Ogólnie polipeptydy

Polipeptydy zwane białkami należą do związków pochodzenia organicznego o dużej masie cząsteczkowej i można je znaleźć we wszystkich istotach żywych. Posiadają szeroki zakres funkcji biologicznych. Stanowią materiał budulcowy dla komórek i tkanek. Enzymy będące białkami mają bardzo duży wpływ na metabolizm a więc na wszystkie procesy przemiany materii i energii. Niektóre zaś polipeptydy tak zwane antygeny są odpowiedzialne za odporność organizmu.

Budowa

Skład procentowy białek jest przedstawiony w Tab.1

Tab.1 Skład procentowy białka

Pierwiastek

Procentowa

zawartość w białku

węgiel

50-55%

tlen

20-23%

wodór

6-7%

azot

12-19%

siarka

0,2-3%

fosfor

0-6%

W białek można również znaleźć jony manganianu, cynku, magnezu, żelaza, miedzi, kobalt i innych.

Synteza białka bierze początek z DNA a dokładniej sekwencji zasad azotowych cząsteczek kwasu nukleinowego tworzące łańcuch DNA. Polipeptydy, jak sama nazwa wskazuje, składają się z wielu cząstek aminokwasów związanych ze sobą liniowo za pomocą wiązania peptydowego. W środowisku naturalnym występuje 21 aminokwasów i ich dowolna kombinacja powoduje powstanie nieskończonej ilości białek.

Ogólnie mówiąc polipeptydy są to wielkocząsteczkowe polimery, złożone nie mniej niż z 100 reszt aminokwasów powiązanych wiązaniami peptydowymi. Wymienione wiązanie amidowe powstaje w wyniku łączenia się grupy aminowej jednego aminokwasu i grupy karboksylowej następnego aminokwasu poprzez wiązanie kowalencyjne. Jest to wiązanie posiadające częściowo cechy wiązania podwójnego i najczęściej mają konfigurację trans. Z dwóch aminokwasów powstaje tak zwany dipeptyd, połączenie się ze sobą od kilku do kilkunastu aminokwasów powoduje tworzenie oligopeptydów zaś z kilkudziesięciu - polipeptydów.

Białka tworzą się podczas reakcji polikondensacji, w której uwalniane są małe cząsteczki. Reakcja ta zwana translacją zachodzi we wszystkich organizmach dzięki rybosomom, czyli skomplikowanym kompleksom enzymatycznym. Aminokwasy są zbudowane z atomu węgla wiążącego grupę aminową, grupę karboksylową, atom wodoru a także łańcuch boczny charakterystyczny dla danego aminokwasu. Ten węgiel jest nazywany asymetrycznym gdyż związany jest z czterema różnymi podstawnikami. Są dwie możliwości ułożenia grup wokół centralnego węgla i na tej podstawie wyróżniamy izomery optyczne będące odbiciami lustrzanymi. Izomery te nie są w stanie przekształcić w siebie nawzajem bez istotnych zmian w strukturze. Aminokwasy będące w środowisku naturalnym są to izomery L. W środowisku obojętnym w aminokwasie grupa aminowa ‑NH3 przyjmuje ładunek dodatni zaś grupa karboksylowa -COOH ujemny. Wraz ze zmianą pH w roztworze cząsteczka aminokwasu przybiera odpowiedni ładunek. W niższym pH a więc podczas wzrostu stężenia jonów wodoru grupa karboksylowa przyjmuje ładunek obojętny zaś aminowa jest zjonizowana. Ze wzrostem pH a więc ze zmniejszeniem się koncentracji jonów wodoru grupa karboksylowa przyjmuje ładunek ujemny zaś grupa aminowa staje się formą obojętną.

Struktura przestrzenna białka

Ogólnie mówiąc jedna molekuła, polipeptydowa może być tworem złożonym z niekoniecznie jednego łańcucha białkowego tworzonego przez aminokwasy z pomocą kowalencyjnych wiązań peptydowych. Przestrzenny układ jest systematycznie uporządkowany. Kolejne poziomy struktury przestrzennej charakteryzują się swoistymi cechami i zależą od istnieniach innych rodzajów wiązań pomiędzy aminokwasami.

Przestrzenne uporządkowanie białka przedstawił po raz pierwszy w latach pięćdziesiątych Lindestrom Lang, wprowadzając definicje struktury pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowej. W roku 1958 pan Bernal dodał jeszcze jedną strukturę czwartorzędową, tworzoną przez kilka łańcuchy polipeptydowe.

Wyróżniamy:

  1. strukturę pierwszorzędową- najprostszą wyznaczoną poprzez kolejność aminokwasów w łańcuchu białkowym; determinują ją wiązania peptydowe; informacja o kolejności aminokwasów w cząsteczce białka jest zakodowana w DNA; w procesie transkrypcji, a następnie translacji sekwencja nukleotydowa jest odczytywana w trakcie syntezy odpowiedniego polipeptydu; struktura ta zawiera informacje na temat wszystkich wiązań kowalencyjnych istniejących w białku;
  2. strukturę drugorzędową - jest to regularny układ w przestrzeni łańcucha polipeptydowego stabilizowanego poprzez wiązania wodorowe tworzone przeważnie przez grupy karbonylowe i aminowe łańcucha; wyróżniamy konfiguracje helisy, konfiguracje kartki oraz zakręty
    • helisa alfa, jest to cylindryczny układ łańcucha polipeptydowego, tworzony przez wewnętrzne wiązania wodorowe wiązań peptydowych będących w kolejnych zwojach helisy jednego łańcucha
    • struktura harmonijkowa zwana inaczej dywanową, konfiguracją pofałdowanej kartki jest utworzona poprzez płaskie wiązania amidowe kilku łańcuchów białkowych lub innych miejsc pojedynczego łańcucha, płaskość tych wiązań powoduje utworzenie pofałdowanej kartki zaś łańcuchy boczne znajdują się nad i pod powstałą płaszczyznę, sąsiednie łańcuchy mogą mieć zwrot ten sam a więc są równoległe albo przeciwny i wówczas są antyrównoległe
    • zakręt beta jest częścią struktury drugorzędowej łańcucha, która powoduje zwrot jego biegu w przeciwną stronę, jest to mała pętla powstała w wyniku wiązania wodorowego między atomem tlenu grupy karboksylowej a atomem wodoru grupy aminowej czwartego aminokwasu; taką konfigurację mogą przyjmować miejsca, w których brak regularnej struktury drugorzędowej
  1. strukturę trzeciorzędową - precyzuje przestrzenny układ wszystkich atomów białka, bez zależności od sąsiednich cząsteczek, determinują ją różne wiązania chemiczne typu mostki dwusiarczkowe czy też oddziaływania jonowe i hydrofobowe; wiązania dwusiarczkowe są tworzone przez utlenienie grup tiolowych cystein będących koło siebie przestrzennie a nie w łańcuchu białkowym
  2. strukturę czwartorzędową białka, która dotyczy białek złożonych z kilku podjednostek tj. osobnych łańcuchów polipeptydowych i jest to sposób połączenia się tych podjednostek w jedną całość, tworząc aktywne białko;

Łańcuch białkowy samorzutnie układa się tak, aby boczne łańcuchy o charakterze hydrofobowym znajdowały się w środku struktury przestrzennej zaś polarne, naładowane ładunkiem były zwrócone na powierzchnię białka.

Struktura pierwszorzędowa warunkuje następne struktury w cząsteczce białka a ogólne ułożenie w przestrzeni białka, jego konformacja ma znaczny wpływ na funkcje biologiczne. Znaczna ilość funkcji polipeptydów wiąże się z faktem, iż związki te przybierać rozmaite struktury przestrzenne.

Podział i funkcja

Polipeptydy jest dość różnorodną grupą pod względem budowy, właściwości fizyko-chemicznych a także funkcji.

Biorąc pod uwagę budowę i skład wyróżniamy:

  1. białka proste są to węglowodory złożone jedynie z aminokwasów
  2. białka złożone składają się z białek prostych i grup nieaminokwasowych tzw. prostetycznych

Białka proste można dodatkowo podzielić na:

  1. albuminy - białka obojętne, cechujące się dobrą rozpuszczalnością w wodzie oraz w roztworach soli o niskim stężeniu, z łatwością koagulują; są to enzymy, hormony oraz odmienne substancje biologicznie aktywne; białka te występują w osoczu krwi, mleku oraz w mięśniach;
  2. globuliny - źle rozpuszczają się w wodzie a podobnie jak albumina dobrze w roztworach soli; znajdują się w nie małych ilościach w mięśniach oraz we krwi: między innymi są to fibrynogen osocza, miozyny, immunoglobuliny;
  3. protaminy - silnie zasadowe, zawierające duże ilości argininy oraz nie posiadające aminokwasy mające atom siarki, dobrze rozpuszczają się w wodzie, jest to między innymi: ezocyna, cyprynina, klupeina, salmina, gallina;
  4. histony - są silnie zasadowe, dobrze rozpuszczalne w wodzie oraz w roztworach słabych kwasów, cechują się dużą zawartością lizyny i argininy; występują w jądrach komórkowych wraz z kwasem dezoksyrybonukleinowym oraz w erytrocytach;
  5. skleroliny - cechują się nie rozpuszczalnością w wodzie i w roztworach soli; występują u zwierząt w tkance ochronnej i podporowej dzięki włóknistej strukturze; jest to m.in. kreatyna, kolagen, elastyna;
  6. prolaminy - łatwo się rozpuszczają w stężonym alkoholu etylowym (70%), występują wyłącznie w nasionach roślin;
  7. gluteliny - są to także białka występujące u roślin, dobrze rozpuszczalne w kwasach i zasadach o niskim stężeniu; mają duże ilości aminokwasu - kwasu glutaminowego i glutaminy oraz proliny;

Białka złożone ze względu na obecność grupy prostetyczne dzielimy na:

a. nukleoproteidy - zawierające jako grupę prostetyczną nukleotydy i kwasy nukleinowe, występujące w jądrach komórkowych;

b. glikoproteidy - cukrowce, występują w ślinie, w substancji ocznej i płynie torebek stawowych;

c. chromoproteidy - metale, zaliczamy do nich różne enzymy, hemoglobinę, cytochromy;

d. fosfoproteidy - reszty kwasu fosforowego i należą tu kazeina mleka, witelina żółtka jaj, ichtulina ikry ryb;

e. lipoproteidy -tłuszcze i sterydy; są nośnikami cholesterolu (LDL, HDL, VLDL);

Innym podziałem białek jest ze uwagi na łatwość rozpuszczania się wodzie:

1. białka rozpuszczalne inaczej zwane hydrofilowe najczęściej spotykane są w cytoplazmie, ze względu na kształt nazywane są także globularnymi

2. białka nierozpuszczalne zwane też hydrofobowe lub fibrylarne przyjmują kształt włókien, znajdują się w błonach komórkowych

W związku z ich podstawową funkcją wyróżniamy:

1. białka transportujące jest to m.in. hemoglobin, albumina osocza, lipoproteina

2. białka magazynujące występujące np. w nasionach roślin

3. białka strukturalne to m.in. glikoproteiny, elastyna, kolagen i keratyna;

4. białka regulatorowe to niektóre hormony jak insulina, glukagon czy też ACTH, ADH

5. toksyny występujące w jadzie węża

6. przeciwciała

7. enzymy - m.in. transferazy, hydrolazy, liazy:

8. białka aparatu kurczliwego: aktyna i miozyna

Właściwości fizyczne

Jak już wcześniej wspomniano białka mają różną zdolność do rozpuszczania w wodzie. Cechuje je zdolność do tworzenia koloidów ze względu na znaczne rozmiary cząsteczek oraz wrażliwość na czynniki chemiczne i fizyczne, które to mogą powodować proces denaturacji. Rozpuszczalność polipeptydów wynika ze proporcja aminokwasów hydrofobowych i hydrofilowych. Skleroproteiny znajdujące się w tkance łącznej rogów, włosów czy paznokci a także białka błon lipidowych są nierozpuszczalne dla wody. Natomiast globuliny będące w osoczu krwi są doskonale rozpuszczalne w wodzie. Rozpuszczalność jest zależna od umiejętności białek do hydratacji. Białko jako substancja stała po rozpuszczeniu w niewielkiej ilości wody przyjmuje postać galaretowatego żelu. Pod wpływem dodawania większej ilości rozpuszczalnika białka lepiej się rozpuszczają tworząc na końcu zol.

Cechy zolu:

- jest bardzo lepki,

- posiada niskie napięcie powierzchniowe,

- ma zdolność rozpraszania światła, czyli wykazuje efekt Tyndalla,

- posiada aktywność koloidoosmotyczną,

- jest podatny na koagulację, a więc przekształcenia się zolu w żel w wyniku rozmaitych czynników,

Duży wpływ na lepszą rozpuszczalność większej części białek ma niewysokie stężenia soli zaś znacznie ją pogarsza, a nawet może spowodować wytrącenie się ich, obecność soli metali ciężkich, niektórych rozpuszczalników organicznych i kwasów, stężonych soli oraz wysoka temperatura, powyżej 50 oC

W związku z tym ze aminokwasy posiadają przynajmniej dwie grupy funkcyjne mające zdolność do jonizacji polipeptydy cechują się kwasowo-zasadowymi właściwościami. Białka są cząsteczkami obojętnymi i najmniej rozpuszczalnymi przy charakterystycznym pH, zwanym punktem izoelektrycznym. Gdy pH roztworu białka będzie różne od tego punktu, białka stające się dużymi jonami i mają zdolność do poruszania się w polu elektrycznym, co jest wykorzystywane w elektroforezie.

Reakcje charakterystyczne

W zależności od rodzaju i przewagę grup funkcyjnych aminokwasów białka mogą różnie reagować na dany związek. Reakcją charakterystyczną polipeptydów, nazywamy taką reakcję za pomocą, której można wykryć obecność danego związku. Dla protein wyróżniamy:

1. reakcję ksantoproteinową, podczas której stężony kwas azotowy (V) HNO3 denaturuje białko, uzyskanie charakterystycznego żółtego zabarwienie, pozwala stwierdzić istnienie białka w próbce;

2. reakcję biuretową, w której wodorotlenek miedzi (II) powoduje tworzenie się kompleksu z białkiem i ciemnofioletowe zabarwienie wskazuje na istnienie wiązań peptydowych;

  1. reakcję Millona, pozwalająca na stwierdzenie obecności tyrozyny albo związków posiadających grupę fenolową. Pod wpływem temperatury roztwór białka i odczynnika Millona (roztwór rtęci w stężonym kwasie azotowym w proporcji 1:1 dwukrotnie rozcieńczony wodą) uzyskuje się ceglastoczerwone

Wartość biologiczna białek

Procentowa zawartość aminokwasów oraz ich stosunek względem siebie w danym białku ma decydujący wpływ na jakości odżywczą polipeptydów w spożywanym pokarmie. Najlepszym źródłem białka jest białko jaja kurzego posiadające wszystkie niezbędne aminokwasy w odpowiedniej proporcji. Drugim z kolei źródłem ich jest mleko matki oraz mięso zwierzęce. Właśnie białko jaja kurzego zostało wybrane jako wzorzec przy porównywaniu wartości odżywczych poszczególnych białek. Do syntezy poszczególnych białek wykorzystuje się stosowną pulę węglowodorów i tłuszczów. Aby powstał 1 gram białka musi być dostarczona energia rzędu 24 kilokalorii. W związku z wieloraką funkcją białek jest niezbędne, aby organizm w czasie dojrzewania i wzrostu otrzymywał wysokokaloryczne białko pokrywające 9 - 15 % energii a w przypadku dorosłego 6 - 8 %. Wymagania te mogą być inne podczas choroby, czy zwiększonej aktywności fizycznej. Pełnowartościowymi białkami są białkami pochodzącymi od zwierząt, np. mięso zwierząt (wyjątek stanowi tkanka łączna i jej przetwory żelatyna i fibryna, posiadające małe ilości tryptofanu), drób, jaja, mleko i jego produkty. Wysokokalorycznymi białkami są także białka roślinne pochodzące z nasion roślin strączkowych, soi i orzechów. Przetwory zbożowe mogą posiadać nawet do kilkunastu procent białka, lecz nie zawierają wszystkich koniecznych aminokwasów, potrzebnych organizmowi. Zawartość procentowa białka w wybranych produktach spożywczych zawarto w tabeli 1.

Tab. 1 Skład procentowy białka w poszczególnych produktach spożywczych

Produkt spożywczy

Zawartość białka

w procentach

mięso zwierząt

15-23 %

ryby

18%

jaja

13%

suszone nasiona strączkowe

15-20%

warzywa i owoce

1-2 %

Poprzez właściwe skomponowanie posiłku, można dostarczyć organizmowi jedzenie zawierające wszystkie białka a więc i niezbędne dla niego aminokwasy. Dlatego też wegetarianie oraz populacje spożywające mało mięsa, poprzez odpowiednią kontrolę diety, stosując na przykład nasiona roślin strączkowych lub zbóż mogą dostarczyć odpowiednią ilość i jakość białek niezbędną do prawidłowego funkcjonowania organizmu.

Ogólnoświatowe ośrodki naukowe z zakresu żywienia, określają odpowiednie prawa żywieniowe, które są podstawą do przygotowania właściwych diet. Wyróżniamy trzy normy:

  1. normy minimalne - jest to najmniejsza ilość komponentu odżywczego, która daje możliwość zachowania równowagi przemian metabolicznych
  2. normy zalecane - określają zakres potrzeb 90-95 % osób zdrowych w danej populacji
  3. normy optymalne - jest to taka ilość i jakość substancji pokarmowych, które zapewniają równowagę metaboliczną oraz prawidłowy wzrost, rozwój a także stan zdrowia danego stworzenia.

Komitet Żywienia Ludności PAN zaleca normy rzeczywistego spożycia białka dostarczonego organizmowi a także przygotowuje oferty z przykładami praktycznych norm poziomu i jakości białka znajdującego się w kupowanym pożywieniu.