* BIELKOVINY ( PROTEÍNY) str. 91 – 101

Παρουσίαση με θέμα: "* BIELKOVINY ( PROTEÍNY) str. 91 – 101"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 * -1- -2- 3.6 BIELKOVINY ( PROTEÍNY) str. 91 – 101
CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) -2- 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK CH / III 3.6 BIELKOVINY ( PROTEÍNY) str. 91 – 101 3.6.1 Charakteristika a biologický význam bielkovín Bielkoviny sú biomakromolekulové látky tvorené istými aminokyselinami. Predstavujú látkový základ života všetkých organizmov. V tkanivách vyšších organizmov aj človeka sa ich nachádza viac ako 80 % zo všetkých prítomných organických látok. Rastlinný organizmus obsahuje menej bielkovín a viac polysacharidov. Schopnosť tvoriť bielkoviny z jednoduchých anorganických zlúčenín (dusičnanov) majú len rastliny. Živočíšny organizmus aj človek prijíma bielkoviny potravou. V tráviacich ústrojoch ich rozkladá na aminokyseliny, z ktorých si potom tvorí vlastné špecifické bielkoviny. Biologická funkcia bielkovín je veľmi rozsiahla. Okrem stavebnej funkcie (skleroproteíny) majú funkciu katalytickú (enzýmy), regulačnú (hormóny), obrannú (protilátky), transportnú (hemoglobín, transferín) a inú. Pre bielkoviny sú dôležité tie aminokyseliny, ktoré majú aminoskupinu ―NH2 viazanú na α- uhlíku ( susediaceho s karboxylovou skupinou; 2-aminokarboxylové kyseliny). Od aminokyselín sa môžu odvodiť optické izoméry s D- a L- konfiguráciou (výnimku tvorí kyselina aminooctová – glycín). Príslušnosť k radu D- alebo L- sa pri aminokyselinách odvodzuje od D- a L- serínu, podobne sa odvodzujú optické izoméry sacharidov od D- a L- glyceraldehydu. Aminokyseliny Základnými stavebnými jednotkami bielkovín sú aminokyseliny. Z chemického hľadiska sú amino- kyseliny substitučné deriváty karboxylových kyselín. Keď molekula aminokyseliny obsahuje jednu aminoskupinu a jednu karboxylovú skupinu, sú aminokyseliny neutrálne, keď väčší počet aminoskupín, sú aminokyseliny zásadité, opačne, pri väčšom počte karboxylových skupín sú aminokyseliny kyslé. H−C −NH2 COOH CH2OH * H2N−C −H L- D- serín (kyselina 2-amino-3-hydroxypropánová) R aminokyselina Dnes poznáme viac ako tristo aminokyselín. V bielkovinách sa vyskytuje dvadsať tzv. proteinogénnych aminokyselín len v L-konfigurácii. Niektoré aminokyseliny obsahujú okrem základných charakteristic- kých skupín (―COOH, ―NH2 ) aj ďalšie skupiny, napr. ―SH, ―OH, ―CO―NH2 alebo guanidylovú skupinu H2N−C=NH NH V molekulách biologicky významných aminokyselín sa opakuje základná štruktúrna časť (označená rámčekom). R――CH―COOH NH2 V biochémii sa pre aminokyseliny používajú triviálne názvy, ale aj názvy systémové (tab. 4). Od triviálnych názvov sa odvodzujú trojhláskové skratky. Stavbu bielkovín zabezpečuje živočíšny organizmus využívaním aminokyselín z potravy alebo vlastnou biosyntézou. Aminokyseliny, ktoré daný organizmus nie je schopný syntetizovať z iných látok (musia sa nachádzať v potrave), nazývame esenciálne (nevyhnutné). Tie, ktoré organizmus je schopný syntetizovať z iných látok, sú neesenciálne (nahraditeľné). Neesenciálne aminokyseliny sa môžu v tele utvárať z oxokyselín transamináciou (výmenou oxo- za aminoskupinu): R1―CH―COOH + O R2―C―COOH → R2―CH―COOH R1―C―COOH Esenciálne aminokyseliny majú rozvetvený reťazec, prípadne majú aromatickú alebo heterocyklickú štruktúru. Napríklad valín, leucín, izoleucín, metionín, treonín, fenylalanín, tryptofán, ale aj lyzín. Obsah esenciálnych aminokyselín v bielkovinách rozhoduje o ich biologickej hodnote. Vlastnosti aminokyselín Už vieme, že aminokyseliny obsahujú charakteristické skupiny, kyslú –COOH a zásaditú –NH2 . Teda môžu byť tak kyseliny, ako aj zásady (môžu uvoľňovať aj viazať protón) – sú amfolyty. To im umožňuje utvárať v prostredí s rozličnými pH amóniový katión alebo karboxylový anión. Tento proces môže prebiehať aj vnútri molekuly aminokyseliny za vzniku obojakého iónu (vnútornej soli) – amfiónu: katión H3N−C−H COO – H2N−C−H + H2O + H + – H + + OH – anión obojaký ión (amfión) Hodnota pH, pri ktorej je aminokyselina v podobe obojakého iónu (navonok nevykazuje nijaký náboj), označuje sa ako izoelektrický bod pI. Patrí k charakteris- tickým konštantám aminokyselín. Iónová štruktúra aminokyselín spôsobuje, že majú vlastnosti iónových zlúčenín. Napríklad všetky aminokyseliny sa rozpúšťajú vo vode, sú tuhé, bezfarebné látky s relatívne vysokou teplotou topenia. Vznik peptidov, peptidová väzba CH R1 H2N C―OH R2 H―N C―OH H H2N C― NH C―OH – H2O Významnou vlastnosťou aminokyselín je schopnosť navzájom sa zlučovať do väčších celkov. Pri kondenzácii aminokyselín reaguje karboxylová skupina jednej molekuly a aminoskupina nasledujúcej molekuly aminokyseliny. Pritom sa môžu navzájom viazať rovnaké alebo rozdielne aminokyseliny. Postupne sa tvoria podľa počtu viazaných aminokyselín dipeptid, tripeptid až polypeptid:

2 od syntetických polymérov.
-3- CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) -4- 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK CH / III 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK (BIELKOVINY) Aminokyselinové zvyšky sa viažu peptidovou väzbou –CO–NH– . Prítomnosť peptidovej väzby môžeme dokázať biuretovou reakciou (pokus str. 95; alebo na -6- dodatok). Jej názov sa odvodzuje od zlúčeniny biuretu, ktorý vzniká zohrievaním močoviny a tiež obsahuje peptidovú väzbu: Na predchádzajúcom pokuse (str. 95 v učebnici) ste sa presvedčili, že peptidovou väzbou sa viažu aminokyseliny aj v bielkovinách. Na stavbe každej bielkoviny (ľudský organizmus obsahuje okolo 50 tisíc rozličných bielkovín) sa zúčastňuje len dvadsať α-aminokyselín, ktoré sú v tab. 4. Všetky sú v L-konfigurácii (glycín je opticky inaktívny). Z toho možno dedukovať, že biologická funkcia biogénnych zlúčenín je viazaná nielen na istú látku (konštitúciu), ale aj na jej stereoštruktúru (konfiguráciu). Tým je určená presná (špecifická) štruktúra biomakromolekúl – bielkovín na rozdiel od syntetických polymérov. Štruktúra bielkovín Rozlišujeme primárnu, sekundárnu, terciárnu a kvartérnu štruktúru bielkovín. Schéma 1 Primárna štruktúra znamená postupnosť aminokyselín v polypeptidovom reťazci, ako znázorňuje schéma 1. Podmieňuje vlastnosti bielkovín aj ich biologickú funkciu. Určuje vyšší stupeň organizácie priestorového usporiadania molekuly, t.j. jej sekundárnu, terciárnu, prípadne kvartérnu štruktúru. Keď nastane pri biosyntéze biel- koviny zámena istej aminokyseliny za inú, môže sa táto zmena prejaviť chorobne. 13. Štruktúra skladaného listu bielkovín R Sekundárna štruktúra znamená geometrické usporiadanie polypeptidového reťazca, ktorý môže mať formu skladaného listu alebo pravotočivej závitnice (α-helixu). Vznik obidvoch štruktúr umožňujú vodíkové väzby medzi polárnymi skupinami C=Oδ– ... δ+ H–N peptidových reťazcov. Aminokyselinové zvyšky ( R) sa orientujú do priestoru mimo závitnice alebo nad a pod rovinu skladaného listu (obr. 13, 14). Terciárna štruktúra dáva molekule bielkoviny definitívny priestorový tvar α-helixu alebo skladaného listu, ktorý môže byť a) fibrilárny (vláknitý), b) globulárny (tvar klbka). Terciárna štruktúra sa tvorí takisto pomocou vodíkových väzieb, ale aj iónovou väzbou, disulfidovými väzbami a nepolárnymi van der Waalsovými silami (obr. 15). Vláknité štruktúry vznikajú vtedy, keď sa utvoria vodíkové väzby medzi rôznymi polypeptidovými reťazcami, globulárne – medzi časťami toho istého reťazca (obr. 16). a) vodíkové väzby, b) nepolárne (van der Waalsove sily), c) iónová väzba, d) disulfidová väzba 15. Väzby v sekundárnej a terciárnej štruktúre bielkovín b a c d CH3 CH2 + O C N H NH3 – S 14. Skrutkovicová štruktúra bielkovín (α-helix) 16.Terciárna štruktúra a globulárna b vláknitá Priestorové usporiadanie peptidového reťazca (sekundárna a terciárna štruktúra) sa môže meniť vplyvom vonkajších podmienok. Napríklad vplyvom vyššej teploty, účinkom silných kyselín a zásad, iónov ťažkých kovov. Keď je táto zmena vratná, hovoríme o zmene konformácie molekuly. Keď bielkovina pritom stráca svoju biologickú aktivitu, hovoríme o jej denaturácii (obr. 17). 17. Zmena štruktúry bielkoviny a pôvodná, b denaturovaná 2 molekuly močoviny biuret H2N–C–N H–HN–C–NH2 – NH3 H2N―CO―NH―CO―NH2 Tabuľka 4 Aminokyselina Skratka názvu R–CH–COOH NH2 Glycín Gly Alanín Ala Valín Val Leucín Leu Izoleucín Ile Fenylalanín Phe Prolín Pro Serín Ser Treonín Thr Cysteín Cys Metionín Met HO–CH2– (Ser) H– CH3– NH COOH CH3–CH– CH3–CH–CH2– CH3–CH2–CH– CH2– OH CH3–CH– (Thr) CH3–S–CH2–CH2– HS–CH2– (Cys) NH2–CO–CH2–CH2– NH2–CO–CH2– HOOC–CH2– HOOC–CH2–CH2– H2N–CH2–CH2–CH2–CH2– (His) –CH2– HO– –CH2– (Trp) (Arg) C–NH–CH2–CH2–CH2– HN H2N (+kyslé ; ++zásadité) Tryptofán Trp Tyrozín Tyr Asparagín Asn Glutamín Gln Kys. asparágová Asp Kys. glutámová Glu Lyzín Lys Arginín Arg Histidín His Primárna štruktúra Ala ― Gly ― Tyr ― Ala H3N–CH–C―N―C–C―N―C―C―N―C―COO

3 Denaturácia bielkovín má praktický význam v potravinárskom priemysle
-5- CHÉMIA pre 3. roč. gymnázií ( J. Čársky, J. Kopřiva a iní) -6- 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK CH / III 3 CHÉMIA PRÍRODNÝCH LÁTOK (BIELKOVINY) 18. Kvartérna štruktúra molekuly hemoglobínu a nebielkovinová časť – hém b atóm železa a b Denaturácia bielkovín má praktický význam v potravinárskom priemysle a v domácnosti pri uchovávaní potravín. Varom denaturované bielkoviny sú ľahko stráviteľné, pritom si zachovávajú svoju výživnú hodnotu. Niektoré bielkoviny sa skladajú z podjednotiek – viacerých polypeptidových reťazcov. Vzájomné priestorové usporiadanie týchto pojednotiek tvorí kvartérnu štruktúru bielkoviny (obr. 18). Túto štruktúru majú napr. niektoré enzýmy, hemoglobín a iné bielkoviny. Sily, ktoré udržiavajú kvartérnu štruktúru, majú zvyčajne nekovalentný charakter. Podjednotky môžu ľahko disociovať, ale zase sa môžu spájať do príslušnej kvartérnej štruktúry. Existuje vratnosť a rovnováha tejto disociácie. Prehľad bielkovín Bielkoviny hydrolýzou poskytujú aminokyseliny a často aj nebielkovinovú, tzv. prostetickú zložku, napr. lipid, sacharid, farbivo hém a pod. Bielkoviny sa rozdeľujú podľa: a) tvaru molekuly – bielkoviny fibrilárne a globulárne; b) rozpustnosti – albumíny a globulíny; c) nebielkovinovej zložky – lipoproteíny, fosfoproteíny, glykoproteíny, hemoproteíny, metaloproteíny, nukleoproteíny. Fibrilárna bielkoviny (skleroproteíny) – majú vláknitú štruktúru a majú stavebnú funkciu bunky. K fibrilárnym bielkovinám patrí kolagén nachádzajúci sa v kostiach, chrupkách, koži a šľachách. Varením kolagénu v mierne zásaditom prostredí sa získa glej, prípadne želatína. Vo vlasoch, nechtoch, perí a vlne sa nachádza keratín, v prírodnom hodvábe fibroín. Globulárne bielkoviny (sféroproteíny) – sa rozpúšťajú vo vode alebo v roztokoch solí, majú guľovitý tvar. Vyskytujú sa vo všetkých tkanivách, v ktorých plnia viaceré funkcie (enzýmy, protilátky). Globulárne bielkoviny sú zdrojom aminokyselín. Globulíny sa dajú izolovať z mlieka, z vajcového bielka, krvného séra i z niektorých tkanív (pečeňového alebo svalového). Nerozpúšťajú sa v čistej vode, ale sa rozpúšťajú v zriedených roztokoch solí, kyselín a zásad. Krvné globulíny sa dajú rozdeliť na niekoľko frakcií, z ktorých najviac poznáme γ-globulín. Globulárnu štruktúru má aj bielkovina fibrinogén v krvi a lymfe, ktorý sa uplatňuje pri zrážaní krvi. Pritom sa mení na fibrín, ktorý má vláknitú štruktúru. V bunkových jadrách sú históny. Obsahujú väčší podiel zásaditých aminokyselín. Viažu sa na nukleové kyseliny. Bielkoviny, ktoré obsahujú nebielkovinovú zložku – lipidy, nazývajú sa lipoproteíny. Zúčastňujú sa na stavbe bunkovej membrány. Väzbou lipidu na bielkovinu sa umožní jeho transport vo vodnom prostredí, napr. v krvi. Glykoproteíny majú nebielkovinovú zložku zvyčajne polysacharid. Rozpúšťajú sa vo vode na viskózny roztok, niektoré majú veľkú chemickú odolnosť. Nachádzajú sa v slinách, vylučuje ich sliznica žalúdka, a tak chráni žalúdkovú stenu pred účinkom enzýmov. Fosfoproteíny obsahujú v molekule väčšie množstvo esterovo viazanej kyseliny fosforečnej. Nachádzajú sa najmä v mlieku a vo vajcovom bielku. Sú zdrojom fosforu pre syntézu nukleových kyselín. Kazeín, ktorý sa nachádza v mlieku ako vápenatá soľ, poskytuje pre organizmus potrebný vápnik. Hemoproteíny obsahujú v molekule hém, ktorého štruktúra je odvodená od porfínu (časť 3.3.2). Patrí sem hemoglobín, ktorého hlavnou biologickou funkciou je transport kyslíka z pľúc do tkanív (k bunkám); myoglobín, ktorý pôsobí ako zásoba kyslíka pri intenzívnej svalovej práci; cytochrómy, ktoré katalyzujú oxidačné procesy v bunkách (kapitola 4). K metaloproteínom, ktoré v molekule obsahujú nehemovo viazaný kovový prvok, patria napr. feritín (obsahuje až 20% železa) a transferín, ktorý sprostredkúva prenos atómov železa v organizme. Atómy kovov sú súčasťou niektorých enzýmov. Otázky a úlohy 1. Charakterizujte bielkoviny a ich biologický význam. 2. Vysvetlite správanie aminokyselín v kyslom a zásaditom prostredí. 3. Napíšte chemickou rovnicou vznik tripeptidu reakciou alanínu, cysteínu a tyrozínu. 4. Vypočítajte, koľko rozličných tripeptidov možno odvodiť pri dvadsiatich rôznych aminokyselinách. 5. Charakterizujte primárnu, sekundárnu, terciárnu a kvartérnu štruktúru bielkovín. 6. Uveďte príklady bielkovín a zaraďte ich do príslušných skupín. Pokus Biuretová reakcia bielkoviny a porovnanie s biuretovou reakciou močoviny 2 molekuly močoviny biuret + H2N–C–N O H H–HN–C–NH2 – NH3 H2N―CO―NH―CO―NH2 a) Do prvej skúmavky odvážime 1 g močoviny a zohrievame nad slabým plameňom. O chvíľu začne unikať plyn ( NH3), ktorý identifikujeme čuchom alebo sklenou tyčinkou navlhčenou v koncentrovanej kyseline chlorovodíkovej (tvorí sa biely dym NH4Cl). Po vychladnutí skúmavky pridáme do roztopenej močoviny 0,5 cm3 roztoku síranu meďnatého (w = 0,5%) a 1 cm3 roztoku hydroxidu sodného ( w = 10 %). Obsah skúmavky pretrepeme a pozorujeme vznik modrofialového sfarbenia. b) Do druhej skúmavky odmeriame 1 cm3 roztoku vajcového bielka a pridáme rovnaké množstvo roztoku síranu meďnatého aj hydroxidu sodného ako v prvom prípade. Obsah skúmavky pretrepeme a pozorujeme vznik modrofialového sfarbenia. Dodatok k textu Biuretova reakcia. Prítomnosť bielkovín dokazuje fialové sfarbenie roztoku síranu meďnatého