AMINOKWASY I BIAŁKA

Białka stanowią najważniejszą grupę związków biologicznie czynnych. Są głównym składnikiem skóry, mięśni, ścięgien, nerwów, tkanki łącznej ponadto do tej grupy związków zalicza się do tej grupy związków zalicza się takie substancje jak enzymy, hormony, przeciwciała. Białka mogą być magazynowane w komórkach roślin, spełniając funkcje zapasowe ( gluten ). Białka są zbudowane z cząsteczek ℓ - aminokwasów o wzorze ogólnym R – CH – COOH

I

NH₂

AMINOKWASY

W białkach roślinnych i zwierzęcych występuje 20 ℓ - aminokwasów. Właściwości białe zależą od aminokwasów.

Alanina Ala CH₃ – CH – COOH

I

NH₂ NH₂

\

Arginina Arg C – NH – CH₂ - CH₂ - CH₂ – CH – COOH

/ / I

NH NH₂

_____

Feryloalanina Ple // \\ - CH₂ - CH – COOH

\_____/ I

NH₂

Glicyna Gly H – CH – COOH

I

NH₂

_____

Tyroksyna Tyr Ple HO - // \\ - CH₂ - CH – COOH

I inne \_____/ I

NH₂

Organizm człowieka nie jest w stanie syntetyzować 8 aminokwasów – noszą one nazwę egzogennych i muszą być dostarczone z pożywieniem. W cząsteczkach białek występują też aminokwasy jak hydroksyprolina, hydroksylizyna i cysteina które nie występują w białkach, ale spełniają istotną funkcję w metaboliźmie np. :

Tyroksyna – prekursor Hormonów tarczycy

Beta albumina – jest składnikiem Koenzymu A. W środowisku organizmów żywych ( pH około 7,4 – 7,1 ) aminokwasy występują w postaci jonu obojnaczego

R – CH – COO ^–

I

NH₃

Z tego faktu wynika istnienie pewnej wartości pH przy której cząsteczki aminokwasu, występują w postaci jonu obojnaczego, nie będą ulegały wędrówce pod wpływem pola elektrycznego. Wartość tą nazywa się pH punktu izoelektrycznego, jest ona charakterystyczna dla każdego aminokwasu ponieważ również zależy od grup funkcyjnych obecnych w cząsteczce. Przy pH punktu Izoelektrycznego aminokwasy wykazują za zwyczaj najmniejszą rozpuszczalność w wodzie.

Najistotniejszą reakcją chemiczną jest ich zdolność do łączenia się w związki o nazwie peptydy za pomocą wiązania amidowego

- CO – NH –

które nazywa się wiązaniem peptydowym. W rezultacie połączenia w ten sposób dwóch cząsteczek, na przykład alaniny i glicyny może się utworzyć dipeptyd ( Ala – Gly ).

O O O O

// // II //

CH₃ – CH – C + NH₂ – CH₂ - C → CH₃ – CH – C NH – CH₂ – C

I \ \ \

NH₂ OH OH OH

Ala Gly

Przy 3 cząsteczkach np. alaniny, glicyny i seryny powstanie trójpeptyd itd. Ogólnie peptydy dzielą się na oligopeptydy ( do 10 aminokwasów ) i polipeptydy ( od 11 do 100 rent aminokwasowych w cząsteczce ). Przyjmuje się, że cząsteczki o masie molowej ponad 10 000 zalicza się do białek. W łańcuchu polipeptydowym jeden z elementów składowych ma wolną ma wolną grupę aminową, a inny karboksylową.

Jako początek łańcucha umownie przyjmuje się jego koniec aminowy, dlatego sekwencja ( kolejność ) aminokwasów w peptydach jest zapisywana, poczynając od aminokwasu z wolną grupą alfa aminową

( grupa N – Końcowa, N – Terminalna ).

Polipeptydy i białka syntetyzowane przez poszczególne organizmy mają zdeterminowaną genetycznie i charakterystyczną dla siebie sekwencję aminokwasów. Nawet niewielka zmiana w sekwencji białka może prowadzić do zaburzeń w funkcjonowaniu organizmu, np. anemia sierpowata jest spowodowana zamianą tylko jednego aminokwasu ( walina zamiast kwasu glutaminowego ) w cząsteczkach hemoglobiny liczącej 146 jednostek aminokwasowych.

Jednym z pierwszych hormonów białkowych, dla którego ustalono sekwencję aminokwasów była insulina ( Sanger 1951 ). Cząsteczka insuliny składa się z dwóch łańcuchów polipeptydowych połączonych ze sobą mostkami disiarczkowymi, które mogą powstać w wyniku utleniania grup - SH cząsteczkowych cysteiny.

- 2 H

2 HS-CH₂-CH – COOH → HOOC – CH - CH₂ - S-S - CH₂-CH – COOH

I I I

NH₂ NH₂ NH₂

Ogólnie podsumowując rozróżniamy struktury pierwszorzędowe oraz STRUKTÓRY WTÓRNE.

Struktury wtórne to struktury drugo - , trzecio - i czwarto – rzędowe. Umożliwiają one jak najbardziej ekonomiczne upakowanie łańcuchów polipeptydowych, składającego się w przypadku niektórych białek z wielu tysięcy aminokwasów.

Większość białek ma trzy struktury, natomiast tylko nieliczne posiadają strukturę czwartorzędową. Polega ona na ułożeniu podjednostek białkowych względem siebie.

Strukturę stabilizują słabe wiązania jonowe, hydrofobowe, a niekiedy dwusiarczkowe. Przykładem białka posiadającego cztery struktury jest hemoglobina, będąca tetramerem 2 podjednostki alfa i 2 podjednostki beta.

WŁAŚCIWOŚCI BIAŁEK

Rozpuszczalność białek zależy od budowy i kształtu cząsteczek, wielkości i liczby łańcuchów polipeptydowych oraz powinowactwa do rozpuszczalnika. Białka odpowiadają za ciśnienie onkotyczne ( albuminy)

Ciśnienie onkotyczne decyduje o wymianie składników miedzy tkankami

a środowiskiem pozakomórkowym.

PODZIAŁY BIAŁEK

Właściwości chemiczne białek zależą głównie od rodzajów aminokwasów wchodzących w ich skład. Biorąc pod uwagę właściwości chemiczne białka można podzielić na zasadowe, obojętne i kwaśne. W białkach zasadowych, do których zaliczamy histony i protaminy, przeważają aminokwasy zasadowe.( około 25% stanowią lizyna – arginina ) W białkach obojętnych ( albuminy, skleroproteiny ) niema wyraźnej przewagi ilościowej aminokwasów zasadowych czy kwaśnych.

Natomiast białka kwaśne zawierają w przewadze nad innymi – aminokwasy kwaśne ( kwas asparaginowy i glutaminowy ). Należą do nich głównie białka roślinne : prolaminy i gluteiny. Ze względu na budowę białka na proste ( proteiny ) i złożone ( proteidy ).

Białka proste zbudowane są z tylko aminokwasów np. albumina.

Białka złożone zawierają oprócz aminokwasów, także część niebiałkową.

Zależnie od zawartości w białkach złożonych składnika niebiałkowego, można je podzielić na:

1. fosfoproteiny

2. glikoproteiny

3. lipoproteiny

4. chromoproteiny

5. nukleoproteiny

Białka złożone, dzięki zawartości składnika niebiałkowego, nabierają innych właściwości fizycznych i chemicznych, w związku z czym mogą pełnić różne funkcje.

Fosfoproteiny zawierają w swoim składzie-jako składnik niebiałkowy-resztę kwasu fosforowego. Przykładem fosfoproteidu są: kazeina ( białko mleka ), witelina i fosfityna.

Glikoproteiny to białka złożone, zawierające w swej cząsteczce-obok aminokwasów-składnik cukrowy. Mogą to być cukry proste, złożone lub pochodne cukrowe. Glikoproteiny odgrywają dużą rolę biologiczną. Są nimi hormony przedniego płata przysadki mózgowej, orosomukoid, chondroproteiny, mucyna oraz wiele enzymów.

Lipoproteiny obok składnika białkowego, zawierają w swej budowie tłuszcze ( trójglicerydy, kwasy tłuszczowe, tłuszcze złożone, cholesterol).

Lipoproteiny są składnikami błon komórkowych i licznie reprezentowane w tkance nerwowej.

Chromoproteiny to białka złożone, zawierające jako część niebiałkową składnik barwny. Mogą to być grupy hemowe (hemoproteiny-hemoglobina, mioglobina), karoten (karotenoproteiny), ryboflawina (flawoproteidy), metale (miedźceruloplazmina, żelazo-ferrytyna, hemosyderyna, transferyna). Białka zawierające metale, ze względu na ich rolę biologiczną, niektórzy zaliczają do odrębnej grupy białek złożonych - metaloprotein.

Nukleoproteiny w swoim składzie zawierają dodatkowo kwasy nukleinowe (DNA – kwas deoksyrydonukleinowy, RNA – kwas rybonukleinowy). Ze względu na właściwości odżywcze wyróżnia się białka doborowe i niedoborowe.

BIAŁKA DOOROWE

Białka doborowe to te, które w swoim składzie zawierają wszystkie aminokwasy egzogenne. Do takich białek zaliczamy np. albuminę, białko jaja kurzego, białko mleka i mięsa.

BIAŁKA NIEDOBOROWE

Białka niedoborowe to takie, w których brakuje choćby jednego aminokwasu egzogennego. Przykładem takiego białka jest kolagen.

Ze względu na stosunek długiej osi cząsteczki białka do Której dzielimy białka na globularne ( albumina, globuliny ) i fibrylarne ( kreatynina i fibrynogen ).

Inny podział białek można przeprowadzić, biorąc pod uwagę ich rolę w organizmie. Według tego kryterium dzielimy białka na strukturalne ( budujące błony komórkowe ) i enzymatyczne ( będące enzymami ).

Pochodzenie białek decyduje o możliwości ich kolejnego podziału na białka zwierzęce i roślinne.

METODY ROZDZIAŁU BIAŁEK

Metody rozdziału białek oparte na różnicach wielkości cząstek to: dializa, ultrafiltracja, ultrawirowanie, chomatorafia, elektrografia, wysalanie.

ELEKTROFOREZA

Rozdział białek przy udziale prądu nazywamy elektroforezą. W zależności od pH środowiska białka zachowują się jak kationy lub aniony, dla tego możliwa jest ich wędrówka w polu elektrycznym. Wyróżnia się elektroforezę bibułową, żelową lub agarową zależnie od nośnika.

WYSALANIE

Jest to proces wytrącania białka z roztworu przy zastosowaniu soli metali lekkich. Najczęściej stosowany jest siarczan amonu ( NH₄ )₂SO₄, którym jon amonowy zastępuje metal. Sam proces wysyłania na odciąganiu wody z cząsteczek białka, w skutek czego dochodzi do odwodnienia, o pozbawiona otoczki hydratacyjnej cząsteczka białka wypada z roztworu. Przy wysalaniu nie są niszczone żadne wiązania i białko nie traci właściwości biologicznych. Zostają one przywrócone po ponownym uwodnieniu lub oddzieleniu soli z roztworu.

DENATURACJA

Denaturacja to zmiany własności peptydu( białka ) spowodowane czynnikami fizycznymi i chemicznymi. Białka, przy zachowaniu struktury pierwszorzędowej, tracą aktywność biologiczną, ponieważ niszczone są wiązania stabilizujące struktury wtórne cząsteczki. Czynniki fizyczne mogą być przyczyną denaturacji, to : silne mieszanie, podwyższona temperatura, promieniowanie UV, promieniowanie rentgenowskie itp.

Denaturację chemiczną wywołują związki destabilizujące wiązania wodorowe, np. roztwór mocznika 8 mol/ dm³, roztwór guanidyny 4 mol/ dm³ roztwory kwasów o pH < 3, roztwory zasad o pH > 9.

Należy podkreślić, że odporność na czynniki denaturujące jest cechą indywidualną białka.

TRAWIENIE BIAŁEK

Trawienie białek rozpoczyna się już w żołądku, gdzie działa pepsyna rozbijająca wiązania peptydowe wewnątrz łańcuch polipeptydowego

( endopeptydaza ). Jest to enzym specyficzny dla wiązań peptydowych zlokalizowanych w sąsiedztwie aminokwasów aromatycznych. Niskie pH soku żołądkowego ułatwia działanie pepsyny, gdyż takie środowisko powoduje denaturacje białka.

Dalsze trawienie białka odbywa się w dwunastnicy, gdzie wraz z sokiem trzustkowym dostaje się trypsyna, chymotrypsyna, elastaza i karboksypeptydaza. Działają one w środowisku zasadowym, jakie stwarza sok trzustkowy.

Białka zostają strawione do wolnych aminokwasów i dopiero te są wchłonięte do ściany przewodu pokarmowego.

WCHŁANIANIE AMINIOKWASÓW

Wchłanianie się w jelicie cienkim. Mechanizm wchłaniania może być różny. Może się to odbywać na zasadzie tyransportun z jonami sodu lub transportu przy udziale glutationu. Aminokwas jest przyłączany do glutationu przez gama-glutamylo-transferazę, w wyniku czego powstaje gama-glutamylo-aminokwa i cysteinylo-glicyna

Aminokwas + glutation --------- gama-glutamylo-aminokwas +cysteinylo-glicyna

Po dostaniu się do komórki transferaza katalizuje odłączenie się aminokwasu , a reszta gama-glutamylowa służy do odtworzenia glutationu. Odbywa się to cyklu gama-glutamylowym

Biologiczna rola białek

Białka są podstawowym składnikiem organizmów żywych. Pełnią one różne funkcje: strukturalne, zapasowe, transportowe, regulacyjne, ochronne i inne.

Funkcje strukturalne białek :

- są składnikiem błon komórkowych,

- białka kurczliwe wchodzą w skład mięśni,

- stanowią składnik tkanki łącznej / kolagen, elastyna /.

Funkcje zapasowe białek związane związane są z ich gromadzeniem i możliwością wykorzystania w miarę potrzeby przez organizm.

Funkcje transportowe pełni wiele białek, które są wyspecjalizowane w transporcie niektórych składników. Hemoglobina jest białkiem transportującym tlen, ceruloplazmina przenosi miedż, a transferyna żelazo.

Funkcje ochronne pełnią przeciwciała , eliminując obce antygeny dostające się do organizmu.

Funkcje regulacyjne pełnia enzymy , które są białkami, oraz hormony, z których część ma budowę białkową

Inne funkcje pełnione przez białka związane są z ich licznym występowaniem w strukturach komórkowych i pozakomórkowych. W związku z tym odgrywają rolę zarówno w trawieniu, wchłanianiu, wydzielaniu , jak i procesach detoksykacji czy wydalania.

Bilans azotowy

Bilans azotowy określa różnicę między azotem białkowym pobranym w pożywieniu a azotem wydalonym z organizmu. Azot jest wydalany głównie w formie mocznika. Minimum białkowe dla człowieka wynosi 0,5 do0,6 g na kilogram masy ciała. Dodatni bilans wiąże się z większym przyswajaniem białka niż z jego katabolizmem . Występuje w młodych, rozwijających się organizmach , w okresie ciąży i rekonwalescencji.

Bilans azotowy ujemny jest niekorzystny dla organizmu. Przeważa wtedy katabolizm białek i wydalanie azotu nad jego przyswajaniem. Ma to miejsce w przypadku wyniszczających chorób oraz fizjologicznie u ludzi starych.