Białka stanowią najważniejszą grupę związków organicznych. Substancje te stanowią jedne z najważniejszych związków potrzebnych żywym organizmom. Stanowią one podstawę życia, wchodzą bowiem w skład każdej komórki roślinnej i zwierzęcej.
Cząsteczki białka powstają w reakcji kondesacji aminokwasów. W czasie tej reakcji dochodzi do wydzielania cząsteczek wody. Reakcja tworzenia białka zachodzi na specjalnych strukturach. Są to kompleksy białkowe zbudowane głównie z kwasu rybonukleinowego i licznych enzymów, nazywane rybosomami. Proces tworzenia białka na rybosomach nazywany jest translacją. Aminokwasy stanowią podstawowy element wchodzący w skład białka. Cząsteczka aminokwasu składa się z grupy aminowej ( -NH2) oraz karboksylowej ( - COOH) a także z atomu wodoru i z grupy dodatkowej stanowiącej boczny łańcuch aminokwasu. Wszystkie te podstawniki przyłączone są do węgla określanego jako węgiel -alfa. Węgiel ten leży zazwyczaj w centrum cząsteczki i jest węglem asymetrycznym. Asymetryczność związana jest z występowaniem dwóch możliwych ułożeń podstawników wokół węgla.
Obie formy powstałe przez zamianą położenia grup nazywamy optycznymi izomerami. Patrząc z perspektywy trójwymiarowej nie jest możliwe utworzenie izomeru bez zniszczenia wcześniejszej cząsteczki. Izomery optyczne są odbiciami lustrzanymi. Aminokwasy, tworzące białka organizmów żywych należą tylko do szeregu L-aminokwasów. Jeśli mamy obojętny roztwór to aminokwasy tam znajdujące się przyjmują formę jonów obojnaczych. Oznacza to , że grupa aminowa ma dodatkowo dodatni ładunek i ma postać -NH3+, a grupa karboksylowa pozbawiona jest jednego protonu i ma ładunek ujemny -COO-. Jeśli dojdzie do zmiany pH roztworu to ulega zmianie także stan jonizacji aminokwasu. Przy wzroście pH w roztworze zaczyna przeważać forma z nie zjonizowaną grupą aminową. W momencie spadku pH roztworu grupa NH2 jonizuje się a grupa karboksylowa ma ogólna postać - COOH.
Znanych jest około dwadzieścia aminokwasów, które budują cząsteczki białka. Aminokwasy te budują wszystkie znane na ziemi białka roślinne i zwierzęce. Grupy funkcyjne aminokwasów pozostają te same, zmienia się tylko łańcuch boczny aminokwasu.
Podziału aminokwasów dokonujemy właśnie pod względem grupy bocznej.
Grupy te mogą mieć różne wielkości, reaktywności, odmienny ładunek elektryczny, czy różna zdolność do tworzenia połączeń chemicznych i wiązań hydrofobowych oraz wodorowych.
Ze względu na właściwości grupy bocznej aminokwasy dzielimy na hydrofilowe i hydrofobowe. Inny podział dotyczy właściwości kwasowych. Dokonuje on rozdziału aminokwasów na zasadowe, kwasowe oraz nienaładowane.
Aby ułatwić pisanie reakcji z udziałem aminokwasów lub ogólnie aby usprawnić zapis chemiczny, nadano aminokwasom krótkie zazwyczaj trzyliterowe skróty. Zapis taki bardzo jest przydatny w czasie zapisywania reakcji powstawania łańcucha polipeptydowego.
Zasadniczy podział aminokwasów:
AMINOKWASY HYDROFOBOWE
W grupie tej znajduje się alanina. Grupą dodatkową tego aminokwasu jest metyl. Do aminokwasów hydrofobowych należy także walina, izoleucyna i leucyna. Maja one trzy lub czterowęglowe boczne łańcuchy.
W izoleucynie występują dwa centra chiralności. W prolinie natomiast występuje bardzo długi, kilkakrotnie zwinięty łańcuch alifatyczny, który oddziałuje nawet z grupą -NH2. W fenyloalaninie występuje fenylowy pierścień, który łączy się z metylenem ( - CH2- ). W tryptofanie jest pierścień indolowi, który łączy się z metylem oraz z wodorami oraz z azotem. Aminokwasem hydrofobowym jest jeszcze metionina. Aminokwas ten w grupie pobocznej posiada siarkę. Aminokwasy te wykazują właściwości hydrofobowe. W czasie kontaktu ze środowiskiem wodnym ich cząsteczki grupują się. W wodnym środowisku aminokwasy te tworzą bardzo stabilną strukturę.
AMINOKWASY BEZ ŁADUNKU ( POLARNE)
Podstawowym aminokwasem należącym do tej grupy jest glicyna. Grupa boczna tego aminokwasu jest bardzo mała, gdyż stanowi ją tylko atom wodoru. Glicyna jest aminokwasem pozbawionym działania optycznego. Aminokwasem nie posiadającym ładunku jest również tyrozyna. Ma ona boczny łańcuch w formie aromatycznego pierścienia do którego przyłączona jest grupa hydroksylowa. Grupa ta sprawia, że aminokwas ten jest wyjątkowo reaktywny. W cysteinie w bocznym łańcuchu występuje sarka. Ma ona postać grupy hydrosulfidowej. Jest to silnie reaktywna grupa, która współtworzy mostek disiarczkowy. Mostki dwusiarczkowe bardzo często występują w białkach , stabilizując ich strukturę.
Do tej grupy aminokwasów należy także treonina i seryna. Aminokwasy te w bocznym podstawniku mają liczne grupy wodorotlenowe. Dzięki nim seryna oraz treonina mają bardzo wysoką zdolność do tworzenia wiązań.
Treonina tak jak izoleucyna ma podwójne centrum optyczne. Glutamina i asparagina należą do pochodnych kwasu asparaginowego i kwasu glutaminowego. Powstają poprzez przyłączenie grupy amidowej.
AMINOKWASY Z ŁADUNKIEM DODATNIM ( POLARNE)
W obojętnym środowisku arginina oraz lizyna posiadają ładunek dodatni. W takim samym środowisku histydyna przechodzi pomiędzy wszystkimi postaciami jonów aminokwasowych, a wiec dodatnim, obojętnym i ujemnym. Aminokwas ten dzięki swoim właściwościom bardzo często tworzy centrum aktywne enzymu. Histydyna zmienia swój stopień naładowania i dzięki temu następuje zrywanie bądź tworzenie nowych wiązań.
AMINOKWASY UJEMNE ( POLARNE)
Należą tu tylko asparaginian oraz glutaminian. Aminokwasy te wykazują bardzo podobną budowę. Boczny łańcuch tych związków w pH panującym w organizmie ma zazwyczaj ujemny ładunek.
Białka budowane są zgodnie z sekwencją zapisaną w kodzie genetycznym. Sekwencja ta informuje o kolejności ułożenia aminokwasów w polipeptydach. Ze względu na liczbę cząsteczek aminokwasów wchodzących w skład białka wyróżnia się dipeptydy, tripeptydy i in. te peptydy, które utworzone są tylko z kilku aminokwasów nazywamy oligopeptydami. Te cząsteczki, które utworzone są z ponad stu jednostek aminokwasowych to polipeptydy.
Za białka uznaje się wielkocząsteczkowe związki, które składają się z ponad tysiąca aminokwasów.
W wyniku reakcji grup karboksylowych z aminowymi powstają amidy. Amidy to inna, chemiczna nazwa peptydów. Wiązanie powstałe pomiędzy aminokwasami to wiązanie peptydowe.
Cząsteczka białka posiada dwa końce: Koniec C- terminalny oraz N- terminalny. Nazwy tych struktur pochodzą od grup funkcyjnych. Na końcu N- terminalnym znajduje się wolna grupa aminowa, którą przyjęło się zapisywać po stronie lewej. Na C-końcu natomiast występuje grupa karboksylowa, zapisywana po stronie prawej. Każdy z tych końców jest bardzo reaktywny i może się do niego przyłączyć dowolny aminokwas.
Skład polipeptydu można określić w odpowiedni sposób oraz zapisać za pomocą międzynarodowych, trzyliterowych skrótów.
Zapis przypomina szeregowo ułożone cząsteczki, połączone wiązaniami peptydowymi.
Odgałęzienia boczne aminokwasów wpływają na ostateczna reaktywność , kształt oraz funkcje białka. Skład aminokwasowy i ich powiązanie decyduje o funkcji, charakterze oraz o fizykochemicznych właściwościach białka.
Budowa białek może być podzielona ze względu na stopień komplikacji cząsteczki. Wyróżniamy cztery poziomy i struktury organizacyjne białka ( rzędowość).
1. struktura I- rzędowa
Jest to najniższy poziom uorganizowania cząsteczki. Jest to struktura wyznaczona przez kolejne ułożenie aminokwasów w cząsteczce. Strukturę tę warunkuje informacja zawarta w materiale genetycznym DNA. Informacja taka ma postać sekwencji nukleotydów, które w procesie transkrypcji zostają odczytane i właściwie przepisane na białko. Całość procesu zachodzi na organellach komórkowych nazywanych rybosomami.
2.struktura II-rzędowa
Stanowią ją regularnie ułożone główne łańcuchy polipeptydowe, których stałe ułożenie ( pofałdowanie) zapewniają wiązania wodorowe. Struktura ta wynika głównie z właściwości wiązania białkowego. Rzeczywista struktura tego wiązania jest pośrednia między dwiema formami. Wiązanie to ma podobny charakter do wiązania podwójnego ( wynika to z oddziaływań pomiędzy azotem a węglem grupy karbonylowej).
Wiązanie peptydowe oraz przylegle mu atomy jest strukturą płaską. Może się tylko obracać w obrębie atomów azotu i wapnia oraz węgla i wapnia.
Ułożenie głównego łańcucha zależy od składu aminokwasowego, a tym samym od kątów, które tworzą aminokwasy w łańcuchu. Istnieją dwie podstawowe struktury drugorzędowe białka. Jedna z nich jest alfa-helisa a drugą stanowi beta-harmonijka.
Struktura pierwsza ma postać cylindryczną. W środku splecionego łańcucha polipeptydowego znajdują łańcuchy główne a na zewnątrz helisy wystają reszty aminokwasowe.
Alfa- helisę stabilizują wiązania wodorowe z grypy NH i z grupy CO w łańcuchu głównym. Wodór w takich wiązaniach łączy dwa atomy silnie elektroujemne.
Grupa C=O z każdego aminokwasu łączy się z grupą N-H wiązaniem wodorowym. Takie powiązania występują w obrębie wszystkich występujących w polipeptydzie aminokwasów. Rezultatem takiego ułożenia wiązań jest powstanie regularnej helisy.
Helisa bardzo przypomina śrubę, podobnie jak ona może być lewoskrętna i prawoskrętna. W białkach przeważa struktura prawoskrętna. Alfa-helisę cechuje także polarność. Pod względem budowy jest to dipol, ma bowiem niepolarne centrum oraz polarne elementy, które stanowią wychodzące na zewnątrz helisy aminokwasy.
Druga struktura to beta-harmonijka. Jej budowa prawie nie przypomina alfa-helisy. Jest to struktura znacznie rozciągnięta. Strukturę tę formuje zazwyczaj kilka łańcuchów polipeptydowych. Pomiędzy kolejnymi aminokwasami występują regularne odległości ( około 0,35nanometra, a w helisie odległość ta sięga zaledwie 0,15nanometra). Struktura harmonijki stabilizowana jest przez wodorowe wiązania, które tworzą się pomiędzy grupą NH i CO, leżącymi obok.
Łańcuchy polipeptydowe, które ze sobą sąsiadują nie muszą koniecznie układać się w tym samym kierunku. Czasami łańcuchy białka układają się w przeciwnych kierunkach i powstaje beta-harmonijka antyrównoległa.
W kolagenie, który jest białkiem bardzo powszechnym u ssaków występuje jeszcze inna struktura białkowa. Jest to trójniciowa helisa. W białku tym występują bardzo regularnie ułożone aminokwasy, tworzące trzy łańcuchy polipeptydowe. Struktura drugorzędowa tego białka warunkowana jest poprzez stale powtarzającą się sekwencję trzech aminokwasów: glicyny, proliny i hydroksyproliny. W strukturze tej wiązania wodorowe odgrywają znacznie mniejszą rolę w stabilizacji, gdyż łańcuchy utrzymują się w tak charakterystyczny sposób dzięki odpychającemu oddziaływaniu pomiędzy pierścieniami pirolidynowymi hydroksyproliny i proliny. Wiązania wodorowe tworzą się pomiędzy aminokwasami należącymi do innego łańcucha. Te trzy łańcuchy polipeptydowe skręcają się ze sobą tworząc superhelikalną linę.
Strukturę drugorzędową w formie alfa- helisy lub beta- harmonijki mają prawie wszystkie białka. Struktury te dodatkowo mogą ze sobą oddziaływać i tworzyć bardziej skomplikowane motywy. Wskutek asocjacji harmonijek lub helis mogą powstawać motywy strukturalne. Pełnia one istotna rolę w czasie formowania się białka. Bardzo często w białkach spotyka się motyw " spinki do włosów", który utworzony jest przez łańcuch polipeptydowy, przyjmujący antyrównoległe położenie w czterech strukturach beta-harmonijki.
Struktura alfa-helisy także może tworzyć motywy strukturalne. Bardzo często spotyka się motyw heliks, pętla, heliks. Takie ułożenie motywowe posiadają głównie białka, które wiążą się z kwasem dezoksyrybonukleinowym.
U białek, które wiążą się z DNA występować mogą również motywy " leucytowego suwaka". Jest to struktura utworzona przez dwie alfa-helisy, które w swoim składzie posiadają głównie leucynę.
Motywy nie występują tylko i wyłącznie w samych tylko strukturach alfa helis i beta harmonijek. Motywy cechują również mieszane struktury alfa i beta. Najbardziej powszechnym motywem jest "bab". Tworzą go dwa łańcuchy beta-harmonijki pomiędzy którymi znajduje się alfa-helisa. Kontakt pomiędzy struktura beta a alfa-helisą możliwy jest poprzez ich części hydrofobowe, którymi zwrócone są do siebie.
Wyżej wymienione motywy dotyczą białek, które zbudowane są tylko z pojedynczego łańcucha.
Cząsteczka białka utworzona jest zazwyczaj z wielu polipeptydowych łańcuchów, które fałdują się osobno. Pomiędzy nimi mogą także powstawać różnego rodzaju motywy, które nazywane są domenami.
Wyróżnić można domeny, które składają się z kilku struktur alfa-helis, tworzących motyw " heliks, pętla, heliks". Motywy te ułożone są równolegle względem siebie a reszty aminokwasów zazębiają się pomiędzy sobą tak, że tworzą w centrum struktury przestrzeń hydrofobową. Takie motywy charakteryzują główne białka funkcjonalne. W białkach globularnych występuje " domena globinowa" . Struktura ta powstaje dzięki dopasowaniu grzbietów z jednej struktury alfa- helisy do grzbietu drugiej.
Do zasadniczych właściwości białek należą:
-rozpuszczalność.
Ta właściwość chemiczna białka zależy od ilości aminokwasów hydrofilowych i hydrofobowych. Białkami, które nie rozpuszczają się w wodzie są białka budujące rogi, włosy czy paznokcie, czyli skleroproteiny oraz białka budujące błony lipidowe a zwłaszcza błonowe receptory.
Białkami rozpuszczalnymi w wodzie są przede wszystkim białka osocza, czyli globuliny. Ponieważ cząsteczki białka są stosunkowo duże to w wodnych roztworach tworzą koloidy. O tym czy białko jest rozpuszczalne decyduje głównie zjawisko hydratacji. Jeśli zmiesza się białko z wodą to dojdzie do utworzenia żelu. Jeśli doda się większą ilość wody to dochodzi do powstania zolu. Zol posiada dużą lepkość oraz ma obniżone napięcie powierzchniowe, potrafi także rozpraszać światło ( efekt Tyndalla).
Zwiększenie rozpuszczalności białka możliwe jest poprzez zmniejszenie zawartości soli w roztworze. Pod wpływem kwasów, metali ciężkich, w wysokiej temperaturze , przewyższającej 50 stopni Celsjusza, białko ulega wytrąceniu z roztworu.
- właściwości zasadowo- kwasowe.
Aminokwasy, które wchodzą w skład białka mają zdolność do jonizacji niektórych swoich grup. W zależności od pH aminokwasy posiadają różny ładunek. Dla niektórych aminokwasów istnieje taka wartość pH w której mają one obojętny ładunek ( punkt izoelektryczny). W tej wartości pH rozpuszczalność białek jest minimalna.
Reakcje białek zależą w dużej mierze od posiadanych przez nie grup funkcyjnych.
Na skutek niektórych substancji białko ścina się. Jego struktura ulega destrukcji również pod wpływem alkoholu. W wyniku działania alkoholu dochodzi do uszkodzenia wszystkich układów organizmu żywego.
Następuje obniżenie sprawności fizycznej i umysłowej. Alkohol spożywany zbyt często może uszkadzać wątrobę oraz inne narządy.
Podział białek pod względem budowy i właściwości fizyko-chemicznych przedstawia się następująco:
- białka proste ( zbudowane są tylko z łańcuchów polipeptydowych),
- białka złożone ( oprócz łańcuchów polipeptydowych w skład tych białek wchodzą dodatkowe substancje takie jak np. jony metali);
-białka hydrofobowe ( są one nierozpuszczalne w wodzie, budują głównie błony komórkowe),
-białka hydrofilowe ( rozpuszczają się one w wodzie, wchodzą w skład cytoplazmy).
Pod względem funkcji spełnianej w organizmach białka dzielimy na :
- enzymatyczne,
-zapasowe,
-odpornościowe( przeciwciała),
- receptorowe,
- transportujące ( kanały w błonach) i in.
Wykrywanie białka w różnego rodzaju związkach możliwe jest dzięki reakcjom: ksantoproteinowej i biuretowej.
Reakcja pierwsza polega na reakcji kwasu azotowego z białkami. Reakcję łatwo rozpoznać ze względu na charakterystyczne pomarańczowożółte zabarwienie środowiska reakcji. W reakcji biuretowej dochodzi do zmieszania się siarczku miedzi z KOH, które to w obecności białka przyjmują purpurowe zabarwienie.
