Biochemia może być zdefiniowana jako nauka dotycząca chemicznych podstaw życia (gr. bios
– „życie”).
Komórka jest strukturalną jednostką żywych organizmów, a zatem biochemia może być
również określona jako nauka opisująca chemiczne składniki żywych komórek oraz za-
chodzące w komórkach reakcje i procesy.
Zgodnie z tą definicją biochemia obejmuje rozległe obszary biologii komórki, biologii mole-
kularnej oraz genetyki molekularnej.
Zadaniem biochemii jest opisanie i wyjaśnienie na poziomie molekularnym wszystkich proce-
sów chemicznych zachodzących w żywych komórkach.
Głównym celem biochemii jest dogłębne poznanie na poziomie molekularnym wszystkich
procesów chemicznych związanych z życiem komórki.
Aby wypełnić to zadanie, biochemicy usiłują wyizolować liczne cząsteczki znajdujące się w
komórkach, określić ich strukturę i zbadać, jak funkcjonują.
AMINOKWASY, PEPTYDY I BIAŁKA
Białka są podstawowymi składnikami komórek, macierzy komórkowej i płynów ustrojowych.
Stanowią one około 10% masy ciała ludzkiego.
Ponad połowa z nich występuje w mięśniach szkieletowych. Są zbudowane z reszt aminokwa-
sowych zespolonych specyficznymi wiązaniami kowalencyjnymi, określanymi mianem wiązań
peptydowych.
Ich właściwości biologiczne zostały dość dobrze poznane. Wszelkie zmiany w zawartości róż-
nych białek w tkankach i w płynach ustrojowych, bądź nieprawidłowości w ich strukturze, są
przyczynami różnych objawów chorobowych.
Specyficzna struktura, właściwości i funkcje białek są zdeterminowane przez ich skład ami-
nokwasowy, sekwencję (kolejność) reszt aminokwasowych oraz sposób ich powiązania.
Z tego powodu rozważania nad biochemią białek muszą być poprzedzone poznaniem budowy
i właściwości aminokwasów.
Istnieje grupa związków biologicznie ważnych, zwanych peptydami, których skład i zasadni-
czy plan budowy odpowiada białkom, jednak różnią się one od białek mniejszą liczbą reszt
aminokwasowych, a tym samym wielkością cząsteczki i prostszą strukturą przestrzenną.
Z powyższych względów budowa, właściwości i funkcje aminokwasów, peptydów i białek są
przedmiotem rozważań w tym wykładzie.
AMINOKWASY
Aminokwasy są pochodnymi kwasów organicznych, w których co najmniej jeden z atomów
wodoru jest podstawiony grupą aminową.
Tylko 20 spośród 300 poznanych aminokwasów występuje powszechnie w białkach. Noszą
one nazwę aminokwasów białkowych.
Każdy z nich (z wyjątkiem proliny) ma grupę aminową związaną z węglem α.
Pozostałe aminokwasy pełnią inne funkcje.
Trzy z nich: hydroksyprolina, hydroksylizyna, γ-karboksyglutaminian, występują tylko w
nielicznych białkach, inne spotyka się w niektórych peptydach, w połączeniach niebiałko-
wych lub w postaci wolnej.
Struktura i systematyka aminokwasów białkowych
Każdy aminokwas białkowy (z wyjątkiem proliny) cechuje się jednakowym układem podstaw-
ników przy węglu α.
Są to grupa aminowa, grupa karboksylowa, atom wodoru i łańcuch boczny o różnej budowie,
który oznacza się symbolem R (ryc.2.1).
W fizjologicznym pH (około 7,4) większość grup karboksylowych jest zdysocjowana, tworzy
anion: - COO-, a większość grup aminowych wiąże H+, tworząc kation: -NH+
3
.
Dominującą formą aminokwasu jest, więc jon obojnaczy, będący nośnikiem przeciwstawnych
ładunków elektrycznych.
Dlatego do celów dydaktycznych przyjęto jako regułę zapisywanie wzorów strukturalnych
aminokwasów z grupą aminową w postaci kationowej: - NH+
3
i grupą karboksylową w postaci
anionowej: - COO- (ryc.2.1).
Rys. 2.1. Ogólny wzór aminokwasu w postaci wolnej
od ładunku elektrycznego (A) i w postaci jonu oboj-
naczego (B).
R – łańcuch boczny
Struktura łańcucha bocznego decyduje o roli aminokwasu w białku.
Z tego względu użyteczny jest podział aminokwasów na kilka grup, zależnie od charakteru ich
łańcuchów bocznych, biorąc za podstawę podziału ich polarność oraz ładunek elektryczny.
Aminokwasy z łańcuchami niepolarnymi
Do tej grupy aminokwasów należą: alanina, leucyna, izoleucyna, fenyloalanina, tryptofan,
metionina i (nietypowy aminokwas) prolina, która zamiast grupy α-aminowej ma grupę
iminową =N-H, wbudowaną w strukturę pierścienia pirolidynowego.
Do tej samej grupy zalicza się również glicynę, chociaż aminokwas ten nie ma bocznego
łańcucha węglowodorowego, a jego miejsce zajmuje atom wodoru (ryc.2.2).
Rys. 2.2. Aminokwasy z niepolarnymi łańcuchami bocznymi.
Łańcuchy boczne tej grupy aminokwasów nie mają żadnych grup funkcyjnych.
Nie oddają, ani nie przyłączają protonów, nie uczestniczą w tworzeniu wiązań jonowych ani
wodorowych.
Są hydrofobowe; nie wiążą wody, mogą natomiast uczestniczyć w tworzeniu wiązań hydrofo-
bowych.
Hydrofobowy charakter łańcuchów bocznych aminokwasów niepolarnych, wbudowanych do
białka, ujawnia się w środowisku wodnym.
Łańcuchy te unikają kontaktu z wodą, przylegają nawzajem do siebie, kierując się ku wnę-
trzu cząsteczki białkowej.
W środowisku wodnym zachowują się jak kropelki oleju, które łączą się ze sobą w większe
krople, zmniejszając sumaryczną powierzchnię ich kontaktu z wodą.
Niepolarne grupy R wypełniają wnętrze
sfałdowanej cząsteczki białkowej, two-
rzą między sobą wiązania hydrofobowe,
co pozwala białku na stabilizację jego
struktury-ry przestrzennej.
Natomiast w bezwodnym środowisku
lipidowym, np. w błonach biologicz-
nych, hydrofobowe łańcuchy boczne
aminokwasów niepolarnych są skiero-
wane na powierzchnię cząsteczki biał-
ka, wchodząc w reakcję z lipidowym
środowiskiem hydrofobowym.
Aminokwasy z łańcuchami polarnymi bez ładunku
Do tej grupy aminokwasów należą: seryna, treonina, tyrozyna, asparagina, cysteina i
glutamina (ryc. 2.3.).
Łańcuchy boczne aminokwasów, w fizjologicznym pH, wykazują zerowy ładunek elektryczny,
ale w środowisku alkalicznym grupa –SH cysteiny i grupa –OH tyrozyny mogą odłączać pro-
tony.
Seryna, treonina i tyrozyna zawierają grupy hydroksylowe, które mogą uczestniczyć w
tworzeniu wiązań wodorowych.
Rys. 2.3. Aminokwasy z polarnymi łańcuchami bocznymi bez ładunku elektrycznego.
Łańcuchy boczne cysteiny zawierają grupy sulfhydrylowe (-SH), które są ważnym elementem
składowym miejsc aktywnych wielu enzymów.
W białkach grupy –SH dwu reszt cysteilowych mogą utleniać się, tworząc dimer zwany cy-
styną, zespolony poprzez wiązanie kowalencyjne, zwane mostkiem dwu-siarczkowym lub
disulfidowym.
Mostki takie mają istotne znaczenie w stabilizacji struktury przestrzennej białek (ryc.2.4).
Rys. 2.4. Wiązanie dwu cząsteczek cysteiny
poprzez mostek dwusiarczkowy. Tak powstaje
cystyna.
Grupy hydroksylowe (-OH) reszt seryny, treoniny
i tyrozyny – wbudowanych do białka – mogą być
miejscem wiązania fosforanu.
Proces ten nosi nazwę fosforylacji białek. Łań-
cuch boczny seryny jest ważnym składnikiem
miejsc aktywnych wielu enzymów.
Grupa amidowa asparaginy oraz grupy hydrok-
sylowe seryny, treoniny i hydroksylizyny mogą
być miejscem wiązania składników cukrowych.
Proces ten nosi nazwę glikozylacji białek.
Należy zwrócić uwagę na fakt, że grupa –NH
2
,
związana amidowo w asparaginie i glutaminie,
nie wiąże protonu.
W fizjologicznym przedziale pH nie jest nośnikiem ładunku elektrycznego.
Aminokwasy z łańcuchami kwasowymi
Tylko dwa aminokwasy należą do tej grupy. Są to kwas asparaginowy i kwas glutaminowy
(ryc. 2.5).
Łańcuchy boczne tych aminokwasów zawierają grupy karboksylowe, dysocjujące z uwolnie-
niem H+.
W obojętnym pH ulegają one pełnej jonizacji i stają się nośnikami ładunku ujemnego (-COO-).
Z tego powodu zasadne jest używanie nazwy asparaginian, na określenie kwasu asparagino-
wego i glutaminian, na określenie kwasu glutaminowego.
Chociaż te pierwsze nazwy są poprawne, na ogół używa się tych drugich.
Wnoszą one bowiem istotne informacje o tych aminokwasach.
Wskazują, iż w środowisku o fizjologicznej wartości pH są one anionami: asparaginianowym
i glutaminianowym.
Takie nazewnictwo ma zastosowanie wyłącznie
do tych dwóch aminokwasów.
Rys. 2.5. Aminokwasy z polarnymi łańcuchami
bocznymi, obdarzonymi ładunkiem ujemnym.
Aminokwasy z łańcuchami zasadowymi
Do tej grupy aminokwasów należą: lizyna, arginina, histydyna (ryc. 2.6).
Ich łańcuchy boczne zawierają grupy wiążące protony.
Rys. 2.6. Aminokwasy z polar-
nymi
łańcuchami
bocznymi,
obdarzonymi ładunkiem dodat-
nim.
Są to grupa ε-aminowa lizyny,
grupa guanidynowa argininy i
pierścień imidazolowy histydyny.
W fizjologicznych warunkach pH
łańcuchy boczne lizyny i argini-
ny są naładowane dodatnio.
W przeciwieństwie do nich,
łańcuch boczny histydyny ma
słabe właściwości za-sadowe, w fizjologicznych warunkach pH większość cząsteczek nie jest
naładowana.
Jednak w sytuacji, gdy histydyna wbuduje się do białka, jej pierścień imidazolowy ładuje się
dodatnio lub pozostaje elektrycznie obojętny, zależnie od środowiska jonowego, w którym
znajduje się białko.
Aminokwasy rzadko występujące w białkach
Niektóre białka, oprócz wymienionych 20 aminokwasów białkowych zawierają dodatkowe
aminokwasy.
Do nich należą przede wszystkim: hydroksyprolina i hydroksylizyna, a w mniejszej ilości
także kwas γ-karboksyglutaminowy, który w postaci anionowej nosi nazwę γ-
karboksyglutaminianu (ryc.2.7).
Jakkolwiek występują one w białkach, nie są wymieniane wśród 20 aminokwasów białko-
wych.
Dzieje się tak dlatego, iż nie wbudowują się one do łańcucha białkowego w trakcie jego bio-
syntezy.
Powstają (odpowiednio) w wyniku, hydroksylacji reszt proliny i lizyny lub karboksylacji reszt
glutaminianu już wbudowanych do biał-
ka.
Rys. 2.7. Aminokwasy rzadko występują-
ce w białkach.
Hydroksyprolina
występuje
niemal
wyłącznie w kolagenie i w elastynie,
natomiast hydroksylizyna występuje
tylko w kolagenie.
Biorąc pod uwagę fakt, iż kolagen stano-
wi ponad 30% białek ustrojowych, za-
wartość hydroksyproliny i hydroksylizyny
w organizmie jest dość wysoka.
Trzeci
z
tych
aminokwasów,
γ-
karboksyglutaminian,
występuje
w
białkach osoczowych uczestniczących w
procesie krzepnięcia krwi.
Symbolika aminokwasów białkowych
Każdemu aminokwasowi białkowemu
przypisano symbol trójliterowy i symbol
jednoliterowy.
Symbole trójliterowe to najczęściej pierw-
sze trzy litery nazwy anglojęzycznej po-
szczególnych aminokwasów.
Wyjątkami są amid kwasu glutaminowe-
go: glutamina (Gln) i amid kwasu aspa-
raginowego: asparagina (Asn).
Symbol jednoliterowy – to pierwsza
litera nazwy anglojęzycznej w sytuacji,
gdy tylko jeden aminokwas rozpoczyna się od tej litery.
Jeżeli więcej niż jeden aminokwas rozpoczyna się od danej litery, wówczas pierwszą literę
nazwy przypisuje się temu aminokwasowi, który występuje najczęściej.
Alanina występuje częściej niż arginina, dlatego przypisano jej symbol A.
To samo uczyniono wobec kilku innych aminokwasów najobficiej występujących: glicyny (G),
leucyny (L), treoniny (T).
Wszystkie one noszą symbole jednoliterowe, identyczne z pierwszą literą ich nazwy.
Natomiast inne aminokwasy o nazwach rozpoczynających się od tych liter noszą inne symbo-
le: np. glutaminian (E), lizyna (K), a tyrozyna (Y).
Wykaz aminokwasów białkowych oraz ich symboli przedstawia
tabela 2.1.
Aminokwasom niewbudowującym się bezpośrednio do peptydów i białek, a po-wstającym na
drodze hydroksylacji peptydowo związanych reszt proliny (P) i lizyny (K), nie nadano odręb-
nych symboli jednoliterowych, lecz przypisano im symbole macierzystych aminokwasów ze
znakiem #, odpowiednio: P# i K#.
W niektórych przypadkach zawartość asparaginianu i jego amidu asparaginy przedstawia się
łącznie.
Stosuje się wtedy symbol trójliterowy Asx lub symbol jednoliterowy B.
Oznacza to, iż aminokwas oznaczony tym symbolem jest asparaginianem lub asparaginą,
albo mieszaniną obydwu.
Podobnie jest z glutaminianem i glutaminą.
Symbol trójliterowy Glx lub symbol jednoliterowy Z oznaczają glutaminian bądź glutaminę,
albo obydwa aminokwasy łącznie.
Czyni się tak zazwyczaj, gdy nie wiadomo, czy dany materiał zawiera asparaginian lub gluta-
minian, czy też amid odpowiedniego aminokwasu: asparaginę lub glutaminę.
Symbole trójliterowe i jednoliterowe są powszechnie stosowane do przedstawiania kolejno-
ści (sekwencji) aminokwasów w peptydach i w białkach.
Aminokwasy niebiałkowe
Większość aminokwasów występujących w przyrodzie nie uczestniczy w tworzeniu białek.
Noszą one nazwę aminokwasów niebiałkowych.
Wiele z nich pełni bardzo istotne funkcje biologiczne:
niektóre są hormonami (tyroksyna, trijodotyronina),
wchodzą w skład koenzymu A (β-alanina),
uczestniczą w przebiegu cyklu mocznikowego (ornityna i cytrulina),
pełnią funkcję przekaźnika sygnałów w centralnym układzie nerwowym (kwas γ-
aminomasłowy),
są metabolitami pośrednimi, powstającymi w trakcie przemiany aminokwasów siar-
kowych (homocysteina i homoseryna) (ryc.2.8).
Rys. 2.8. Aminokwasy niewystępujące
w białkach.
Właściwości optyczne aminokwasów
Aminokwasy są związkami optycznie
czynnymi.
Ich roztwory skręcają płaszczyznę
światła spolaryzowanego. Węgiel α
każdego aminokwasu, z wyjątkiem
glicyny, jest węglem asymetrycznym.
Wiąże cztery różne podstawniki.
Glicyna jest wyjątkiem, ponieważ dwie
spośród czterech wartościowości węgla
α są podstawione atomami wodoru.
Nie zawiera węgla asymetrycznego,
jest więc optycznie nieczynna.
Aminokwasy otrzymane drogą syntezy chemicznej występują w formie dwóch izomerów op-
tycznych D i L.
Taka mieszanina nosi nazwę racematu aminokwasów.
Niemal wszystkie naturalne aminokwasy występujące w organizmach wyższych należą do
szeregu L.
Aminokwasy szeregu D występują sporadycznie.
Spotyka się je przede wszystkim w ścianach komórek bakteryjnych i w niektórych antybioty-
kach.
Amfoteryczne właściwości aminokwasów
Aminokwasy w środowisku wodnym wykazują właściwości słabych kwasów i słabych zasad.
Są więc zaliczane do związków amfoterycznych.
Właściwości kwasowe aminokwasów wynikają z obecności grupy α-karboksylowej, a w przy-
padku asparaginianu i glutaminianu, są one potęgowane przez grupy karboksylowe zawarte
w łańcuchach bocznych.
Właściwości zasadowe nadaje aminokwasom grupa α-aminowa.
W przypadku kilku aminokwasów są one potęgowane przez niektóre elementy składowe łań-
cuchów bocznych, jak grupa ε-aminowa lizyny, pierścień imidazolowy histydyny czy grupa
guanidynowa argininy.
Grupa α-karboksylowa dysocjuje, uwalniając proton (H+) przechodząc w anion: -COO-.
Tę samą właściwość mają grupy karboksylowe zawarte w łańcuchach bocznych asparaginia-
nu i glutaminianu.
Grupa α-aminowa wiąże proton, przechodząc w kation: -NH+3.
Tę samą właściwość mają: grupa ε-aminowa lizyny, pierścień imidazolowy histydyny i grupa
guanidynowa argininy.
Środowisko kwaśne sprzyja wiązaniu protonów przez grupy aminowe, pierścień imidazolowy i
grupę guanidynową, natomiast środowisko zasadowe sprzyja uwalnianiu (dysocjacji) proto-
nów z grup karboksylowych.
Z tego powodu aminokwas w środowisku kwaśnym jest kationem, w środowisku zasadowym
jest anionem.
Istnieje pewna pośrednia wartość pH, przy której aminokwas staje się jonem obojnaczym, a
jego wypadkowy ładunek elektrostatyczny równa się 0.
Takie pH nazywane jest punktem izoelektrycznym (pI) aminokwasu, a jego wartość jest bar-
dzo zróżnicowana, zależnie od charakteru łańcucha bocznego.
Dla aminokwasów niepolarnych wynosi około 6, dla aminokwasów polarnych z łańcuchem
kwasowym około 3, dla aminokwasów polarnych z łańcuchem zasadowym (z wyjątkiem histy-
dyny) około 10.
Amfoteryczne cechy aminokwasów sprawiają, iż mają one właściwości buforują-ce, stabilizują
pH.
Jeżeli do roztworu aminokwasu zostaną wprowadzone jony H+, będą one wiązane przez grupy
–NH2.
Powstaną dodatnio naładowane grupy -NH+3. Dodatek zasady (OH-) powoduje odłączenie
protonów (H+) z grup –COOH.
Odłączony H+ reaguje z OH-. Powstaje H2O.
Wynika stąd, że aminokwas zobojętnia zarówno jony H+, jak i OH-.
Biologiczne znaczenie aminokwasów
Aminokwasy są przede wszystkim elementami składowymi peptydów i białek.
Uczestniczą w budowie centrów katalitycznych enzymów.
Są substratami, z których powstają niektóre hormony, jak adrenalina, noradrenalina, tyrok-
syna, trijodotyronina, histamina, serotonina, dopamina, melatonina.
Niektóre aminokwasy są wbudowywane do barwników biologicznych: melaniny i hemu.
Inne uczestniczą w syntezie drobnocząsteczkowych składników enzymów – zwanych koenzy-
mami – np. koenzym A lub kwas tetrahydrofoliowy.
Pewne z nich są przekształcane w przekaźniki sygnałów nerwowych – zwane neurotransmite-
rami – np. acetylocholina czy kwas γ-aminomasłowy.
Niektóre aminokwasy są substratami zużywanymi w biosyntezie puryn i pirymidyn – zasad
występujących w nukleotydach i kwasach nukleinowych.
Z aminokwasów powstają niektóre elementy składowe fosfolipidów.
Siarka zawarta w aminokwasach jest utleniana do siarczanu, a ten uczestniczy w procesach
detoksykacji lub w syntezie niektórych polisacharydów (siarczanowych glikozoaminoglika-
nów).
Ponadto, szkielety węglowodorowe aminokwasów są zużywane do substratów energetycznych:
glukozy lub ciał ketonowych.
PEPTYDY
Aminokwasy wiążą się ze sobą poprzez reakcję grupy α-karboksylowej z grupą α-aminową.
Powstaje wiązanie peptydowe, odłącza się cząsteczka wody.
Połączenie dwóch aminokwasów daje dipeptyd (ryc.2.11).
Rys. 2.11. Powstawanie wiązania peptydowego w wyniku reakcji grupy karboksylowej i grupy
aminowej dwóch aminokwasów.
Połączenie kilku do kilkunastu aminokwasów tworzy oligopeptyd (gr. oligo – kilka).
Dłuższe peptydy, zawierające po kilkadziesiąt reszt aminokwasowych, noszą nazwę polipepty-
dów.
Nie ustalono powszechnie obowiązującej granicy między oligo- i polipeptydami.
Podobnie jak w przypadku omówionych już peptydów, zasadniczy szkielet całej cząsteczki
białkowej stanowią powtarzające się w łańcuchu polipeptydowym elementy strukturalne -
CH-CO-NH-, składające się z węgla α oraz wiązania peptydowego (-CO-NH-).
Łącząc te elementy ze sobą, równocześnie dopisując do węgli α rodniki aminokwasowe (R),
otrzymujemy łańcuch polipeptydowy białka w postaci linii zygzakowatej (rys. 2.4.)
O takim kształcie łańcucha peptydowego decyduje sposób ułożenia atomów w wiązaniu pep-
tydowym.
Wiązania tego nie można przedstawić za pomocą jednego wzoru, gdyż elektrony wiązania C=O
oraz wolnej pary elektronowej przy atomie azotu (N:) nie są zlokalizowane.
Przegrupowanie elektronów (delokalizacja) w obrębie wiązania peptydowego po-woduje, że
staje się ono polarne i może występować przynajmniej w dwóch formach tautomerycznych.
Z danych eksperymentalnych wy-
nika, że wiązanie C-N ma w ok.
40% charakter wiązania podwójne-
go, a wiązanie C-O w ok. 60%.
Wytworzenie wiązania podwójnego
pomiędzy C i N nadaje wiązaniu peptydowemu znaczną sztywność oraz sprawia, że wszystkie
jego cztery atomy (CO i NH) są rozmieszczone w tej samej płaszczyźnie.
Ustalono ponadto, że oba atomy węgli α również leżą w płaszczyźnie wiązania peptydowego,
ale są rozmieszczone najczęściej w pozycji trans w stosunku do wiązania C-N.
Przedstawiony na rysunku 2.4 fragment łańcucha polipeptydowego w formie linii zygzakowa-
tej jest już maksymalnie rozciągnięty.
Łańcuch ten nie jest całkowicie sztywny, gdyż pojedyncze wiązania przy atomach węgla α
umożliwiają swobodny ruch obrotowy.
W tych miejscach łańcuch polipeptydowy białka może się zginać lub zwijać.
Rys. 2.4. Schemat łań-
cucha polipeptydowego.
W przypadku proliny i
hydroksyproliny wiąza-
nie peptydowe powstaje
poprzez
interakcję
grupy iminowej z grupą
karboksylową innego aminokwasu.
Ma ono specyficzną budowę.
Azot grupy iminowej jest trwale wbudowany w strukturę pierścienia pirolidynowego.
Nie zawiera podstawnika wodorowego.
Nie ma możliwości rotacji względem wiązań powstałych z udziałem tego azotu.
Aminokwasy uczestniczące w tworzeniu peptydu tracą fragmenty cząsteczek: –OH z grupy
karboksylowej i H z grupy aminowej, które odłączają się w postaci wody.
Prawdopodobnie dlatego aminokwasy zawarte w peptydach i białkach noszą na-zwę reszt
aminokwasowych (ryc. 2.13).
Nazwy poszczególnych reszt aminokwasowych nie są jednobrzmiące z nazwami aminokwa-
sów, chociaż zachowują rdzeń nazwy.
Można używać zamienienie terminów: np. reszta proliny lub reszta prolilowa, reszta lizyny lub
reszta lizylowa, reszta histydyny lub reszta histydylowa (ryc. 2.13).
Niepoprawnymi natomiast są nazwy: reszta „prolinowa”, reszta „lizynowa” czy reszta „histy-
dynowa”.
Peptydy są strukturami nierozgałęzionymi.
Mają dwa charakterystyczne końce.
Na jednym z nich występuje aminokwas z wolną
grupą α-aminową.
Nosi ona nazwę końca aminowego lub końca N, a
aminokwas będący nośnikiem tej grupy nazywa się
aminokwasem N-końcowym.
Rys. 2.13. Aminokwasy i reszty aminokwasowe.
Wzór ogólny i wybrane przykłady.
Na drugim końcu występuje aminokwas z wolną
grupą α-karboksylową.
Nosi on nazwę końca karboksylowego lub końca C,
natomiast aminokwas będący nośnikiem tej grupy
nosi nazwę aminokwasu C-końcowego (ryc.2.14).
Grupa karboksylowa aminokwasu C-końcowego
może wejść w reakcję z grupą aminową aminokwasu
N-końcowego.
Tą drogą peptyd liniowy przekształca się w peptyd
pierścieniowy, czyli cykliczny, nieposiadający końca
aminowego ani końca karboksylowego (ryc. 2.14).
Nie ma on możliwości przyłączania dalszych reszt aminokwasowych.
Rys. 2.14. Peptyd złożony z czterech reszt aminokwasowych
A – liniowy z końcem aminowym i karboksylowym
B – cykliczny – bez wspomnia-
nych końców
.
Nazewnictwo peptydów
Nazwę peptydu rozpoczyna się
od nazwy reszty aminokwasu
N-końcowego, potem wymienia
się nazwy kolejnych reszt ami-
nokwasowych, a kończy się
nazwą
aminokwasu
C-
końcowego w jej oryginalnym
brzmieniu.
Na przykład: dipeptyd złożony z
cysteiny z wolną grupą –NH2 (-
NH3+) i treoniny z wolną grupą
COOH (-COO-) to cysteinylotre-
onina.
Natomiast dipeptyd złożony z tych samych aminokwasów, lecz połączonych w odwrotnej
kolejności, to treonylo-
cysteina (ryc. 2.15).
Rys. 2.15. Cysteinylotreo-
nina i treonylocysteina –
różne peptydy powstałe z
tych samych aminokwa-
sów.
Kolejność
(sekwencję)
aminokwasów w pepty-
dach zapisuje się za po-
mocą symboli trójlitero-
wych lub jednoliterowych, omówionych wcześniej.
Na przykład, peptyd o sekwencji aminokwasowej: Arg-Lys-Val-Leu (RKVL), to arginylo-lizylo-
walilo-leucyna.
Natomiast peptyd o identycznym składzie, lecz o odwrotnej sekwencji aminokwasowej: Leu-
Val-Lys-Arg (LVKR), to leucylo-walilo-lizylo-arginina.
W nazewnictwie peptydów – szczególnie tych o krótkim łańcuchu – uwzględnia się liczbę reszt
aminokwasowych.
Na przykład nazwy: dipeptyd, tripeptyd, tetrapeptyd, pentapeptyd, oznaczają peptydy zawie-
rające odpowiednio: dwie, trzy, cztery, pięć reszt aminokwasowych.
Peptydom biologicznie ważnym przypisano odpowiednie nazwy zwyczajowe, wy-mienione w
dalszej części niniejszego wykładu.
Peptydy pełniące funkcje biologiczne
Glutation jest tripeptydem o nietypowej strukturze.
Składa się z glutaminianu, cysteiny i glicyny.
Unikatowy charakter struktury glutationu wynika z odmiennego sposobu wiązania gluta-
minianu, jako aminokwasu N-końcowego.
Wiązanie glutaminianu z grupą aminową cysteiny zachodzi bez udziału jego grupy α-
karboksylowej.
W przeciwieństwie do innych peptydów i białek wiązanie peptydowe między Glu i Cys two-
rzy się z udziałem grupy γ-karboksylowej glutaminianu.
Glutation jest, więc γ-glutamylo-cysteinylo-glicyną.
Glutaminian, jako aminokwas N-końcowy, zawiera zarówno wolną grupę α-aminową i wolną
grupę α-karboksylową.
Peptyd ten występuje w formie zredukowanej i utlenionej.
Glutation zredukowany posiada wolną grupę sulfhydrylową (-SH).
Glutation utleniony powstaje poprzez utlenienie (odłączenie pary atomów wodo-ru) od grup –
SH dwu cząsteczek glutationu zredukowanego.
Atomy siarki pozbawione wodoru wiążą się ze sobą, tworząc mostek dwusiarczkowy, zwany
także mostkiem disulfidowym.
Powstaje glutation utleniony (ryc. 2.16).
Zdolność glutationu do przechodzenia na przemian w stan utleniony i zredukowany jest nie-
zwykle ważna w procesach oksydacyjno-
redukcyjnych.
Rys. 2.16. Wzór strukturalny glutationu (A)
oraz wzajemne przechodzenie jego formy
zredukowanej (B) w formę utlenioną (C).
Oksytocyna i wazopresyna są nanopepty-
dami produkowanymi przez tylny płat przy-
sadki mózgowej.
Różnią się jedynie dwoma aminokwasami.
Cysteina występująca w pozycji 4 i 9 wytwa-
rza wewnątrzcząsteczkowy mostek dwu-
siarczkowy (ryc. 2.17).
Oksytocyna jest hormonem pobudzającym
czynność skurczową macicy w okresie poro-
du.
Natomiast wazopresyna, zwana inaczej
adiuretyną, pobudza resorpcję wody w ka-
nalikach nerkowych, a w dawkach farmako-
logicznych kurczy naczynia krwionośne i
podnosi ciśnienie tętnicze.
Rys. 2.17. Oksytocyna i wazo-
presyna. Mostek dwusiarczkowy
między resztami cysteiny w
pozycjach 4 i 9 stanowi „klamrę”
spinającą fragment łańcucha
peptydowego w strukturę pier-
ścieniową.
Formalnie nie ustalono granicy między peptydem a białkiem.
Zwyczajowo uważa się, że peptyd (polipeptyd) zawiera do 100 reszt aminokwasowych, co
odpowiada masie cząsteczkowej około 10 kDa.
Z tego powodu do peptydów należy zaliczyć także niektóre hormony, np. parathormon, kalcy-
tonina, glukagon, insulina czy hormon adrenokortykotropowy (ACH).
BIAŁKA
Białka są wielkocząsteczkowymi produktami powstałymi poprzez interakcję grup α-
karboksylowych z grupami α-aminowymi aminokwasów z wytworzeniem wiązań peptydo-
wych, omówionych wcześniej.
Nie ma formalnej granicy między peptydami i białkami.
Zwyczajowo uznaje się, że produkt zawierający ponad 100 reszt aminokwasowych i wykazują-
cy masę cząsteczkową 10 kDa jest białkiem.
W skład jednego łańcucha białkowego wchodzi od 100 do 1000 (niekiedy więcej) reszt amino-
kwasowych.
Masa cząsteczkowa większości białek (a ściślej pojedynczych łańcuchów białkowych) waha się
od 10 do 100 kDa.
Nieliczne z nich osiągają masę cząsteczkową około 1000 kDa.
W większości białek występuje 20 aminokwasów.
Nieliczne białka (przede wszystkim kolagen) zawierają dodatkowo hydroksyprolinę i hydroksy-
lizynę, a niektóre białka osoczowe – uczestniczące w krzepnięciu krwi – zawierają jeszcze γ-
karboksyglutaminian.
Struktura białek jest pojęciem bardzo złożonym.
Obejmuje ona sposób powiązania ze sobą poszczególnych aminokwasów, ich kolejność (czyli
sekwencję), sposób przestrzennego pofałdowania łańcuchów białkowych oraz możliwość wza-
jemnego wiązania się ze sobą dwóch lub większej liczby łańcuchów w jedną cząsteczkę.
Rozróżnia się cztery podstawowe typy (poziomy) struktur białka.
Są to struktury: pierwszorzędowa, drugorzędowa, trzeciorzędowa i czwartorzędowa.
Trzy ostatnie są określane wspólną nazwą: konformacja białka.
Struktura pierwszorzędowa białek
Struktura pierwszorzędowa określa sekwencję, czyli kolejność reszt aminokwasowych w łań-
cuchu białkowym.
Poszczególne reszty aminokwasowe są połączone kowalencyjnie poprzez wiązania peptydowe.
Schemat struktury pierwszorzędowej przedstawia ryc. 2.18.
Rys. 2.18. Schemat struktury pierwszorzędowej łańcucha białkowego. Symbolami R1,
R2………oznaczono łańcuchy boczne kolejnych reszt aminokwasów.
Jakkolwiek w białku występuje tylko 20 aminokwasów, to liczba ich kombinacji jest niezwy-
kle wysoka.
Przy długości łańcucha, odpowiadającej 100 resztom aminokwasowym, liczba możliwych
kombinacji wynosi 20100.
Wartość ta narasta w miarę zwiększania się długości łańcucha białkowego.
Łańcuch złożony z 1000 reszt aminokwasowych stwarza możliwość 201000 wzajemnych
kombinacji tych 20 aminokwasów. Są to liczby niewyobrażalne duże.
Jednak w białkach występują tylko niektóre, spośród teoretycznie możliwych sekwencji ami-
nokwasowych.
Rozmieszczenie reszt aminokwasowych wzdłuż łańcucha polipeptydowego nie podlega żad-
nym regułom ani okresowościom.
Można jedynie stwierdzić, że aminokwasy kwaśne, zasadowe i aromatyczne często występują
w skupieniach.
Zdarza się, że kilka reszt tego samego aminokwasu występuje obok siebie.
Sekwencja aminokwasowa białek jest zdeterminowana genetycznie.
Wiele białek wykazuje daleko idące podobieństwo (homologię) sekwencji aminokwasowej.
Gdyby ponumerować poszczególne reszty od końca aminowego w kierunku końca karboksy-
lowego, okazałoby się, że pewne białka na znacznej przestrzeni, w odpowiadających sobie
pozycjach posiadają te same aminokwasy.
Takie odcinki łańcucha białkowego noszą nazwę sekwencji homologicznych.
Zazwyczaj białka zawierające sekwencje homologiczne pełnią podobne funkcje biologiczne.
Na przykład trypsyna i chymotrypsyna, białka o wysokim stopniu homologii, są enzymami
proteolitycznymi (trawiącymi białka).
Natomiast homologiczne względem siebie łańcuchy α i β hemoglobiny oraz (chociaż w mniej-
szym stopniu) łańcuchy mioglobiny, wykazują zdolność do wiązania tlenu cząsteczkowego.
Sekwencja aminokwasowa białka to podstawowy element, od którego zależy jego zdolność do
pełnienia funkcji biologicznej.
Wykazano to przekonująco na przykładzie hemoglobiny – białka krwinek czerwonych – trans-
portującego tlen z płuc do innych narządów.
Stwierdzono, iż zastąpienie choćby jednego aminokwasu innym aminokwasem powoduje
powstanie hemoglobiny patologicznej.
Opisano ponad 400 takich hemoglobin.
Hemoglobina jest białkiem złożonym z 4 (parami jednakowych) łańcuchów białkowych, zwa-
nych podjednostkami.
Cząsteczka hemoglobiny zawiera 2 podjednostki α i 2 podjednostki β.
Poniżej przedstawiono porównanie sekwencji aminokwasowej fragmentów N-końcowych łań-
cucha β prawidłowej hemoglobiny ludzkiej: hemoglobiny A (Hb.A)
Dwu hemoglobin patologicznych: hemoglobiny S (Hb.S) i hemoglobiny C (Hb.C)
W pozycji szóstej Hb.A występuje glutaminian (Glu).
Pozostałe hemoglobiny: (Hb.S) i (Hb.C) różnią się od Hb.A tym jednym aminokwasem.
Hb.S zawiera walinę (Val), a Hb.C zawiera liznę (Lys).
Ta pozornie niewielka różnica jest źródłem poważnych konsekwencji biologicznych.
Krwinki czerwone, obarczone tak zmienioną hemoglobiną, mają nietypowy kształt, żyją kró-
cej, są bardziej podatne na hemolizę (uszkodzenie błon komórkowych – połączone z uwalnia-
niem hemoglobiny do osocza).
Stan ten prowadzi do obniżenia liczby erytrocytów we krwi.
Produkty ich rozpadu są wychwytywane przez wątrobę i śledzionę, prowadząc do powiększe-
nia tych narządów.
We krwi rośnie stężenie bilirubiny, która jest produktem rozpadu hemu zawarte-go w hemo-
globinie.
Rozwija się obraz chorobowy określany niedokrwistością (anemią) hemolityczną.
Kolejnym przykładem patologii molekularnej są pojedyncze zmiany w sekwencji aminokwa-
sowej kolagenu tkanki kostnej.
Zastąpienie pojedynczych reszt glicyny przez inny aminokwas: argininę, cysteinę, serynę, czy
alaninę zaburza tworzenie struktury przestrzennej kolagenu.
Rozwija się zespół chorobowy zwany: wrodzoną łamliwością kości (osteogenesis imperfecta),
cechujący się drastycznym obniżeniem odporności mechanicznej tkanki kostnej, a w konse-
kwencji skłonnością do złamań kości.
Niektóre grupy hydroksylowe seryny i hydroksylizyny oraz azot grupy amidowej asparaginy są
miejscem wiązania składników cukrowych, zarówno cukrów pro-stych, krótkich oligosacha-
rydów, jak i długich łańcuchów polisacharydowych.
Tak zmodyfikowane białka noszą nazwę glikoprotein.
Grupy hydroksylowe reszt seryny, tyrozyny i treoniny mogą być estryfikowane kwasem orto-
fosforowym.
Niektóre grupy ε-aminowe lizyny mogą być metylowane.
Warunkiem podjęcia badań nad strukturą pierwszorzędową białka jest wydzielenie go z mate-
riału biologicznego w stanie wysoko oczyszczonym.
Ustalenie jego składu aminokwasowego wymaga hydrolizy wiązań peptydowych, co powoduje
uwolnienie wszystkich aminokwasów.
Można je rozdzielić i oznaczyć ilościowo.
Struktura drugorzędowa białek
Struktura drugorzędowa białka jest to sposób przestrzennego rozmieszczenia łańcucha poli-
peptydowego.
Struktura drugorzędowa białek może być badana metodami dyfrakcji promieni X.
Promienie te ulegają rozproszeniu lub ugięciu przez elektrony otaczające każdy atom.
Najsilniej uginają promienie X atomy o dużej gęstości elektronowej, natomiast najsłabiej –
atomy o małej gęstości elektronowej, np. atomy wodoru.
α-helisa
Najczęściej spotykaną formą struktury drugorzędowej jest α-helisa (ryc.2.21).
Jest to specyficzna forma spirali.
Na jeden skręt α-helisy przypada 3,6 reszt aminokwasowych.
Na zewnątrz „sterczą” łańcuchy boczne aminokwasów, oznaczone na rycinie symbolem R.
Światło wewnętrzne spirali jest znikomo małe.
Skok spirali wynosi 0,54 nm, a odległość osiowa dwu reszt aminokwasowych wynosi 0,15
nm.
Taki układ wyróżnia się od innych struktur spiralnych tym, że pozwala na tworzenie we-
wnątrzłańcuchowych, międzyzwojowych wiązań wodorowych.
W α-helisie wiązanie wodorowe powstaje pomiędzy atomem wodoru zawartym w grupie =N-H
jednego wiązania peptydowego, a tlenem grupy =CO, należącej do czwartego z kolei amino-
kwasu, według zasady n + 4, gdzie n oznacza numer kolejny reszty aminokwasowej, licząc od
końca aminowego.
Atom wodoru związany kowalencyjnie z atomem azotu w grupie =N-H jest równocześnie przy-
ciągany przez elektroujemny atom tlenu zawarty w grupie =C=O.
Taki układ przestrzenny stwarza możliwość oddziaływań elektrostatycznych zapewniających
maksymalną siłę wiązań wodorowych.
Każde wiązanie peptydowe łańcucha białkowego objętego strukturą α-helisy uczestniczy w
tworzeniu wiązań wodorowych.
Nie dotyczy to wiązań powstałych z udziałem grup
iminowych proliny.
Rys. 2.21. Struktura drugorzędowa białka typu: α-
helisa.
Polipeptydy otrzymane drogą syntezy przyjmują samo-
istnie strukturę α-helisy.
We wszystkich białkach α-helisa jest prawoskrętna i
zbudowana z L-aminokwasów.
Polipeptydy
otrzymane
drogą
syntezy
z
D-
aminokwasów także tworzą strukturę α-helisy, nato-
miast polipeptydy otrzymane z racematów aminokwa-
sowych nie mają tej zdolności.
Zagęszczenie aminokwasów, których łańcuchy boczne są nośnikami ładunków elektrycznych
(glutaminianu, asparaginianu, histydyny, lizyny lub argininy), destabilizuje α-helisę, z uwagi
na oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy grupami obdarzonymi ładunkiem.
Ponadto aminokwasy z dużym (jak tryptofan) lub rozgałęzionym (jak walina czy izoleucyna)
łańcuchem bocznym, także destabilizują α-helisę.
Obecność proliny w łańcuchu białkowym powoduje zniekształcenie α-helisy, gdyż azot wbu-
dowany do pierścienia pirolidynowego zaburza geometrię wiązania peptydowego.
Ponadto, reszta prolilowa wbudowana do białka w pozycji n nie ma grupy =N-H, a tym sa-
mym nie uczestniczy w tworzeniu wiązania wodorowego z grupą =C=O reszty aminokwasowej
występującej w pozycji n + 4.
W tym miejscu następuje „zagięcie” łańcucha białkowego.
Obecność aminokwasów destabilizujących i zniekształcających sprawia, iż struktura α-helisy
na ogół nie jest ciągła.
Na przykład α-keratyna (białko występujące we włosach, paznokciach i powierzchniowej
warstwie naskórka) jest niemal całkowicie objęta strukturą α-helisy.
Natomiast hemoglobina tylko w 80%.
Lizozym (białko enzymatyczne) jedynie w 25%.
Kolagen i elastyna (białka obfitujące w prolinę i hydroksyprolinę) w ogóle nie wytwarzają
struktury α-helisy.
Struktura β
Struktura β zwana jest także „pofałdowaną kartką” lub „harmonijką β”.
Łańcuch białkowy o strukturze β jest bardziej rozcią-
gnięty w kierunku osiowym, niż łańcuch o strukturze
α-helisy.
Odległość dwu sąsiednich reszt aminokwasowych jest
ponad dwukrotnie większa niż w łańcuchu o strukturze
α-helisy i wynosi około 0,35 nm.
W białkach o strukturze β nie występują wewnątrzłań-
cuchowe wiązania wodorowe między grupami =CO (n) i
grupami =N-H (n + 4).
Wiązania takie powstają natomiast między grupami
=C=O i =N-H sąsiadujących ze sobą łańcuchów i są
usytuowane poprzecznie do ich długiej osi (ryc. 2.22).
Rys. 2.22. Struktura drugorzędowa białka, typu: struk-
tura β (inaczej) „pofałdowana kartka”.
Wiązanie peptydowe jest tak skonstruowane, iż atomy grup =C=O i =N-H i dwa sąsiednie
atomy węgla tworzą jedną płaszczyznę.
Węgiel α każdej reszty aminokwasowej jest miejscem styku tych płaszczyzn.
Z tych względów białko o strukturze β może być traktowane jako układ sztywnych płaszczyzn
ustawionych względem siebie pod pewnym kątem.
Dlatego zasadne jest nazywanie tej formy przestrzennej białka strukturą pofałdowanej kartki
lub strukturą harmonijki β.
Strukturę β posiada np. fibroina jedwabiu lub β-keratyna, powstająca przez rozciągnięcie
łańcuchów α-keratyny pod działaniem rozgrzanej pary wodnej.
Rozciągnięcie włókien (włosów, wełny) jest skutkiem rozrywania wewnątrzłańcuchowych
wiązań wodorowych występujących w α-keratynie i zastąpienie ich międzyłańcuchowymi
wiązaniami wodorowymi występującymi β-keratynie.
W tworzeniu struktury β uczestniczy zazwyczaj dwa lub więcej łańcuchów białkowych.
Ich przebieg może być równoległy, gdy końce aminowe i karboksylowe każdego z łańcuchów
są skierowane w tę samą stronę, lub antyparalelny, gdy wspomniane końce poszczególnych
łańcuchów są skierowane w przeciwne strony.
Łańcuchy białkowe o strukturze β często tworzą zagięcia zmieniające kierunek przebiegu
długiej osi cząsteczki na przeciwstawny.
Dzięki temu struktura β może powstawać także w obrębie jednego łańcucha, gdy poszczegól-
ne jego odcinki przebiegają równolegle względem siebie i wytwarzają między sobą wiązania
wodorowe.
Struktury niepowtarzalne
Około połowa białek jest skonstruowana w ten sposób, iż całe cząsteczki bądź ich fragmenty
są objęte strukturą α –helisy lub strukturą β, bądź obie struktury występują naprzemiennie
w różnych fragmentach tej samej cząsteczki.
Są to struktury powtarzalne, występujące w różnych białkach.
Pozostałe białka lub fragmenty ich cząsteczek mają strukturę drugorzędową mniej uporząd-
kowaną, niepowtarzalną, specyficzną dla pojedynczych bądź jedynie nielicznych białek.
Łańcuchy białkowe tworzą różne, niepowtarzalne układy przestrzenne, swoiste dla określo-
nych białek (pętle, kłębki i inne).
Niekiedy struktury niepowtarzalne występują na przemian z α –helisą i strukturą β w obrębie
tej samej cząsteczki białkowej.
Struktura trzeciorzędowa białek
Struktura trzeciorzędowa białek określa sposób wtórnego, trójwymiarowego po-fałdowania
cząsteczki białka z zachowaniem wyżej opisanych elementów struktury drugorzędowej.
Sposób przestrzennego upakowania cząsteczki białka jest zdeterminowany przez jego struk-
turę pierwszorzędową (a pośrednio także przez drugorzędową).
Struktura trzeciorzędowa jest stabilizowana przez interakcje łańcuchów bocznych reszt ami-
nokwasowych, zarówno poprzez wiązania kowalencyjne (mostki dwusiarczkowe), jak i wiąza-
nia niekowalencyjne o niskiej energii.
Struktura białek globularnych w roztworach wodnych jest zwarta.
Hydrofobowe łańcuchy boczne reszt aminokwasowych są ukryte we wnętrzu cząsteczki, pod-
czas gdy grupy hydrofilne są zwykle usytuowane na jej powierzchni.
Wszystkie grupy polarne (także te ukryte wewnątrz cząsteczek) wraz z elementami składowy-
mi wiązań peptydowych, uczestniczą w tworzeniu wiązań wodorowych i oddziaływań elektro-
statycznych.
Struktura α–helisy i struktura β wytwarzają maksymalną liczbę wiązań wodorowych, przez co
eliminują możliwość dostania się wody do hydrofobowego wnętrza cząsteczki białka.
Istnienie struktury trzeciorzędowej jest możliwe dzięki istnieniu wiązań, które zespalają odle-
głe od siebie liniowo reszty aminokwasowe.
Dzięki zagięciom łańcucha białkowego jego fragmenty odległe od siebie o kilkanaście – kilka-
dziesiąt (i więcej) reszt aminokwasowych stają się bliskie przestrzennie.
Mogą reagować ze sobą, tworząc wiązania (kowalencyjne i niekowalencyjne) stabilizujące
strukturę trzeciorzędową.
Ze strukturą trzeciorzędową białek wiąże się pojęcie domen białkowych.
Domena jest zwartym fragmentem struktury trzeciorzędowej, pełniącym w białku określoną
funkcję.
Polipeptydy zawierające ponad 200 reszt aminokwasowych na ogół tworzą co najmniej dwie, a
często więcej domen.
Istnieją białka enzymatyczne zawierające po kilka domen, z których każda pełni inną funkcję
katalityczną.
Wiązania stabilizujące strukturę trzeciorzędową
Mostki dwusiarczkowe
Grupy sulfhydrylowe (-SH) dwu reszt cysteiny mogą być utleniane poprzez odłączenie od nich
atomów wodoru i powstanie wiązania kowalencyjnego pomiędzy atomami siarki.
Tak powstaje wewnątrzłańcuchowy mostek dwusiarczkowy (-S-S-), zwany też mostkiem disul-
fidowym, który tworzy klamrę zespalającą dwie odległe reszty cysteiny.
Tą drogą dwie reszty cysteiny, przekształcają się w jedną resztę cystyny.
Jest to jedyne wiązanie kowalencyjne, stabilizujące strukturę trzeciorzędową.
Reszty cysteiny, uczestniczące w tworzeniu mostka dwusiarczkowego, są zazwyczaj bardzo
odległe od siebie i oddzielone wieloma resztami innych aminokwasów.
Pofałdowanie (zagięcia) łańcucha polipeptydowego sprawia, że reszty te zbliżają się na odle-
głość pozwalającą na interakcję grup –SH i wytworzenie wiązania kowa-lencyjnego pomiędzy
atomami siarki (ryc. 2.23).
Rys. 2.23. Mostek dwusiarczkowy łączący dwie
odległe reszty cysteiny.
Wiązania hydrofobowe
W środowisku wodnym reszty aminokwasowe z niepolarnymi łańcuchami bocznymi mają
tendencję do lokalizacji w głębi cząsteczki białkowej i do asocjacji z łańcuchami bocznymi
innych aminokwasów niepolarnych.
Pomiędzy nimi zachodzą oddziaływania zwane wiązaniami hydrofobowymi (ryc. 2.24).
Reszty aminokwasowe z łańcuchami polarnymi lokują się na powierzchni cząsteczki.
W środowisku lipidowym (niepolarnym), jakim są błony biologiczne, występuje zjawisko od-
wrotne.
Hydrofobowe łańcuchy boczne aminokwasów lokują się na powierzchni cząsteczki białkowej,
wchodząc w kontakt z hydrofobowymi lipidami.
Łańcuchy hydrofilne kierują się do wnętrza cząsteczki, unikając kontaktu z lipidami.
Wiązania wodorowe
Łańcuchy boczne aminokwasów zawierające wodór związany z tlenem lub z azotem, jak grupa
–OH seryny i treoniny, lub grupa –NH2 lizyny czy argininy mogą tworzyć wiązania wodorowe z
tlenem grup karbonylowych wiązań peptydowych, lub z tlenem grup karboksylowych (ryc.
2.24).
Te same grupy mogą tworzyć wiązania wodorowe z wodą, dzięki czemu cząsteczka białka
pokrywa się płaszczem wodnym.
Nadaje to białku rozpuszczalność w środowisku wodnym.
Wiązania jonowe
Ujemnie naładowane grupy karboksylowe (-COO-),
zawarte w łańcuchach bocznych asparaginianu i
glutaminianu, przyciągają na drodze oddziaływań
elektrostatycznych dodatnio naładowane grupy ami-
nowe (-NH+3), zawarte w łańcuchach bocznych reszt
lizyny, lub dodatnio naładowane grupy guanidynowe
zawarte w łańcuchach bocznych reszt argininy.
Tak powstaje wiązanie jonowe (ryc. 2.24).
Rys. 2.24. Wiązania niekowalencyjne – stabilizujące strukturę trzeciorzędową.
A: hydrofobowe; B: wodorowe; C: jonowe
Przykłady struktur trzeciorzędowych
Mioglobina – białko mięśni szkieletowych wiążące tlen cząsteczkowy (O2) – składa się ze 153
reszt aminokwasowych i trwale związanej cząsteczki
barwnika, zwanego hemem.
Około 75% reszt aminokwasowych jest objętych struk-
turą α-helisy.
Wyróżnia się 8 odcinków α-helikalnych, zawierających
od 7 do 23 reszt aminokwasowych, rozdzielonych od-
cinkami o sekwencji niehelikalnej (ryc.2.25).
Rys. 2.25. Schemat struktury trzeciorzędowej mioglobi-
ny.
Struktura czwartorzędowa białka
Białka o wysokiej masie cząsteczkowej są zazwyczaj oligomerami, składającymi się z dwóch
lub większej liczby łańcuchów polipeptydowych, zwanych podjednostkami.
Bywają one identyczne lub różne.
Mogą funkcjonować niezależnie od siebie lub ze sobą współdziałać.
Skład podjednostkowy i wzajemny układ przestrzenny podjednostek w obrębie jednej czą-
steczki białkowej jest nazywany strukturą czwartorzędową białka.
W odróżnieniu od struktur wyżej opisanych, ta ostatnia występuje tylko w nie-których biał-
kach.
Na ogół podjednostki białkowe, uczestniczące w tworzeniu struktury czwartorzędowej, są
zespolone ze sobą wiązaniami niekowalencyjnymi o niskiej energii, jak wiązania hydrofobowe,
jonowe lub wodorowe.
W niektórych białkach struktura ta jest stabilizowana poprzez mostki dwusiarczkowe pomię-
dzy resztami cysteiny należącymi do różnych podjednostek.
Jedynie w kolagenie i w elastynie występują bardzo stabilne wiązania kowalencyjne pomiędzy
podjednostkami.
Rozpad struktury czwartorzędowej i uwolnienie podjednostek można osiągnąć poprzez trak-
towanie białka substancjami, które rozrywają wyżej wspomniane wiązania.
Wiele białek oligomerycznych dysocjuje na podjednostki przy zmianach pH, pod działaniem
roztworów mocznika, chlorowodorku guanidyny, siarczanu dodecylosodowego (SDS) lub pod
wpływem substancji chelatujących (np. wersenianu).
Mocznik i chlorowodorek guanidyny rozrywają wiązania wodorowe zespalające podjednostki
białkowe.
β-merkaptoetanol i ditiotreitol redukują mostki dwusiarczkowe.
Wersenian wiąże jony metali dwuwartościowych (np. Ca2+, Mg2+), tworząc z nimi niedysocju-
jące kompleksy.
Powoduje to zanik międzyłańcuchowych wiązań jonowych, powstałych z udziałem tych meta-
li.
SDS również sprzyja dysocjacji białek na podjednostki.
Jest on detergentem jonowym, który wiąże się z białkami nadając ich cząsteczkom silny ła-
dunek ujemny.
Pomiędzy podjednostkami pojawiają się siły odpychania elektrostatycznego, po-wodując roz-
pad struktury czwartorzędowej.
W wielu przypadkach struktura czwartorzędowa białek, a pośrednio ich właściwości biolo-
giczne, są modyfikowane przez substancje drobnocząsteczkowe, zwane efektorami alloste-
rycznymi.
Przykłady struktur czwartorzędowych różnych białek oraz skutki działania efektorów alloste-
rycznych będą przedstawione w kolejnych wykładach.
Bardzo dobrze poznano strukturę czwartorzędową hemoglobiny, wielu białek enzymatycznych
– przede wszystkim dehydrogenazy mleczanowej oraz immunoglobulin – białek osoczowych
pełniących funkcje odpornościowe.
Denaturacja białek
Denaturacja białek polega na zniszczeniu jego struktur przestrzennych z zachowaniem struk-
tury pierwszorzędowej.
Ciągłość łańcucha polipeptydowego pozostaje nienaruszona.
Istotą denaturacji jest rozpad wiązań o niskiej energii, które stabilizują strukturę przestrzen-
ną białka.
Czynnikami denaturującymi są przede wszystkim: podwyższona temperatura (na ogół powy-
żej 58 – 60oC), rozpuszczalniki organiczne, kwasy, zasady, jony metali ciężkich (np. Hg2+,
Pb2+), stężone roztwory mocznika lub chlorowodorku guanidyny.
Podwyższona temperatura, stężone roztwory mocznika lub chlorowodorku guanidyny powo-
dują rozrywanie wiązań o niskiej energii, przede wszystkim wiązań wodorowych.
Rozpuszczalniki organiczne wprowadzają nowe oddziaływania hydrofobowe między białkiem i
cząsteczkami niepolarnego rozpuszczalnika.
Metale ciężkie reagują z siarką grup sulfhydrylowych, uniemożliwiających tworzenie mostków
dwusiarczkowych.
Denaturacja białka na ogół zmienia jego rozpuszczalność.
Białko rozpuszczalne traci rozpuszczalność, białko nierozpuszczalne staje się rozpuszczal-
nym.
Denaturowane białko traci większość swoich aktywności biologicznych.
Na przykład: denaturowany enzym nie wykazuje aktywności katalitycznej, przeciwciało nie
wiąże się z antygenem, kolagen nie tworzy włókien, a hemoglobina traci zdolność do wiązania
tlenu.
Denaturacja może być odwracalna w sytuacji, gdy czynnik denaturujący był łagodny i działał
krótko.
Usunięcie tego czynnika sprawia, iż białko odzyskuje swą naturalną strukturę przestrzenną.
Zjawisko to nosi nazwę renaturacji białka.
Na ogół jednak denaturacja jest procesem nieodwracalnym.
Właściwości białek w roztworach
Rozpuszczalnikami dla białek są: woda lub roztwory wodne soli, kwasów, zasad, mocznika,
chlorowodorku guanidyny lub detergentów.
Rozpuszczalność białek zależy od ich składu aminokwasowego, a także od kształtu i wielkości
cząsteczki białkowej.
Białka o wysokiej zawartości aminokwasów polarnych, np. albumina osocza krwi, są dobrze
rozpuszczalne.
Ta właściwość wynika z obecności grup –OH, -SH, -NH3+ lub –COO- w łańcuchach bocznych
wspomnianych aminokwasów.
Grupy te wytwarzają wiązania wodorowe z cząsteczkami wody.
Wokół cząsteczki białka powstaje płaszcz wodny, utrzymujący ją w roztworze.
Ponadto odpychanie elektrostatyczne pomiędzy jednoimiennymi ładunkami powierzchniowy-
mi jest dodatkowym czynnikiem sprzyjającym utrzymaniu białka w roztworze.
W przeciwieństwie do wyżej wspomnianych, białka obfitujące w aminokwasy hydrofobowe
(np. elastyna, keratyna) są całkowicie nierozpuszczalne.
Brak hydrofilnych grup: -OH, -SH, -NH3+ lub –COO- w łańcuchach bocznych reszt amino-
kwasowych uniemożliwia wytwarzanie płaszcza wodnego wokół cząsteczki białka.
Brak dwu ostatnich uniemożliwia powstawanie powierzchniowych ładunków elektrostatycz-
nych, a tym samym odpychania elektrostatycznego pomiędzy cząsteczkami.
Białka zawierające aminokwasy zarówno polarne, jak i niepolarne wykazują po-średnią roz-
puszczalność w środowisku wodnym, na ogół rosnącą wraz ze wzrostem procentowej zawar-
tości aminokwasów polarnych.
Globularny (podobny do kuli) kształt i niewielki rozmiar cząsteczek sprzyjają rozpuszczalności
białka, natomiast kształt fibrylarny (włókienkowy) i duża masa cząsteczkowa utrudniają
przechodzenie białka do roztworu.
Roztwory białek są na ogół roztworami rzeczywistymi, cechującymi się monomolekularnym
stopniem dyspersji.
Oznacza to, iż każda cząsteczka białka jest otoczona i oddzielona od innej cząsteczki płasz-
czem wodnym.
Niekiedy jednak cząsteczki białek asocjują, tworząc agregaty złożone z kilku cząsteczek.
Roztwór takiego białka przybiera cechy roztworu koloidalnego.
Białko w roztworze wodnym jest obdarzone ładunkami elektrycznymi, których nośnikami są
zdysocjowane grupy karboksylowe zawarte w łańcuchach bocznych asparaginianu i glutami-
nianu (ładunki ujemne) oraz uprotonowane grupy aminowe reszt lizylowych i uprotonowane
grupy guanidynowe reszt arginylowych.
Wypadkowy ładunek elektryczny cząsteczki białkowej zależy więc od liczby i relacji ilościo-
wych pomiędzy aminokwasami, będącymi nośnikami tych przeciwstawnych ładunków.
Niektóre łańcuchy boczne aminokwasów obdarzonych ładunkiem elektrycznym są ukryte we
wnętrzu cząsteczki i nie wpływają na sumaryczny ładunek elektryczny cząsteczki białkowej.
Środowisko kwaśne uniemożliwia dysocjację grup –COOH, natomiast sprzyja wiązaniu proto-
nów przez grupy –NH2.
Powstają dodatnio naładowane grupy –NH3+, a grupy –COOH pozostają bez ładunku.
Cząsteczka białka staje się polikationem.
Środowisko zasadowe sprzyja dysocjacji grup –COOH i grup –NH3+.
Pojawiają się ujemnie naładowane grupy –COO- i elektrycznie obojętne grupy –NH2.
Cząsteczka białka uzyskuje ładunek ujemny, staje się polianionem.
Wynika stąd, że w zależności od pH roztworu sumaryczny ładunek elektryczny tej samej
cząsteczki białka może być dodatni bądź ujemny.
Istnieje zatem pewna pośrednia wartość pH, charakterystyczna dla każdego białka, przy
której liczba ładunków dodatnich i ujemnych równoważy się nawzajem, a sumaryczny ładu-
nek elektrostatyczny cząsteczki równa się zeru.
Ta wartość pH nosi nazwę punktu izoelektrycznego (pI) białka.
Wartość pI waha się w szerokim zakresie pH.
Białka o wysokiej zawartości aminokwasów zasadowych, np. chymotrypsynogen, rybonuklea-
za, cytochrom C lub lizozym mają punkt izoelektryczny w przedziale pH od 9 do 11.
Pepsyna, bogata w aminokwasy kwaśne, cechuje się punktem izoelektrycznym w pH poniżej
1.
Większość białek globularnych charakteryzuje się pI w zakresie od 4,5 do 6,5.
W pH = pI sumaryczny ładunek elektryczny cząsteczki białka równa się zeru, zanikają siły
odpychania elektrostatycznego, a rozpuszczalność białka drastycznie maleje.
Rozpuszczone białko wypada z roztworu w postaci osadu.
Ładunek elektrostatyczny cząsteczek białka sprawia, iż przemieszczają się one w polu elek-
trycznym.
Kierunek tej ruchliwości i szybkość przemieszczania są zróżnicowane i zależą od ładunku
elektrostatycznego białka, a ten zmienia się zależnie od pH roztworu.
Im wyższy ładunek elektrostatyczny, tym szybciej białko przemieszcza się w kierunku odpo-
wiedniego bieguna.
W pH niższym od pI białko jest kationem i wędruje do katody.
w pH wyższym od pI to samo białko staje się anionem i wędruje do anody.
Natomiast w sytuacji, gdy pH = pI, ładunki dodatnie i ujemne równoważą się nawzajem i
białko traci zdolność do przemieszczania się w stronę którejkolwiek z elektrod.
Ponieważ wartość pI poszczególnych białek, a tym samym ich ładunki elektrostatyczne w
określonym pH są bardzo zróżnicowane, można rozdzielić różne białka w polu elektrycznym.
Technika ta nosi nazwę elektroforezy.
Jest przydatna do izolacji identyfikacji i charakterystyki białek.
Roztwory białek mają zdolność pochłaniania światła ultrafioletowego.
Szczególnie intensywnie absorbują fale świetlne o długości od 190 do 230 nm, jednak ab-
sorpcja w tym zakresie długości fal świetlnych nie jest swoista dla białka.
Charakterystyczny dla większości białek szczyt absorpcji światła ultrafioletowego występuje w
zakresie od 278 do 280 nm (ryc. 2.26).
Rys. 2.26. Absorpcja światła ultrafioletowego przez
roztwór białka.
Ta szczególna cecha białek wynika z obecności w
ich składzie aminokwasów z pierścieniem aroma-
tycznym, a przede wszystkim tryptofanu.
Udział tyrozyny i fenyloalaniny w tym zjawisku jest
znacznie mniejszy.
Właściwość ta została wykorzystana do wykrywa-
nia białka w roztworze oraz do oznaczania jego
stężenia.
Białka o małej zawartości aminokwasów aromatycznych, np. kolagen, nie wykazują charakte-
rystycznego dla większości białek szczytu absorpcji światła o długości 278 – 280 nm.
Jednak podobnie jak inne białka, intensywnie absorbują światło o długości 190 – 230 nm.
Izolacja białka z materiału biologicznego
Mnogość białek występujących w tkankach i płynach ustrojowych sprawia, iż badania nad
budową i właściwościami każdego z nich stają się możliwe po jego wcześniejszej izolacji z
materiału biologicznego i uwolnieniu od zanieczyszczeń innymi składnikami tkanek.
Ekstrakcja białek
Bezwzględnym warunkiem wstępnym izolacji i oczyszczania białka jest przeprowadzenie go w
postać rozpuszczalną.
Osiąga się to poprzez rozbicie struktury tkanek (homogenizację) w obecności różnych płynów
ekstrahujących białka, jak woda, roztwory soli, bufory o różnym stężeniu i o różnym pH.
Ekstrakcja niektórych białek wymaga zastosowania stężonych roztworów mocznika lub chlo-
rowodorku guanidyny, a niekiedy użycia detergentów.
Urządzenia służące do rozbijania struktury tkanek noszą nazwę homogenizatorów.
Produkt homogenizacji nosi nazwę homogenatu.
W trakcie tej procedury tkanka przechodzi w dość jednorodną zawiesinę.
W zależności od warunków homogenizacji można osiągnąć rozpad struktury narządu, rozpad
komórek, a nawet struktur subkomórkowych.
Podczas wirowania homogenatu jego nierozpuszczalne elementy osadzają się na dnie probów-
ki, a składniki rozpuszczalne pozostają w płynie nadosadowym, zwanym supernatantem lub
ekstraktem tkankowym.
Warunki ekstrakcji, a przede wszystkim skład płynu ekstrahującego, dobiera się w ten spo-
sób, aby poszukiwanemu białku zapewnić optymalne warunki rozpuszczalności, a białkom
zanieczyszczającym w maksymalnym stopniu utrudnić prze-chodzenie do roztworu.
Nie w każdym przypadku jest to możliwe.
Niektóre białka są bowiem w ogóle nierozpuszczalne, a próby ich rozpuszczenia z zastosowa-
niem drastycznych warunków ekstrakcji (wysoka temperatura, wysokie bądź niskie pH, stę-
żony mocznik, chlorowodorek guanidyny lub detergenty) prowadzą do denaturacji białka, a
nawet do naruszenia jego struktury pierwszorzędowej.
Na ogół łatwiej jest wyizolować i oczyścić białko z płynu fizjologicznego (osocze krwi, limfa,
płyn mózgowo-rdzeniowy).
Nie zachodzi wtedy potrzeba homogenizacji ani ekstrakcji.
Poszukiwane białko, w jego naturalnej (natywnej) formie, jest w postaci roztworu.
Funkcje biologiczne białek
Białka są grupą biomolekuł o różnorodnych funkcjach biochemicznych.
Przede wszystkim są one elementami strukturalnymi komórek.
Uczestniczą w tworzeniu błon plazmatycznych, oddzielających komórkę od jej środowiska,
oraz błon wewnątrzkomórkowych otaczających różne organelle komórkowe (jądra, mitochon-
dria, lizosomy).
Niektóre białka błon plazmatycznych i białka błon wewnątrzkomórkowych pełnią funkcje
przenośnikowe.
Umożliwiają one wymianę metabolitów pomiędzy poszczególnymi przedziałami komórkowymi,
między komórką a jej otoczeniem oraz pozwalają na utrzymanie gradientu (zróżnicowania)
stężeń niektórych metabolitów po obydwu stronach wspomnianych błon.
Wiele białek wchodzi w skład błon siateczki endoplazmatycznej, rybosomów i chromatyny
jądrowej. Białka mięśni, zarówno gładkich, jak i poprzecznie prążkowanych, umożliwiają ich
kurczliwość.
Białka są podstawowymi składnikami macierzy pozakomórkowej.
Niektóre z nich tworzą struktury włókniste, z których zbudowane są ścięgna (kolagen) lub
więzadła (elastyna).
Inne (niektóre kolageny i proteoglikany) tworzą błony podstawne, oddzielające tkankę na-
błonkową od podścieliska łącznotkankowego.
Liczne białka pełnią funkcje transportowe, np. hemoglobina przenosi tlen z płuc do różnych
tkanek oraz uczestniczy w transporcie CO2 w kierunku odwrotnym.
Niektóre z białek zapewniają rozpuszczalność substancjom hydrofobowym, np. albumina
osoczowa wiąże i transportuje kwasy tłuszczowe, apoproteiny osoczowe wiążące różne związki
lipidowe, zapewniając ich rozpuszczalność w osoczu i trans-port międzynarządowy.
Inne białka wiążą i transportują jony metali, bilirubinę, hormony i witaminy.
Istnieje grupa białek — zwanych immunoglobulinami, które zapewniają odporność przeciw
infekcjom bakteryjnym i wirusowym.
Liczne białka (enzymy) pełnią funkcje katalityczne, a inne są ich inhibitorami.
Niektóre białka osoczowe zapewniają krzepliwość krwi, przez co zapobiegają jej utracie w
przypadku przerwania ciągłości ściany naczyniowej, a inne zapobiegają wewnątrznaczynio-
wemu krzepnięciu krwi (powstawaniu zakrzepów), przez co zapewniają drożność naczyń żyl-
nych i tętniczych.
Niektóre białka są hormonami, czynnikami wzrostowymi (pobudzającymi wzrost i podziały
komórek) lub interleukinami.
Główna rola fizjologiczna tych ostatnich polega na regulacji czynności komórek odpowiedzial-
nych za funkcje odpornościowe organizmu.
Specjalną grupę białek stanowią integryny, które zespalają komórki i składniki macierzy
pozakomórkowej w jedną całość.
Hydrofilność białek sprawia, iż są one głównym składnikiem wiążącym wodę w komórkach, w
macierzy pozakomórkowej, w osoczu, w limfie i w płynie mózgowo-rdzeniowym.
Amfoteryczny charakter białek czyni je istotnym elementem, stabilizującym stężenie jonów
wodorowych, przede wszystkim w osoczu i w płynie śródmiąższowym tkanek.
Między kwasami nukleinowymi (RNA i DNA) a białkami istnieje zasadnicza różnica w sposobie
wiązania innych cząsteczek.
Wiązania między nićmi DNA opierają się na zjawisku komplementarności, czyli parowania
nukleotydów według ścisłej reguły, jak to wyjaśnił model struktury DNA opisany przez Wat-
sona i Cricka.
Jeśli w określonym miejscu jednej nici jest nukleotyd C, to na drugiej musi być w tym miej-
scu G, a jeśli na jednej jest A, to na drugiej musi być T.
W przypadku RNA nukleotyd T jest zastępowany przez U i reguła ulega pewnemu rozluźnie-
niu, gdyż U może parować się nie tylko z A, ale także z G.
Niemniej kolejność nukleotydów w łańcuchu pozwala jednoznacznie przewidzieć, z jakim RNA
lub DNA ten łańcuch może się związać.
Dla krótkiej sekwencji nukleotydowej (takiej jak siRNA) już niezgodność jednego nukleotydu
zaburza lub uniemożliwia wiązanie.
Można to porównać do jednoznaczności działania układów cyfrowych lub precyzji adresowa-
nia przesyłki przez podanie kodu pocztowego.
Z białkami jest inaczej.
Aminokwasy, w odróżnieniu od nukleotydów nie tworzą stałych par ze sobą, ani z nukleoty-
dami, gdyż mogą oddziaływać ze sobą na wiele sposobów.
Np. aminokwasy naładowane dodatnio i ujemnie przyciągają się wzajemnie.
Aminokwasy mające boczne grupy węglowodorowe (które są silnie hydrofobowe) zbijają się w
grupki dla ochrony przed cząsteczkami wody.
Między aminokwasami mogą też powstawać słabe wiązania wodorowe lub bardzo trwałe
mostki siarczkowe (te ostatnie tylko między cysteinami).
Dzięki tym oddziaływaniom łańcuchy aminokwasów spontanicznie zwijają się w zwarte kłęb-
ki, a kłębki z kolei mogą wiązać się ze sobą.
Nie sposób tu jednak znaleźć prostej i jednoznacznej reguły wiązania.
Siła wiązania zaś zależy w szerokich granicach od stopnia dopasowania partnerów – taka
ciągłość zjawiska jest z kolei typowa dla układów analogowych, a nie cyfrowych.