Aminokwasy

Budowa aminokwasów

Aminokwasy są związkami organicznymi zawierającymi dwie grupy funkcyjne, karboksylową -COOH i aminową -NH₂. Aminokwasy są podstawowymi jednostkami strukturalnymi białek. Każdy aminokwas prócz grup funkcyjnych zawiera też atom wodoru i charakterystyczny dla siebie podstawnik oznaczany ogólnie jako R. Jest on różny dla poszczególnych aminokwasów. Inaczej jest to łańcuch boczny aminokwasu. Ten składnik aminokwasów ma różne kształty, wielkości, ładunki elektryczne i reaktywność. Łańcuch boczny może mieć właściwości kwasowe, zasadowe, obojętne, może mieć też charakter alifatyczny, aromatyczny lub heterocykliczny.

Budowa aminokwasu

Grupa aminowa i karboksylowa aminokwasów jest przyłączona do tego samego węgla  i stąd nazwa -aminokwasy. Organizmy żywe budują wyłącznie -aminokwasy.

Tradycyjny podział amionokwasów

Najczęściej stosowanym podziałem aminokwasów jest podział na podstawie charakterystyki właściwości podstawnika aminokwasów. Wyodrębniamy siedem grup:

1. Aminokwasy alifatyczne

Ich podstawnikiem jest łańcuch węglowodorowy. Najprostszym przedstawicielem tej grupy jest glicyna, która za cały łańcuch boczny ma atom wodoru. Alanina ma łańcuch boczny utworzony z grupy metylowej. Walina, leucyna i izoleucyna mają rozgałęzione łańcuchy węglowodorowe. Nietypowym aminokwasem jest prolina zawierająca układ heterocykliczny z drugorzędową resztą aminową. Jej pochodna hydroksyprolina jest przykładem aminokwasu rzadkiego.



                    Glicyna (Gly)                     Alanina (Ala)                                       Walina (Val)


                Leucyna (Leu)                 Izoleucyna (Ile)                             Prolina (Pro)

Aminokwasy alifatyczne

2. Aminokwasy zawierające grupę hydroksylową

Do grupy tej należy seryna i treonina. Aminokwasy te mają podstawioną grupę hydroksylową w miejsce wodoru przyłączonego do pierwszego atomu węgla w podstawniku.

                                        Seryna (Ser)                               Treonina (Thr)

Aminokwasy zawierające grupę hydroksylową

3. Aminokwasy zawierające siarkę w podstawniku

Są to metionina i cysteina. Oba posiadają pewne unikalne cechy, które są wykorzystywane przez wszystkie organizmy żywe. Metionina jest aminokwasem startowym w procesie translacji białka. Cysteina posiada wolna grupę sulfhydrolową, która może reagować z taką samą grupą drugiej cysteiny. Reakcja ta prowadzi do utworzenia mostka siarczkowego pomiędzy atomami siarki. Wiązanie to odgrywa ważną role w tworzeniu struktury przestrzennej białek.

   Cysteina (Cys)       Metionina (Met)

Aminokwasy zawierające siarkę w podstawniku

4. Aminokwasy aromatyczne

Aminokwasy aromatyczne posiadają w łańcuchu podstawnika pierścienie sześciowęglowe. Należą do nich: fenyloalanina, tyrozyna i tryptofan. Obecność pierścienia aromatycznego powoduje, że fenyloalanina i tryptofan nie są syntezowane przez zwierzęta. Ich pochodne wykazują właściwości oligodynamiczne i regulatorowe np. hormony T₃ i T₄.

Fenyloalanina (Phe)   Tyrozyna (Tyr)   Tryptofan (Trp)
Aminokwasy aromatyczne

5. Aminokwasy amidowe

Zalicza się do nich, asparginę i glutaminę. Ich cząsteczki zawierają zmodyfikowaną grupę karboksylową przez wstawienie za grupę hydroksylową grupy aminowej.

                           Aspargina (Asn)       Glutamina (Gln)

Aminokwasy amidowe

6. Aminokwasy kwaśne

Wykazują odczyn kwaśny, ponieważ mają dodatkową grupę karboksylową. Zalicza się do nich: kwas asparginowy i kwas glutaminowy.

7. Aminokwasy zasadowe

Wykazują odczyn zasadowy, ponieważ mają dodatkową grupę aminową. Zalicza się do nich: lizynę, argininę i histydynę, przy czym ta ostatnia nie zawsze posiada ładunek dodatni (zależy to od bezpośredniego otoczenia aminokwasu). Histydyna ma bardzo słabe właściwości zasadowe, często występuje w centrach aktywnych wielu enzymów związanych z odwodornieniem, gdyż może łatwo odłączać lub przyłączać protony.

Aminokwasy występujące w białkach

Istnieje kilka sposobów klasyfikacji aminokwasów. Jednym ze sposobu jest podział na aminokwasy wystękujące w białkach. Białka są budowane przez 20 aminokwasów występujących w nich. Te same aminokwasy budują białka zwierzęce jak i roślinne. Aminokwasy budujące białka to: Glicyna, Alanina, Walina, Leucyna, Izoleucyna, Prolina, Hydroksyprolina, Seryna, Treonina, Cysteina, Metionina, Fenyloalanina, Tyrozyna, Tryptofan, Aspargina, Glutamina, Kwas asparginowy, Kwas glutaminowy, Lizyna, Arginina i Histydyna.

Właściwości fizyczne aminokwasów

Rozpuszczalność

Z kilkoma wyjątkami aminokwasy są dobrze rozpuszczalne w wodzie, amoniaku i innych rozpuszczalnikach polarnych, ale są źle rozpuszczalne w niepolarnych i mniej polarnych rozpuszczalnikach takich jak: etanol, metanol, aceton itp. Spowodowane to jest tym, że w obojętnych roztworze wodnym występują w postaci jonów obojnaczych.

Jon obojniaczy

Właściwości chemiczne aminokwasów

Tworzenie wiązań peptydowych

Najważniejszą reakcją aminokwasów jest tworzenie grupy amidowej -NHCO- określanej jako wiązanie peptydowe (amidowe). Wiązanie peptydowe tworzy się przez wydzielenie jednej 1 cząsteczki wody z grupy -amonowej jednego aminokwasu i -karboksylowej grupy drugiego aminokwasu.

Alanina (Ala)       Seryna (Ser)                          Alanyloseryna (Ala-Ser)
Tworzenie wiązania peptydowego

Tworzenie wiązania peptydowego może być przedstawione jako acylowanie grupy aminowej jednego aminokwasu przez drugi.

Właściwości kwasowo zasadowe

Ze względu na dwufunkcyjność aminokwasów ich dysocjacja zależy silnie od pH środowiska. Tylko w środowisku o różnym pH aminokwasy są jonami obojniaczymi. W silnie kwaśnym środowisku dysocjacja jonów -COOH jest zahamowana, aminokwasy tworzą kationy H₃N⁺- i w przeciwieństwie do zwykłych kwasów karboksylowych, migrują w polu elektrycznym do katod. Odpowiednio w środowisku alkalicznym tworzą się aniony grupy -COO^-, który migrują w polu elektrycznym do anody, kontrastując z zachowaniem się prostych amin.
Glicyna jest silniejszym kwasem niż kwas octowy ze względu na efekt indukcyjny grupy aminowej. W miarę wzrostu odległości między grupą aminową, a karboksylową efekt ten słabnie.

a. Potencjometryczne miareczkowanie glicyny

Charakter amfoteryczny aminokwasów można wykazać przez miareczkowanie ich mocnymi kwasami i zasadami. Otrzymana w ten sposób krzywa przedstawia zależność wartości pH miareczkowanego roztworu aminokwasu od ilości dodanych moli kwasu lub zasady. Miareczkowanie roztworu aminokwasu połączone z pomiarem pH roztworu pozwala na doświadczalne wyznaczenie krzywej dysocjacji aminokwasu i wartości pK jego grup funkcyjnych.

Punkt izoelektryczny

Punkt izoelektryczny (pI) jest to takie pH środowiska, przy którym cząsteczka aminokwasu w danych warunkach jest obojętna, bez względu na to czy jednakowa ilość ładunków dodatnich i ujemnych w cząsteczce wynika z dysocjacji grup polarnych, czy obecności związanych jonów. W punkcie izoelektrycznym cząsteczka nie ma zdolności wędrowania w polu elektrycznym (np. podczas elektroforezy). W roztworze o pH większym od punku izoelektrycznego cząsteczka występuje w formie anionu, a poniżej punktu izoelektrycznego w formie kationu. W punkcie izoelektrycznym aminokwas tworzy sól wewnętrzną tzw. jon obojniaczy, wtedy cząsteczka jest najsłabiej rozpuszczalna. Wykorzystuje się to do wytrącenia aminokwasów z roztworu.

                    pH 1                                              pH 6                                                           pH11
  całkowity ładunek: ⁺1                         całkowity ładunek: 0                     całkowity ładunek: ^-1

Ładunki w punkcie izoelektrycznym

Reakcje charakterystyczne

Reakcja z nihydryną

Aminokwas należy ogrzać z roztworem nihydryny. W czasie ogrzewania następuje dekarboksylacja i oksydatywna dezaminacja. W reakcji powstaje aldehyd uboższy o jeden atom węgla niż aminokwas, amoniak i dwutlenek węgla, a nihydryna zostaje zredukowana do hydrindantyny. Cząsteczki hydrindantyny łączą się z amoniakiem i cząsteczką nihydryny, dając niebiesko-fioletowy związek tzw. Purpurę Ruhemanna. Prolina i Hydroksyprolina nie posiadają grupy a-aminowej, dając z ninhydryną kompleksy o barwie żółtej.

Reakcja z kwasem azotowym III

Jest to reakcja wolnych aminokwasów z HNO₂ z wydzieleniem N₂. Reakcja przebiega pomiędzy kwasem azotowym III, a grupą aminową aminokwasu w środowisku kwaśnym. Roztwór gwałtownie się burzy pod wpływem wydzielanego azotu.

Reakcja z kwasem azotowym III

Reakcja Adamkiewicza-Hopkinsa

Jest to reakcja na wykrywanie tryptofanu polega ona na kondensacji tego aminokwasu z aldehydami,kwasem glioksalowym lub stężonym octowym tworząc barwne kompleksy.

Reakcja z nitroprusydkiem sodu

Związki zawierające grupy sulfhydrylowe (-SH) tworzą z nitroprusydkiem sodu związek kompleksowy o czerwono-fioletowym zabarwieniu.

Reakcja z jonami ołowiu

Jest to reakcja pomiędzy jonami siarczkowymi powstałymi z odszczepionej siarki cysteiny podczas ogrzewania w środowisku alkalicznym, a jonami rozpuszczalnej soli ołowiu II. W wyniku reakcji powstaje czarny osad siarczku ołowiu II.

Rreakcja z jonami ołowiu

Otrzymywanie

Aminokwasy otrzymuje się ze źródeł naturalnych, metodami mikrobiologicznymi, oraz przez syntezę chemiczną. Dwie pierwsze metody dają nam L-aminokwasy, natomiast metodą syntez organicznych otrzymuje się D i L-aminokwasy. Produkcję aminokwasów rozwinięto na skalę przemysłową w wyniku wzrostu znaczenia takich aminokwasów jak: kwas glutaminowy, glicyna, alanina, kwas asparaginowy, jako związki nadające smak produktom spożywczym oraz lizyna, metionina, tryptofan i inne aminokwasy egzogenne jako dodatki do mniej wartościowego pożywienia. Cysteina i seryna są wykorzystywane w przemyśle kosmetycznym. Rozdział izomerów przeprowadza się przez krystalizację, stosując kryształki czystych enancjomerów jako zarodki krystalizacji.

Wyodrębnienie aminokwasów z hydrolizy białek

W celu wydzielenia aminokwasów białka są degradowane przez hydrolizę. Klasyczną metodą hydrolizy kwaśnej jest gotowanie białka ze świeżo destylowanym kwasem solnym o stężeniu 6 mol/dm³ (t. 110 °C) lub kwasem siarkowym o stężeniu 4 mol/ dm³. Reakcja ta zachodzi w czasie 14-17 h, ze względu na odporność wiązań peptydowych, w których udział biorą walina, leucyna i izoleucyna. W tej procedurze następuje całkowity rozkład tryptofanu, a seryna i treonina rozkładają się w 5-10%. Kwas asparaginowy i glutaminowy przekształcają się w odpowiednie kwasy dikarboksylowe z wydzieleniem amoniaku. Dodatkowa strata aminokwasów (cystein i cystyn), następuje, gdy obecne są węglowodory tworzące huminy.

Niektóre metody syntezowe

Synteza Streckera

Synteza ta polega na dodaniu cyjanowodoru do aldehydu w obecności amoniaku.
Jako produkt uboczny otrzymuje się iminodinitryle NH(CHR-CN)₂ oraz trinitryle i kwasy karboksylowe. Wydajność tej syntezy wynosi 75%. Zamiast cyjanowodoru można stosować cyjanek sodu lub potasu.

Kondensacja aldehydowa

W syntezie tego typy łańcuch boczny wprowadzany jest do aminokwasu za pomocą aldehydu, który łączy się z cykliczną pochodną glicyny posiadająca aktywną grupę metylenową. Dwoma głównymi wariantami tej syntezy są metody: azlaktonowa i hydantoinowa.

Synteza hydantoinowa

W tej syntezie stosuje się hydantoinę jako związek zawierający grupę metylenową. Reakcja zachodzi w mieszaninie kwasu octowego i octanu sodu. Aldehyd reaguje z hydantoiną dając produkt kondensacji, który przekształca się w aminokwasy przez redukcję amalgamatem sodu i następnie alkaliczna hydrolizą.

"Prebiotyczna" synteza aminokwasów

W latach 70-tych XX w. naukowcy zaczęli interesować się początkami życia na ziemi i zaczęli rozważać różne możliwe sposoby powstania aminokwasów w początkowym okresie istnienia Ziemi. Badania wykazały, że prawie wszystkie aminokwasy występujące w białkach mogą powstać z prostych związków węgla i azotu pod warunkiem dostatecznej ilości energii.
Analiza chromatograficzna meteorytu Murchisona, który spadł w Australii w 1969 r. Wykazały, że synteza aminokwasów może zachodzić poza ziemią. Prócz aminokwasów takich jak glicyna, glutamina, alanina czy walina znaleziono też ślady sarkazyny oraz kwasu aminomasłowego. Odmiany aminokwasów D jak i L w badanych próbkach występowały w prawie takich samych ilościach. Aminokwasy odkryto też w skałach przywiezionych z księżyca przez program lotów na księżyc "Apollo". W prókach wykryto glicyne i alaninę, kwas glutaminowy i asparginowy, oraz serynę z treoiną. W latach 80-tych XX w. badania spektroskopowe ujawniły obecność amoniaku, formaldechydu i HCN, ostatnio alkoholu etylowego w przestrzeni międzygwiazdowej. Związki te mogą być materiałami wyjściowymi do syntezy aminokwasów. Niektóre, raz utworzone aminokwasy mogą przechodzić w drugie. Np. w wodnym roztworze kwasu asparaginowego, naświetlanym promieniowaniem UV można znaleźć serynę, alaninę i glicynę. W abiogenetycznej syntezie szczególnie ważną rolę odgrywa HCN. Jego obecność nie tylko tłumaczy syntezę serii aminokwasów, jeśli dostępny jest amoniak i aldehyd, ale utworzenie wiązania C-N w pewnych aminokwasach, w wyniku oligomeryzacji.

Białka

Ogólna charakterystyka

Białka są to polipeptydy zbudowane z około 100 aminokwasów. Charakteryzują je dość duże masy cząsteczkowe powyżej 10 000 Da. Pierwiastkami budującymi białka w większej mierze są: C, O, H, N, S i P. Informacje o budowie białek jest zawarta w DNA. Ogromne bogactwo form żywych i złożoność budowy należy zawdzięczać białkom. W organizmie żywym większość związków organicznych stanowią białka, które stanowią 50% suchej masy komórki. Cechuje je daleko posunięta swoistość gatunkowa, a nieraz osobnicza.
Zasadniczy szkielet części białkowej stanowią powtarzające się w łańcuchu polipeptydowym elementy strukturalne -CH-CO-NH-, składające się z węgla  oraz wiązania peptydowego -CO-NH-. Atom wodoru grupy NH znajduje się prawie zawsze w pozycji trans do atomu tlenu grupy ketonowej. Łącząc te elementy węglem  rodników aminokwasowych (R) otrzymuje się łańcuch polipeptydowy o budowie zygzaka.

Budowa szkieletu białka

O takim kształcie łańcucha peptydowego decyduje sposób ułożenia atomów w wiązaniu peptydowym. Przegrupowanie elektronów (delokalizacja) w obrębie wiązania peptydowego powoduje, że staje się ono polarne i może występować w dwóch odmianach.
Wiązanie C-N ma około w 40% charakter wiązania podwójnego, a wiązanie C-O w około 60%. Wytworzenie wiązania podwójnego pomiędzy C i N nadaje wiązaniu peptydowemu znaczna sztywność oraz sprawia, że wszystkie jego cztery atomy (CO i NH) są rozmieszczone w tej samej płaszczyźnie. Łańcuch ten nie jest do końca sztywny, gdyż pojedyncze wiązanie przy atomach  węgla umożliwia ruch obrotowy. W tych miejscach łańcuch może się zginać lub zwijać.

Przegrupowanie atomów (delokalizacja)

Budowę białek bada się metodami chemicznymi, fizykochemicznymi i fizycznymi.

Podział

Białka są substancjami o skomplikowanej budowie, dlatego ciężko było by przeprowadzić ich klasyfikacje na podstawie ich struktury. Z tego powodu białka są klasyfikowane na różne sposoby, na przykład: na ich pochodzenie (białka roślinne, zwierzęce, wirusowe, bakteryjne) lub na występowanie w różnych organach (białko plazmy, mięśni wątroby itp.), albo organellach komórkowych (białko cytoplazmy białko rybosonalne, jądrowe, błon itp.). Jako inne kryterium można przyjąć ich funkcje biochemiczne np.(białka enzymatyczne, ochronne, strukturalne, strukturalne, zapasowe, transportowe). Najwcześniej stosowany podział uwzględnia różnice w rozpuszczalności i kształcie cząsteczek. Białka globularne: rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli, przybierają kształt kulisty. Białka fibrylarne: nie rozpuszczalne w roztworach wodnych i roztworach soli, struktury włókniste występują na poziomie makroskopowym. Są odporne na działanie zasad i kwasów. Obecnie stosuje się podział białek pod względem składu chemicznego i dzieli białka na dwie grupy:
Białka proste - w wyniku całkowitej hydrolizy tych białek powstają tylko same aminokwasy.
Białka złożone - w wyniku całkowitej hydrolizy tych białek powstają aminokwasy i składniki nie białkowe. Podział ten jest stosowany do dnia dzisiejszego, chociaż badania najnowocześniejszą aparaturą wykazały, że niektóre białka proste błędnie zostały zaliczone do tej grupy.

Białka proste

a. Albuminy

Albuminy są białkami o małej masie cząsteczkowej. Dobrze rozpuszczają się w wodzie i roztworach soli w zakresie pH od 4 do 8,5, a także łatwo krystalizują. Można je wytrącić bardzo stężonym siarczanem VI amonu. Kwasowy charakter albumin wynika z dużej zawartości (20-25%) kwasu glutaminowego i asparaginowego. Do tej grupy zalicza się: albuminy surowicy, -laktoalbuminy, owalbuminę jaja kurzego oraz albuminy roślinne. Albuminy surowicy- (masa cząsteczkowa 67 000 u) jest głównym składnikiem białek plazmy, występującym w ilości około 60%. Najważniejszą funkcją tego białka jest regulacja ciśnienia osmotycznego krwi. Wykazuje ono dużą zdolność wiązania jonów K⁺, Na⁺, Ca²⁺, jak również hormonów, kwasów tłuszczowych i leków. Albuminy roślinne występują w małych ilościach w nasionach, np. rycyna w nasionach rącznika, leukazyna w nasionach różnych zbóż i nasionach roślin strączkowych. Rycyna wykazuje właściwości toksyczne. Rycyna (masa cząsteczkowa 65 000 u) zawiera 493 reszty aminokwasowe. Składa się z dwóch łańcuchów, powiązanymi ze sobą mostkami disiarczkowymi. Chociaż toksyczny jest łańcuch A, nie mniej ważny jest łańcuch B, ponieważ zawiera on miejsce łączące się z powierzchnia komórki. Rycyna działa jako inhibitor biosyntezy białek i wykazuje działanie antynowotworowe.

b. Globuliny

Globuliny mają większą masę cząsteczkowa niż albuminy i występują praktycznie w wszystkich komórkach zwierzęcych i roślinnych. Do tej jednolitej i szerokiej klasy białek należy wiele enzymów, białek plazmy, przeciwciał, białek mleka, glikoproteidów i białek zapasowych roślin. Ponieważ wiele globulinów zawiera słabo przyłączone węglowodany nie ma zgodności, co do klasyfikacji tych związków. Globuliny są nie rozpuszczalne lub słabo rozpuszczalne w wodzie pozbawionej soli.

c. Histony

Histony są białkami zasadowymi (zawierają dużo argininy i lizyny) o małej masie cząsteczkowej, rozpuszczalnymi w kwasach i wodzie. Białka te nie są specyficzne dla określonej tkanki i występują we wszystkich komórkach eukariotycznych, gdzie tworzą kompleksy z DNA, a zatem odgrywają ważną rolę w procesie represji genów.
Histony składają się z 101 lub 212 aminokwasów, a ich masa cząsteczkowa zawiera między 11 200 a 21 000 u. Prawie we wszystkich histonach znajdują się reszty metylowanych lub acetylowanych aminokwasów, w tym z 20 reszt lizynowych i 8 arginowych, a N-końcowa prolina nie jest podstawiona. Histony w zasadzie nie zmieniły swej budowy ewolucyjnej na przestrzeni milionów lat. Rolą histonów jest kondensowanie chromatyny w czasie tworzenia się chromosomów. Chromatyna nawija się na oktamer histonowy. Oktamer jest zbudowany z 6 cząsteczek histonów i tworzy rdzeń na, który nawijany jest DNA powstaje w wtedy nukleosom. Podstawową funkcją histonów jest blokowanie DNA, powoduje to korzystanie tylko z tej części materiału genetycznego, która jest potrzebna komórce do pełnienia swych funkcji biologicznych.

d. Prolaminy

Prolaminy charakteryzują się znaczną zawartością kwasu glutaminowego (30-45%) i proliny (15%). Prolaminy są nie rozpuszczalne w wodzie i roztworach soli, ale rozpuszczają się w 50-90% roztworze etanolu. Gliadyna (pszenica i żyto) oraz hordenina (jęczmień) są ważnymi białkami zbóż i typowymi przykładami związków tej klasy.

e. Gluteliny

Gluteliny zawierają w swej budowie dużo kwasu glutaminowego do 45%. Gluteliny są rozpuszczalne w wodzie, roztworach soli i rozcieńczonych alkoholach, a także w roztworach zasadowych i kwaśnych. Do tej grupy związków należą: glutenina (pszenica), orzynina (ryż), hordenina (jęczmień). Glutenina i gliadyna składa się na lepkie białko (gluten) mąki pszenej. Przydatność tej mąki jest związana od zawartości glutenu. Masy tych białek wynoszą od 50 000 do kilku milionów Da. Glutenina składa się z podjednostek o masie 150 000 Da. Podjednostki te są łańcuchami polipeptydowymi i można je rozdzielić za pomocą elektroforezy.

f. Protoaminy

Białka należące do tej grupy są bardziej zasadowe niż histony, co wynika z większej zawartości argininy (80-85%). Są rozpuszczalne w wodzie i kwasach. Znajdują się w jądrach komórkowych w połączeniach z DNA. Protoaminy mają małe masy cząsteczkowe 4000-4500 u. Struktura pierwszorzędowa protoamin często charakteryzuje się powtarzalnością tej samej sekwencji.

g. Skleroproteiny

Określenie białka strukturalne dotyczy takich białek fibrylarnych, które spełniają funkcje zabezpieczające i są składnikami szkieletu zwierząt. Nazywa się je też skleroproteidami lub białkami fibrylarnymi. Mają zazwyczaj charakterystyczny skład aminokwasów. Są nierozpuszczalne w wodzie i odporne na działanie enzymów proteolitycznych. Jako pokarm są bezużyteczne, ponieważ są niestrawne i zawierają małą ilość aminokwasów niezbędnych. Z punkcji widzenia konstrukcji łańcucha wyróżnia się trzy typy białek fibrylarnych o strukturze heliksu, strukturze harmonijki i o strukturze potrójnej helisy. Najważniejszymi białkami tej grupy są: keratyna, kolagen i elastyna. Właściwości fizyczne białek strukturalnych są wynikiem poprzecznego połączenia poprzez mostki kowalencyjne. Poprzeczne wiązania tworzą się poprzez trzy reszty tyrozynowe każdego łańcucha.

Elastyny

Jest to nierozpuszczalne białko stanowiące główny składnik włókien sprężystych, w macierzy zewnątrzkomórkowej. Elastyna jest niezwykle odporna na działanie rozcieńczonych zasad lub kwasów, wytrzymuje gotowanie. Ulega rozkładowi tylko przez elastazę wytwarzaną w trzustce. Białko to ma masę cząsteczkową około 70 000 u. Podobnie jak kolagen jest wzbogacona w glicynę (30-33%) oraz prolinę (10-13%), ale posiada mniej hydroksyproliny i nie zawiera hydroksylizyny ani cysteiny. Cztery aminokwasy glicyna, walina, prolina i alanina stanowią 80% wszystkich reszt. Wysoki odsetek reszt niepolarnych nadaje jej charakter wysoce hydrofobowy. Jest ona syntetyzowana przez komórki nabłonka naczyń, komórki mięśni gładkich. Wysoką zawartością elastyny odznaczają się więzadła i ściany naczyń krwionośnych i tkanka płuc, a mniejszą ilość tkanka skórna i ścięgna. Charakterystyczną cecha elastyny jest podatność na rozciąganie, tak, że może osiągnąć kilkakrotnie większą długość, a po usunięciu siły rozciągającej wraca do pierwotnego kształtu.

Kolageny

Kolageny są szeroko rozpowszechnione w świecie zwierząt i stanowią 25-30 białek zawartych w organizmie zwierzęcym. Są one składnikami skóry, chrząstki, ścian naczyń krwionośnych i tkanki łącznej. Charakteryzują się dużą zawartością proliny 12% i hydroksyproliny 9% i glicyny 33%. Cysteina i metionina występuje w kolagenach warzyw. Kolageny zawierają też hydroksylizynę i w zależności od pochodzenia białka zawierają też niewielkie ilości cukrów. Podstawową struktura kolagenu jest troptokolagen o masie cząsteczkowej 300 000 u. Występuje on w postaci pałeczek o długości 3000 nm i średnicy 1,5 nm. Kolagen chrząstki zawiera trzy identyczne łańcuchy. Do utworzenia odpowiedniej struktury odpowiednio są potrzebne sekwencje (-gly-X-Pro-)_n i (-gly-X-Hpro-)_n, który powoduje, że pojedyncze łańcuchy skręcają się razem, tworząc prawoskrętną helisę. Strukturę tą stabilizują mostki wodorowe pomiędzy wiązaniami peptydowymi poszczególnych łancuchów. Struktura ta ulega degradacji przez ogrzewanie w środowisku wodnym.

Keratyny

Podstawową strukturą keratyny włosów jest helisa a, stabilizowana wiązaniami wodorowymi. Helisy są powiązane wiązaniami disiarczkowymi. Skład aminokwasowy jest bogaty w aminokwasy hydrofobowe i cysteinę (11%). Trzy prawoskrętne helisy a tworzą protowłókienka o średnicy 2 nm. Kilkaset mikrowłókienek tworzy makrowłókienko o średnicy 200 nm osadzone w strukturze matrycy, zbudowanej z białka bogatego w cysteinę. Makrowłókienka są upakowane w martwych komórkach równolegle do osi włókien wełny, które osiąga średnicę 20 000 nm.

Białka złożone

a. Fosforoproteidy

Fosforoproteidy zawierają grupy kwasu fosforowego, które są połączone są wiązaniami estrowymi z grupami hydroksylowymi łańcuchów bocznych seryny lub rzadziej treoniny.
Do ważnych fosforoproteidów należą kazeiny. Znajdują się one w dużej ilości w mleku krowim. Stanowią one 79% białek zawartych w mleku. Najważniejszymi z nich są: a-, -, -kazeiny. -kazeina jest jednołańcuchową cząsteczką składająca się z 169 aminokwasów. Jej masa cząsteczkowa wynosi 19 100 u. Do grupy fosforoproteidów nalezą też fosfowityna i witellina, a otrzymywane z żółtka jaja. 50% reszt aminokwasowych fosfowityny stanowią reszty fosfoseryny. Chociaż witelina jest głównym białkiem żółtka jaja, to zawiera ona jedynie 5% grup fosforanowych w cząsteczce. Do fosfoproteidów można zaliczyć też owoalbuminę.

b. Lipoproteidy

Lipoproteidy są ważnymi z fizjologicznego punktu widzenia kompleksami białka z lipidami. Głownie występują w plazmie krwi, żółtku jaja kurzego, błonach i organellach komórkowych. Lipoproteidy plazmy odpowiedzialne są za transport tłuszczów obojętnych i substancji tłuszczopodobnych. Największe lipoproteidy, chylomikrony, mają średnicę 500 nm. Pojawienie się ich we krwi powoduje lipodemię. Lipoproteidy można wydzielić przez wirowanie w gradiencie ciężkości.

c. Glikoproteidy

Glikoproteidy są to kompleksy węglowodanowo-białkowe, w których krótkie, oligosacharydy są przyłączone wiązaniami glikozydowymi do łańcuchów bocznych niektórych aminokwasów. Sacharydowe łańcuchy glikozydów nie przekraczają 10 reszt. Glikoproteidy mogą zawierać tylko jeden łańcuch węglowodanowy (owoalbumina) lub 800 łańcuchów. Glikoproteidy są szeroko rozpowszechnione w świecie roślin i zwierząt. Są składnikami błon enzymów, przeciwciał, substancji grupowych krwi, śluzów, czynników komplementarnych, hormonów i białek plazmy. Glikoproteidy spełniają szereg ważnych funkcji. Na powierzchni komórek biorą aktywny udział w transporcie przez błony oraz działają jako białka przenoszące jony pewnych metali (Fe³⁺, Cu²⁺). Duża lepkość roztworów glikoproteidowych nadaje im właściwości smaru. Stanowią substancje śluzowe w wydzielinach gruczołów w płynach stawowych oraz w tkance łącznej.

d. Nukleoproteidy

Nukleoproteidy są kompleksami kwasów nukleinowych i białek. Maja charakter heteropolarny. Składnikiem białkowym może być protoamina, histony lub białka nie histonowe chromosomów. W kompleksach tych kwasem nukleinowym najczęściej jest DNA. Nukleoproteidy odgrywają rolę w replikacji DNA jak i kontroli genetycznej.
e. Metaloproteidy

Jony niektórych metali maja zdolność wiązania się z białkami i tworzenia z nimi kompleksów, do najliczniejszych należą jony Cu²⁺, Mn²⁺, Fe³⁺, Zn²⁺, Mo³⁺. Stwierdzono, że w przypadku dużej ilości enzymów usunięcie jonów metali oznaczało utratę aktywności enzymatycznej. Wiele oksydaz zawiera w swej budowie jony miedzi. Natomiast jony Mn²⁺ działa jako aktywator syntezy glutaminowej. Tkankowe enzymy glikolityczne i proteolityczne też zawierają mangan. Anhydraza węglanowa zawiera cynk. Ferrityna i hemosydyryna, są białkami przechowującymi jony żelaza. Ferrityna jest przykładem białka składającego się z 24 podjednostek. Ferrityna przechowuje nadmiar żelaza w postaci wodorotlenków lub tlenków tworząc micele. Każdy micel może zawierać do 4300 jonów Fe³⁺. Białko to jest gromadzone w wątrobie i szpiku kostnym.

f. Chromoproteidy

Białka te zawierają chromoforową grupę prostetyczną, będącą barwnikiem. Bardzo ważne znaczenie w tej grupie mają hemoproteidy, z grupą hemową, a wśród nich najważniejsze znaczenie ma hemoglobina. Hemoglobina składa się z czterech grup hemowych i czterech łańcuchów polipeptydowych: dwóch łańcuchów  po 141 reszt aminokwasowych i dwóch łańcuchów  po 146 reszty aminokwasowe. Transportuje ona tlen cząsteczkowy, przyłączony do żelaza w grupie hemowej, z płuc do mioglobiny w mięśniach. Mioglobina zawiera jedną grupę hemową i jeden łańcuch polipeptydowy złożony z 153 aminokwasów. Tlen magazynowany jest przez tworzenie kompleksów, aż do zużycia w procesie metabolicznym. Hemoglobina jest też odpowiedzialna za przenoszenie dwutlenku węgla do płuc. Do hemoproteidów należą również takie enzymy jak katalaza i peroksydaza.

Właściwości fizyczne

Rozpuszczalność

Rozpuszczalność białek zależy o szeregu takich czynników jak: pH, rodzaj rozpuszczalnika, stężenie elektrolitu oraz typu jonów w środowisku. Ważną rolę odgrywa też charakter białka i jego cechy strukturalne. Dodatek słabo polarnych lub nie polarnych rozpuszczalników takich jak etanol lub aceton, do wodnego roztworu białka obniża względną przenikalność elektryczną układu. W efekcie obniża się rozpuszczalność i stopień hydratacji białek. Jeśli doda się odpowiednią ilość takiego rozpuszczalnika białko zaczyna się wytrącać. Bardzo ważne dla rozpuszczalności białek jest stężenie elektrolitu. Często konieczne jest utrzymanie odpowiedniego stężenia soli, aby w roztworze utrzymać białko o znacznej asymetrii w rozłożeniu ładunków. Jony soli gromadzą się na powierzchni białek i silnie podwyższają ich rozpuszczalność. Efekt wytrącenia białka po dodaniu do roztworu soli związany jest z odwodnieniem cząsteczki białka, co jest konieczne do hydratacji dużego nadmiaru elektrolitu. Do wysalania stosuje się najczęściej siarczan VI amonu, ponieważ jest dobrze rozpuszczalny w wodzie, a jego jony są silniej hydratowane niż jony chlorku sodu. Ponieważ różne białka wytrącają się przy różnym stężeniu elektrolitów, metodę tą uważa się za bardzo ważną do wstępnego rozdzielenia mieszaniny białek w łagodnych warunkach.

Masa cząsteczkowa

Masa cząsteczkowa białek waha się od 10⁵ do 10⁶ u, w przypadku cząsteczek jednołańcuchowych, a od 5 * 10⁴ do kilku milionów w przypadku większości białek. Do określenia masy cząsteczkowej i kształtu cząsteczek białkowych stosuje się wiele różnych metod fizyko-chemicznych, obejmujące pomiary lepkości, szybkości dyfuzji i sedymentacji w elektowirówce, określenie ruchliwości elektoferycznej i chromatograficznej oraz pomiary rozproszenia światła i ciśnienia osmotycznego.

Pomiary rozproszenia światła

Metoda związana z rozproszeniem światła opierają się na prostej zależności: wzrost wielkości cząsteczki powoduje wzrost efektu Tyndalla. Rozproszenie mierzy się porównując natężenie światła padającego i rozproszonego pod kątem prostym. W idealnych warunkach różnica pomiędzy rozproszeniem światła w czystym rozpuszczalniku i w roztworze białka jest wprost proporcjonalna do liczby i rozmiaru cząsteczek tego białka.

Ultrawirówka

W ultrawirówce masę cząsteczek białek można wyznaczyć na dwa sposoby. Metodą pomiaru szybkości sedymentacji oraz metodą równowagi sedymentacyjnej. W rotorze wirówki umieszcza się probówki z roztworem białka. W czasie wirowania w rotorze panuje bardzo niskie ciśnienie. Za pomocą specjalnego układu optycznego podczas wirowania można mierzyć stężenie białka w każdym punkcie wirówki. W metodzie opartej na pomiarze szybkości sedymentacji konieczne jest wytworzenie takiego pola grawitacyjnego, które zapewniłoby całkowitą sedymentacje badanej substancji. Szybkość sedymentacji białka jest wprost proporcjonalna do jego masy cząsteczkowej.

Metoda filtracji żelowej

Elektroforeza na żelu poliakryloamidowym jest wariantem metody elektroforezy pasmowej. Monomer żelu rozpuszcza się w odpowiednim buforze, dodaje się bisakryloamid i polimeryzuje się w szklanych rurkach lub na płytkach. Żel powinien mieć grubość 7-10 cm. W wyniku elektroforezy uzyskuje się bardzo ostre rozdzielenie składników, co przypisuje się efektowi sił molekularnych. Kiedy proces elektroforezy prowadzi się w obecności siarczanu dodecylo-sodowego, białko oligomeryczne można rozdzielić na podjednostki i określić ich masy cząsteczkowe. Masę cząsteczkową wyznacza się przez porównanie ruchliwości elektroforetycznych substancji badanej i białka wzorcowego.

Białka hydrofilowe i hydrofobowe

Białka hydrofilowe mają duże powinowactwo do wody. Dipole wody skupiają się wokół powierzchni białka tworząc tzw. płaszcz wodny. Białka te są dobrze rozpuszczalne w rozpuszczalnikach polarnych przy różnych wartościach pH, a także w pI. Przykładem jest albumina osocza krwi lub białko jaja kurzego.

Białka hydrofobowe nie posiadają powinowactwa do rozpuszczalników polarnych ze względu, że ich powierzchnia jest utworzona jest z aminokwasów apolarnych. Białka te rozpuszczają się tylko jako kationy albo aniony, czyli są zdysocjowane i posiadają na swej powierzchni ładunki. Rozpuszczają się, więc w roztworach kwaśnych lub zasadowych w pH innym niż pI np. kazeina mleka.

Właściwości chemiczne

Amfoteryczność

Amfoteryczny charakter białek jest wynikiem obecności i rozmieszczenia kwasowych i zasadowych grup łańcuchów bocznych, ponieważ w długim łańcuchu polipeptydowym końcowe grupy aminowa i karboksylowa, odwrotnie niż w przypadku aminokwasów, mają mały udział w tworzeniu dipolarnego charakteru cząsteczki. W roztworze kwaśnym białka mają ładunek dodatni w roztworze zasadowym ujemny, a ich stopień hydratacji i rozpuszczalność są największe w roztworach o skrajnych wartościach pH. Ruchliwość elektroforetyczną określa ładunek wypadkowy cząsteczki. W punkcie izoelektrycznym ładunki dodatnie i ujemne równoważą się. W punkcie izoelektrycznym białko wykazuje minimalną rozpuszczalność i minimalny stopień hydratacji. Punkt izoelektryczny białka można określić przez: określenie minimalnej rozpuszczalności w roztworach buforowych, elektroforetycznie przy różnym pH lub metodą ogniskowania izoelektrycznego. Białka zawierające stosunkowo dużo aminokwasów zasadowych maja wartość pI w zakresie dużych wartości pH (protoamina pI 11,8 pH), natomiast białka a z dużą ilością aminokwasów kwasowych mają pI w zakresie niskich wartości pH (pepsyna pI 1 pH).
Ważny fizjologicznie efekt buforowania białek zależy od równowagi:

kation białkowy
białko obojętne
anion białkowy

W stabilizacji pH krwi dużą rolę odgrywa hemoglobina. Normalna wartość pH krwi wynosi 7,35 - 7,40. Obniżenie go o 0,5 pH zagraża życiu.

Wysalanie

Niewielkie stężenie soli w nieorganicznych zwiększa rozpuszczalność białek. Jeżeli jednak stężenie soli będzie wzrastać, korzystny wpływ jonów soli na rozpuszczalność białka ustaje, a przy dużym stężeniu soli białka rozpuszczalne w wodzie będą się wytrącać z roztworów wodnych. Proces ten nazywa się wysalaniem. Białka najłatwiej wysolić w ich punkcie izoelektrycznym, gdyż wtedy ich rozpuszczalność jest najmniejsza. Solą najczęściej stosowaną do wysalania jest siarczan VI amonu. Wysalanie białek jest procesem odwracalnym, ponieważ przez obniżenie stężenia soli, np. dodanie rozpuszczalnika wytrącone białko można ponownie rozpuścić. Białko takie zachowuje wszystkie swoje właściwości, ponieważ wysalanie nie powoduje denaturacji białek.

Hydroliza

Hydroliza białek polega na depolimeryzacji białek na poszczególne aminokwasy. Hydrolizę białek można przeprowadzać na trzy sposoby: pod wpływem kwasu, zasady lub enzymu.
Hydroliza kwasowa polega na ogrzewaniu białka w roztworze HCl o stężeniu 2 mol lub roztworze H₂SO₄ o stężeniu 4 mol przez 18-24 h. Jednak w warunkach tych całkowitemu rozkładowi ulega tryptofan. Podczas hydrolizy zasadowej najczęściej ogrzewa się białko z NaOH o stężeniu 2 mol. Metoda ta jest praktycznie nie stosowana, ponieważ zupełnie niszczy argininę, cysteinę i treoninę. Najlepszą metodą hydrolizy białek jest hydroliza enzymatyczna, gdyż zniszczeniu nie ulegają żadne aminokwasy. Wadą tej metody jest powolność procesu, a co za tym idzie długi czas depolimeryzacji białka. Metoda hydrolizy enzymatycznej znalazła zastosowanie w określaniu sekwencji białek.

Denaturacja

Denaturacją białka nazywamy takie przeprowadzenie metodami fizycznymi lub chemicznymi, zmian w strukturze białka, które prowadza do mniejszej lub większej utraty aktywności biologicznej białka, przy czym jego struktura pierwszorzędowa nie zostaje zmieniona. Podczas denaturacji w dużej mierze zniszczeniu ulegają wiązania wodorowe, a w obecności odczynników redukcyjnych rozszczepieniu ulegają wiązania disiarkowego. Często denaturacja jest odwracalna i po usunięciu czynnika denaturującego białko wraca do pierwotnej postaci. Proces ten nazywa się renaturacją. Renaturacja jest też możliwa w przypadku denaturacji redukcyjnej, ale wiele przypadków denaturacji jest nieodwracalnych.
Podczas denaturacji zachodzą takie zmiany jak: zmniejszenie rozpuszczalności, może się w wyniku wyeksponowania nowych zjonizowanych grup przesunąć pH punktu izoelektrycznego.
Fizycznymi metodami denaturacji białek są:

Silne mieszanie, ogrzewanie, naświetlanie promieniami UV, rentgenowskimi i  lub działanie ultradźwiękami.
Denaturacja chemiczna zachodzi pod wpływem takich związków jak:

Roztwór mocznika (6-8 mol/dm³) lub guanidyny (4 mol/dm³), na skutek działania kwasów lub zasad (pH poniżej 3 lub powyżej 9), na skutek działania detergentów, roztworów soli ciężkich lub niektórych substancji organicznych takich jak: aceton, benzen, formaldehyd, benzyna. Poszczególne białka różnią się zdolnością do denaturacji.

Reakcje charakterystyczne

Białka ulegają różnym reakcjom charakterystycznym determinowanym przez właściwości chemiczne reszt aminokwasowych. Reakcja biuretowa wykrywa obecność wiązania peptydowego w białku. Reakcja ksantoproteinowa służy wykryciu obecności związków aromatycznych w podstawniku tyrozyny i fenyloalaniny. Reakcja Millona też służy wykryciu związków aromatycznych w podstawniku tyrozyny, a reakcja Pauly`ego ma takie samo zadanie tylko w tyrozynie i tryptofanie. Wszystkie te reakcje są reakcjami barwnymi.

Reakcja biuretowa

Reakcja ta polega na tworzeniu się związku kompleksowego pomiędzy jonem miedzi z rozcieńczonego roztworu siarczanu VI miedzi, a wiązaniem peptydowym w białku w środowisku zasadowym. Powstały kompleks przybiera barwę fioletową.

Reakcja biuretowa

Reakcja ksantoproteinowa

Jest to reakcja stężonego kwasu azotowego V na białko. W wyniku tej reakcji związki aromatyczne będące podstawnikami aminokwasów ulegają reakcji nitrowania. Białko przyjmuje żółty kolor związków nitrowych. Produkt reakcji przeprowadzanej w środowisku alkalicznym ma kolor pomarańczowy.

Reakcja ksantoproteinowa

Struktury przestrzenne białek

Struktura pierwszorzędowa

Aby podać strukturę pierwszorzędową białek, należy określić skład i sekwencję aminokwasową. Wynik takiej analizy jest wiarygodny tylko w przypadku białka lub polipeptydu jednorodnego. Białka składające się z więcej niż jednego łańcucha polipeptydowego najpierw podaje się działaniu stężonego roztworu mocznika w celu zniszczenia struktury trzeciorzędowej. Pierwszym naukowcem, który badał pierwszorzędowa strukturę białek był Sanger.

Struktura pierwszorzędowa

Struktura drugorzędowa

Struktura drugorzędowa białek może być regularna lub nieregularna. Struktura jest regularna, jeśli kolejne reszty aminokwasowe są w stosunku do siebie ułożone w ten sam sposób. Występują dwie formy regularne białek drugorzędowych: -heliks i -harmonijka.
Najczęściej występującą strukturą  jest heliksa. Teoretycznie heliks może występować w odmianie prawo- i lewo-skrętnej, jednak z uwagi na większą wytrzymałość formy prawoskrętnej tylko taka występuje w białkach. Możliwe jest innych odmian strukturalnych heliksu, ale w białkach obejmują tylko one krótkie odcinki na końcach -heliksu.

Struktura drugorzędowa heliks

Drugim typem struktury drugorzędowej występującej w białkach jest struktura . W tym ułożeniu łańcuch jest bardziej rozciągnięty, odległość pomiędzy kolejnymi wiązaniami peptydowymi wynosi 0,35 nm. W wyniku ułożenia się na siebie polipeptydów dostajemy w miarę płaską strukturę oporną na rozciąganie zwaną strukturą  lub harmonijką. W rzeczywistości struktura ta nie jest płaska, gdyż sąsiednie atomy  leżą na przemian pod kątem przypominając harmonijkę zrobioną z papieru. W strukturze tej grupami bocznymi aminokwasów są po jednej stronie są atomy wodoru, a po drugiej stronie grupy reszt aminokwasowych.

Struktura drugorzędowa harmonijka

Struktura trzeciorzędowa

Struktura trzeciorzędowa określa ogólne rozmieszczenie przestrzenne i wzajemne powiązania skręconych łańcuchów, oraz poszczególnych reszt aminokwasowych w pojedynczych łańcuchach polipeptydowych, bez uwzględnienia zależności z poszczególnymi podjednostkami. Struktura trzeciorzędowa opisuje organizację przestrzenną białka na poziomie wyższym niż struktura drugorzędowa. Strukturę trzeciorzędową stabilizują mostki disiarczkowe, różne typy wiązań wodorowych, wiązania jonowe, wiązania estrowe, oddziaływania elektrostatyczne, hydrofobowe i oddziaływania Van der Walsa. Struktura trzeciorzędowa charakteryzuje się dużą zwartością, jest pozbawiona pustych przestrzeni w środku cząsteczki. Wszystkie boczne grupy obdarzone ładunkiem występują na powierzchni cząsteczki, aby mogły oddziaływać z wodą. Duże hydrofobowe grupy są przeważnie schowane do środka cząsteczki. W białkach fibrylarnych tworzą one rodzaj pofałdowanych "rusztów", a w białkach globularnych powyginane przestrzenne struktury. Struktura ta jest dobrze poznana dla takich białek jak hemoglobina, mioglobina, lizozyna, rybonukleazy, karboksypeptydazy. Niekiedy trudno jest zauważyć granicę pomiędzy strukturą drugorzędowa, a już trzeciorzędową. Strukturę trzeciorzędową można badać za pomocą dyfrakcji promieni rentgenowskich na kryształkach białka, ostatnio jednak stosuje się do tego celu analizę białek za pomocą jądrowego rezonansu magnetycznego.

Struktura trzeciorzędowa

Struktura czwartorzędowa

Określenie struktury czwartorzędowej polega na opisaniu organizacji elementów składowych białka, które składa się z kilku podjednostek białkowych. Asocjacja i agregacja dwóch lub więcej podjednostek zachodzi w wyniku oddziaływań polarnych, zjonizowanych i niepolarnych pomiędzy łańcuchami bocznymi aminokwasów. Są to oddziaływania dyspersyjne, hydrofobowe, wiązania jonowe, wiązania wodorowe pomiędzy łańcuchami bocznymi lub pomiędzy peptydami. W wyjątkowych przypadkach w stabilizacji struktury udział bierze wiązania disiarczkowe. Struktura czwartorzędowa wykazuje wyjątkową geometrię i stechiometrię. Czwartorzędowa struktura białek odgrywa ważną rolę przy regulacji działań enzymów przez ujemne sprzężenie zwrotne. Strukturę czwartorzędową białka można badać bezpośrednio w mikroskopie elektronowym lub stosując dyfrakcyjną analizę rentgenowską. Strukturę ta można wyznaczyć też na podstawie dysocjacji białek oligomerycznych i następnie charakteryzowaniu poszczególnych podjednostek. Największe jednak znaczenie ma metoda rentgenowska.

---