Biologia molekularna 1

Białka

Egbert

Piasecki

16-02-2014

Historia

Pocz. XX w. –”Przerażająco wielkie związki chemiczne nie mogą istnieć.

Maksymalna wielkość cząsteczki to 4000 Da”. Białka to heterogenne
agregaty małych cząsteczek.

Jednak białka zachowywały się „dziwnie”

w roztworach, np. nie przechodziły
przez błony półprzepuszczalne.

Badając hemoglobinę stwierdzono, że jest

to związek zbudowany z C, H, N, O i Fe
w proporcji 1 atom Fe na 712 atomów C
 minimum 16700 Da. Ale czy tak długa

cząsteczka może być stabilna w komórce?

Fischer (odkrywca wiązania peptydowego)

uważał, że łańcuch polipeptydowy nie
może przekraczać 30-40 aa. „Długi
łańcuch hemoglobiny jest wysoce
nieprawdopodobny”

Historia

Svedberg (1925) – ultrawirowanie  masa hemoglobiny 68000 Da
Lata 30-te XX w. – krystalizacja białek (tylko jednorodne struktury mogą

tworzyć kryształy; heterogenna zawiesina - nie)

Budowa białek

Białka (polipeptydy):

• 20 podstawowych aminokwasów, L-aminokwasy
• wiązanie peptydowe  peptyd  polipeptyd

Szkielet

polipeptydowy

+

Łańcuchy boczne

Budowa białek

Łańcuchy boczne

Polarne

Niepolarne

- ładunek ujemny (hydrofobowe)

- ładunek dodatni

- bez ładunku

Koniec aminowy (koniec N, NH

2

, NH

3

+

)

Koniec karboksylowy (koniec C, COOH,

COO

-

)

Sekwencja: od N do C

Łańcuch polipeptydowy jest elastyczny

– może teoretycznie zwijać się na
wiele sposobów

Aminokwasy i białka

Niestandardowe aminokwasy:

A) 21. aminokwas – selenocysteina

B) 22. aminokwas – pyrrolizyna

(X=CH

3

NH

2

OH)

Mechanizm wbudowania: w czasie translacji, odmienne wykorzystanie

kodonów

C) 4-hydroksyprolina i 5-hydroksylizyna

w kolagenie

Mechanizm zmian: modyfikacje

posttranslacyjne Pro i Liz

Budowa białek

Struktura pierwszorzędowa

Pierwsza poznana sekwencja

aminokwasowa białek:
insulina 1955 r. (Sanger)

Sekwencja liderowa – kieruje

białko w odpowiednie miejsce
w komórce

Budowa białek

Uformowanie struktury

przestrzennej białka:

1. Wiązania niekowalencyjne

• jonowe

• wodorowe

• van der Waalsa

2. Rozmieszczenie aminokwasów polarnych

(ukierunkowane na zewnątrz)

i

niepolarnych

(ukierunkowane do wewnątrz)

Budowa białek

Uformowanie struktury

przestrzennej białka:

3. Aminokwasy polarne

wewnątrz łączą się

wiązaniami wodorowymi

Sekwencja aminokwasowa determinuje

strukturę przestrzenną białka

Fałdowanie białka  konformacja o najniższej energii

Rozfałdowanie = denaturacja

(podgrzanie, mocznik,
ekstremalne pH – konformacja
typu statystycznego kłębka)

Renaturacja – zwykle spontaniczny

powrót do pierwotnej konformacji

Budowa białek

Wielkość białek - 30-10000

aa, większość - 50-2000 aa

Przykłady struktury



przestrzennej białek



Białka opiekuńcze

(chaperony)

zwiększają

skuteczność fałdowania,
zapobiegają łączeniu się
nowopowstałych białek z
innymi białkami oraz
błędnemu fałdowaniu
białek, których synteza nie
jest jeszcze ukończona

Budowa białek

Nie wiemy na 100%

jak na podstawie
sekwencji określić
strukturę
przestrzenną. Można
to określić wyłącznie
doświadczalnie
(krystalografia
rentgenowska,
magnetyczny
rezonans jądrowy)

Modele
struktury

przestrzennej:

Kolory:

koniec N (fiolet)



koniec C

(czerwień)



04.4-

SH2_domain.mov

Budowa białek

Motywy strukturalne:

• Helisa 

• Harmonijka  (struktura , wstęga

)

Struktury te powstają dzięki

wiązaniom wodorowym między –
NH i –CO szkieletu peptydowego
 helisa  i harmonijka  mogą
być tworzone przez różne
sekwencje aminokwasowe

Harmonijka  - wiązania wodorowe

między łańcuchami peptydowymi,
łańcuchy boczne poniżej i
powyżej płaszczyzny

Budowa białek

Helisa 

- wiązanie wodorowe pomiędzy –NH a –CO czwartego z kolei

wiązania peptydowego w tym samym łańcuchu; 1 obrót = 3,6 aa

Helisa

 - lewoskrętna lub prawoskrętna



04.1-

alpha_helix.mov

Budowa białek

Białka transbłonowe – zazwyczaj helisa 

zbudowana z aminokwasów niepolarnych
(grubość błony: 20 aa)

Przykład: 7-transmembranowy receptor

chemokin

Budowa białek

Superhelisa

– para helis  zawinięta wokół siebie, np. białka

fibrylarne (np. keratyna ). Aminokwasy hydrofobowe po
jednej stronie helisy



04.5-

coiled_coil.mov

Budowa białek

Harmonijka 

– równoległa i antyrównoległa

Struktura taka nadaje wytrzymałość włóknom jedwabiu i

występuje w białkach zapobiegających zamarzaniu

Struktura dywanowa – równoległa

harmonijka  z resztami na

przemian

nad i pod

płaszczyzną



04.2-

beta_sheet.mov

Budowa białek

Oddziaływanie białka z innymi cząsteczkami

może zmienić konformację (zwykle niewielka
zmiana w określonym miejscu)

Nieprawidłowe fałdowanie – mogą powstawać

agregaty (amyloid  choroby
neurodegeneracyjne)

Choroba Creutzfeldta-Jakoba – błędna

konformacja, zdolność do patologicznego
fałdowania prawidłowych białek (infekcyjność
prionów)

 Białko

prionowe

normalne

Białko 

prionowe

patologiczne

Budowa białek

Poziomy organizacji białka:

• Struktura pierwszorzędowa – sekwencja aminokwasowa

• Struktura drugorzędowa – sfałdowanie, np. helisa ,

harmonijka 

• Struktura trzeciorzędowa – pełna przestrzenna

konformacja cząsteczki, wzajemne przestrzenne

ułożenie struktur drugorzędowych i

pętli łączących

• Struktura czwartorzędowa – odrębne łańcuchy

polipeptydowe (podjednostki)

Budowa białek

Motywy strukturalne

(struktury naddrugorzędowe) – zespoły

elementów struktur drugorzędowych; często znaczenie
funkcjonalne, miejsce wiązania, katalityczne, itp.,
np. motyw  
2 motywy  - miejsce wiązania NAD

+

Domeny białka

– część łańcucha

polipeptydowego tworząca niezależną
strukturę, zwykle 100-250 aa

Różne domeny białka  różne funkcje

Białko aktywujące geny kataboliczne (CAP):

mała domena wiąże się z DNA,
duża domena wiąże cAMP

Związanie cAMP  zmiana konformacji 

 wiązanie z DNA  aktywacja genów

Budowa białek

Przykłady domen:

A) Cytochrom b

562

B) Dehydrogenaza mleczanowa (domena wiążąca NAD)

C) Łańcuch lekki immunoglobuliny (region zmienny)

Duże białko może zawierać kilkadziesiąt domen, u

eukariontów

często poszczególne domeny są kodowane przez

odrębne eksony

Budowa białek

Liczba możliwych łańcuchów polipeptydowych:

20

n

, n= liczba aa w białku

Niewiele sekwencji aa daje 1 stabilną konformację

Wiele sekwencji aa występuje w kilku konformacjach o różnych

właściwościach

Tylko białka zapewniające stabilną konformację są biologicznie

użyteczne i ewolucyjnie trwałe

Liczba aa w peptydzie

Liczba kombinacji

1

20

2

20

2

= 400

3

20

3

= 8.000

4

20

4

= 160.000

5

20

5

= 3.200.000

Typowe białko: 300

20

300

= 10

390

Budowa białek

Rodziny białek

– podobne białka, różniące się często funkcją, efekt

duplikacji genów

Przykład: proteazy serynowe – trypsyna, chymotrypsyna i elastaza,

proteazy procesu krzepnięcia krwi – podobna budowa, różna
specyficzność substratowa, różna funkcja

Podobne funkcje mogą spełniać
białka ewoluujące niezależnie
(konwergencja), np. chymotrypsyna
i bakteryjna subtylizyna – miejsce
katalityczne obu enzymów zawiera
Ser-His-Asp – funkcjonalne analogi

Homologi

– białka z tej samej rodziny genów

Ortologi

– ta sama funkcja i znaczenie u różnych gatunków, np.

mioglobiny

Paralogi

– funkcja może być różna, ale wspólne pochodzenie ewolucyjne,

np. - i -globiny

Analogi

– różne pochodzenie, ale funkcja podobna (analogi funkcjonalne),

mogą mieć podobne motywy strukturalne (analogi strukturalne), często
różna budowa

Budowa białek

Białka o strukturze podjednostkowej

Wiązania niekowalencyjne między łańcuchami polipeptydowymi, miejsca
wiążące na powierzchni białka

Homooligomery 

Heterooligomery

Białka mogą składać się z setek

podjednostek,

np. mikrotubule zbudowane

z setek podjednostek

 i  tubuliny

Hemoglobina hem


2



2



04.6-

oligomeric_proteins.mov

Budowa białek

Układy cząsteczek białkowych – kompleksy

wyższego rzędu

Helisa może rozbudowywać się bez końca – np. filamenty aktyny tworzące

cytoszkielet

Budowa białek

Kapsydy wirusowe, rybosomy – struktury samoskładające się: można je

rozbić na składniki, ponownie wymieszać i uzyskać składanie struktur

Budowa białek

Kształt białek:

1. Białka globularne – upakowane w sposób zwarty, zachowują się w

roztworze jak cząstki sferyczne, np. większość enzymów

2. Białka fibrylarne – wydłużone, od kilku tys. do 5 mln Da, np.:

• Filamenty keratynowe – superhelisa ma na końcach globularne domeny

z miejscami wiążącymi

• Na zewnątrz komórki

tworzą matriks
zewnątrzkomórkową
np. wytrzymały na
rozciąganie kolagen
(co trzeci aminokwas
to glicyna), sprężysta
elastyna

Struktura komórki jest w większości
samoorganizująca się. Muszą być tylko
odpowiednie białka w odpowiedniej ilości

Budowa białek

Struktura wielu białek jest stabilizowana przez poprzeczne wiązania

kowalencyjne

Wiązanie wewnątrzcząsteczkowe i pomiędzy podjednostkami

Wiązanie dwusiarczkowe (disulfidowe, S-S) stabilizują konformację

Dotyczy zwłaszcza białek zewnątrzkomórkowych



04.7-

disulfide_bonds.mov

Działanie białek

Aktywność białka zależy od ich zdolności swoistego wiązania się z innymi

cząsteczkami



Katalizatory

Receptory sygnałów

Białka motoryczne

………………………..

Wiązanie białek z innymi cząsteczkami:

Przeciwciała – antygeny (np. wirusy, bakterie)

Enzymy – substraty

Aktyna – aktyna ( filamenty aktynowe)

Wiązanie jest

swoiste

swoiste, czyli 1 białko wiąże 1 lub kilka cząsteczek

(ligandów)

Wiązanie białko-ligand: duże powinowactwo dzięki słabym wiązaniom

niekowalencyjnym – wodorowym, jonowym, van der Waalsa oraz
oddziaływaniom hydrofobowym

Działanie białek

Aby słabe wiązania utrzymały ligand  wiele wiązań  ścisłe

dopasowanie białka do ligandu

Miejsce wiążące białka – zazwyczaj

zagłębienie na powierzchni powstające
jako końcowy efekt fałdowania białka

Białko może mieć

kilka/wiele

miejsc wiążących

Zmiana 1 aa (nawet

daleko

od miejsca

wiążącego) 

możliwy

zanik lub zmiana

funkcji

Działanie białek

Funkcje białek:

1.

Enzymy

– katalizowanie reakcji

2.

Sygnalizacja

– receptory + ligandy

3.

Transport

(np. hemoglobina, transferyna, lipoproteiny) i

magazynowanie

4.

Struktura

(kolagen, keratyna) i

ruch

(aktyna, miozyna)

5.

Odżywianie

(kazeina, owoalbumina, białka nasion)

6.

Odporność

(przeciwciała)

7.

Regulacja

(czynniki transkrypcyjne)

Działanie białek

Niektóre funkcje nie mogą być wypełnione przez strukturę złożoną z

samych aminokwasów



Wiele białek wymaga dołączenia dodatkowych cząsteczek

Struktura niebiałkowa – grupa prostetyczna

Grupy prostetyczne

– małe cząsteczki związane kowalencyjnie lub

niekowalencyjnie z białkami, wiele z nich to kofaktory reakcji
enzymatycznych, np. hem, jony metali, NAD

+

Białko bez swojej grupy prostetycznej - apoproteina

Działanie białek

Przykłady: rodopsyna zawiera jako element światłoczuły retinal

hemoglobina zawiera jako element wiążący O

2

4 cząst. hemu z

atomem Fe

Do białek dołączane są często cukry/oligosacharydy i lipidy (białka

błonowe)

W miejscach aktywnych wielu enzymów – atomy metali lub małe cząsteczki

np. karboksypeptydaza – Zn

+2

, karboksylaza – biotyna (witamina H)

Kontrola funkcji białek

Aktywność białka może być włączana lub wyłączana za pomocą różnych

mechanizmów, na wielu poziomach:

I. Regulacja ekspresji genu

II. Umiejscowienie enzymów w odrębnych przedziałach komórkowych

III. Zmiany w działaniu białek w odpowiedzi na różne cząsteczki

1. Miejsce regulatorowe

2. Fosforylacja białek

3. Białka wiążące GTP

4. Białka motoryczne

Kontrola funkcji białek

1. Enzym ma

miejsce regulatorowe

wiążące określoną cząsteczkę co

prowadzi do zmiany szybkości pracy enzymu

BARDZO SZYBKI SPOSÓB REGULACJI !

a) Hamowanie przez

sprzężenie zwrotne

.

Produkt końcowy szlaku hamuje enzym
na początku
szlaku

Kontrola funkcji białek

b) Stymulacja przez

cząsteczki regulatorowe

. Stymulacja szlaku

metabolicznego przez produkt innego szlaku

Enzymy allosteryczne mają 2 współdziałające miejsca wiążące cząsteczki o

różnych kształtach

Związanie cząsteczki regulacyjnej powoduje zmianę konformacyjną

wpływającą na miejsce aktywne dla substratu

Wiele białek ma właściwości
allosteryczne  przybierają 2 lub

więcej

konformacji (enzymy,

receptory, białka

motoryczne,

strukturalne, …)

Ten sposób regulacji ma dużą szybkość

działania i nie wymaga obecności
dodatkowych białek (enzymów), ale
białko musi mieć miejsce regulatorowe

Kontrola funkcji białek

2. Regulacja funkcji białka przez kowalencyjne dołączenie

grupy

fosforanowej

do łańcucha bocznego jednego z aminokwasów

1 grupa fosforanowa = 2 ładunki ujemne  zmiana konformacji białka

Fosforylacja: Ser, Thr, Tyr

Kinaza białkowa – fosforylacja

Fosfataza białkowa – defosforylacja

Wypadkowa aktywności kinaz i fosfataz

 aktywność białka

Ten sposób regulacji wymaga obecności

enzymów, angażuje system ADP/ATP, ale
białko nie musi mieć miejsca regulatorowego

Kontrola funkcji białek

3. Białka

wiążące GTP

(białka G)

tworzą przełączniki molekularne

Nukleotyd guaninowy jest

związany z białkiem

Fosforylacja w obrębie

układu GDP/GTP

Sygnalizacja komórkowa:

Wewnątrzkomórkowe
szlaki sygnalizacyjne

Czynnik elongacyjny Tu

(EF-Tu)

 RYS 

GTPGDP – zmiana w

miejscu wiązania GTP:
0,1 nm; zmiana w miejscu
wiązania tRNA: b. duża



04.10-EF-Tu.mov

Kontrola funkcji białek

4.

Białka motoryczne

– skurcz mięśnia, ruchy wewnątrzkomórkowe,

przemieszczanie chromosomów, enzymów wzdłuż nici DNA

Zmiany konformacyjne odpowiedzialne za ruch białka

 Zmiany nieukierunkowane

Zmiany ukierunkowane  związane z hydrolizą

ATP – jedna ze zmian konformacji jest

praktycznie nieodwracalna (tzn. ATPADP)

Tak działa miozyna (skurcz mięśnia)

i kinezyna (ruch chromosomów)

Kontrola funkcji białek

„

Maszyny białkowe”

– kompleksy wielu białek np. replikacja DNA, synteza

białka, sygnalizacja transbłonowa

Hydroliza ATP lub GTP stanowi napęd uporządkowanych zmian

konformacyjnych kompleksu



04.11-

safe_crackers.mov