BIAŁKA

Białka są wielkocząsteczkowymi związkami posiadającymi strukturę, zbudowanymi z ponad 100 reszt aminokwasowych, wykazujących masę cząsteczkową powyżej 10 kDa. W skład jednego łańcucha białkowego wchodzi od 100 do 1000 reszt aminokwasowych. Masa cząsteczkowa większości białek waha się od 10 do 100 kDa. Nieliczne z nich osiągają masę około 1000 kDa.

Funkcje biologiczne białek:

·        Strukturalne (składniki błon komórkowych, białka kurczliwe wchodzą w skład mięśni, stanowią składnik tkanki łącznej)

·        Zapasowe

·        Transportowe

·        Regulacyjne (enzymy, hormony)

·        Ochronne (przeciwciała)

Tab.1. Białka i ich występowanie lub funkcje biologiczne

Struktura białek:

Rozróżnia się cztery poziomy strukturalnego uporządkowania białek:

·        struktura pierwszorzędowa: oznacza sekwencję aminokwasów w białku, tj. kolejność w jakiej aminokwasy są połączone ze sobą w łańcuchu polipeptydowym

·        struktura drugorzędowa: sposób przestrzennego rozmieszczenia łańcucha polipeptydowego; najczęściej spotykaną formą struktury drugorzędowej jest a-helisa. Jest to specyficzna forma spirali. Na jeden skręt a-helisy przypada 3,6 reszt aminokwasowych. We wszystkich białkach a- helisa jest prawoskrętna i zbudowana z L-aminokwasów. W a-helisie wiązanie wodorowe powstaje pomiędzy atomem wodoru zawartym w grupie =N-H jednego wiązania peptydowego, a tlenem grupy =CO, należącej do czwartego z kolei aminokwasu, według zasady n + 4, gdzie n- oznacza numer kolejny reszty aminokwasowej, licząc od końca aminowego. Atom wodoru związany kowalencyjnie z atomem azotu w grupie =N-H jest równocześnie przyciągany przez elektroujemny atom tlenu zawarty w grupie =C=O. taki przestrzenny układ stwarza możliwość oddziaływań elektrostatycznych zapewniających maksymalna siłę wiązań wodorowych.

Rys. 1. Struktura a-helisy.

Inną formą struktury drugorzędowej białek jest struktura b, zwana także harmonijką b. Łańcuch białkowy o strukturze b jest bardziej rozwinięty w kierunku osiowym, niż łańcuch o strukturze a-helisy. Odległość dwu sąsiednich reszt aminokwasowych jest ponad dwukrotnie większa niż w łańcuchu o strukturze a. W białkach o strukturze b niw występują wewnątrzłańcuchowe wiązania wodorowe pomiędzy grupami =CO (n) i grupami =N-H (n+4). Wiązania takie powstają pomiędzy grupami =C=O i =N-H sąsiadujących ze sobą łańcuchów i są usytuowane poprzecznie do ich długiej osi.

Rys. 2. Struktura drugorzędowa białka (b-harmonijka).

·        Struktura trzeciorzędowa: określa sposób wtórnego, trójwymiarowego ułożenia struktury drugorzędowej. Strukturę trzeciorzędową stabilizują wiązania hydrofobowe, jonowe, wodorowe, mostki dwusiarczkowi, siły van der Waalsa. Ze strukturą trzeciorzędową białek wiąże się pojęcie domen białkowych. Domena jest zwartym fragmentem struktury trzeciorzędowej, pełniącym w białku określoną funkcję. Przykładem struktury trzeciorzędowej białka jest mioglobina, białko mięśni szkieletowych wiążące tlen cząsteczkowy. Jest białkiem o masie 17,8 kDa, zbudowanym z pojedynczego łańcucha polipeptydowego, zawierającego 153 aminokwasy. Mioglobina jest typowym białkiem globularnym, ponieważ jej cząsteczka jest ściśle upakowana, przy czym większość reszt aminokwasów hydrofobowych jest zanurzona we wnętrzu, a wiele reszt aminokwasów polarnych znajduje się na powierzchni. Mioglobina złożona jest z ośmiu a-helis tworzących łańcuch polipeptydowy. W obrębie hydrofobowego zagłębienia utworzonego przez łańcuch polipeptydowy znajduje się prostetyczna grupa hemowa. Grupa ta odgrywa kluczowa rolę w biologicznej aktywności białka (tj. wiązaniu tlenu cząsteczkowego).

Rys. 3. Struktura mioglobiny.

Struktura czwartorzędowa: białka o wysokiej masie cząsteczkowej składają się z dwóch lub większej liczby łańcuchów polipeptydowych, zwanych podjednostkami. Skład podjednostkowy i wzajemny układ przestrzenny podjednostek w obrębie jednej cząsteczki białkowej jest nazywany strukturą czwartorzędową białka. Jednostki białkowe biorące udział w tworzeniu struktury czwartorzędowej są zespolone ze sobą wiązaniami hydrofobowymi, jonowymi lub wodorowymi, czasami mostkami dwusiarczkowymi. Przykładem białka posiadającego wszystkie cztery struktury jest hemoglobina. Strukturę przestrzenną hemoglobiny określił Max Perutz w 1959 roku.  Łańcuchy polipeptydowe (dwa a i dwa b) są ściśle upakowane w układzie tetraedrycznym i tworzą cząsteczkę o kształcie zbliżonym do kuli, stabilizowaną licznymi oddziaływaniami niekonwalencyjnymi.  

Rys. 4. Struktura czwartorzędowa hemoglobiny.

Wiązanie tlenu przez hemoglobinę:

Hemoglobina jest zbudowana z czterech łańcuchów polipeptydowych: dwóch łańcuchów a złożonych z 141 aminokwasów i dwóch łańcuchów b obejmujących 146 reszt aminokwasowych. Każdy z łańcuchów tworzy osiem a helis i zawiera grupę hemową z centralnie wbudowanym jonem Fe2+, który jest nośnikiem tlenu. Przyłączenie cząsteczki tlenu przez jon Fe2+ nie podwyższa stopnia jego utlenienia. Z tego powodu wiązanie tlenu przez Hb nie jest utlenieniem, lecz utlenowaniem. Utlenowana hemoglobina nosi nazwę oksyhemoglobiny, a hemoglobina pozbawiona tlenu jest określana jako detoksy hemoglobina.

Zawartość hemoglobiny we krwi wynosi około 150 g na litr. Przy tej ilości hemoglobiny 1litr krwi może związać około 280 mg tlenu.

Kooperatywność podjednostek hemoglobiny:

Struktura czwartorzędowa hemoglobiny sprawia, że każda z podjednostek Hb ma inne powinowadztwo do względem tlenu. Związanie O2 przez jedną z nich zwiększa powinowadztwo pozostałych względem tlenu. Jedna z hipotez zakłada, że utlenowanie pierwszej podjednostki wywołuje zmiany struktury trzeciorzędowej w kolejnej podjednostce i zmiany te zwiększają powinowdztwo podjednostek hemoglobiny do O2.  Inna hipoteza zakłada powstawanie zmian w strukturze czwartorzędowej hemoglobiny w trakcie wiązania O2. Według tej teorii podjednostki ...