Białka

Są to polimery aminokwasów białkowych połączony ze soba wiazaniami peptydowymi, w ktorych liczba reszt aminokwasowych przekracza 100. Głównymi pierwiastkami wchodzącymi w skład białek są C,O,H,N,S, także P, oraz niekiedy jony Mn, Zn, Mg, Fe, Cu, Co i inne.

• Budowa białek
  Są to związki wielocząsteczkowe zbudowane z (od kilkuset do kilkadziesięciu tysięcy) reszt aminokwasowych.
  W celu określenia budowy białek podaje się tzw. struktury:

1. Struktura pierwszorzędowa, zwana również struktura pierwotną- określa sekwencię (kolejność) aminokwasów wchodzacych w skład liniowego łańcucha polipeptydowego uwarunkowanego genetycznie.

2. Struktura drugorzędowa- jest to układ przestrzenny wynikajacy z istnienia wiązań wodorowych po między tlenem grupy -C=O, a wodorem grupy -NH dwóch różnych wiazań peptydowych. tej strukturze odpowiada budowa zwinięcia łańcuch polipepydowego w prawoskrętną heliksę lub tzw. "pofałdowana kartka"- gdy łańcuchy peptydowe są ułozone równolegle do siebie i łączą się wiązaniami wodorowymi.

3. Struktura trzeciorzędowa- charakterystyczne dla tego układu jest pofałdowanie łańcuchów polipeptydowych w przestrzeni (skrecanie łańcucha polipeptydowego) . Ogromna rolę w powstawaniu tej struktury odgrywa wiązanie disiarczkowe -S-S- , które powstaje pomiędzy dwoma resztami cysteiny w tym samym łańcuch lub łączące dwa różne łańcuch.

4. Struktura czwartorzędowa- opisuje ilość i wzajemne ułozenie podjednostek cząsteczkowych (pojedyńczych łańcuchów) białek.

• Właściwości fizykochemiczne białek
  Białka nie posiadają charakterystycznej dla siebie temperatury topnienia. Na ogół rozpuszczalne w wodzie. Niektóre z nich mogą rozpuszczać się w rozcięczonych kwasach lub zasadach, jeszcze inne w rozpuszczalnikach organicznych. Posiadają zdolność wiązania cząsteczek wody. Efekt ten nazywamy hydratacją.
  Na rozpuszczalność polipeptydów ma wpływ stężenie soli nieorganicznych. Ich małe stężenie wpływa dodatnio na rozpuszczalność . Jednak przy pewnym stężeniu następuje uszkodzenie otoczki solwatacyjnej, co powoduje wypadanie białek. Proces ten nie narusza strukturę białka, jest on odwracalny. Nosi on nazwę wysalanie białek.
  Innym procesem jest wypadanie białek z roztworów pod wpływem soli metali ciężkich, mocnych kwasów i zasad, wysokiej temperatury, niskocząsteczkowych alkoholi i aldehydów- jest to wytrącanie w sposób nieodwracalny. Zjawisko to nosi nazwę denaturacji białek. Wywołuje ono zmiany w strukturze drugo- i trzeciorzedowej. Następuje rozerwanie wiązań wodorowych i rozerwanie mostków disiarczkowych.
  
  Ze względu na budowe i skład dzielimy białka na proste i złożone.

• Białka proste zbudowane sa wyłącznie z aminokwasów. Dzielimy je na nastepujące grupy:

1. protaminy- posiadają charakter silnie zasadowy, charakteryzują sie dużą zawartością argininy oraz brak aminokwasów zawierających siarkę, są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Najbardziej znanymi protaminami są: klupeina, salmina, cyprynina,ezocyna, gallina.

2. histony- podobnie jak protaminy posiadają silny chrakter zasadowy; są dobrze rozpuszczalne w wodzie, a także w środowisku słabo kwaśnym. Są one składnikami jader komórkowych (w połaczeniu z kwasem dezoksyrybonukleinowym), a także występują w czerwonych ciałkach krwi. W ich skład wchodzi duża ilość takich aminokwasów jak lizyna i argenina.

3. albuminy- są to białka obojetne, spełniają szereg ważnych funkcji biologicznych : są one enzymami, hormonami i innymi biologicznie czynymi zwiazkami. Są dobrze rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli. Łatwo ulegają koagulacji. Znajdują się w tkance mięśniowej, osoczu krwi i mleku.

4. glubuliny- w odrużnieniu od albuminy są źle rozpuszczalne w wodzie, dobrze w rozcieńczonych roztworach soli; posiadają podobne właściwości do nich. Występują w dużych ilościach w płynach ustrojowych i tkance mięśniowej.

5. prolaminy- są to typowe białka rośline, wystepują w nasionach. Charekterystyczną właściwością jest zdolność rozpuszczania się w 70% etanolu.

6. gluteliny- podobnie jak prolaminy- są to typowe białka rośline; posiadają zdolność rozpuszczania się w rozcięczonych kwasach i zasadach.

7. skleroliny- nie rozpuszczalne wodzie i rozcięńczonych roztworach soli; są to typowe białka o budowie włóknistej, dzięki tepu pełnią funkcję podporowe; do tej grupy białek nalerzy kreatyna;

• Białka złożone posiadaja obok aminokwasów, także części niebiałkowe. Ze wzgledu na charakter grupy prostetycznej dzielimy je na:

1. nukleoproteidy- są to białka połączone z kwasami nukleinowymi; występują w wirusach;

2. fosfoproteidy- są to białka połączone z resztami kwasu fosforowego; posiadają charakter kwaśny, oraz zazwyczaj są połczone z jakimiś katinami. Należy do tej grupy kozeina.

3. chromoproteidy- są to białka połączone z barwnikami. Są to nastepujące barwniki: hemowy, flawanowy, melaminowy;

4. metaloproteidy- są to białka połączone z jednym lub kilkoma kationami metali. Moga tu być nastepujące metale: Fe, Cu, Co, Mo oraz Zn.

5. glikoproteidy- są to białka połączone z cukrami. Stanowia składnik płynów ustrojowych oraz tkanek i komórek.

6. lipoproteidy-są to białka połączone z tłuszczami obojętnymi lub fosfolipidami i cholesterolem.

 

AMINOKWASY

Wyodrębniając grupę związków zwanych aminokwasami mamy na myśli przede wszystkim aminokwasy tworzące białka - a więc -aminokwasy. Biorąc pod uwagę kryteria czysto chemiczne, do aminokwasów zaliczamy wszystkie związki posiadające w swojej strukturze zarówno grupę aminową jak i karboksylową. Konsekwencją tego faktu jest możliwość oddziaływań, czy wręcz reakcji zachodzących w obrębie jednej cząsteczki, posiadającej kwasowa grupę karboksylową i zasadową grupę aminową. Możliwe są oczywiście także oddziaływania międzycząsteczkowe tych grup, pochodzących z różnych cząsteczek.

Reakcje chemiczne, jakim ulegają aminokwasy są zgodne z oczekiwaniami dla związku zawierającego karboksyl, jak również dla aminy. Właściwości fizyczne i fizykochemiczne już jednak zaskakują. Aminokwasy są krystalicznymi ciałami stałymi, choć oczekiwalibyśmy raczej cieczy. Dość dobrze rozpuszczają się w wodzie, nie rozpuszczając się prawie w rozpuszczalnikach niepolarnych. Wyznaczona kwasowość jest wielokrotnie słabsza od mocy innych kwasów karboksylowych choć ze względu na obecność grupy aminowej w pozycji  do karboksylu oczekiwać raczej należało zwiększenia kwasowości. Wszystkie te i inne właściwości są wynikiem oddziaływania chemicznego między zasadową grupą aminową i kwasową grupą karboksylową.

Najbardziej spektakularnym objawem posiadania przez cząsteczkę aminokwasu dwóch grup o przeciwstawnym działaniu jest występowanie tzw. punktu izoelektrycznego. Cząsteczka aminokwasu w środowisku silnie kwaśnym (niskie pH) będzie występować jako sól amonowa (NH₃⁺), zaś dysocjacja grupy karboksylowej w tych warunkach będzie całkowicie cofnięta. Na przykład kwas o stałej dysocjacji 10^-7 w środowisku o pH=2 będzie zdysocjowany zaledwie w 0,00001%. W tych warunkach natomiast nastąpi silne protonowanie grupy aminowej do NH₃⁺, co pozwala uznać, że w środowisku silnie kwaśnym cząsteczki aminokwasu występują w postaci dodatniego jonu. 

W przypadku, gdy aminokwas znajdzie się w roztworze o charakterze silnie zasadowym (wysoka wartość pH, np. pH=12), dysocjacja kwasowa dla tego samego kwasu będzie niemal całkowita. Zatem w tych warunkach aminokwas będzie występował w postaci anionu reszty kwasowej.

Jest rzeczą oczywistą, że istnieje między tymi skrajnymi wartościami pH taka wartość, przy której dysocjacja grupy karboksylowej i protonowanie grupy aminowej będzie identyczne. W roztworze o takim pH aminokwas będzie występował głównie w postaci jonu obojnaczego - cząsteczka będzie miała ładunek ujemny na tlenie zdysocjowanego karboksylu (-COO^-) i dodatni na protonowanej grupie aminowej (NH₃⁺). W konkretnym momencie w takim roztworze będą istniały  głównie jony obojnacze i pewna ilość cząsteczki obojętnych, niezdysocjowanych i roztwór będzie zachowywał się tak, jakby wszystkie cząsteczki były elektrycznie obojętne. Takie pH roztworu nazywamy punktem izoelektrycznym danego aminokwasu (ogólnie cząsteczki o charakterze kwasowo-zasadowym) a wartość tego pH wyznacza stosunek wartości stałej dysocjacji karboksylu i stałej dysocjacji grupy aminowej danego związku.

W roztworach o pH niższym (bardziej kwaśnych) zaczyna przeważać protonowanie aminy, przewagę zyskują jony dodatnie (amoniowe), zaś w roztworach o pH wyższym niż punkt izoelektryczny (roztwory bardziej zasadowe) przewagę zyskuje dysocjacja grupy karboksylowej i jony ujemne.

Ta właściwość uzyskiwania w zależności od pH środowiska ładunku dodatniego lub ujemnego przez cząsteczki aminokwasu (a także białek z aminokwasów zbudowanych)  legła u podstaw metody rozdzielania i identyfikacji polegającej na wywołaniu migracji cząsteczek w polu elektrycznym. Masa cząsteczki (lub cząstki), jej ładunek i struktura powodują w polu elektrycznym ruch w różnych kierunkach i z różną prędkością. Metoda taka nosi nazwę elektroforezy.

Aminokwasy syntetyczne otrzymywać można każdą skuteczna metodą, najczęstszym sposobem jest amonoliza -chlorowcopodstawionych kwasów lub ich estrów.

Aminokwasy otrzymane syntetycznie są oczywiście racematami i dla uzyskania wzorców aminokwasów naturalnych lub substratów do syntezy peptydów należy rozdzielić je na  enancjomery- co nie jest sprawą łatwa ani tanią. 

  Naturalne aminokwasy to -aminokwasy, a więc wszystkie - z wyjątkiem glicyny - posiadają centrum asymetrii przy węglu  i wszystkie charakteryzują się konfiguracją L. Organizm ludzki nie potrafi syntezować niektórych aminokwasów i muszą być one dostarczane do organizmu w pożywieniu, aby organizm mógł wytworzyć potrzebne białko. Są to tzw. aminokwasy egzogenne, w poniższym zestawieniu zaznaczone kolorem czerwonym.

 Dwie cząsteczki aminokwasu mogą w reakcji kondensacji wytworzyć dipeptyd, łącząc się wiązaniem peptydowym i wydzielając cząsteczkę wody. 

Jeżeli do reakcji weźmiemy dwa różne aminokwasy, otrzymamy mieszaninę peptydów. Powstaną dipeptydy R'R', R"R", R'R" i R"R', a ponadto reakcja nie zatrzyma się na dipeptydach i powstaną dłuższe łańcuchy peptydowe. 

W celu prowadzenia syntezy peptydów w pożądanym kierunku, wydłużanie łańcucha peptydowego prowadzi się etapami, blokując grupę aminową, która nie ma brać udziału w danym etapie syntezy. Najczęściej przeprowadza się ją w ugrupowanie amidowe stosując taki kwas blokujący, który później można odłączyć od aminy bez zniszczenia nowopowstałego wiązania peptydowego. Acylowanie grupy aminowej najczęściej prowadzi się odpowiednim chlorkiem kwasowym.

Otrzymana pochodna zostaje poddana reakcji kondensacji z następnym aminokwasem

dając pochodną, która po hydrolizie przechodzi w pożądany peptyd

Postępując analogicznie możemy do powstałego peptydu dołączać następne aminokwasy, tworząc polipeptyd o założonej z góry sekwencji aminokwasów.

Peptydy, białka, a ogólniej wiązanie peptydowe HOOC-C-NH-(C=O)-C-NH ulegają barwnej reakcji biuretowej..

 Białka są naturalnymi produktami zbudowanymi z reszt aminokwasowych, połączonych w łańcuchy polipeptydowe o masie (umownie) powyżej 10 000. Podstawowa struktura cząsteczki białka, nazywana strukturą pierwszorzędową określona jest sekwencją aminokwasów tworzących łańcuch polipeptydowy o podstawowym schemacie:

Jest rzeczą oczywistą, że podany powyżej schemat nie odzwierciedla rzeczywistej struktury łańcucha polipeptydowego. Po pierwsze nie uwzględnia naturalnych kątów między wiązaniami w cząsteczce, a po drugie nie bierze pod uwagę wielkości i charakteru chemicznego podstawników R - podstawowej struktury aminokwasów składających się na polipeptyd, a dalej cząsteczkę białka. Ponieważ struktura pierwszorzędowa białek wyznacza sekwencję aminokwasów, a więc również sąsiedztwo podstawników R i możliwości ich oddziaływań (wiązania wodorowe) czy wręcz reakcji między nimi (np. kwas asparginowy i seryna, która jest alkoholem morgą teoretycznie wytworzyć ester), pośrednio wyznacza także strukturę drugorzędową. Struktura drugorzędowa opisuje ułożenie łańcucha polipeptydowego w przestrzeni oraz łańcuchów względem siebie. Stopień skomplikowania i wręcz nieskończona (w praktycznym rozumieniu tego słowa) ilość możliwych kombinacji w pierwszo- i drugorzędowej strukturze białka powoduje, że precyzyjne opisanie cząsteczki białka wymagać będzie tworzenia pojęć rzędowości wyższych stopni. 

Struktura białek warunkuje ich fizyczne, chemiczne, a co z tym ściśle związane, biologiczne właściwości poszczególnych białek. Generalnie można białka podzielić na dwie duże grupy - białka fibrylarne ("włókniste", nie rozpuszczalne w wodzie) i białka globularne ("kłębuszkowate", rozpuszczalne w wodzie). Ze względu na wielkość molekuły białka, roztwory wodne białek sąroztworami koloidalnymi. Pod wpływem temperatury, silnych elektrolitów, stężonych alkoholi itp. następuje nieodwracalne zniszczenie struktury białka czyli denaturacja.  Ogólnie można przyjąć, że właściwości - szczególnie biologiczne - białek są bardzo wrażliwe na stosunkowo nawet niewielkie zmiany w środowisku w którym występują.

Podstawowe struktury aminokwasów tworzących białko zawierają różne grupy funkcyjne - kwasowe, zasadowe, pierścienie aromatyczne, grupy alkoholowe, atomy siarki itp., stąd w zależności od pH roztworu w jakim się znajdą przybierają, jako całość, ładunek ujemny lub dodatni. Jedynie przy pewnym, charakterystycznym dla danego białka, pH ich cząsteczki są obojętne i nie ulegają migracji w polu elektrycznym. Punkt ten, podobnie jak w przypadku aminokwasów, to punkt izoelektryczny. Związana z tym zjawiskiemelektroforeza należy do jednej z głównych metod rozdzielania i identyfikacji białek.

---