Białka to ogromne i złożone cząsteczki. Ich masy molowe mieszczą się w granicach od około $10000$ do kilku mln gramów/mol. Białka pełnią wiele znaczących funkcji w przyrodzie, są kwintesencją życia, bez nich nie istnieją żadne znane ludzkości organizmy żywe.

Białka zbudowane są z reszt aminokwasówaminokwasaminokwasów – związków organicznych, posiadających co najmniej dwie grupy funkcyjnegrupa funkcyjnagrupy funkcyjne: $—\text{COOH}$ i $—{\text{NH}}_2$. Przykładem najprostszego aminokwasu występującego w przyrodzie jest leucyna. Model kulkowy leucyny wygląda następująco:

R17P3acBG30Hj

Na schemacie został przedstawiony aminokwas z podpisaną grupą aminową i karboksylową. Do atomu węgla przyłączone są atom wodoru, grupa aminowa ${\text{NH}}_2$, grupa karboksylowa $\text{COOH}$ oraz podstawnik, którym w przypadku leucyny jest nasycony, rozgałęziony łańcuch węglowodorowy zbudowany z grupy $\text{CH}$ podstawionej grupami etylową ${\text{CH}}_2{\text{CH}}_3$ oraz metylową ${\text{CH}}_3$.

Reszty aminokwasów łączą się ze sobą za pomocą wiązań peptydowychwiązania peptydowewiązań peptydowych, które powstają między grupą karboksylową pierwszego aminokwasu a grupą aminową drugiego aminokwasu. Można to zobrazować w następujący sposób:

RfJjtGjus80wt

Na schemacie przedstawiono sposób połączenia dwóch aminokwasów wiązaniem peptydowym. Ugrupowanie to tworzy się w reakcji grupy aminowej jednego aminokwasu z grupą karboksylową drugiego. Wiązanie to występuje pomiędzy atomem węgla połączonym za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz atomem azotu podstawionym atomem wodoru. Atomy $\text{C}$ $\text{O}$ pochodzą od pierwszego aminokwasu, zaś atomy $\text{N}$ $\text{H}$ od drugiego. Atom węgla tworzący wiązanie peptydowe podstawiony jest również atomem węgla związanym z atomem wodoru, grupą aminową ${\text{NH}}_2$ oraz podstawnikiem ${\text{R}}_1$. Z kolei atom azotu tworzący wiązanie peptydowe z wspomnianym atomem węgla łączy się również z atomem węgla związanym z atomem wodoru, grupą karboksylową $\text{COOH}$ oraz podstawnikiem ${\text{R}}_2$.

W ten sposób aminokwasy łączą się ze sobą i dzięki temu powstają sekwencje, które nazywamy białkami. Budowa struktur białkowych wykazuje pewną hierarchię, którą określa się rzędowością struktur białkowych. Wyróżnia się cztery rodzaje rzędowości:

• pierwszorzędowa;

• drugorzędowa;

• trzeciorzędowa;

• czwartorzędowa.

Jest wyznaczona poprzez kolejność aminokwasów w białku, które łączą się ze sobą za pomocą wiązań peptydowych. Żeby móc to sobie zobrazować, popatrzmy na kolejność liter w słowie:

Powstaje na skutek tworzenia się wiązań wodorowychwiązania wodorowewiązań wodorowych pomiędzy aminokwasami oddalonymi od siebie w szeregu aminokwasowym. Dochodzi wtedy do miejscowego fałdowania i zawijania się sznura aminokwasów. Do zobrazowania tego zagadnienia popatrzmy ponownie na nasze słowo:

Rfyu1vL4Vi0wi

Na ilustracji znajduje się zapis: BIAŁKO. Każda litera znajduje się w osobnym kwadracie. Kształty ułożone są jeden pod drugim. Liniami przerywanymi zaznaczono schematycznie wiązania wodorowe występujące między kwadratami, m.in. pierwszym a trzecim i trzecim a piątym.

W przypadku tej struktury, wyróżnia się dwa główne jej rodzaje: alfa helisę i beta kartkę.

Alfa helisa

Alfa helisa

Struktura $\alpha$-helisy wygląda jak zwinięta sprężyna. Wiązania wodorowe łączą co czwarty aminokwas. Powstaje wiązanie pomiędzy grupą $—\text{C}=\text{O}$ pierwszego aminokwasu a grupą $—\text{N}—\text{H}$ czwartego aminokwasu.

Rhv04QPIa5VQ5

Ilustracja przedstawiająca schematycznie strukturę alfa helisy. Helisa zbudowana jest z łańcucha peptydowego, to znaczy, łańcucha, który stanowią aminokwasy połączone ze sobą za pomocą wiązań peptydowych oraz stabilizowana przez wiązania wodorowe występujące z reguły pomiędzy atomami wodoru grup NH oraz atomami tlenu. Wiązanie wodorowe utworzone jest co cztery aminokwasy w łańcuch, co prowadzi do powstania helisy, skręconego kształtu, który to przypomina sprężynę.

Beta kartka

Beta kartka

Struktura $\beta$-kartki wyglądem przypomina kartkę papieru zwiniętą w harmonijkę. Wiązania wodorowe powstają pomiędzy aminokwasami występującymi w sąsiadujących ze sobą częściach sznurka aminokwasów. Jest on zwinięty w taki sposób, że mimo dużej odległości w sekwencji, aminokwasy mogą się połączyć.

Rq2XuuOQ7nysB

Ilustracja przedstawiająca strukturę beta kartki. Łańcuch polipeptydowy jest zgięty tak, że fragment przed zgięciem i za zgięciem są do siebie równoległe i mają kształt harmonijki lub przypominający dwa zygzaki. Na ilustracji zaznaczono atomy tlenu, wodoru, azotu i węgla tworzące wiązania peptydowe w łańcuchu oraz reszty aminokwasów symbolizowane literą R. Grupy NH oraz grupy karboksylowe budujące równoległe fragmenty łączą się za sobą za pomocą wiązań wodorowych.

Ten rodzaj struktury występuje, gdy kilka struktur drugorzędowych (alfa helisa i beta kartka) zacznie oddziaływać ze sobą nawzajem. Ich ułożenie w przestrzeni jest determinowane poprzez oddziaływania hydrofoboweoddziaływania hydrofoboweoddziaływania hydrofobowe, mostki disiarczkowemostki disiarczkowemostki disiarczkowe, wiązania jonowe lub siły van der Waalsasiły van der Waalsasiły van der Waalsa. 

RMB6bWzaSlbfU

Ilustracja przedstawiająca oddziaływania determinujące kształt struktury białka. Fragment białka, który reprezentowany jest przez helikalny łańcuch peptydowy, który to jest miejscami poskręcany, a poszczególne jego fragmenty w miejscach zwijania łączą wiązania. W tym wiązanie jonowe, oddziaływanie o najdalszym zasięgu. Wiązanie wodorowe o nieco mniejszym zasięgu. Wiązanie hydrofobowe o jeszcze mniejszym zasięgu i wreszcie mostek disiarczkowy, który to stanowi oddziaływanie o najkrótszym zasięgu i stanowią je łączące reszty aminokwasowe cysteiny dwa związane ze sobą atomy siarki.

RNwUGG9fEDAly

Na ilustracji znajduje się hasło: Białko jest polimerem. Słowa są w prostokątnych ramkach połączonych ze sobą liniami. Linie podpisane są: oddziaływanie hydrofobowe, wiązania jonowe, siły van der Waalsa.

Ciekawostka

Pierwszymi białkami, których strukturę poznano, jest hemoglobina i mioglobina. Dokonali tego Max Perutz i Sir John Cowdery Kendrew w $1958$ roku.

RqKNZKPW1opCY

Na zdjęciu znajduje sie starszy mężczyzna. Jest to John Kendrew z modelem mioglobiny. Model przypomina rząd stojących gęsto obok siebie cienkich słupków. Słupki są połączone ze sobą.

RWF5vV1zuFcaE

Na ilustracji znajduje się struktura mioglobiny. Białko tworzą liczne alfa helisy, struktura stabilizowana jest przez oddziaływania. Między helisami znajduje się hem.

Jest to wzajemny układ podjednostek białka w przestrzeni, czyli w momencie, gdy kilka struktur trzeciorzędowych połączy się razem, mamy do czynienia ze strukturą czwartorzędową. Podjednostki są osobnymi łańcuchami aminokwasowymi, posiadającymi już trzeciorzędową strukturę. Również ta struktura jest stabilizowana poprzez oddziaływania hydrofobowe, wiązania jonowe, siły van der Waalsa czy mostki disiarczkowe. Nie wszystkie jednak białka tworzą ten rodzaj struktury. Przykładem białka czwartorzędowego jest hemoglobina, która składa się aż z czterech podjednostek. Jej funkcją jest wiązanie tlenu i jego transport na duże odległości w organizmie.

R1JZxX12gmmIX

Ilustracja przedstawiająca model wstęgowy struktury hemoglobiny. Hemoglobina to białko mające postać licznych helis - sprężynek, splątanych ze sobą. W strukturze można wyróżnić cztery podjednostki, dwie alfa oraz dwie beta ułożone naprzemiennie w ten sposób, że tworzą trójwymiarową obręcz. Każda podjednostka to łańcuch polipeptydowy o określonej konformacji - przestrzennym zorganizmowaniu. W każdej z czterech podjednostek zlokalizowana jest jedna cząsteczka hemu z atomem centralnym, którym jest atom żelaza na drugim stopniu utlenienia. Cała makrocząsteczka tworzy białko o strukturze czwartorzędowej.

RPsv9jGmKZh6s

Ilustracja przedstawiająca schematycznie białko. Aminokwasy w łańcuchu stanowią poszczególne litery tworzące zdania. Litery znajdują się na niebieskich prostokatach, które to tworza poziome linie stanowiące wiązania peptydowe. Z kolei poszczególne słowa w zdanich łączą krzywe symbolizujące oddziaływania hydrofobowe, wiązania jonowe czy też siły van der Waalsa. Krzywe te łączą nie tylko liniowo słowa tworzące zdania, ale również fragmenty słów w taki sposób, że sturktura białka staje się splątana, co umożliwia mu przybranie odpowiedniej konformacji. Zdanie przedstawione na schemacie jest następujące. Białko jest polimerem. Jest zbudowane z reszt aminokwasów. Pełni wiele funkcji w ciele. I tak wiązania peptydowe występują pomiędzy literami tworzącymi słowo "jest", są to trzy wiązania. Z kolei oddziaływania stabilizujące strukturę białka występują, na przykład pomiędzy literą $\text{S}$ w słowie "jest" oraz literą $\text{P}$ w słowie "polimer", a także pomiędzy $\text{I}$ w słowie "pełni" oraz $\text{W}$ w słowie "wiele".

W ten sposób białka fałdują się i przybierają formy, dzięki którym mogą spełniać swoje funkcje. Zagadnienie rzędowości ich struktur jest bardzo istotne w celu zrozumienia, w jaki sposób budowa białek wpływa na ich działanie. W dużych i bardziej złożonych białkach, oprócz łańcuchów aminokwasowych, znajdują się także dodatkowe, niebiałkowe elementy, np. jony metali, reszty cukrowe, lipidy. Takie niebiałkowe składniki białek nazywane są inaczej grupą prostetyczną.

Słownik

Bibliografia

Doonan S., Zawadzki Z., Białka i peptydy, Warszawa 2008.

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