Wykład 2

Białka - struktura i funkcje

2.1. Aminokwasy

http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/organiczna/
aminokwasy.htm

http://chemik12.webpark.pl/rozne/aminokwasy.htm
http://pl.wikipedia.org/wiki/Bia%C5%82ko
http://www.pmp.p-net.pl/biologia/bialka.htm

Aminokwasy są związkami
chemicznymi, składającymi się z dwóch
grup funkcyjnych: grupy kwasowej (–
COOH) i grupy aminowej (-NH

2

). Te

grupy są przyłączone do tego samego
atomu węgla. Atom węgla nazywamy
atomem alfa. Tak więc aminokwasy
występujące w przyrodzie są alfa-
aminokwasami. Obie grupy funkcyjne
są zdolne do przyłączania i
odszczepiania kationu wodorowego.
Wykazują więc równowagi pomiędzy
różnymi formami sprotonowanymi w
roztworze. Stężenia tych form zależą
od stężenia jonu wodorowego w
roztworze, a więc od pH.

NH

2

O

OH

NH

2

O

N

H

NH

N

H

2

OH

NH

2

O

O

NH

2

OH

NH

2

O

O

OH

OH

NH

2

O

O

O

H

OH

NH

2

O

OH

NH

2

O

OH

NH

2

O

OH

NH

2

O

OH

NH

2

O

O

N

H

2

OH

NH

2

O

N

H

2

OH

NH

2

O

H

O

OH

N

O

O

OH

NH

2

O

S

H

OH

NH

2

O

S

OH

NH

2

O

OH

NH

2

O

O

H

OH

NH

2

O

N

N

H

OH

NH

2

O

N

H

OH

NH

O

OH

Arginina Arg

Alanina Ala

Kwas asparaginowy Asp

Asparagina Asn

Kwas glutaminowy Glu

Glicyna Gly

Leucyna Leu

Izoleucyna ILeu

Walina Val

Glutamina Gln

Lizyna Lys

Seryna Ser

Treonina Thr

Cysteina Cys

Metionina Met

Fenyloalanina Phe

Tyrozyna Tyr

Histydyna His

Tryptofan Trp

Prolina Pro

N

H

2

H

COOH

H

H

COO

H

H

3

N

H

COO

H

H

3

N

H

H

H

3

N

COOH

H

COO

H

N

H

2

-

+

zwitterjon

(jon obojnaczy)

+

+ H

+

+ H

+

- H

+

- H

+

-

+

-

Równowagi w roztworze wodnym glicyny

GLicyna (Gly) - kwas - aminooctowy

Forma kationowa aminokwasu dominuje w
środowisku kwaśnym, forma anionowa w
środowisku zasadowym, natomiast stężenie formy
zwitter-jonu jest największe w pH, zwanym
punktem izoelektrycznym (pomiędzy wartościami
pK

a

grup: aminowej i karboksylowej). Punkt

izoelektryczny to pH, w którym stężenia form
jonowych są sobie równe.
Ogólnie:
Wartość pK

a

jest to takie pH, przy którym stężenia

formy sprotonowanej i zdeprotonowanej są sobie
równe. Rozważmy równowagę kwasową:

AH H

+

+ A

-

Stała równowagi tej reakcji ma postać:
K

a

= [A

-

][H

+

]/[AH],

co, po zlogarytmowaniu i przekształceniu daje:
pK

a

= pH + log([AH]/[A

-

])

Jest to równanie Hendersona-Hasselbacha.
Opisuje ono sens fizyczny stałej równowagi
kwasowej, podany powyżej.

pK

a

to takie pH, przy którym stężenia form:

sprotonowanej i zdeprotonowanej są sobie równe

H

COO

H

H

3

N

H

H

H

3

N

COOH

H

COO

H

N

H

2

+

+ H

+

+ H

+

- H

+

- H

+

-

+

-

GLicyna (Gly) - kwas - aminooctowy

pK

a

1

= 2.4

pK

a

2

= 9.8

Gly

+

Gly

-

Gly

ZI

W pH < 2.4: [Gly

+

] > [Gly

ZI

]

W pH = 2.4: [Gly

+

] =[Gly

ZI

]

W pH > 2.4: [Gly

+

] < [Gly

ZI

]

Nazwa

Grupa boczna

Akronim

Skrót

pK

a

*

Glicyna

-H

Gly

G

2.4; 9.8

Alanina

-CH

3

Ala

A

2.3; 9.9

Walina

-CH(CH

3

)

2

Val

V

2.3; 9.6

Leucyna

-CH

2

C(H)(CH

3

)

2

Leu

L

Izoleucyna

-CH(CH

3

)CH

2

CH

3

Ile

I

Seryna

-CH

2

OH

Ser

S

2.1; 9.2

Treoniona

-CH(CH

3

)OH

Thr

T

Asparaginia
n

-CH

2

COO

-

Asp

D

2.0; 10.0; 3.9

Glutaminia
n

-CH

2

CH

2

COO

-

Glu

E

2.2; 9.7; 4.3

Asparagina

-CH

2

C(O)NH

2

Asn

N

Glutamina

-CH

2

CH

2

C(O)NH

2

Gln

Q

Prolina

a

Pro

P

Lizyna

-CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

NH

3

+

Lys

K

2.2; 9.2; 10.8

Arginina

-
CH

2

CH

2

CH

2

NHC(NH

2

)

2

+

Arg

R

1.8; 9.0; 12.5

Cysteina

-CH

2

SH

Cys

C

1.8; 10.8; 8.3

Metionina

- CH

2

CH

2

SCH

3

Met

M

Phe

F

1.8; 9.1

Tyrozyna

Tyr

Y

2.2; 9.1; 10.9

Histydyna

His

H

1.8; 9.2; 6.0

Tryptofan

Trp

W

* W kolejności: grupa karboksylowa (); grupa aminowa: grupa funkcyjna w łańcuchu bocznym

.

H

H

3

N

COOH

COOH

H

H

3

N

COO

COOH

H

H

3

N

COO

COO

H

N

H

2

COO

COO

+ H

+

- H

+

+

-

Równowagi w roztworze

wodnym

kwasu asparaginowego

(Asp)

pK

a

1

= 2.0

pK

a

2

= 3.9

pK

a

3

= 10.0

+

-

+ H

+

- H

+

+

-

+ H

+

- H

+

-

-

N

N

H

H

3

N

COOH

H

N

N

H

H

3

N

COO

H

N

N

H

H

3

N

COO

N

N

H

N

H

2

COO

+ H

+

- H

+

+

Równowagi w roztworze

wodnym histydyny (His)

pK

a

1

= 1.8

pK

a

2

= 6.0

pK

a

3

= 9.2

-

+ H

+

- H

+

+

+ H

+

- H

+

+

-

-

-

-

Gdy do tego samego atomu węgla są przyłączone cztery różne

podstawniki, to występuje zjawisko stereoizomerii.

Ma to miejsce we wszystkich aminokwasach, z wyjątkiem glicyny

C

+

H

3

N

R

COO

-

H

Jeśli obrócimy cząsteczkę aminokwasu (wzór
cząsteczki w postaci zwitter-jonu) o kąt 90

tak, aby atom wodoru (najmłodszy) leżał
bezpośrednio za atomem węgla C, to

otrzymamy projekcję Newmana.

COO

C

H

3

NH

3

+

-

C

Projekcja Newmana Alaniny

Wodór jest za symbolem środkowego węgla

Atom węgla ma cztery różne podstawniki: -H
(najmłodszy),

-NH

3

+

(atom

azotu

jest

najstarszy,

bo

ma

największą

masę

atomową),

-COO

-

(atom

węgla

grupy

karboksylowej łączy się z dwoma atomami
tlenu), np. -CH

3

(atom węgla  pierwszy atom

łańcucha bocznego). W konsekwencji atom
węgla jest centrum chiralności. Można ją
zdefiniować najłatwiej poprzez obrócenie
cząsteczki tak, aby można było poprowadzić
linię od najstarszego podstawnika (atomu
związanego

z

centrum

chiralności)

w

kierunku

podstawnika

o

malejącym

starszeństwie

(masie

atomowej

atomu

związanego

bezpośrednio

z

centrum

chiralności).

Projekcja Newmana

L-Alanina (w postaci zwitter-jonu)

Konfiguracja absolutna S (L) i R (D)

Według nomenklatury Kahna-Ingolda-

Preloga

S- sinister; R-rectus

COO

H

3

N

CH

3

COO

C

H

3

NH

3

+

+

-

-

Konfiguracja prawoskrętna

D-Alanina

Konfiguracja

lewoskrętna

L-Alanina

Te dwa izomery mają odmienne właściwości.

Są one względem siebie enancjomerami

Enancjomery skręcają płaszczyznę światła

spolaryzowanego w przeciwne strony.
Wszystkie aminokwasy z wyjątkiem glicyny
mają węgiel
chiralny (centrum asymetrii, centrum
stereogeniczne).

Aminokwasy występujące w białkach zwierząt
i człowieka są aminokwasami typu L.

W przyrodzie występuje co najmniej 20
aminokwasów, którym przypisano stałe akronimy
trójliterowe oraz symbole jednoliterowe. Lista nazw
wraz z akronimami jest pokazana w uprzedniej
Tabeli.

Aminokwasy są połączone ze sobą
wiązaniem peptydowym (typu amidowego)

+

H

3

N

C

C

R

O

H

N

H

C

COO

-

R

H

Wiązanie to powstaje jako skutek kondensacji dwóch aminokwasów

w reakcji:

N

H

2

R

H

COOH

N

H

2

R'

H

COOH

N

H

2

R

H

O

N
H

R'

H

COOH

+

+

H

2

O

Ugrupowanie amidowe jest „płaskie”, tzn. atomy C-C’(O)-

N(H)-C leżą w jednej płaszczyźnie. Wiązania C=O i C-N

mają charakter wiązania podwójnego odpowiednio w 60% i
40%. Ograniczona swoboda rotacji wokół wiązania C’-N
powoduje możliwość występowania izomerii cis/trans.
Wiązania występujące w białkach są zwykle trans (jak na
rysunku).

Wykład 3

2.1. Wiązania
peptydowe,
struktura I-IV-
rzędowa

2. Białka - struktura i

funkcje

N

H

2

R

H

COOH

N

H

2

R'

H

COOH

N

H

2

R

H

O

N
H

R'

H

COOH

+

+

H

2

O

Wiązanie pomiędzy dwoma aminokwasami (wiązanie peptydowe)

Wiązanie pomiędzy dwoma aminokwasami (wiązanie peptydowe)

jest wiązaniem pomiędzy węglem grupy karboksylowej poprzedniego

jest wiązaniem pomiędzy węglem grupy karboksylowej poprzedniego

aminokwasu i azotem grupy alfa-aminowej drugiego aminokwasu.

aminokwasu i azotem grupy alfa-aminowej drugiego aminokwasu.

Wiązanie pomiędzy węglem i azotem ma charakter wiązania częściowo

Wiązanie pomiędzy węglem i azotem ma charakter wiązania częściowo

podwójnego. Obrót wokół tego wiązania nie jest swobodny.

podwójnego. Obrót wokół tego wiązania nie jest swobodny.

Gdy obrót wokół wiązania nie jest swobodny (np. wiązanie

Gdy obrót wokół wiązania nie jest swobodny (np. wiązanie

podwójne C=C), to może wystąpić izomeria geometryczna typu

podwójne C=C), to może wystąpić izomeria geometryczna typu

cis – trans:

cis – trans:

H

H

C

H

3

CH

3

H

CH

3

C

H

3

H

N

O

H

N

O

H

Buten-2

izomer cis

izomer trans

Peptyd

izomer cis

izomer trans

NH

3

C

C

O

N

R

H

H

C

C

R

H

O

N

H

COO

H

R

+

-

Wiązania peptydowe w polipeptydach

(tutaj jest to tripeptyd – trzy połączone ze sobą aminokwasy)

są płaskie i zawsze typu trans.

Atomy głównego łańcucha polipeptydu, to:

N, C



C’, N, Ca, C’, N, Ca, C’.

Struktura białek (polipeptydów)

Białka

są

polimerami,

których

monomery

stanowią

aminokwasy.

Powtarzającym

się

elementem

w

strukturze łańcucha polipeptydowego
są

aminokwasy.

Łańcuch

główny

stanowią atomy N-C-C’, czyli atomy

azotu

(wiązania

amidowego

(peptydowego)),

atomy

węgla

aminokwasu, podstawione grupami:
aminową,

karboksylową,

atomem

wodoru i grupą boczną aminokwasu
(R), oraz atomy węgla karbonylowego
wiązania amidowego.

Struktura I-rzędowa:

Określone białko ma ściśle zdefiniowany

skład i

sekwencję

(kolejność)

aminokwasów; mówimy o pierwszorzędowej

strukturze białka.

Mówiąc o strukturze pierwszorzędowej,

podajemy kolejność aminokwasów w białku,

np.:

Gly Gly Ala His Ala Asp Asp Gly Ala Gly

Arg

Struktura II-rzędowa:

Łańcuch polipeptydowy ma

ściśle określoną

konformację

,

którą opisują kąty dwuścienne
łańcucha głównego, liczone od
N-końca (wolna grupa aminowa)
do C-końca (wolna grupa
karboksylowa). Postać

natywna

(naturalna) białka ma tylko jedną
możliwą konformację w stanie
aktywnym.

+

H

3

N C

H

R

C N

O

C C N

H

R

O

C COO

-

H

R

H

H

Kąty dwuścienne opisujące konformację łańcucha głównego:

N-C - 

C-C’ - 

C’-N - 







Struktury powtarzające się

periodycznie (regularne,

uporządkowane)



Spirala -58 stopni;  = -47 stopni;  = 180 stopni

Płachta :  = 180 stopni;  = 180 stopni; = 180 stopni

W rejonach, w których kilka kolejnych aminokwasów
ma takie same kąty łańcucha głównego występują struktury
uporządkowane. Spirala alfa (alfa-helisa) ma kształt sprężyny:

O ile atomy łańcucha głównego w

alfa-helisie tworzą spiralę,

to w beta-płachcie atomy łańcucha

głównego leżą w jednej

płaszczyźnie.

Obie konformacje łańcucha często

występują w strukturze białka.

Następne przezrocze pokazuje

konformację beta-płachty w dwóch

rzutach

Struktura III-rzędowa:

Na konformację łańcucha
głównego mogą wpływać
dodatkowe oddziaływania i
wiązania, np.

wiązanie

dwusiarczkowe

pomiędzy

grupami bocznymi Cys (tworzą
mostek kowalencyjny -S-S-
pomiędzy odległymi resztami
Cys) i

wiązania wodorowe

pomiędzy odległymi częściami
łańcucha polipeptydowego.

N

O

S

N

H

O

H

H

N

O

S

H

O

H

N

H

N

O

S

N

H

O

H

N

O

S

O

H

N

H

N

N

N

N

O

O

O

O

H

H

H

H

N

N

N

O

O

H

O

O

H

H

Fragment łańcucha

Fragment łańcucha

polipeptydowego z wiązaniami

polipeptydowego z wiązaniami

wodorowymi pomiędzy

wodorowymi pomiędzy

atomami wodoru (grupy N-H) i

atomami wodoru (grupy N-H) i

atomami tlenu (grupy C=O)

atomami tlenu (grupy C=O)

należącymi do odległych

należącymi do odległych

aminokwasów w sekwencji (w

aminokwasów w sekwencji (w

łańcuchu), Wiązania wodorowe

łańcuchu), Wiązania wodorowe

są zaznaczone liniami

są zaznaczone liniami

przerywanymi.

przerywanymi.

Wiązania wodorowe występują

Wiązania wodorowe występują

zarówno w alfa-helisie, jak i

zarówno w alfa-helisie, jak i

beta-pętli. To one są

beta-pętli. To one są

odpowiedzialne za trwałość

odpowiedzialne za trwałość

konformacyjną tych

konformacyjną tych

uporządkowanych struktur.

uporządkowanych struktur.

Na tym rysunku pokazany jest

Na tym rysunku pokazany jest

fragment łańcucha

fragment łańcucha

polipeptydowego zawierający

polipeptydowego zawierający

beta-pętlę.

beta-pętlę.

Struktura IV-

rzędowa:

Większość białek występuje w
stanie

natywnym

w

postaci

asocjatów wyższego rzędu, tj.
związanych

ze

sobą

niekowalencyjnie

kilku

podjednostek.

Struktura przestrzenna hemoglobiny. Dwie podjednostki alfa i

dwie podjednostki beta są zaznaczone różnymi kolorami.

Zielony jest hem.

Sposoby organizacji struktury białek

Obecność grup zawierających atomy wodoru
związane z atomem azotu i tlenu i jednocześnie
grup karbonylowych daje możliwość tworzenia

wiązań wodorowych

pomiędzy sobą.

Ponadto grupy te tworzą wiązania wodorowe z
cząsteczkami wody otaczającymi białko. W
konsekwencji te części reszt aminokwasowych,
które mają charakter

hydrofilowy

eksponowane

są na zewnątrz cząsteczki, natomiast aminokwasy
z niepolarnymi grupami bocznymi, mające
charakter hydrofobowy, unikają kontaktu z wodą i
zwykle tworzą trudno dostępne

kieszenie

hydrofobowe

.