![]() |
Budowa białek Białka powstają w wyniku polikondensacjia-L-aminokwasów. Reakcja ta zachodzi przy udziale wyspecjalizowanych kompleksów enzymatycznych - rybosomów, we wszystkich komórkach organizmów żywych i jest określana mianem translacji. Na podstawie kodu genetycznego są syntetyzowane polipeptydy o ściśle określonej sekwencji aminokwasów. W zależności od liczby aminokwasów, można wyróżnić dipeptydy, tripeptydy itd. Dla peptydów utworzonych z kilku do kilkunastu aminokwasów stosuje się ogólną nazwę oligopeptydy, natomiast dla cząsteczek zbudowanych z kilkudziesięciu (do ok. 100) aminokwasów polipeptydy. Białka to związki wielkocząsteczkowe (makromolekularne), których pojedyncze łańcuchy polipeptydowe mogą dochodzić do ponad 1000 cząsteczek aminokwasów.
Duże białka mogą zawierać kilka takich łańcuchów, a w przypadku białek złożonych także elementy niebiałkowe (np.: reszty cukrowe, lipidowe lub jony metali). Peptydy są amidami utworzonymi w wyniku rekcji grup aminowych z grupami karboksylowymi aminokwasów, wiązanie chemiczne występujące w tych związkach jest określone mianem wiązania peptydowego. Wyróżniono dwa końce cząsteczki: N-terminalny, ze względu na wolną grupę aminową (+H3N-), zapisywaną z lewej, oraz C-terminalną oznaczającą grupę karboksylową ( -COO- ), którą zapisuję się z prawej strony cząsteczki. Oba końce cząsteczki są reaktywne. Ułożenie poszczególnych aminokwasów w łańcuchu zapisuje się, stosując skróty trzy-, lub jednoliterowe. Wzór cząsteczki peptydu można zatem sobie wyobrazić jako łańcuch szeregowo ułożonych wiązań peptydowych, porozdzielanych węzłami atomów węgla, od których odchodzą boczne łańcuchy reszty aminokwasowe
budowę białek opisuje się stosując umownie 4 poziomy organizacji strukturalnej cząsteczki, określane rzędowością.
Oddziaływania reszt aminokwasowych pomiędzy sobą implikują powstanie struktur drugo-, trzecio- , a nawet czwartorzędowych w przypadku białek składających się z kilku łańcuchów polipeptydowych. Długi łańcuch polipeptydowy nie może występować w roztworze, w formie całkowicie rozciągniętej ulega on pofałdowaniu. Proces fałdowania białek (ang. folding), czyli tworzenia struktur wyższego rzędu odgrywa ogromną rolę, gdyż przestrzenne ułożenie łańcucha polipeptydowego (jego konformacja) decyduje w znacznej mierze o funkcji białka w organizmie. Fałdowanie łańcucha polipeptydowego może zachodzić spontanicznie, natomiast w większości przypadków odbywa się przy udziale wyspecjalizowanych białek - czaperonów. Konformacja, w jakiej białko występuje i funkcjonuje w organizmie nosi nazwę konformacji natywnej. Proces, w którym zostaje zniszczona konformacja przestrzenna białka nazywamy denaturacją. Większość środków denaturujących uszkadza bezpowrotnie struktury wyższego rzędu, przy zachowaniu struktury pierwszorzędowej. 1. Struktura pierwszorzędowa czyli najniższy poziom organizacji strukturalnej cząsteczki jest wyznaczona przez sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Jest ona uwarunkowana jeszcze zanim zostanie zsyntetyzowany łańcuch polipeptydowy, gdyż informacja o kolejności aminokwasów w cząsteczce białka jest zakodowana w DNA, w postaci sekwencji nukleotydowej. Dzięki procesom transkrypcji, a później translacji sekwencja nukleotydowa zostaje odczytana w trakcie syntezy odpowiedniego polipeptydu. 2. Struktura drugorzędowa są to typy regularnego ułożenia głównego łańcucha polipeptydowego stabilizowane wiązaniami wodorowymi. Struktura drugorzędowa jest uwarunkowana przede wszystkim właściwościami wiązania peptydowego. Jego rzeczywista struktura jest pośrednia pomiędzy dwoma formami , ![]() wskutek czego wiązanie pomiędzy atomem węgla grupy karbonylowej, a atomem azotu ma częściowo charakter wiązania podwójnego. Oznacza to, że wiązanie peptydowe, wraz z przyległymi atomami - Ca , tworzy strukturę płaską. Pozostaje jedynie możliwość obrotu wokół wiązania C-Ca oraz Ca-N. Wielkość rotacji w głównym łańcuchu przy wiązaniu między atomami węgla a i azotu określa kąt torsyjny j (fi), a pomiędzy węglem a i węglem karbonylowym kąt y (psi). ![]() Konformacja głównego łańcucha jest w pełni określona, gdy dla każdej reszty aminokwasowej ustalono wartości kątów j i y . Þ Reszta aminokwasowa w łańcuchu polipeptydowym nie może przyjmować dowolnej pary wartości j i y , gdyż pewne kombinacje tych wartości są całkowicie niemożliwe ze względu na zawadę przestrzenną pomiędzy grupami funkcyjnymi sąsiadujących aminokwasów. Odkryto dwa podstawowe, regularne układy drugorzędowe występujące powszechnie w strukturze białek. Są to struktury a -helisy i b -harmonijki. a.) Struktura a
-helisy, odkryta jako pierwsza, ma kształt cylindra. Ciasno spleciony łańcuch główny polipeptydu tworzy centralną część cylindra, natomiast boczne łańcuchy reszt aminokwasowych wystają na zewnątrz w ułożeniu helikalnym.
![]() Struktura a -helisy jest dodatkowo stabilizowana wiązaniami wodorowymi grup NH i CO głównego łańcucha. Grupa CO każdego aminokwasu wiąże się wiązaniem wodorowym z grupą NH, aminokwasu odległego do przodu o cztery reszty aminokwasowe i leżącego bezpośrednio nad nią. Rezultatem tego jest fakt, że wszystkie grupy CO i NH łańcucha głównego są połączone wiązaniem wodorowym. Każda reszta aminokwasowa jest przesunięta w stosunku do sąsiedniej o 0,15 nm wzdłuż osi helisy i obrócona o 100o wokół osi. Na jeden obrót helisy przypada zatem 3,6 reszt aminokwasowych. Skok helisy wynosi wtedy 0,54 nm.
![]() Helisa, podobnie jak każda śruba może być zarówno prawo, jak i lewoskrętna. W białkach występuje głównie struktura helisy prawoskrętnej. a -Helisa charakteryzuje się także polarnością. Jej budowa sugeruje, że jest dipolem wewnętrzny niepolarny rdzeń oraz polarne reszty aminokwasowe wystawione na zewnątrz cząsteczki. b.) Struktura b -harmonijki (b -kartki) W odróżnieniu od cylindrycznej struktury a -helisy, cząsteczka polipeptydu przyjmuje kształt, prawie całkowicie rozciągnięty. W uformowaniu struktury b -harmonijki, może brać udział więcej niż jeden łańcuch polipeptydowy. Odległość sąsiednich aminokwasów wzdłuż osi cząsteczki wynosi 0,35 nm (w a -helisie 0,15 nm). Harmonijkę b stabilizują wiązania wodorowe pomiędzy grupami CO i NH, leżącymi w jednej płaszczyźnie obok siebie i niekoniecznie pochodzących ze wspólnego łańcucha polipeptydowego.
![]() Sąsiadujące ze sobą łańcuchy mogą być ułożone w jednym kierunku (równoległa b harmonijka) lub w kierunku przeciwnym (antyrównoległa b harmonijka). ![]() c.) Istnieje także struktura trójniciowej helisy, występującej wyłącznie w białku powszechnie występującym u ssaków kolagenie. Struktura ta składa się z trzech łańcuchów polipeptydowych o bardzo regularnej strukturze aminokwasowej. Często powtarzająca się sekwencja: glicyna-prolina-hydroksyprolina (nietypowy aminokwas) (zobacz i prorównaj: aminokwasy) warunkuje powstawanie struktury drugorzędowej.
![]() W obrębie pojedynczego łańcucha nie występują wiązania wodorowe, za to każdy z trzech łańcuchów helikarnych jest stabilizowany przez odpychanie się pierścieni pirolidynowych proliny i hydroksyproliny (zobacz i prorównaj:aminokwasy), ponadto są tworzone wiązania wodorowe pomiędzy sąsiadującymi aminokwasami każdego z łańcuchów. Trzy nici skręcają się wokół siebie tworząc strukturę superhelikalnej liny. ![]() Typy struktur drugorzędowych: a -helisy i b -harmonijki występują prawie we wszystkich białkach i mogą oddziaływać pomiędzy sobą tworząc bardziej złożone struktury drugorzędowe zwane motywami. d.)Motywy strukturalne, powstają wskutek asocjacji helis a
lub b
struktur, pełniąc kluczową rolę w procesie fałdowania się białka. Powodem, dla którego zachodzi to zjawisko, jest dążenie tych struktur do minimalizacji ekspozycji reszt hydrofobowych w kierunku wody, a także konieczność tworzenia wiązań wodorowych pomiędzy grupami hydrofilowymi (polarnymi) w celu stabilizacji struktur, kosztem dogodnego energetycznie oddziaływania z polarnym rozpuszczalnikiem wodą. Najbardziej powszechnie występującym motywem b
, wśród białek jest motyw szpilki do włosów (ang. harpin loop). Ten motyw jest zbudowany z jednego łańcucha polipeptydowego, przyjmującego antyrównoległą strukturę typu b
-harmonijki. Struktura taka tworzy się dzięki tworzeniu się wiązań wodorowych pomiędzy grupą CO reszty n aminokwasu, a grupą NH reszty n + 3 aminokwasowej, powodując natychmiastowe odwrócenie się kierunku łańcucha i ułożenie antyrównoległe struktury b
-harmonijki.
![]() Innym przykładem bardziej złożonej struktury opierającej się na strukturze b -harmonijki jest motyw klucza greckiego. Jest to bardziej rozbudowany motyw szpilki do włosów, gdzie jeden łańcuch polipeptydowy tworzy ze sobą cztery struktury b -harmonijki ułożone względem siebie antyrównoległe. ![]() Struktura a -helisy podobnie jak b -harmonijki tworzy własne motywy strukturalne. Najczęściej jest to motyw heliks-pętla-heliks (ang. helix-turn-helix) występujący głównie w białkach wiążących się z DNA
![]() (za pomocą tzw. palców cynkowych). ![]() Innym przykładem motywów a , wiążących się z kwasami nukleinowymi są struktury tzw. suwaków leucynowych, zbudowanych z dwóch oplecionych ze sobą a helis, bogatych w leucynę. Zasadowy charakter takiej struktury implikuje powinowactwo do DNA, który ma odczyn kwaśny. ![]() Oprócz motywów jednorodnych (wyłącznie b lub a helikalnych), występują struktury mieszane typu a /b , przykładem może posłużyć motyw bab, w którym pomiędzy dwoma ułożonymi równolegle łańcuchami struktury b -harmonijki znajduje się a -helisa. Hydrofobowa strona łańcuchów b jest ciasno upakowana i kontaktuje z hydrofobową stroną a
-helisy.
![]() Dotychczas zostały omówione motywy powstające z jednego łańcucha polipeptydowego. Białka są zbudowane zazwyczaj z kilku łańcuchów, fałdujących się niezależnie od siebie i pomiędzy którymi również formują się swego rodzaju motywy, zwane domenami, będące często składnikami części funkcjonalnych białek (Np. centrum katalitycznym enzymów). Można wyróżnić domeny składające się z czterech struktur a -helikalnych tworzących złożony motyw heliks-pętla-heliks, ułożonych wzajemnie równolegle, w ten sposób, że reszty aminokwasowe poszczególnych łańcuchów zazębiają się między sobą tworząc przestrzeń hydrofobową w centralnej części domeny. Inną, bardzo podobną strukturą, charakterystyczną dla białek globularnych - jest domena globinowa. Powstaje ona w wyniku dopasowania grzbietów jednej struktury a
-helikarnej w grzbiet drugiej. Dwie preferowane orientacje to te, których kąt pomiędzy osiami sąsiednich helis wynosi +20o lub - 50o. W wyniku takiego ułożenia a
-helis powstaje centrum hydrofobowe.
![]() Domeny są tworzone także przez motywy b -harmonijki. Przykładem może posłużyć baryłka typu b , gdzie centrum hydrofobowe jest osłonięte przez powtarzające się motywy b klucza greckiego. ![]() Domeny typu rolada występujące najczęściej w białkach regulatorowych i będącymi bardziej skomplikowanymi motywami typu klucz grecki.
![]() Omówione powyżej struktury drugorzędowe przedstawiają tylko część możliwych kombinacji motywów a i b występujących w białkach. Wyższym stopniem komplikacji budowy łańcuchów polipeptydowych są struktury trzeciorzędowe. 3. Struktura trzeciorzędowa powstaje w wyniku oddziaływania poszczególnych reszt aminokwasowych pomiędzy sobą. Oprócz wiązań wodorowych
![]() , mogą zostać utworzone tzw. mostki solne w reakcji pomiędzy grupami funkcyjnymi pochodzącymi od Þ aminokwasów kwaśnych (Np.: kwas glutaminowy) i zasadowych (Np.: arginina). ![]() Bardzo charakterystycznym przykładem wiązań stabilizujących trzeciorzędową strukturę białek są tzw. mostki dwusiarczkowe, ![]() powstające pomiędzy dwiema resztami cysteinowymi (zobacz i porównaj: aminokwasy). Innymi możliwymi interakcjami pomiędzy grupami aminokwasowymi są oddziaływania apolarnych reszt będące przykładem oddziaływania tzw. sił van der Waalsa. Są to oddziaływania pomiędzy aminokwasami zawierającymi silnie hydrofobowe grupy funkcyjne (Np.: fenyloalanina-fenyloalanina).
![]() Kolejnymi ważnymi czynnikami warunkującym strukturę trzeciorzędową są oddziaływania reszt aminokwasowych z rozpuszczalnikiem. Ostateczna konformacja białek rozpuszczalnych w wodzie jest taka, że większość apolarnych reszt aminokwasowych koncentruje się we wnętrzu cząsteczki, wypychając z niej wodę, natomiast reszty polarne niosące ładunek elektryczny wysuwają się na zewnątrz i ulegają hydratacji (zobacz rysunek). Cząsteczka białka jest otoczona warstwą związanej wody hydratacyjnej. 4. Struktura czwartorzędowa jest charakterystyczna dla białek oligomerycznych. (zawierających kilka podjednostek). Podjednostki białek są to niezależnie sfałdowane łańcuchy polipeptydowe lub całe białka, będące tylko składnikiem dużego kompleksu białkowego. Podobny zestaw oddziaływań reszt aminokwasowych pomiędzy sobą oraz z rozpuszczalnikiem jest charakterystyczny dla czynników stabilizujących strukturę czwartorzędową białek oligomerycznych. Często się zdarza, że powierzchnie styku poszczególnych podjednostek oligomeru zawierają dużą ilość aminokwasów hydrofobowych. Efektem tego jest sklejenie podjednostek i uszczelnienie przed wniknięciem rozpuszczalnika. Rozbicie podjednostek oznacza destabilizację dalszych struktur, gdyż jest to wysoce niekorzystne energetycznie ponieważ zachodzi kontakt z polarnym rozpuszczalnikiem. Struktura czwartorzędowa staje się szczególnie trwała gdy podjednostki wiążą się mostkami dwusiarczkowymi lub solnymi.
![]() Podobieństwo pomiędzy poszczególnymi motywami, domenami lub podjednostkami, wskazuje na silne dążenie do konserwowania (utrwalania) udanych funkcjonalnie struktur białkowych w trakcie ewolucji. Jest to najlepszy i najszybszy sposób tworzenia nowych struktur z już wcześniej dostępnych, lecz w odmiennej kombinacji. Gdyby ewolucja szła drogą kombinatoryki i szukała wszystkich możliwych kombinacji konformacji struktur białka i zakładając przeciętny czas fałdowania się (foldingu) białka ok. 10-1 10-2 s to czas potrzebny na wypróbowanie wszystkich możliwości wyniósłby w przybliżeniu 10100 lat.
![]() Tworzenie nowych białek polega na składaniu genów kodujących struktury już istniejące. Utworzenie w pełni funkcjonalnego białka odbywa się w trakcie Þ modyfikacji potranslacyjnej, w której są dodawane inne, niebiałkowe elementy struktury. W tym procesie formowany jest ostateczny kształt białka w wyniku jego przebudowy. Wszystkie te czynności nie przebiegają spontanicznie i są przeprowadzane dzięki wyspecjalizowanym enzymom. Jako przykład mogą posłużyć specyficzne białka czaperony (białka opiekuńcze), które kontrolują proces właściwego fałdowania się łańcucha polipeptydowego. Odpowiedzialne są one także, za usuwanie nieprawidłowo sfałdowanych łańcuchów, wykazując zdolność do tworzenia kompleksów ze źle uformowanym białkiem i zwiększając podatność takiego konglomeratu na działanie enzymów proteolitycznych. ![]() Š 1997, 1998 Biologia Molekularna w Internecie Webmaster ![]() |