Architektura

białek:

Białka

Struktury I-IV-rzędowa

Białka jako struktury giętkie

Opisanie struktury białek

Opisanie struktury białek

nie jest proste:

nie jest proste:

Możliwości
powstania
różnych
struktur
białkowych
są
olbrzymie





180

o

0

o

90

o

Znaczenie białek i ich rola:

Znaczenie białek i ich rola:

• Białka strukturalne (funkcje budulcowe)

• Białka regulatorowe (regulują przebieg

procesów biochemicznych)

• Białka transportujące (uczestniczą w

transporcie tlenu, np. hemoglobina;

albuminy transportujące rożne

drobnocząsteczkowe związki z tkanek do

tkanek

• Białka odpornościowe (biorą udział w

reakcjach obronnych (tworzą przeciwciała)

• Białka warunkujące ruch w komórkach (np.

aktyna i miozyna tworzące kurczliwe

struktury w komórkach mięśniowych)

4

Strukturę białek
opisuje się
na czterech
poziomach:

Pierwszo
rzędowa

Drugorzędowa

Trzecio-
rzędowa

Czwarto-
rzędowa

Białka są polimerami, których

monomery stanowią aminokwasy.

Struktura I-rzędowa:

Opisuje sekwencję aminokwasów, które

budują łańcuch polipeptydowy.

Określone

białko ma ściśle zdefiniowany skład i

sekwencję (kolejność) aminokwasów.

Mówiąc o strukturze pierwszorzędowej,

podajemy kolejność aminokwasów w białku,

np.:

Gly Gly Ala His Ala Asp Asp Gly Ala Gly

Arg

Sekwencja

aminokwasów

determinuje strukturę

przestrzenną białka

Prekursor
mRNA

mRNA
(1)

mRNA (2)

Sekwencja aminokwasowa

(1)

Sekwencja aminokwasowa
(2)

7

Pierwszorzędowa struktura:
integralnego białka błonowego glikoforyny A:

Każdy polipeptyd ma swój N-koniec, z wolną
grupą aminową i C-koniec, z wolną grupą
karboksylową.

Pierwszorzędowa struktura białek:

Struktura pierwszorzędowa polipeptydu

zapisana jest w

naszych genach

9

Schemat rozciągniętego łańcucha polipeptydowego

z widocznymi grupami peptydowymi.

Reszty aminokwasów w łańcuchu bocznym mogą

zmieniać konformację.

Szkielet sekwencji aminokwasów w

łańcuchu polipeptydowym utrzymuje

się dzięki

sztywnym wiązaniom peptydowym:

10

Fragment sekwencji

aminokwasów

w łańcuchu polipeptydowym:

11

Każdy peptyd albo białko

wykazuje swoją

charakterystyczną sekwencję

aminokwasową.

Na przykład insulina ludzka, bydlęca, psa,

owcza wykazują podobieństwo, ale nie są

identyczne.

Różnice dotyczą pozycji w sekwencji łańcucha

A: 8,9 i 10 i przy C-końcu łańcucha B w pozycji

30.

Przykład:

Hormony peptydowe: wazopresyna,
oksytocyna

wykazują niewielkie różnice w

sekwencji, a funkcja ich jest odmienna.

Wpływ podstawienia jednego

aminokwasu przez inny może mieć

znaczący wpływ na funkcję białka:

13

Pierwszorzędowa struktura

białek determinuje

drugo- i trzecio-rzędowe

struktury białek natywnych

Struktura, którą białka posiadają w organizmie i dzięki której zdolne

są pełnić

swe funkcje biologiczne, nazywana jest natywną konformacją białka

14

Struktura II-rzędowa:

Łańcuch peptydowy może zwijać się, układać,
w sposób regularny.

Powtarzający się
wzór zwinięcia
łańcucha związany z
wzajemnym
przestrzennym
ułożeniem reszt
aminokwasowych
sąsiadujących ze
sobą w sekwencji
liniowej, określany
jest jako

struktura

drugorzędowa

15

Dwie podstawowe
regularne
struktury II-rzędowe:

α helisa:

Struktura β, pofałdowanej
kartki:

16

Prawoskrętna α-helisa

Wewnątrzłańcuchowe

wiązania wodorowe –

linia kropkowana -

utrzymują kształt

helisy

Helisa jest ważnym

elementem

struktury II-

rzędowej białek.

Polipeptydowy

łańcuch jest

skręcony w sposób

regularny.

17

Prawoskrętna α-helisa z widocznymi

grupami R :

Wszystkie łańcuchy boczne (R-) aminokwasów odstają na
zewnątrz helisy

W strukturze

α helisy

pojedynczy łańcuch peptydowy

zwija się w taki sposób, że

przypomina prawoskrętną

spiralę.

Met, Glu

sprzyjają powstawaniu spirali.

19

Podstawowe cechy

alfa helisy:

Złożona jest z

L

-



-aminokwasowych reszt;

Jest prawoskrętna

Utworzona jest przez 3.6 reszt aminokwasów na

1 skręt;

Wiązania wodorowe utworzone są między

N-H i C=O grupami.

21

Dwie podstawowe
regularne
struktury II-rzędowe:

α helisa:

Struktura β, pofałdowanej
kartki:

22

Struktura pofałdowanej
kartki, β–struktura

występuje między

łańcuchami

polipeptydowymi

przebiegającymi

równolegle

(N-końce są po tej samej

stronie)

albo

antyrównolegle

(N-

końce po przeciwnych

stronach).

23

β–struktura:

Rozciągnięty kształt

łańcucha peptydowego

utrzymywany jest przez

oddziaływania wodorowe

między sąsiadującymi

łańcuchami

peptydowymi.

Aminokwasy o

„obszernych” grupach

bocznych

np.

Val, Leu, Ile,

Val, Leu, Ile,

wykazują tendencję do

tworzenia β–struktury

.

22

Gdy łańcuch
polipeptydowy
o strukturze β
zawraca tworząc
strukturę

„

„

spinki do włosów”.

spinki do włosów”.

powstają wewnątrz-
cząsteczkowe

β

β

zgięcia

zgięcia

.

.

β

Skręty umożliwiają

nagłą zmianę kierunku
nici polipeptydowej o
regularnej strukturze II-
rzędowej w białkach
globularnych

.

Struktura

Struktura

β

β

25

Struktura III-rzędowa:

Struktura trzeciorzędowa to

przestrzenne ułożenie całego

polipeptydu, czyli jego kształt.

Odnosi

się do przestrzennego, wzajemnego

ułożenia reszt aminokwasowych

oddalonych od siebie w sekwencji

liniowej.

27

Trzeciorzędową strukturę białek

tworzą pofałdowane elementy struktury

II-rzędowej łącznie z przestrzennym

rozmieszczeniem łańcuchów bocznych:

Białka są pofałdowane

w zwarte struktury

Przestrzenna konformacja
polipeptydu utrzymuje się
dzięki różnym
oddziaływaniom i
wiązaniom

28

Zwinięcie polipeptydu

nadaje cząsteczce

trójwymiarowy kształt.

Przykład struktury trzeciorzędowej białka:

Mioglobina

Mioglobina

Białko mięśni szkieletowych wiążące tlen cząsteczkowy. Składa
się z 153 reszt aminokwasowych i hemu. Około 75% reszt
aminokwasowych ma strukturę alfa-helisy.

31

Mioglobina ma strukturę trzeciorzędową zbliżoną do

hemoglobiny (do łańcuchów alfa i beta) a z

podobieństwo ich budowy wynika zdolność do

odwracalnego wiązania tlenu.

III-rzędowa struktura jest stabilizowana przez

niekowalencyjne interakcje

pomiędzy pofałdowanym

łańcuchem polipeptydowym takie jak:

• oddziaływania wodorowe,
• oddziaływania Van der Waalsa,
• oddziaływania hydrofobowe,
• w niektórych białkach przez wiązania z jonami

metali,

• oraz wiązania

wiązania

disiarczkowe

disiarczkowe

.

Trójwymiarowa struktura

białka zdeterminowana jest przez kilka

czynników, w tym przez sekwencję

aminokwasów w polipeptydzie i możliwości

oddziaływań między fragmentami

polipeptydu.

Czynniki stabilizujące
strukturę: przestrzenną

34

oddziaływania hydrofobowe

(wiązania hydrofobowe)

• w środowisku wodnym aminokwasy z

niepolarnymi łańcuchami bocznymi mają
tendencje do lokalizacji w głębi cząsteczki
białkowej i asocjacji z łańcuchami bocznymi
innych aminokwasów - wiązania hydrofobowe

cząsteczka tristearynianu

35

Wiązania disiarczkowe mogą łączyć

kilka polipeptydowych łańcuchów

razem

albo

mogą łączyć segmenty tego samego

polipeptydoweo łańcucha:

Intra-S-S-bridge

Inter-S-S-

We wszystkich drugorzędowych

strukturach, oddziaływania wodorowe

powstają

pomiędzy –C=O oraz H-N-

należącymi do szkieletu łańcucha

peptydowego

.

W strukturze III-rzędowej oddziaływania

wodorowe tworzą się między

grupami

bocznymi aminokwasów w sąsiadujących

łańcuchach

.

Różnica między oddziaływaniami

wodorowymi stabilizującymi

struktury II i III-rzędowe:

Struktura IV-

rzędowa:

jest najwyższym poziomem organizacji

białek, zbudowanych z dwóch lub

więcej polipeptydów, dotyczy zatem

jedynie białek oligomerycznych

.

.

Skład i wzajemny układ przestrzenny

polipeptydowych podjednostek w

obrębie jednej cząsteczki białkowej

nazwany jest strukturą

czwartorzędową białka

38

Białka o IV-rzędowej strukturze są

cząsteczkami złożonymi z

podjednostek:

Termin
„czwartorzędowa
struktura” odnosi się
do niekowalencyjnego
oddziaływania kilku
podjednostek
polipeptydowego
łańcucha.

IV-rzędowa struktura
zwykle jest
symetryczna

39

Przylegające podjednostki mogą układać
się w różny sposób:

Przykłady:
białek z IV-rzędową
strukturą:

Hemoglobina
Enzymy allosteryczne

Hemoglobina

składa się z

identycznych
dwóch α-łańcuchów i dwóch β :

α i β łańcuchy mają podobną
strukturę,
ale różnią się sekwencją i
pofałdowaniem.

Cząsteczka tlenu jest wiązana przez jon żelaza (II),
który znajduje się w otoczeniu hemowym. Hem jest
tetrapirolowym układem makrocyklicznym, którego
cztery atomy azotu trwale wiążą jony metali
przejściowych; w hemie jest nim żelazo (II/III):

Białko
hemoglobinowe u
osobników chorych na
anemię sierpowatą
jest genetycznie
zmienione; miejsce
kwasu
glutaminowego
zastępuje walina.

45

Architektura oligomerów

utrzymywana

jest przez takie same oddziaływania

niekowalencyjne jak stabilizowana jest

struktura III-rzędowa:

Oddziaływania wodorowe,

Van der Waals’a,

Hydrofobowe interakcje,

ale wyjątkowo przez

mostki disiarczkowe.

Czynniki stabilizujące strukturę

podjednostkową, IV-rzędową:

Niektóre białka, takie jak np.:
immunoglobulina, i insulina są
wielopodjednostkowymi cząsteczkami, ale
białka te nie mają struktury IV-rzędowej.

Indywidualne
łańcuchy
polipeptydowe w
tych białkach
połączone są
razem przez
mostki
disiarczkowe.

Struktura immunoglobuliny

Białka nie są cząsteczkami

statycznymi, podlegają ciągłym

zmianom, wewnętrznym ruchom,

ale ciągle są cząsteczkami

pofałdowanymi.

Energia białek może się zmieniać

w wyniku interakcji z

otoczeniem.

Białka są strukturami dynamicznymi:

DeoxyHb

OxyHb

Np.:
Podczas
utlenowani
a Hb
dochodzi
do zmian w
strukturze
IV-
rzędowej:
obrót i
przesunięc
ie

WŁASNOŚCI FIZYKOCHEMICZNE

WŁASNOŚCI FIZYKOCHEMICZNE

BIAŁEK

BIAŁEK

• Wielkość białek waha się w granicach 5–100 nm, ich
roztwory mają charakter koloidowy.

• Cechą białek jest powolna dyfuzja i niezdolność do
dializy, czyli do przenikania przez błony
półprzepuszczalne

• Większość białek dobrze rozpuszcza się w wodzie lub
rozcieńczonych roztworach soli, kwasów lub zasad.
O rozpuszczalności decyduje :

- zdolność do hydratacji,
- budowa chemiczna,
- obecność soli w środowisku
- pH roztworu

• Ładunek elektryczny cząsteczki

• Denaturacja białek

51

Kryteria podziału białek i ich główne

Kryteria podziału białek i ich główne

klasy

klasy

W organizmie człowieka białka tworzą

W organizmie człowieka białka tworzą

połączenia z innymi związkami

połączenia z innymi związkami

chemicznymi:

chemicznymi:

Fosfoproteiny

Fosfoproteiny

zawierają kwas fosforowy estrowo

związany z grupami -OH seryny i treoniny. Przykładem

jest kazeina mleka (0,71% fosforu).

Glikoproteiny

Glikoproteiny

to białka połączone z cukrowcami. Należą

do nich, lektyny, kolagen, ceruloplazmina, fibrynogen,

haptoglobuliny, mucyna, transferyna. W skład istoty

podstawowej tkanki łącznej wchodzą laminina i

fibronektyna.

Lipoproteiny

Lipoproteiny

są połączeniami tłuszczowców z białkami,

np. lecytyna związana z albuminą żółtka w komórce

jajowej. Wyróżnia się 4 frakcje lipoprotein krwi: HDL -

high density lipoproteins (o dużej gęstości; 18-30%), beta

- LDL (o małej gęstości; 50-70%), beta2 VLDL - very low

density lipoprotein (o bardzo małej gęstości),

chylomikrony (produkowane przez komórki adsorpcyjne

nabłonka jelita, a rozkładane przez hepatocyty). Duże

stężenie LDL (low density lipoprotein) sprzyja rozwojowi

miażdżycy.

53

Chromoproteiny

Chromoproteiny

są to białka połączone z różnymi

barwnikami: hemoglobina, hemocyjanina,

cytochromy, rodopsyna, melanoproteidy,

flawoproteidy, ceruloplazmina (transportuje

miedź), transferryna (transportuje żelazo).

Nukleoproteiny

Nukleoproteiny

to białka wielkocząsteczkowe

połączone z kwasami nukleinowymi: histony,

białka niehistonowe (m.cz. 30000-225000).

Mukoproteiny

Mukoproteiny

- grupa białkowców zawierająca w

składzie więcej niż 4% cukrowca. Obecnie jest

włączona do glikoproteidów. Dawniej zaliczano tu

mucynę, obecną w śluzie (ślina). Mucyna jest

glikoproteiną kwaśną, zawierającą kwas sialowy.

54

Na podstawie różnic w strukturze

białka dzieli się na:

Fibrylarne

Globularne

i

55

Białka globularne

stanowią istotną klasę białek.

Białka globularne

nazwano tak, ponieważ

ich łańcuchy polipeptydowe,

w przeciwieństwie do białek

włókienkowych, zwinięte są w zwarte

struktury, przypominających globulę.

Białka globularne charakteryzują się

indywidualną strukturą trójwymiarową.

56

Białka globularne:

liczna i ważna grupa makrocząsteczek
ze względu na różnorodną funkcję
w procesach życiowych.

Przykłady:

Mioglobina, hemoglobina,

Immunoglobuliny,
Albuminy,
Transportowe,
Cytokiny,
Enzymy,
Uczestniczące w kontroli biologicznej,
Białka receptorowe…

57

Globularne białka

mogą zawierać kombinacje

struktur helikalnych, β

kartki i nieregulrnej.

Proporcje tych struktur są charakterystyczne

dla danego białka.

Białka globularne,

nie są cząsteczkami statycznymi,

podlegają ciągłym i różnorodnym

wewnętrznych ruchom.

Właściwość ta jest związana z

przepływem energii i jest

konsekwencją interakcji białka

z otoczeniem.

W strukturze dużych białek

globularnych można wyróżnić

domeny:

Łańcuchy polipeptydowe,

które składają się z więcej niż ~200

aminokwasów pofałdowane są zwykle

w 2 lub więcej zgrupowanych struktur

nazywanych

domenami,

nadają one białku charakterystyczny

wygląd.

60

Na podstawie różnic w strukturze

białka dzieli się na:

Fibrylarne

Globularne

i

Białka fibrylarne

(włókienkowe):

Odróżnia je od białek globularnych

włókienkowy, wydłużony kształt:

stosunek długości do średnicy > 10

Większość z nich stanowi strukturalny

materiał komórek i tkanek zwierzęcych;

Np. : białka skóry, tkanki łącznej, włosów,

jedwabiu, włókien zwierzęcych.

Fibrylarne białka składają się głównie

z niepolarnych aminokwasów

62

Wewnątrzkomórkowymi białkami
fibrylarnymi są keratyny-α i keratyny-β

Zewnątrzkomórkowymi białkami

fibrylarnymi są kolageny i elastyna.

63

Kolagen

Dł. 300 nm
średnica: 1,4 nm

Występuje w tkance łącznej,
kościach, zębach, ścięgnach,
skórze,
macierzy zewnątrzkomórkowej

39

Najczęściej występujące aminokwasy w

kolagenie to:

Gly 33%,

Pro

-

Hyp 22%,

Ala

11%.

Kolagen zawiera hydroksylizynę,

która rzadko występuje w innych białkach.

Kolagen

Struktura I-rzędowa: ok. 1000 aminokwasów,
Powtarzająca się sekwencja Gly-Pro-Hyp (gdzie
Hyp – hydroksyprolina)

Struktura II-rzędowa: trzy nawinięte

na siebie helisy alfa, cząsteczka ma
kształt cylindryczny

Łańcuch
lewoskrętny

Drugorzędową strukturę
helikalną należy rozpatrywać
na 2 poziomach:

Każdy polipeptyd jest
lewoskrętną rozciągniętą
helisą

Te 3 helikalne razem zwinięte
polipeptydy zebrane są w
kable tropokolagenu

następnie 3 takie jednostki
zwinięte są w prawoskrętną
superhelisę.

Międzyłańcuchowe wiązania
wodorowe między resztami lizyny
stabilizują strukturę tropokolagenu.

Potrójna helisa
prawoskrętna

Pomiędzy końcami jednostek kolagenu

znajduje się wolna przestrzeń, która odgrywa

istotną rolę

w tworzeniu kości i zębów.

W tych miejscach

odkładają się kryształy

hydroksyapatytu

Ca

3

(PO

4

)

3

OH.

Połączenie hydroksyapatytu z kolagenem

tworzy twardy i sprężysty materiał.

Wolne grupy karbonylowe allizyny przy N-

końcu jednego łańcucha kondensują z grupami

lizynowymi C-końca drugiego polipeptydu

(kondensacja aldolowa).

W kolejnych etapach przy udziale reszt

histydyny i i hydroksylizyny tworzą się

złożone

krzyżowe wiązania międzycząsteczkowe.

Struktura tropokolagenu podlega

usztywnieniu.

Nadmierna ilość krzyżowych-wiązań

w kolagenie zasocjowana jest z

procesem starzenia.

Proces wiązań krzyżowych zachodzi ciągle w

życiu, i akumulacja tych wiązań powoduje, że

struktura kolagenu

jest sztywna, mniej elastyczna,

bardziej krucha.

W rezultacie, kości i ścięgna u starszych ludzi są

poddatne na złamania

a skóra traci elastyczność.

Wiązania krzyżowe nie tworzą się

w wystarczającej ilości u zwierząt

karmionych słodkim grochem.

Groch Lathyrus odoratus zawiera

aminopropionitril

, który jest inhibitorem

enzymu odpowiedzialnego za modyfikację

lizyn.

Konsekwencją są nie w pełni ukształtowane

kości.

Zwierzęta cierpią wtedy na latyryzm.

W awitaminozie C zahamowany jest proces

hydroksylacji proliny. Enzym uczestniczący w

reakcji wymaga obecności Vit.C.

Grupy –OH hydroksyproliny uczestniczą w

tworzeniu wiązań wodorowych utrzymujących

strukturę tropokolagenu.

W konsekwencji braku hydroksyproliny

i zmniejszonej ilości oddziaływań wodorowych

włókna kolagenu są słabsze.

Dochodzi do nieprawidłowego tworzenie kości,

zębów, dziąseł, naczyń krwionośnych.

Szkorbut:

Hydroksyprolina (Hyp) jest wytwarzana przez

organizmy ssaków z proliny. Enzym

uczestniczący w reakcji wymaga obecności Vit.C.

Grupy –OH hydroksyproliny uczestniczą w

tworzeniu wiązań wodorowych utrzymujących

strukturę tropokolagenu.

Brak witaminy C w diecie powoduje, że w

kolagenie zamiast Hyp występuje Pro.

W

konsekwencji braku hydroksyproliny i

zmniejszonej ilości oddziaływań wodorowych

włókna kolagenu są słabsze.

Dochodzi do nieprawidłowego tworzenie kości,

zębów, dziąseł, naczyń krwionośnych.

Szkorbut:

Kolageny obecne w różnych organach różnią się
typami łańcuchów polipeptydowych.
Różnice polegają na odmiennym składzie aa,
zawartości cukrów, ilości wiązań krzyżowych.
Jakkolwiek każdy typ łańcucha zawiera
charakterystyczny zestaw sekwencji

Gly-Pro-Hyp

Opisanych jest ponad 10 typów kolagenów I-

XIV

Kolagen typu I występuje najczęściej w ludzkim
organizmie i stanowi ~ 90% wszystkich typów
kolagenów.

Elastyna

obecna jest w ścianach naczyń krwionośnych, w

płucach, skórze, w więzadłach

i tworzy wysoce elastyczne włókna.

Zawiera wysoką ilość aminokwasów
hydrofobowych.

działa podobnie jak guma,

jest rozciągliwa i nierozpuszczalna.

Nadaje sprężystość płucom,

naczyniom krwionośnym

i więzadłom.

Elastyna

Keratyny

Wykazują głównie strukturę α helikalną.

Znane są dwie klasy keratyn:

α

i

β

.

α -Keratyna

jest podstawowym białkiem

włosów i paznokci

oraz jest składnikiem skóry zwierzęcej.

Skręcone kable

α keratyn

są rozciągliwe i giętkie.

α keratyny pochodzące z odmiennych tkanek różnią
się stopniem twardości i ilością mostków
disiarczkowych obecnych na różnych poziomach
włókien.
α keratyny paznokci mają wiele krzyżowych wiążań –
S-S- , natomiast α keratyny włosów mniej.

Proponowana struktura

filamentów typu

keratynowego:

W pośredniej
strukturze
filamentów, pary
zwiniętych zwojów
wykazują tendencję do
asocjacji 4 łańcuchów
w

protofilamenty,

a następnie dwa te
zwoje upakowują się
razem tworząc

protofibryle,

które

dalej mogą asocjować.

Dimer

Monomer

Protofilament

Protofibril

Inne przykłady białek fibrylarnych

:

Matriks tkanki łącznej zawiera obok

proteoglikanów, kolagenu i elastyny:

fibronektynę i lamininę

.