STRUKTURA BIAŁEK I KWASÓW NUKLEINOWYCH

Białka i kwasy nukleinowe to najważniejsze klasy związków organicznych występujące na Ziemi. Pełnią one kluczowe rolę w życiu każdego organizmu żywego, a także wirusów. Informacje zawarte w tym rozdziale podręcznika dotyczą wyłącznie budowy chemicznej i strukturalnej.

• KWASY NUKLEINOWE

• Budowa kwasów nukleinowych

• DNA

• RNA

• Właściwości fizyko-chemiczne kwasów nukleinowych

• BIAŁKA

• Budowa białek

• Modyfikacje potranslacyjne

• Właściwości białek

• Podział białek

KWASY NUKLEINOWE

Kwasy nukleinowe jest to jedyna w swoim rodzaju klasa związków organicznych, które pomimo prostoty swej chemicznej budowy, miały tak ogromny wpływ na obraz dzisiejszego świata organizmów żywych. Stało się tak dzięki informacji genetycznej, której odczyt zawsze odbywa się kilkuetapowo na drodze DNA RNA białko i jest regulowany przez wiele czynników.

Budowa kwasów nukleinowych

Kwasy nukleinowe występują w postaci jedno- lub dwuniciowych makrocząsteczek. Zarówno jedno- jak i dwuniciowe cząsteczki charakteryzują się wieloma wspólnymi cechami. Nić łańcucha polinukleotydowego to liniowy układ nukleozydów, połączonych ze sobą wiązaniami fosfodiestowymi pomiędzy 5' a 3' atomami węgla sąsiadujących reszt cukrowych.

W nukleotydach występuje preferencja do tworzenia wiązania N-glikozydowego typu anty.

Pojedynczy łańcuch polinukleotydowy składa się z rdzenia zbudowanego z reszt pentozofuranozowych połączonych "mostkami" fosfodiestrowymi oraz z zasad azotowychsterczących na boki od rdzenia.

Wokół wiązania fosfodiestrowego może zachodzić rotacja jednoniciowej cząsteczki. Poszczególne "cegiełki" łańcucha różnią się od siebie zasadami azotowymi (Adenina, Tymina, Uracyl, Guanina i Cytozyna). Ze względu na liniową budowę łańcucha kwasu nukleinowego można wyróżnić jego 5' i 3' koniec.

Silne oddziaływania z rozpuszczalnikiem (wodą) sprawiają, że pojedyncze łańcuchy kwasu polinukleinowego tworzą bardziej złożone struktury. Poszczególne stopnie komplikacji konfiguracji przestrzennej kwasów nukleinowych zostały określone mianem ich rzędowości.

1. Kolejność (sekwencja) ułożenia zasad azotowych w łańcuchu kwasu nukleinowego determinuje strukturę pierwszorzędową. Dalsze struktury (drugo- i trzeciorzędowe) określają kształt przestrzenny makrocząsteczki.

2. Struktura drugorzędowa

Najważniejszym czynnikiem stabilizującym strukturę drugorzędową jest komplementarność zasad, czyli ich zdolność łączenia się w pary. Pary zasad są to takie kompleksy, w których zasada purynowa z jednego łańcucha cząsteczki łączy się z pirymidynową, z drugiego łańcucha, za pośrednictwem wiązań wodorowych. Adenina łączy się z tyminą lub uracylem za pomocą dwóch wiązań wodorowych, guanina zaś z cytozyną za pomocą trzech. Odpowiadające wzajemnie zasady azotowe nazywa się komplementarnymi. W dwuniciowej cząsteczce pierścienie par zasad azotowych leżą zasadniczo w jednej płaszczyźnie.

Oddziaływania tego rodzaju są możliwe w przypadku, gdy pewien fragment nici polinukleotydowej ustawi się dostatecznie blisko, równolegle i co najważniejsze przeciwbieżnie do drugiego odcinka, a odpowiednie zasady azotowe będą miały naprzeciwko siebie swojego komplementarnego partnera. Struktura taka jest tym stabilniejsza (w danych warunkach środowiska) im więcej par zasad komplementuje (łączy się) ze sobą. Wiązania wodorowe są wiązaniami słabymi, lecz ich ilość na przestrzeni długiej makrocząsteczki powoduje, że oddziaływanie obu nici jest bardzo silne. Taka dwuniciowa cząsteczka przyjmuje szczególną konformację uwarunkowaną dodatkowymi oddziaływaniami z roztworem (środowiskiem). Obie nici są owinięte śrubowo wokół siebie tworząc strukturę helisy.

Pary zasad azotowych są hydrofobowe i znajdują się w środku heliksu, reszty cukrowe oraz fosforanowe tworzą hydrofilową "osłonkę" zewnętrzną.

3. Struktura trzeciorzędowa kwasów nukleinowych występuje w przypadku fałdowania się dwuniciowych odcinków cząsteczki. Może tworzyć struktury, które odgrywają ważną rolę w procesie regulacji ekspresji informacji genetycznej. Np.: struktura "szpilki do włosów" -  terminacja transkrypcji.

DNA

1. Budowa DNA

DNA - jest to angielski skrót od nazwy makrocząsteczki kwasu nukleinowego - deoxyribonucleic acid - po polsku kwas deoksyrybonukleinowy. Zbudowany jest z czterech rodzajów nukleozydów: deoksyadenozyny (dAMP), deoksyguanozyny (dGMP), deoksycytydyny (dCMP) oraz deoksytymidyny (dTMP). Cukrem występującym w tych deoksyrybonukleotydach jest deoksyryboza. Przedrostek deoksy- oznacza brak jednego z atomów tlenu zawartych w cząsteczce wyjściowej - rybozie. DNA występuje najczęściej w postaci dwuniciowej (dsDNA) i ma kształt helisy. Złożona jest z dwóch przeciwbieżnych i komplementarnych do siebie łańcuchów kwasu deoksyrybonukleinowego, skręconych wzdłuż osi helisy. Zasady purynowe i pirymidynowe znajdują się wewnątrz, a fosforany i reszty deoksyrybozy - na zewnątrz helisy. Płaszczyzny ułożenia pierścieni zasad są prostopadłe do osi helisy, natomiast płaszczyzny pierścieni cukrów są ułożone prostopadłe względem zasad. Dwa łańcuchy DNA łączą się sobą wiązaniami wodorowymi pomiędzy zasadami azotowymi, tworząc komplementarne pary.

Na powierzchni helisy można wyróżnić dwa zagłębienia, zwane małą i dużą bruzdą.

Powstają one dlatego, że wiązania glikozydowe komplementarnych zasad nie leżą dokładnie naprzeciwko siebie. Stosunek puryn do pirymidyn w dwuniciowej cząsteczce DNA jest równy jeden. Ściśle określona kolejność zasad azotowych w DNA (sekwencja) niesie informację genetyczną. DNA może również występować w postaci jednoniciowych cząsteczek (ssDNA). Tego rodzaju cząsteczki są charakterystyczne dla wirusów.

2. Formy DNA

J. Watson i F. Crick (1953 r.) opisali budowę najczęściej występującej w przyrodzie postaci DNA - tzw. "helisa B-DNA". Opisano dotychczas 6 postaci cząsteczek DNA (A - E oraz Z), lecz większość z nich odkryto tylko w warunkach doświadczalnych. Cząsteczki te odróżnia: średnica heliksu, liczba par zasad przypadających na każdy zwój helisy, kąt pomiędzy każdą parą zasad, a także kierunek skrętu helisy. Różnice pomiędzy przykładowymi formami DNA przedstawia poniższa tabela:

	Typy helisy
	A	B	Z
Wzrost długości helisy na parę zasad	0,23 nm	0,34 nm	0,38 nm
Średnica helisy	2,55 nm	2,37 nm	1,84 nm
Kierunek skręcenia	prawoskrętna	prawoskrętna	lewoskrętna
Typ wiązania glikozydowego	anty	anty	anty dla C, T syn dla G
Liczba par zasad na skręt helisy	11	10,4	12
Skok helisy	2,53 nm	3,54 nm	4,56 nm
Odchylenie pary zasad od położenia prostopadłego do osi helisy	19^0	1^0	9^0
Duży rowek	wąski i bardzo głęboki	szeroki i dość głęboki	płaski
Mały rowek	bardzo szeroki i płytki	wąski i dość głęboki	bardzo wąski i głęboki

Pozostałe formy (C, D, E) są prawoskrętne i występują prawdopodobnie tylko w układach doświadczalnych.

3. Postać DNA w organizmie

W organizmach, DNA rzadko występuje w postaci liniowych odcinków o wolnych końcach. U organizmów prokariotycznych chromosomowy, a także plazmidowy DNA, występuje w postaci kolistej. W komórkach eukariotycznych chromosomowy DNA jest zorganizowany w postaci domen w kształcie pętli, których podstawy są unieruchomione przez białka wchodzące w skład chromosomu. Cząsteczka DNA, pod wpływem powstających w niej, wewnętrznych napięć torsyjnych może ulegać dodatkowemu zwinięciu. Napięcia są spowodowane rozluźnieniem lub kondensacją struktury helisy i brakiem możliwości neutralizacji przez obrót wokół wolnych końców, wokół osi podłużnej helisy. W długich cząsteczkach DNA napięcia powstają w wyniku lokalnych procesów związanych z naprawą, replikacją [1] lub transkrypcją. Przy tych procesach następuje rozplecenie helisy, w wyniku czego po obu stronach miejsca rozplecenia następuje kondensacja struktury heliksu. Kondensacja wywołuje dążenie DNA do neutralizacji napięć wewnętrznych, przez miejscowe zwinięcie cząsteczki.


Koliste cząsteczki DNA, wykazujące przestrzenne skręcenie wokół siebie zostały nazwane formami superhelikalnymi.

Superskręcenie cząsteczek jest właściwością topologiczną, którą można opisać posługując się terminami z dziedziny topologii. Za topologiczną przyjmuje się taką właściwość DNA, która nie ulega zmianie pod wpływem odkształceń ciągłych - zachowujących integralność szkieletu cząsteczki. Będą to takie odkształcenia konformacyjne, które powstają w wyniku łączenia się cząsteczki z białkami, lub innymi ligandami, a także powstające w wyniku działania ciepła. Przecięcie jednej z nici DNA - a więc zakłócenie szkieletu, spowoduje zmianę właściwości topologicznej. Kolista cząsteczka superhelikalna jest opisana dwoma parametrami. Tw, czyli liczba skrętów opisuje ile razy kolisty DNA został skręcony wokół osi helisy. Parametr ten przyjmuję wartość ujemną, gdy w stosunku do formy zrelaksowanej (naturalnej) cząsteczka jest rozkręcona, gdy natomiast DNA ulega skręceniu - dodatnią. Wr, czyli liczba zwojów - opisuje, ile razy kolista cząsteczka DNA krzyżuje się ze sobą. Wprowadzenie trzech dodatkowych skrętów (stworzenie napięć torsyjnych) powoduj, że wartość Tw = 3, przy założeniu, że cząsteczka leży płasko i nie krzyżuje się ze sobą Wr = 0.

Taki stan jest niekorzystny, ze względu na występowanie napięć torsyjnych.

Kolista cząsteczka dąży do likwidacji napięć (dodatkowych skrętów), poprzez wzajemne skręcenie się i tym samym podniesienie wartości Wr. Każde skrzyżowanie się cząsteczki (skręcenie wokół siebie) odbywa się kosztem zmniejszenia wartości Tw o jeden. Podczas topologicznych przekształceń kolistych cząsteczek DNA zmianie ulegają wartości Tw i Wr, lecz ich suma pozostaje stała. Wielkość ta nosi nazwę liczby opleceń i jest opisana symbolem Lk. Wielkość ta jest liczbą całkowitą i pozostaje stała jeżeli nie zostanie przecięta jedna z nici DNA, wykonując przy tym wewnętrzny obrót wokół nieprzeciętej nici.

Topologię cząsteczki opisuje zatem równanie: Tw + Wr = Lk

RNA

1. Budowa RNA

RNA - (ang. ribonucleic acid) Struktura kwasu rybonukleinowego różni się od DNA. Jednostką cukrową w RNA jest ryboza, a nie deoksyryboza jak w przypadku DNA. Kwas rybonukleinowy, zatem, zbudowany jest z czterech rodzajów nukleozydów: adenozyny (AMP), guanozyny (GMP), cytydyny (CMP) oraz uracylu (UMP). Istotną różnicą jest to, że jedną z czterech zasad jest uracyl zamiast tyminy. Uracyl paruje komplementarnie z adeniną, tworząc dwa wiązania wodorowe, różniąc się od tyminy występowaniem grupy metylowej. Cząsteczki RNA występują w formie jedno- i dwuniciowej. Cząsteczki dwuniciowego RNA (dsRNA) nie mogą tworzyć tak regularnej struktury jak w przypadku B-DNA, ze względu na występowanie grupy hydroksylowej przy 2 atomie węgla rybozy.

Zazwyczaj jednak RNA występuje w postaci jednoniciowego (ssRNA), silnie pofałdowanego polinukleotydu zawierającego odcinki dwuniciowe i tworzącego skomplikowane struktury przestrzenne. W przeciwieństwie do DNA stosunek zasad azotowych purynowych do pirymidynowych w cząsteczce jednoniciowego RNA nie jest zachowany.

2. Rodzaje RNA

Wyróżnia się kilka rodzajów RNA. DNA zawiera w sobie informację o każdym z rodzajów RNA (z pominięciem wirusów). W procesie transkrypcji (syntezy RNA) są tworzone prekursory poszczególnych klas RNA (preRNA), które ulegają później obróbkom potranskrypcyjnym. Istnieją trzy podstawowe grupy RNA - informacyjny RNA (mRNA), transportujący RNA (tRNA) oraz rybosomalny (rRNA), wszystkie wiążą się z procesem ekspresji informacji genetycznej.

a.) mRNA - (ang. messenger RNA) - jest pojedynczą cząsteczką RNA (ssRNA), która jest nośnikiem informacji genetycznej, zawartej w postaci sekwencji zasad azotowych w cząsteczce. Na jej podstawie polimeryzowane są aminokwasy wg określonej kolejności - dzięki temu procesowi powstaje produkt końcowy ekspresji informacji genetycznej - białko. Bezpośredni produkt transkrypcji - prekursorowy RNA ("pierwotny transkrypt") podlega późniejszym obróbkom potranskrypcyjnym. Szczególnie w przypadku organizmów Eukariotycznych (jądrowych) w procesie splicingu, (wycinania intronów) są wycinane niekodujące części RNA oraz dołączane elementy stabilizujące - od końca 5' "czapeczkę" (ang. cap - będącą zmodyfikowanym nukleotydem guanylowym) oraz na 3' końcu - "ogon poli-(A)" zawierający 200-250 nukleotydów adenylowych. Taka operacja zapobiega degradacji mRNA przez enzymy tnące łańcuch kwasu rybonukleinowego - RNA-zy.

b.) tRNA - zwany transferowym RNA, związany z enzymem - syntetazą aminoacylo-tRNA, służy do odczytywania kodu genetycznego i transportu odpowiednich aminokwasów do - rybosomu, w trakcie procesu translacji. Cząsteczki tRNA zbudowane są z ok. 75 nukleotydów, podobnie jak mRNA wytwarzane są one w wyniku obróbki cząsteczki pierwotnego transkryptu. W skład cząsteczki wchodzą również zmodyfikowane zasady azotowe (np.: dihydrourydyna, pseudourydyna). W każdej komórce znajduje się przynajmniej 20 rodzajów cząsteczek tRNA i przynajmniej jedna odpowiada swoistemu aminokwasowi. Cząsteczki tRNA posiadają cztery dwuniciowe obszary pozwalające wytworzyć drugorzędową strukturę podobną do liścia koniczyny. W cząsteczce tRNA można wyróżnić 4 główne ramiona. Ramię akceptorowe składa się z szypuły utworzonej ze sparowanych zasad, które kończy się sekwencją CCA (5'-3'). Grupa 3'-hydroksylowa reszty adenylowej wiąże się z grupą karboksylową odpowiednich dla danej cząsteczki tRNA aminokwasów wiązaniem estrowym. Pozostałe ramiona posiadają szypuły ze sparowanych zasad i na końcu pętle zawierające zasady niesparowane. Pętla ramienia antykodonowego posiada sekwencję antykodonową, decydującą o specyficzności cząsteczki tRNA w procesie translacji. Sekwencja antykodonowa rozpoznaje komplementarny tryplet nukleotydów tworzących kodon, na cząsteczce mRNA - w taki sposób następuje odczyt informacji genetycznej. Ramiona DHU i T C zostały nazwane od sekwencji, w których występują nietypowe nukleotydy wchodzących w skład ich końcowych pętli.

Istnieje jeszcze dodatkowe ramię, które w zależności od klasy tRNA posiada różną liczbę par zasad (Klasa 1 tRNA - ok. 75% wszystkich 3-5 pz, natomiast Klasa 2 - 13-21 pz). Stałą strukturę drugorzędową utrzymują komplementarne zasady we wszystkich ramionach tRNA.

c.) rRNA , czyli rybosomalne RNA - to grupa kwasów rybonukleinowych wchodzących w skład rybosomu, a więc kompleksu enzymatycznego odpowiedzialnego za syntezę polipeptydu - translację. Odkryto kilka klas rRNA, które w większości przypadków przyjmują złożoną strukturę drugorzędową łącząc się z polipeptydami wchodzącymi w skład poszczególnych podjednostek rybosomu. Przykładem może posłużyć 16S rRNA, które rozpoznaje miejsce "start" w cząsteczce mRNA, natomiast 23S rRNA oddziałuje z ramieniem akceptorowym cząsteczki tRNA. Inne cząsteczki L7 i L12 rRNA, wchodzące w skład rybosomu posiadają zdolności autokatalityczne - mogą prowadzić reakcje enzymatyczne nawet bez udziału innych białek oraz rRNA rybosomu.

Podobnie jak poprzednie klasy RNA, rRNA powstaje z pierwotnego transkryptu na drodze obróbki potranskrypcyjnej.

3. Inne rodzaje RNA - Oprócz trzech podstawowych klas RNA można wspomnieć o istnieniu snRNA (ang. small nuclear RNA ) i scRNA (ang. small cytoplasmic RNA ) - małych cząsteczek rybonukleinowych, których długość nie przekracza 300 nukleotydów. Biorą udział w procesach obróbki pierwotnego transkryptu takich jak splicing editing, czy poliadenylacja 3'końca.

Właściwości fizyko-chemiczne kwasów nukleinowych

Kwasy nukleinowe rozpuszczają się w wodzie w środowisku zasadowym i obojętnym, natomiast ulegają wytrąceniu z roztworu w środowisku kwaśnym (poniżej wartości pH=5). Powyżej wartości pH=7 ich makrocząsteczki obdarzone są silnym ładunkiem ujemnym, na skutek całkowitej dysocjacji reszt fos foranowych. W polu elektrycznym (elektroforezie) migrują w kierunku elektrody dodatniej. Zniszczenie struktury drugorzędowej (denaturacja) zachodzi podczas działania wysokiej temperatury, działaniu mocnych kwasów i z asad oraz rozpuszczalników organicznych. Denaturację wywołują także inne substancje, takie jak mocznik, formamid, czy formaldehyd. Termiczna denaturacja w przebiega skokowo i jest uzależniona od stosunku par G-C do A-T(U) (związane jest to z różnicą w ilością wiązań wodorowych pomiędzy zasadami komplementarnymi). Temperatura ta jest charakterystyczna dla cząsteczek dwuniciowych - w szczególności DNA i jest określana mianem temperat ury topnienia. Stopniowe obniżanie temperatury prowadzi do renaturacji - odtworzenia struktury dwuniciowej. Całkowita hydroliza (rozpad pod wpływem wody) kwasów nukleinowych zachodzi w środowisku silnie kwaśnym, przy czym hydroliza RNA jest również możliw a w środowisku zasadowym.

Zakończenie

Kwasy nukleinowe odgrywają kluczową rolę w życiu każdego organizmu. Są nośnikiem puli informacji genetycznej, zawartej w genach i specyficznej dla danego organizmu, która jest przekazywana potomstwu. Mechanizmy dziedziczenia, odczytu i r egulacji tej informacji są uzależnione od wielu czynników związanych z rodzajem organizmu, jego stanu fizjologicznego i warunków, w których żyje.

BIAŁKA

Angielska nazwa białek - proteins, pochodzi od greckiego słowa - protos, co oznacza "pierwszy". Nazwa trafnie oddaje znaczenie białek, gdyż ze wszystkich związków chemicznych one właśnie zajmują pierwsze miejsce, pod względem różnorodności funkcji, jakie spełniają w przyrodzie. Są "substancją życia", gdyż stanowią znaczną część organizmów, utrzymują jego kształt i zapewniają funkcjonowanie. Obecność białek stwierdzono we wszystkich komórkach żywych, a także u wirusów jako istotny składnik ich "organizmu". Białka są głównym elementem budulcowym skóry, mięśni, ścięgien, nerwów, krwi, a ponadto niezliczonej ilości enzymów, receptorów, przeciwciał i wielu hormonów. Białka są syntetyzowane na podstawie DNA, ich budowa oraz związana z nią struktura jest uwarunkowana kolejnością zasad azotowych w łańcuchu cząsteczki kwasu nukleinowego. Białka, podobnie jak kwasy nukleinowe są wielkocząsteczkowymi polimerami, złożonymi z liniowo połączonych cząsteczek aminokwasów. Liczba kombinacji 20 rodzajów aminokwasów (występujących w przyrodzie), dla przeciętnego białka jest praktycznie nieskończona.

Do utworzenia i utrzymania przy życiu organizmu jest potrzebne wiele dziesiątków tysięcy różnych białek - w zależności od komplikacji budowy tego organizmu (Tab.).

Budowa białek

Białka powstają w wyniku polikondensacji-L-aminokwasów. Reakcja ta zachodzi przy udziale wyspecjalizowanych kompleksów enzymatycznych - rybosomów, we wszystkich komórkach organizmów żywych i jest określana mianem translacji.

Na podstawie kodu genetycznego są syntetyzowane polipeptydy o ściśle określonej sekwencji aminokwasów. W zależności od liczby aminokwasów, można wyróżnić dipeptydy, tripeptydy itd. Dla peptydów utworzonych z kilku do kilkunastu aminokwasów stosuje się ogólną nazwę - oligopeptydy, natomiast dla cząsteczek zbudowanych z kilkudziesięciu (do ok. 100) aminokwasów - polipeptydy. Białka to związki wielkocząsteczkowe (makromolekularne), których pojedyncze łańcuchy polipeptydowe mogą dochodzić do ponad 1000 cząsteczek aminokwasów.

Opis cząsteczki	Wygląd cząsteczki	Liczba aminokwasów
Peptydy		od 2
Oligopeptydy		kilka - kilkanaście
Polipeptydy		poniżej 100
Białka		powyżej 100

Duże białka mogą zawierać kilka takich łańcuchów, a w przypadku białek złożonych - także elementy niebiałkowe (np.: reszty cukrowe, lipidowe lub jony metali). Peptydy są amidami utworzonymi w wyniku rekcji grup aminowych z grupami karboksylowymi aminokwasów, wiązanie chemiczne występujące w tych związkach jest określone mianem wiązania peptydowego. Wyróżniono dwa końce cząsteczki:

N-terminalny, ze względu na wolną grupę aminową (⁺H₃N-), zapisywaną z lewej, oraz C-terminalną oznaczającą grupę karboksylową ( -COO^- ), którą zapisuję się z prawej strony cząsteczki. Oba końce cząsteczki są reaktywne. Ułożenie poszczególnych aminokwasów w łańcuchu zapisuje się, stosując skróty trzy-, lub jednoliterowe. Wzór cząsteczki peptydu można zatem sobie wyobrazić jako łańcuch szeregowo ułożonych wiązań peptydowych, porozdzielanych "węzłami" atomów węgla, od których odchodzą boczne łańcuchy - reszty aminokwasowi.


Właśnie te boczne odgałęzienia reszt aminokwasowych, dzięki swej różnorodności chemicznej decydują o reaktywności, kształcie i funkcji cząsteczki polipeptydu. Rodzaj i wzajemne powiązania aminokwasów wchodzących w skład łańcucha polipeptydowego decydują o charakterze, funkcji i właściwościach fizyko-chemicznych cząsteczki. Skomplikowaną budowę białek opisuje się stosując umownie 4 poziomy organizacji strukturalnej cząsteczki, określane "rzędowością".

Pojęcia stosowane do opisu cząsteczki			Obraz cząsteczki
Sekwencja aminokwasów	Struktura pierwszorzędowa
Konformacja	Struktura drugorzędowa	Typy struktur:
				Motywy strukturalne:	Motyw 
		Struktura trzeciorzędowa		Domena
		Struktura czwartorzędowa

Oddziaływania reszt aminokwasowych pomiędzy sobą implikują powstanie struktur drugo-, trzecio- , a nawet czwartorzędowych - w przypadku białek składających się z kilku łańcuchów polipeptydowych. Długi łańcuch polipeptydowy nie może występować w roztworze, w formie całkowicie rozciągniętej - ulega on pofałdowaniu. Proces fałdowania białek (ang. folding), czyli tworzenia struktur wyższego rzędu odgrywa ogromną rolę, gdyż przestrzenne ułożenie łańcucha polipeptydowego (jego konformacja) decyduje w znacznej mierze o funkcji białka w organizmie. Fałdowanie łańcucha polipeptydowego może zachodzić spontanicznie, natomiast w większości przypadków odbywa się przy udziale wyspecjalizowanych białek - czaperonów. Konformacja, w jakiej białko występuje i funkcjonuje w organizmie nosi nazwę konformacji natywnej. Proces, w którym zostaje zniszczona konformacja przestrzenna białka nazywamy denaturacją. Większość środków denaturujących uszkadza bezpowrotnie struktury wyższego rzędu, przy zachowaniu struktury pierwszorzędowej.

1. Struktura pierwszorzędowa - czyli najniższy poziom organizacji strukturalnej cząsteczki jest wyznaczona przez sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Jest ona uwarunkowana jeszcze zanim zostanie zsyntetyzowany łańcuch polipeptydowy, gdyż informacja o kolejności aminokwasów w cząsteczce białka jest zakodowana w DNA, w postaci sekwencji nukleotydowej. Dzięki procesom transkrypcji, a później translacji sekwencja nukleotydowa zostaje odczytana w trakcie syntezy odpowiedniego polipeptydu.

2. Struktura drugorzędowa - są to typy regularnego ułożenia głównego łańcucha polipeptydowego stabilizowane wiązaniami wodorowymi. Struktura drugorzędowa jest uwarunkowana przede wszystkim właściwościami wiązania peptydowego. Jego rzeczywista struktura jest pośrednia pomiędzy dwoma formami ,

wskutek czego wiązanie pomiędzy atomem węgla grupy karbonylowej, a atomem azotu ma częściowo charakter wiązania podwójnego. Oznacza to, że wiązanie peptydowe, wraz z przyległymi atomami - C_ , tworzy strukturę płaską. Pozostaje jedynie możliwość obrotu wokół wiązania C-C_ oraz C_ Wielkość rotacji w głównym łańcuchu przy wiązaniu między atomami węgla  i azotu określa kąt torsyjny  (fi), a pomiędzy węglem a i węglem karbonylowym - kąt  (psi).

Konformacja głównego łańcucha jest w pełni określona, gdy dla każdej reszty aminokwasowej ustalono wartości kątów  i  .  Reszta aminokwasowa w łańcuchu polipeptydowym nie może przyjmować dowolnej pary wartości  i  , gdyż pewne kombinacje tych wartości są całkowicie niemożliwe ze względu na zawadę przestrzenną pomiędzy grupami funkcyjnymi sąsiadujących aminokwasów. Odkryto dwa podstawowe, regularne układy drugorzędowe występujące powszechnie w strukturze białek. Są to struktury  -helisy i  -harmonijki.

a.) Struktura  -helisy, odkryta jako pierwsza, ma kształt cylindra. Ciasno spleciony łańcuch główny polipeptydu tworzy centralną część cylindra, natomiast boczne łańcuchy reszt aminokwasowych wystają na zewnątrz w ułożeniu helikalnym.

Struktura  -helisy jest dodatkowo stabilizowana wiązaniami wodorowymi grup

NH i CO głównego łańcucha. Grupa CO każdego aminokwasu wiąże się wiązaniem wodorowym z grupą NH, aminokwasu odległego do przodu o cztery reszty aminokwasowe i leżącego bezpośrednio nad nią. Rezultatem tego jest fakt, że wszystkie grupy CO i NH łańcucha głównego są połączone wiązaniem wodorowym.

Każda reszta aminokwasowa jest przesunięta w stosunku do sąsiedniej o 0,15 nm wzdłuż osi helisy i obrócona o 100^o wokół osi. Na jeden obrót helisy przypada zatem 3,6 reszt aminokwasowych. Skok helisy wynosi wtedy 0,54 nm.

Helisa, podobnie jak każda śruba może być zarówno prawo, jak i lewoskrętna. W białkach występuje głównie struktura helisy prawoskrętnej.  -Helisa charakteryzuje się także polarnością. Jej budowa sugeruje, że jest dipolem - wewnętrzny niepolarny rdzeń oraz polarne reszty aminokwasowe wystawione na zewnątrz cząsteczki.

b.) Struktura  -harmonijki ( -kartki) - W odróżnieniu od cylindrycznej struktury

 -helisy, cząsteczka polipeptydu przyjmuje kształt, prawie całkowicie rozciągnięty.

W uformowaniu struktury  -harmonijki, może brać udział więcej niż jeden łańcuch polipeptydowy. Odległość sąsiednich aminokwasów wzdłuż osi cząsteczki wynosi 0,35 nm (w  -helisie - 0,15 nm). Harmonijkę  stabilizują wiązania wodorowe pomiędzy grupami CO i NH, leżącymi w jednej płaszczyźnie obok siebie

i niekoniecznie pochodzących ze wspólnego łańcucha polipeptydowego.

Sąsiadujące ze sobą łańcuchy mogą być ułożone w jednym kierunku (równoległa  harmonijka) lub w kierunku przeciwnym (antyrównoległa  harmonijka).

c.) Istnieje także struktura trójniciowej helisy, występującej wyłącznie w białku powszechnie występującym u ssaków - kolagenie. Struktura ta składa się z trzech łańcuchów polipeptydowych o bardzo regularnej strukturze aminokwasowej. Często powtarzająca się sekwencja: glicyna-prolina-hydroksyprolina (nietypowy aminokwas) (zobacz i prorównaj: aminokwasy) warunkuje powstawanie struktury drugorzędowej.

W obrębie pojedynczego łańcucha nie występują wiązania wodorowe, za to każdy z trzech łańcuchów helikarnych jest stabilizowany przez odpychanie się pierścieni pirolidynowych proliny i hydroksyproliny (zobacz i prorównaj:aminokwasy), ponadto są tworzone wiązania wodorowe pomiędzy sąsiadującymi aminokwasami każdego z łańcuchów. Trzy nici skręcają się wokół siebie tworząc strukturę superhelikalnej liny.

Typy struktur drugorzędowych:  -helisy i  -harmonijki występują prawie we wszystkich białkach i mogą oddziaływać pomiędzy sobą tworząc bardziej złożone struktury drugorzędowe zwane motywami.

d.)Motywy strukturalne, powstają wskutek asocjacji helis  lub  struktur, pełniąc kluczową rolę w procesie fałdowania się białka. Powodem, dla którego zachodzi to zjawisko, jest dążenie tych struktur do minimalizacji ekspozycji reszt hydrofobowych w kierunku wody, a także konieczność tworzenia wiązań wodorowych pomiędzy grupami hydrofilowymi (polarnymi) w celu stabilizacji struktur, kosztem dogodnego energetycznie oddziaływania z polarnym rozpuszczalnikiem - wodą. Najbardziej powszechnie występującym motywem  , wśród białek jest motyw "szpilki do włosów" (ang. harpin loop). Ten motyw jest zbudowany z jednego łańcucha polipeptydowego, przyjmującego antyrównoległą strukturę typu  -harmonijki. Struktura taka tworzy się dzięki tworzeniu się wiązań wodorowych pomiędzy grupą -CO reszty n aminokwasu, a grupą -NH reszty n + 3 aminokwasowej, powodując natychmiastowe odwrócenie się kierunku łańcucha i ułożenie antyrównoległe struktury  -harmonijki.

Innym przykładem bardziej złożonej struktury opierającej się na strukturze  -harmonijki jest motyw "klucza greckiego". Jest to bardziej rozbudowany motyw "szpilki do włosów", gdzie jeden łańcuch polipeptydowy tworzy ze sobą cztery struktury  -harmonijki ułożone względem siebie antyrównoległe.

Struktura  -helisy podobnie jak  -harmonijki tworzy własne motywy strukturalne. Najczęściej jest to motyw "heliks-pętla-heliks" (ang. helix-turn-helix) występujący głównie w białkach wiążących się

z DNA

(za pomocą tzw. "palców cynkowych").

Innym przykładem motywów  , wiążących się z kwasami nukleinowymi są struktury tzw. "suwaków leucynowych", zbudowanych z dwóch oplecionych ze sobą  helis, bogatych w leucynę. Zasadowy charakter takiej struktury implikuje powinowactwo do DNA, który ma odczyn kwaśny.

Oprócz motywów jednorodnych (wyłącznie  lub  helikalnych), występują struktury mieszane typu  / , przykładem może posłużyć motyw , w którym pomiędzy dwoma ułożonymi równolegle łańcuchami struktury  -harmonijki znajduje się  -helisa. Hydrofobowa strona łańcuchów  jest ciasno upakowana i kontaktuje z hydrofobową stroną  -helisy.

Dotychczas zostały omówione motywy powstające z jednego łańcucha polipeptydowego. Białka są zbudowane zazwyczaj z kilku łańcuchów, fałdujących się niezależnie od siebie i pomiędzy którymi również formują się swego rodzaju motywy, zwane domenami, będące często składnikami części funkcjonalnych białek (Np. centrum katalitycznym enzymów). Można wyróżnić domeny składające się z czterech struktur  -helikalnych tworzących złożony motyw "heliks-pętla-heliks", ułożonych wzajemnie równolegle, w ten sposób, że reszty aminokwasowe poszczególnych łańcuchów zazębiają się między sobą tworząc przestrzeń hydrofobową w centralnej części domeny. Inną, bardzo podobną strukturą, charakterystyczną dla białek globularnych - jest domena "globinowa". Powstaje ona w wyniku dopasowania grzbietów jednej struktury  -helikarnej w grzbiet drugiej. Dwie preferowane orientacje to te, których kąt pomiędzy osiami sąsiednich helis wynosi +20^o lub - 50^o. W wyniku takiego ułożenia  -helis powstaje centrum hydrofobowe.

Domeny są tworzone także przez motywy  -harmonijki. Przykładem może posłużyć "baryłka typu  ", gdzie centrum hydrofobowe jest osłonięte przez powtarzające się motywy  - "klucza greckiego".

Domeny typu "rolada" - występujące najczęściej w białkach regulatorowych i będącymi bardziej skomplikowanymi motywami typu "klucz grecki".

Omówione powyżej struktury drugorzędowe przedstawiają tylko część możliwych kombinacji motywów  i  występujących w białkach. Wyższym stopniem komplikacji budowy łańcuchów polipeptydowych są struktury trzeciorzędowe.

3. Struktura trzeciorzędowa powstaje w wyniku oddziaływania poszczególnych reszt aminokwasowych pomiędzy sobą. Oprócz wiązań wodorowych

, mogą zostać utworzone tzw. "mostki solne" - w reakcji pomiędzy grupami funkcyjnymi pochodzącymi od  aminokwasów kwaśnych (Np.: kwas glutaminowy) i zasadowych (Np.: arginina).

Bardzo charakterystycznym przykładem wiązań stabilizujących trzeciorzędową strukturę białek są tzw. "mostki dwusiarczkowe",

powstające pomiędzy dwiema resztami cysteinowymi (zobacz i porównaj: aminokwasy). Innymi możliwymi interakcjami pomiędzy grupami aminokwasowymi są oddziaływania apolarnych reszt będące przykładem oddziaływania tzw. sił van der Waalsa. Są to oddziaływania pomiędzy aminokwasami zawierającymi silnie hydrofobowe grupy funkcyjne

(Np.: fenyloalanina-fenyloalanina).

Kolejnymi ważnymi czynnikami warunkującym strukturę trzeciorzędową są oddziaływania reszt aminokwasowych z rozpuszczalnikiem. Ostateczna konformacja białek rozpuszczalnych w wodzie jest taka, że większość apolarnych reszt aminokwasowych koncentruje się we wnętrzu cząsteczki, wypychając z niej wodę, natomiast reszty polarne - niosące ładunek elektryczny wysuwają się na zewnątrz i ulegają hydratacji (zobacz rysunek). Cząsteczka białka jest otoczona warstwą związanej wody hydratacyjnej.

4. Struktura czwartorzędowa jest charakterystyczna dla białek oligomerycznych. (zawierających kilka podjednostek). Podjednostki białek są to niezależnie sfałdowane łańcuchy polipeptydowe lub całe białka, będące tylko składnikiem dużego kompleksu białkowego. Podobny zestaw oddziaływań reszt aminokwasowych pomiędzy sobą

oraz z rozpuszczalnikiem jest charakterystyczny dla czynników stabilizujących strukturę czwartorzędową białek oligomerycznych. Często się zdarza, że powierzchnie styku poszczególnych podjednostek oligomeru zawierają dużą ilość aminokwasów hydrofobowych. Efektem tego jest "sklejenie" podjednostek i "uszczelnienie" przed wniknięciem rozpuszczalnika. Rozbicie podjednostek oznacza destabilizację dalszych struktur, gdyż jest to wysoce niekorzystne energetycznie ponieważ zachodzi kontakt

z polarnym rozpuszczalnikiem. Struktura czwartorzędowa staje się szczególnie trwała gdy podjednostki wiążą się "mostkami" dwusiarczkowymi lub solnymi.

Podobieństwo pomiędzy poszczególnymi motywami, domenami lub podjednostkami, wskazuje na silne dążenie do konserwowania (utrwalania) "udanych funkcjonalnie" struktur białkowych w trakcie ewolucji. Jest to najlepszy i najszybszy sposób tworzenia nowych struktur - z już wcześniej dostępnych, lecz w odmiennej kombinacji. Gdyby ewolucja szła drogą kombinatoryki i szukała wszystkich możliwych kombinacji konformacji struktur białka i zakładając przeciętny czas fałdowania się (foldingu) białka ok. 10^-1 - 10^-2 s to czas potrzebny na wypróbowanie wszystkich możliwości wyniósłby w przybliżeniu 10¹⁰⁰ lat.

Tworzenie nowych białek polega na składaniu genów kodujących struktury już istniejące. Utworzenie w pełni funkcjonalnego białka odbywa się w trakcie  modyfikacji potranslacyjnej, w której są dodawane inne, niebiałkowe elementy struktury. W tym procesie formowany jest ostateczny kształt białka w wyniku jego przebudowy. Wszystkie te czynności nie przebiegają spontanicznie i są przeprowadzane dzięki wyspecjalizowanym enzymom. Jako przykład mogą posłużyć specyficzne białka - czaperony ("białka opiekuńcze"), które kontrolują proces właściwego fałdowania się łańcucha polipeptydowego. Odpowiedzialne są one także, za usuwanie nieprawidłowo sfałdowanych łańcuchów, wykazując zdolność do tworzenia kompleksów ze źle uformowanym białkiem i zwiększając podatność takiego konglomeratu na działanie enzymów proteolitycznych.

Modyfikacje potranslacyjne

1. Obróbka proteolityczna odbywa się przy pomocy enzymów zwanych peptydazami, które są odpowiedzialne za cięcie łańcuchów polipeptydowych na końcu łańcucha (egzopeptydazy) lub w jego środku (endopeptydazy). Większość tych enzymów jest bardzo specyficzna - rozpoznają one miejsce cięcia na podstawie sekwencji aminokwasowej. Dobrym przykładem może posłużyć proinsulina, której pierwotny łańcuch polipeptydowy jest przecinany w określonych miejscach, następnie dwa produkty są łączone za pomocą "mostków" dwusiarczkowych.

Istnieje kilka innych przykładów obróbek proteolitycznych:

- aktywacja białka, poprzez wycięcie niepotrzebnego fragmentu łańcucha polipeptydowego

- usunięcie sekwencji liderowych (fragmentów łańcucha, które kierują białko do odpowiedniego przedziału komórkowego)

- w przypadku poliprotein płaszcza niektórych wirusów - pocięcie na fragmenty, aktywuje każdy z otrzymanych fragmentów

- rzadko występujący splicing polipeptydowy (podobnie jak obróbka preRNA) - wycinanie fragmentów ze środka łańcucha polipeptydowego

- usuwanie pierwszego podstawnika (metioniny lub formylometioniny) występujące u prawie 50% wszystkich białek

2. N-acetylacja , N-formylacja, N-metylacja są rodzajami modyfikacji potranslacyjnych białek, w których następuje przyłączenie do N-końca łańcucha polipeptydowego grup acetylowych (acetylacja), metylowych (metylacja) lub metioniny (formylacja).

3. Glikozylacja - w tym procesie następuje dołączenie reszt cukrowcowych do białek (Np.: białek błonowych).

4. Hydroksylacja - w przypadku aminokwasów proliny i lizyny - dołączenie

grupy -OH (Rys).

5. Poli (ADP)-rybozylacja - dołączanie reszt adeninowych.

6. Fosforylacja - aktywacja białka poprzez dołączenie reszty fosforanowej przez specyficzne enzymy - kinazy. Bardzo powszechnie występujące wśród białek (Np.: czynniki transkrypcyjne).

7. Defosforylacja - deaktywacja białka przez usunięcie reszty fosforanowej przez specyficzne enzymy - fosfatazy.

8. Ubikwitynacja - (u organizmów Eukariotycznych) dołączenie innego białka - ubikwityny powoduje, że białko jest przeznaczone do degradacji. W procesie ubikwitynacji są usuwane (degradowane) białka źle sfałdowane, wadliwe oraz takie których "życie" dobiegło końca. Czas półtrwania białka jest zależny od rodzajów aminokwasów występujących na jego N-końcu.

9. Modyfikacja potranslacyjna białek obejmuje także procesy dołączania reszt lipidowych (lipoproteiny), a także jonów metali (w przypadku białek złożonych), które za pomocą wiązań jonowych łączą się z odpowiednimi grupami funkcyjnymi aminokwasów i stanowią centra aktywne dla wielu enzymów (np.: hemoglobina - Fe).

Heterogenność składu aminokwasowego, tworzonych struktur, rodzajów modyfikacji, a także połączeń z innymi niebiałkowymi substancjami implikuję ogromną różnorodność funkcji, które białka pełnią w organizmie, a także ich właściwości fizyko-chemicznych.

Właściwości białek

Właściwości fizyko-chemiczne białek są pochodną ich sekwencji i są ściśle powiązane z funkcją jaką pełnią w organizmie. Rozpuszczalność białek w roztworach jest uzależniona od wzajemnego stosunku aminokwasów hydrofobowych i hydrofilowych. Do nierozpuszczalnych w wodzie należą skleroproteiny tkanki łącznej (rogi, paznokcie, włosy) oraz białka wchodzące w skład błon lipidowych (receptory błonowe). Przykładem rozpuszczalnych w wodzie, są białka osocza krwi (globuliny). Wskutek dużych rozmiarów cząsteczek (kilka - kilkaset nanometrów), ich wodne roztwory wykazują typowe właściwości koloidów hydrofilowych. O rozpuszczalności decyduje przede wszystkim zdolność do hydratacji. Białko w stanie stałym zmieszane z małą ilością wody tworzy galaretowaty żel. W miarę dodawania rozpuszczalnika białka rozpuszczają się bardziej i powstaje zol.

Charakteryzuje się on wysoką lepkością, obniżonym napięciem powierzchniowym, rozpraszaniem światła (efekt Tyndalla), aktywnością koloido-osmotyczną oraz podatnością na koagulację - zmianę żel-zol pod wpływem różnych czynników.

Czynnikiem poprawiającym rozpuszczalność większości białek są niskie stężenia soli, natomiast pod wpływem wysokich stężeń soli, niektórych kwasów

(kw. trichlorooctowy), soli metali ciężkich, rozpuszczalników organicznych (chloroform), a także wysokiej temperatury (>50^oC) następuje ich wytrącenie z roztworu. Białka wykazują także właściwości kwasowo-zasadowe, gdyż ich składniki - aminokwasy posiadają grupy funkcyjne zdolne do jonizacji. Przy pewnej charakterystycznej dla każdego białka wartości pH, nazywanej punktem izoelektrycznym, cząsteczki mają zerowy ładunek. Przy tej wartości rozpuszczalność większości białek osiąga minimum. Przy wartościach pH, różnych od punktu izoelektrycznego, proteiny występują w roztworze w postaci makrojonów, przez co mogą poruszać się w polu elektrycznym (elektroforeza). Roztwory białek działają buforująco w szerokich zakresach pH. Ponadto białka ulegają specyficznym rekcjom uwarunkowanym obecnością różnych grup funkcyjnych aminokwasów.

Podział białek

W zależności od swoich właściwości fizyko-chemicznych oraz pełnionych funkcji białka dzielimy na:

Białka (ze względu na komplikację budowy):

- proste (cząsteczki są zbudowane wyłącznie z łańcuchów polipeptydowych)

- złożone (cząsteczki zawierają oprócz łańcuchów polipeptydowych, trwale wbudowany składnik niepeptydowy Np.: jon metalu - hemoglobina)

 część białkowa - apoenzym

 część niebiałkowa - koenzym

 

Białko (powiązanie budowy z funkcją):

- część funkcjonalna (zawierająca centrum katalityczne reakcji)

- część strukturalna (najczęściej hydrofobowa, kotwicząca białko w błonie lipidowej)

Białka: (ze względu na rozpuszczalność w wodzie)

- hydrofobowe (nierozpuszczalne - fibrylarne), występujące najczęściej w błonach komórkowych

- hydrofilowe (rozpuszczalne - globularne), występujące najczęściej w cytoplazmie

Białka: (ze względu na pełnione funkcje)

- enzymy - receptory

- zapasowe - strukturalne

- transportujące - przeciwciała (białka ochronne)

- kurczliwe - regulatorowe

- toksyny - ...

- hormony

Zakończenie

Złożoność form oraz wzajemnej korelacji wielu funkcji białek sprawia, że wyczerpujące opisanie i zbadanie tej najliczniejszej grupy związków organicznych wydaje się być niemożliwe. Związki te są powiązane z przeważającą większością procesów zachodzących w komórce. Białka wchodzą w skład wszystkich organellów komórkowych, a także są składnikami wirusów. Ze względu na tak ogromną różnorodność tych związków oraz procesów, w których uczestniczą zostały pominięte zagadnienia dotyczące funkcji białek w organizmie. Bliższe informacje na temat syntezy polipeptydów (translacji), a także innych zagadnień związanych z białkami, można znaleźć w innych rozdziałach niniejszego podręcznika.

---