1. Rola słabych oddziaływań molekularnych.
Odwracalne oddziaływania molekularne stanowią istotę funkcjonowania życia. Słabe, niekowalencyjne siły wiązania pełnią kluczową rolę w wiernej replikacji DNA, zwijaniu się białek w struktury trójwymiarowe, w rozpoznawaniu specyficznych substratów przez enzymy i wykrywaniu cząsteczek sygnałowych. Istotnie wszystkie biologiczne struktury i procesy zależą od współgrania zarówno oddziaływań niekowalencyjnych jak kowalencyjnych.
Wyróżniamy trzy zasadnicze rodzaje wiązań niekowalencyjnych, różnią się geometrią, siłą i specyficznością:
1Wiązania elektrostatyczne (jonowe). Obdarzona ładunkiem grupa substratu może przyciągać przeciwnie naładowaną grupę znajdującą się na cząsteczce enzymu. Siłę (F) tego przyciągania elektrostatycznego określa prawo Coulomba:
q1 q2
E = k ¾¾
r D
Gdzie: q1 i q2- ładunki obu grup, r- odległość pomiędzy nimi, D- stała dielektryczna środowiska. Przyciąganie elektrostat. najsilniejsze jest w próżni (D=1), a najsłabsze np. w wodzie (D=80), k- stała proporcjonalności k= 1389 kJ/mol
2 Wiązania wodorowe. Atom wodoru może stać się wspólny dla dwóch wzgędnie elektroujemnych innych atomów. Atom, z którym wodór jest ściślej związany, jest donorem wodoru, a drugi atom- akceptorem wodoru. Atom akceptorowy ma ładunek ujemny, który powoduje przyciąganie at. wodoru. Wiązanie wodorowe jest to stan przejściowy w proc. przeniesienia wodoru z kwasu do zasady. Donorem wodoru jest atom tlenu lub azotu, kowalencyjnie związany z at. wodoru. Akceptorem wodoru jest tlen albo azot. Wiązania wod.są silniejsze od wiązań van der Waalsa, ale dużo słabsze od wiązań kowalencyjnych. Ważną cechą wiązań wod. jest ich ściśle ukierunkowany charakter.
3Wiązanie van der Waalsa, niespecyficzna siła przyciągania pojawiająca się kiedy dwa atomy zbliżają się na odległość od 0,3 do 0,4 nm. Jest spowodowane zachodzącymi w czasie zmianami rozkładu ładunków elektronowych wokół atomu. W określonej chwili rozkład ładunków nie jest dokładnie symetryczny. Ta przejściowa asymetria ładunków elektronowych wokół atomu narusza rozkład elektronów w atomach sąsiednich. Siła przyciągania się dwóch at. rośnie , kiedy odległość między nimi maleje do odległości van der Waalsa. Zbliżenie na mniejsze odległości powoduje pojawienie się większych sił odpychających, wywołanych nakładaniem się zewnętrznych chmur elektronowych atomów. Znaczenie sił van der Waalsa w wiązaniu międzycząsteczkowym pojawia się wtedy, kiedy w jednej parze cząsteczek wiele atomów jednej cząsteczki wchodzi jednocześnie w bliski kontakt z licznymi atomami drugiej cząsteczki. Jest to możliwe gdy kształty cząsteczek są do siebie dopasowane.
2. Funkcje białek.
Białka odgrywają decydującą rolę właściwie we wszystkich procesach biologicznych.
Funkcje:
1 Kataliza enzymatyczna.
Prawie wszystkie reakcje enzymatyczne zachodzące w układach żywych są katalizowane przez enzymy, które są bardzo silnymi katalizatorami. Zwiększają szybkość reakcji chem. przynajmniej milion razy. Prawie wszystkie znane enzymy są białkami. Białka zatem są odpowiedzialne za kierunek przemian w układach biologicznych.
2 Transport i magazynowanie.
Transport wielu małych cząsteczek i jonów zachodzi z udziałem białek. Np. hemoglobina, przenosząca tlen w krwinkach czerwonych oraz mioglobina odpowiedzialna za transport tlenu w mięśniach.
3 Ruch uporządkowany.
Są głównym składnikiem mięśni. Przesunięcie się dwu rodzajów włókien białkowych względem siebie prowadzi do skurczu mięśnia.
4 Funkcje mechaniczno- strukturalne.
5 Ochrona immunologiczna.
Białka o dużej swoistości, które rozpoznają substancje obce dla ustroju i łączą się z nimi to przeciwciała. Odgrywają więc istotną rolę w rozróżnianiu między tym, co własne i obce dla danego organizmu.
Reakcja komórek nerwowych na specyficzne bodźce przebiega z udziałem białek receptorowych, np. rodopsyny.
Kontrola odpowiedniej kolejności ekspresji informacji genetycznej jest zasadniczym warunkiem uporządkowania wzrostu i różnicowania komórek. Aktywność różnych komórek koordynują hormony, wiele z nich jest białkami np. insulina. Białka funkcjonują w komórkach jako czujniki kontrolujące przepływ energii i materii.
3. Aminokwasy wchodzące w skład białek.
Aminokwasy są podstawowymi jednostkami strukturalnymi białek. Aminokwas jest zbudowany z grup: karboksylowej, aminowej, atomu wodoru oraz charakterystycznej grupy R, które wiążą się kowalencyjnie z atomem węgla, określanym jako węgiel a. Ten atom węgla nazwano a , ponieważ sąsiaduje on z grupą karboksylową (kwaśną). Grupę R nazywamy łańcuchem bocznym aminokwasu.
Białka zbudowane są wyłącznie z L- aminokwasów. W białkach powszechnie występuje 20 aminokwasów, których łańcuchy boczne różnią się wielkością, kształtem, ładunkiem elektrycznym, zdolnością do tworzenia wiązań wodorowych oraz reaktywnością chemiczną. Najprostszym aminokwasem wyst.w białkach jest glicyna, której łańcuchem bocznym jest tylko atom wodoru, następnym jest alanina z grupą metylową stanowiącą łańcuch boczny.Większe łańcuchy występują w walinie, leucynie i izoleucynie.Łańcuchy boczne tych aminokwasów mają charakter hydrofobowy, co polega na awersji do wody i skłonności do grupowania się. Jest to czynnik stabilizujący strukturę przestrzenną białek rozpuszczonych w wodzie.
COO - COO- H COO-
| | | |
+H3N¾ C ¾H +H3N ¾ C ¾ H +H3N¾ C ¾ COO- +H3N¾ C ¾ H
H CH3 CH CH2
¤ \ |
H3C CH3 CH
¤ \
H3C CH3
Glicyna (Gly, G) Alanina (Ala, A) Walina (Val, V) Izoleucyna (Ile, I)
Prolina ma łańcuch boczny różniący się od pozostałych 19 aminokwasów. Łańcuch b. jest związany nie tylko z węglem a, ale również z grupą aminową. Fenyloalanina zawiera pierścień fenylowy, połączony z grupą metylenową. Pierścień aromatyczny tyrozyny zawiera grupę hydroksylową, która sprawia, że tyrozyna jest mniej hydrofobowa od fenyloalaniny. Tryptofan ma pierścień indolowy połączony z grupą metylenową.
COO-
½
+H2N ¾ C ¾ H
| |
H2C CH2
\ ¤
CH2
Prolina (Pro, P)
Atom siarki występuje w łańcuchu bocznym dwóch aminokwasów. Cysteina zawiera grupę hydrosulfidową (¾SH), a metionina ma atom siarki związany tioestrowo (¾S¾CH3). Oba te łańcuchy zawierające siarkę mają charakter hydrofobowy. Seryna i treonina w alifatycznym łańcuchu bocznym zawierają grupy hydroksylowe, które powodują, że te aminokwasy są bardziej hydrofilowe i reaktywne niż alanina i walina.
W pH obojętnym lizyna i arginina są naładowane dodatnio. Histydyna nat.może być obojętna lub mieć ładunek dodatni zależnie od jej lokalnego otoczenia. W zestawie tych aminokwasów znajdują się również dwa z kwasowymi łańcuchami bocznymi, są to kwas asparaginowy i kwas glutaminowy. Ich boczne łańcuchy w pH fizjologicznym są niemal zawsze ujemnie naładowane. Glutamina i asparagina- to pochodne glutaminianu i saparaginianu , które nie mają ładunku w łańcuchu bocznym na skutek pojawienia się grupy amidowej.
Skrótowe oznaczenia aminokwasów:
1 Alanina Ala A
2 Arginina Arg R
3 Asparagina Asn N
4 Kwas asparaginowy Asp D
5 Asparagina lub kwas asparaginowy Asx B
6 Cysteina Cys C
7 Fenyloalanina Phe F
8 Glicyna Gly G
9 Glutamina Gln Q
10 Kwas glutaminowy Glu E
11 Glutamina lub kwas glutaminowy Glx Z
12 Histydyna His H
13 Izoleucyna Ile I
14 Leucyna Leu L
15 Lizyna Lys K
16 Metionina Met M
17 Prolina Pro P
18 Seryna Ser S
19 Treonina Thr T
20 Tryptofan Trp W
21 Tyrozyna Tyr Y
22 Walina Val V
4. Główne grupy aminokwasów.
1 Glicyna, alanina.
2 Walina, leucyna, izoleucyna.
3 Prolina
4 Fenyloalanina, tyrozyna, tryptofan.
5 Cysteina, metionina
6 Seryna, tronina
7 Lizyna, arginina, histydyna, asparaginian(kw.asparaginowy), glutaminian (kw.glutaminowy), asparagina, glutamina.
Reszty aminokwasowe można pogrupować w zależności od ich potencjalnych możliwości tworzenia wiązań wodorowych:
1 Łańcuchy boczne tryptofanu i argininy służą wyłącznie jako donory w wiązaniach wodorowych.
2 Łańcuchy boczne asparaginy, seryny i treoniny, podobnie jak ugrupowania peptydowe, mogą służyć jako donory i akceptory w wiązaniach wodorowych.
3 Możliwości tworzenia wiązań wodorowych przez lizynę (oraz końcową grupę aminową), kwas glutaminowy i asparaginowy (oraz końcową grupę karboksylową), tyrozynę i histydynę, zmieniają się w zależności od pH. Wymienione grupy mogą służyć jako akceptory i donory wodoru w pewnych zakresach pH oraz jako akceptory, albo donory (lecz nie jednocześnie) w innych zakresach pH.
5. Podać wzory: alaniny, seryny, cysteiny i fenyloalaniny.
6. Podać wzory: adeniny, adenozyny i adenozynomonofosforanu.
7. Wiązanie peptydowe.
W białkach wiązanie peptydowe (amidowe) łączy grupę karboksylową jednego aminokwasu z grupą aminową drugiego aminokwasu. Wiele aminokwasów połączonych wiązaniem peptydowym tworzy łańcuch polipeptydowy. Jednostkę aminokwasu wbudowaną w łańcuch polipeptydowy nazywamy resztą tego aminokwasu. W łańcuchach polipeptydowych możemy wyznaczyć kierunek, ponieważ jego składniki mają dwa różne końce. Z jednej strony aminową, a z drugiej grupę karboksylową. Jako początek łańcucha polipeptydowego umownie przyjęto jego koniec aminowy, czyli koniec N i dlatego sekwencją aminokwasową łańcucha polopeptydowego zapisuje się poczynając od reszty aminokwasowej z wolną (końcową) grupą a-aminową. Łańcuch polipeptydowy jest złożony z powtarzających się regularnie fragmentów, tworzących łańcuch główny, oraz z fragmentów zmiennych charakterystycznych łańcuchów bocznych różnych aminokwasów. Łańcuch główny czasem nazywa się szkieletem.
8. Punkt izoelektryczny białka.
Punkt izoelektryczny (pI) -jest to takie pH, przy którym jego wypadkowy ładunek jest równy zeru. W tym pH ruchliwość elektroforetyczna jest równa zeru, ponieważ wypadkowy ładunek cząsteczki białka wynosi zero.
Metoda rozdzielenia białek ze względu na ich punkt izoelektryczny nazywa się ogniskowaniem izoelektrycznym.
9. Poziomy struktury białek
Strukturę białek najprościej można podzielić na 4 poziomy organizacji strukturalnej, zwane rzędowością. Wyróżniamy strukturę pierwszorzędową, drugorzędową, trzeciorzędową i czwartorzędową.
Reszty aminokwasów w łańcuchach polipeptydowych mogą występować w różnej liczbie i kolejności. Kolejność –SEKWENCJA AMINOKWASÓW-jest charakterystyczna dla poszczególnych białek i jest zdeterminowana genetycznie. Określa się ją jako PIERWSZORZĘDOWĄ STRUKTURĘ BIAŁEK.
Łańcuchy polipeptydowe białka mają określoną budowę przestrzenną (konformację).
Układ przestrzenny atomów głównego łańcucha polipeptydowego, bez uwzględnienia konformacji łańcuchów bocznych, nazwano DRUGORZĘDOWĄ STRUKTURĄ.
Najważniejsze typy struktury drugorzędowej białek:
α- helisa (zostaje utworzona jeżeli wiązania wodorowe tworzą się pomiędzy wiązaniami peptydowymi w obrębie tego samego łańcucha)
β-harmonijka (zostaje utworzona jeżeli wiązania wodorowe tworzą się pomiędzy wiązaniami peptydowymi różnych łańcuchów).
Pomiędzy fragmentami łańcucha polipeptydowego o zdeterminowanej strukturze drugorzędowej mogą występować oddziaływania grup funkcyjnych łańcuchów bocznych, prowadzące do wytworzenia między tymi grupami różnych wiązań: jonowych, disiarczkowych, hydrofobowych, a także wodorowych.
Istnienie wymienionych oddziaływań w łańcuchu polipeptydowym powoduje, iż łańcuch ten tworzy przestrzennie pofałdowane i powyginane skupiska. Jest to tzw. TRZECIORZĘDOWA STRUKTURA CZĄSTECZKI BIAŁKA.
Białka o dużej masie cząsteczkowej mają tzw. budowę oligomeryczną i składają się z podjednostek -protomerów, tj. łańcuchów polipeptydowych o określonej strukturze pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowej.
Pomiędzy protomerami mogą występować wiązania identyczne z tymi, które odpowiedzialne są za stabilizację struktury trzeciorzędowej białek. Łańcuchy polipeptydowe zajmują w stosunku do siebie określone pozycje i to wzajemne przestrzenne ułożenie (dopasowanie) takich łańcuchów, które tworzą konformację białka oligomerycznego, nosi nazwę CZWARTORZĘDOWEJ STRUKTURY.
β –struktura „harmonijkowa”...
anicia88