Přírodní látky/Chemie přírodních látek/Přehled přírodních látek/Aminokyseliny, peptidy a proteiny

Aminokyseliny jsou významnými produkty primárního metabolismu. Nejenže jsou to základní stavební jednotky peptidů a bílkovin, ale jsou to též významné výchozí látky pro mnohé sekundárně metabolické dráhy. Jsou významné pro syntézu alkaloidů, purinových derivátů, některých vitaminů, kyanogenních glykosidů, glukosinolátů a fenylpropanů. Aminokyseliny jsou látky, obsahující karboxylovou skupinu a aminoskupinu. Mezi primárně metabolické aminokyseliny patří 20 aminokyselin. Všech těchto 20 aminokyselin je α-aminokyselinami, což znamená, že aminoskupina se nachází na α-uhlíku. Aminoskupina všech těchto základních aminokyselin, s výjimkou prolinu, je primární, u prolinu jde o sekundární aminoskupinu.

Nejjednodušší aminokyselinou je glycin, tedy kyselina aminooctová. Tato aminokyselina je opticky neaktivní. Ostatní aminokyseliny však obsahují na α-uhlíku navázaný ještě postranní řetězec, který způsobuje, že tyto aminokyseliny obsahují chirální centrum. Proto rozlišujeme aminokyseliny D- a L-řady. Většina v přírodě se vyskytujících aminokyselin patří do řady L-, aminokyseliny s D-konfigurací se vyskytují v přírodě zřídka, a to například v buněčných stěnách bakterií nebo jako součást polypeptidových antibiotik.

Přítomnost aminoskupiny a karboxylové skupiny způsobuje, že aminokyseliny mají amfoterní (kyselé i zásadité) vlastnosti – karboxylová skupina protony odštěpuje, aminoskupina přijímá. Aminokyseliny se tedy téměř vždy vyskytují v iontové podobě, zastoupení neionizované formy je mizivé. Náboj, který aminokyselina nese, závisí na pH. V kyselém prostředí se dává přednost protonizaci aminoskupin před disociací karboxylových skupin, a proto aminokyselina nese celkově kladný náboj. V zásaditém prostředí je situace opačná, aminokyselina tudíž nese náboj celkově záporný. Jistá část molekul je vždy přítomna ve formě tzv. obojetného iontu, kdy je aminoskupina protonizovaná a karboxylová skupina disociovaná. Obojetný iont je tedy navenek elektricky neutrální. Za určitého pH je většina molekul přítomna ve formě obojetného iontu, a ve formě kladně či záporně nabitých iontů jsou přítomna pouze malá, ale stejná množství molekul. Takovéto pH se nazývá izoelektrický bod a je důležité, protože za tohoto pH se aminokyselina chová jako elektricky neutrální.

Proteinogenní aminokyseliny

Proteinogenní aminokyseliny rozdělujeme do čtyř skupin. Jednak jsou to aminokyseliny nepolární, což jsou aminokyseliny s uhlovodíkovým postranním řetězcem. Do této skupiny patří glycin, alanin, valin, leucin, isoleucin, prolin, fenylalanin, methionin a tryptofan. Druhou skupinou jsou aminokyseliny s polárním zbytkem, kam řadíme tyrozin, serin, threonin, cystein a též asparagin a glutamin, což jsou amidy kyselých aminokyselin. Kyselé aminokyseliny tvoří třetí skupinu. Jsou to aminokyseliny, které obsahují další karboxylovou skupinu. Sem patří pouze dvě aminokyseliny, a to kyselina glutamová a kyselina asparagová. Poslední skupinou jsou aminokyseliny bazické, což jsou aminokyseliny, obsahující v postranním řetězci ještě další atom nebo atomy dusíku. Sem řadíme tři aminokyseliny, a to lysin, arginin a histidin.

Neproteinogenní aminokyseliny

Neproteinogenní aminokyseliny se vyskytují zejména ve volném stavu, tj. nevázané v proteinech. Jsou to často deriváty proteinogenních aminokyselin. Vyskytují se obvykle ve volném stavu, nebo vázané jako γ-glutamáty, acetáty nebo oxaláty. Často tvoří též součásti krátkých peptidů, jako jsou třeba faloidin a amanitin, jedy muchomůrky zelené. Často jsou též prekurzory jiných sekundárních látek. Známe více než 400 neproteinogenních aminokyselin, které se vyskytují v mikroorganismech, rostlinách, houbách i živočiších. Některé neproteinogenní aminokyseliny viz na obr.

D-aminokyseliny

Mezi neproteinogenní aminokyseliny patří již zmíněné aminokyseliny s netypickou D-konfigurací, tvořící základ antibiotik a též složku buněčných stěn bakterií. Celkem rozšířeny jsou D-alanin, D-serin, D-cystein, kyselina D-glutamová a D-ornitin. D-aminokyseliny ve volném stavu tvoří součást tělesných tekutin hmyzu a můžeme je nalézt též v lidské moči. D-aminokyseliny se vytváří zejména racemizací L-aminokyselin, ale též transaminací specifickými D-aminotransferasami. Pro rozklad D-aminokyselin je také třeba specifických enzymů.

N-acylované aminokyseliny

Acylovány mohou být jak volně se vyskytující aminokyseliny, tak i aminokyseliny vázané v proteinech. Acylované aminokyseliny se vytváří reakcí acylkoenzymů A s aminoskupinami aminokyselin. Mezi nejběžnější patří formylderiváty – N-formylmethionin je startér biosyntézy proteinů u bakterií, acetylderiváty, které byly nalezeny zejména u hub a jsou zahrnuty při syntéze methioninu, malonylderiváty, které se vyskytují u některých rostlin, a oxalylderiváty.

Opinony

Opinony vznikají kondenzací α-ketokyselin s bazickými aminokyselinami, jako je L-arginin, L-histidin a L-lysin. Obsahují sekundární aminoskupinu. Hrají roli při výživě určitých mikroorganismů.

N-methylované aminokyseliny a betainy

Ke vzniku N-methylovaných aminokyselin dochází náhradou vodíkových atomů za methylové skupiny, přičemž může dojít až ke vzniku kvartérního dusíku s kladným nábojem, pak mluvíme o betainech. K methylaci je využito methioninu. Tyto aminokyseliny se vyskytují většinou ve volném stavu. Ve výjimečných případech však mohou také tvořit součást proteinů, což je zejména případ bazických aminokyselin, methylovaných na dalších aminoskupinách.

α,β-dehydroaminokyseliny

Aminokyseliny s dvojnou vazbou, vycházející z α-uhlíku, jsou složkou cyklických peptidů a ve volném stavu jsou nestabilní.

Význam neproteinogenních aminokyselin

Neproteinogenní aminokyseliny slouží často jako zásobárna dusíku. Proto je můžeme ve větších množstvích nalézt zejména v semenech a kořenech rostlin. Většina neproteinogenních aminokyselin je navíc toxická, protože u nepřizpůsobených organismů mohou zasahovat do metabolismu primárních aminokyselin. Pokud jsou tyto aminokyseliny začleněny do proteinů, mohou způsobit ztrátu jejich biologické funkce. Z důvodů výše uvedených patří neproteinogenní aminokyseliny k jedné z účinných zbraní organismu proti predátorům. Některé neproteinogenní aminokyseliny mají svůj význam pro metabolické a fyziologické pochody, což je případ např. argininfosfátu a kreatinfosfátu, které hrají roli v metabolismu energeticky bohatých sloučenin, nebo betainu, který má zase vliv na osmózu.

Biogenní aminy

Aminy jsou sloučeniny s aminoskupinou. Může jít o primární aminy, sekundární aminy, terciální aminy či kvartérní amoniové soli. Mnohé aminy řadíme spíše mezi alkaloidy, takže v této kapitole budeme hovořit o tzv. biogenních aminech, což jsou aminy, odvozené od aminokyselin, případně příbuzných aldehydů. Biogenní aminy mohou vznikat buď dekarboxylací aminokyselin. Tak se děje ve všemožných typech organismů. Takto vzniklé primární aminy mají většinou své triviální názvy. Druhou možností vzniku aminů je transaminace aldehydů, což je typické zejména pro rostliny. Roli donorů aminoskupin přebírají zejména aminokyseliny L-alanin a L-glutamin. Aminy jsou významnými nositeli charakteristických pachů. Mnoho rostlin používá aminů k lákání opylovačů. Aminy také způsobují zápach hadovky smrduté (Phallus impudicus), který láká hmyz, živící se mršinami, a ten umožňuje houbě přenášení výtrusů. Kyselina γ-aminomáselná, dopamin, serotonin a histamin slouží jako hormony a neurotransmitery živočichů.

Peptidy a proteiny

Reakcí aminoskupiny jedné aminokyseliny s karboxylovou skupinou aminokyseliny druhé dochází ke kondenzaci za odštěpení vody. Takto vzniká peptidická vazba a vzniklou sloučeninu nazýváme peptid. Podle počtu navázaných aminokyselin rozlišujeme dipeptid, tripeptidy, do 10 aminokyselin jde o oligopeptidy a nad 10 aminokyselin mluvíme o polypeptidech, jejichž molární hmotnost je nižší než 104. Makromolární peptidy se označují jako bílkoviny, proteiny.

Je nutné uvědomit si, že pro biologickou funkci proteinů není důležité jen pořadí po sobě jdoucích aminokyselin, ale též tvar, který výsledná molekula zaujímá v prostoru. Ten je dán jednak sekvencí aminokyselin, kdy hydrofobní aminokyseliny zůstávají uvnitř vznikající molekuly a hydrofilní aminokyseliny zůstávají na povrchu. Svou roli hrají též různé reakce mezi řetězci aminokyselin, připomeňme hydrofobní interakce uhlovodíkatých řetězců, vodíkové můstky a vznik sirných můstků ze dvou molekul cysteinu.

Tvar molekuly je důležitý zejména v případě enzymů. Enzymy jsou biologické katalyzátory nejrůznějších reakcí. Katalytická funkce enzymů je zajištěna právě přesným tvarem molekuly enzymu, vztah enzymu a jeho substrátu bývá přirovnáván ke vztahu zámku a klíče. V přírodě se nacházejí velká množství různých enzymů, prakticky každá biochemická reakce má také svůj enzym.

Izolace enzymů z přírodního materiálu je však často složitá, protože enzymy se vyskytují většinou jen ve stopových množstvích. Z přírodního materiálu se získávají enzymy papain, bromelin a ficin. Papain se izoluje z mléčné šťávy nezralých plodů melounového stromu (Carica papaya). Ze zahuštěné mléčné šťávy se získává frakčním srážením se síranem amonným. Je to enzym, složený z 212 aminokyselin. Patří mezi enzymy, hydrolyzující bílkoviny. Proto se používá zejména pro podporu trávení, čištění ran a též proti červům. Bromelin je glykoprotein, složený z 277 aminokyselin, získává se ze šťávy natě a plodu ananasu (Ananas comosus) srážením acetonem. Působí stejně jako papain. Používá se například na léčení edemů, zánětů a na důkaz různých protilátek. Ficin je též glykoprotein, získává se z mléčné šťávy různých druhů fikusů (Ficus sp.). Působí podobně jako předešlé enzymy.

Některá antibiotika jsou peptidického původu. Jsou to zejména antibiotika řady penicilinu a cefalosporinu. Základem penicilinu je kyselina 6-aminopenicilianová, která je vytvořena z L-cysteinu a L-valinu. Peniciliny obsahují charakteristický čtyřčlenný heterocyklický kruh s dusíkem a sírou. Cefalosporiny jsou deriváty kyseliny 7-aminocefalosporanové. Tyto látky se tvoří v různých druzích plísní (Penicillium, Aspergillus a Cephalosporium). Peptidy mohou mít také hormonální funkci. Mezi peptidické hormony patří zejména hormony hypofýzy a slinivky břišní. Jde zejména o tropiny a inzulin. Dříve se tyto hormony získávaly zejména izolací z živočišných orgánů, dnes se dává přednost spíše biotechnologii, neboť hormony, získané ze zvířat, se od těch lidských často liší, sice jen nepatrně, ale i malé odlišnosti mohou mít v tomto případě fatální následky.

Některé peptidy jsou také důležitými toxiny. Jsou to zejména jedy muchomůrky zelené, faloidiny a amanitiny, ale také třeba ricin ze semen skočce (Ricinus communis) nebo robin z trnovníku (Robinia pseudoacacia). Též mnohé živočišné toxiny mají peptidickou nebo bílkovinnou podstatu. Hadí jedy obsahují nízkomolekulární proteiny, jejichž účinek ruší přenos nervových vzruchů, působí na krevní oběh, vyvolává zástavu srdce, případně křeče. Včelí jed pochází ze zadní části těla včely, obsahuje histamin, kyselinu mravenčí, nízkomolekulární toxiny a některé enzymy. Hlavním toxinem včelího jedu je melitin, což je bazický protein, rozkládající krev a způsobující křeče. Další významnou složkou včelího jedu je apamin, jehož účinek se projevuje dlouhodobým drážděním CNS. Včelí jed však působí zejména lokálně.