bg‑gold

Budowa białek

Białka to substancje o dużej masie cząsteczkowej, składające się wyłącznie lub w większości z reszt aminokwasów. Przyjmuje się, że białka są biopolimerami o masach cząsteczkowych, większych od 10 tysięcy daltonów, tj. zbudowane są z co najmniej 90 reszt aminokwasowych. Związki stworzone z mniejszej liczby reszt aminokwasowych nazywane są peptydami. Podział ten ma charakter umowny, a różnice między małymi białkami a dużymi peptydami nie są tak istotne. Reszty aminokwasowe w białkach są ze sobą połączone za pomocą wiązań peptydowych. Poniżej przedstawiono fragment białka z zaznaczonym na niebiesko ugrupowaniem peptydowym.

RTo0MhFp05Ahi
Fragment białka z zaznaczonym ugrupowaniem peptydowym
Źródło: dostępny w internecie: www.wikipedia.org, domena publiczna.
bg‑gold

Otrzymywanie białek

Obejrzyj film przedstawiający sposób łączenia się cząsteczek aminokwasów oraz powstawanie wiązania peptydowego. Następnie rozwiąż przygotowane zadania, aby sprawdzić i utrwalić zdobytą wiedzę.

1
Polecenie 1

Czy wiesz, w jaki sposób cząsteczki aminokwasów mogą łączyć się ze sobą? Zapoznaj się z poniższym filmem, a następnie rozwiąż zadania.

R1P1JN2T0RK7J1
Film dotyczy reakcji kondensacji aminokwasów. Przedstawiono reakcje kondensacji glicyny i fenyloalaniny tworzących dłuższe łańcuchy polipeptydowe.
1
Ćwiczenie 1

Zaznacz poprawną odpowiedź.

Jak nazywa się związek, którego wzór przedstawiono poniżej?

R6H3ArrYN9JQ6
Źródło: GroMar Sp. z o. o., licencja: CC BY-SA 3.0.
R1F8D30UNovAu
Możliwe odpowiedzi: 1. poliglicyna, 2. polialanina, 3. polianilina, 4. poliwalina
11
Ćwiczenie 2
R1qkWAfBdmh2m
(Uzupełnij).

Zaznaczony w poprzednich równaniach układ atomów, nosi nazwę wiązania peptydowego. Układ atomów tworzących wiązanie peptydowe jest płaski, sztywny i prawie zawsze występuje w formie trans.

ReMDaxDQSIAll1
Budowa wiązania peptydowego
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Zgodnie z ogólnie przyjętą umową wzory strukturalne peptydów przedstawia się, umieszczając wzór aminokwasu z wolną grupą aminową po lewej stronie (grupa N–terminalna lub N–końcowa), a aminokwasu z wolną grupą karboksylową na końcu szeregu po prawej stronie (grupa C–terminalna lub C–końcowa).

bg‑gold

Podział białek

Ze względu na skład cząsteczki, białka można podzielić na:

  • białka proste – zbudowane tylko z reszt aminokwasowych, np. insulina, albumina, lizozym;

  • białka złożone – zbudowane z reszt aminokwasowych oraz części niebiałkowej, tzw. grupy prostetycznej (może nią być np. jon metalu, pierścień porfirynowy ze skoordynowanym jonem żelaza(II) lub magnezu, reszty cukrowe połączone wiązaniem kowalencyjnym z wybranymi aminokwasami, np. z treoniną).

R1M5V194a5S7f1
Schematyczny rysunek hemoglobiny
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Białka możemy podzielić ze względu na kształt cząsteczki. Właściwości wyodrębnionych w ten sposób typów białek zestawiono w poniższej tabeli.

Typ białka

Charakterystyka

Wybrane funkcje biologiczne

Przykłady

Białka globularne

▪ zwykle rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli nieorganicznych
▪ mają „kulisty” kształt

▪ enzymatyczne
▪ regulacja przepuszczalności błon komórkowych
▪ udział w mechanizmach odporności, udział w krzepnięciu krwi
▪ udział w przenoszeniu energii itp.

hemoglobina, immunoglobuliny, insulina

Białka fibrylarne

▪ zwykle nierozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli nieorganicznych
▪ odporne na działanie kwasów i zasad
▪ mają włóknisty, wydłużony kształt

▪ strukturalne
▪ ochraniające (w błonach komórkowych)
▪ enzymatyczne (kurczliwe białka mięśni)

kolagen, fibrynogen, keratyna

W celu zrozumienia kształtu lub konformacji białek, wprowadzono pojęcie rzędowości białka. Za pomocą tego terminu struktura białka jest opisywana na czterech poziomach:

1
Struktura pierwszorzędowa

Sekwencja, łańcuch aminokwasów, w którym reszty aminokwasowe połączone są ze sobą wiązaniami peptydowymi. Ta struktura jest najtrwalsza, ponieważ dopiero działanie enzymów lub kwasów może spowodować hydrolizęhydrolizahydrolizę wiązania peptydowego. Sekwencja aminokwasów w łańcuchu białkowym jest zapisana w genie kodującym dane białko.

R13zaowEdF2t7
Struktura pierwszorzędowa – kolejność aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym, fibroiny
Źródło: Wikimedia Commons, domena publiczna.
Struktura drugorzędowa

Układ w łańcuchu białkowym, np. helis alfa lub/i arkuszy beta (beta‑harmonijka).

Opisuje przestrzenne ułożenie reszt aminokwasowych łańcucha polipeptydowego; odnosi się do tych fragmentów cząsteczki białka, w których wszystkie grupy –CO– i –NH– uczestniczą w tworzeniu wiązań wodorowychwiązanie wodorowewiązań wodorowych. Mogą one powstawać zarówno wewnątrz jednego łańcucha, jak i między wieloma łańcuchami polipeptydowymi, tworząc struktury regularne.

RE6wQ4Ki7zHet
Struktura α‑helisy i beta-harmonijki, zwana także strukturą pofałdowanej kartki
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.
Struktura trzeciorzędowa

Ułożenie zwiniętego łańcucha peptydowego w przestrzeni, stabilizowanego przez wiązania wodorowe, mostki disiarczkowe i wiązania jonowe (tzw. mostki solne).

RPeSf0z5OZ0LR
Model wstążkowy cząsteczki mioglobiny to przykład struktury trzeciorzędowej
Źródło: Wikimedia Commons, domena publiczna.
Struktura czwartorzędowa

Asocjacja podjednostek białka o określonej strukturze trzeciorzędowej w większe agregaty. Struktura czwartorzędowa opisuje sposób wzajemnego dopasowania się poszczególnych łańcuchów z wytworzeniem agregatów, zawierających identyczne lub różne łańcuchy polipeptydowe, między którymi nie występują wiązania kowalencyjne. Przykładem białka, wytwarzającego strukturę czwartorzędową, jest hemoglobina, złożona z czterech prawie identycznych łańcuchów, upakowanych w formie tetraedru (czworościanu).

RLnpBX1OjH0pQ
Model hemoglobiny z zaznaczoną na zielono grupą prostetyczną (hemem) w każdym z czterech łańcuchów polipeptydowych. Struktura czwartorzędowa
Źródło: Wikimedia Commons, domena publiczna.

Zapoznaj się z filmem poniżej, aby dokładnie zrozumieć, czym polega struktura białek. Następnie wykonaj ćwiczenia sprawdzające.

1
Polecenie 2

Zapoznaj się z poniższą animacją i zaznacz prawidłową odpowiedź dotyczącą hemoglobiny.

R1N66ytizAoJc
Możliwe odpowiedzi: 1. Hemoglobina jest tetramerem, czyli białkiem złożonym z czterech podjednostek – dwóch alfa i dwóch beta., 2. Hemoglobina jest tetramerem, czyli białkiem złożonym z czterech podjednostek alfa., 3. Hemoglobina jest tetramerem, czyli białkiem złożonym z czterech podjednostek beta., 4. Hemoglobina jest dimerem złożonym z dwóch podjednostek – jednej alfa i jednej beta., 5. Hemoglobina jest dimerem złożonym z dwóch podjednostek alfa.
R17dg6qubUq8K
Film nawiązujący do treści materiału dotyczącej rzędowości struktur białkowych na przykładzie hemoglobiny, czyli białka o strukturze czwartorzędowej.
R1TUobKoLFI96
Ćwiczenie 3
Zaznacz oddziaływania stabilizujące strukturę czwartorzędową. Możliwe odpowiedzi: 1. Oddziaływania jonowe., 2. Oddziaływania hydrofilowe., 3. Wiązania kowalencyjne., 4. Oddziaływania hydrofobowe., 5. Oddziaływania van der Waalsa., 6. Wiązania wodorowe.
Ćwiczenie 4

Wyjaśnij, czym są mostki disiarczkowe.

RYv7UsoJFWE7q
(Uzupełnij).
Ćwiczenie 5

Wyjaśnij, czym są i w jaki sposób tworzą się alfa helisa i beta harmonijka.

R15oD96rZDfgi
(Uzupełnij).
bg‑gold

Stabilizacja struktur białkowych

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

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

R8UZbSRV9K9pd
Wiązanie jonowe w białkach
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Oddziaływania hydrofobowe

Oddziaływania hydrofobowe występują w cząsteczkach zawierających zarówno fragmenty hydrofilowe (polarne, dobrze oddziałujące z wodą), jak i hydrofobowe (niepolarne, unikające kontaktu z wodą). W środowisku wodnym fragmenty hydrofilowe kierują się na zewnątrz cząsteczki, natomiast hydrofobowe zostają ukryte wewnątrz. Dzięki temu cząsteczka zmienia swój kształt, ograniczając kontakt części hydrofobowych z wodą. Oddziaływania hydrofobowe zostały zaprezentowane na poniższym obrazku:

R1b27Aox7d38T1
Oddziaływania hydrofobowe są główną przyczyną prawidłowego fałdowania się białek. W długim łańcuchu polipeptydowym mogą występować liczne regiony hydrofobowe, które są oddzielone regionami hydrofilowymi. Taki układ sprzyja fałdowaniu białek – regiony hydrofobowe schowają się do “środka" białka, podczas gdy regiony hydrofilowe wystawią się na zewnątrz.
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Siły van der Waalsa

Siły van der Waalsa to słabe oddziaływania występujące między atomami i cząsteczkami znajdującymi się blisko siebie. Odgrywają ważną rolę w stabilizacji struktury białek oraz w oddziaływaniach między białkami, np. podczas rozpoznawania antygenu przez przeciwciało.

Wyróżnia się kilka rodzajów sił van der Waalsa:

  • oddziaływanie dipol - dipol - dwie cząsteczki mające moment 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 wodorowego w białkach jest stabilizacja struktury alfa‑helisy i beta‑kartki.

RZSofMZz8MIY9
Oddziaływanie wodorowe w białku
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Mostki disiarczkowe

Te struktury powstają, gdy dwie grupy tiolowe (-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 hydrofobowe białka układają się wokół mostków disiarczkowych, tym samym ograniczając swój kontakt z wodą. Mostek disiarczkowy zaprezentowano na galerii poniżej.

RiCXYa9iQGQyg1
Przedstawienie oddziaływań, stabilizujących strukturę białka
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Wykonaj polecenie 2 i zastanów się, które wiązania stablizują poszczególne struktury białek.

Polecenie 3

Metalotioneiny to niskocząsteczkowe białka bogate w reszty cysteinowe, zdolne do wiązania metali ciężkich. Reszty cysteinowe metalotioneiny odgrywają główną rolę w procesach fizjologicznych, tj. homeostaza pierwiastków niezbędnych do funkcjonowania komórek, unieszkodliwianie metali ciężkich oraz usuwanie wolnych rodników tlenowych. Poniżej zostały ukazane struktury metalotioneiny występującej u bakterii z rodzaju Cyanobacteria. Na ich podstawie odpowiedz na poniższe pytania.

Metalotioneiny to niskocząsteczkowe białka bogate w reszty cysteinowe, zdolne do wiązania metali ciężkich. Reszty cysteinowe metalotioneiny odgrywają główną rolę w procesach fizjologicznych, tj. homeostaza pierwiastków niezbędnych do funkcjonowania komórek, unieszkodliwianie metali ciężkich oraz usuwanie wolnych rodników tlenowych. Zapoznaj się z opisem struktury metalotioneiny występującej u bakterii z rodzaju Cyanobacteria. Na ich podstawie odpowiedz na poniższe pytania.

1
Reb3wVNu7xcIj
Ćwiczenie 6
Jaką zawartość procentową tego białka stanowią aminokwasy zawierające siarkę? Odpowiedź jest zaokrąglona do jedności. Możliwe odpowiedzi: 1. 23%, 2. 5%, 3. 18%, 4. 40%
RQNi8d30g2a4P
Ćwiczenie 7
Odpowiedz na pytania: 1. Co to są metalotioneiny?, 2. Co stanowi u nich strukturę pierwszorzędową?, 3. Co stanowi strukturę drugorzędową?, 4. Co stabilizuje strukturę trzecio- i czwartorzędową?
bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk
(Uzupełnij).
Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.