BIOCHEMIA
ĆWICZENIA 2
Rodzaje, struktura, właściwości fizyko-chemiczne i aktywność metaboliczna aminokwasów, peptydów i białek.
· uniwersalne makrocząsteczki w żywych układach.
· decydująca rola we wszystkich procesach biologicznych.
· funkcja: katalizatorów, transportują i magazynują inne cząsteczki, mechaniczno-strukturalne, uczestniczą w obronie immunologicznej, generatory ruchu, przenoszą impulsy nerwowe, kontrolują wzrost i różnicowanie.
WŁAŚCIWOŚCI BIAŁEK:
1) Białka są liniowymi polimerami, zbudowanymi z monomerycznych jednostek, zwanych aminokwasami.
Funkcja białka jest bezpośrednio zależna od jego struktury przestrzennej. Białka spontanicznie zwijają się w struktury przestrzenne, które są zdeterminowane przez sekwencję aminokwasów w białkowym polimerze.
2) Białka zawierają szeroki zakres grup funkcyjnych.
Obecne są grupy: alkoholowe, tiolowe, tioeterowe, karboksylowe, karboksyamidowe i różne grupy zasadowe. Chemiczna reaktywność związana z obecnością grup funkcyjnych ma zasadnicze znacznie dla działania enzymów, które katalizują specyficzne reakcje chemiczne w układach biologicznych.
3) Białka mogą oddziaływać ze sobą i z innymi biologicznymi makrocząsteczkami tworząc złożone struktury.
Białka przyjmując złożone struktury mogą działać synergistycznie, uzyskując właściwości, których nie posiadają indywidualne białka → replikacja DNA, struktury przenoszące sygnały w obrębie komórki.
4) Niektóre białka mają sztywną strukturę, a inne wykazują ograniczoną elastyczność.
Sztywne jednostki białkowe mogą stanowić elementy strukturalne cytoszkieletu lub tkanki łącznej. Część białek o ograniczonej elastyczności pełni funkcję zawiasów, sprężyn, dźwigni → w procesach składania białek ze sobą i z innymi cząsteczkami w złożone struktury, a także w przekazywaniu informacji do komórki i między komórkami.
AMINOKWASY:
· podstawowe elementy budulcowe białek.
· α-Aminokwas jest zbudowany z centralnego atomu węgla (węgiel α), połączonego z grupą aminową, grupą karboksylową, atomem wodoru i wyróżniającą go grupą R (łańcuch boczny) → charakter chiralny (4 różne grupy połączone z tetraedrycznym atomem węgla α).
· izomery L i D aminokwasów to swoje lustrzane odbicia.
· jony obojnacze – to formy zjonizowane (dwubiegunowe) aminokwasów zawartych w roztworze o pH obojętnym; protonowa grupa aminowa (-NH3+) i deprotonowa grupa karboksylowa (-COO-). Ze zmianami pH związana jest zmiana stanu jonizacji cząsteczki aminokwasu.
· 20 aminokwasów o rożnych łańcuchach bocznych (wielkość, kształt, ładunek elektryczny, zdolność do tworzenia wiązań wodorowych, hydrofobowość, reaktywność chamiczna).
Glicyna (Gly, G) - najprostszy aminokwas, jest achiralna.
Alanina (Ala, A) – boczny łańcuch stanowi grupa metylowa (– CH3).
Walina (Val, V), leucyna (Leu, L), izoleucyna (Ile, I) – długie, alifatyczne łańcuchy boczne (charakter hydrofobowy – awersja do wody, skłonność do grupowania).
Izoleucyna (Ile, I) – długie, alifatyczne łańcuchy boczne z dodatkowym centrum chiralnym.
Metionina (Met, M) – długi, alifatyczny łańcuch boczny, który ma grupę tioetylową (-S-).
Tendencja hydrofobowych łańcuchów bocznych do unikania kontaktu z wodą (efekt hydrofobowy) jest czynnikiem stabilizującym strukturę przestrzenną białek rozpuszczalnych w wodzie.
Różne rozmiary i kształty węglowodorowych łańcuchów bocznych umożliwiają im łączenie się w ściśle upakowane struktury zawierające pewne wolne przestrzenie.
Prolina (Pro, P) – alifatyczny łańcuch boczny, związany nie tylko z węglem α, ale też z azotem grupy aminowej. Ma wpływ na architekturę białek, gdyż cykliczna struktura stwarza większe ograniczenia konformacyjne niż pozostałe aminokwasy.
Fenyloalanina (Phe, F) – zawiera pierścień fenylowy.
Tyrozyna (Tyr, Y) – pierścień aromatyczny zawiera grupę hydroksylową, która jest reaktywna.
Tryptofan (Trp, W) – pierścień indolowy (2 połączone pierścienie i grupa NH), połączony z grupą metylową (-CH2-).
Aromatyczne pierścienie tryptofanu i tyrozyny zawierają przemieszczone chmury elektronowe π, przez co silnie absorbują światło ultrafioletowe.
Fenyloalanina absorbuje światło słabiej i przy krótszych długościach fal. Absorpcję światła przy 280nm można wykorzystać do oznaczania stężenia białka w roztworze, jeśli znana jest ilość występujących w białku reszt tryptofanu i tyrozyny.
Seryna (Ser, S), treonina (Thr, T) – alifatyczny łańcuch boczny, zawierający grupy hydroksylowe. Aminokwasy są hydrofilowe i reaktywne. Treonina ma 2 centra asymetryczne.
Cysteina (Cys, C) – zawiera grupę tiolową (-SH), zamiast grupy hydroksylowej (-OH). Grupa tiolowa jest reaktywna, a pary tych grup mogą tworzyć mostki disulfidowe (dwusiarczkowe) → stabilizacja struktury białek.
Lizyna (Lys, K) – zawiera na końcu łańcucha bocznego pierwszorzędową grupę aminową (polarny łańcuch boczny).
Arginina (Arg, R) - zawiera na końcu łańcucha bocznego grupę guanidynową (polarny łańcuch boczny).
Histydyna (His, H) - zawiera na końcu łańcucha bocznego grupę imidazolową (polarny łańcuch boczny). Często znajduje się w miejscach aktywnych enzymów, gdzie jej imidazolowy pierścień może wiązać i uwalniać protony w trakcie reakcji enzymatycznych.
Kwas asparaginowy (Asp, D) i kwas glutaminowy (Glu, E) – ich boczne łańcuchy w pH fizjologicznym są niemal zawsze naładowane ujemnie; w niektórych białkach ich łańcuchy boczne przyjmują protony.
Asparagina (Asn, N) i glutamina (Gln, Q) – nienaładowane pochodne asparaginianu i glutaminianu, z których każda zawiera na koniec grupę karboksyamidową zamiast kwasu karboksylowego.
Taki zestaw aminokwasów stanowi elementy budulcowe białek, gdyż są one różnorodne; szeroki zakres ich strukturalnych i chemicznych właściwości nadaje białkom wszechstronne cechy, potrzebne do pełnienia wielu funkcji. Wiele tych aminokwasów powstało w reakcjach prebiotycznych. Są również bardzo reaktywne – prawdopodobnie dzięki temu wyeliminowały inne aminokwasy.
Niektóre aminokwasy są nieodpowiednie do budowy białek, ponieważ wykazują niepożądaną zdolność do cyklizacji.
STRUKTURA PIERWSZORZĘDOWA
Białka są liniowymi polimerami utworzonymi przez połączenie grupy α-karboksylowej jednego aminokwasu z grupą α-aminową drugiego aminokwasu wiązaniem peptydowym (zwanym również wiązaniem amidowym). Powstaniu dipeptydu towarzyszy uwolnienie jednej cząsteczki wody.
Biosynteza wiązań peptydowych wymaga dostarczenia energii swobodnej.
Reszta aminokwasowa to jednostka aminokwasu wbudowanego w łańcuch peptydowy.
Łańcuch polipeptydowy jest spolaryzowany → różne końce, na jednym jest obecna grupa α-aminowa, a na drugim α-karboksylowa.
Łańcuch polipeptydowy jest złożony z powtarzających się regularnie części tworzących łańcuch główny lub szkielet oraz z części zmiennych – charakterystycznych łańcuchów bocznych różnych aminokwasów. Szkielet polipeptydowy ma bogaty potencjał wiązań wodorowych.
W niektórych białkach liniowe łańcuchy polipeptydowe są połączone wiązaniami poprzecznymi → mostek dwusiarczkowy (disulfidowy), powstały w wyniku reakcji utleniania pary reszt cysteiny; charakterystyczne w białkach zewnątrzkomórkowych .
W niektórych białkach czasami występują nie siarczkowe wiązania poprzeczne, tworzone przez różne łańcuchy boczne → wzmocnienie włókien kolagenowych w tkance łącznej; skrzepy włóknika krwi.
Białka mają ściśle określone sekwencje aminokwasowe, zgodne z zapisem genetycznym. Uderza fakt, że każde białko ma tylko sobie właściwą, ściśle określoną sekwencję aminokwasów. sekwencję aminokwasów w białku często nazywa się strukturą pierwszorzędową.
Sekwencja aminokwasowa determinuje strukturę przestrzenną białka.
Wiązanie peptydowe jest zasadniczo płaskie, ma w znacznym stopniu charakter wiązania podwójnego, co zapobiega rotacji wokół niego. Brak swobody ruchu wokół wiązania peptydowego ogranicza konformację szkieletu peptydowego i sprawia, że jest ono płaskie, zaś wartość tego wiązania (0,132nm) jest wartością pośrednią pomiędzy długością wiązania pojedynczego, a długością wiązania podwójnego. Ponadto wiązanie peptydowe nie jest obarczone ładunkiem, co pozwala polimerom aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi tworzyć ciasno upakowane struktury globularne.
W białkach prawie wszystkie wiązania peptydowe maja konfigurację trans. Preferencja ta wynika z faktu sterycznego niedopasowania grup połączonych z węglem α, które utrudnia utworzenie form cis.
Swobodna rotacja dwóch sąsiadujących ze sobą jednostek wiązań peptydowych umożliwia białkom zwijanie się na różne sposoby.
STRUKTURA DRUGORZĘDOWA
· Helisa α – struktura cylindryczna; ciasno skręcony łańcuch główny polipeptydu tworzy wewnętrzną część cylindra, a łańcuchy boczne aminokwasów wystają na zewnątrz w ułożeniu helikalnym (śrubowym). Stabilizacja dzięki obecności wiązania wodorowego między NH i CO głównego łańcucha. Co czwarte reszty aminokwasowe, w sekwencji liniowej oddzielone trzema innymi resztami, w helisie α znajdują się przestrzennie blisko siebie. W białkach w zasadzie wszystkie helisy są prawoskrętne. Helisa α jest obecna w mioglobinie. Natomiast helikalnie zwinięte helisy α spotyka się w miozynie i tropomiozynie mięśni, włókniku (fibrynie) skrzepów krwi, kreatynie włosów; budują filamenty pośrednie obecne w cytoszkielecie.
· Harmonijka β – tworzy się przez połączenie dwu lub więcej nici β wiązaniami wodorowymi między grupami NH i CO. Sąsiadujące ze sobą łańcuchy harmonijki mogą być ułożone w przeciwnych kierunkach lub w tym samym kierunku. W nici β łańcuch polipeptydowy jest niemal całkowicie rozciągnięty. Obecna w białkach wiążących kwasy tłuszczowe, ważne dla metabolizmu lipidów, są zbudowane wyłącznie z harmonijek β.
· Wstęga – zwrot – wstęga
STRUKTURA TRZECIORZĘDOWA
Badania z wykorzystaniem krystalografii rentgenowskiej i magnetycznego rezonansu jądrowego pozwoliły na szczegółowe określenie struktury rezonansu jądrowego pozwoliły na szczegółowe określenie struktury przestrzennej tysięcy białek.
Ściśle upakowana, asymetryczna struktura, którą przyjmuje indywidualny polipeptyd. W środowisku wodnym procesem zwijania białka steruje silna tendencja reszt hydrofobowych do unikania wody. Układ jest bardziej stabilny termodynamicznie, gdy grupy hydrofobowe są skupione we wnętrzu cząsteczki niż gdy pozostają rozproszone w środowisku wodnym → sparowanie wszystkich grup NH i CO przez wiązania wodorowe.
Charakter amfipatyczny – helisa α i nić β ma jedną stronę hydrofobową, skierowaną do wnętrza białka, a drugą stronę bardziej polarną, zwróconą do roztworu otaczającego białko.
Domeny – ściśle zwinięte jednostki globularne, które mogą być połączone elastycznymi odcinkami łańcucha; białka mogą mieć te same domeny, mimo że ich ogólne struktury przestrzenne są różne.
STRUKTURA CZWARTORZĘDOWA
Białka składające się z więcej niż jednego łańcucha polipeptydowego, wykazują czwarty poziom organizacji strukturalnej, w tym przypadku każdy z łańcuchów nazywa się podjednostką. Struktura czwartorzędowa odnosi się do wzajemnego ułożenia przestrzennego podjednostek i natury ich oddziaływań, np. dimer (2 jednakowe podjednostki) → w białku Cro, występującym w bakteriofagu λ.
Białko może się składać z więcej niż jednego typu podjednostek, nierzadko w różnych ilościach.
ZALEŻNOŚĆ MIĘDZY SEKWENCJĄ AMINOKWASOWĄ BIAŁKA I JEGO KONFORMACJĄ
Sekwencja aminokwasów determinuje całkowicie przestrzenną strukturę i inne właściwości białka. Niektóre białka, po zupełnym rozpleceniu, mogą w odpowiednich warunkach odzyskać swoją zwiniętą, stabilną strukturę. Sekwencja aminokwasowa w białkach jest określona przez sekwencję zasad w cząsteczce DNA. Jednowymiarowa informacja zawarta w sekwencji aminokwasów zostaje przekształcona w strukturę trójwymiarową dzięki zdolności białka do spontanicznego zwijania się. Zwijanie się białek jest procesem wysoce kooperatywnym; strukturalne formy pośrednie między cząsteczkami rozplecionymi i zwiniętymi nie akumulują się.
Wszechstronność białek zwiększa ich kowalencyjne modyfikacje. Polegają one na wprowadzeniu grup funkcyjnych, które nie występują w zestawie 20 aminokwasów, a mogą odgrywać ważną rolę w procesach regulacji aktywności białek. Dzięki swojej stabilności strukturalnej, różnorodności i chemicznej reaktywności, białka umożliwiają przebieg wielu kluczowych procesów związanych z życiem.
buniagumis