BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI I ZNACZENIE BIAŁEK.

Białka są to wielocząsteczkowe biopolimery zbudowane z reszt aminokwasowych połączonych wiązaniem peptydowym, występujące we wszystkich organizmach roślinnych i zwierzęcych. Są zasadniczymi elementami metabolicznymi i strukturalnymi komórek, tkanek i narządów organizmów żywych. Syntetyzowane są częściowo z aminokwasów endogennych, które ustrój może sam wytworzyć, a poza tym z aminokwasów egzogennych tzw. istotnych, pobieranych z pokarmów rozkładanych w procesie trawienia.

Białka dzielą się na:

1. Białka proste (proteiny), które zbudowane są tylko z aminokwasów, zaliczamy do nich:

• Globularne (rozpuszczalne), które dzielą się na:

• Albuminy - rozpuszczalne w wodzie, trudno wysalające się; należą do nich białka roślinne, jaja kurzego, mleka; zawierają dużo aminokwasów siarkowych, nie zawierają glicyny.

• Globuliny - nierozpuszczalne w wodzie, rozpuszczalne w rozpuszczonych roztworach soli, kwasów i zasad; należą do nich białka roślinne, surowicy krwi.

• Gluteiny - rozpuszczalne w kwasach i zasadach; należą do nich białka bogate w kwas glutaminowy, występują w ziarnach zbóż.

• Prolaminy - rozpuszczalne w alkoholu etylowym; należą do nich białka bogate w kwas glutaminowy, występują w ziarnach zbóż.

• Histony - rozpuszczalne w wodzie i w rozcieńczonych kwasach.

• Protaminy - rozpuszczalne w wodzie, zasadzie; składowe części jąder komórkowych, czerwonych i białych ciałek krwi.

• skleroproteiny (białka włókniste) - są to nierozpuszczalne białka szkieletowe, materiał budulcowy chrządek, rogów, łusek, włosów itp. Należą do nich: fibroina (białko jedwabiu), kolagen (białko tkanki łącznej, ścięgna), keratyna (białko piór, włosów, kopyt, rogów).

Białka złożone (proteidy) - składają się z białek prostych (części białkowej) i grup nieaminokwasowym charakterze (części niebiałkowej) zwanych grupami prostetycznymi. Białka złożone są bardziej rozpowszechnione w przyrodzie od protein. Do białek złożonych należą wszystkie enzymy. W zależności od rodzaju grupy prostetycznej białka złożone dzieli się na:

• Fosforoproteidy - zawierające kwas ortofosforowy (V), nie koagulują na ciepło, lecz po zakwaszeniu; należy do nich kazeina.

• Glikoproteidy - zawierające pewne cukry, np. białko jaja kurzego.

• Chromoproteidy - zawierające atom metalu, np. hemoglobina, chlorofil.

• Lipoproteidy - zawierające związki o charakterze tłuszczów.

• Nukleoproteidy - zawierające nukleotydy, kwasy nukleinowe.

Aminokwasy mają grupę karboksylową i grupę aminową. W skład cząsteczek białkowych wchodzą: węgiel, wodór, tlen, azot i często siarka. Atomy tych pierwiastków wchodzą w skład cząsteczek aminokwasów, stanowiących podjednostki, które łącząc się ze sobą tworzą cząsteczki białek. W białkach występuje powszechnie około 20 rodzajów aminokwasów. W cząsteczkach większości z nich grupa aminowa (-NH₂) i grupa karboksylowa (-COOH) dołączone są do asymetrycznego atomu węgla, oznaczanego symbolem α. Aminokwasy różnią się dołączonym do węgla α łańcuchem bocznym (oznaczonym jako reszta R). W glicynie, najprostszym z aminokwasów, jest nim atom wodoru, natomiast w alaninie - grupa metylowa - CH₃.

Aminokwasy w obojętnym roztworze wodnym występują w formie zjonizowanych cząsteczek dwubiegunowych. Grupa aminowa (-NH₂) przyłącza proton, stając się dodatnio naładowaną grupą -NH⁺₃, a grupa karboksylowa (-COOH) oddaje proton, tworząc ujemnie naładowaną grupę -COO^-. Obecność grup aminowych i karboksylowych powoduje, że białka w roztworze przeciwdziałają w pewnym zakresie zmianom pH, są zatem ważnymi biologicznymi buforami.

W związku z występowaniem w cząsteczkach aminokwasów asymetrycznego węgla α, każdy aminokwas może tworzyć dwa enancjomery. Jedna z form lustrzanych nosi nazwę L-aminokwasu, druga - D-aminokwasu. W wyniku syntezy laboratoryjnej aminokwasów otrzymuje się mieszaninę obu form, tj. izomerów D i L. W organizmach żywych występują prawie wyłącznie L-aminokwasy. Wyjątek stanowi kilka D-aminokwasów znajdywanych w antybiotykach wytworzonych przez grzyby.

Aminokwasy z niepolarnym łańcuchem bocznym mają char5akter hydrofobowy, natomiast te, których boczne łańcuchy są polarne, cechuje hydrofilowość. W łańcuchach bocznych aminokwasów kwaśnych występ[uje dodatkowa grupa karboksylowa, która w środowisku komórkowym jest zjonizowana. Aminokwasy te są w związku z tym ujemnie naładowane. Aminokwasy zasadowe są natomiast naładowane dodatnio w wyniku dysocjacji dodatkowej grupy aminowej, znajdującej się w ich łańcuchach bocznych. Kwaśne i zasadowe łańcuchy boczne mają charakter jonowy, są zatem hydrofilowe.

Oprócz 20 powszechnie występujących w białkach aminokwasów są jeszcze aminokwasy spotykane rzadko. Powstają one na skutek modyfikacji typowych aminokwasów już po ich wybudowaniu w łańcuchach białkowych. Na przykład lizyna i prolina już po włączeniu w cząsteczkę kolagenu mogą ulec przekształceniu w hydroksylizynę i hydroksypolinę. Aminokwasy te typowe dla kolagenu wiązania poprzeczne pomiędzy jego łańcuchami peptydowymi nadające cząsteczce sztywność i odporność na zerwanie. Dzięki tym cechom kolagen może pełnić rolę podstawowego składnika chrząstek, kości i innych tkanek łącznych.

Bakterie i rośliny potrafią same, z pewnymi wyjątkami, syntetyzować ze związków prostych wszystkie potrzebne im aminokwasy. Ludzie i zwierzęta natomiast syntetyzują tylko część potrzebnych im do życia aminokwasów, oczywiście pod warunkiem dostępności odpowiednich substancji budulcowych. Te aminokwasy, których nie potrafimy sami wytworzyć, a zatem musimy je otrzymywać w pożywieniu, noszą nazwę aminokwasów egzogennych lub niezbędnych. Zwierzęta różnią się zdolnością do syntetyzowania aminokwasów. Aminokwasy egzogenne dla przedstawicieli jednego gatunku mogą być wytwarzane przez przedstawicieli drugiego.


Łańcuchy polipeptydowe zbudowane są z aminokwasów. Aminokwasy łączą się ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi, w których uczestniczy grupa karboksylowa jednego aminokwasu i aminowa drugiego. Wiązanie takie nosi nazwę wiązania peptydowego. W wyniku łączenia dwóch cząsteczek aminokwasów powstaje dipeptyd, połączenie większej liczby cząsteczek aminokwasów prowadzi do powstania polipeptydu. Na jednym końcu łańcucha polipeptydowego znajduje się wolna grupa aminowa, na drugim zaś - wolna grupa karboksylowa. Wszystkie inne grupy aminowe i karboksylowe (z wyjątkiem tych, które występują w łańcuchach bocznych aminokwasów) uczestniczą w tworzeniu wiązań peptydowych.

Polipeptyd może być zbudowany nawet z kilkuset cząsteczek aminokwasów, połączonych w określonym liniowym porządku. Szkielet łańcucha polipeptydowego tworzą powtarzające się sekwencje atomów -N-C-C-N-C-C- ze wszystkimi przyłączonymi do nich atomami tlenu i wodoru. Do szkieletu nie zalicza się sterczących na bok łańcuchów bocznych aminokwasów. Białka mogą być zbudowane z jednego lub kilku łańcuchów polipeptydowych. Możliwe jest powstanie praktycznie nieskończonej liczby różnorodnych białek. Białka różnią się liczbą, rodzajem i sekwencją (liniowym ułożeniem) tworzących je aminokwasów. Dwadzieścia rodzajów aminokwasów występujących w białkach można uważać za litery białkowego alfabetu; każde b iałko jest słowem utworzonym z liter - aminokwasów.

W strukturze cząsteczek białkowych można wyróżnić cztery poziomy organizacji. Łańcuchy polipeptydowe tworzące białka ulegają przestrzennemu skręceniu i pofałdowaniu, w wyniku czego cząsteczki uzyskują charakterystyczny trójwymiarowy kształt, czyli konformację. Konformacja cząsteczki białkowej warunkuje jej funkcję. Określony kształt przestrzenny cząsteczki enzymu umożliwia rozpoznanie właściwego substratu (cząsteczka, na którą działa enzym), stwarza zatem warunki do przebiegu specyficznej reakcji enzymatycznej. Podobnie, kształt cząsteczki polipeptydowego hormonu umożliwia jego kontakt z odpowiednim receptorem tkanki docelowej (tkanki, która jest celem działania hormonu).

Ze względu na kształt cząsteczki rozróżniamy białka globularne i fibrylarne (włókienkowe). W białkach fibrylarnych łańcuchy polipeptydowe są wyciągnięte, a ich kształt przypomina długą płytkę. W białkach globularnych łańcuchy są zwinięte w zwartą strukturę sferyczną (globulę). Enzymy są na ogół białkami globularnymi. W strukturze cząsteczek białkowych można wyróżnić cztery poziomy organizacji: pierwszorzędową, drugorzędową, trzeciorzędową i czwartorzędową.

Strukturę pierwszorzędową określa sekwencja aminokwasów. Sekwencja aminokwasów, czyli kolejność ich występowania w łańcuchu polipeptydowym, jest jego strukturą pierwszorzędową. Sekwencja aminokwasów jest determinowana genetycznie. Dzięki metodom analitycznym, których burzliwy rozwój dokonał się na początku lat pięćdziesiątych bieżącego stulecia, naukowcy potrafią obecnie ustalić sekwencję aminokwasową w zasadzie każdej cząsteczki białkowej. Pierwszym białkiem, którego sekwencję aminokwasową poznano, była insulina, hormon wydzielany przez trzustkę i stosowany w leczeniu cukrzycy. Insulina zbudowana jest z dwóch połączonych łańcuchów polipeptydowych, w skład których wchodzi 51 cząsteczek aminokwasów.


Strukturę drugorzędową utrzymują wiązania wodorowe. Łańcuchy polipeptydowe ani nie leżą rozciągnięte płasko, ani też nie skręcają się w przypadkowe zwoje, lecz w wyniku określonych zmian konformacyjnych przyjmują specyficzną strukturę trójwymiarową. Strukturę drugorzędową cząsteczek białkowych charakteryzuje skręcenie tworzących je łańcuchów polipeptydowych w rodzaj spirali, zwanej heliksem, lub inny regularny układ przestrzenny. Regularność zapewniają wiązania wodorowe utworzone pomiędzy atomami jednakowego we wszystkich łańcuchach polipeptydowych szkieletu.

Najczęściej przyjmowaną przez cząsteczki białkowe (bądź ich fragmenty) strukturą drugorzędową jest α-heliks, który powstaje na skutek spiralnego skręcenia łańcucha wokół własnej osi. α-heliksjest regularną strukturą geometryczną, w której na jeden skręt przypada 3,6 reszty aminokwasowej. Strukturę α-heliksu utrzymują wiązania wodorowe utworzone pomiędzy aminokwasami umiejscowionymi w kolejnych skrętach spirali. W każdym wiązaniu wodorowym uczestniczy grupa aminowa jednego aminokwasu i tlen odległego od niego o trzy pozycje drugiego aminokwasu.

Struktura α-heliksu jest typowa dla białek fibrylarnych, jak białka wełny, skóry, paznokci i włosów. Białka te są elastyczne, wiązania wodorowe mogą bowiem ulegać rozrywaniu i tworzyć się na nowo. Właśnie dlatego naciągnięte ludzkie włosy wracają do swojej pierwotnej długości.

Innym typem struktury drugorzędowej jest struktura β, zwana też strukturą harmonijkową lub fałdową. W tym wypadku wiązania wodorowe, stabilizujące ten układ, powstają między różnymi łańcuchami, a nie wewnątrz tego samego łańcucha, jak to ma miejsce w α-heliksie. Struktura typu β może też utworzyć się pomiędzy różnymi fragmentami jednego łańcucha polipeptydowego. Ten rodzaj struktury drugorzędowej nadaje cząsteczkom białkowym raczej giętkość aniżeli elastyczność. Strukturę β mają fibroina - białko występujące w jedwabiu, a także rdzeniowe części wielu białek globularnych.


Struktura trzeciorzędowa powstaje w wyniku oddziaływań między łańcuchami bocznymi. O ostatecznym kształcie łańcucha polipeptydowego decyduje jeszcze jeden element - struktura trzeciorzędowa. Utrzymują ją oddziaływania czterech różnych typów, występujące między łańcuchami bocznymi aminokwasów (grupami R):

1. Wiązania wodorowe pomiędzy grupami R aminokwasów leżących w sąsiadujących pętlach tego samego łańcucha polipeptydowego.

2. Oddziaływania jonowe pomiędzy dodatnio i ujemnie naładowanymi grupami R.

3. Oddziaływania hydrofobowe między niepolarnymi grupami R, wykazującymi tendencję do dkupiania się wewnątrz cząsteczek globularnych na skutek unikania kontaktu z zewnętrznym środowiskiem wodnym.

4. Kowalencyjne wiązania pomiędzy atomami siarki (-S-S-) dwóch cząstek cysteiny,zwane też mostkami dwusiarkowymi. Mostki te mogą łączyć fragmenty tego samego łańcucha lub dwa różne łańcuchy polipeptydowe.


Struktura czwartorzędowa określa wzajemne ułożenie dwóch lub większej ilości łańcuchów polipeptydowych. Strukturę czwartorzędową mają białka zbudowane co najmniej z dwóch łańcuchów polipeptydowych, z których każdy ma określoną organizację pierwszorzędową, drugorzędową i trzeciorzędową. Dopiero w wyniku właściwego dopasowania tych łańcuchów powstaje biologicznie aktywna cząsteczka białkowa. Strukturę czwartorzędową ma cząsteczka hemoglobiny, globularnego białka czerwonych krwinek (erytrocytów), uczestniczącego w transporcie tlenu. Hemoglobina zbudowana jest z 574 cząsteczek aminokwasów, zorganizowanych w cztery łańcuchy polipeptydowe: dwa identyczne łańcuchy α i dwa identyczne łańcuchy β. Jej wzór cząsteczkowy jest następujący: C₃₀₃₂H₄₈₁₆O₈₇₂N₇₈₉S₈Fe₄.

Struktura białka wyznacza jego funkcję. Poznanie struktury białka ułatwia określenie jego roli biologicznej. Niektóre białka mają zmienną strukturę i pełnią więcej niż jedną funkcję. Wiele białek ma strukturę deomenową (modularną). W takich białkach wyróżnić można kilka regionów globularnych (domen), połączonych fragmentami o strukturze mniej zwartej. Każda z domen może pełnić inną funkcję.

Konformacja polipeptydu jest w zasadzie zdeterminowana przez jego strukturę pierwszorzędową. Niemniej przewidywanie funkcji na podstawie sekwencji aminokwasowej jest bardzo trudne, istnieje bowiem wiele możliwych teoretycznie kombinacji ułożenia przestrzennego każdego łańcucha. Dla ułatwienia przewidywania trójwymiarowego obrazu cząsteczek białkowych opracowano specjalne programy komputerowe.

Aktywność biologiczna białka może zostać zniszczona na skutek zmiany sekwencji aminokwasów bądź zmiany konformacji łańcucha polipeptydowego. Na przykład częsta w Afryce choroba anemia sierpowata jest skutkiem mutacyjnej zmiany w sekwencji aminokwasów w cząsteczce hemoglobiny. Mutacja ta polega na podstawieniu waliny w miejsce kwasu glutaminowego w pozycji 6 łańcucha β. Wprowadzenie waliny, aminokwasu z niezjonizowanym łańcuchem bocznym, zamiast kwasu glutaminowego, aminokwasu obdarzonego ładunkiem, zdecydowanie zmniejsza rozpuszczalność hemoglobiny. Wskutek tego hemoglobina wytrąca się, powodując zmianę kształtu czerwonych krwinek.

Aktywność biologiczną białek niszczy również zaburzenie ich struktury przestrzennej. Zmiany takie następują pod wpływem ogrzewania białek bądź działania na nie pewnymi substancjami chemicznymi (kwasami, zasadami bądź związkami utleniającymi).

Czynniki te zakłócają oddziaływania stabilizujące trzeciorzędową strukturę białka. Łańcuchy polipeptydowe tracą swoją specyficzną organizację przestrzenną, rozwijają się i przyjmują konformację przypadkową, czemu towarzyszy utrata właściwości biologicznych, na przykład zanik aktywności enzywatycznej. Tego rodzaju zaburzenie struktury cząsteczek białkowe tych, związane z utratą aktywności biologicznej, nosi nazwę denaturacji. Denaturacja jest w zasadzie nieodwracalna, niekiedy jednak pewne białka odzyskują swą specyficzną konformację, a zatem i aktywność biologiczną, jeśli warunki środowiska powrócą do stanu pierwotnego.

1

Wiązanie to powstaje między grupą karboksylową jednego aminokwasu a grupą aminową drugiego. R₁ i R₂ - reszty aminowe

Struktura drugorzędowa białka powstaje gdy aminokwasy sąsiadujące w łańcuchu polipeptydowym (struktura pierwszorzędowa) tworzą wiązania wodorowe.

Trójwymiarowa, trzeciorzędowa struktura białka powstaje na skutek oddziaływań pomiędzy aminokwasami znajdującymi się w różnych miejscach skręconej, drugorzędowej struktury białka

Czwartorzędowa struktura białka powstaje ze zwinięcia dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych

---