Białka

Cechy kodu genetycznego:

• trójkowy – trzy nukleotydy kodują jeden aminokwas,

• ciągły (bezprzecinkowy) – brak wolnych nukleotydów pomiędzy kodonami,

• niezachodzący (nienakładający się) – kodony występują kolejno po sobie (nie zachodzą jeden na drugi),

• zdegenerowany – większość aminokwasów kodowana jest przez więcej niż jeden kodon (wyjątek: metionina i tryptofan kodowane są przez pojedyncze kodony); kodony, które określają ten sam aminokwas nazywają się synonimami – większość synonimów różni się tylko ostatnią zasadą trypletu,

• prawie uniwersalny – prawie jednakowy we wszystkich organizmach (zmiany u orzęsek oraz w mitochondriach ludzkich i drożdżowych).

Potranslacyjna obróbka białek:

• fałdowanie się białka. Polipeptyd jest nieaktywny, dopóki nie zostanie sfałdowany w prawidłową strukturę trzeciorzędową,

• proteolityczne rozszczepienie białka – cięcie przez enzymy zwane proteazami,

• modyfikacje chemiczne – przyłączanie nowych grup chemicznych,

• wycinanie intein i połączenie ekstein.

Białka (polipeptydy) – długie łańcuchowe polimery aminokwasów połączone wiązaniami peptydowymi (struktura pierwszorzędowa) i pofałdowane w trzecio- lub czwartorzędową strukturę, unikatową dla każdego z typów białek. Polipeptyd ma na jednym końcu grupę aminową –NH₂ (koniec aminowy lub N), a na drugim grupę karboksylową –COOH (koniec karboksylowy lub C). Nadaje to polipeptydom polarność strukturalną.

W typowym aminokwasie centralnie położony atom węgla α (Cα) jest połączony z:

• pierwszorzędową grupą aminową (wyjątek – prolina, zawiera drugorzędową grupę aminową),

• grupą karboksylową,

• atomem wodoru,

• łańcuchem bocznym (R).

Aminokwasy są związkami optycznie czynnymi, skręcającymi płaszczyznę światła spolaryzowanego. Białka są zbudowane wyłącznie z
L-aminokwasów.

W białkach występuje 20 różnych aminokwasów, z których każdy zawiera odmienny łańcuch boczny (R) związany z węglem α.

Według charakteru łańcuchów bocznych aminokwasy dzielimy na:

• kwaśne (z ładunkiem ujemnym),

• zasadowe (z ładunkiem dodatnim),

• polarne bez łańcucha (obojętne),

• niepolarne (hydrofobowe).

Wiązania kowalencyjne w łańcuchu polipeptydowym umożliwiają swobodną rotację atomów połączonych tymi wiązaniami, dzięki czemu łańcuch może zwijać się na różne sposoby. Każdy zwinięty łańcuch jest skrępowany wieloma różnymi słabymi wiązaniami niekowalencyjnymi, które powstają z udziałem atomów ze szkieletu polipeptydowego i bocznych łańcuchów aminokwasów.

Ważnym czynnikiem serującym procesem fałdowania się białka jest rozmieszczenie jego polarnych i niepolarnych aminokwasów. Niepolarne (hydrofobowe) łańcuchy boczne skupiają się we wnętrzu cząsteczki, natomiast polarne łańcuchy boczne ustawiają się w pobliżu powierzchni cząsteczki, gdzie mogą tworzyć wiązania wodorowe z wodą i innymi cząsteczkami polarnymi.

Każde białko fałduje się do określonej stabilnej konformacji (struktura drugorzędowa). Sposoby fałdowania się białek:

• helisa α,

• harmonijka β.

Helisa α:

• pojedynczy łańcuch polipeptydowy skręca się tworząc sztywny cylinder (wewnętrzna część – łańcuch główny, na zewnątrz wystają łańcuchy boczne aminokwasów),

• ugrupowanie NH każdego wiązania peptydowego jest połączone wiązaniem wodorowym z grupą C=O czwartego z kolei wiązania peptydowego w tym samym łańcuchu → powstaje regularna prawoskrętna helisa, na której pełen obrót przypada na 3,6 aminokwasów,

• odległość między sąsiednimi aminokwasami wynosi 0,15nm.

Harmonijka β:

• sąsiednie łańcuchy peptydowe przebiegają w przeciwnych (antyrównoległych) lub równoległych kierunkach; nici są prawie całkowicie rozciągnięte,

• poszczególne nici są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe między wiązaniami peptydowymi (N-H i C=O) w różnych niciach,

• odległość między sąsiednimi aminokwasami wzdłuż osi długiej cząsteczki wynosi 0,35nm.

Struktura trzeciorzędowa białka jest wynikiem fałdowania poszczególnych struktur drugorzędowych polipeptydu, prowadzącym do powstania trójwymiarowej konfiguracji.

Większość białek przybiera strukturę globularną, powstającą wskutek zmian kierunku łańcucha polipeptydowego. Udział w tym bierze struktura zwana zwrotem β. Tworzona jest struktura spinki do włosów. Powstają wiązania wodorowe pomiędzy grupą –CO- reszty n a grupą –NH- reszty n+3. Zwroty β często łączą antyrównoległe nici β.

Mioglobina – białko przenośnik tlenu w mięśniach. Składa się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego o masie 18kDa (153 aminokwasy) i hemu – grupy prostetyczne (protoporfiryna i Fe). Mioglobinę tworzą głównie helisy α (70% łańcucha głównego). Nie występują nici β.

Rybonukleaza A – tworzy ją pojedynczy łańcuch polipeptydowy złożony ze 124 aminokwasów. Składa się głównie z nici β. Struktura jest stabilizowana mostkami dwusiarczkowymi.

Kinezyna – transportuje pęcherzyki i organelle wzdłuż mikrotubuli.

Chociaż łańcuch białkowy może zwinąć się w prawidłową konformację bez pomocy z zewnątrz, w komórce występują zazwyczaj białka pomocnicze, wspomagające prawidłowe fałdowanie się innych białek:

• izomerazy dwusiarczkowe ułatwiają tasowanie mostków dwusiarczkowych w białku, umożliwiając odnalezienie prawidłowych połączeń,

• izomerazy peptydyloprolilowe cis-trans – przyspieszają proces przekształcania wiązania peptydowego aminokwas-prolina z konfiguracji cis do trans,

• molekularne chaperony – wiążą się z częściowo zwiniętymi łańcuchami (z N-końcem), zapobiegają nieprawidłowemu fałdowaniu się białek i agregacji, umożliwiają białkom kontynuację zwijania się w sposób najbardziej korzystny energetycznie (np. białka szoku temicznego, chaperoniny, nukleoplazminy).

Struktura czwartorzędowa powstaje poprzez połączenie dwóch lub więcej polipeptydów w białko składające się z kilku podjednostek, z których każda sfałdowana jest w strukturę trzeciorzędową. Podjednostki mogą być identyczne lub różne. Nie występuje u wszystkich białek.

Klasy białek:

• białka globularne – upakowane w sposób zwarty, zachowują się w roztworze podobnie jak cząstki sferyczne (większość naturalnych enzymów),

• białka fibrylarne – wydłużony kształt; często pełnią ważne funkcje strukturalne (np. fibroina w jedwabiu, keratyna we włosach).

Hemoglobina – cząsteczki hemu – niebiałkowe grupy prostetyczne, miejsca wiązania O₂; dwie kopie globiny α + dwie kopie globiny β.

Aktyna – białko tworzące jeden z podstawowych systemów filamentowych cytoszkieletu (tysiące cząsteczek połączonych w strukturę helisy), tworząc filament aktynowy.

Wiele białek jest zbudowanych ze strukturalnie niezależnych jednostek – domen. Domeny wchodzą w skład jednego polipeptydu i są ze sobą połączone krótkimi odcinkami aminokwasowymi, tworząc razem strukturę wyższego rzędu. Krótkie odcinki łącznikowe mogą działać jak zawiasy, pozwalając indywidualnym domenom przemieszczać się względem innych domen.

Wielkość białek waha się od kilku tysięcy do kilku milionów daltonów (Da). Niektóre białka mają część niebiałkową, np. lipidy (lipoproteiny), węglowodany (glikoproteiny) lub małe ko faktory reakcji enzymatycznych (grupy prostetyczne, np. hem w hemoglobinie). W wyniku asocjacji kwasów nukleinowych z białkami powstają nukleoproteiny.

Proteolityczne rozszczepienie białka (częste u eukariotów, rzadkie u bakterii):

• wykorzystywane jest do usuwania krótkich fragmentów z końca N lub C polipeptydu. Powstaje jedna skrócona cząsteczka, która po sfałdowaniu staje się aktywnym białkiem,

• wykorzystywane jest do cięcia poliproteiny na fragmenty. Każdy z fragmentów staje się aktywnym białkiem.

Chemiczna modyfikacja białka – zwiększa liczbę różnych rodzajów aminokwasów; dołączenie małej grupy chemicznej, np. acetylowej, metylowej lub fosforanowej.

Glikozylacja – przyłączenie do polipeptydu dużego węglowodanowego łańcucha bocznego. Łańcuchy boczne kierują białko do odpowiedniego miejsca w komórce i decydują o stabilności białek krążących w krwiobiegu

• glikozylacja typu O – przyłączenie bocznego łańcucha cukrowego poprzez grupę hydroksylową seryny lub treoniny,

• glikozylacja typu N – przyłączenie przez grupę aminową grupy R asparaginy.

Acylacja – przyłączanie długich łańcuchów lipidowych, często przez serynę lub cysteinę.

Wycinanie intein – inteiny są wewnętrznymi segmentami białek. Zaraz po zakończeniu translacji są one usuwane i jednocześnie następuje połączenie dwóch zewnętrznych segmentów – ekstein.

Funkcje białek:

• enzymy – kataliza tworzenia lub rozpadu wiązań kowalencyjnych,

• białka strukturalne – stanowią mechaniczną podporę komórek i tkanek (kolagen, tubulina),

• białka transportujące – przenoszą małe cząsteczki lub jony (hemoglobina, transferryna),

• białka motoryczne – generują ruch w komórkach i tkankach (kinezyna, miozyna),

• białka zapasowe – magazynują małe cząsteczki lub jony (kazeina, ferrytyna),

• białka sygnałowe – przenoszą sygnały z komórki do komórki (insulina, czynnik wzrostu naskórka),

• białka receptorowe – używane przez komórki do odbioru sygnałów i przekazywania ich do komórkowego aparatu generującego odpowiedź (rodopsyna, receptor insuliny),

• białka regulujące geny – wiążą się z DNA, co prowadzi do włączenia lub wyłączenia genów (represor operonu laktozowego, białka homeodomenowe),

• białka odpornościowe (przeciwciała) – rozpoznają i wiążą bakterie, wirusy i inne obce substancje (antygeny),

• białka specjalnego przeznaczenia (białka zapobiegające zamarzaniu, białka zielonej fluorescencji).

Rozkład białek

Rozkład białek (proteoliza) na składowe aminokwasy jest sposobem regulacji ilości konkretnego białka, które powinno znajdować się w komórce w określonym czasie oraz degradacji białek źle sfałdowanych lub uszkodzonych. Białka są degradowane najpierw do krótkich peptydów, a w końcu do aminokwasów przez proteazy, które rozcinają wiązania peptydowe między aminokwasami. Rozkład białek zachodzi w cytozolu przez kompleksy enzymów proteolitycznych, zwane proteosomami. W centralnej części proteosomu znajduje się cylinder złożony z proteaz, każdy z końców cylindra jest zamykany dużym kompleksem białkowym. Działaniu proteosomów ulegają przede wszystkim te białka, które zostały naznaczone do degradacji poprzez kowalencyjne przyłączenie małego białka zwanego ubikwityną.