STRUKTURA BIAŁKA

1. Pierwszorzędowa struktura białka

Pojęcie pierwszorzędowej struktury peptydów i protein odnosi się do liczby i porządku liniowego ułożenia aminokwasów. Konwencja ich określania jest taka, że koniec N (to znaczy posiadający wolną resztę a-aminokwasową) to ten widziany po lewej stronie, zaś koniec C (koniec z wolną resztą a-karboksylową) po prawej stronie zapisu.

2. Drugorzędowa struktura białka

Uporządkowany szereg aminokwasów w białku układa regularną konformację wyższego rzędu. Nazywamy je drugorzędową strukturą białka. Na ogół białka tworzą dwa typy struktur II rzędu, globularną i fibrylarną. Białka globularne są ściśle sfałdowane i pozwijane, podczas gdy białka fibrylarne włókienkowato wyciągnięte. Można założyć, że konformację łańcucha polipeptydowego określa charakter wiązania peptydowego, które jest wiązaniem częściowo podwójnym. W różnych rejonach łańcucha polipeptydowego obecna jest odmienna konformacja II rzędu, określana z kolei przez strukturę I rzędu.

2.1. Alfa heliks

Alfa helisa jest to struktura drugorzędowa występująca powszechnie w białkach globularnych. Do uformowania alfa heliksu dochodzi spontanicznie, a jego stabilizacja dokonuje się z udziałem mostku wodorowego pomiędzy azotem amidowy a węglem karbonylowym, ulokowanym o cztery reszty dalej. Taka orientacja mostków (np. we włosie) wywołuje helikalne skręcenie rdzenia peptydowego, a reszty aminokwasowe położone są po zewnętrznej jego stronie i prostopadle do osi. Z racji przeszkód związanych z konstrukcją i umiejscowieniem swych bocznych grup, część aminokwasów formuje "niechętnie", część "chętnie", a obecność niektórych działa wręcz destrukcyjnie na alfa heliks. Chodzi tu zwłaszcza o prolinę, której grupa iminowa (HN=) o strukturze istotnie ograniczającej ruch wokół wiązania peptydowego blokuje wydłużanie się heliksu. Przerwanie heliksu jest zjawiskiem istotnym, ponieważ odcina fragmenty globularne (działa jak specyficzne "nożyczki molekularne")

2.2. Beta kartka

O ile alfa heliks tworzą aminokwasy wyciągnięte w jedną linię, beta kartka budowana jest przez 2 lub więcej odrębnych regionów łańcucha, liczących po 5 - 10 aminokwasów każdy i sfałdowanych w harmonijkę jeden przy drugim. Fałdy i zakrzywienia łańcucha białkowego stabilizowane są przez mostki wodorowe. Tworzące je reszty stoją "plecami do siebie" a nie w jednej linii, jak w alfa heliksie. Beta kartka to "przeplatanka", ponieważ węgle alfa wiązań peptydowych następują na przemian pod i ponad płaszczyzną "kartki".

2.3. Struktury ponaddrugorzędowe

Niektóre z białek zawierają uporządkowaną organizację struktur drugorzędowych, które tworzą odrębne domeny i motywy strukturalne. Przykładem jest domena "heliks-zgięcie-heliks" protein bakteryjnych, które regulują transkrypcję, "suwak" leucynowy, struktura "heliks-pętla-heliks" oraz domeny palców cynkowych eukariotycznych regulatorów transkrypcji. Wszystkie powyższe struktury znane są jako "ponaddrugorzędowe".

3. Struktura trzeciorzędowa

Struktura III rzędu dotyczy kompletnej, trójwymiarowej kompozycji jednostek danego białka. Opis taki obejmuje wzajemne przestrzenne usytuowanie różnych struktur II rzędu i nieuporządkowanych odcinków łańcucha peptydowego. Struktura trzeciorzędowa odnosi się też do umieszczenie odpowiednich domen w obrębie białka. Za jej stabilizację odpowiadają różne typy wiązań, np. wodorowe, hydrofobowe, siły elektrostatyczne i siły van der Waalsa.

4. Siły utrzymujące strukturę białek

4.1. Wiązania wodorowe

Polipeptydy zawierają liczne donory i akceptory protonów zarówno w swym rdzeniu, jak i w grupach bocznych aminokwasów. Środowisko, w którym znajdują się proteiny, także sprzyja powstawaniu wiązań wodorowych, w szczególności z udziałem cząsteczek wody otaczającego ośrodka.

4.2. Oddziaływania hydrofobowe

Proteiny są kompozycją aminokwasów, których boczne grupy są hydrofobowe, bądź też hydrofilowe. Podstawową rolę w kształtowaniu struktury białka pełni oddziaływanie pomiędzy różnymi grupami bocznymi ze sobą oraz ze środowiskiem wodnym. Hydrofobowość pewnych grup bocznych aminokwasów spycha je z powierzchownych rejonów białka do wnętrza jego cząsteczki, co ogranicza liczbę możliwych do osiągnięcia konformacji.

4.3. Siły elektrostatyczne

Siły elektrostatyczne należą do trzech głównych rodzajów: siły ładunek-ładunek, siły ładunek-dipol i dipol-dipol. Typowe interakcje ładunek-ładunek występują pomiędzy przeciwnie naładowanymi grupami bocznymi rozmaitych aminokwasów. Do zasadniczych oddziaływań energetycznych, spośród utrzymujących sfałdowanie białka zaliczamy oddziaływania ładunek-dipol (np. między zjonizowanymi bocznymi grupami aminokwasów a molekułami wody).

4.4. Siły van der Waalsa

Dzielimy je na przyciągające i odpychające. Odpychające siły van der Waalsa pojawiają się, gdy pozbawione ładunku i niezwiązane atomy znajdują się bardzo blisko siebie, lecz nie indukują dipoli. Dochodzi do odpychania elektronu przez elektron, gdy zaczynają się pokrywać dwie chmury elektronowe. Chociaż siły van der Waalsa są w stosunku do innych kształtujących konformację białka niezmiernie słabe, to ogromna ich liczba decyduje o wielkiej ważności, nawet w bardzo wielkich cząsteczkach.

5. Struktura czwartorzędowa

Wiele białek zawiera 2 lub więcej odmiennych łańcuchów polipeptydowych, które utrzymywane są ze sobą przez te same siły niekowalencyjne, które stabilizują strukturę trzeciorzędową pojedynczego łańcucha. Białka o wielu łańcuchach polipeptydowych określane są jako oligomeryczne, a ułożenie monomerów wzglęe siebie wyznacza strukturę czwartorzędową. Białka oligomeryczne mogą składać się z wielu identycznych łańcuchów polipeptydowych, mogą też być to łańcuchy różne. Proteiny, których podjednostki są takie same, określamy jako homooligomery. Przeciwnie, gdy podjednostki różnią się od siebie, mówimy o heterooligomerach. Hemoglobina, białko przenoszące tlen we krwi, zawiera dwie podjednostki a i dwie b. Układają się one w strukturę IV rzędu zapisywaną jako a2b2, hemoglobina jest więc proteiną heterooligomeryczną. Poszczególne łańcuchy białek heterooligomerycznych kodowane bywają przez geny położone w różnych częściach genomu. W przypadku hemoglobiny i innych białek wiążących tlen wszystkie podjednostki są potomkami ewolucyjnymi jednego genu, tworząc rodzinę wielogenową.

6. Złożone struktury białkowe

Białka często występują w związkach kowalencyjnych z węglowodanami. Te modyfikacje białek mają miejsce po zakończeniu translacji i stąd określa się je mianem obróbki potranslacyjnej. Modyfikacja nadaje białkom specjalne funkcje. Białka kowalencyjnie związane z cukrowcami noszą nazwę glikoprotein. Glikoproteiny mają dwie klasy, w zależności od tego, czy łańcuch cukrowcowy związany jest z N-końcem czy też z C-końcem. Cukrowce związane z N-końcem przyłączają się do azotu aminowego bocznej grupy asparaginy, natomiast związane O-końcem do grupy hydroksylowej seryny lub treoniny i czasami do grupy hydroksylowej zmodyfikowanego aminokwasu, hydroksylizyny. Niezmiernie ważne glikoproteiny znajdują się na powierzchni erytrocytów. Zmienność części cukrowcowej glikoprotein i glikolipidów powierzchniowych jest tym czynnikiem, który determinuje grupę krwi osobnika. Znanych jest przynajmniej 100 takich determinant, a większość z nich wynika właśnie ze zmienności węglowodanów. Najpowszechniej znane grupy A, B i O określa aktywność produktów specyficznych genów, wbudowujących różne grupy sacharydowe w błony czerwonych ciałek krwi. Kompleksy strukturalne, które składają się z białka związanego z lipidem za pomocą wiązania niekowalencyjnego określane są jako glikolipidy. Główną funkcją glikolipidów w ciele człowieka jest wspomaganie transportu substancji zapasowych (tłuszczu) oraz cholesterolu (LDL, HDL).

7. Znaczenie wiedzy o strukturze białek w klinice chorób

Zamiana hydrofobowego aminokwasu waliny na aminokwas kwaśny w łańcuchu b hemoglobiny skutkuje anemią sierpowatą. Ta zamiana pojedynczego aminokwasu zmienia strukturę cząsteczki hemoglobiny w taki sposób, że dochodzi do polimeryzacji nieutlenowanych protein i ich zlepiania się wewnątrz erytrocytu, co daje w efekcie charakterystyczny półksiężycowaty kształt. Kolagen należy do najpowszechniej występującego białka ludzkiego ciała. Zmiany w jego strukturze biorą się z nieprawidłowych genów lub nieprawidłowej obróbki cząsteczek kolagenu, co skutkuje licznymi chorobami, np syndromem Larsena, nieprawidłową osteogeneza lub syndromem Ehlersa-Danlosa. Syndrom Ehlersa-Danlosa jest nazwą, pod którą kryje się co najmniej dziesięć schorzeń odrębnych biochemicznie i klinicznie, manifestujących się osłabieniem struktury tkanki łącznej w rezultacie błędów w strukturze kolagenu. Nieprawidłowa osteogeneza to także niejednolity syndrom. Istnieją co najmniej cztery jego odmiany, różne biochemicznie jak i klinicznie, charakteryzujące się wielokrotnymi złamaniami i wynikającymi z nich deformacjami kości. Syndrom Marfana objawia się upośledzeniem tkanki łącznej i początkowo był wiązany z anormalnością kolagenu, jakkolwiek najnowsze badania wskazują raczej na inną przyczynę, jaką jest mutacja zewnątrzkomórkowego białka fibryliny, składnika niekolagenowych fibryli macierzy podstawowej tkanki łącznej. Pewne formy rodzinnej hipercholesterolemii również są rezultatem defektów genetycznych w genach kodujących receptor dla lipoprotein o niskiej gęstości (LDL). LDL). Defekty te skutkują syntezą nienormalnych receptorów LDL, które są niezdolne do wiązania się z LDL, albo też po związaniu kompleks receptor-LDL jest nieprawidłowo internalizowany i degradowany w komórce. Wynik tego to podniesienie się poziomu cholesterolu we krwi i zwiększona skłonność do rozwinięcia się u chorego miażdżycy tętnic. Liczne białka przyczyniają się do transformacji komórkowej i kancerogenezy, kiedy ich podstawowa struktura ulega zburzeniu przez mutacje w genach. Geny takie zwane są protoonkogenami. Niektóre z tych białek zamiana jednego tylko aminokwasu zamienia w onkogeny. W białku wewnątrzkomórkowe c-Ras substytucja w pozycji 12 lub 61 pozostaje w związku ze skłonnością do rozwoju raka jelita grubego i jest to najczęściej obserwowana zmiana genetyczna, jaka towarzyszy temu rodzajowi raka. Jak widzimy, geny nie determinują raka, a jedynie to, czy jesteśmy skłonni do zachorowania na niego mniej, czy bardziej. Ważny czynnikiem pozostają warunki życia i nawyki.