3.1

3. chemické složení buněk, struktura a funkce makromolekul

            Z rozboru chemického složení živých soustav víme, že obsahují řádově až tisíce různých chemických sloučenin, které jsou pro jejich existenci zcela nezbytné. Mezi nimi však svým významem dominují látky charakteru polymerů, tj. bílkoviny, nukleové kyseliny a polysacharidy. Označujeme je souborně jako biopolymery. Počet různých monomerů, ze kterých jsou polymery sestaveny, je malý (20 AK u bílkovin, 5 nukleotidů u nukleových kyselin, několik desítek monosacharidů u polysacharidů). Z tohoto omezeného počtu stavebních kamenů mohou živé systémy vytvořit ohromný počet možných různých polymerních molekul. Bez vzniku a existence biopolymerů by forma organizovanosti hmoty, kterou označujeme jako „živá hmota“, nebyla vůbec možná.

            Bílkoviny – ze suché hmotnosti buňky (sušiny) tvoří bílkoviny asi jednu polovinu (tj. přibližně 1/5 celkové hmotnosti). Podílejí se na všech základních životních procesech: jsou stavebními součástmi buněčných struktur, realizují chemický metabolismus a jako signály regulují buněčné procesy. Mají funkci strukturní, metabolickou a informační.

Primární struktura – monomerem molekul bílkovin (proteinů) jsou aminokyseliny. Zastoupení jednotlivých druhů aminokyselin v molekule a jejich pořadí (sled, sekvence) nazýváme primární strukturou bílkovin.

Aminokyseliny – jsou odvozeny od organických kyselin, na alfa-uhlík je navázána aminová skupina (NH₂).

                       H₂N-HCR-COOH

Struktura peptidového řetězce – aminokyseliny jsou v molekule bílkoviny navzájem pospojovány peptidovou vazbou. Spojuje se aminoskupina na 2. uhlíku (alfa-uhlíku) jedné aminokyseliny s karboxylovou skupinou sousední aminokyseliny. Při tvorbě peptidového řetězce se vylučuje molekula vody. Pospojováním více aminokyselin (jejich zřetězením) vzniká peptidový řetěz. Zbytky aminokyselin odstupují od osy řetězu jako tzv. postranní řetězec. Každý peptidový řetěz je na jednom konci zakončen NH₂ skupinou (N konec) a na druhém COOH skupinou (C konec).

Aminokyselinové složení bílkovin – zastoupení jednotlivých druhů různých aminokyselin v dané molekule bílkovin lze snadno zjistit určováním jejich počtu po úplné hydrolýze bílkoviny. Aminokyselinové složení je pro každý druh bílkoviny charakteristické. O vlastnostech bílkoviny rozhoduje charakter postranních řetězců aminokyselin (kyselé, bazické, polární, nepolární). Hodně dikarboxylových skupin (Asp, Glu) – kyselé, hodně diaminokyselin (Arg, Lys, His) – zásadité, hydrofobní – hydrofobní skupiny na postranních řetězcích (-CH₃), hydrofilní – hydrofilní skupiny na postranních řetězcích (COOH, -OH). Zastoupení různých aminokyselin určuje tedy fyzikální vlastnosti bílkovinné molekuly.

Sekvence aminokyselin – vlastnosti určité bílkoviny nejsou určeny pouze aminokyselinovým složením, ale i jejich pořadím čili sekvencí v peptidovém řetězu. Tatáž množina aminokyselin může být seřazena lineárně teoreticky ve všech kombinacích. Určuje se třeba podle poznané struktury mRNA, které je kódují.

Primární struktura určuje vlastnosti celé molekuly, a tedy i její biologickou funkci.

Sekundární a terciární struktura – mezi bílkoviny řadíme látky, jejichž polypeptidový řetěz je tvořen větším počtem aminokyselin. Bílkoviny, jejichž polypeptidový řetěz je natažen, jsou bílkoviny fibrilární. Většina bílkovin tvoří sférické útvary, bílkoviny globulární. Konformace je určována silami, které působí uvnitř molekuly. Hydrofobní části jsou přitahovány k sobě dovnitř. Dále zde působí vodíkové můstky mezi peptidovými vazbami v řetězci, mezi nimi a postranními řetězci a mezi postranními řetězci navzájem. U některých jsou i disulfidické můstky. Výsledkem je, že daný peptid zaujme strukturu v prostoru (alfa-helix, beta-skládaný list). Alfa-helix je taková struktura, kdy řetězec vytváří šroubovicové uspořádání. Je stabilizováno vodíkovými můstky (globulární i fibrilární). Beta-skládaný list probíhají úseky řetězce vedle sebe. Stabilizována vodíkovými můstky. To je sekundární struktura. Konečnou strukturu molekuly bílkoviny, tj. prostorové uspořádání, označujeme jako terciární strukturu. Působením vnějších faktorů (změny pH, teploty, …) dochází k jejich ovlivnění, a tím ke změně terciární struktury (nevratná/vratná denaturace).

Mluvíme i o kvartérní struktuře, a to tehdy, kdy více molekul bílkovin tvoří jednu větší jednotku. Enzymy, myoglobin, transportní bílkoviny membrán, protilátky, kapsidy virů. Síly, které ji udržují, jsou nekovalentní (snadná disociace na podjednotky).

Funkce – mají strukturní, metabolickou a informační funkci. Mnohé bílkoviny mohou mít více funkcí (ATPázy – komponent membrány a enzymatická funkce). Specifická funkce je dána terciární a kvartérní strukturou. Na povrchu molekuly existuje místo specificky uspořádané pro danou funkci. Obecně je lze nazvat vazebné místo (vážící se molekula je ligand). Specifita je dána prostorovou konformací postranních řetězců na povrchu. Specifická funkce spočívá v jejich schopnosti rozpoznat správnou molekulu.

Strukturní – ty molekuly, které jsou součástí buněčných struktur, jsou jejich „stavebními kameny“. Některé komponenty cytoskeletu a bakteriální bičíky jsou jenom z bílkovin. Jiné struktury jsou tvořeny i jinými biopolymery nebo chemickými látkami (polysacharidy, fosfolipidy, …). Složitější struktury vznikají tak, že dvě nebo více molekul stejných bílkovin mají specifické vazebné místo pro to na druhé bílkovině. Ty se spojí a tvoří složitější struktury. Vznikají samovolně, nemusí být dodána informace ani energie (autoorganizace – informace je obsažena ve struktuře vazebného místa, komplex má nižší volnou energii než směs podjednotek).

Enzymové – urychlují průběh chemických reakcí, umožňují průběh i těch chemických reakcí, které by za podmínek, ve kterých mohou živé soustavy existovat, vůbec probíhat nemohly. Za jejich funkci je zodpovědné tzv. aktivní centrum. To je dáno buď souvislou sekvencí několika aminokyselin nebo terciární konfigurací molekuly, kdy se dostávají do prostorových vztahů zbytky aminokyselin, které v polypeptidovém řetězci vůbec nesousedí. Mohou tvořit enzymy s nebílkovinnými složkami (koenzym). Enzymy tvoří i více proteinů (u nich záleží na kvartérní struktuře). Specifita funkční (podle reakce – hydrolázy, fosforylázy, oxidázy, …), substrátová (podle sloučenin, na kterých dojde ke katalýze – proteázy, nukleázy, lipázy, …). Exoenzymy – odštěpují od kraje, endoenzymy – štěpí uvnitř. Izoenzymy – stejná katalytická a substrátová specifita, ale jiný průběh. Alosterické centrum – místo k navázání ligandu, který pozmění strukturu enzymu (inhibice, aktivace).

Informační – regulace buněčných procesů a mezibuněčných vztahů. Signály a receptory. Informace může být zakódována do primární struktury (vznik prakticky neomezeného počtu signálů). Omezená mobilita bílkovin vede k prostupnosti signálů kanály. Hormony, imunoglobuliny, bílkoviny ovlivňují genovou expresi.

           Hormony – funkce v hormonální regulaci.

           Imunoglobuliny -  specificky rozpoznávají strukturu antigenů. Tetramer polypeptidových řetězců navzájem spojených disulfidickými můstky (páry; lehké a těžké řetězce). Variabilní a konstantní část (specifitu určuje variabilní část). Na obou koncích je aktivní místo pro vazbu antigenu.

Regulátory genové aktivity – regulace transkripce. Rozpoznávají chemickou strukturu induktorů či represorů, RNA polymerázy atd. Rozpoznávají určité sekvence nukleotidů v DNA.

           Struktury, které mají schopnost přijímat signály, jsou receptory (většinou bílkovinné).

            Nukleové kyseliny – svým významem v kódování genetické informace a v její expresi představují zcela nezbytný typ biopolymeru.

Primární struktura – monomerem nukleových kyselin jsou nukleotidy, které se spojují v polynukleotidové řetězce.

Nukleotidy – každý nukleotid je tvořen spojením organické dusíkaté zásady (báze), pentózy a kyseliny fosforečné (bez ní nukleozid). Kyselina se váže estericky na 3.nebo 5. uhlík pentózy a určuje kyselý charakter. Pentóza je buď ribóza (RNA) nebo deoxyribóza (DNA). Dusíkaté báze se váží s pentózou glykozidovou vazbou. Puriny (adenin a guanin), pyrimidin (cytozin, thymin, uracil.

Struktura polynukleotidového řetězce – jednotlivé nukleotidy jsou v polynukleotidovém řetězci vázány esterickou vazbou mezi fosfátovou skupinou a pátým uhlíkem pentózy. Fosfátová skupina – 5´konec, pentóza – 3´konec. Různé druhy nukleových kyselin lišící se počtem bazí lze z jejich směsi separovat na základě rozdílů v jejich sedimentačních rychlostech (Svedbergovy jednotky).

Primární struktura RNA – molekuly RNA jsou tvořeny jedním polynukleotidovým řetězcem ribonukleotidů s bázemi C, G, A, U.

Primární struktura DNA – molekula DNA je tvořena dvěma polynukleotidovými řetězci, které probíhají vedle sebe a jsou navzájem spojeny vodíkovými můstky (výjimečně jednovláknová). Řetězce probíhají antiparalelně. Naproti purinu vždy pyrimidin.

Kruhová DNA – viry, prokaryontní chromozomy, plazmidy, mitochondrie a chloroplasty.

Konformace – RNA – šroubovice podobná alfa-helixu (viry), čtyřlístek (tRNA), tam, kde se setkávají komplementární úseky i duplexy.

            DNA – pravotočivá nebo levotočivá dvoušroubovice.

            Polysacharidy – nejčastější biopolymery živých soustav. Součástí buněčných stěn a mezibuněčných hmot. Energetická zásoba, vázané na bílkoviny součástí řady funkčně důležitých makromolekul.

Polysacharidový řetězec – monomerem polysacharidových makromolekul jsou monosacharidy (D-glukóza, fruktóza, manóza, galaktóza) nebo deriváty monosacharidů. Je-li v řetězci zastoupen jeden druh monosacharidu – homopolymer, více druhů – heteropolymer. V řetězci spojení glykozidovou vazbou (alfa, beta; 1-3, 1-4, 1-6). Jednotlivé druhy polysacharidů se tedy od sebe liší jednak typem monomeru a jednak typem vazby (beta-glukosa 1-4 vazba = celulosa, alfa-glukosa 1-4 vazba = amylosa).

Struktura molekul polysacharidů – lineární molekuly jsou tvořeny nevětveným polysacharidovým řetězcem (celulosa). U jiných jsou na základní řetězec vázány postranní řetězce, často s jiným typem vazby (zodpovědné za specifickou antigenní strukturu). Makromolekuly glykogenu a škrobu jsou globulární, řetězec je široce rozvětvený.

Polysacharidy nebo kratší řetězce se často váží na molekuly jiného typu (peptidoglykany, glykoproteiny, glykolipidy). Lineární molekuly polysacharidů semohou spojovat do pravidelných krystalicky uspořádaných struktur – mikrofibril (vodíkové můstky, Van der Waalsovy síly).