Aminokyseliny jsou organické kyseliny obsahující nejméně jednu aminovou (-NH2) a karboxylovou (-COOH) skupinu. Jsou základní stavební složkou proteinů. Biologické vlastnosti proteinů jsou dány druhem aminokyselin, jejich pořadím a jejich vzájemnými prostorovými vztahy. Ačkoliv se v přírodě vyskytuje více než 300 aminokyselin, pouze 21 z nich zařazují buňky do bílkovin, tzv. kódované aminokyseliny.
Čo sú aminokyseliny a ich základná chemická štruktúra
Aminokyseliny jsou molekuly, které označujeme jako karboxylové kyseliny, které mají na alfa uhlíku naviazanou aminoskupinu. Pre tvorbu bielkovín majú význam α-aminokyseliny, ktoré majú aminoskupinu (−NH₂) a karboxylovú skupinu (−COOH) naviazanú na tom istom (centrálnom) atóme uhlíka. Tento centrálny uhlík je označovaný ako chirálny uhlík (s výnimkou glycínu), ktorý determinuje optickú symetriu molekuly.
Základnou stavebnou zložkou svalu sú bielkoviny, ktoré sú - ako sme si už povedali zas zložené z aminokyselín. Spojením dvou až devadesáti devíti aminokyselin vzniká peptid. Spojením sta a více aminokyselin vzniká bílkovina, cizím slovem protein. Říkáme tedy, že aminokyseliny jsou základními stavebními jednotkami bílkovin.
Ďalšie chemické vlastnosti a reakcie aminokyselín
Základní reaktivitu, společnou všem aminokyselinám, podmiňují karboxylová skupina a aminoskupina. Aminokyseliny mohou díky těmto dvěma skupinám vstupovat do všech obvyklých reakcí, které tyto funkční skupiny poskytují i u jiných organických látek. Vytvářejí soli, probíhá na nich esterifikace, acetylace, dále dekarboxylace (odstranění karboxylové skupiny), deaminace (odstranění aminové skupiny). Mohou se přesouvat aminové skupiny z jedné molekuly na druhou (transaminace).
Možností je řada; např. další reakce mohou probíhat na postranním řetězci aminokyselin. Jak konkrétně může postranní řetězec té které aminokyseliny reagovat, je dáno jeho strukturou. Súčinnosť skupín NH2 a COOH umožňuje spojenie amidovou väzbou CONH a vznik laktámov, respektíve polyamidov. Najznámejším priemyselne vyrábaným polyamidom je polyamid 6, (NH(CH2)5CO)n, vyrábaný z ekaprolaktámu.
Prečítajte si tiež: Aminokyseliny a vitamíny pre kone
Fyziologické formy, dipolárny charakter a izoelektrický bod
Při pH krve (7,4 resp. 7,1) existují karboxylové skupiny jako ionty R-COO− a většina aminoskupin jako R-NH3+. Každá disociovatelná skupina je charakterizována svou disociační konstantou. Izoelektrický bod je taková hodnota pH, při které má aminokyselina nulový celkový elektrický náboj (netvoří amfion). Aminokyseliny se v roztoku často vyskytují jako amfiony - vnútorné soli, nesú kladný náboj na aminoskupine a záporný na karboxylovej skupine.
Klasifikácia aminokyselín podľa biosyntézy a nutričného významu
21. Esenciální jsou ty, které si tělo nedokáže samo vytvořit (obsahují řetězce, které tělo nedokáže syntetizovat). Jsou to rozvětvené aminokyseliny valin, leucin, izoleucin, aromatická aminokyselina fenylalanin, dále tryptofan se složitým heterocyklem a aminokyseliny s obtížně syntetizovatelnými postranními řetězci lyzin, methionin a threonin. Semiesenciální (neboli poloesenciální či podmíněně esenciální) jsou dvě aminokyseliny arginin a histidin. Lidský organismus je sice dokáže syntetizovat de novo, avšak jejich produkce není dostatečná pro podporu růstu. V některých situacích může mít i dospělý organismus zvýšené nároky na tyto aminokyseliny.
Neesenciální aminokyseliny za určitých podmínek dokáže lidský metabolismus vytvořit dokáže a díky tomu dokáže krýt jejich potřebu pro organismus. Jejich uhlíkový řetězec se vytváří například v Krebsově cyklu. Aminokyseliny môžeme rozdeliť na tri skupiny podľa schopnosti tela ich syntetizovať: esenciálne, semiesenciálne (podmienené) a neesenciálne.
Funkcie aminokyselín v organizme
Proteiny a aminokyseliny mají v těle několik důležitých úkolů. Funkce bílkovin: především zajišťují strukturu a funkci tkání, některé fungují jako podpůrné systémy buněk, jiné jsou enzymy, hormony, signální molekuly, podílí se na přenosu (transportu) látek krví, například volných mastných kyselin, bilirubinu prostřednictvím albuminu, hemoglobin přenášející kyslík a oxid uhličitý je rovněž protein. Bílkoviny (aktin a myosin) rovněž vytváří kontraktilní aparát ve svalech. Jsou také důležitými složkami imunitního aparátu a v poslední řadě mohou být v nouzových situacích využity jako zdroj energie (přibližně 4 kcal/17 kJ na gram).
Aminokyseliny organismus využívá především k tvorbě potřebných proteinů, signálních molekul, biologicky významných látek (např. hem, karnitin, kreatin). Lidské tělo nemá pro proteiny žádnou zásobní formu. Ztráta více jak 25-30 % tělesných bílkovin vede k poruchám imunity a nedostatečné obnově tělesných struktur.
Prečítajte si tiež: Esenciálne aminokyseliny a ich úloha
Vybrané biologické účinky vybraných aminokyselín
- Leucín, izoleucín a valín (BCAA) podporují rast a ochranu svalovej hmoty; BCAA sa nesyntetizujú v pečeni, ale efektívne sa využívajú v svaloch.
- Glutamín je nevyhnutný pre tvorbu bielych krviniek a udržiavanie integrity črevnej sliznice.
- Cysteín je súčasťou glutatiónu - kľúčového antioxidantu.
- Fenylalanín a tyrozín sú prekurzory neurotransmiterov (dopamín, adrenalín, noradrenalín).
- Tryptofán je prekurzor serotonínu a melatonínu, ovplyvňuje náladu a spánok.
- Lyzín a metionín majú úlohu pri syntéze karnitínu a pri metabolizme tukov, lyzín podporuje vstrebávanie vápnika.
Molekulová (molárna) hmotnosť aminokyselín a peptidov
Molekulová hmotnosť (skratka MW z anglického molecular weight, niekedy označovaná aj ako molárna hmotnosť) predstavuje súčet atómových hmotností všetkých atómov, ktoré tvoria danú molekulu. Pri peptidoch sa tento údaj štandardne udáva v Daltonoch (Da), prípadne v gramoch na mol (g/mol). Dalton (Da) a gram na mol (g/mol) sú číselne totožné. Ak na analytickom certifikáte vidíte molekulovú hmotnosť 1 024 Da, molárna hmotnosť je presne 1 024 g/mol.
Teoretická molekulová hmotnosť se nerovná jednoduchému súčtu surových hmotností voľných aminokyselín. Pri formovaní každej jednej peptidovej väzby totiž dochádza k dehydratačnej reakcii - z molekuly se uvoľní jedna molekula vody. Príklad výpočtu:
- Súčet základných hmotností aminokyselín: Nle (131,2) + Asp (133,1) + His (155,2) + D‑Phe (165,2) + Arg (174,2) + Trp (204,2) + Lys (146,2) = 1 109,3 Da
- Odpočet vody uvoľnenej pri väzbách (7 aminokyselín = 6 väzieb): 6 × 18,015 = 108,1 Da
- 1 109,3 − 108,1 = 1 001,2 Da (teoretická molekulová hmotnosť peptidu)
Pri analýze a kontrole peptidov HPLC chromatografia overuje čistotu vzorky, no až hmotnostná spektrometria (MS) meraním reálnej molekulovej hmotnosti potvrdí, že syntetizovaná štruktúra stopercentne zodpovedá objednanej sekvencii. Drobné odchýlky v desatinách Daltonu sú bežné a sú spôsobené kalibráciou a rozlíšením hmotnostného spektrometra (vyjadruje sa v ppm). Syntetizované peptidy sa bežne dodávajú vo forme solí (acetáty, trifluóracetáty - TFA), aby sa zaistila ich stabilita a rozpustnosť - tieto soli zvyšujú nameranú molekulovú hmotnosť.
Praktický význam molekulovej hmotnosti
- Ak potrebujete vo výskume dosiahnuť presné molárne koncentrácie (napríklad v µmol/l), údaj o molekulovej hmotnosti je nenahraditeľný.
- Pri rozsiahlom výskume rodiny príbuzných peptidov slúži molekulová hmotnosť ako rýchly rozlišovací znak.
- Molekulová hmotnosť je čisto fyzikálny parameter popisujúci veľkosť molekuly; biologickú aktivitu určuje priestorové usporiadanie a konkrétna peptidová sekvencia.
Hmotnosti aminokyselinových zvyškov (pre výpočet molárnej hmotnosti peptidov)
Jednotka Dalton (Da) je v biochémii synonymom pre atómovú hmotnostnú jednotku (u). Hodnoty uvedené v tabuľke (nižšie) obvykle predstavujú hmotnosť aminokyselinových zvyškov, nie voľných molekúl; rozdiel vzniká v dôsledku polykondenzácie, pri ktorej sa pri tvorbe peptidovej väzby odštepuje molekula vody (≈ 18 Da).
| Aminokyselina | Približná hmotnosť zvyšku (Da) |
|---|---|
| Gly (G) | 57 |
| Ala (A) | 71 |
| Ser (S) | 87 |
| Val (V) | 99 |
| Leu/Ile (L/I) | 113 |
| Pro (P) | 97 |
| Phe (F) | 147 |
| Trp (W) | 186 |
| Met (M) | 131 |
| ... (a ďalšie) | ... |
Zdroj aminokyselín v potrave a odporúčania príjmu
Samotné aminokyseliny ve stravě prakticky nenajdeme. Ve stravě přijímáme bílkoviny, které naše tělo zpracuje a rozloží na jednotlivé aminokyseliny. Nejlepším zdrojem bílkovin jsou pro lidské tělo potraviny živočišného původu - vejce, maso, ryby, mléko. Důležité aminokyseliny jsou ale obsaženy i v rostlinných potravinách. Pro pokrytí potřeby proteinů ve stravě je nejlepší kombinovat živočišné a rostlinné zdroje bílkovin. Doporučenými kombinacemi jsou např. brambory s vejcem nebo obilniny s mlékem či mléčnými výrobky.
Prečítajte si tiež: Výber aminokyselín pre ťažkú prácu
Podle doporučení odborníků na výživu by dospívající a dospělí ve věku od 15 do 65 let měli denně konzumovat 0,8 gramu bílkovin na kilogram tělesné hmotnosti. U sportovců alebo v období zvýšených nárokov môže byť odporúčanie vyššie (1,2-2 g/kg podľa záťaže a cieľov). Zvýšenú potrebu majú aj tehotné a dojčiace ženy.
Špeciálne proteínogénne aminokyseliny: selenocysteín a pyrolyzín
Okrem základných 20 aminokyselín sa během proteosyntézy přidávají do reťazca bielkoviny ešte dve aminokyseliny: selenocysteín ("21. aminokyselina") a pyrolyzín ("22. aminokyselina"). Těmto aminokyselinám prislúchajú tzv. stop kodóny - v oboch prípadoch naznačujú tieto kodóny zaradenie týchto špeciálnych aminokyselín namiesto zastavenia translácie. Selenocysteín je kódovaný stop kodónom UGA (opal), ktorý je „prekódovaný“ na selenocysteín pomocou špecifickej sekvencie (SECIS elementu). Pyrolyzín bol objavený len u archeónov a baktérií a odpovedá mu stop kodón UAG (amber).
Prečo je dôležité chápať molárnu hmotnosť pri práci s peptidmi
Pri syntéze, analýze a pri príprave roztokov peptidov a proteínov je molekulová hmotnosť kľúčová. Bez nej nemožno presne pripraviť molárne koncentrácie, ktoré sú nevyhnutné pri experimentoch alebo pri dávkovaní v aplikáciách výskumu či terapeutických prípravkov. Kvalitný dodávateľ preto často uvádza nielen teoretickú molekulovú hmotnosť, ale i namerané hodnoty z hmotnostnej spektrometrie a informácie o možných formách soli (napr. acetát, TFA).
Kontrola kvality syntetických peptidov
HPLC chromatografia overuje čistotu vzorky (teda či v lyofilizáte nie sú prítomné balastné chemikálie), no až hmotnostná spektrometria (MS) meraním reálnej molekulovej hmotnosti potvrdí, že syntetizovaná štruktúra stopercentne zodpovedá objednanej sekvencii.
Mass Spectrometry explained – how it works
Významné poznámky a zaujímavosti
- V přírodě se vyskytuje více než 300 aminokyselin, ale pouze 21 (alebo 22 zahrňujúc selenocysteín) sú pravidelne zabudované do proteínov.
- Proteínogénne aminokyseliny majú väčšinou L‑konfiguráciu; glycin je achirálny.
- Tryptofán má najväčšiu molekulovú hmotnosť spomedzi bežných aminokyselín.
- Aminokyseliny sú amfotérne a ich forma v roztoku závisí od pH; každý má svoj izoelektrický bod (pI).
Aminokyseliny sú teda malými, chemicky rozmanitými jednotkami, ktorých kombinácia určuje štruktúru a funkciu bielkovín. Pri práci s peptidmi a pri výžive je pochopenie ich molárnej hmotnosti, fyzikálnych vlastností a biologickej úlohy kľúčové pre správne rozhodnutia vo výskume i v klinickej praxi.
tags: #aminokyseliny #molarna #hmotnost