# Skrypt Biochemia czesc3, Ogrodnictwo, Ogrodnictwo UP Wro, ROK I, semestr II, biochemia, egzamin, poilkj, ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
3.3. Białka (proteiny)
Białka, w zasadzie, są olbrzymimi polipeptydami (makropeptydami). Jako kryterium podziału
pomiędzy polipeptydami a białkami umownie przyjmuje się ilość aminokwasów wchodzących w ich
skład. Związki zbudowane z ponad 100 aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi zalicza
się do białek. Poprawniejsze jest jednak założenie, że masa cząsteczkowa białek jest większa od
10 kDa. Jednakże, w kilku przypadkach, o przynależności do klasy białek decydują właściwości
polipeptydu i jego biologiczna funkcja. Ta koncepcja podziału ma coraz więcej zwolenników.
Rozwiązuje wiele sprzecznych i problematycznych przypadków. Na przykład, wspomniane w
poprzednim rozdziale protaminy, pomimo masy cząsteczkowej od 1000Da do 6000Da, wygodnie i
rozsądniej jest rozpatrywać w kategorii białek.
Składnikami większości białek zwykle jest 21 różnych aminokwasów w rozmaitych kombinacjach
(a ściślej permutacjach), plus Pro(OH) oraz Liz(OH) w kolagenie. Charakterystyczne jest, że
wszystkie aminokwasy występujące w białkach mają konfigurację L. Warto zauważyć, że już z 4
różnych aminokwasów można otrzymać 24 różne peptydy. Różną kolejnością wiązania się
poszczególnych aminokwasów (tzw. sekwencją aminokwasów), tłumaczy się zjawisko ogromnej
różnorodności białek, zarówno pod względem właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych.
Struktura przestrzenna białek zdeterminowana jest właśnie sekwencją aminokwasów (a tak na
marginesie, ta z kolei zdeterminowana jest sekwencją nukleotydów w DNA).
Białka można podzielić na dwie zasadnicze grupy: p r o t e i n y i p r o t e i d y .
P r o t e i n y
to białka właściwe (inaczej, białka proste), wśród których można wyróżnić:
a l b u m i n y – białka rozpuszczalne w wodzie i w rozcieńczonych roztworach soli; występują w
białku jaj ptasich oraz w nasionach roślin strączkowych,
g l o b u l i n y - występują w surowicy krwi, w nasionach roślinnych oraz tkance mięśni,
p r o l a m i n y i g l u t e l i n y – to są białka wyłącznie roślinne,
s k l e r o p r o t e i n y –z kolei białka wyłącznie zwierzęce; wśród których dalej można wyróżnić:
k o l a g e n – zasadniczy składnik białkowy tkanki kostnej,
k e r a t y n a – główny składnik substancji rogowatych (włosy, paznokcie, skóra),
e l a s t y n a – główny składnik komórek w tkankach elastycznych.
P r o t e i d y
to białka złożone, zawierające oprócz aminokwasów składniki chemiczne niebiałkowe
(tzw. grupy prostetyczne). Do proteidów zalicza się m.in.:
n u k l e o p r o t e i d y – główny składnik białkowy jąder żywych komórek,
g l i k o p r o t e i d y – związki białek właściwych z węglowodorami,
l i p o p r o t e i d y – połączenia białek z tłuszczami,
c h r o m o p r o t e i d y – połączenia białek z barwnymi związkami (np. flawoproteidy).
m e t a l o p r o t e i d y – połączenie białka z jonami metali.
Wiele białek będących enzymami należy do proteidów. W skład ich centrum katalitycznego
wchodzą witaminy lub atom metalu. Enzymy, z uwagi na ich rolę i specyficzne właściwości zostaną
omówione oddzielnie w dalszej części podręcznika.
W zależności od b u d o w y p r z e s t r z e n n e j cząsteczki białka dzieli się na dwie podstawowe
grupy:
1) białka fibrylarne (włókienkowe),
2) białka globularne (kuliste).
Umownym kryterium tego podziału jest stosunek liczbowy osi dłuższej (l) cząsteczki białka do osi
krótszej (d). Białka, dla których ten stosunek osiowy ma wartość nie większą niż 20 (l/d<20), zalicza
się do białek globularnych. Ich rozmiary są rzędu kilku do kilkunastu tysięcy nm. Ich kształt
przypomina elipsoidy obrotowe. Kuliste cząsteczki spotyka się rzadko, głównie w przypadku
lipoproteidów.
Białka o stosunku osiowym większym od 20 (l/d>20) zalicza się do f i b r y l a r n y c h. Długość ich
cząsteczek przekracza nierzadko sto tysięcy nm, przy średnicy włókna nie większej niż kilkaset nm.
11
3.3.1. Zasady organizacji strukturalnej cząsteczek białek
Cząsteczka białka stanowi trójwymiarowe ułożenie jednego lub kilku łańcuchów
polipeptydowych. Jej przestrzenna struktura jest hierarchicznie uporządkowana i można w niej
wyróżnić cztery poziomy uporządkowania, z których każdy wykazuje odmienność i zależność od
różnych typów wiązań między atomami. W latach pięćdziesiątych Lindestrom Lang badając budowę
białek wprowadził pojęcie ich struktury pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowej później uzupełnione o
strukturę czwartorzędową.
Poziom I (czyli struktura pierwszorzędowa) w hierarchicznym skonstruowaniu cząsteczki
białkowej determinuje poziomy następne (tzw. strukturę wtórną), czyli strukturę przestrzenną danego
białka zwaną też konformacją łańcuchową, która z kolei decyduje o jego funkcji biologicznej.
Struktura I-rzędową
mówi o kolejności, czyli s e k w e n c j i a m i n o k w a s ó w w łańcuchu
polipeptydowym. Ta struktura uwarunkowana jest wiązaniami peptydowymi. W strukturze
pierwszorzędowej uwzględnia się również położenie wszystkich innych wiązań kowalencyjnych. Są to
głównie wiązania disiarczkowe między resztami cysteiny, sąsiadującymi ze sobą w przestrzeni.
Struktura II-rzędowa
białka określa przestrzenne wzajemne ułożenie płaszczyzn
w iązań peptydowych (ściśle biorąc, atomów tworzących te wiązania).
Struktura drugorzędowa tripeptydu
Kąt ψ odpowiada rotacji wokół wiązania C
α
-C,
Kąt φ odpowiada rotacji wokół wiązania C
α
-N
Uwarunkowana jest przede wszystkim wiązaniami wodorowymi głównie między grupami
karbonylowymi i aminowymi łańcucha polipeptydowego oraz planarnością wiązania peptydowego.
Można rozpatrywać tę strukturę jako lokalne uporządkowanie w przestrzeni fragmentów łańcucha
peptydowego o identycznej konformacji. Elementami tej konfiguracji w białkach globularnych mogą
być: α- h e l i s , struktura β-fałdowa oraz zakręty. W kolagenie indywidualnie występuje
s t r u k t u r a k o l a g e n u .
Struktury α-helis, β-fałdowa i kolagenu zostaną szczegółowo przedstawione w dalszej części
podręcznika przy okazji omawiania białek fibrylarnych. Zakręt beta (β-zakręt) jest to element
struktury drugorzędowej łańcucha polipeptydowego zapewniający zmianę - odwrócenie - kierunku w
jego przebiegu. Ma postać ciasnej pętli, w której tlen z grupy karbonylowej jednego aminokwasu jest
połączony wiązaniem wodorowym z wodorem grupy aminowej czwartego z kolei aminokwasu.
Regiony łańcucha polipeptydowego pozbawione regularnej struktury drugorzędowej chętnie
przyjmują postać zakrętu beta. Taką postać może przyjąć nawet połowa łańcucha polipeptydowego
typowego białka.
Struktura III-rzędowa
cząsteczki białka lub jej podjednostki określa ułożenie w
p r z estrzeni łańcucha polipeptydowego (a ściślej, rozlokowanie w przestrzeni wszystkich
jego atomów). To przestrzenne upakowanie łańcucha polipeptydowego wywołane jest wewnątrz
cząsteczkowymi wzajemnymi oddziaływaniami łańcuchów bocznych aminokwasów oraz miedzy tymi
łańcuchami a cząsteczkami wody. Czynnikami warunkującymi powstawanie i utrzymywanie w
białkach struktury III–rzędowej są wiązania chemiczne wszystkich typów, w tym wspomniane
wcześniej wiązanie disiarczkowe i wodorowe, a ponadto oddziaływania jonowe, hydrofobowe i siły
van der Waalsa.
12
Struktura IV-rzędowa
jest to sposób ułożenia w przestrzeni kilku łańcuchów
p o l i p e p t y d o w y c h stanowiących podjednostki cząsteczki białka oraz zespół oddziaływań między
nimi
Czynniki strukturotwórcze białek
Rola wiązań peptydowych w budowie białek jest oczywista. Omówione teraz zostaną krótko
wszystkie pozostałe wiązania i oddziaływania chemiczne ogrywające rolę w powstawaniu i
utrzymaniu właściwej konformacji łańcucha polipeptydowego cząsteczki białka. Kolejność ich
omawiania wynika z roli i znaczenia, jakie pełnią.
Oddziaływania hydrofobowe
(e f e k t h y d r o f o b o w y ). Cząsteczki niepolarne nie zawierają
spolaryzowanych wiązań ani atomów - powoduje to, że są one nierozpuszczalne w wodzie.
Właściwość tą nazywa się hydrofobowością. W środowisku wodnym oddziaływanie z polarnymi
cząsteczkami H
2
O doprowadzi do takiego układu, w którym fragmenty hydrofobowe będą "unikały"
kontaktu z wodą grupując się razem, natomiast części hydrofilowe "chętnie" będą z nią oddziaływać.
Źródłem energii oddziaływań hydrofobowych jest niechęć cząsteczek wody zwiększenia stopnia
organizacji.
Efekt tych oddziaływań sprawia, że syntetyzowany wewnątrz komórki w środowisku wodnym
łańcuch polipeptydowy fałduje się spontanicznie w ten sposób, że większość jego hydrofobowych
rodników bocznych (przede wszystkim w a l i n y , l e u c y n y , i z o l e u c y n y , a l a n i n y i
f e n y l o a l a n i n y ) zostaje skierowana do wnętrza powstającej struktury, a większość jego polarnych,
obdarzonych ładunkiem bocznych łańcuchów znajduje się na powierzchni.
Wiązania disiarczkowe
(m o s t k i d i s i a r c z k o w e )
.
Najsilniejszym wiązaniem (pomijając
peptydowe) jest kowalencyjne w i ą z a n i e d i s i a r c z k o w e (
S
S
) powstające pomiędzy
dwoma grupami —SH sąsiadujących ze sobą w przestrzeni dwóch reszt cysteiny w tym samym
łańcuchu lub łącząc dwa różne łańcuchy.
Energia wiązania disiarczkowego wynosi 300 kJ/mol, a odległość między atomami siarki S—S
jest nie większa niż 0,15nm.
Wiązanie to odgrywa znaczną rolę jako czynnik strukturotwórczy k e r a t y n , łącząc między sobą
sąsiadujące łańcuchy polipeptydowe, jednocześnie uodparniając te białka na działanie czynników
chemicznych. W cząsteczce β-keratyny ilość tych wiązań może sięgać nawet kilkudziesięciu.
Natomiast w białkach globularnych mostek disiarczkowy odgrywa jedynie rolę strukturotwórczą
w odniesieniu do pewnych fragmentów łańcucha polipeptydowego. Bez wątpienia usztywnia jednak
kształt tych białek i zwiększa ich termostabilność. W wielu enzymach reszty cysteiny tworzące mostki
disiarczkowe pełnią rolę aminokwasów pomocniczych (patrz: budowa centrum aktywnego enzymów).
Ilość wiązań disiarczkowych w cząsteczce białka globularnego jest rzędu kilku. Znanych jest ponadto
wiele białek (zwłaszcza pozakomórkowych enzymów), które nie posiadają mostków disiarczkowych.
Ta cecha czyni cząsteczki tych białek bardziej plastycznymi, co ma niewątpliwie znaczenie przy ich
sekrecji (wydzielaniu poza komórkę). Do takich enzymów należą rybonukleaza czy subtilizyna
Wiązania jonowe.
Wiązania te są wywołane elektrostatycznym przyciąganiem się jonów o
przeciwnych znakach. W białkach wiązania jonowe tworzone są pomiędzy dodatnio naładowanymi
grupami amoniowymi łańcuchów bocznych lizyny i argininy oraz naładowanymi ujemnie grupami
karboksylanowymi kwasu glutaminowego i asparaginowego (—NH
3
+
....-
OOC—). Ponadto udział w
powstaniu tego wiązania w pewnym stopniu może mieć dodatnio naładowany rodnik histydyny.
Energia tych wiązań waha się w granicach 14-29 kJ/mol, ich zasięg wynosi ponad 1 nm, a siła
oddziaływania jest odwrotnie proporcjonalne do r
2
. Tak więc, wiązania te są względnie silne. Ich ilość
13
w cząsteczce białka może dochodzić nawet do kilkudziesięciu. Na przykład we wspomnianej
subtilizynie (pozakomórkowej proteinazie serynowej z
Bacillus subtilis
) na powierzchni cząstki
enzymu występuje 16 krzyżowych wiązań jonowych stabilizujących skutecznie trzeciorzędową
strukturę białka. U enzymów tych brak jest mostków disiarczkowych, a mimo to są one odporne na
działanie wielu czynników denaturujących.
Wiązania wodorowe.
Tworzą się one pomiędzy atomem wodoru związanym kowalencyjnie z
atomem o dużej elektroujemności a atomem z wolnymi parami elektronowymi (np. w białkach
najczęściej: >C=O.....H—N< lub —O—H...O=C<). Wiązanie to symbolizowane we wzorach jest
kropkowaną linią, jak to widać w prezentowanych układach. Wiązanie wodorowe wykazuje wyraźne
ukierunkowanie. Jest ono tym silniejsze, im bardziej linearnie są ułożone wszystkie trzy tworzące je
atomy. Dla struktury białek, istotne wiązania wodorowe mają zasięg oddziaływania rzędu 0,26-0,31
nm, a energia pojedynczego wiązania waha się w granicach od 12 do 29 kJ/mol – a więc są to słabe
oddziaływania. Wiązania wodorowe mogą powstawać zarówno między atomami tej samej cząsteczki
jak i atomami różnych cząsteczek.
Pomimo, że wiązania wodorowego należą do słabych oddziaływań, są one chyba
najważniejszymi siłami, które utrzymują przestrzenną konformację cząsteczki białka. Wynika to z
faktu, iż w cząsteczce białka występują tysiące wiązań wodorowych, w sumie mają więc one dużą
wartość energetyczną.
Ogólnie należy stwierdzić, że wiązania wodorowe są niezmiernie ważnym elementem
strukturalnym układów biologicznych. Biorą one udział w tworzeniu struktur cząsteczek białek,
kwasów nukleinowych i polisacharydów. Powstawanie wiązań wodorowych między cząsteczkami
wody i cząsteczkami substancji rozpuszczonej jest warunkiem rozpuszczania w wodzie wielu
związków organicznych. Nadto tworzenie się i rozpad wiązań wodorowych warunkuje szereg tak
ważnych biologicznie funkcji, jak np. działanie enzymów.
Siły van der Waalsa
są wynikiem wzajemnego oddziaływania elektronów i jąder w cząsteczkach,
są więc przykładem oddziaływań elektrostatycznych. Ogólnie biorąc energia wiązań powstałych na
bazie sił van der Waalsa jest bardzo mała, rzędu 4-8 kJ/mol. Mechanizm powstawania tych
oddziaływań może być różny. Rozróżnia się m.in. efekt dyspersyjny, efekt indukcyjny czy efekt
kierunkowy.
E f e k t d y s p e r s y j n y (siły dyspersyjne) pojawia się jedynie wtedy, gdy cząsteczki znajdują się
bardzo blisko siebie, tak że prawie się stykają. W wyniku ruchu elektronów walencyjnych gęstość
ładunku ujemnego na zewnętrznej powłoce atomów ulega szybkim fluktuacjom wzbudzając podobną
fluktuację w powłoce walencyjnej sąsiednich atomów. Powstają szybkozmienne dipole, które
wzajemnie przyciągają się zwiększając, w miarę zbliżania się, wzajemną polaryzację elektronową.
Siły te występują przez bardzo krótki czas (rzędu 10
-9
s) i są bardzo słabe (ok. 4 kJ/mol).
E f e k t i n d u k c y j n y polega na oddziaływaniu indukowanych dipoli (jego znaczenie jest
niewielkie).
E f e k t k i e r u n k o w y związany jest z asymetrią elektryczną cząsteczek (dipole) powodującą
oddziaływanie orientacyjne i przyciąganie odpowiednio utrwalających się dipoli.
Siły v a n d e r W a a l s a maleją odwrotnie proporcjonalnie z siódmą potęgą odległości (r
7
) i są
one bardzo małe w porównaniu do innych omówionych wiązań. Tym niemniej, sumując się wywołują
efekty o dużym znaczeniu dla stabilizacji niektórych struktur białka.
Do czynników strukturotwórczych, według autora, można też zaliczyć białka zwane
molekularnymi opiekunkami.
14
Molekularne opiekunki (chaperones).
Nawet cząsteczki białka, którym udało się uzyskać prawidłowy kształt
w fazie posttranslacyjnej (po zakończeniu biosyntezy), mogą w każdej chwili ulec deformacji wskutek działania
różnych czynników denaturujących. Od lat zadawano sobie pytania:
Jak ludzkie komórki radzą sobie z rozpoznawaniem białek, które mają złą strukturę przestrzenną?
Czy takie źle zwinięte białka mogą powrócić do prawidłowego kształtu?
Co dzieje się, kiedy cząsteczka białka jest tak beznadziejnie zniekształcona, że już w żaden sposób
nie może przybrać prawidłowej konformacji?
W ostatnich latach częściowo znaleziono odpowiedź na te pytania. Okazuje się, że w tych przypadkach
wkracza do akcji specjalna grupa białek: białka opiekuńcze, zwane też przyzwoitkami.
Białka opiekuńcze łączą się z odkształconymi białkami i pomagają im w uzyskaniu odpowiedniej struktury
trójwymiarowej. Często wymaga to zużycia pewnej ilości energii zmagazynowanej w
ATP
. Następnie komórkowe
opiekunki odłączają się od białek, które uzyskały odpowiedni kształt, i zajmują się innymi cząsteczkami białek o
nieprawidłowej konformacji. Same białka opiekuńcze są bardzo odporne na denaturację.
Białka opiekuńcze są bardzo wszędobylskie. Można je znaleźć w cytoplazmie (tam biorą udział w
nadawaniu kształtu białkom wytwarzanych w procesie translacji oraz w naprawianiu zdeformowanych białek), w
jądrze komórkowym, w szorstkiej siateczce śródplazmatycznej (gdzie uczestniczą w kształtowaniu białek
przeznaczonych do wydzielenia przez komórkę) oraz w pobliżu błon białkowo-lipidowych (białka opiekuńcze są
potrzebne w procesie transportu innych białek przez błony biologiczne: z jednej strony błony jedna przyzwoitka
rozwija białko i wpuszcza je do kanału w błonie, a po przeciwnej stronie błony białkowo-lipidowej inna przyzwoitka
odbiera transportowany łańcuch polipeptydowy i nadaje mu odpowiednią konformację). Bez udziału białek
opiekuńczych wiele procesów metabolicznych nie mogłoby przebiegać prawidłowo, a naprawienie popsutej
cząsteczki białka przekraczałoby możliwości komórki.
15
[ Pobierz całość w formacie PDF ]