,4% 100
Nukleotidy............0,4% 100
Mastné kyseliny....1% 50
Biopolymery.........26% 3000

Biopolymery
- základní stavební kameny živých soustav, realizují převážnou většinu životních funkcí
- polymery (polykondenzátory) tj. bílkoviny, nukleové kyseliny a polysacharidy mají
dominantní význam v živých soustavách → realizují převážnou část většiny životních
funkcí
- počet monomerů, ze kterých jsou sestaveny polymery je relativně malý → velmi výhodný
- 20 aminokyselin, 5 nukleotidů, desítky monosacharidů a vzniká např. 10100-101000 bílkovin

- polymery = stavebnice vyššího řádu, ze které jsou „stavěny“ buňky

- evoluce se realizovala díky stavebnicovému principu
- stavebnicový princip: z těch samých prvků můžeme tím, že je dáme do různých vztahů
vytvořit jiné systémy (z téže aminokyseliny vzniknou různé bílkoviny
jen tím, že je seřadíme do jiné sekvence)
→ stavebnicový princip je ekonomický - 20 metabolických drah -
20 hlavních aminokyselin → miliony bílkovin
odstraňuje chyby - postupnou výstavbou organismu se na různých
úrovních uplatňuje eliminace chyb

- prvky → molekuly → monomery = stavební kameny → polymery → komplexy

stavební kameny → komplexy
cukry → polysacharidy
mastné kyseliny → lipidy / membrány
aminokyseliny → proteiny
nukleotidy → nukleové kyseliny

Polysacharidy (glykany)
= nejčastější biopolymer živých soustav (škrob, glykogen, celulóza, chitin)
- součást buněčných stěn a mezibuněčných hmot
- zásobárna energie , vázány na bílkoviny jsou součástí řady důležitých molekul.
- polysacharidový řetězec – monomery jsou
-monosacharidy nejčastěji hexosy – D-glukoza, D-fruktoza
pentosy - L-arabinoza, D- xyloza
-deriváty monosacharidů – glukozamin a uronové kyseliny

- homopolymery - 1 druh sacharidu
- heteropolymery - různé druhy sacharidů v řetězci

- monomery jsou vázány glykosidovou vazbou (α,β) podle toho zda jsou spojeny izomery α,β
(1→4; 1→3; 1→6)
- celulosa = β(1→4)glukopyranoza
- amylosa = α(1→4)glukopyranoza

Struktura molekul polysacharidů
1) lineární - nevětvený polysacharidový řetězec (celulosa)
2) rozvětvený – na krátký základní řetězec jsou vázány postranní řetězec (různé typy glykosidových vazeb) – jsou
často zodpovědné za typickou antigenní strukturu polysacharidu
3) široce rozvětvené (škrob, glykogen) – globulární

- konjugované glykany - peptidoglykany
glykoproteiny
glykolipidy

- mikrofibrily - lineární molekuly polysacharidů se mohou spojovat do pravidelných struktur -
krystalických struktur
síly poutající je navzájem jsou vodíkové můstky a van der Waalsovy síly

Nukleové kyseliny
- kódování a exprese genetické informace

Primární struktura
- monomer = nukleotidy
- nukleotidy se navzájem spojí v nukleotidový řetězec kovalentními vazbami
- polynukleotidový řetězec se nazývá primární struktura
- nukleotidy = dusíkatá báze, pentóza, kyselina fosforečná (zbytek)
- nukleosid = nukleotid bez kyseliny fosforečné
- esterická vazba mezi fosfátem a pentosu a určuje kyselý charakter molekuly
- glykosidická vazba mezi pentózou a bazí

Pentozy – riboza
- deoxyriboza

Báze - purinové (A, G)
- pyrimidinové (C, T, U)
- DNA = AGCT
- RNA = AGCU

- minoritní báze = methylované deriváty
vyskytují se u tRNA a u bakteriofágů

Struktura polynukleotidového řetězce
- jednotlivé nukleotidy jsou vázány esterickou vazbou mezi fosfátovou skupinou jednoho nukleotidu a pátým
uhlíkem pentozy druhého nukleotidu
- v ose vlákna se tedy střídají fosfátové zbytky a pentozy
- řetězec je polarizován – fosfátová skupina (5´konec)
- pentoza (3´konec)
(Různé druhy NK lišících se počtěm nukleotidů lze ze směsi separovat na základě rozdílů v sedimentačních rychlostech, vžilo se označování frakcí podle sedimentačních konstant vyjadřovaných ve Svedbergových jednotkách – S....... to číslo u ribozomů)

struktura RNA - 1 řetězec (AUCG) ,určení sekvence pomocí restrikčních endonukleáz
(štěpení řetězce) → sekvenování

rozlišujeme:
transferová RNA = tRNA
ribozomální RNA = rRNA
mediátorová RNA = mRNA

- struktura DNA - dvouvláknová - spojení vodíkovými můstky mezi bazemi (u virů jednovláknová)
řetězce probíhají antiparalalně a spojení je díky komplementaritě bazí (C-G), (A-T)
poměrné zastoupení bazí v molekule DNA vyjadřujeme jako poměr A+T /C+G

kružnicové DNA = prokaryotní DNA - u virů, bakterií, plazmidů,
chloroplastů a mitochondrie

Sekundární struktura
RNA
- liší se u jednotlivých druhů
- u RNA virů s tyčinkovitými viriony vytváří řetězec šroubovici podobnou α helix,
- tRNA - připomíná čtyřlístek (v některých částech se vytvářejí dvoušrobovicové úseky -
duplexy)
- u některých RNA virů se vytvořila dvouvláknová struktura

DNA
dvoušroubovicová sekundární struktura objasněna roku 1953 Watsonem a Crickem
- oba řetězce spojené vodíkovými můstky mezi komplementárními bazemi jsou stočeny do šroubivoce
pravotočivá má B-formu a A-formu
úseky tvořené CGCGC - levotočivé = Z-forma

- stabilizace sekundární struktury vodíkovými můstky a hydrofobními interakcemi
- denaturace = změna sekundární struktury
oddělení dvou řetězců (úplné, lokální)
způsobena zvýšením teploty, změnou iontové síly, působením močoviny

- renaturace - někdy je denaturace reverzibilní, vrácení původního spojení

- depolymerace - přerušení obou vláken → rozpad
způsobena větším přílivem energie nebo působením specifických enzymů
nukleáz (přerušují kovalentní vazby mezi nukleotidy v řetězci)

Proteiny
- tvoří asi polovinu ze suché hmotnosti buňky - sušiny
- podílí se na všech základních životních procesech: mají funkce strukturní, metabolické a
informační
- jsou též základní chemickou komponentou všech tří hlavních principů funkční organizace
buňky

Primární struktura
- monomery molekul bílkovin (proteinů) jsou aminokyseliny
- pořadí (sled, sekvence) aminokyselin v molekule = primární struktura
- aminokyseliny jsou odvozeny od organických kyselin
- rozlišujeme 20 aminokyselin
- aminokyseliny, které konstruují bílkoviny patří převážně k α-aminokyselinám a k L-řadě
(izomerie)
- D-aminokyseliny byly nalezeny pouze v peptidech buněčné stěny některých bakterií

Struktura peptidového řetězce
- aminokyseliny jsou v molekule bílkovin spojeny peptidovou vazbou - C – CO – NH – C -
- peptidový řetězec - vzniká spojením více aminokyselin
- postranní řetězec - zbytky aminokyselin odstupující od osy peptidového řetězce
- peptidový řetězec má dva konce: NH2 (aminový N-konec) a COOH (karboxylový C-konec)
- v peptidovém řetězci je reálně seřazeno až několik set aminokyselin, zápis jejich pořadí
začíná od N-konce

Aminokyselinové složení bílkovin
- vyjadřujeme zpravidla v % po úplné hydrolýze bílkoviny
- aminokyselinové složení je pro každý druh bílkoviny velmi charakteristické
- o vlastnostech bílkovin rozhoduje charakter postranních řetězců aminokyselin
- z fyzikálně-chemického hlediska mohou být:
kyselé (-COOH - skupina v postranních řetězcích)
zásadité (NH2 - skupina v postranních řetězcích) – R, K, H aminokyseliny
hydrofilní (zakončené na postraních řetězcích OH, COOH)
hydrofobní (zakončení na postraních řetězcích CH3 skupinami)


Podle typu řetězce a přítomnosti funkčních skupin rozdělujeme aminokyseliny do čtyř skupin:
1. Aminokyseliny s nepolárním hlavním nebo postranním řetězcem - glycin, alanin, valin, leucin, izoleucin, prolin, fenylalanin.
2. Aminokyseliny s polárními skupinami - OH, -SH, - CONH2 nebo s heterocyklickou strukturou - tyrosin, tryptofan, serin, threonin, cystein, methionin, asparagin a glutamin.
3. Kyselé aminokyseliny - monoaminodikarboxylové - asparagová a glutamová.
4. Zásadité aminokyseliny - obsahují více ne jednu aminovou skupinu - lysin, arginin, histidin.

Sekvence aminokyselin
- vlastnosti bílkovin nejsou určeny pouze aminokyselinovým složením, ale i jejich pořadím -
sekvencí v peptidovém řetězci
- poprvé se podařilo určit strukturu F. Sangerovi (1953) u molekuly inzulinu
- dnes se primární struktura bílkovin odvozuje podle sekvencí nukleotidů DNA
- primární struktura bílkoviny určuje vlastnosti celé molekuly - její biologickou funkci
- informace pro primární strukturu je obsažena v genetické paměti buňky

Sekundární a terciární struktura
- peptidy, oligopeptidy - krátké polypeptidový řetězce, tvořené pouze několika či několika
desítkami aminokyselin
- oligopeptidy mají důležité biologické funkce, zejména regulační (např. některé hormony) nebo jsou součástí
složitějších makromolekul (tetrapeptidy v peptidoglykanu mureinu)
- bílkoviny = proteiny - teprve ty látky, jejichž polypeptidový řetězec je tvořen větším počtem
aminokyselin (zpravidla několika sty)
- molekulová hmotnost bílkovin se udává v kilodaltonech (kDa)
- vzdálenost mezi peptidovými vazbami: 0,35nm → délka celého řetězce až 3μm

- fibrilární bílkoviny - natažený peptidový řetězec - vytváří „vlákno“
- globulární bílkoviny - vytvářejí molekuly, jejichž tvar se blíží sférickým útvarům
je jich většina

- polypeptidový řetězec je velmi flexibilní - to je způsobeno množstvím vazeb v řetězci, což
umožňuje volnou rotaci atomů

- konformace proteinu - tvar, který řetězec v prostoru zaujímá, určována silami v molekule
jde o rozložení aminokyselin s polárními (k povrchu buňky) a
nepolárními (přitahovány k sobě - dovnitř molekuly) postranními
řetězci
další síly: vodíkové můstky mezi peptidovými vazbami v řetězci,
dále mezi nimi a postraními řetězci
primární struktura bílkovin tedy určuje i konformaci molekuly

Sekundární struktura
- α-helix - taková konformace, kdy řetězec vytváří šroubovicové uspořádání
toto uspořádání je stabilizováno vodíkovými můstky mezi nad sebou ležícími
peptidovými vazbami (př. Kreatin)
- β-struktura - zde probíhají úseky řetězce paralelně vedle sebe
tato struktura je stabilizována vodíkovými můstky mezi sousedícími
(„přiloženými“) úseky, pouze některé proteiny mají výlučně tuto strukturu: fibroin z přírodního
hedvábí)
většinou se obě struktury kombinují v jednom proteinu

Terciární struktura
- konečná struktura molekuly bílkoviny, prostorové uspořádání celého řetězce
- evolučně příbuzné proteiny (tzv. rodiny proteinů) mají velké podobnosti v terciární struktuře (serinové proteázy –
trypsin)
- molekuly mnohých bílkovin o větším počtu aminokyselin jsou jakoby rozděleny na dvě
nebo více částí (jsou ovšem spojeny nepřerušeným polypeptidovým řetězcem) = proteinové
domény
- aminokyselinový rozsah domén je asi 100-200 aminokyselinových zbytků
- všechny interakce udržující konformační stabilitu jsou nekovalentní a energeticky poměrně
slabé → změny pH, teploty vedou ke změně terciární struktury
- nevratná změna = nevratná denaturace proteinu
- vratná (reverzibilní) změna = vratná denaturace → důležitý mechanismus regulace jeho
biologické funkce (protein)

Podjednotkové bílkoviny
- některé bílkoviny jsou složeny z většího počtu menších molekul, z více polypeptidových
řetězců - podjednotek, promoter - podjednotkové - oligomérní proteiny
- navzájem jsou vázány nekovalentními vazbami
- podle počtu podjednotek - dimérní
tetramerní
atd.
- podle „podobnosti“ – homodimery .......podjednotky zcela identické
heterodimery .......podjednotky různé

Kvartérní struktura
- vzájemné prostorové uspořádání podjednotek
- příkladem polymerních bílkovin jsou: některé enzymy, myoglobin, transportní bílkoviny
membrán, protilátky (4 podjednotky), kapsidy virů
- síly, které udržují kvartérní konformaci, jsou vždy nekovalentní vazby → snadná disociace - možná reasociace
-biologická aktivita polymerních bíklovin je determinována jejich kvarterní konformací, regulovaná změna jejich kvarterní struktury je cestou k jejich regulaci.