2009-12-31

1

Chemia Bionieorganiczna

• Przedmiotem bada

ń

chemii bionieorganicznej s

ą

pierwiastki nieorganiczne wyst

ę

puj

ą

ce w układach

biologicznych oraz wprowadzanych do tych układów
metali jako sondy i leków.

• W układach biologicznych metale wyst

ę

puj

ą

zwykle jako

naturalne składniki białek.

• Metaloproteiny wykazuj

ą

ce działanie katalityczne

nazywamy metaloenzymami.

• Toksyczne działanie pierwiastków.

• Rola pierwiastków w

ż

ywieniu.

• Transport i magazynowanie metali

Biologiczne funkcje wybranych

metali

A M I N O K W A S Y

Aminokwasy są podstawową jednostką strukturalną : peptydów ( do 100 aa ) i białek ( >100 aa ).
Budowa aminokwasów:
- Centralnie ułożony jest Cα
- Kowalencyjnie związane są z węglem α grupa COOH , grupa NH

2

, atom H oraz charakte-

rystyczna dla aminokwasów grupa R stanowiąca łańcuch boczny aminokwasów.
- Tetraedrycznie ułożone 4 różne podstawniki wokół węgla α nadają aminokwasom charakter
związków optycznie czynnych. C α jest węglem chiralnym - daje izomery optyczne L i D.

Białka zbudowane są wyłącznie z L aminokwasów !!
Wyjątek - GLICYNA - bo nie posiada węgla chiralnego
Wyjątek - THREONINA i IZOLEUCYNA - 2 węgle asymetryczne , 2 centra chiralne
C α jest asymetryczny co powoduje, że aminokwasy są optycznie czynne a więc skręcają
płaszczyznę światła spolaryzowanego.

Jest 20 podstawowych aminokwasów budujących białka. Różnią się one między sobą :
- wielkością cząsteczki
- kształtem
- ładunkiem elektrycznym
- zdolnością do tworzenia wiązań wodorowych
- reaktywnością chemiczną

Podział aminokwasów

1. W zależności od budowy łańcucha bocznego aminokwasu :

- aa z alifatycznym łańcuchem bocznym : Gly , Ala , Val , Leu , Ile
- aa z łańcuchem bocznym zawierającym grupę hydroksylową : Ser , Thr , Tyr
- aa z łańcuchem bocznym zawierającym atom siarki : Cys , Met
- aa z łańcuchem bocznym zawierającym grupy kwaśne lub ich amidy : Asp , Asn , Gln , Glu
- aa z łańcuchem bocznym zawierającym grupy zasadowe : Arg , Lys , His
- aa z łańcuchem bocznym zawierającym pierścień aromatyczny : His , Tyr , Phe , Trp
- iminokwas : Pro

2. W zależności od właściwości łańcucha bocznego :

- łańcuch boczny niepolarny ( hydrofobowy ): Ala , Val , Leu , Pro , Ile , Met , Trp , Phe
- łańcuch boczny polarny , aa obojętne : Gly , Ser , Gln , Asn , Thr , Tyr , Cys
- łańcuch boczny polarny , aa kwaśne ( w pH=7 łańcuch boczny ma ładunek ujemny ) :

aa monoaminodikarboksylowe : Asp , Glu

- łańcuch boczny polarny , aa zasadowe ( w pH=7 łańcuch boczny ma ładunek dodatni ) :

aa diaminomonokarboksylowe : His , Lys , Arg

2009-12-31

2

Cystyna

3. Podział pod względem polarności :

- aa niepolarne ( hydrofobowe - awersja do wody , skłonność do grupowania się - bardzo

ważna cecha slużąca stabilizacji struktury bialka zbudowanego z aa o przeważającym
hydrofobowym charakterze ) : Ala , Val , Leu , Ile , Met , Phe , Trp , Pro

- aa polarne : Gly , Asp , Asn , Glu , Gln , Arg , Lys , His , Cys , Ser , Thr , Tyr

4. Podział pod względem pochodzenia :

- aa egzogenne ( aa NIEZBĘDNE - dostarczane tylko z pokarmem, organizm nie potrafi ich

syntetyzować) : Arg , His - tylko u dzieci !!

Val , Leu , Ile , Lys , Thr , Met , Phe , Trp

- aa endogenne ( aa NIENIEZBĘDNE - syntetyzowane przez organizm): Ala , Gly , Asp , Asn ,

Glu , Gln , Cys , Pro , Ser , Tyr oraz hydroksyprolina i hydroksylizyna

2009-12-31

3

Właściwości chemiczne aminokwasów

1. Zmiana stanu jonizacji aa w zależności od pH

R

C

NH

3

H

COOH

R

C

NH

3

H

COO-

R

C

NH

2

H

COO-

+

+

pH = 1

pH = 7

pH = 11

Forma przeważająca jon obojnaczy forma przeważająca

jon dwubiegunowy

Równoczesna obecność w cząsteczkach aa grup - COOH i - NH

2

sprawia , że aa są

związkami amfoterycznymi , których charakter uzależniony jest od stężenia jonów H

+

w

roztworze. W roztworze wodnym aa tylko w znikomej ilości ( 0,1% ) występują jako
cząsteczki elektrycznie nienaładowane , w ogromnej większości są jonami. Jony w
zależności od oddziaływania środowiska mogą mieć charakter kwaśny lub zasadowy.
W środowisku kwaśnym aa przyłącza H

+

stając się kationem, w polu elektrycznym

wędruje do katody i zachowuje się jak kwas bo grupa - COOH i NH

3

+

mogą

oddysocjować proton. W środowisku zasadowym aa oddysocjowuje H

+

i staje się

anionem , w polu elektrycznym wędruje do anody i zachowuje się jak zasada bo grupa
- COO

-

i NH

2

może przyjmować proton.

Należy pamiętać , że w przypadku Asp , Glu , Lys , His , Arg , Tyr , Cys jonizacji ulega również
łańcuch boczny aa.
Jon obojnaczy jest amfoteryczny ponieważ może zarówno przyłączyć proton do grupy - COO

-

jak i go oddysocjować od grupy NH

3

+

.

Cząsteczka takiego jonu obojnaczego zachowuje się tak jak gdyby nie była naładowana , a więc
nie wędruje w polu elektrycznym gdyż sumaryczny ładunek takiej cząsteczki jest równy zero.

2/. pH , w którym cząsteczka aa występuje w postaci jonu obojnaczego ( sumaryczny ładunek
cząsteczki = 0 ) nosi nazwę PUNKTU IZOELEKTRYCZNEGO pI
Każdy aa ma charakterystyczny dla siebie pI np. :

- alanina = 6,02
- lizyna = 9,7
- arginina = 10,8
- kwas asparaginowy = 2,98

W przypadku aa ( tylko aa ) pI jest równy punktowi izojonowemu tj takiemu pH , przy którym
cząsteczka ma jednakową liczbe protonów uwolnionych z grupy - COOH i protonów
związanych z grupą - NH

2

.

3/. Aa mają właściwości buforowe

4/. Reakcje jakim ulegają aa :

a) reakcje polimeryzacji : aa + aa < <- ->> dipeptyd + H

2

O

Wiązanie peptydowe , ( zaznaczono kolorem czerwonym ) jest wiązaniem kowalencyjnym

b) Tworzenie kompleksów chelatowych z jonami metali ciężkich np. Cu

2+

, Ni

2+

P E P T Y D Y

- Są związkami złożonymi z 2 lub więcej aa ( do 100 aa ) połączonymi wiązaniami peptydowymi

tworząc łańcuch peptydowy.

- Aa w łańcuchu peptydowym nazywamy resztami aminokwasowymi.
- Wiązanie peptydowe :

d i p e p t y d

Wiązanie amidowe jest wiązaniem sztywnym. Brak jest rotacji wzdłuż wiązania peptydowego gdyż
wiązanie to wykazuje częściowo charakter wiązania podwójnego.

Możliwość rotacji wzdłuż wiązania Cα - C

karboksylowy

i N - Cα .

Wiązanie peptydowe jest częściowo spolaryzowane N

δ+

- C

δ-

Atom H rupy -NH- jest zawsze w pozycji trans w stosunku do atomu O grupy =C=O ( jest to
korzystne energetycznie ).

Nomenklatura peptydów :

- dipeptyd
- tripeptyd
- tetrapeptyd
- oktapeptyd itd..

2 - 10 aa to oligopeptydy
do 100 aa - polipeptydy
> 100 aa - makropeptydy ( białka )

Nomenklatura peptydów polega na podaniu kolejności reszt aa wchodzących w skład peptydu lub
białka ( sekwencji w łańcuchu ) od N końca do C końca.

N - koniec - to ten gdzie występuje reszta aa z wolną grupą -NH

2

- początek łańcucha

C - koniec - to ten gdzie występuje reszta aa z wolną grupą -COOH - koniec łańcucha

Nomenklaturę peptydów tworzy się w ten sposób , że aa , którego grupa -COOH wchodzi w reakcję
z grupą NH

2

kolejnego aa (lub innaczej , którego grupa -COOH tworzy wiązanie peptydowe )

otrzymuje końcówkę -ylo lub -ilo
Przykład:

Gly-Ala

glicyloalanina

Ala-Leu-Tyr

alanyloleucylotyrozyna

Zasada oznaczania reszt aa trzema pierwszymi
literami pochodzącymi od nazwy danego aa

!!! Sekwencja aa w peptydzie lub białku jest zgodna z sekwencją nukleotydów

w DNA kodującym dane białko lub peptyd.

Właściwości peptydów :

- Peptydy mają tylko strukturę I rzędową . Brak struktury II , III czy IV rzędowej - charakterysty-

cznej dla białek.

- Nie ulegają sedymentacji w czasie ultrawirowania.
- Nie występują w postaci koloidów
- Nie dają efektu Tyndala
- Nie ulegają denaturacji bo brak jest struktury II , III czy IV rzędowej
- Nie wywierają ciśnienia osmotycznego
- Nie ulegają wysalaniu i wsalaniu
- Dializują
- Wędrują w polu elektrycznym dzięki cząstkowemu ładunkowi elektrycznemu
- Z powodu obecności wiązania peptydowego, peptydy pochłaniają światło nadfioletowe przy

max λ=230 nm a z powodu obecności Tyr i Trp przy λ=280 nm

- Peptydy są związkami amfoterycznymi
- Każdy peptyd ma charakterystyczny dla siebie punkt izoelektryczny
- mają właściwości buforowe w odpowiednim przedziale pH

Reakcje , którym ulegają peptydy - patrz białka !!

2009-12-31

4

B I A Ł K A

-- To związki organiczne o dużej masie cząsteczkowej , zbudowane głównie z aa połączonych

To związki organiczne o dużej masie cząsteczkowej , zbudowane głównie z aa połączonych

wiązaniami peptydowymi.

wiązaniami peptydowymi.

-- Białka zbudowane są z 1 lub kilku łańcuchów peptydowych :

Białka zbudowane są z 1 lub kilku łańcuchów peptydowych :

-- 1 łańcuch

1 łańcuch

→

→

białko

białko monomeryczne

monomeryczne ( cytochrom C , mioglobina , rybonukleaza )

( cytochrom C , mioglobina , rybonukleaza )

-- kilka łańcuchów

kilka łańcuchów

→

→

białko polimeryczne:

białko polimeryczne:

-- homopolimeryczne

homopolimeryczne ( takie same łańcuchy ) np.

( takie same łańcuchy ) np. heksokinaza

heksokinaza ( α

( α

4

4

))

-- heteropolimeryczne

heteropolimeryczne ( różne łańcuchy ) np.

( różne łańcuchy ) np. Hb

Hb ( α

( α

2

2

β

β

2

2

))

---

--- Podział białek

Podział białek ---

---

1/. Na podstawie kształtu cząsteczki białka (stosunek osiowy

1/. Na podstawie kształtu cząsteczki białka (stosunek osiowy -- czyli stosunek długości do szerokości)

czyli stosunek długości do szerokości)

-- białka globularne

białka globularne -- stosunek osiowy < 10 ( 3

stosunek osiowy < 10 ( 3 -- 4 ), łańcuchy polipeptydowe ściśle pofałdowane i

4 ), łańcuchy polipeptydowe ściśle pofałdowane i

zwinięte np. insulina , albuminy i globuliny osocza , większość enzymów

zwinięte np. insulina , albuminy i globuliny osocza , większość enzymów

-- białka włókienkowe (

białka włókienkowe ( fibrylarne

fibrylarne )) -- stosunek osiowy > 10 , łańcuchy polipeptydowe zwinięte

stosunek osiowy > 10 , łańcuchy polipeptydowe zwinięte

śrubowo lub w helisy , połączone krzyżowo wiązaniami kowalencyjnymi lub wodorowymi np.

śrubowo lub w helisy , połączone krzyżowo wiązaniami kowalencyjnymi lub wodorowymi np.

-- β

β--keratyna

keratyna

-- α

α--keratyna

keratyna

-- kolagen

kolagen

2/.

2/. Klasyfikacja białek na podstawie ich rozpuszczalności

Klasyfikacja białek na podstawie ich rozpuszczalności

-- Albuminy

Albuminy -- R w H

R w H

2

2

O i roztworach soli

O i roztworach soli

-- Globuliny

Globuliny -- słabo R w H

słabo R w H

2

2

O ale dobrze w roztworach soli

O ale dobrze w roztworach soli

-- Prolaminy

Prolaminy -- R w 70

R w 70 -- 80% etanolu. NR w H

80% etanolu. NR w H

2

2

O i etanolu absolutnym. Bogate w

O i etanolu absolutnym. Bogate w Arg

Arg

-- Histony

Histony -- R w roztworach soli i kwasów nieorganicznych

R w roztworach soli i kwasów nieorganicznych

-- Skleroproteiny

Skleroproteiny -- NR w H

NR w H

2

2

O ani w roztworach soli. Bogate w

O ani w roztworach soli. Bogate w Gly

Gly , Ala , Pro

, Ala , Pro

3/.

3/. Klasyfikacja białek na podstawie budowy chemicznej

Klasyfikacja białek na podstawie budowy chemicznej

-- białka proste (

białka proste ( holoproteiny

holoproteiny ) składają się niemal wyłącznie z aa

) składają się niemal wyłącznie z aa

-- białka złożone (

białka złożone (heteroproteiny

heteroproteiny) zawierają integralną część niebiałkową

) zawierają integralną część niebiałkową -- grupę prostetyczną

grupę prostetyczną --

mocniej lub słabiej związaną z częścią białkową np. :

mocniej lub słabiej związaną z częścią białkową np. :
-- glikoproteiny

glikoproteiny -- fibronektyna ,

fibronektyna , IgG

IgG

-- fosfoproteiny

fosfoproteiny -- ufosforylowana

ufosforylowana Ser ,

Ser , Thr

Thr , Tyr

, Tyr -- kazeina , fosforylaza glikogenowa

kazeina , fosforylaza glikogenowa

-- lipoproteiny

lipoproteiny -- LDL , HDL

LDL , HDL

-- nukleoproteiny

nukleoproteiny -- chromosom ,

chromosom , rybosom

rybosom

-- metaloproteiny

metaloproteiny -- ferrytyna ( Fe

ferrytyna ( Fe

3+

3+

) ,

) , transferyna

transferyna ( Fe

( Fe

2+

2+

), dehydrogenaza alkoholowa ( Zn

), dehydrogenaza alkoholowa ( Zn

2+

2+

),

),

oksydaza cytochromowa ( Cu i Fe )

oksydaza cytochromowa ( Cu i Fe )

-- chromoproteiny ( hem )

chromoproteiny ( hem ) -- Hb

Hb , cytochrom C , katalaza , mioglobina

, cytochrom C , katalaza , mioglobina

-- flawoproteiny ( FAD , FMN )

flawoproteiny ( FAD , FMN ) -- dehydrogenaza

dehydrogenaza bursztynianowa

bursztynianowa

4/.

4/. Podział ze względu na rolę białka w organizmie

Podział ze względu na rolę białka w organizmie

5/.

5/. Podział ze względu na pochodzenie białka :

Podział ze względu na pochodzenie białka : roślinne , zwierzęce , bakteryjne , wirusowe

roślinne , zwierzęce , bakteryjne , wirusowe

6/. Podział białek ze względu na wartość odżywczą :

6/. Podział białek ze względu na wartość odżywczą :

-- białko pełnowartościowe

białko pełnowartościowe -- zawiera wszystkie aa niezbędne

zawiera wszystkie aa niezbędne

-- białko niepełnowartościowe

białko niepełnowartościowe -- brak przynajmniej jednego aa niezbędnego

brak przynajmniej jednego aa niezbędnego

W budowie białka wyróżnia się 4 zasadnicze poziomy organizacji łańcucha polipeptydowego:

W budowie białka wyróżnia się 4 zasadnicze poziomy organizacji łańcucha polipeptydowego:

-- struktura I rzędowa

struktura I rzędowa

→

→

sekwencja aa w łańcuchu polipeptydowym.

sekwencja aa w łańcuchu polipeptydowym.

-- struktura II rzędowa

struktura II rzędowa

→

→

przestrzenne ułożenie reszt aa sąsiadujących ze sobą w sekwencji

przestrzenne ułożenie reszt aa sąsiadujących ze sobą w sekwencji

liniowej ( wiązania wodorowe).

liniowej ( wiązania wodorowe).

-- struktura III rzędowa

struktura III rzędowa

→

→

określa powiązania przestrzenne i wzajemne ułożenie reszt aa

określa powiązania przestrzenne i wzajemne ułożenie reszt aa

oddalonych od siebie w sekwencji liniowej oraz lokalizację mostków

oddalonych od siebie w sekwencji liniowej oraz lokalizację mostków
disiarczkowych

disiarczkowych. Określa przestrzenne ułożenie

. Określa przestrzenne ułożenie łancucha

łancucha polipeptydowego.

polipeptydowego.

Wiązania wodorowe , jonowe ,

Wiązania wodorowe , jonowe , disiarczkowe

disiarczkowe , oddziaływania

, oddziaływania

hydrofobowe , wiązania van der

hydrofobowe , wiązania van der Walsa

Walsa , estrowe , O , N

, estrowe , O , N –

– glikozydowe.

glikozydowe.

-- struktura IV rzędowa

struktura IV rzędowa

→

→

w białkach zbudowanych z więcej niż jednego łańcucha

w białkach zbudowanych z więcej niż jednego łańcucha

polipeptydowego. Określa wzajemne ułożenie przestrzenne podjednostek

polipeptydowego. Określa wzajemne ułożenie przestrzenne podjednostek
i rodzaj ich kontaktu (

i rodzaj ich kontaktu ( Hb

Hb , kolagen , wirus polio ,

, kolagen , wirus polio , Rynowirus

Rynowirus 14 ).

14 ).

Rola białek , funkcje :

Rola białek , funkcje :

-- enzymatyczna

enzymatyczna -- prawie wszystkie enzymy są białkami , zwiększają szybkość reakcji o około

prawie wszystkie enzymy są białkami , zwiększają szybkość reakcji o około
1 mln razy . Istnieje kilka tysięcy enzymów, z których każdy katalizuje

1 mln razy . Istnieje kilka tysięcy enzymów, z których każdy katalizuje

swoistą dla siebie reakcję chemiczną np.: trypsyna , pepsyna , rybonukleaza ,

swoistą dla siebie reakcję chemiczną np.: trypsyna , pepsyna , rybonukleaza ,
dehydrogenaza alkoholowa , katalaza ,

dehydrogenaza alkoholowa , katalaza , fosfofruktokinaza

fosfofruktokinaza..

-- budulcowa :

budulcowa :

α

α -- keratyna

keratyna -- włosy , rogi , paznokcie

włosy , rogi , paznokcie

kolagen

kolagen
elastyna

elastyna -- białko tkanki łącznej , odpowiedzialnym za zdolność tkanek do

białko tkanki łącznej , odpowiedzialnym za zdolność tkanek do

rozciągania i powrotu do uprzedniego kształtu. Nie jest tak

rozciągania i powrotu do uprzedniego kształtu. Nie jest tak
rozpowszechniona jak kolagen , ale

rozpowszechniona jak kolagen , ale występujje

występujje w dużych ilościach w

w dużych ilościach w

tkankach , które wymagają takich właściwości fizycznych , a więc np.:

tkankach , które wymagają takich właściwości fizycznych , a więc np.:
w płucach , dużych tętnicach i niektórych więzadłach sprężystych

w płucach , dużych tętnicach i niektórych więzadłach sprężystych

białka błonowe

białka błonowe -- białka strukturalne

białka strukturalne

-- magazynowa :

magazynowa :

ceruloplazmina

ceruloplazmina -- białko magazynujące Cu

białko magazynujące Cu

ferrytyna

ferrytyna -- białko magazynujące Fe

białko magazynujące Fe

3+

3+

-- transportowa :

transportowa :

mioglobina

mioglobina -- transport O

transport O

2

2

w mięśniach

w mięśniach

Hb

Hb -- transport O

transport O

2

2

we krwi

we krwi

transferyna

transferyna -- transport Fe

transport Fe

2+

2+

albumina

albumina -- transport np. leków

transport np. leków

-- regulacyjna :

regulacyjna :

hormony : peptydowe (omówione wcześniej), białkowe np. GH , PRL

hormony : peptydowe (omówione wcześniej), białkowe np. GH , PRL
białka

białka represorowe

represorowe -- hamują transkrypcję genów

hamują transkrypcję genów

-- ochronna :

ochronna :

immunoglobuliny

immunoglobuliny -- układ odpornościowy

układ odpornościowy

trombina , fibrynogen

trombina , fibrynogen -- ochrona przed utratą krwi

ochrona przed utratą krwi

-- ruch :

ruch :

aktyna , miozyna

aktyna , miozyna -- mięśnie

mięśnie

tubulina

tubulina -- białko

białko mikrotubul

mikrotubul biorące udział w podziałach komórkowych

biorące udział w podziałach komórkowych

-- rola buforowa :

rola buforowa :

we krwi

we krwi -- albuminy

albuminy

-- wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych :

wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych :

białka receptorowe

białka receptorowe -- rodopsyna ( białko

rodopsyna ( białko fotoreceptorowe

fotoreceptorowe występujące w siatkówce oka ).

występujące w siatkówce oka ).

*** Właściwości białek ***

*** Właściwości białek ***

-- mają charakter związków wielkocząsteczkowych, co powoduje , że białka nie dializują , a

mają charakter związków wielkocząsteczkowych, co powoduje , że białka nie dializują , a

roztwory białek wykazują właściwości

roztwory białek wykazują właściwości -- cechy koloidów

cechy koloidów

-- wywierają ciśnienie

wywierają ciśnienie koloido

koloido -- osmotyczne

osmotyczne

-- mają zdolność wiązania jonów

mają zdolność wiązania jonów

-- wędrują w polu elektrycznym dzięki ładunkowi elektrycznemu cząsteczki. Szybkość

wędrują w polu elektrycznym dzięki ładunkowi elektrycznemu cząsteczki. Szybkość

poruszania się w polu elektrycznym zależy od wielkości ładunku elektrycznego , oraz od

poruszania się w polu elektrycznym zależy od wielkości ładunku elektrycznego , oraz od
rozmiarów i kształtu cząsteczki

rozmiarów i kształtu cząsteczki

-- większość białek dobrze rozpuszcza się w H

większość białek dobrze rozpuszcza się w H

2

2

O , niektóre w rozcieńczonych roztworach

O , niektóre w rozcieńczonych roztworach

soli , kwasów i zasad. O rozpuszczalności decyduje przede wszystkim ich zdolność do

soli , kwasów i zasad. O rozpuszczalności decyduje przede wszystkim ich zdolność do
hydratacji , budowa chemiczna , obecność soli w środowisku i

hydratacji , budowa chemiczna , obecność soli w środowisku i pH

pH środowiska

środowiska

-- białka ulegają wysalaniu pod wpływem silnych elektrolitów np. soli Stężenie soli potrzebne

białka ulegają wysalaniu pod wpływem silnych elektrolitów np. soli Stężenie soli potrzebne

do wysolenia zależy od właściwości białka i

do wysolenia zależy od właściwości białka i pH

pH środowiska.

środowiska. Wysalacze

Wysalacze : (NH

: (NH

4

4

))

2

2

SO

SO

4

4

, MgSO

, MgSO

4

4

,,

aceton , etanol ( ale działając krótko ). Wysalanie jest procesem odwracalnym bo nie powoduje

aceton , etanol ( ale działając krótko ). Wysalanie jest procesem odwracalnym bo nie powoduje
denaturacji białka.

denaturacji białka.

-- Wsalanie

Wsalanie jest procesem odwrotnym do wysalania , którego dokonuje się przez stopniowe

jest procesem odwrotnym do wysalania , którego dokonuje się przez stopniowe

rozcieńczanie roztworu białek.

rozcieńczanie roztworu białek.

-- Białka ulegają denaturacji .

Białka ulegają denaturacji .

Zniszczeniu ulega IV , III , lub II rzędowa struktura białka , I rzędowa struktura pozostaje

Zniszczeniu ulega IV , III , lub II rzędowa struktura białka , I rzędowa struktura pozostaje
niezmieniona

niezmieniona -- a więc zmianie ulega konformacja łańcucha polipeptydowego. Białko traci

a więc zmianie ulega konformacja łańcucha polipeptydowego. Białko traci

swoje właściwości. Rozrywane są wiązania wodorowe , jonowe , hydrofobowe ,

swoje właściwości. Rozrywane są wiązania wodorowe , jonowe , hydrofobowe , disiarczkowe

disiarczkowe ,

,

van der

van der Walsa

Walsa..

DENATURACJĘ POWODUJĄ :

DENATURACJĘ POWODUJĄ :
Czynniki fizyczne : ogrzewanie , wysalanie , ultradźwięki , promieniowanie , wstrząsanie

Czynniki fizyczne : ogrzewanie , wysalanie , ultradźwięki , promieniowanie , wstrząsanie

wodnych roztworów białek w atmosferze powietrza.

wodnych roztworów białek w atmosferze powietrza.

Czynniki chemiczne : kwasy , zasady , jony metali ciężkich , chlorowodorek guanidyny ,

Czynniki chemiczne : kwasy , zasady , jony metali ciężkich , chlorowodorek guanidyny ,

mocznik , detergenty , fenol , chloroform , rozpuszczalniki mieszające się

mocznik , detergenty , fenol , chloroform , rozpuszczalniki mieszające się
wodą ( etanol , aceton )

wodą ( etanol , aceton )

-- Skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego w lewo , ponieważ zbudowane są z L

Skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego w lewo , ponieważ zbudowane są z L--aa.

aa.

-- Roztwory białek cechuje duży współczynnik załamania światła , który wzrasta liniowo w

Roztwory białek cechuje duży współczynnik załamania światła , który wzrasta liniowo w

miarę wzrostu stężenia białka w roztworze , co wykorzystuje się do ilościowego oznaczania

miarę wzrostu stężenia białka w roztworze , co wykorzystuje się do ilościowego oznaczania
białka metodą referencyjną

białka metodą referencyjną

2009-12-31

5

-- Z powodu obecności wiązań peptydowych białka pochłaniają światło nadfioletowe z max

Z powodu obecności wiązań peptydowych białka pochłaniają światło nadfioletowe z max

absorbancji

absorbancji przy λ = 230

przy λ = 230 nm

nm, a z powodu obecności Tyr i

, a z powodu obecności Tyr i Trp

Trp przy max λ = 280

przy max λ = 280 nm

nm

-- Masa cząsteczkowa białek waha się od 10.000 do wielokrotności miliona.

Masa cząsteczkowa białek waha się od 10.000 do wielokrotności miliona.

-- Białka są związkami amfoterycznymi.

Białka są związkami amfoterycznymi.

-- Każde białko ma charakterystyczny dla siebie punkt izoelektryczny

Każde białko ma charakterystyczny dla siebie punkt izoelektryczny pI

pI np.:

np.:

-- pepsyna 1.0

pepsyna 1.0

-- kazeina 4.7

kazeina 4.7

-- mioglobina 7.0

mioglobina 7.0

-- trypsyna 10. 5

trypsyna 10. 5

W punkcie izoelektrycznym rozpuszczalność białka jest najmniejsza i najłatwiej jest wtedy

W punkcie izoelektrycznym rozpuszczalność białka jest najmniejsza i najłatwiej jest wtedy
takie białko wytrącić z roztworu bądź wykrystalizować.

takie białko wytrącić z roztworu bądź wykrystalizować.

W punkcie izoelektrycznym białko :

W punkcie izoelektrycznym białko :

-- wykazuje najmniejsze ciśnienie osmotyczne

wykazuje najmniejsze ciśnienie osmotyczne

-- ma najmniejszą lepkość

ma najmniejszą lepkość

-- najsłabiej pęcznieje

najsłabiej pęcznieje

-- nie reaguje z anionami ani z kationami

nie reaguje z anionami ani z kationami

-- wykazuje najmniejszą ruchliwość elektroforetyczną

wykazuje najmniejszą ruchliwość elektroforetyczną

-- Białka mają właściwości buforowe w odpowiednim przedziale

Białka mają właściwości buforowe w odpowiednim przedziale pH

pH

Reakcje chemiczne , którym ulegają białka

Reakcje chemiczne , którym ulegają białka

- Reakcja

Reakcja ninhydrynowa

ninhydrynowa - aa , peptydy , białka , sole amonowe , aminocukry , amoniak

aa , peptydy , białka , sole amonowe , aminocukry , amoniak

-- Reakcja z HNO

Reakcja z HNO

2

2

-- Reakcja biuretowa ( Piotrowskiego )

Reakcja biuretowa ( Piotrowskiego ) -- peptydy i białka.

peptydy i białka. Jest to reakcja na wiązania

Jest to reakcja na wiązania

peptydowe

peptydowe. W środowisku alkalicznym 2 wiązania peptydowe tworzą kompleks z jonami

. W środowisku alkalicznym 2 wiązania peptydowe tworzą kompleks z jonami

Cu

Cu

2+

2+

dając zabarwienie fioletowo

dając zabarwienie fioletowo -- niebieskie. Reakcji tej ulegają więc tylko

niebieskie. Reakcji tej ulegają więc tylko tripeptydy

tripeptydy ,,

tetra

tetra -- ,

, penta

penta -- ....peptydy.

....peptydy. Dipeptydy

Dipeptydy powyższej reakcji nie ulegają. Reakcja służy do

powyższej reakcji nie ulegają. Reakcja służy do

oznaczeń ilościowych i jakościowych.

oznaczeń ilościowych i jakościowych.

-- Metoda

Metoda Lowry’ego

Lowry’ego -- do ilościowego oznaczania peptydów i białek. Metoda wykorzystuje

do ilościowego oznaczania peptydów i białek. Metoda wykorzystuje

czułą reakcję wiązań peptydowych i tyrozyny z odczynnikiem wolframowo

czułą reakcję wiązań peptydowych i tyrozyny z odczynnikiem wolframowo -- molibdenowo

molibdenowo --

fosforowym (

fosforowym ( Folina

Folina -- Ciocalteu

Ciocalteu ). Jest to kombinacja reakcji biuretowej oraz reakcji

). Jest to kombinacja reakcji biuretowej oraz reakcji

między resztami tyrozyny a odczynnikiem

między resztami tyrozyny a odczynnikiem Folina

Folina , w której powstają barwne , niebieskie

, w której powstają barwne , niebieskie

produkty. Metoda pozwala na oznaczenie białka w stężeniu 1µg / ml. Jest zatem ok. 100

produkty. Metoda pozwala na oznaczenie białka w stężeniu 1µg / ml. Jest zatem ok. 100
razy dokładniejsza i czulsza niż biuretowa.

razy dokładniejsza i czulsza niż biuretowa.

-- Metoda oznaczania zawartości białka za pomocą pomiaru

Metoda oznaczania zawartości białka za pomocą pomiaru absorbancji

absorbancji w nadfiolecie

w nadfiolecie --

peptydy i białka. Większość białek ze względu na zawartość reszt Tyr i

peptydy i białka. Większość białek ze względu na zawartość reszt Tyr i Trp

Trp wykazuje

wykazuje

max

max absorbancji

absorbancji przy λ = 280 nm. Związki , które mogą wpływać na

przy λ = 280 nm. Związki , które mogą wpływać na absorbancję

absorbancję to :

to :

kwasy nukleinowe ( wykazujące max

kwasy nukleinowe ( wykazujące max absorbancji

absorbancji przy λ = 260

przy λ = 260 nm

nm ) oraz puryny ,

) oraz puryny ,

pirymidyny i fenole.

pirymidyny i fenole.

-- Metoda

Metoda Bradforda

Bradforda -- peptydy i białka

peptydy i białka -- metoda służy do oznaczeń ilościowych

metoda służy do oznaczeń ilościowych

Z błękitem brylantowym

Z błękitem brylantowym Coomassie’go

Coomassie’go G

G--250 w środowisku kwaśnym białko wiąże się

250 w środowisku kwaśnym białko wiąże się

za pomocą wiązań jonowych i hydrofobowych

za pomocą wiązań jonowych i hydrofobowych Arg

Arg , w mniejszym stopniu His ,

, w mniejszym stopniu His , Lys

Lys , Tyr ,

, Tyr ,

Trp

Trp ,

, Phe

Phe. W wyniku reakcji powstaje brunatne zabarwienie wprost proporcjonalne do

. W wyniku reakcji powstaje brunatne zabarwienie wprost proporcjonalne do

zawartości białka w roztworze.

zawartości białka w roztworze.

-- Metoda

Metoda Kjeldahla

Kjeldahla -- oznaczanie zawartości azotu białkowego

oznaczanie zawartości azotu białkowego -- oznaczanie ilościowe.

oznaczanie ilościowe.

Azot białka oznacza się po rozkładzie białka do NH

Azot białka oznacza się po rozkładzie białka do NH

3

3

. Białko gotuje się ze stężonym

. Białko gotuje się ze stężonym

H

H

2

2

SO

SO

4

4

+ katalizator

+ katalizator

→

→

→

→

→

→

→

→

następuje zniszczenie białka i powstaje (HN

następuje zniszczenie białka i powstaje (HN

4

4

))

2

2

SO

SO

4

4

Następnie

Następnie

dodaje się nadmiar alkaliów , które powodują uwolnienie NH

dodaje się nadmiar alkaliów , które powodują uwolnienie NH

3

3

, który wyłapuje się w

, który wyłapuje się w

płuczce z

płuczce z H

H

2

2

SO

SO

4

4

. Następnie oznaczenie prowadzi się przez miareczkowanie.

. Następnie oznaczenie prowadzi się przez miareczkowanie.

-- Hydroliza wiązania peptydowego.

Hydroliza wiązania peptydowego.

A) hydroliza kwaśna

A) hydroliza kwaśna

6

6 -- 12N

12N HCl

HCl lub 4

lub 4 -- 7N H

7N H

2

2

SO

SO

4

4

w temperaturze 110

w temperaturze 110

°°°°°°°°

C przez 24 , 48 i 72 godziny

C przez 24 , 48 i 72 godziny .

.

Używamy 5

Używamy 5 -- 10 razy więcej kwasu niż białka . Nie wolno używać HNO

10 razy więcej kwasu niż białka . Nie wolno używać HNO

3

3

gdyż powoduje

gdyż powoduje

utlenienie bądź nitrowanie pierścieni .

utlenienie bądź nitrowanie pierścieni .

Wady :

Wady :

niszczy :

niszczy : -- Trp

Trp

-- Powoli aa z grupą

Powoli aa z grupą --OH : Ser ,

OH : Ser , Thr

Thr ( ale mając stężenia tych aa po

( ale mając stężenia tych aa po

czasie 24 , 48 ,72 h można ekstrapolować stężenie wyjściowe )

czasie 24 , 48 ,72 h można ekstrapolować stężenie wyjściowe )

-- Gln

Gln ,

, Asn

Asn w środowisku kwaśnym są nietrwałe

w środowisku kwaśnym są nietrwałe

→

→

→

→

→

→

→

→

Glu

Glu ,

, Asp

Asp + NH

+ NH

3

3

Na podstawie uwolnionego NH

Na podstawie uwolnionego NH

3

3

oznaczamy sumę

oznaczamy sumę Gln

Gln +

+ Asn

Asn i np.

i np.

chromatograficznie sumę

chromatograficznie sumę Asp

Asp +

+ Asn

Asn oraz

oraz Glu

Glu +

+ Gln

Gln

•

• Elektroforeza w gradiencie

Elektroforeza w gradiencie pH

pH -- ogniskowanie izoelektryczne

ogniskowanie izoelektryczne

Białko będzie

Białko będzie wędrowalo

wędrowalo do momentu osiągnięcia pozycji , w której

do momentu osiągnięcia pozycji , w której pH

pH żelu

żelu

zrówna się z

zrówna się z pH

pH białka .

białka .

• HPLC

• HPLC

-- biorąc pod uwagę wielkość cząsteczki i ładunek elektryczny

biorąc pod uwagę wielkość cząsteczki i ładunek elektryczny

•

• Rozdzielanie na podstawie rozpuszczalności .

Rozdzielanie na podstawie rozpuszczalności .

Polega na wysalaniu z roztworu wodnego solami obojętnymi np.: (NH

Polega na wysalaniu z roztworu wodnego solami obojętnymi np.: (NH

4

4

))

2

2

SO

SO

4

4

lub MgSO

lub MgSO

4

4

Do roztworu białek dodaje się wzrastającą ilość soli każdorazowo odwirowując wytrącone

Do roztworu białek dodaje się wzrastającą ilość soli każdorazowo odwirowując wytrącone
białko. Przez zmianę

białko. Przez zmianę pH

pH metodę można udoskonalić. Metoda ta stosowana jest tylko do

metodę można udoskonalić. Metoda ta stosowana jest tylko do

oczyszczania wstępnego .

oczyszczania wstępnego .

Po wyizolowaniu białka w czystej postaci wyżej wymienionymi metodami białko należy

Po wyizolowaniu białka w czystej postaci wyżej wymienionymi metodami białko należy
scharakteryzować pod względem chemicznym :

scharakteryzować pod względem chemicznym :

-- przez wyznaczenie punktu izoelektrycznego

przez wyznaczenie punktu izoelektrycznego

-- przez wyznaczenie względnej masy cząsteczkowej

przez wyznaczenie względnej masy cząsteczkowej

-- przez analityczne oznaczenie całkowitego stężenia białka

przez analityczne oznaczenie całkowitego stężenia białka

-- charakterystyka immunologiczna

charakterystyka immunologiczna

Metody wyznaczania względnej masy cząsteczkowej :

Metody wyznaczania względnej masy cząsteczkowej :
•

• ultrawirowanie

ultrawirowanie przez wyznaczenie stałej sedymentacji Svedberga

przez wyznaczenie stałej sedymentacji Svedberga

• na podstawie składu białka ( oznaczamy ilość O , C , N , S

• na podstawie składu białka ( oznaczamy ilość O , C , N , S

→

→

→

→

→

→

→

→

masa białka )

masa białka )

• na podstawie ciśnienia osmotycznego jakie białko wywiera na błonę półprzepuszczalną

• na podstawie ciśnienia osmotycznego jakie białko wywiera na błonę półprzepuszczalną

w ściśle określonym

w ściśle określonym pH

pH i stężeniu białka w roztworze.

i stężeniu białka w roztworze.

• na podstawie efektu

• na podstawie efektu Tyndala

Tyndala ( rozpraszania światła )

( rozpraszania światła )

• chromatografia na sitach molekularnych

• chromatografia na sitach molekularnych

• Elektroforeza żelowa SDS

• Elektroforeza żelowa SDS
• Metoda wirowania w różnych gradientach stężeń

• Metoda wirowania w różnych gradientach stężeń

60

60 -- 20% roztwór sacharozy

20% roztwór sacharozy

6M roztwór chlorku cezu sam tworzy gradient

6M roztwór chlorku cezu sam tworzy gradient

Są to metody porównawcze naszego białka z białkiem stanowiącym wzorzec standardowy.

Są to metody porównawcze naszego białka z białkiem stanowiącym wzorzec standardowy.

Określenie struktury I rzędowej białka

Określenie struktury I rzędowej białka

1. Jeśli białko jest

1. Jeśli białko jest heteropolimeryczne

heteropolimeryczne tzn

tzn zawiera

zawiera wiecej

wiecej niż jeden łańcuch polipeptydowy

niż jeden łańcuch polipeptydowy

to łańcuchy należy rozdzielić i oczyścić .

to łańcuchy należy rozdzielić i oczyścić .
Rozrywanie wiązań :

Rozrywanie wiązań :

-- wodorowe

wodorowe -- 8M mocznik

8M mocznik
6M chlorowodorek guanidyny

6M chlorowodorek guanidyny

-- diS

diS -- utlenianie kwasem

utlenianie kwasem nadmrówkowym

nadmrówkowym do SO

do SO

3

3

2

2--

-- redukcja za pomocą β

redukcja za pomocą β -- merkaptoetanolu

merkaptoetanolu do

do --SH a następnie należy

SH a następnie należy

podziałać kwasem

podziałać kwasem jodooctowym

jodooctowym lub akrylonitrylem aby zablokować

lub akrylonitrylem aby zablokować

grupę

grupę --SH i zapobiec powstawaniu nowych wiązań

SH i zapobiec powstawaniu nowych wiązań diS

diS

-- hydrofobowe

hydrofobowe -- detergenty

detergenty

-- jonowe

jonowe -- kwasy , zasady

kwasy , zasady

Rozdział i oczyszczanie

Rozdział i oczyszczanie -- podobnie jak białka

podobnie jak białka

Enzymy jako katalizatory

Enzymy s

ą

katalizatorami, które zwi

ę

kszaj

ą

szybko

ść

reakcji

chemicznej,

same

nie

ulegaj

ą

c

zmianie.

W

nieobecno

ś

ci enzymu reakcja mo

ż

e zachodzi

ć

niezwykle

wolno,

natomiast

w

jego

obecno

ś

ci

szybko

ść

reakcji

znacznie wzrasta, nawet do 107 razy. Reakcje katalizowane
przez

enzymy

zazwyczaj

przebiegaj

ą

we

wzgl

ę

dnie

łagodnych warunkach (temperatura poni

ż

ej 100°C, ci

ś

nienie

atmosferyczne i oboj

ę

tne pH) - w porównaniu z warunkami

odpowiednich

niekatalizowanych

reakcji

chemicznych.

Enzymy s

ą

wysoce specyficzne wzgl

ę

dem substratów, na

które

działaj

ą

,

i

produktów,

które

tworz

ą

.

Poza

tym

aktywno

ść

enzymatyczna mo

ż

e by

ć

regulowana, zmieniaj

ą

c

si

ę

w

zale

ż

no

ś

ci

od

st

ęż

enia

substratów

lub

innych

cz

ą

steczek. Prawie wszystkie enzymy s

ą

białkami, chocia

ż

zidentyfikowano

te

ż

kilka

rodzajów

cz

ą

steczek

RNA

aktywnych katalitycznie.

2009-12-31

6

Energia

aktywacji i stan przej

ś

ciowy

• Zmiany energii zachodzące w przebiegu reakcji biochemicznej

przedstawiono na rysunku. Dla wszystkich reakcji istnieje
bariera energetyczna, którą należy pokonać, aby umożliwić
przebieg

reakcji.

Jest

to

ilość

energii

potrzebna

do

przeprowadzenia cząsteczek substratu w stan przejściowy,
który jest niestabilną formą chemiczną, prowadzącą od
substratów do produktów. Stan przejściowy ma największą
energię swobodną ze wszystkich związków w drodze reakcji.
Energia aktywacji (∆G*) równa jest różnicy w energii
swobodnej między stanem przejściowym a substratem. Enzym
działa w drodze stabilizowania stanu przejściowego reakcji
chemicznej i zmniejsza ∆G*. Enzym nie zmienia poziomu
energii zarówno substratu, jak i produktu. Tak więc enzym
zwiększa szybkość przebiegu reakcji, ale nie wpływa na
ogólną zmianę energii w tej reakcji.

Zmiana energii swobodnej

•

Zmiana energii swobodnej (Gibbsa) decyduje, czy reakcja b

ę

dzie

energetycznie korzystna, czy niekorzystna. Na rysunku
przedstawiono przykład, w którym sumaryczna zmiana energii
reakcji czyni j

ą

energetycznie korzystn

ą

(tzn. produkty maj

ą

ni

ż

szy

poziom energii ni

ż

substraty, a

∆

G ma warto

ść

ujemn

ą

). Nale

ż

y

zaznaczy

ć

,

ż

e

∆

G jest poj

ę

ciem innym ni

ż

∆

G*. Warto

ść

∆

G reakcji

jest niezale

ż

na od drogi reakcji i nie dostarcza

ż

adnej informacji o

szybko

ś

ci reakcji, poniewa

ż

o szybko

ś

ci reakcji decyduje

∆

G*.

Ujemna warto

ść

∆

G wskazuje,

ż

e reakcja jest termodynamicznie

korzystna we wskazanym kierunku (tj. ma du

żą

szans

ę

przebiegu

spontanicznego), natomiast dodatnia warto

ść

∆

G wskazuje,

ż

e

reakcja jest termodynamicznie niekorzystna i wymaga nakładu
energii, aby zaj

ść

we wskazanym kierunku. W układach

biochemicznych ten nakład energii uzyskuje si

ę

cz

ę

sto przez

sprz

ęż

enie reakcji energetycznie niekorzystnej z reakcj

ą

energetycznie korzystn

ą

(reakcje sprz

ęż

one).

Zmiany energii zachodz

ą

ce podczas

przebiegu reakcji biochemicznej

Często jest korzystne odwoływanie się do wartości

∆

G aktualnej dla standardowego zestawu warunków,

jakimi są jednakowe stężenia (1,0 M) zarówno
substratów, jak i produktów reakcji oraz przebieg
reakcji w stałym pH 7,0. W tych warunkach wartość
stwierdzana dla

∆

G jest nieco odmienna niż w

innych warunkach i jest określana jako

∆

G°.

Przykładem reakcji energetycznie korzystnej, o
dużej ujemnej wartości ∆G° i często używanej do
napędzania reakcji energetycznie niekorzystnych
jest hydroliza ATP, tworząca ADP i wolny Pi:

Równowaga reakcji

Reakcja

chemiczna

istnieje

zazwyczaj

w

stanie

równowagi

dynamicznej, w której mimo ustawicznego przekształcania nowych
cząsteczek substratu i tworzenia nowych cząsteczek produktu,
proporcja substratu do produktu pozostaje stała.
Rozważmy następującą reakcję: gdzie szybkość reakcji w kierunku
wprost (od A do B) wynosi 10

-4

na sekundę (s

-1

), a szybkość reakcji

w kierunku odwrotnym wynosi 10

-6

s

-1

. W równowadze stosunek

stężeń substratu i produktu stanowi wartość stałą, znaną jako stała
równowagi (K).

Stałą równowagi dla danej reakcji definiuje się jako:

gdzie prostokątne nawiasy oznaczają stężenie.
Stała równowagi jest określona przez stosunek
szybkości reakcji w kierunku wprost A do B do
szybkości reakcji w kierunku odwrotnym B do
A

2009-12-31

7

Tak więc dla tej reakcji w stanie równowagi istnieje 100 razy
więcej produktu B niż substratu A, niezależnie od tego, czy
enzym jest obecny, czy nie. Dzieje się tak dlatego, że enzymy
nie zmieniają położenia równowagi reakcji, ale przyspieszają
szybkość reakcji w obu kierunkach w tym samym stopniu.
Innymi słowy, enzymy przyspieszają osiągnięcie stanu
równowagi, ale nie przesuwają jego położenia. W przypadku
pokazanej tu hipotetycznej reakcji, w nieobecności enzymu
reakcja może potrzebować więcej niż godzinę do osiągnięcia
stanu równowagi, natomiast w obecności enzymu może
osiągnąć stan równowagi w czasie krótszym niż 1 sekunda.

Miejsce aktywne

•

Miejsce aktywne enzymu jest regionem, który wiąże substrat i
przemienia go w produkt. Zazwyczaj jest to względnie niewielka część
całej cząsteczki enzymu i stanowi określoną trójwymiarową przestrzeń,
utworzoną przez reszty aminokwasów, które w liniowym łańcuchu
polipeptydowym mogą leżeć daleko od siebie. Miejsce aktywne jest często
szczeliną lub zagłębieniem w cząsteczce enzymu, które tworzy środowisko
w znacznym stopniu niepolarne, co ułatwia wiązanie substratu. Substrat(y)
jest wiązany w miejscu aktywnym przez liczne słabe siły (oddziaływania
elektrostatyczne, wiązania wodorowe, siły van der Waalsa, oddziaływania
hydrofobowe), a w pewnych przypadkach przez odwracalne wiązania
kowalencyjne. Po związaniu cząsteczki substratu i utworzeniu kompleksu
enzym-substrat, katalitycznie czynne reszty w obrębie aktywnego miejsca
enzymu działają na cząsteczkę substratu tak, aby przekształcić go
początkowo w stan przejściowy, a następnie w produkt, który zostaje
uwolniony do roztworu. Potem enzym, już wolny, może związać kolejną
cząsteczkę substratu i rozpocząć nowy cykl katalityczny.

• Zaproponowano dwa modele wyjaśniające, jak enzym może

wiązać

swój

substrat.

W

modelu

zamka

i

klucza,

zaproponowanym przez Emila Fischera w 1894 roku, kształt
substratu i aktywnego miejsca enzymu miałyby pasować do siebie
jak klucz do zamka. Oba kształty są uważane za sztywne i
utrwalone oraz pasujące do siebie idealnie po odpowiednim
zestawieniu.

W

modelu

indukowanego

dopasowania,

zaproponowanym w 1958 roku przez Daniela E. Koshlanda,
związanie

substratu

indukuje

zmianę

konformacyjną

w

aktywnym miejscu enzymu. Poza tym enzym może zniekształcić
substrat wymuszając w nim konformację podobną do stanu
przejściowego. Na przykład, związanie glukozy z heksokinazą
indukuje taką konformacyjną zmianę w strukturze enzymu, że
jego miejsce aktywne przyjmuje kształt komplementarny do
substratu (glukozy) tylko po jego związaniu z enzymem. Różne
enzymy wykazują cechy charakterystyczne dla obu modeli, a więc
pewną komplementarność i pewne zmiany konformacji.

Specyficzno

ść

substratowa

• Właściwości i ułożenie przestrzenne reszt aminokwasów

tworzących aktywne miejsce enzymu determinują rodzaj
cząsteczki, która może zostać związana i stać się substratem
dla tego enzymu. O specyficzności substratowej często
decydują zmiany stosunkowo niewielkiej liczby aminokwasów
w miejscu aktywnym. Widać to wyraźnie w trzech enzymach
trawiennych: trypsynie, chymotrypsynie i elastazie. Te trzy
enzymy należą do rodziny enzymów o nazwie proteazy
serynowe

—

„serynowe",

ponieważ

mają

w

miejscu

aktywnym resztę seryny, której udział w katalizie jest
krytyczny, a „proteazy", ponieważ katalizują hydrolizę wiązań
peptydowych w białku. Te trzy enzymy rozszczepiają
wiązania

peptydowe

w

białkowych

substratach

po

karboksylowej stronie pewnych reszt aminokwasów.

Trypsyna

rozszczepia

(tnie)

po

karboksylowej

stronie

dodatnio

naładowanych reszt Lys lub Arg, chymotrypsyna — po karboksylowej
stronie dużych reszt aminokwasów aromatycznych i hydrofobowych, a
elastaza — po karboksylowej stronie reszt o krótkich, nie naładowanych
łańcuchach bocznych. Różna specyficzność tych enzymów jest narzucona
przez charakter grup aminokwasów w miejscach wiązania substratu,
komplementarnych względem substratu, na który działają. Tak więc
trypsyna ma w swym miejscu wiązania substratu ujemnie naładowaną resztę
Asp, która oddziałuje z dodatnimi ładunkami na bocznych łańcuchach Lys i
Arg substratu. Chymotrypsyna ma w miejscu wiązania substratu reszty
aminokwasów o krótkich łańcuchach bocznych, takie jak Gly i Ser, co
umożliwia wejście do tych miejsc dużych łańcuchów bocznych substratu.
Natomiast elastaza ma względnie duże, nie naładowane boczne łańcuchy
aminokwasów Val i Thr, wystające do miejsca wiązania substratu, co
pozwala na wejście do tego miejsca wyłącznie krótkich łańcuchów
bocznych Gly i Ala substratu.

Klasyfikacja enzymów

•

Wiele enzymów ma nazwy utworzone przez dodanie końcówki ,,-aza" do
nazwy substratu. Tak więc ureaza jest enzymem katalizującym hydrolizę
mocznika (ang. urea), a fruktozo-l,6-bisfosfataza hydrolizuje fruktozo-
1,6-bisfosforan. Jednakże pewne enzymy, np. trypsyna i chymotrypsyna,
mają nazwy nie odnoszące się do ich substratów (nazwy zwyczajowe). Są
też enzymy, które mają po kilka różnych nazw. W celu ujednolicenią nazw
enzymów opracowano system nazewnictwa enzymów, uzgodniony
międzynarodowo (Enzyme Commission — EC). System ten dziel
wszystkie enzymy na sześć głównych klas, opartych na typie prowadzonej
reakcji.

Następnie

każdy

enzym

zostaje

zidentyfikowany

prze

czteroliczbowy numer. Tak więc trypsyna ma numer (EC) 3.4.21.4, przy
czym pierwsza liczba (3) oznacza, że jest ona hydrolazą, druga liczba
oznacza, że jest proteazą, która hydrolizuje wiązania peptydowe, trzeci
liczba (21) oznacza, że enzym jest proteazą serynową, mającą w miejsc
aktywnym krytyczną resztę seryny, a czwarta liczba (4) wskazuje, że to
czwarty enzym historycznie przypisany do tej klasy. Dla porównani
chymotrypsyna ma numer EC 3.4.21.1, a elastaza 3.4.21.36.

2009-12-31

8

Koenzymy i grupy prostetyczne

• Wiele enzymów wymaga do swego specyficznego działania

obecności

małych

jednostek

niebiałkowych

o

nazwie

kofaktory. Kofaktorami może być jeden lub więcej jonów
nieorganicznych, np. Zn

2+

lub Fe

2+

, albo złożona cząsteczka

organiczna o nazwie koenzym. Taki metal lub koenzym, który
jest kowalencyjnie związany z enzymem, nazwa się grupą
prostetyczną (np. hem w hemoglobinie). Całość katalitycznie
aktywnego enzymu wraz z jego koenzymem lub jonem metalu
określa się jako holoenzym. Sama białkowa część enzymu bez
jego

kofaktora

jest

nazywana

apoenzymem.

Pewne

koenzymy, takie jak NAD

+

, są wiązane i uwalniane przez

enzym w czasie jego cyklu katalitycznego i dlatego działają
one właściwie jako kosubstraty. Wiele koenzymów jest
pochodnymi prekursorów — witamin, które są często
istotnym składnikiem pożywienia, a których niedostateczny
dopływ wywołuje choroby z niedoboru.

Dinukleotyd

nikotynoamidoadeninowy

(NAD

+

)

oraz

fosforan

dinukleotydu

nikotynoamidoadeninowego

(NADP

+

) są koenzymami mającymi wspólną strukturę opartą

na adeninie, dwóch cząsteczkach rybozy (cukru) powiązanych
grupami fosforanowymi i pierścieniu nikotynoamidowym.
NADP

+

różni się od NAD

+

dodatkową grupą fosforanową

przyłączoną do jednej z cząsteczek rybozy. Oba te koenzymy
pełnią jedną z podstawowych funkcji, jaką jest przenoszenie
elektronów i udział w reakcjach oksydoredukcyjnych.
NAD

+

jest częściej używany w reakcjach katabolicznych

(rozkładu), natomiast NADP

+

jest używany w reakcjach

anabolicznych

(biosyntezy).

Reaktywną

częścią

obu

cząsteczek jest pierścień nikotynoamidowy, który może
występować w formie albo zredukowanej, albo utlenionej, a w
ten sposób działać w reakcji enzymatycznej jako akceptor lub
donor elektronów:

Dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD) oraz mononukleotyd flawinowy
(FMN) również są przenośnikami elektronów i mają podobną strukturę
chemiczną. Oba te koenzymy zawierają jednostkę mononukleotydu
flawinowego, która ma miejsce reaktywne. FAD ma dodat-kową grupę
cukrową i zasadę adeninową, powiększające jego strukturę. FAD oraz FMN
reagują z dwoma protonami oraz z dwoma elektronami, oscylując między
stanem utlenionym i zredukowanym: