Bílkoviny mají velký význam ve stavbě organismu i buněk, v metabolismu (enzymy), v obranyschopnosti (protilátky, komplement), v krvi (albumin, hemoglobin, koagulační faktory), v činnosti svalů (aktin, myosin), transportu látek atd.
Specifické bílkoviny na povrchu a uvnitř buňky vytvářejí řetězce a sítě (signální kaskády), přenášejí a modulují buněčné signály řídící růst a dělení buněk, apoptózu, tvorbu a uvolňování specifických látek (např. hormonů) atd.
Mutace genu některých signálních bílkovin může vést ke zvýšené aktivitě, tím ke zvýšené proliferaci a blokádě apoptózy a následně ke vzniku nádoru.
Bílkoviny se tvoří v každé buňce proteosyntézou.
Přesné pořadí aminokyselin tvořících bílkoviny je zakódováno v dědičné informaci (DNA) a je pro správnou funkci bílkovin rozhodující.
Kromě této primární struktury je pro funkci důležitá i struktura sekundární, terciální, ev. kvartérní.
Bílkoviny jsou základní složkou potravy, aminokyseliny získané jejich trávením slouží tělu jako zdroj pro tvorbu vlastních bílkovin.
Proteiny jsou makromolekulární organické látky tvořené řetězcem aminokyselin vzájemně spojených peptidovou vazbou.
Ta spojuje jednoduchou kovalentní vazbou aminoskupinu jedné aminokyseliny a karboxylovou skupinu druhé aminokyseliny.
Jednoduché proteiny obsahují řetězce tvořené jen aminokyselinami.
Fibrilární proteiny, ve vodě nerozpustné, plní zejména strukturní funkce.
Jednotlivé peptidové řetězce jsou vzájemně propojeny příčnými vazbami tak, že tvoří paralelně probíhající vlákna.
Kolagenová vlákna I. Řetězec globulárních proteinů má kulovitý tvar umožňující zabalení hydrofobních částí molekuly dovnitř.
Jsou proto ve vodě rozpustné, např.
Složené proteiny obsahují kromě proteinové části i jinou neproteinovou strukturu.
Primární struktura je podmíněna sekvencí aminokyselin v řetězci bílkoviny.
Jejich pořadí čteme od N- k C-konci.
Sekundární struktura je podmíněna vznikem vodíkových můstků mezi NH- a C=O skupinami peptidové vazby.
Řetězec bílkoviny je stočen do pravotočivé nebo levotočivé šroubovice s délkou jednoho závitu 3,6 aminokyselinových zbytků.
Řetězce jsou dva, uspořádané rovnoběžně a antiparalelně.
Kvarterní struktura popisuje prostorové uspořádání podjednotek složených z více než jednoho řetězce.
Denaturace je děj, při kterém dochází k narušení všech vyšších struktur proteinu kromě primární.
Protein ztrácí svou funkčnost, jeho energetická hodnota ale zůstává zachována.
Bílkoviny, odborně proteiny (z řeckého πρώτειος próteios „prvotní, primární, hlavní“), patří mezi biopolymery.
Proteiny se řadí mezi makromolekuly, které obsahují jeden nebo více dlouhých řetězců aminokyselinových zbytků.
Proteiny se od sebe navzájem liší především svou sekvencí aminokyselin, která je dána nukleotidovou sekvencí jejich genů, a které obvykle vede ke sbalení proteinu do specifických 3D struktur, které určují jeho aktivitu.
Lineární řetězec aminokyselinových zbytků se nazývá polypeptid.
Proteiny obsahují alespoň jeden dlouhý polypeptid.
Krátké polypeptidy, obsahující méně než 20-30 zbytků, jsou zřídka považovány za proteiny a často se nazývají peptidy nebo někdy oligopeptidy.
Jednotlivé aminokyselinové zbytky jsou spolu vázány peptidovými vazbami a sousedními aminokyselinovými zbytky.
Sekvence aminokyselinových zbytků v proteinu je definována sekvencí genu, který je zakódován v genetickém kódu.
Obecně genetický kód specifikuje 20 standardních aminokyselin, ale u určitých organismů může genetický kód zahrnovat selenocystein a pyrrolysin.
Krátce po syntéze nebo dokonce během syntézy jsou zbytky v proteinu často chemicky modifikovány posttranslační modifikací, která mění fyzikální a chemické vlastnosti, skládání, stabilitu, aktivitu a nakonec i funkci proteinů.
Některé proteiny mají připojené nepeptidové skupiny, které lze nazvat prostetické skupiny nebo kofaktory.
Jakmile se proteiny vytvoří, existují pouze po určitou dobu a pak jsou degradovány a recyklovány buněčným aparátem prostřednictvím procesu přeměny proteinů.
Životnost proteinu se měří podle jeho poločasu rozpadu a pokrývá široký rozsah.
Mohou existovat minuty nebo roky s průměrnou délkou života 1-2 dny v savčích buňkách.
Proteiny jsou podstatou všech živých organismů.
Jejich základní povahu rozpoznal Henri Braconnot již v roce 1820 při zahřívání klihu s kyselinou sírovou.
Stejně jako jiné biologické makromolekuly, jako jsou polysacharidy a nukleové kyseliny, jsou proteiny nezbytnou součástí organismů a účastní se prakticky všech procesů v buňkách.
Mnoho proteinů jsou enzymy, které katalyzují biochemické reakce a jsou životně důležité pro metabolismus.
Proteiny mají také strukturální nebo mechanické funkce, jako je aktin a myosin ve svalu a proteiny v cytoskeletu, které tvoří systém lešení, který udržuje tvar buňky.
Jiné proteiny jsou důležité v buněčné signalizaci, imunitních reakcích, buněčné adhezi a buněčném cyklu.
U zvířat jsou bílkoviny potřebné ve stravě, aby poskytly esenciální aminokyseliny, které nemohou být syntetizovány.
Proteiny mohou být purifikovány z jiných buněčných složek použitím různých technik, jako je ultracentrifugace, precipitace, elektroforéza a chromatografie; příchod genetického inženýrství umožnil řadu metod pro usnadnění čištění.
Proteiny byly uznány jako odlišná třída biologických molekul v 18.
První byly bílkoviny popsány holandským chemikem Gerardusem Johannesem Mulderem a pojmenovány švédským chemikem Jönsem Jacobem Berzeluisem v roce 1838.
Mulder provedl elementární analýzu běžných proteinů a zjistil, že téměř všechny proteiny mají stejný empirický vzorec, C400H620N100O120P1S1.
Došel k mylnému názoru, že mohou být složeny z jediného typu molekuly.
Raní vědci jako německý vědec Carl von Voit zabývající se výživou vnímal protein jako klíčový nutriční stavba těla.
Karl Heinrich Ritthausen rozšířil známe proteinové formy s identifikací kyseliny glutamové.
Na zemědělské experimentální stanici Connecticut sestavil Thomas Burr Osborne detailní přehled rostlinných proteinů.
Ve spolupráci s Lafayttem Mendelem a aplikací Leibigova zákona minima při krmení laboratorních potkanů byly stanoveny nutriční esenciální aminokyseliny.
V práci pokračoval a komunikoval s Williamem Cummingem Rosem.
K pochopení proteinů jako polypeptid došlo díky práci Franze Hofmeistra a Hermanna Emila Fishera v roce 1902.
Hlavní role proteinů jako enzymů v živých organismech byla plně doceněna až v roce 1926, kdy první studie se zaměřily na proteiny, které by mohly být purifikovány ve velkém množství.
V 50. letech 20. století společnost Armor Hot Dog Co.
Prvním proteinem, který byl sekvenován, byl inzulin, který sekvenoval Frederick Sanger v roce 1949.
Využití počítačů a zvyšující se výpočetní výkon podpořily i sekvenování komplexních proteinů.
V roce 1999 Roger Kornberg uspěl v sekvenování vysoce komplexní struktury RNA polymerázy pomocí vysoce intenzivního rentgenového záření ze synchrotronů.
Od té doby byla vyvinuta kryo-elektronová mikroskopie velkých makromolekulárních celků.
Cryo-EM používá vzorky proteinů, které jsou zmrazené spíše než krystaly, a paprsky elektronů spíše než rentgenové záření.
Způsobuje menší poškození vzorku, což umožňuje vědcům získat více informací a analyzovat větší struktury.
Výpočetní predikce proteinové struktury malých proteinových domén také pomohla výzkumníkům přiblížit se k rozlišení proteinových struktur na atomární úrovni.
Nejednotnost hranice mezi peptidy a bílkovinami je dána tím, že dříve platilo: do počtu 50 aminokyselin se jedná o peptid, při vyšším počtu pak o bílkovinu.
V současnosti je posuzována poměrná molekulová hmotnost (Mr), kdy do hodnoty Mr=10 000 jde o peptid, nad tuto hodnotu o bílkovinu.
Pořadí aminokyselin v řetězci proteinu se označuje jako primární struktura nebo také sekvence.
Z 20 obvyklých proteinogenních aminokyselin, které se vždy vyskytují v lidském organismu, může v případě jednoduchého proteinu, složeného ze 100 aminokyselin, vzniknout 20100 (tedy zhruba 10130) rozdílných primárních proteinových struktur.
Z toho vyplývá, že může existovat nesrovnatelně větší množství různých proteinů, než je jich obsaeno ve všech živých organismech na Zemi.
Molekuly proteinů mohou vytvářet protáhlé, vláknité, ve vodě nerozpustné struktury, skleroproteiny (též nazývané fibrilární), a kulovité nebo elipsoidní, ve vodě rozpustné sferoproteiny (též nazývané globulární).
V protikladu ke skleroproteinům lze téměř u všech sferoproteinů rozrušit jejich terciární a sekundární strukturu vlivem změny pH.
Čtyři konformační úrovně struktury bílkovinné molekuly.
Primární struktura je dána pořadím aminokyselin v polypeptidovém řetězci a zapisuje se od N-konce k C-konci.
První určení primární struktury provedl v roce 1953 Frederick Sanger.
Sekundární struktura je geometrické uspořádání polypeptidového řetězce na krátké vzdálenosti.
Tímto pojmem se označuje trojrozměrné uspořádání celého peptidového řetězce a je tvořena střídáním sekundárních struktur.
Podle tvaru a vlastností rozlišujeme globulární (albumin) a fibrilární (myosin) struktury.
Celá struktura je stabilizována kovalentními vazbami a dalšími interakcemi.
Řeší uspořádání podjednotek v proteinových aglomerátech, tvořících jednu funkční bílkovinu.
Podjednotky jsou samostatné polypeptidické struktury, které jsou navzájem spojeny nekovalentními interakcemi.
Kvartérní struktura řeší prostorové uspořádání těchto podjednotek.
Nesrovnatelná evoluční výhoda spočívá v možnosti nahrazení poškozené podjednotky.
Místo výstavby podjednotky může být navíc odlišné od místa jejího výskytu.
Bílkoviny se skládají z podjednotek buď heteromultimerů nebo homomultimerů.
Bílkoviny většinou vykazují v oblasti spoje prvky symetrie.
Nejobvyklejší je C2 symetrie; složitější symetrie se nazývá diedrální a značí se Dn.
Takové dimery jsou tvořeny dvěma cyklicky symetrickými polovinami.
Pro protomery se používá úhel 360°/n.
Po odumření organismu dochází k hnití bílkovin.
V proteinech se vyskytuje 20 kódovaných aminokyselin a některé organismy incorporují další speciální aminokyseliny.
Transkripce a translace: Z DNA k proteinu
Jako tzv. 21. proteinogenní aminokyselina se označuje selenocystein (Sec).
Jako 22. proteinogenní aminokyselina se označuje pyrolysin.
N-formylmethionin je první aminokyselina zařazená při tvorbě proteinu u některých organismů.
Základní stavební částicí bílkovin jsou aminokyseliny, a tak je bez nich proteosyntéza nepochopitelná.
Některé aminokyseliny je schopné tělo vyrábět samo, jiné musí přijímat v potravě (tzv. esenciální aminokyseliny).
Mezi esenciální aminokyseliny patří podle různých zdrojů valin, leucin, isoleucin, methionin, tryptofan, fenylalanin, threonin, lysin, arginin a histidin.
Aminokyseliny se mohou rozpadat dekarboxylací na oxid uhličitý a primární amin (dle použité aminokyseliny).
Kondenzací aminokyselin vznikají peptidy až bílkoviny.
Podle počtu spojených aminokyselin rozlišujeme oligopeptidy, polypeptidy a bílkoviny (proteiny).
Pro bílkoviny se často využívá označení proteiny.
Kondenzace probíhá spojením karboxylové skupiny jedné aminokyseliny s aminovou skupinou jiné za současného odštěpení molekuly vody jako vedlejšího produktu.
Obě aminokyseliny jsou pevně vázané peptidovou vazbou -CO-NH-.
Z uvedených rovnic je zřejmé, že kondenzací dvou odlišných aminokyselin mohou vzniknout dva různé dipeptidy.
Kombinací 21 proteinogenních aminokyselin může vzniknout nepřeberné množství bílkovin s jedinečnými vlastnostmi.
Z 21 kódovaných aminokyselin může vzniknout 441 různých dipeptidů, 9 261 tripeptidů či 194 481 tetrapeptidů.
U proteinů obsahujících 75 aminokyselin může vzniknout přibližně 1,47·10^9 různých bílkovin.
Působením roztoků kyselin, zásad či enzymů lze nechat peptidy hydrolyzovat na jednotlivé aminokyseliny.
Každý protein má polypeptidovou kostru, na kterou jsou navázané postranní řetězce (R-) jednotlivých aminokyselin.
Ty určují jedinečné vlastnosti každé bílkoviny.
4. Struktura bílkovin
Bílkoviny jsou složené přibližně z 50 % uhlíku, 24 % kyslíku, 18 % dusíku, 6 % vodíku a 2 % jiných prvků.
Primární struktura bílkovin je dána pořadím jednotlivých aminokyselin v řetězci a podmiňuje i vyšší uspořádání.
Primární struktura rovněž předurčuje vyšší stupeň organizace prostorového uspořádání molekuly.
Vřazení nevhodné aminokyseliny do polypeptidového řetězce může být chorobné, neboť primární struktura je přímým odrazem genetického kódu.
Sekundární struktura vypovídá o geometrickém uspořádání polypeptidického řetězce; bývá tvořena α-helix a β-strukturovou plochou.
Vznik těchto struktur umožňují vodíkové vazby mezi C=O a NH skupinami.
Aminokyselinové zbytky se orientují nad a pod rovinou šroubovice nebo listu.
Terciární struktura je dána uspořádáním skládaného listu či pravotočivé šroubovice do konečného prostorového tvaru molekuly.
Tato struktura může být fibrilární (vlákno) či globulární (klubko).
Kromě vodíkových vazeb se na terciární struktuře podílejí i iontové vazby, disulfidické vazby či Van der Waalsovy síly.
Pokud jsou vodíkové vazby vázány mezi různé polypeptidové řetězce, má bílkovina terciární strukturu vlákna; pokud mezi části téhož řetězce, má globulární strukturu.
Kvartérní struktura vypovídá o vzájemném prostorovém uspořádání podjednotek.
Tyto proteiny jsou tvořené více peptidickými řetězci; podjednotky mohou snadno disociovat a zpětně se spojovat.
Síly podílející se na kvartérní struktuře mají nekovalentní charakter.
Po odumření organismu se jeho proteiny biologicky rozpadají, což označujeme jako tzv. hnití bílkovin.
Denaturace je vratná nebo nevratná změna, která porušuje sekundární i terciární struktury, často zvyšuje stravitelnost.
Trávení bílkovin probíhá hydrolytickým štěpením peptidové vazby prováděným proteasami.
Exopeptidasy štěpí řetězec od N-konce, endopeptidasy zevnitř; výsledkem jsou aminokyseliny a kratší peptidy.
Aminokyseliny mohou být dále používány k biosyntéze dalších produktů.
DNA je zásadní molekula života; obsahuje návod na výrobu všech bílkovin, které naše těla tvoří a řídí jejich provoz.
Jednotlivá písmena DNA a bílkovin jsou různé molekuly, ale DNA diktuje, jaké písmeno bude v dané pozici v bílkovině.
Deoxyribonukleová kyselina má báze A, C, G a T a párováním bází drží dva řetězce spolu.
Kodony, trojice bází, určují aminokyseliny a jejich pořadí v proteinu; některé kodony určují začátek a konec proteinu.
Transkripce mění info z DNA na mRNA; translace pak v ribozomech skládá aminokyselinový řetězec podle mRNA.
mRNA používá Uracil (U) místo thyminu (T) a párování probíhá s A.
Ribozomy čtou trojice bází v mRNA a spojují správné aminokyseliny do proteinového řetězce.
Vzniklé proteiny z ribozomů putují do buněk a podléhají dalším úpravám.