B I O C H E M I A
Wydzia Lekarski i Oddzia Stomatologii
II rok
KIERUNEK LEKARSKI
Konspekty wykadów
Piotr Laidler
A M I N O K W A S Y i B I A K A
Aminokwasy (ogólny wzór zaliczanych do nich zwizków organicznych) i przykady rónych aminokwasów wystpujcych w organizmach ywych: alfa () [alanina, ornityna, cytrulina], beta () [-alanina], gamma () [kwas -aminomasłowy]
-aminokwasy biaek: 20 (21) kodowanych genetycznie, aktywne optycznie - szereg konfiguracyjny L- (L-stereoizomery), rónice si jedynie acuchami bocznymi
Podstawowe kryterium klasyfikacji aminokwasów - „powinowactwo” acuchów bocznych do wody: hydrofilowo w tym zdolno do dysocjacji (kwasowo, zasadowo); hydrofobowo. Wypadkowy adunek aminokwasów i ich acuchów bocznych w zalenoci od pH roztworu (zaleno Hendersona-Hasselbacha). Jony obojnacze - pI.
Przykady nie kodowanych genetycznie aminokwasów znajdowanych w biakach. S one pochodnymi aminokwasów podstawowych: hydroksylizyna, hydroksyprolina (kolagen), metylolizyna, metylohistydyna (miozyna mięœni) , fosfoseryna, fosfotreonina, fosfootyrozyna (wiele białek), kwas -karboksyglutaminowy (protrombina)
Tworzenie wizania peptydowego (reakcja kondensacji) i jego wasnoci: polaryzacja (koce N- i C-), planarno (sztywno), forma izomeryczna trans-, zdolno do tworzenia wiza wodorowych. Jednostka peptydowa. Konsekwencje jej istnienia dla struktury acucha polipeptydowego (polikondensatu - struktury makromolekularnej).
Peptydy (2-50 aminokwasów) a biaka (51- okoo 2000 aminokwasów). Najwicej biaek ma okoo 100-200 aminokwasów w acuchu.
Przykady peptydów o znaczeniu fizjologicznym:
tripeptydy - THR (tyreoliberyna); GSH - -Glu-Cys(SH)-Gly (zredukowany glutation)
pentapeptydy - Met- i Leu-enkefaliny - Tyr-Gly-Gly-Phe-Met(Leu) (opioidy)
oktapeptydy - angiotensyna II - Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe
nonapeptydy - cykliczne: ADH (wazopresyna) and oksytocyna
nonapeptydy - liniowe: bradykinina - Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg
dusze (do nie wicej ni 50 ak) - gastryna (17 ak), glukagon (29 ak)
8. Funkcje biaek:
a/ kataliza - enzymy - wicej ni 2000 znanych obecnie
b/ struktura - kolagen (do 25% cakowitej zawartoci biaka organizmów
wyszych); -keratyna skóry, wosów; keratyna i tubulina cytoszkieletu
c/ ruch (praca mechaniczna) - miozyna i aktyna mini; aktyna, dyneina i kinezyna
cytoszkieletu
d/ transport i magazynowanie - hemoglobina (O2), mioglobina (O2), transferyna (Fe+3),
ferrytyna (Fe+3), albumina surowicy krwi (kwasy tuszczowe, bilirubina, hormony
steroidowe, wiele leków)
e/ odporno - immunoglobuliny (przeciwciaa)
f/ regulacja podstawowych procesów yciowych - hormony, receptory, czynniki
transkrypcyjne i inne
9. Wielopoziomowa organizacja acucha polipeptydowego. Struktury:
a/ pierwszorzdowa - sekwencja aminokwasów w acuchu, determinuje wszystkie
wysze szczeble organizacji i funkcje biaek; podawana od N- do C- koca
b/ drugorzdowa - uoenie jednostek peptydowych wzgldem siebie w bezporednim
ssiedztwie (ssiadujce ze sob w sekwencji) ; wpyw niezmienników
strukturalnych acucha peptydowego - sztywno jednostek peptydowych, wybór
formy trans-, hybrydyzacja sp3 wgli alfa (C), moliwo ograniczonych rotacji
wokó wiza C--N i C--C ze wzgldu na zawady przestrzenne.
Kty torsyjne i . Diagram Ramachandrana.
Struktury drugorzdowe periodyczne (regularne) - jednakowe uoenie jednostek
peptydowych na pewnej dugoci acucha peptydowego. Preferowane
drugorzdowe struktury periodyczne ze wzgldu na ich stabilizacj wizaniami
wodorowymi - alfa helisa (helisa P) - prawoskrtna linia „rubowa” o skoku
0.54 nm, skrcie o 1000 wokó osi, 3.6 aminokwasach na skok oraz odlegoci 0.15
nm pomidzy poszczególnymi aminokwasami, stabilizowana wizaniami
wodorowymi pomidzy grupami NH i CO co czwartej kolejnej jednostki peptydowej
w obrbie danego odcinka acucha; struktura beta (harmonijka ) - bardziej
rozcignity acuch, periodyczno 0.7 nm o 2 aminokwasach z odlegoci
pomidzy nimi 3.5 nm, stabilizowana wizaniami wodorowymi pomidzy grupami
NH i CO jednostek peptydowych nalecych do dwóch odcinków acucha
biegncych wzgldem siebie równolegle lub antyrównolegle (czciej wystpujca);
zwrot beta (zagicie spinki do wosów) - ukad czterech aminokwasów, czsto z
prolin, stabilizowany wizaniami wodorowymi midzy 1 i 4 aminokwasem
powodujcy zawrócenie biegu acucha peptydowego - nie wystepuje w biakach
wókienkowych (fibrylarnych), obecny w biakach globularnych;
struktura poliproliny - modelowa struktura lewoskrtnej helisy o periodycznoci
- 0.96 nm, 3 aminokwasach na skok i odlegociami pomidzy nimi 0.3 - 0.32 nm
wystpujca w acuchach kolagenowych; struktura nieregularna - na danym
odcinku acucha kolejne jednostki peptydowe uoone s wzgldem siebie pod
innymi ktami torsyjnymi co wynika z rodzaju kolejnych aminokwasów i
uniemoliwia wytworzenie którejkolwiek ze wspomnianych struktur periodycznych -
czsto wystpuje w tych fragmentach biaek globularnych, które znajduj si
pomidzy odcinkami o regularnej strukturze drugorzdowej formujc tzw. ptle,
element funkcjonalny biaek eksponowany czsto na ich powierzchni i uczestniczcy
m.in. w specyficznych oddziaywaniach z innymi strukturami (ligandami biaek)
c/ struktura trzeciorzdowa - wzajemne uoenie reszt aminokwasowych czsto
oddalonych od siebie w sekwencji - rozpatrywana gównie w odniesieniu do biaek
globularnych. Nazywana równie trójwymiarow struktur biaka globularnego, jest
wynikiem pofadowania acucha polipeptydowego nie posiadajcego na caej swojej
dugoci jednego typu struktury drugorzdowej, w efekcie powstaje twór mniej lub
bardziej przypominajcy kul lub elipsoid, stabilizowany takimi oddziaywaniami
odwracalnymi (nie kowalencyjnymi) jak hydrofobowe i cay szereg o charakterze
elektrostatycznym - wodorowe, jonowe (mostki solne), van der Waalsa oraz
mostki dwusiarczkowe (powstajce w wyniku utlenienia grup -SH dwóch cystein)
W obrbie struktury trzeciorzdowej wyrónia si jeszcze: struktur
naddrugorzdow tzn. zoenia struktur drugorzdowych wystpujce w
rónych biakach - trój-, picio- lub wicej odcinkowe arkusze beta (bb..b. - n
równolege lub antyrównolege), , itp. a take tzw. domeny
charakteryzujce si kompletn struktur trzeciorzdow ale reprezentujce
fragment acucha polipeptydowego stanowicego dane biako globularne.
Pojcie domeny odnosi si te czsto do funkcji co oznacza, e dana domena
wystpuje w rónych biakach zachowujc zasadniczo swoj struktur i penic
wszdzie analogiczn rol. Receptory hormonów steroidowych posiadaj w jednym
acuchu polipeptydowym kilka domen - wic hormon, wic si z DNA
wic si z innymi biakami i aktywujc dziki temu ekspresj genu
d/ struktura czwartorzdowa - dotyczy biaek zbudowanych z wicej ni jedenego
acucha polipeptydowego, z których kady nazywany jest podjednostk (w
kontekcie funkcjonalnym czsto protomerem) czyli ten poziom struktury odnosi si
do tzw. biaek wielopodjednostkowych. Ich struktura stabilizowana jest zespoem
tych samych oddziaywa co struktura trzeciorzdowa z pominiciem w wielu
przypadkach mostków dwusiarczkowych
Porównanie sekwencji typowych biaek fibrylarnych (monotonno sekwencji, powtarzajce si zestawy aminokwasów, zdecydowana przewaga jednych aminokwasów nad innymi):
a/ kolagen [rodzina biaek tkanki cznej; typowe biako fibrylarne; wókna koagenowe
powstaj z poczenia tzw. wizaniami krzyowymi (m.in.aldolowymi - rezultat
wizania si utlenionych do aldehydu wgli acuchów bocznych lizyn) czsteczek
tropokolagenu; pojedyncza czsteczka tropokolagenu zbudowana jest z trzech
takich samych lub rónych acuchów (typu poliproliny II) zbudowanych z okoo
1000 ak kady i skrconych w form superhelisy prawoskrtnej o dugoci
wypadkowej okoo 300 nm; powtarzajcy si motyw strukturalny to sekwencja -
(Gly-X-Y)333- gdzie X moe by Pro a Y- Hypro, w efekcie zawarto Gly - 33%,
Pro i Hypro - 21% a Ala - 11%; poszczególne acuchy tworzce tropokolagen s
glikozylowane (Glc, Gal) na resztach hydroksylizyny jest to wiec zarazem przykad
glikoproteiny (nietypowej); do hydroksylacji Pro i Lys niezbdny jest askorbinian
(witamina C); Hypro uczestniczy w stabilizacji trójacuchowej struktury
tropokolagenu wizaniami wodorowymi, czsta obecno Gly pozwala na cise
skrcenie trzech acuchów w czsteczk tropokolagenu, jej MW okoo 285 kDa]]
b/ keratyna [rodzina biaek skóry i jej przydatków jak wosy czy paznokcie a take
cytoszkieletu; -keratyna to typowe biako fibrylarne zbudowane z dwóch
jednakowych lub rónych acuchów polipeptydowych, kady o strukturze -helisy,
skrconych wokó siebie w lewoskrtn superhelis (superhelikaln lin); posiadaj 7
aminokwasowy, wielokrotnie powtarzajcy si motyw strukturalny a-b-c-d-e-f-g
(tzw. heptada) z hydrofobowymi ak w pozycjach a i d (w strukturze -helisy
tworz apolarn krawdz) i hydrofilowymi w pozostaych co daje przy zwijaniu si
dwóch acuchów wokó siebie hydrofobowe wntrze superhelisy, oraz dochodzc
w niektórych keratynach nawet do 18% zawarto cysteiny, która tworzc mostki
dwusiarczkowe m.in. wzmacnia ich stabilno i rzutuje na ostateczny ksztat
tworzonych struktur (np. wosy)]
i globularnych (rónorodno aminokwasów budujcych dane biako, wszystkie aminokwasy s w nim reprezentowane):
c/ insulina [51 ak, dwa acuchy A (21 ak) i B (30 ak) poczone dwoma mostkami
dwusiarczkowymi w pozycjach A7-B7 i A20-B19, struktura -helisy stanowi okoo
57%, harmonijki 6%, zwrot 10% i struktura nieregularna 27%, MW okoo 6
kDa]
d/ mioglobina [153 ak, jeden acuch polipeptydowy zawierajcy osiem odcinków -
helikalnych A do H angaujcych wicej ni 75% aminokwasów, typowe zoone
biako o strukturze trzeciorzdowej, posiada jako komponent nie biakow silnie
zwizany w hydrofobowej niszy (kieszeni) hem nadajcy biaku zdolno
przyczania O2, MW okoo 17.8 kDa]
e/ rybonukleaza A [124 ak, jeden acuch polipeptydowy zawierajcy zarówno
fragmenty struktury -helisy (24%) jak i harmonijki (35%), istotnym czynnikiem
stabilizujcym jej struktur s cztery mostki dwusiarczkowe, typowe biako proste o
strukturze trzeciorzdowej, enzym, istotna rol w aktywnoci odgrywaj dwie
histydyny, MW okoo 13.7 kDa]
f/ hemoglobina [typowe biako o strukturze czwartorzdowej - jej struktura i funkcja s
przedmiotem osobnego, szczegóowego omówienia]
Biaka proste (zbudowane wycznie z aminokwasów) i biaka zoone (posiadaj oprócz czci biakowej, aminokwasowej cz nie biakow (glikoproteiny - wglowodan, lipopropteiny - lipid, hemoproteiny - hem lub inn niskoczsteczkow struktur organiczn - n.p. enzymy)
Natywna struktura biaka jest tylko „marginalnie” trwaa, stabilna. Denaturacja - utrata funkcji biologicznej biaka w wyniku niszczenia natywnej struktury biaka w efekcie zerwania oddziaywa stabilizujcych struktur czwartorzdow, trzeciorzdow lub rzadziej drugorzdow bez naruszenia wiza peptydowych. Czynniki denaturujce - temperatura, mocznik (w wysokim steniu), solwenty organiczne, wysokie i niskie wartoci pH, sole metali cikich jak rt czy oów, zwizki redukujce mostki dwusiarczkowe i inne. Denaturacja i renaturacja na przykadzie rybonukleazy - znaczenie stabilizacji struktury natywnej biaka (uzyskiwanej w procesie szeroko rozumianej jego biosyntezy) dla penienia okrelonej dan struktur funkcji