Chemia Bionieorganiczna

• Przedmiotem badań chemii bionieorganicznej są

pierwiastki nieorganiczne występujące w
układach biologicznych oraz wprowadzanych do
tych układów metali jako sondy i leków.

• W układach biologicznych metale występują

zwykle jako naturalne składniki białek.

• Metaloproteiny wykazujące działanie katalityczne

nazywamy metaloenzymami.

• Toksyczne działanie pierwiastków.
• Rola pierwiastków w żywieniu.
• 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

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

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

glicyloalani
na

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 !!

B I A Ł K A

-

-

To związki organiczne o dużej masie cząsteczkowej , zbudowane głównie z

To związki organiczne o dużej masie cząsteczkowej , zbudowane głównie z

aa połączonych

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 monomeryczne ( cytochrom C , mioglobina , rybonukleaza )

białko monomeryczne ( cytochrom C , mioglobina , rybonukleaza )

- kilka łańcuchów

- kilka łańcuchów





białko polimeryczne:

białko polimeryczne:

-

-

homopolimeryczne ( takie same łańcuchy ) np.

homopolimeryczne ( takie same łańcuchy ) np.

heksokinaza ( α

heksokinaza ( α

4

4

)

)

- heteropolimeryczne ( różne łańcuchy ) np. Hb ( α

- heteropolimeryczne ( różne łańcuchy ) np. Hb ( α

2

2

β

β

2

2

)

)

--- Podział białek ---

--- Podział białek ---

1/. Na podstawie kształtu cząsteczki białka (stosunek osiowy - czyli stosunek

1/. Na podstawie kształtu cząsteczki białka (stosunek osiowy - czyli stosunek

długości do szerokości)

długości do szerokości)

-

-

białka globularne

białka globularne

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

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

ściśle pofałdowane i

ściśle pofałdowane i

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

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

-

-

białka włókienkowe ( fibrylarne )

białka włókienkowe ( fibrylarne )

- stosunek osiowy > 10 , łańcuchy

- stosunek osiowy > 10 , łańcuchy

polipeptydowe zwinięte

polipeptydowe zwinięte

śrubowo lub w helisy , połączone krzyżowo wiązaniami kowalencyjnymi lub

śrubowo lub w helisy , połączone krzyżowo wiązaniami kowalencyjnymi lub

wodorowymi np.

wodorowymi np.

- β-keratyna

- β-keratyna

- α-keratyna

- α-keratyna

- kolagen

- kolagen

2/.

2/.

Klasyfikacja białek na podstawie ich rozpuszczalności

Klasyfikacja białek na podstawie ich rozpuszczalności

-

-

Albuminy - R w H

Albuminy - R w H

2

2

O i roztworach soli

O i roztworach soli

- Globuliny - słabo R w H

- Globuliny - słabo R w H

2

2

O ale dobrze w roztworach soli

O ale dobrze w roztworach soli

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

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

2

2

O i etanolu absolutnym. Bogate w Arg

O i etanolu absolutnym. Bogate w Arg

- Histony - R w roztworach soli i kwasów nieorganicznych

- Histony - R w roztworach soli i kwasów nieorganicznych

- Skleroproteiny - NR w H

- Skleroproteiny - NR w H

2

2

O ani w roztworach soli. Bogate w Gly , Ala , Pro

O ani w roztworach soli. Bogate w Gly , Ala , Pro

3/.

3/.

Klasyfikacja białek na podstawie budowy chemicznej

Klasyfikacja białek na podstawie budowy chemicznej

-

-

białka proste ( holoproteiny ) składają się niemal wyłącznie z aa

białka proste ( holoproteiny ) składają się niemal wyłącznie z aa

- białka złożone (heteroproteiny) zawierają integralną część niebiałkową -

- białka złożone (heteroproteiny) 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 - fibronektyna , IgG

- glikoproteiny - fibronektyna , IgG

- fosfoproteiny - ufosforylowana Ser , Thr , Tyr - kazeina , fosforylaza glikogenowa

- fosfoproteiny - ufosforylowana Ser , Thr , Tyr - kazeina , fosforylaza glikogenowa

- lipoproteiny - LDL , HDL

- lipoproteiny - LDL , HDL

- nukleoproteiny - chromosom , rybosom

- nukleoproteiny - chromosom , rybosom

- metaloproteiny - ferrytyna ( Fe

- metaloproteiny - ferrytyna ( Fe

3+

3+

) , transferyna ( Fe

) , transferyna ( Fe

2+

2+

), dehydrogenaza alkoholowa ( Zn

), dehydrogenaza alkoholowa ( Zn

2+

2+

),

),

oksydaza cytochromowa ( Cu i Fe )

oksydaza cytochromowa ( Cu i Fe )

- chromoproteiny ( hem ) - Hb , cytochrom C , katalaza , mioglobina

- chromoproteiny ( hem ) - Hb , cytochrom C , katalaza , mioglobina

- flawoproteiny ( FAD , FMN ) - dehydrogenaza bursztynianowa

- flawoproteiny ( FAD , FMN ) - dehydrogenaza 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 - zawiera wszystkie aa niezbędne

białko pełnowartościowe - zawiera wszystkie aa niezbędne

- białko niepełnowartościowe - brak przynajmniej jednego aa niezbędnego

- białko niepełnowartościowe - 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. Określa przestrzenne ułożenie łancucha polipeptydowego.

disiarczkowych. Określa przestrzenne ułożenie łancucha polipeptydowego.

Wiązania wodorowe , jonowe , disiarczkowe , oddziaływania

Wiązania wodorowe , jonowe , disiarczkowe , oddziaływania

hydrofobowe , wiązania van der Walsa , estrowe , O , N – glikozydowe.

hydrofobowe , wiązania van der Walsa , estrowe , O , N – 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 ( Hb , kolagen , wirus polio , Rynowirus 14 ).

i rodzaj ich kontaktu ( Hb , kolagen , wirus polio , Rynowirus 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 , fosfofruktokinaza.

dehydrogenaza alkoholowa , katalaza , fosfofruktokinaza.

-

-

budulcowa :

budulcowa :

α - keratyna - włosy , rogi , paznokcie

α - keratyna - włosy , rogi , paznokcie

kolagen

kolagen

elastyna - białko tkanki łącznej , odpowiedzialnym za zdolność tkanek do

elastyna - 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 występujje w dużych ilościach w

rozpowszechniona jak kolagen , ale występujje 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 strukturalne

białka błonowe - białka strukturalne

-

-

magazynowa :

magazynowa :

ceruloplazmina - białko magazynujące Cu

ceruloplazmina - białko magazynujące Cu

ferrytyna - białko magazynujące Fe

ferrytyna - białko magazynujące Fe

3+

3+

-

-

transportowa :

transportowa :

mioglobina - transport O

mioglobina - transport O

2

2

w mięśniach

w mięśniach

Hb - transport O

Hb - transport O

2

2

we krwi

we krwi

transferyna - transport Fe

transferyna - transport Fe

2+

2+

albumina - transport np. leków

albumina - transport np. leków

-

-

regulacyjna :

regulacyjna :

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

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

białka represorowe - hamują transkrypcję genów

białka represorowe - hamują transkrypcję genów

-

-

ochronna :

ochronna :

immunoglobuliny - układ odpornościowy

immunoglobuliny - układ odpornościowy

trombina , fibrynogen - ochrona przed utratą krwi

trombina , fibrynogen - ochrona przed utratą krwi

-

-

ruch :

ruch :

aktyna , miozyna - mięśnie

aktyna , miozyna - mięśnie

tubulina - białko mikrotubul biorące udział w podziałach komórkowych

tubulina - białko mikrotubul biorące udział w podziałach komórkowych

- rola buforowa :

- rola buforowa :

we krwi - albuminy

we krwi - albuminy

-

-

wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych :

wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych :

białka receptorowe - rodopsyna ( białko fotoreceptorowe występujące w siatkówce oka ).

białka receptorowe - rodopsyna ( białko fotoreceptorowe 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 - cechy koloidów

roztwory białek wykazują właściwości - cechy koloidów

- wywierają ciśnienie koloido - osmotyczne

- wywierają ciśnienie koloido - 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 pH środowiska

hydratacji , budowa chemiczna , obecność soli w środowisku i pH 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 pH środowiska. Wysalacze : (NH

do wysolenia zależy od właściwości białka i pH środowiska. Wysalacze : (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 jest procesem odwrotnym do wysalania , którego dokonuje się przez stopniowe

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

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

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

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

van der Walsa.

van der 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-aa.

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

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

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

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

absorbancji przy λ = 230 nm, a z powodu obecności Tyr i Trp przy max λ = 280 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 pI np.:

- Każde białko ma charakterystyczny dla siebie punkt izoelektryczny pI 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 pH

- Białka mają właściwości buforowe w odpowiednim przedziale pH

Reakcje chemiczne , którym ulegają białka

Reakcje chemiczne , którym ulegają białka

-

Reakcja ninhydrynowa

Reakcja ninhydrynowa -

aa , peptydy , białka , sole amonowe ,

aa , peptydy , białka , sole amonowe ,

aminocukry , amoniak

aminocukry , amoniak

- Reakcja z HNO

- Reakcja z HNO

2

2

- Reakcja biuretowa ( Piotrowskiego ) - peptydy i białka.

- Reakcja biuretowa ( Piotrowskiego ) - peptydy i białka.

Jest to

Jest to

reakcja na wiązania

reakcja na wiązania

peptydowe

peptydowe

. W środowisku alkalicznym 2 wiązania peptydowe tworzą

. W środowisku alkalicznym 2 wiązania peptydowe tworzą

kompleks z jonami

kompleks z jonami

Cu

Cu

2+

2+

dając zabarwienie fioletowo - niebieskie. Reakcji tej ulegają więc

dając zabarwienie fioletowo - niebieskie. Reakcji tej ulegają więc

tylko tripeptydy ,

tylko tripeptydy ,

tetra - , penta - ....peptydy. Dipeptydy powyższej reakcji nie ulegają.

tetra - , penta - ....peptydy. Dipeptydy powyższej reakcji nie ulegają.

Reakcja służy do

Reakcja służy do

oznaczeń ilościowych i jakościowych.

oznaczeń ilościowych i jakościowych.

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

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

Metoda wykorzystuje

Metoda wykorzystuje

czułą reakcję wiązań peptydowych i tyrozyny z odczynnikiem

czułą reakcję wiązań peptydowych i tyrozyny z odczynnikiem

wolframowo - molibdenowo -

wolframowo - molibdenowo -

fosforowym ( Folina - Ciocalteu ). Jest to kombinacja reakcji

fosforowym ( Folina - Ciocalteu ). Jest to kombinacja reakcji

biuretowej oraz reakcji

biuretowej oraz reakcji

między resztami tyrozyny a odczynnikiem Folina , w której powstają

między resztami tyrozyny a odczynnikiem Folina , w której powstają

barwne , niebieskie

barwne , niebieskie

produkty. Metoda pozwala na oznaczenie białka w stężeniu 1μg / ml.

produkty. Metoda pozwala na oznaczenie białka w stężeniu 1μg / ml.

Jest zatem ok. 100

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 w nadfiolecie -

absorbancji w nadfiolecie -

peptydy i białka. Większość białek ze względu na zawartość reszt

peptydy i białka. Większość białek ze względu na zawartość reszt

Tyr i Trp wykazuje

Tyr i Trp wykazuje

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

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

absorbancję to :

absorbancję to :

kwasy nukleinowe ( wykazujące max absorbancji przy λ = 260 nm )

kwasy nukleinowe ( wykazujące max absorbancji przy λ = 260 nm )

oraz puryny ,

oraz puryny ,

pirymidyny i fenole.

pirymidyny i fenole.

- Metoda Bradforda - peptydy i białka - metoda służy do oznaczeń

- Metoda Bradforda - peptydy i białka - metoda służy do oznaczeń

ilościowych

ilościowych

Z błękitem brylantowym Coomassie’go G-250 w środowisku

Z błękitem brylantowym Coomassie’go G-250 w środowisku

kwaśnym białko wiąże się

kwaśnym białko wiąże się

za pomocą wiązań jonowych i hydrofobowych Arg , w mniejszym

za pomocą wiązań jonowych i hydrofobowych Arg , w mniejszym

stopniu His , Lys , Tyr ,

stopniu His , Lys , Tyr ,

Trp , Phe. W wyniku reakcji powstaje brunatne zabarwienie wprost

Trp , Phe. W wyniku reakcji powstaje brunatne zabarwienie wprost

proporcjonalne do

proporcjonalne do

zawartości białka w roztworze.

zawartości białka w roztworze.

- Metoda Kjeldahla - oznaczanie zawartości azotu białkowego -

- Metoda Kjeldahla - 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

. Białko gotuje

się ze stężonym

się ze stężonym

H

H

2

2

SO

SO

4

4

+ katalizator

+ katalizator





następuje zniszczenie białka i powstaje

następuje zniszczenie białka i powstaje

(HN

(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

, który

wyłapuje się w

wyłapuje się w

płuczce z H

płuczce z H

2

2

SO

SO

4

4

. Następnie oznaczenie prowadzi się przez

. Następnie oznaczenie prowadzi się przez

miareczkowanie.

miareczkowanie.

- Hydroliza wiązania peptydowego.

- Hydroliza wiązania peptydowego.

A) hydroliza kwaśna

A) hydroliza kwaśna

6 - 12N HCl lub 4 - 7N H

6 - 12N HCl lub 4 - 7N H

2

2

SO

SO

4

4

w temperaturze 110

w temperaturze 110





C przez 24 ,

C przez 24 ,

48 i 72 godziny

48 i 72 godziny

.

.

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

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

HNO

HNO

3

3

gdyż powoduje

gdyż powoduje

utlenienie bądź nitrowanie pierścieni .

utlenienie bądź nitrowanie pierścieni .

Wady :

Wady :

niszczy : - Trp

niszczy : - Trp

- Powoli aa z grupą -OH : Ser , Thr ( ale mając

- Powoli aa z grupą -OH : Ser , Thr ( ale mając

stężenia tych aa po

stężenia tych aa po

czasie 24 , 48 ,72 h można ekstrapolować

czasie 24 , 48 ,72 h można ekstrapolować

stężenie wyjściowe )

stężenie wyjściowe )

- Gln , Asn w środowisku kwaśnym są nietrwałe

- Gln , Asn w środowisku kwaśnym są nietrwałe





Glu , Asp + NH

Glu , Asp + NH

3

3

Na podstawie uwolnionego NH

Na podstawie uwolnionego NH

3

3

oznaczamy

oznaczamy

sumę Gln + Asn i np.

sumę Gln + Asn i np.

chromatograficznie sumę Asp + Asn oraz Glu +

chromatograficznie sumę Asp + Asn oraz Glu +

Gln

Gln

•

•

Elektroforeza w gradiencie pH - ogniskowanie izoelektryczne

Elektroforeza w gradiencie pH - ogniskowanie izoelektryczne

Białko będzie wędrowalo do momentu osiągnięcia pozycji , w której pH żelu

Białko będzie wędrowalo do momentu osiągnięcia pozycji , w której pH żelu

zrówna się z pH białka .

zrówna się z pH 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 pH metodę można udoskonalić. Metoda ta stosowana jest tylko do

białko. Przez zmianę pH 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 przez wyznaczenie stałej sedymentacji Svedberga

ultrawirowanie 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 pH i stężeniu białka w roztworze.

w ściśle określonym pH i stężeniu białka w roztworze.

•

•

na podstawie efektu Tyndala ( rozpraszania światła )

na podstawie efektu Tyndala ( 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 - 20% roztwór sacharozy

60 - 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 heteropolimeryczne tzn zawiera wiecej niż jeden łańcuch polipeptydowy

1. Jeśli białko jest heteropolimeryczne tzn zawiera wiecej niż jeden łańcuch polipeptydowy

to łańcuchy należy rozdzielić i oczyścić .

to łańcuchy należy rozdzielić i oczyścić .

Rozrywanie wiązań :

Rozrywanie wiązań :

- wodorowe - 8M mocznik

- wodorowe - 8M mocznik

6M chlorowodorek guanidyny

6M chlorowodorek guanidyny

- diS - utlenianie kwasem nadmrówkowym do SO

- diS - utlenianie kwasem nadmrówkowym do SO

3

3

2-

2-

- redukcja za pomocą β - merkaptoetanolu do -SH a następnie należy

- redukcja za pomocą β - merkaptoetanolu do -SH a następnie należy

podziałać kwasem jodooctowym lub akrylonitrylem aby zablokować

podziałać kwasem jodooctowym lub akrylonitrylem aby zablokować

grupę -SH i zapobiec powstawaniu nowych wiązań diS

grupę -SH i zapobiec powstawaniu nowych wiązań diS

- hydrofobowe - detergenty

- hydrofobowe - detergenty

- jonowe - kwasy , zasady

- jonowe - kwasy , zasady

Rozdział i oczyszczanie - podobnie jak białka

Rozdział i oczyszczanie - podobnie jak białka

Enzymy jako

katalizatory

Enzymy są katalizatorami, które zwiększają

szybkość reakcji chemicznej, same nie ulegając

zmianie. W nieobecności enzymu reakcja może

zachodzić niezwykle wolno, natomiast w jego

obecności szybkość reakcji znacznie wzrasta, nawet

do 107 razy. Reakcje katalizowane przez enzymy

zazwyczaj przebiegają we względnie łagodnych

warunkach (temperatura poniżej 100°C, ciśnienie

atmosferyczne i obojętne pH) - w porównaniu z

warunkami odpowiednich niekatalizowanych reakcji

chemicznych. Enzymy są wysoce specyficzne

względem substratów, na które działają, i produktów,

które tworzą. Poza tym aktywność enzymatyczna

może być regulowana, zmieniając się w zależności

od stężenia substratów lub innych cząsteczek. Prawie

wszystkie

enzymy

są

białkami,

chociaż

zidentyfikowano też kilka rodzajów cząsteczek RNA

aktywnych katalitycznie.

Energia

aktywacji i stan przejściowy

•

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

będzie energetycznie korzystna, czy niekorzystna. Na

rysunku przedstawiono przykład, w którym sumaryczna

zmiana energii reakcji czyni ją energetycznie korzystną (tzn.

produkty mają niższy poziom energii niż substraty, a ∆G ma

wartość ujemną). Należy zaznaczyć, że ∆G jest pojęciem

innym niż ∆G*. Wartość ∆G reakcji jest niezależna od drogi

reakcji i nie dostarcza żadnej informacji o szybkości reakcji,

ponieważ o szybkości reakcji decyduje ∆G*. Ujemna wartość

∆ G wskazuje, że reakcja jest termodynamicznie korzystna

we wskazanym kierunku (tj. ma dużą szansę przebiegu

spontanicznego), natomiast dodatnia wartość ∆G wskazuje,

że reakcja jest termodynamicznie niekorzystna i wymaga

nakładu energii, aby zajść we wskazanym kierunku. W

układach biochemicznych ten nakład energii uzyskuje się

często przez sprzężenie reakcji energetycznie

niekorzystnej z reakcją energetycznie korzystną (reakcje

sprzężone).

Zmiany energii zachodzące

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

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.

Specyficzność

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.

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: