Wykład 392h5j

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

Wykład 1

Aminokwasy, peptydy, białka

Aminokwasy – strukturalne elementy białek. Są pochodnymi kwasów organicznych, z których co najmniej jeden atom wodoru jest zastąpiony grupą aminową. Jest 20 aminokwasów, które budują białka. Niektóre z nich są substratami lub metabolitami pośrednimi w procesach syntezy innych związków biologicznie ważnych. Szkielety węglowodorowe mogą być zużywane przez komórki do celów energetycznych. Każdy z aminokwasów występujących w białkach (z wyjątkiem proliny i hydroksyproliny) posiada dwie grupy charakterystyczne:  -COO -NH3+ - przy węglu α Oraz łańcuch boczny –R, inny dla poszczególnych aminokwasów, połączony z tym samym atomem węgla, co grupa aminowa. Łańcuchy boczne (-R) stabilizują strukturę II rzędową poprzez oddziaływania hydrofobowe, tworzą rdzeń białek. WŁAŚCIWOŚCI AMFOTERYCZNE AMINOKWASÓW Aminokwasy w środowisku wodnym wykazują właściwości słabych kwasów i słabych zasad. Zawierają słabo kwasową grupę α-karboksylową i słabo zasadową grupę α-aminową. Dodatkowo każdy spośród aminokwasów kwasowych (Glu, Asp) lub zasadowych (Lys, Arg, His) zawiera zjonizowaną grupę w łańcuchu bocznym. Grupa aminowa nadaje aminokwasowi charakter zasadowy, ponieważ wiąże proton przechodząc w kation [-NH3+], natomiast grupa karboksylowa nadaje aminokwasowi charakter kwasowy, dysocjuje bowiem uwalniając proton i przechodząc w anion [-COO-]. Zmiany stanu jonizacji aminokwasów w zależności od pH:

Forma kationowa – przeważająca w pH 1 (środowisko kwasowe)

Forma obojnacza (dipolowa) – przeważająca w pH 7 (właściwości amfoteryczne)

Forma anionowa – przeważająca w pH 11 (środowisko zasadowe)

Istnieje pewna pośrednia wartość pH, przy której aminokwas staje się jonem obojnaczym, a jego wypadkowy ładunek elektrostatyczny równa się 0. Takie pH jest nazywane punktem izoelektrycznym (pI) aminokwasu, a jego wartość jest bardzo zróżnicowana, zależnie od charakteru łańcucha bocznego.  dla aminokwasów niepolarnych: ok. 6  dla aminokwasów polarnych z łańcuchem kwasowym: ok. 3  dla aminokwasów polarnych z łańcuchem zasadowym (z wyjątkiem His): ok. 10 Amfoteryczne cechy aminokwasów sprawiają, iż mają one właściwości buforujące, stabilizują pH.

1

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

WŁAŚCIWOŚCI OPTYCZNE AMINOKWASÓW Aminokwasy otrzymane w wyniku hydrolizy białek należą do α-aminokwasów i do szeregu konfiguracyjnego L. Wszystkie aminokwasy wchodzące w skład białek są α-aminokwasami. β-aminokwasy nie wchodzą w skład białek.

(nie wchodzą w skład białek, antybiotyki, składniki ściany komórkowej bakterii)

α-L-aminokwas α-D-aminokwas Glicyna jako jedyny aminokwas nie wykazuje czynności optycznej. AMINOKWASY POWSZECHNIE WYSTĘPUJĄCE W BIAŁKACH:

Wzór

Aminokwasy z niepolarnymi grupami –R (hydrofobowe) Nazwa Alanina (kw. α-aminopropionowy)

Skrót ALA A

Walina (kw. α-aminoizowalerianowy)

WAL

V

Leucyna (kwas α-amino-4-metylopentanowy)

LEU

L

Izoleucyna (kwas 2-amino-3-metylopentanowy)

ILE

I

Prolina (α-pirolidyno-2-karboksylan)

PRO

P

FEN

F

Jest iminokwasem – azot jest składnikiem pierścienia, ma tylko 1 wodór, który tworzy wiązanie peptydowe. Prolina nie tworzy wiązania wodorowego – destabilizuje strukturę II-rzędową (zniekształcenie łańcucha polipeptydowego).

Fenyloalanina (kwas α-amino-3-fenylopropanowy)

2

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11 Tryptofan (kwas α-amino-β-indolopropionowy)

TRY

W

Metionina (kwas α-amino-4-(metylotio)butanowy)

MET

M

Aminokwasy tej grupy zawierają łańcuchy boczne bez grup funkcyjnych. Łańcuchy te nie oddają, ani nie przyłączają protonów oraz nie uczestniczą w tworzeniu wiązań jonowych ani wodorowych. Hydrofobowy charakter łańcuchów bocznych – unikają kontaktu z wodą, przylegają nawzajem do siebie, kierując się do wnętrza cząsteczki białkowej. W środowisku wodnym niepolarne grupy –R wypełniają wnętrze sfałdowanej cząsteczki białkowej, tworząc między sobą wiązania hydrofobowe, co pozwala białku na stabilizację jego struktury przestrzennej. W środowisku lipidowym (błony biologiczne) łańcuchy boczne aminokwasów niepolarnych kierują się na powierzchnię cząsteczki białka, wchodząc w reakcję z hydrofobowymi lipidami. Aminokwasy z polarnymi grupami –R, nie wykazującymi ładunku (niezdolne do dysocjacji) Wzór Nazwa Skrót Glicyna GLY G (kw. aminooctowy) Nie jest optycznie czynna

Seryna (kw. α-amino-β-hydroksypropionowy)

SER

S

Treonina (kw. α-amino-β-hydroksymasłowy)

THR

T

Tyrozyna (kwas 2-amino-3-(4-hydroksyfenylo) propanowy)

TYR

Y

Cysteina (kw. α-amino-β-tiopropionowy)

CYS

C

Grupa –SH może ulegać utlenieniu do cystyny (utrata właściwości); dwie cysteiny, które znajdą się w białku, stabilizują strukturę – tworzą wiązania disiarczkowe (b. mocne kowalencyjne wiązanie)

3

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11 Asparagina (kw. α-amino-3-amidopropanowy)

ASN

B

GLN

Q

Grupa amidowa nie niesie ładunku

Glutamina (kw. -2,5-diamino-5-oksopentanowy) Grupa amidowa nie niesie ładunku

Grupy –OH i –SH oraz związana amidowo grupa –NH2 cechują się niesymetrycznym (biegunowym) rozmieszczeniem ładunków, jednak w fizjologicznym pH nie dysocjują i wykazują zerowy ładunek elektryczny. Grupa –NH2 związana amidowo w asparaginianie i glutaminianie nie wiąże protonu (w fizjologicznym pH nie jest więc nośnikiem ładunku elektrycznego). Grupy –OH mogą być miejscem wiązania fosforanu, uczestniczyć w tworzeniu wiązań wodorowych. Grupy –SH zawarte w łańcuchach bocznych cysteiny są ważnym elementem składowym miejsc aktywnych wielu enzymów. Dwie cząsteczki lub dwie reszty cysteiny mogą reagować ze sobą. Czynnik utleniający odłącza atom wodoru od dwóch grup –SH, a atomy siarki wytwarzają między sobą wiązanie kowalencyjne (mostek disiarczkowy) – reakcja odwracalna. Powstaje cząsteczka cystyny:

Cysteina

Cystyna

Mostki disiarczkowe powstają pomiędzy resztami cysteiny wbudowanymi do peptydów i białek. Mają istotne znaczenie w stabilizacji struktury przestrzennej białek. Łańcuch boczny seryny jest ważnym składnikiem miejsc aktywnych wielu enzymów. Grupa amidowa asparaginy oraz hydroksylowa seryny, treoniny i hydroksylizyny mogą być miejscem wiązania składników cukrowych. Wzór

Aminokwasy naładowane dodatnio (kwaśne) Nazwa Kwas asparaginowy (asparaginian) (kwas α-aminobursztynowy)

Kwas glutaminowy (glutaminian) (kwas α-aminopentanodiowy)

4

Skrót ASP

D

GLU

E

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

W fizjologicznym pH ulegają pełnej dysocjacji i stają się nośnikami ładunku ujemnego. Z tego powodu zasadne jest używanie nazw asparaginian i glutaminian – wskazują one, iż w środowisku o fizjologicznej wartości pH są one anionami: asparaginianowym i glutaminianowym.

Wzór

Aminokwasy naładowane ujemnie (zasadowe) Nazwa Lizyna (kwas 2,6-diaminoheksanowy) Oprócz grupy α-aminowej ma też grupę εaminową

Skrót LIZ

K

Arginina (kwas 2-amino-5-guanidynopentanowy) Posiada grupę guaninową

ARG

R

Histydyna (kwas 2-amino-3-imidazopropionowy)

HIS

H

Ich łańcuchy boczne zawierają grupy wiążące protony (grupa ε-aminowa lizyny, guanidynowa argininy, pierścień imidazolowy histydyny). W fizjologicznych warunkach pH łańcuchy boczne lizyny i argininy są naładowane dodatnio. Łańcuch boczny histydyny ma słabe właściwości zasadowe – w fizjologicznym pH większość tych łańcuchów nie jest naładowana. W sytuacji, gdy histydyna wbuduje się do białka, jej pierścień imidazolowy ładuje się dodatnio lub pozostaje elektrycznie obojętny. Zależy to od środowiska, w którym znajduje się białko. AMINOKWASY RZADKO WYSTĘPUJĄCE W BIAŁKACH – podobna do seryny i cysteiny (zamiast –SH zawiera –SeH)  selenocysteina  pirololizyna aminokwasy występujące tylko w niektórych białkach – nie są  hydroksyprolina wbudowywane do białek w trakcie ich syntezy, lecz powstają w  hydroksylizyna procesie potranslacyjnej modyfikacji reszt: proliny, lizyny i  γ-karboksyglutaminian glutaminianu, zawartych w prekursorowych postaciach białek. W kolagenie występują: hydroksylizyna (występuje tylko w kolagenie) i hydroksyprolina (występuje w kolagenie i w elastynie). Aminokwasy te są rzadkie, ponieważ nie ma dla nich kodu genetycznego. Powstają z lizyny i proliny w wyniku hydroksylacji (jest to przykład modyfikacji potranslacyjnych). Enzymy hydroksylazy wymagają obecności kwasu askorbinowego.

5

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

Kolagen – jego cząsteczka zbudowana jest z 3 łańcuchów peptydowych zwiniętych wokół siebie. Są między nimi wiązania wodorowe, w których uczestniczy hydroksyprolina. 1 na 3 aminokwasy to prolina lub hydroksyprolina, a co 3 aminokwas to glicyna. Łańcuchy żeby być stabilne muszą ją zawierać, bo ma 1 atom wodoru i nie wnosi łańcucha bocznego, przez co umożliwia oplatanie się 3 łańcuchów. Kolagen buduje 3 łańcuchy, które oplatają się lewoskrętnie. Iminokwasy:

prolina

hydroksyprolina

Hydroksyglicyna ulega glikozylacji (Kolagen jest tu przykładem – do hydroksyglicyny przyłącza się cukier). γ-hydroksyglutaminian – aminokwas rzadko występujący w białkach. Kwas glutaminowy ulega karboksylacji (dwie grupy anionowe złapią dwuwartościowe jony wapnia). Karboksylacja reszt glutaminowych kwasu glutaminowego w osoczu: δ-karboksylacja. AMINOKWASY NIE WYSTĘPUJĄCE W BIAŁKACH:  β-alanina składnik koenzymu A, produkt rozpadu pirymidyn  ornityna  cytrulina metabolity cyklu mocznikowego  pochodne tyrozyny  trójjodotyronina  cystyna  betaina ważne produkty metabolizmu aminokwasów,  DOPA nie wchodzące w skład białek  homocysteina  γ-aminomaślan neuroprzekaźnik  homoseryna prekursor metioniny Biologiczne znaczenie aminokwasów:  składniki peptydów i białek  uczestniczą w budowie centrów katalitycznych białek enzymatycznych  prekursory hormonów (adrenaliny, noradrenaliny, tyroksyny, trijodotyroniny, histaminy, serotoniny, dopaminy, melatoniny)  prekursory barwników biologicznych (melanin, hemu)  prekursory niektórych koenzymów (koenzym A)  prekursory neuroprzekaźników (acetylocholina, kwas γ-aminomasłowy)  substraty w syntezie puryn i pirymidyn  ich szkielety węglowodorowe (fragmenty) są zużywane do syntezy glukozy, ciał ketonowych lub utleniają się do CO2 i wody, dostarczając energii  źródło siarki  uczestniczą w syntezie fosfolipidów

6

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

PEPTYDY Produkt kondensacji dwóch aminokwasów to dipeptyd zawierający wolną grupę aminową jednego aminokwasu i wolną grupę karboksylową drugiego. Tworzenie wiązania peptydowego

wiązanie peptydowe

Aminokwas

Reszty aminokwasowe

Wiązanie peptydowe występuje w dwóch stanach rezonansowych:

Wiązanie między atomami C i N ma częściowy charakter wiązania podwójnego o konfiguracji trans (niemożliwa jonizacja). Jest to wiązanie kowalencyjne (amidowe), nie ma możliwości obrotu wokół tego wiązania (sztywne) względem osi C=N, ale jest możliwość swobodnego obrotu wokół pojedynczych wiązań łańcucha polipeptydowego, co umożliwia jego fałdowanie. Tlen grupy C=O i wodór grupy N-H są skierowane w przeciwne strony. Atomy C i O grupy C=O oraz atomy N i H grupy -NH wraz z sąsiednimi atomami Cα leżą w jednej płaszczyźnie. Wiązanie peptydowe powstałe z udziałem grupy iminowej proliny lub hydroksyproliny i grupy karboksylowej innego aminokwasu wykazujeodmienną strukturę. Azot grupy iminowej jest trwale wbudowany w strukturę pierścienia pirolidynowego. Nie zawiera podstawnika wodorowego, nie ma możliwości rotacji względem wiązań powstałych z udziałem tego azotu. Peptydy są strukturami nierozgałęzionymi. Posiadają dwa charakterystyczne końce:  na jednym z nich występuje aminokwas z wolną grupą α-aminową – koniec aminowy, koniec N  na drugim występuje aminokwas z wolną grupą α-karboksylową – koniec karboksylowy, koniec C Grupa karboksylowa aminokwasu C-końcowego może wejść w reakcję z grupą aminową aminokwasu N-końcowego. Tą drogą peptyd liniowy przekształca się w peptyd cykliczny, nieposiadający końca aminowego ani karboksylowego. Nazewnictwo peptydu Nazwę peptydu rozpoczyna się od nazwy reszty aminokwasu N-końcowego, następnie wymienia się nazwy kolejnych reszt aminokwasowych, a kończy się nazwą aminokwasu C-końcowego w jej oryginalnym brzmieniu. (N-koniec)

SER – MET – FEN – GLU – GLI

(C-koniec)

Serylo-metionylo-fenyloalanylo-glutamylo-glicyna. Peptydy biologicznie aktywne:  glutation  kininy (kalidyna i bradykinina)  angiotensyna I i II  enkefaliny  endorfiny  oksytocyna i wazopresyna

7

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

Glutation – jest tripeptydem składającym się z: glutaminianu, cysteiny i glicyny. Aminokwasem Nkońcowym jest glutaminian, ale sposób połączenia glutaminianu z cysteiną jest nietypowy dla peptydów i białek. W wiązaniu tym uczestniczy bowiem grupa γ-karboksylowa glutaminian. Glutation jest więc γ-glutamylocysteinyloglicyną. Występuje w formie zredukowanej i utlenionej. Glutation zredukowany posiada wolną grupę sulfhydrylową (-SH). Glutation utleniony powstaje przez odłączenie pary atomów wodoru od grup –SH dwóch cząsteczek glutationu zredukowanego. Atomy siarki pozbawione wodoru wiążą się ze sobą, tworząc mostek disiarczkowy. Zdolność glutationu do przechodzenia na przemian w stan utleniony i zredukowany jest niezwykle ważna w procesach oksydoredukcyjnych.

BIAŁKA Na ogół przyjmuje się, że produkt zawierający ponad 100 reszt aminokwasowych i wykazujący masę cząsteczkową powyżej 10 kDa jest białkiem. W skład jednego łańcucha białkowego wchodzi od 100 do 1000 (niekiedy więcej) reszt aminokwasowych. Masa cząsteczkowa większości białek waha się od 10 do kilkuset kDa. Niektóre z nich zawierają po dwa do kilku łańcuchów białkowych. W większości białek występuje 20 aminokwasów. Dwa dodatkowe (selenocysteina i pirololizyna) występują tylko w nielicznych białkach. Obecność tych 22 aminokwasów w białkach jest zdeterminowana genetycznie. Nieliczne białka zawierają dodatkowo: hydroksyprolinę (kolagen i elastyna), hydroksylizynę (kolagen) lub y-karboksyglutaminian (niektóre białka osocza krwi). Obecność tych 3 aminokwasów w białkach nie jest zdeterminowana genetycznie. Powstają one w wyniku hydroksylacji reszt proliny i lizyny lub karboksylacji reszt glutaminianu wbudowanych do prekursorowych postaci tych białek. IV POZIOMY ORGANIZACJI STRUKTURY BIAŁEK: Strukturę białek określają 4 poziomy organizacji: jakość, ilość, kolejność, sekwencja. Są to struktury: pierwszorzędowa, drugorzędowa, trzeciorzędowa i czwartorzędowa. Trzy ostatnie są określane wspólną nazwą: konformacja białka.

8

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

 Struktura I – rzędowa – kolejność aminokwasów w białku. Właściwości wiązania peptydowego: Wiązanie między atomami C i N ma częściowy charakter wiązania podwójnego (niemożliwa jonizacja), nie ma możliwości obrotu wokół tego wiązania, ale jest możliwość swobodnego obrotu wokół pojedynczych wiązań, co umożliwia fałdowanie się łańcucha. Tlen karbonylowy i wodór są do siebie w pozycji trans. Wiązanie peptydowe jest płaskim elementem cząsteczki, atomy wiązania peptydowego i węgle α leżą w jednej płaszczyźnie (koplanarnej). W pozycji trans są też względem siebie łańcuchy boczne dwóch sąsiednich aminokwasów, dzięki temu możliwy jest różny sposób pofałdowania łańcucha. Kolejność aminokwasów w białku określa strukturę. Wiązania peptydowe są trwałe i nie ulegają rozerwaniu podczas denaturacji białka (wysoka temperatura, mocznik, kwasy, zasady). Te czynniki zniszczą struktury wyższego rzędu. Wiązanie peptydowe może zostać rozerwane jedynie przez enzymy proteolityczne (pepsyna, trypsyna). Łańcuch polipeptydowy składa się z łańcucha głównego i łańcuchów bocznych. Rozmieszczenie reszt aminokwasowych wzdłuż łańcucha polipeptydowego nie podlega żadnym okresowościom. Można jedynie stwierdzić, że aminokwasy zawierające łańcuchy boczne o charakterze kwasowym lub zasadowym oraz aminokwasy zawierające pierścienie aromatyczne często występują w skupieniach. Zdarza się, że kilka reszt tego samego aminokwasu występuje obok siebie. Sekwencja aminokwasowa jest zdeterminowana genetycznie.  Struktura II – rzędowa – jest to konformacja (regularny układ przestrzenny) głównego łańcucha polipeptydowego (szkieletu kowalencyjnego). Łańcuchy boczne nie uczestniczą w tworzeniu struktury II-rzędowej. Struktura II-rzędowa powstaje w wyniku oddziaływania aminokwasów leżących blisko siebie w sekwencji (III-rzędowa dalekich). Struktura ta może być badana metodami dyfrakcji promieni X. Wiązanie peptydowe ma pewne cechy wiązania podwójnego. Nie ma możliwości rotacji łańcucha względem osi C-N, ze względu na tendencję tego wiązania do przechodzenia w postać C=N. Atomy C i O grupy C=O oraz atomy N i H grupy N-H (uczestniczące w tworzeniu wiązania peptydowego) wraz z sąsiednimi atomami Ca tworzą jedną płaszczyznę. Tlen grupy C=O i wodór grupy N-H znajdują się względem siebie w pozycji trans. Z tych względów szkielet łańcucha białkowego może być przedstawiony jako szereg sztywnych płaszczyzn oddzielonych od siebie grupami CH-R.  Helisa α Najczęściej spotykaną formą struktury drugorzędowej białka jest helisa α. Obecne w niej L-aminokwasy dają prawoskrętną, stabilną strukturę. Jest to specyficzna forma spirali (śruby). Na jeden skręt helisy a przypada 2,6 reszt aminokwasowych (1 aminokwas jest blisko 4, 2 blisko 5 itd.). Na zewnątrz „sterczą” łańcuchy boczne aminokwasów. Światło wewnętrzne spirali jest znikomo małe. Skok spirali wynosi 0,54 nm, a odległość osiowa dwu reszt aminokwasowych - 0,15 nm. Taki układ wyróżnia się od innych struktur spiralnych tym, że pozwala na tworzenie wewnątrzłańcuchowych, międzyzwojowych wiązań wodorowych. W helisie α wiązanie wodorowe powstaje pomiędzy atomem wodoru, zawartym w grupie N-H jednego wiązania peptydowego, a tlenem grupy C=O , należącej do czwartego z kolei aminokwasu, według zasady n + 4, gdzie n oznacza numer kolejny reszty aminokwasowej, licząc od końca aminowego. Atom wodoru

9

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

związany kowalencyjnie z atomem azotu w grupie N-H jest równocześnie przyciągany przez elektroujemny atom tlenu zawarty w grupie C=O . Taki układ przestrzenny stwarza możliwość oddziaływań elektrostatycznych, zapewniających maksymalną siłę wiązań wodorowych. Każde wiązanie peptydowe łańcucha białkowego objętego strukturą helisy α uczestniczy w tworzeniu wiązań wodorowych. Nie dotyczy to wiązań powstałych z udziałem grup iminowych proliny. Strukturę II-rzędową stabilizują wiązania wodorowe (nie peptydowe!) – są to wiązania słabe, ale jest ich dużo, więc helisa jest trwałą strukturą. Zagęszczenie aminokwasów, których łańcuchy boczne są nośnikami ładunków elektrycznych (Glu, Asp, His, Lys lub Arg), destabilizuje helisę α, ze względu na oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy grupami obdarzonymi ładunkiem. Ponadto aminokwasy z dużym (np. tryptofan) lub rozgałęzionym (np. walina czy izoleucyna) łańcuchem bocznym także destabilizują tę strukturę. Obecność proliny w łańcuchu białkowym powoduje zniekształcenie helisy α, gdyż azot wbudowany do pierścienia pirolidynowego zaburza geometrię wiązania peptydowego. Ponadto reszta prolilowa wbudowana do białka w pozycji n nie ma grupy N-H, a tym samym nie uczestniczy w tworzeniu wiązania wodorowego z grupą C = 0 reszty aminokwasowej występującej w pozycji n + 4. W tym miejscu następuje zagięcie łańcucha białkowego. Polimery niektórych aminokwasów nie mogą w ogóle wytwarzać helisy α. Dotyczy to aminokwasów o łańcuchach polarnych obdarzonych ładunkiem elektrycznym, aminokwasów o łańcuchach rozgałęzionych oraz iminokwasów: proliny i hydroksyproliny.  Polilizyna w roztworze obojętnym, zamiast helisy α, wytwarza strukturę o przypadkowym układzie przestrzennym, zwaną „kłębkiem statycznym”. Dzieje się tak dlatego, iż w pH 7 wszystkie łańcuchy boczne lizyny są naładowane dodatnio. Nośnikami tego ładunku są uprotonowane grupy eaminowe (-NH3+) tego aminokwasu. Między nimi działają siły odpychania elektrostatycznego, uniemożliwiające powstanie międzyzwojowych wiązań wodorowych. Jednakże w pH 12 grupy NH3+ odłączają protony, przechodząc w elektrycznie obojętne grupy -NH2 . Zanikają siły odpychania elektrostatycznego pomiędzy łańcuchami bocznymi i polilizyna przyjmuje strukturę helisy α.  Poliglutaminian zachowuje się podobnie do polilizyny. W roztworze obojętnym tworzy kłębek statyczny, a w pH 2 - helisę α. Dzieje się tak dlatego, ponieważ w pH 7 wszystkie łańcuchy boczne glutaminianu są naładowane ujemnie. Nośnikami tego ładunku są zdysocjonowane grupy ykarboksylowe (-COO-) tego aminokwasu. Między nimi działają siły odpychania elektrostatycznego, uniemożliwiające powstanie międzyzwojowych wiązań wodorowych. Jednakże w pH 2 grupy – COO- wiążą protony, przechodząc w elektrycznie obojętne grupy -COOH. Zanikają siły odpychania elektrostatycznego pomiędzy łańcuchami bocznymi i poliglutaminian przyjmuje strukturę helisyα.  Poliizoleucyna nie tworzy helisy α, gdyż rozgałęziony łańcuch boczny stwarza przeszkodę przestrzenną w zbliżeniu się grup C=O i N-H na odległość umożliwiającą powstanie międzyzwojowych wiązań wodorowych. Przeszkoda taka nie zachodzi w przypadku polileucyny, gdyż miejsce rozgałęzienia łańcucha bocznego leucyny jest dalej położone w stosunku do węgla α.  Poliseryna także nie tworzy struktury helisy a, gdyż grupy -OH, zawarte w łańcuchach bocznych reszt serylowych, uczestniczą w tworzeniu innych (konkurencyjnych) wiązań wodorowych. Obecność aminokwasów destabilizujących i zniekształcających sprawia, iż struktura helisy α nie jest ciągła. Na przykład α-keratyna (białko występujące we włosach, paznokciach i w powierzchniowej warstwie naskórka) jest niemal całkowicie objęta strukturą helisy α, natomiast hemoglobina tylko w 80%, a lizozym (enzym trawiący ściany polisacharydowe komórek bakteryjnych) jedynie w 25%. Kolagen i elastyna (białka obfitujące w prolinę i hydroksyprolinę) nie są w ogóle zdolne do wytwarzania helisy α.

10

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

 Struktura β Struktura β zwana jest także strukturą pofałdowanej kartki lub strukturą harmonijki β. Łańcuch białkowy o strukturze β jest bardziej rozciągnięty w kierunku osiowym niż łańcuch o strukturze helisy α. Odległość dwu sąsiednich reszt aminokwasowych jest prawie dwukrotnie większa niż w łańcuchu o strukturze helisy α i wynosi około 0,35 nm. W białkach o strukturze β nie występują wewnątrzłańcuchowe wiązania wodorowe pomiędzy grupami C=O (aminokwasu n) i grupami N-H (chyba, że łańcuch ma zagięcia – tzw. zwrot β – często łączy antyrównoległe łańcuchy β). Wiązania takie powstają natomiast pomiędzy grupami C=O i N-H sąsiednich łańcuchów i są usytuowane poprzecznie do ich długiej osi. Wiązanie peptydowe jest tak skonstruowane, iż atomy grup C=O i N-H oraz dwa sąsiednie atomy węgla tworzą jedną płaszczyznę. Węgiel α każdej reszty aminokwasowej jest miejscem styku tych płaszczyzn. Z tych względów białko o strukturze β może być traktowane jako układ sztywnych płaszczyzn ustawionych względem siebie pod pewnym kątem. Dlatego zasadne jest nazywanie tej formy przestrzennej białka strukturą pofałdowanej kartki lub strukturą harmonijki β. Strukturę β wykazują np. fibroina jedwabiu lub β-keratyna, powstająca przez rozciągnięcie łańcuchów α-keratyny pod działaniem rozgrzanej pary wodnej. W tworzeniu struktury β uczestniczą zazwyczaj dwa lub więcej łańcuchów białkowych. Ich przebieg może być:  paralelny (równoległy/współbieżny), gdy końce aminowe i karboksylowe każdego z łańcuchów są skierowane w tę samą stronę,  antyparalelny (przeciwrównoległy/antyrównoległy), gdy wspomniane końce poszczególnych łańcuchów są skierowane w przeciwne strony. Łańcuchy białkowe o strukturze β często tworzą zagięcia, które zmieniają kierunek przebiegu długiej osi cząsteczki na przeciwstawny. Dzięki temu struktura β może powstawać także w obrębie jednego łańcucha, gdy poszczególne jego odcinki przebiegają równolegle względem siebie i wytwarzają między sobą wiązania wodorowe. Wspomniane zagięcia umożliwiają upakowanie łańcucha białkowego w zwartą postać globularną (o kształcie zbliżonym do kuli). W miejscach zagięcia łańcuchów o strukturze p często występuje prolina, glicyna oraz aminokwasy z łańcuchami bocznymi obdarzonymi ładunkiem elektrycznym. Zagięcia te lokalizują się zazwyczaj na powierzchni cząsteczek białkowych.

11

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

 Struktura III – rzędowa – powstaje w wyniku wzajemnego oddziaływania aminokwasów leżących daleko od siebie w strukturze I-rzędowej, ale wskutek pofałdowania łańcucha aminokwasy odległe od siebie stają się przestrzennie bliskie. Jest to konformacja przestrzenna całej cząsteczki białka z zachowaniem jej wszystkich elementów struktury II-rzędowej. Przyjmuje różne konformacje dla różnych białek. W jej stabilizacji biorą udział różne wiązania utworzone przez łańcuchy boczne aminokwasów. W całej cząsteczce białka występują regiony, w których jest ono różnie pofałdowane. Strukturę III-rzędową determinuje struktura I-rzędowa, która jest określona genetycznie. Wiązania stabilizujące strukturę III-rzędową:  Mostki disiarczkowe są wiązaniami kowalencyjnymi wytworzonymi przez grupy sulfhydrylowe (-SH) dwu reszt cysteinylowych. Odłączenie pary atomów wodoru od dwu grup -SH prowadzi do wytworzenia mostka disiarczkowego (-S-S-), który tworzy „klamrę” zespalającą dwie odległe reszty cysteiny. W ten sposób dwie reszty cysteinylowe przekształcają się w jedną resztę cystynylową. Reszty cysteiny, uczestniczące w tworzeniu mostka disiarczkowego, są zazwyczaj bardzo oddalone od siebie i oddzielone wieloma resztami innych aminokwasów. Pofałdowanie (zagięcia) łańcucha polipeptydowego sprawia, że reszty te zbliżają się na odległość pozwalającą na interakcję grup -SH i wytworzenie wiązania kowalencyjnego pomiędzy atomami siarki. Mechanizm ten utrwala strukturę trzeciorzędową. Mostki disiarczkowe występują szczególnie licznie w białkach wydzielanych poza komórkę. Prawdopodobnie chronią białko przed denaturacją w środowisku pozakomórkowym.  Wiązania hydrofobowe. W środowisku wodnym reszty aminokwasowe z niepolarnymi łańcuchami bocznymi mają tendencję do lokalizacji w głębi cząsteczki białkowej i do asocjacji z innymi aminokwasami niepolarnymi, natomiast reszty aminokwasowe z łańcuchami polarnymi zajmują miejsce na powierzchni cząsteczki. W środowisku lipidowym (niepolarnym), jakie stwarzają błony biologiczne, występuje zjawisko odwrotne. Hydrofobowe łańcuchy boczne aminokwasów lokują się na powierzchni cząsteczki białkowej, wchodząc w kontakt z hydrofobowymi lipidami, podczas gdy łańcuchy hydrofilne kierują się do wnętrza cząsteczki, unikając kontaktu z lipidami.  Wiązania wodorowe. Łańcuchy boczne aminokwasów, zawierające wodór związany z tlenem lub z azotem, jak grupa -O H seryny i treoniny, lub grupa -NH2 lizyny lub argininy mogą tworzyć wiązania wodorowe z tlenem grup karbonylowych wiązań peptydowych lub z tlenem grup karboksylowych. Te same grupy mogą tworzyć wiązania wodorowe z wodą, dzięki czemu cząsteczka białka pokrywa się płaszczem wodnym. Zjawisko to nosi nazwę hydratacji białek. Nadaje to białku rozpuszczalność w środowisku wodnym.  Wiązania jonowe. Ujemnie naładowane grupy karboksylowe (-COO-) w łańcuchach bocznych asparaginianu i glutaminianu mogą reagować z dodatnio naładowaną grupą aminową (-NH3+)

12

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

 

zawartą w łańcuchu bocznym lizyny lub z dodatnio naładowaną grupą guanidynową zawartą w łańcuchu bocznym argininy. Domeny białkowe. Ze strukturą trzeciorzędową białek wiąże się pojęcie domen białkowych. Domena jest wydzielonym, zwartym fragmentem struktury trzeciorzędowej, pełniącym w białku określoną funkcję. Polipeptydy zawierające ponad 200 reszt aminokwasowych na ogół tworzą co najmniej dwie bądź więcej domen. Istnieją białka enzymatyczne zawierające po kilka domen, z których każda pełni inną funkcję katalityczną.

Przykłady struktur trzeciorzędowych:  Mioglobina  Hemoglobina  Lizozym  Struktura IV – rzędowa – Białka o wysokiej masie cząsteczkowej są zazwyczaj oligomerami składającymi się z 2 lub większej liczby łańcuchów polipeptydowych (monomerów/protomerów), zwanych podjednostkami (nazwa odnosi się do funkcjonalności, w innym znaczeniu jest błędna). Bywają one identyczne lub różne. Mogą funkcjonować niezależnie od siebie lub współdziałać ze sobą. Skład podjednostkowy i wzajemny układ przestrzenny podjednostek w obrębie jednej cząsteczki białkowej jest nazywany strukturą czwartorzędową białka. W odróżnieniu od struktur wyżej opisanych, ta ostatnia występuje tylko w niektórych białkach. Na ogół podjednostki białkowe uczestniczące w tworzeniu struktury czwartorzędowej (ich łańcuchy boczne) są zespolone ze sobą wiązaniami niekowalencyjnymi o niskiej energii, jak: wiązania hydrofobowe, jonowe lub wodorowe. W niektórych białkach struktura ta jest stabilizowana poprzez mostki disiarczkowe pomiędzy resztami cysteiny należącymi do różnych podjednostek. Wiązaniami stabilizującymi tę strukturę są te same wiązania, które stabilizują strukturę III-rzędową. Jedynie w kolagenie i elastynie występują bardzo stabilne wiązania kowalencyjne pomiędzy podjednostkami. Wiele białek oligomrycznych dysocjuje na podjednostki przy zmianach pH, pod działaniem roztworów mocznika lub chlorowodorku guanidyny, β-merkaptoetanolu, ditiotreitolu, wersenianu lub siarczanu dodecylosodowego (SDS). Przykłady struktur czwartorzędowych:  Hemoglobina  Dehydrogenaza mleczanowa  Immunoglobulina G  Fibronektyna

13

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

STRUKTURA KOLAGENOWA Kolagen – główne białko tkanki łącznej. Posiada ono bardzo wysoką odporność na rozciąganie i stanowi główny składnik ścięgien. Jest odpowiedzialny za elastyczność skóry. Kolageny cechują się nietypowym składem aminokwasowym, którego następstwem są struktury przestrzenne, niespotykane w innych białkach. Ponad 30% reszt aminokwasowych kolagenu stanowi glicyna, a około 12-15% stanowią reszty proliny. Na szczególną uwagę zasługuje obecność hydroksyproliny i hydroksylizyny, aminokwasów niezmiernie rzadko spotykanych w innych białkach zwierzęcych (nie pochodzą bezpośrednio z translacji w rybosomach) oraz niska zawartość aminokwasów siarkowych i aromatycznych. Hydroksyprolina i hydroksylizyna są formowane z proliny i lizyny już w gotowym produkcie translacji w procesie enzymatycznym, która wymaga obecności witaminy C. To właśnie ten proces wymaga konieczności występowania stałego stężenia witaminy C w organizmie, gdyż zablokowanie syntezy kolagenu skutkuje chorobą zwaną szkorbutem, polegającą na uszkodzeniach skóry, błon śluzowych i wypadaniu zębów. Obecność dużej liczby reszt prolilowych i hydroksyprolilowych sprawia, iż łańcuchy kolagenów nie tworzą struktury α-helisy. Układają się w specyficzną dla tego białka strukturę przestrzenną, zwaną potrójną helisą kolagenową. Podstawową jednostką strukturalną kolagenu jest tropokolagen, cząsteczka złożona z trzech łańcuchów polipeptydowych, zwanych podjednostkami α. Mogą one być jednakowe bądź różne - zależnie od typu kolagenu. Końcowe fragmenty łańcuchów α, zwane telopeptydami, mają odmienny skład aminokwasowy. Nie są one objęte strukturą potrójnej helisy. Tropokolagen ma strukturę potrójnej, ściśle upakowanej helisy, o skoku tylko 0,3 nm w porównaniu ze skokiem 0,36 nm, typowym dla innych białek. Wiązania kowalencyjne i wodorowe tworzone przez hydroksylizynę i hydroksyprolinę odgrywają kluczową rolę w stabilizowaniu helisy kolagenu, a także mają silny wpływ na ostateczny kształt włókien zbudowanych z kolagenu. Łańcuchy kolagenowe są bardziej rozciągnięte w kierunku osiowym niż łańcuchy białek o strukturze helisy α, ale mniej niż łańcuchy białek o strukturze β. Odległość osiowa dwu sąsiadujących ze sobą reszt aminokwasowych w łańcuchu kolagenowym wynosi 0,29 nm (w α-helisie 0,15 nm, w strukturze β 0,35 nm). Z tego powodu kolagen nie wytwarza wiązań wodorowych pomiędzy zwojami tego samego łańcucha, natomiast wiązania takie powstają pomiędzy poszczególnymi łańcuchami potrójnej helisy. Struktura kolagenowa jest nietrwała. Kolagen ulega denaturacji już w temperaturze 40°C, podczas gdy większość białek denaturuje się dopiero w 58-60°C. Szczególną właściwością kolagenu jest występowanie kowalencyjnych wiązań poprzecznych pomiędzy poszczególnymi łańcuchami α. Głównymi z nich są połączenia wytwarzane przez pochodne lizyny. Niektóre reszty lizylowe zawarte w telopeptydach zostają przekształcone w peptydowo związany aldehyd (allizynę). Aldehyd ten może reagować na drodze kondensacji aldolowej z cząsteczką allizyny sąsiedniego łańcucha lub może tworzyć połączenie typu zasady Schiffa z grupą ε-aminową lizyny lub hydroksylizyny zawartej w sąsiednim łańcuchu. Wiązania te są trwałe. Nie rozpadają się pod działaniem czynników denaturujących. Inną rzadką cechą kolagenu jest regularność rozmieszczenia aminokwasów, w każdym z jego αłańcuchów. Łańcuchy te składają się z regularnych triad aminokwasów: Gly-X-Y, gdzie Gly – to glicyna a X i Y to inne aminokwasy. Na ogół X to prolina, zaś Y to hydroksyprolina. Niewiele innych białek wykazuje taką regularność. Regularność ta powoduje, że łańcuchy α mają tendencję do przyjmowania ściśle określonej konformacji, na skutek oddziaływań między sobą. Helisa kolagenu jest lewoskrętna – stanowi wyjątek!

14

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

MODYFIKACJE POTRANSLACYJNE BIAŁEK Modyfikacja potranslacyjna jest to modyfikacja białka po jego translacji. Może ona wpływać na właściwości chemiczne i fizyczne białka, jego stabilność i aktywność, a zatem na jego funkcję. Do modyfikacji translacyjnych zaliczają się: 1) Obróbka proteolityczna - proteazy usuwają zbędne fragmenty a. aktywacja białka poprzez usunięcie zbędnych fragmentów b. usunięcie sekwencji liderowych c. splicing polipeptydowy - usunięcie fragmentów ze środka d. usunięcie pierwszych podstawników 2) N-acetylacja, N-metylacja, N-formylacja - dołączenie grupy acetylowej, metylowej i metioniny 3) Hydroksylacja - dołączenie grupy hydroksylowej -OH 4) Fosforylacja - aktywacja białka przez dołączenie grupy fosforylowej 5) Defosforylacja - dezaktywacja przez odłączenie grupy fosforylowej 6) Polirybozylacja - dołączenie adeniny 7) Modyfikacja lipidowa - dołączenie do białek składników lipidowych, np. kwasów tłuszczowych (palmitynacja, mirystylacja) 8) Glikozylacja - przyłączenie reszt cukrowych do białka 9) Ubikwitynacja - przyłączenie ubikwityny i późniejsza nieodwracalna degradacja białka Denaturacja białka – zmiany w II, III- i IV-rzędowej strukturze białka natywnego, które prowadzą do utraty aktywności biologicznej lub innej indywidualnej cechy charakterystycznej przy zachowaniu sekwencji aminokwasów. Ciągłość łańcucha polipeptydowego pozostaje nienaruszona. Istotą denaturacji jest rozpad wiązań o niskiej energii, które stabilizują strukturę przestrzenną białka. Podczas denaturacji niszczone są wiązania wodorowe, a w obecności odczynników redukujących zerwaniu ulegają mostki dwusiarczkowe. Najważniejszymi metodami fizycznymi denaturacji są:  ogrzewanie,  silne mieszanie,  wytrząsanie,  naświetlanie nadfioletem,  promieniowanie rentgenowskie i jonizujące  działanie ultradźwiękami. Denaturacja chemiczna zachodzi pod wpływem związków, które są zdolne do rozerwania wiązań wodorowych, na przykład pod wpływem:  roztworu mocznika o stężeniu 6-8 mol/dm³  chlorku guanidyny o stężeniu 4 mol/dm³,  na skutek działania kwasów lub zasad (wartość pH poniżej 3 lub powyżej 9),  soli metali ciężkich (np. Hg2+, Pb2+),,  1 %-owego roztworu laurylosiarczanu sodu. Rozpuszczalniki organiczne wprowadzają nowe oddziaływania hydrofobowe pomiędzy fragmentami cząsteczki białka i cząsteczkami niepolarnego rozpuszczalnika. Metale ciężkie reagują z siarką grup sulfhydrylowych uniemożliwiając tworzenie mostków disiarczkowych. Zmiany pH wiążą się z modyfikacją ładunków elektrycznych na powierzchni cząsteczek białkowych, co w wielu przypadkach wiąże się z zanikiem oddziaływań elektrostatycznych pomiędzy podjednostkami. Β-merkaptoetanol i ditiotreitol redukują mostki disiarczkowe. Wersenian wiąże jony metali dwuwartościowych, tworząc z nimi niedysocjujące kompleksy. Powoduje to zanik między łańcuchowych wiązań jonowych, powstałych z udziałem tych metali. Wpływ kwasów i zasad oraz SDS na strukturę czwartorzędowa - SDS jest detergentem nadającym cząsteczkom białek ładunek ujemny. Pojawiają się siły odpychania elektrostatycznego pomiędzy podjednostkami, powodując rozpad oligomeru na monomery. Stężone roztwory mocznika lub chlorowodorku guanidyny rozrywają wiązania wodorowe, zespalające podjednostki białkowe.

15

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

Pod wpływem tych czynników białko traci także strukturę trzeciorzędową i drugorzędową. Denaturacja jest na ogół procesem nieodwracalnym. Przejście od natywnego, niskoenergetycznego stanu do formy zdenaturowanej związane jest ze wzrostem nieuporządkowania łańcucha, której to przemianie towarzyszy wzrost entropii. Podczas denaturacji zachodzą także zmiany rozpuszczalności i przesunięcie punktu izoelektrycznego. Białko rozpuszczalne traci rozpuszczalność, białko nierozpuszczalne staje się rozpuszczalne. Obserwuje się również często procesy agregacji i wytrącania, co jest związane ze zmianami stopnia hydratacji i rozpuszczalności białek. Zdenaturowane białko traci aktywność biologiczną, np. enzym traci swoje właściwości katalityczne, przeciwciało zdolność wiązania antygenu, kolagen zdolność do tworzenia włókien, a hemoglobina zdolność do wiązania tlenu. Czasem denaturacja może być odwracalna, gdy czynnik denaturujący był łagodny i działał krótko. Usunięcie tego czynnika sprawia, iż białko odzyskuje swą naturalną strukturę przestrzenną. Zjawisko to nosi nazwę renaturacji białka. Funkcje biologiczne białek Białka pełnią w organizmie szereg ważnych funkcji.  Funkcje strukturalne. Białka są podstawowym elementem składowym komórek i macierzy pozakomórkowej. Wraz z lipidami tworzą błony plazmatyczne oddzielające komórki od ich środowiska. Złożony system błon dzieli wnętrze komórki na szereg przedziałów. Niektóre białka pozakomórkowe (np. kolagen, elastyna, integryny) pełnią funkcje podporowe, integrują ze sobą różne elementy składowe tkanek i nadają im wytrzymałość mechaniczną. Kolagen jest głównym składnikiem białkowym kości, chrząstki, ścięgien, skóry oraz tkanki łącznej stanowiącej zrąb narządów miąższowych. Elastyna wchodzi w skład więzadeł, skóry i ścian naczyń krwionośnych (głównie tętnic). Zapewnia tym tkankom sprężystość. Integryny zakotwiczone w błonach komórkowych zespalają komórki ze sobą oraz ze składnikami macierzy pozakomórkowej.  Funkcje katalityczne. Większość reakcji biochemicznych wymaga udziału katalizatorów biologicznych, zwanych enzymami. Prawie wszystkie z nich są białkami. Przyspieszają one (co najmniej milion razy) przebieg reakcji i nadają im odpowiedni kierunek.  Funkcje transportowe. Komórka wymienia różne składniki z otaczającym ją środowiskiem. Wyspecjalizowane białka pełnią funkcję przenośników transbłonowych, przemieszczają różne składniki pobrane ze środowiska zewnętrznego do komórki lub z komórki do przestrzeni pozakomórkowej. Niektóre z nich przemieszczają składniki komórki pomiędzy jej poszczególnymi przedziałami (np. cytosolem i mitochondrium, lub cytoplazmą i jądrem komórkowym). Przenośniki te umożliwiają transport transbłonowy przede wszystkim: cukrów prostych, aminokwasów, nukleotydów i jonów nieorganicznych. Dość liczna grupa białek uczestniczy w transporcie międzynarządowym. Nierozpuszczalne tłuszcze, wchłonięte z przewodu pokarmowego lub powstałe w wątrobie, wchłaniają się do krwi. Tworzą z białkami osoczowymi rozpuszczalne kompleksy lipoproteinowe. W tej formie mogą być transportowane do odległych narządów. Ponadto białka osoczowe transportują metale (np. Fe, Cu), niektóre hormony, witaminy i leki.  Wiązanie wody. Hydrofilny charakter większości białek sprawia, iż są one podstawowym czynnikiem wiążącym wodę w organizmie. Regulują rozmieszczenie H2O pomiędzy osoczem krwi krążącej i przestrzenią pozanaczyniową oraz wnętrzem komórek i przestrzenią pozakomórkową.  Stabilizacja pH. Białka uczestniczą w utrzymywaniu równowagi kwasowo-zasadowej w komórkach, w macierzy pozakomórkowej i w płynach ustrojowych. Amfoteryczny charakter białek sprawia, iż mogą one zarówno wiązać, jak i uwalniać protony. Wiązanie H + przez grupy -NH2 i –COOzapobiega zakwaszeniu, a uwalnianie H + przez grupy -COOH i -NH3+ zapobiega alkalizacji.  Funkcje hemostatyczne. Białka uczestniczą w procesie krzepnięcia krwi. Przerwanie ciągłości ściany naczyniowej sprawia, iż krew wydostaje się poza naczynia. W wyniku szeregu reakcji enzymatycznych, fibrynogen - rozpuszczalne białko osocza - zostaje przekształcony w nierozpuszczalną fibrynę, wypełniającą ubytek w ścianie naczynia i zapobiegającą niernej utracie krwi.

16

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

 Kurczliwość mięśni. Białka (głównie aktyna i miozyna) są głównymi składnikami mięśni. Wzajemna przesuwalność włókien aktyny i miozyny względem siebie umożliwia skurcz i rozkurcz mięśnia.  Funkcje hormonalne. Liczne hormony, produkowane przede wszystkim przez przedni płat przysadki mózgowej i trzustkę, są białkami lub polipeptydami o wysokiej masie cząsteczkowej.  Funkcje receptorowe. Niektóre białka, zlokalizowane w błonach plazmatycznych lub w cytoplazmie, posiadają zdolność wiązania odpowiednich hormonów. Są nazywane receptorami tych hormonów. Także inne substancje (niebędące hormonami) mają swoje receptory.  Funkcje odpornościowe. Immunoglobuliny (przeciwciała) uczestniczą w inaktywacji bakterii, wirusów i innych czynników obcego pochodzenia. Chronią organizm przed infekcjami.  Źródło aminokwasów. Rozpad białek pokarmowych i białek tkankowych jest głównym źródłem wolnych aminokwasów. CHAPERONY (ang. chaperone - opiekun) tym mianem określa się również białka, które wiążą się w sposób odwracalny z fałdującymi się polipeptydami i zapobiegają tym samym tworzeniu się nieprawidłowych wiązań. Ich nieobecność może powodować niewłaściwe łączenie się łańcuchów i ich agregowanie w nierozpuszczalne kompleksy. Białka opiekuńcze pełnią funkcję katalizatorów i wspomagają proces samodzielnego fałdowania się łańcuchów. Nie wchodzą one w skład ostatecznego produktu, nie przekazują również żadnych dodatkowych informacji na temat konformacji cząsteczki, której kształt determinowany jest jedynie przez sekwencję aminokwasową. Chaperony utrzymują białko w jednej całości, aż do zakończenia procesu jego syntezy. Jeszcze w trakcie trwania translacji łączą się one z N-końcem powstającego łańcucha. Jest to szczególnie ważne w wypadku białek, których C-koniec zawiera ważne informacje na temat konformacji. Chaperony są również zaangażowane w tworzenie się i degradację białek złożonych z kilku łańcuchów polipeptydowych. Mogą one również stabilizować strukturę polipeptydu podczas jego transportu do poszczególnych kompartymentów i organelli, np. z cytozolu do mitochondriów lub do światła retikulum endoplazmatycznego. W tym ostatnim stężenie białek jest wyższe od optymalnego, co sprzyja przypadkowym interakcjom i poplątaniu łańcuchów. Rys. 1. Transport polipeptydu z cytozolu do mitochondrium. Chaperony cytozolowe stabilizują niesfałdowaną konformację łańcucha. Chaperony mitochondrialne ułatwiają transport oraz formowanie się struktury natywnej wewnątrz organellum Wszystkie chaperony to powolnie działające ATPazy. Kompleks ADP-chaperon wykazuje wysokie powinowactwo do niesfałdowanych łańcuchów polipeptydowych. Nie posiada jednak powinowactwa do białek natywnych. Po połączeniu się chaperonu z polipeptydem, ADP jest uwalniany z miejsca katalitycznego i zastępowany ATP. Powstały kompleks ATP-chaperon uwalnia segment peptydu, a zachodząca hydroliza ATP przywraca zdolność enzymu do wiązania następnej niesfałdowanej cząsteczki. Czas pomiędzy uwolnieniem i związaniem wyznaczany jest przez szybkość reakcji hydrolitycznej. Dzięki temu łańcuch uwalnia się stopniowo, co ułatwia jego właściwe fałdowanie.

17

Klaudia Korusiewicz 

3.10.11

Wiele białek opiekuńczych należy do rodziny białek szoku cieplnego (ang. Heat shock proteins - Hsp), które charakteryzuje wysoki stopień konserwatywności zarówno w komórkach eukariotycznych, jak i prokariotycznych. Ułatwiają one ponowne zwinięcie się białek, które pod wpływem stresu temperaturowego uległy częściowej denaturacji. Wiele z nich jest syntetyzowanych również w normalnych warunkach i służy do stabilizowania struktury nowo tworzących się białek. Tab. 1. Chaperony

Hsp70 i Hsp60 to rodziny białek odgrywających kluczową rolę podczas formowania się łańcuchów polipeptydowych w komórkach porkariotycznych i eukariotycznych. Obie te rodziny łączą się z niepofałdowanymi polipeptydami.  Hsp70 wiążą powstające łańcuchy (jeszcze w trakcie trwania ich translacji) oraz biorą udział w ich transporcie do mitochondriów i retikulum endoplazmatycznego.  Hsp 60 (chaperoniny) ułatwiają fałdowanie się łańcuchów i przyjmowanie właściwej konformacji. Składają się one z 14 podjednostek ułożonych w dwa połączone pierścienie. Niesfałdowane cząsteczki transportowane są do środka cylindra, gdzie łącza się odwracalnie z chaperonem. Jest to rekcja zachodząca z udziałem energii z hydrolizy ATP. Dzięki stopniowemu uwalnianiu polipeptydu może zachodzić prawidłowe formowanie się struktury natywnej. W niektórych przypadkach Hsp60 i Hsp70 mogą ze sobą współpracować. UBIKWITYNA – małocząsteczkowe białko (polipeptyd złożony z 76 reszt aminokwasowych o masie cząsteczkowej 8,5 kDa), występujące we wszystkich komórkach eukariotycznych w niewielkich strukturach komórkowych, zwanych proteasomami. Jej rola w degradacji białek polega na kierowaniu białek do rozpadu. Aminokwasem C-końcowym ubikwityny jest glicyna. Białka przeznaczone do degradacji są znakowane ubikwityną – grupa karboksylowa glicyny ubikwityny wytwarza wiązanie izopeptydowe z grupą ε-aminową reszty lizynowej białka przeznaczonego do degradacji. Wiązanie to wymaga cząsteczki ATP. Proces ten zachodzi w komórce zarówno w cytoplazmie, jak i jądrze komórkowym. Wyróżnia się 2 rodzaje ubikwitynacji:  monoubikwitynację, która polega na przyłączenie monomerów ubikwityny do danego białka; przyłączenie może nastąpić w kilku miejscach - nadal będzie to monoubikwitynacja, gdyż istotne jest, żeby do jednej z cząsteczek ubikwityny nie była dołączona kolejna cząsteczka  poliubikwitynację, polegającą na przyłączeniu polimerów (przynajmniej dimerów) ubikwityny do białka; taki łańcuch cząsteczek ubikwityny może być przyłączony tylko w jednym miejscu, nadal jest to jednak poliubikwitynacja

18