Skład pierwiastkowy białek

Jak zbudowany jest organizm człowieka?

Organizm ludzki zbudowany jest głównie z wody (około $65\%$ masy ciała), związków organicznych (około $33\%$ masy ciała) oraz innych niż woda związków nieorganicznych. Wśród wspomnianych związków organicznych, najliczniejszą grupę stanowią tak zwane białka (około $20\%$ masy ciała).

Co to są białka i z jakich pierwiastków są zbudowane?

Białka to substancje złożone o stosunkowo skomplikowanej budowie.

Białka to związki chemiczne, których cząsteczki zbudowane są głównie z atomów węgla, wodoru, tlenu i azotu. Obecność wymienionych atomów pierwiastków chemicznych w strukturze białka potwierdziliśmy w doświadczeniu $1.$ W wyniku ogrzewania, białko pokryło się czarnym nalotem, którym był węgiel. Na ściankach probówki można było zaobserwować krople wody, której cząsteczki zbudowane są z atomów wodoru i tlenu. Zwilżony wodą uniwersalny papierek wskaźnikowy zmienił zabarwienie z żółtego na zielone, co wskazuje na obecność anionów wodorotlenkowych (${\text{OH}}^{-}$) i zasadowy odczyn roztworu. Aniony te powstały w wyniku reakcji amoniaku (uzyskanego w wyniku ogrzewania białka) z wodą.

${\text{NH}}_3+{\text{H}}_2\text{O}\leftrightarrows {{\text{NH}}_4}^{+}+{\text{OH}}^{-}$

W skład białek mogą również wchodzić inne pierwiastki chemiczne. Obecność w białku jednego z nich – siarki – również udało się potwierdzić w analizowanym doświadczeniu. Papierek ołowiowy służy bowiem do wykrywania anionów siarczkowych (${\text{S}}^{2-}$), a jego czarne zabarwienie świadczy o powstaniu praktycznie nierozpuszczalnej w wodzie soli, tj. siarczku ołowiu$\left(\text{II}\right)$. Równanie reakcji chemicznej, jaka zaszła na papierku ołowiowym, można zapisać w formie jonowej skróconej jako:

${\text{Pb}}^{2+}+{\text{S}}^{2-}\to \text{PbS}$

$\text{kationy} \text{ołowiu}\left(\text{II}\right)+\text{aniony} \text{siarczkowe}\to \text{siarczek} \text{ołowiu}\left(\text{II}\right)$

Możliwe, że już wcześniej udało Ci się zauważyć obecność siarki w białku jaja kurzego w nieco mniej sprzyjających okolicznościach. Podczas psucia się jaj, wyczuwalny jest nieprzyjemny zapach, który spowodowany jest powstawaniem siarkowodoru – związku chemicznego o wzorze sumarycznym ${\text{H}}_2\text{S}$. Oprócz pierwiastków chemicznych, wskazanych na podstawie wyników doświadczenia nr $1$, w skład białek mogą wchodzić również między innymi fosfor, żelazo, magnez, miedź oraz cynk. Warto jednak pamiętać, że wymienione metale mogą występować w białkach jedynie w formie jonów: ${\text{Fe}}^{2+}$, ${\text{Mg}}^{2+}$, ${\text{Cu}}^{2+}$, ${\text{Zn}}^{2+}$.

Budowa białek

Białka są związkami wielkocząsteczkowymi zbudowanymi z reszt aminokwasów, które są ze sobą połączone za pomocą wiązań peptydowych. Mimo że wyróżnia się tylko około dwudziestu aminokwasów białkowych (czyli takich, które mogą wchodzić w skład białek), różnorodność białek występujących w przyrodzie jest ogromna.

Cząsteczki aminokwasów mogą łączyć się ze sobą w reakcjach kondensacji. Reakcję kondensacji dwóch cząsteczek glicyny (aminokwasu białkowego o najprostszej budowie) można opisać za pomocą równania:

W wyniku zachodzącej reakcji chemicznej, z dwóch cząsteczek glicyny powstaje jedna cząsteczka związku organicznego, w której reszty cząsteczek glicyny połączone są ze sobą wiązaniem peptydowym. Związek organiczny, o którym mowa, to dipeptyd. Nie jest on zaliczany do grupy białek. Białkami umownie nazywamy związki chemiczne, których cząsteczki utworzone są z łańcuchów zawierających więcej niż $100$ reszt aminokwasów, połączonych za pomocą wiązań peptydowych. Związki o krótszych łańcuchach są zaliczane do oligopeptydów (zawierających od $2$ do około $10$ reszt aminokwasów) lub polipeptydów (zawierających od około $10$ do $100$ reszt aminokwasów). Jak to możliwe, że w skład cząsteczki białka może wchodzić tak duża (a często nawet większa) liczba reszt aminokwasów? Zwróć uwagę, że w cząsteczce rozpatrywanego dipeptydu znajdują się dwie grupy funkcyjne: aminowa ($-{\text{NH}}_2$) oraz karboksylowa ($-\text{COOH}$):

Dzięki obecności tych grup, dipeptyd może ulegać dalszym reakcjom kondensacji. Obecna w nim grupa aminowa może połączyć się z grupą karboksylową kolejnej cząsteczki, a grupa karboksylowa z grupą aminową następnej cząsteczki aminokwasu. W ten sposób powstanie tetrapeptyd, zbudowany z czterech reszt glicyny.

Jak widzisz, również i w tym przypadku powstała cząsteczka tetrapeptydu zawiera grupy aminową i karboksylową, zdolne do dalszych reakcji chemicznych. Czy już rozumiesz, dlaczego jest możliwe utworzenie tak dużych cząsteczek białka?

Narysowanie wzoru chemicznego cząsteczki białka, w przeciwieństwie do wzorów cząsteczek aminokwasów, dipeptydów czy tetrapeptydów, nie jest już takie proste. Uproszczoną budowę cząsteczki białka możemy przedstawić schematycznie za pomocą wzoru:

Budowa białek jest jednak nieco bardziej skomplikowana. W przypadku jej opisu należy uwzględnić cztery struktury (poziomy uporządkowania): strukturę pierwszorzędową, drugorzędową, trzeciorzędową oraz (o ile występuje) czwartorzędową. Struktury te scharakteryzowano krótko na poniższej grafice:

Ciekawostka

Budowę białek opisał amerykański fizyk i chemik Linus Carl Pauling (czyt. lajnus carl puling), za co w $1954 \text{r}.$ otrzymał Nagrodę Nobla. Osiem lat później, tj. w $1962 \text{r}.$., otrzymał drugą – tym razem Pokojową Nagrodę Nobla za pracę podczas kampanii przeciwko próbom z bronią jądrową. Naukowiec ten uważany jest za jednego z najważniejszych chemików $\text{XX} \text{w}.$

RKD88wB0Rjf6P

Czarno—białe zdjęcie przedstawia młodego Linusa Carla Paulinga. Jest on ubrany w białą koszulę, czarny krawat i togę. Na głowie ma akademicki beret. Tło zdjęcia jest szare.

Występowanie białek oraz ich rola w organizmie

Białka są podstawowym elementem budującym wszystkie organizmy. Oprócz funkcji budulcowej, odgrywają również inne znaczące role w organizmie. Załączona poniżej mapa pojęć ukazuje podział białek ze względu na funkcje pełnione przez nie w organizmie człowieka.

Dzienne zapotrzebowanie na białko jest indywidualną cechą organizmu – zależy między innymi od wieku i płci, a także stanu zdrowia, aktywności fizycznej oraz masy ciała. Zwiększone zapotrzebowanie na białko wykazują głównie dzieci w okresie wzrostu oraz kobiety w czasie trwania ciąży, a także osoby aktywne fizycznie.

*Prawidłowa masa ciała (u osób dorosłych BMI $\mathrm{18,5}-\mathrm{24,9} \frac{\text{kg}}{{\text{m}}^3}$)
Indeks górny Źródło: Jarosz M., Rychlik E., Stoś K., Charzewska J., Normy żywienia dla populacji Polski i ich zastosowanie, Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego – Państwowy Zakład Higieny, $2020$. Indeks górny koniec^{Źródło: Jarosz M., Rychlik E., Stoś K., Charzewska J., Normy żywienia dla populacji Polski i ich zastosowanie, Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego – Państwowy Zakład Higieny, $2020$.}

Zawartość białka w produktach spożywczych jest różna, co należy brać pod uwagę przy doborze produktów spożywanych w ciągu dnia.

R1ZoVD02EZiMF

Zdjęcie przedstawia rozbite jajo kurze z wypływającym żółtkiem i białkiem. Jajko leży na białej, gładkiej powierzchni.

RtmUUFNdzb5sr

Zdjęcie przedstawia szklankę i przezroczysty dzbanek wypełnione mlekiem. Naczynia stoją na szklanej powierzchni, w której widoczne są ich odbicia. Tło zdjęcia jest czarne.

R1L32d78TxBpt

Zdjęcie przedstawia trójkątny kawałek żółtego sera z dziurami.

R1VxWONMeS91A

Zdjęcie przedstawia kawałek sera pleśniowego leżącego na białym papierze na drewnianym stole. Widoczne są niebiesko‑zielone żyłki pleśni.

Rbdci36iXM7g0

Zdjęcie przedstawia kilka kawałków cienkich kabanosów leżących na ozdobnym, owalnym talerzu. Jako dekorację umieszczono natkę pietruszki.

R1LzqiPxzVnH5

Zdjęcie przedstawia dwa kawałki surowego czerwonego mięsa: jeden na pierwszym planie, drugi w tle. Ułożone są one na drewnianej desce.

RKO2QFPjkUvYT

Zdjęcie przedstawia cztery upieczone ryby na srebrnej tacy z kawałkami warzyw: pomidora, sałaty, marchewki i skórki pomarańczy.

RbxePLO5HOHt2

Zdjęcie przedstawia stos białych ziaren fasoli.

RUEhVqP6CIemC

Zdjęcie przedstawia żółte ziarenka soczewicy wysypujące się ze szklanej miski na brązowy tkany materiał.

R1TiRxMtNuGEt

Zdjęcie przedstawia nasiona soi, które umieszczone są w worku wykonanym z naturalnego brązowego materiału. Po jego prawej stronie znajduje się stos takich samych nasion leżących na brązowym materiale.

RE3mj2pVJDfbM

Zdjęcie przedstawia orzechy włoskie w łupinach. Jeden z nich, znajdujący się w centrum grafiki, jest rozłupany.

Indeks górny Źródło danych przedstawionych w galerii:
1. Kunachowicz H., Nadolna I., Iwanow K., Wartość odżywcza wybranych produktów spożywczych i typowych potraw, PZWL, $2018$.
2. Kunachowicz H., Przygoda B., Nadolna I., Iwanow K., Tabele składu i wartości odżywczej żywności, PZWL $2017$ Indeks górny koniec<sup>Źródło danych przedstawionych w galerii:
1. Kunachowicz H., Nadolna I., Iwanow K., Wartość odżywcza wybranych produktów spożywczych i typowych potraw, PZWL, $2018$.
2. Kunachowicz H., Przygoda B., Nadolna I., Iwanow K., Tabele składu i wartości odżywczej żywności, PZWL $2017$</sup>

Podsumowanie

• Cząsteczki wszystkich białek są zbudowane głównie z atomów czterech pierwiastków: węgla, wodoru, tlenu i azotu. W skład niektórych białek mogą wchodzić atomy siarki, fosforu i inne atomy.

• Podstawowymi elementami budującymi białka są aminokwasy.

• Białka to wielkocząsteczkowe związki chemiczne, zbudowane z reszt aminokwasowych, połączonych wiązaniami peptydowymi.

• Białka są głównym składnikiem budulcowym organizmów. Pełnią funkcje: budulcowe, transportowe, regulujące i inne.

• Źródłem białka zwierzęcego są między innymi jajka, nabiał, mięso, ryby, a roślinnego – produkty zbożowe oraz rośliny strączkowe, np. fasola, soja i soczewica.

Słownik