BiałkabiałkoBiałka pełnią wiele funkcji w świecie przyrody. Są składnikiem budulcowym organizmów, jak np. miozyna, która buduje mięśnie szkieletowe człowieka, czy keratyna, która jest głównym składnikiem ludzkiego włosa. Mogą również tworzyć hormony odpowiedzialne za prawidłowe funkcjonowanie organizmu ludzkiego, jak insulina utrzymująca odpowiedni dla całego ustroju poziom glukozy we krwi. Struktury białkowe są również enzymami, np. pepsyna ma za zadanie rozkład przyjmowanych do organizmu białek na prostsze związki, które mogą zostać wchłonięte w układzie pokarmowym. Dodatkowo mogą również transportować inne związki do dalszych części ciała jak hemoglobina, dostarczająca tlen do tkanek organizmu. Te wszystkie funkcje białek są możliwe dzięki ich strukturze. $\text{Na}$wet jej najmniejsza zmiana może doprowadzić do utraty pełnienia zadania przez określone białko.

Białka zbudowane są z aminokwasówaminokwasaminokwasów. Ich konstrukcję można scharakteryzować poprzez ich rzędowośćrzędowość białekrzędowość, czyli stopień zaawansowania budowy. Wyróżnia się cztery rodzaje struktur:

Każda z tych rzędowości jest stabilizowana przez różnego rodzaju oddziaływania. Teraz omówimy każdą z nich po kolei wraz z oddziaływaniami odpowiedzialnymi za stabilizację tej struktury.

Wiązania jonowe

Jest to oddziaływanie polegające na elektrostatycznym przyciąganiu się dwóch różnoimiennych jonów.

R1LBJvFFiqZJZ1

Na ilustracji jest chlorek sodu. Przy atomie sodu, po prawej stronie, znajduje się jedna kulka - elektron. Łączy się linią przerywaną z kulką znajdującą się po lewej stronie atomu chloru. Nad atomem chloru, pod nim oraz po jego prawej stronie po dwie kulki - elektrony. Od tej części obrazka jest strzałka w dół do kolejnego. Kation sodu i anion chloru - pomiędzy nimi są dwie kulki jedna pod drugą - elektrony. Pozostałe elektrony w anionie chloru są usytuowane bez zmian. Kulkę z symbolem sodu zaznaczono kolorem szarym, a chloru niebieskim. To zręby atomowe.

Atom sodu ($\text{Na}$) posiada jeden wolny elektron na swojej zewnętrznej powłoce elektronowej. Atom chloru ($\text{Cl}$) posiada 7 elektronów na swojej zewnętrznej powłoce elektronowej. Dla obu tych pierwiastków, taka sytuacja jest niekorzystna energetycznie i w momencie, kiedy zbliżają się do siebie, dochodzi do oddania jednego elektronu sodu dla chloru. Sód poprzez oddanie elektronu dostaje ładunek dodatni (+), a chlor po otrzymaniu elektronu posiada ładunek ujemny (-). Różnica elektrostatyczna która występuje sprawia, że oba jony przyciągają się do siebie.

W białkach występują najczęściej pomiędzy dodatnio naładowanymi grupami aminowymi a ujemnie naładowanymi grupami karboksylowymi.

R8UZbSRV9K9pd

Na ilustracji przedstawiono wiązanie jonowe w białkach. W strukturze pierwszorzędowej białka zaznaczono wiązanie jonowe: ${\mathrm{N}\mathrm{H}}_3^{+-}\mathrm{O}$.

Oddziaływania hydrofobowe

Oddziaływania te występują w cząsteczkach, które posiadają w swojej budowie regiony hydrofobowe i hydrofiloweregion hydrofilowyhydrofilowe. Regiony hydrofilowe to takie części cząsteczki, o których można powiedzieć, że „lubią” wodę, co naukowo znaczy – mają budowę polarną. Woda jest cząsteczką polarną, co oznacza, że w swojej cząsteczce ma ładunki elektryczne, rozłożone nierównomiernie. W myśl zasady: podobne rozpuszcza się w podobnym – w wodzie rozpuszczają się cząsteczki polarne. $\text{Na}$tomiast regiony hydrofobowe to takie części cząsteczki, które przeciwnie do regionów hydrofilowych „boją się wody”, czyli mają budowę niepolarną. Dzięki tej różnicy, występującej w związkach, może dochodzić do oddziaływań hydrofobowych. Polegają one na ograniczeniu dostępu do wody tym częściom cząsteczki, które są hydrofobowe. Jeżeli w jednej, dużej cząsteczce występują odpowiednio regiony hydrofobowe i hydrofilowe, to taka cząsteczka ulega zwijaniu i zmianom w położeniu do takiego stopnia, aby zmniejszyć kontakt z wodą odcinkom hydrofobowym. Używając obrazowego języka możemy stwierdzić, że cząsteczka na zewnątrz, czyli w kierunku cząsteczek wody, kieruje swoje hydrofilowe fragmenty, a fragmenty hydrofobowe chowa niejako do swojego wnętrza. Oddziaływania hydrofobowe zostały zaprezentowane na poniższym obrazku:

Siły van der Waalsa

Są to bardzo słabe oddziaływania pomiędzy atomami występującymi blisko siebie. Większość części białka jest upakowanych, dzięki czemu siły van der WaalsaSiły van der Waalsasiły van der Waalsa mogą między nimi zachodzić. Mają bardzo duże znaczenie w przyrodzie, ponieważ to dzięki nim zachodzi wiele procesów fizykochemicznych. Odpowiedzialne za budowę białek czy adsorpcjęadsorpcjaadsorpcję, są powszechnie występującymi oddziaływaniami. Odgrywają ważną rolę w oddziaływaniach białko‑białko, gdzie dochodzi do dopasowania, jak klucza do zamku. Przykładem takiej sytuacji jest rozpoznawanie antygenuantygenantygenu przez przeciwciałoprzeciwciałoprzeciwciało.

Wyróżnia się kilka rodzajów sił van der Waalsa:

• oddziaływanie dipoldipoldipol - dipol - dwie cząsteczki mające moment dipolowymoment dipolowymoment dipolowy przyciągają się,

• oddziaływanie dipol - dipol indukowany - jedna cząsteczka z momentem dipolowym indukuje moment dipolowy u drugiej cząsteczki i dochodzi do ich przyciągania,

• oddziaływanie dipol indukowany - dipol indukowany - obie cząsteczki nie posiadające momentu dipolowego uzyskują chwilowe momenty dipolowe i przyciągają się.

Wiązanie wodorowe

Jest rodzajem oddziaływania elektrostatycznego pomiędzy atomem wodoru a atomem elektroujemnym, który zawiera wolne pary elektronowe. W białkach wiązanie wodorowe powstaje pomiędzy grupą karbonylową jednego aminokwasu a grupą iminową drugiego aminokwasu. Rolą wiązania wodorowegowiązania wodorowewiązania wodorowego w białkach jest stabilizacja struktury alfa‑helisy i beta‑kartki.

RZSofMZz8MIY9

Na ilustracji przedstawiono oddziaływanie wodorowe w białku. W strukturze pierwszorzędowej białka zaznaczono wykropkowaną linią oddziaływanie pomiędzy atomem wodoru z grupy hydroksylowej, a atomem tlenu leżącym poniżej tej grupy.

Mostki disiarczkowe

Te struktury powstają, gdy dwie grupy tiolowe ($-\mathrm{SH}$) połączą się ze sobą. Grupy te mogą występować w dwóch różnych związkach albo w jednym. Odgrywają ważną rolę w fałdowaniu i stabilności wielu białek. Utrzymuje części białka razem stabilizując jego zwiniętą formę. Mostki disiarczkowe mogą również tworzyć centra hydrofobowe – regiony hydrofoboweregion hydrofobowyregiony hydrofobowe białka układają się wokół mostków disiarczkowych, tym samym ograniczając swój kontakt z wodą. Mostek disiarczkowy zaprezentowano na galerii poniżej.

R1Aj6OvJ9yyX6

Na ilustracji przedstawiono białko mające postać wstęgi tworzącej zakola. Po wewnętrznej stronie zakoli są połączone liniami dwie litery S - to atomy siarki. Tworzą one mostki.

R1Yk01tGufW8A

Na ilustracji jest wzór strukturalny cysteiny. Składa się z dwóch grup aminowych, dwóch grup hydroksylowych, dwóch atomów wodoru, dwóch atomów tlenu oraz dwóch atomów siarki.

W ten sposób zostały scharakteryzowane wszystkie oddziaływania stabilizujące struktury białkowe. Niektóre z nich są charakterystyczne dla konkretnej rzędowości białka, podczas gdy inne występują w kilku przypadkach. Istotą ich funkcji jest utrzymywanie takiej struktury białkowej (czyli prościej mówiąc takiego jego kształtu), które umożliwia wykonywanie danej czynności białka. Zerwanie tych wiązań powoduje zaburzenie struktury - białko nie może pełnić swojej funkcji.

Słownik

Bibliografia

Doonan S., Białka i peptydy, tłum. Z. Zawadzki, Warszawa 2008, wyd. 1.

Stryer L., Berg J. M., Tymoczko J. L., Biochemia. Część 1. Molekularny wzór życia, Warszawa 2009, wyd. 4.