Białka - struktura i funkcje Wykład 2 Białka - struktura i funkcje 2.1. Aminokwasy http://www.mlyniec.gda.pl/~chemia/organiczna/aminokwasy.htm http://chemik12.webpark.pl/rozne/aminokwasy.htm http://pl.wikipedia.org/wiki/Bia%C5%82ko http://www.pmp.p-net.pl/biologia/bialka.htm

Aminokwasy są związkami chemicznymi, składającymi się z dwóch grup funkcyjnych: grupy kwasowej (–COOH) i grupy aminowej (-NH2). Te grupy są przyłączone do tego samego atomu węgla. Atom węgla nazywamy atomem alfa. Tak więc aminokwasy występujące w przyrodzie są alfa-aminokwasami. Obie grupy funkcyjne są zdolne do przyłączania i odszczepiania kationu wodorowego. Wykazują więc równowagi pomiędzy różnymi formami sprotonowanymi w roztworze. Stężenia tych form zależą od stężenia jonu wodorowego w roztworze, a więc od pH.

`

Stała równowagi tej reakcji ma postać: Ka = [A-][H+]/[AH], Forma kationowa aminokwasu dominuje w środowisku kwaśnym, forma anionowa w środowisku zasadowym, natomiast stężenie formy zwitter-jonu jest największe w pH, zwanym punktem izoelektrycznym (pomiędzy wartościami pKa grup: aminowej i karboksylowej). Punkt izoelektryczny to pH, w którym stężenia form jonowych są sobie równe. Ogólnie: Wartość pKa jest to takie pH, przy którym stężenia formy sprotonowanej i zdeprotonowanej są sobie równe. Rozważmy równowagę kwasową: AH H+ + A- Stała równowagi tej reakcji ma postać: Ka = [A-][H+]/[AH], co, po zlogarytmowaniu i przekształceniu daje: pKa = pH + log([AH]/[A-]) Jest to równanie Hendersona-Hasselbacha. Opisuje ono sens fizyczny stałej równowagi kwasowej, podany powyżej.

pKa to takie pH, przy którym stężenia form: sprotonowanej i zdeprotonowanej są sobie równe

Tabela wzorów, nazw, akronimów i symboli jednoliterowych. Grupa boczna Akronim Skrót pKa * Glicyna -H Gly G 2.4; 9.8 Alanina -CH3 Ala A 2.3; 9.9 Walina -CH(CH3)2 Val V 2.3; 9.6 Leucyna -CH2C(H)(CH3)2 Leu L Izoleucyna -CH(CH3)CH2CH3 Ile I Seryna -CH2OH Ser S 2.1; 9.2 Treoniona -CH(CH3)OH Thr T Asparaginian -CH2COO- Asp D 2.0; 10.0; 3.9 Glutaminian -CH2CH2COO- Glu E 2.2; 9.7; 4.3 Asparagina -CH2C(O)NH2 Asn N Glutamina -CH2CH2C(O)NH2 Gln Q Prolina a Pro P Lizyna -CH2CH2CH2CH2NH3+ Lys K 2.2; 9.2; 10.8 Arginina -CH2CH2CH2NHC(NH2)2+ Arg R 1.8; 9.0; 12.5 Cysteina -CH2SH Cys C 1.8; 10.8; 8.3 Metionina - CH2CH2SCH3 Met M Phe F 1.8; 9.1 Tyrozyna Tyr Y 2.2; 9.1; 10.9 Histydyna His H 1.8; 9.2; 6.0 Tryptofan Trp W * W kolejności: grupa karboksylowa (); grupa aminowa: grupa funkcyjna w łańcuchu bocznym.

Gdy do tego samego atomu węgla są przyłączone cztery różne podstawniki, to występuje zjawisko stereoizomerii. Ma to miejsce we wszystkich aminokwasach, z wyjątkiem glicyny Jeśli obrócimy cząsteczkę aminokwasu (wzór cząsteczki w postaci zwitter-jonu) o kąt 90 tak, aby atom wodoru (najmłodszy) leżał bezpośrednio za atomem węgla C, to otrzymamy projekcję Newmana.

Projekcja Newmana Alaniny Wodór jest za symbolem środkowego węgla

Atom węgla ma cztery różne podstawniki: -H (najmłodszy), -NH3+ (atom azotu jest najstarszy, bo ma największą masę atomową), -COO- (atom węgla grupy karboksylowej łączy się z dwoma atomami tlenu), np. -CH3 (atom węgla  pierwszy atom łańcucha bocznego). W konsekwencji atom węgla jest centrum chiralności. Można ją zdefiniować najłatwiej poprzez obrócenie cząsteczki tak, aby można było poprowadzić linię od najstarszego podstawnika (atomu związanego z centrum chiralności) w kierunku podstawnika o malejącym starszeństwie (masie atomowej atomu związanego bezpośrednio z centrum chiralności).

L-Alanina (w postaci zwitter-jonu) Projekcja Newmana L-Alanina (w postaci zwitter-jonu) Konfiguracja absolutna S (L) i R (D) Według nomenklatury Kahna-Ingolda-Preloga S- sinister; R-rectus Konfiguracja prawoskrętna D-Alanina Konfiguracja lewoskrętna L-Alanina Te dwa izomery mają odmienne właściwości. Są one względem siebie enancjomerami

Wszystkie aminokwasy z wyjątkiem glicyny mają węgiel Enancjomery skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego w przeciwne strony. Wszystkie aminokwasy z wyjątkiem glicyny mają węgiel chiralny (centrum asymetrii, centrum stereogeniczne). Aminokwasy występujące w białkach zwierząt i człowieka są aminokwasami typu L. W przyrodzie występuje co najmniej 20 aminokwasów, którym przypisano stałe akronimy trójliterowe oraz symbole jednoliterowe. Lista nazw wraz z akronimami jest pokazana w uprzedniej Tabeli.

Aminokwasy są połączone ze sobą wiązaniem peptydowym (typu amidowego)

Wiązanie to powstaje jako skutek kondensacji dwóch aminokwasów w reakcji: Ugrupowanie amidowe jest „płaskie”, tzn. atomy C-C’(O)-N(H)-C leżą w jednej płaszczyźnie. Wiązania C=O i C-N mają charakter wiązania podwójnego odpowiednio w 60% i 40%. Ograniczona swoboda rotacji wokół wiązania C’-N powoduje możliwość występowania izomerii cis/trans. Wiązania występujące w białkach są zwykle trans (jak na rysunku).

2. Białka - struktura i funkcje Wykład 3 2. Białka - struktura i funkcje 2.1. Wiązania peptydowe, struktura I-IV-rzędowa

Wiązanie pomiędzy dwoma aminokwasami (wiązanie peptydowe) jest wiązaniem pomiędzy węglem grupy karboksylowej poprzedniego aminokwasu i azotem grupy alfa-aminowej drugiego aminokwasu. Wiązanie pomiędzy węglem i azotem ma charakter wiązania częściowo podwójnego. Obrót wokół tego wiązania nie jest swobodny.

Gdy obrót wokół wiązania nie jest swobodny (np Gdy obrót wokół wiązania nie jest swobodny (np. wiązanie podwójne C=C), to może wystąpić izomeria geometryczna typu cis – trans:

Wiązania peptydowe w polipeptydach (tutaj jest to tripeptyd – trzy połączone ze sobą aminokwasy) są płaskie i zawsze typu trans. Atomy głównego łańcucha polipeptydu, to: N, Ca, C’, N, Ca, C’, N, Ca, C’.

Struktura białek (polipeptydów) Białka są polimerami, których monomery stanowią aminokwasy. Powtarzającym się elementem w strukturze łańcucha polipeptydowego są aminokwasy. Łańcuch główny stanowią atomy N-C-C’, czyli atomy azotu (wiązania amidowego (peptydowego)), atomy węgla aminokwasu, podstawione grupami: aminową, karboksylową, atomem wodoru i grupą boczną aminokwasu (R), oraz atomy węgla karbonylowego wiązania amidowego.

Gly Gly Ala His Ala Asp Asp Gly Ala Gly Arg Struktura I-rzędowa: Określone białko ma ściśle zdefiniowany skład i sekwencję (kolejność) aminokwasów; mówimy o pierwszorzędowej strukturze białka. Mówiąc o strukturze pierwszorzędowej, podajemy kolejność aminokwasów w białku, np.: Gly Gly Ala His Ala Asp Asp Gly Ala Gly Arg

Struktura II-rzędowa: Łańcuch polipeptydowy ma ściśle określoną konformację, którą opisują kąty dwuścienne łańcucha głównego, liczone od N-końca (wolna grupa aminowa) do C-końca (wolna grupa karboksylowa). Postać natywna (naturalna) białka ma tylko jedną możliwą konformację w stanie aktywnym.

Kąty dwuścienne opisujące konformację łańcucha głównego:    Kąty dwuścienne opisujące konformację łańcucha głównego: N-C -  C-C’ -  C’-N - 

Struktury powtarzające się periodycznie (regularne, uporządkowane) Spirala a: F = -58 stopni; Y = -47 stopni; w = 180 stopni Płachta b: F = 180 stopni; Y = 180 stopni; w = 180 stopni W rejonach, w których kilka kolejnych aminokwasów ma takie same kąty łańcucha głównego występują struktury uporządkowane. Spirala alfa (alfa-helisa) ma kształt sprężyny:

O ile atomy łańcucha głównego w alfa-helisie tworzą spiralę, to w beta-płachcie atomy łańcucha głównego leżą w jednej płaszczyźnie. Obie konformacje łańcucha często występują w strukturze białka. Następne przezrocze pokazuje konformację beta-płachty w dwóch rzutach

Struktura III-rzędowa: Na konformację łańcucha głównego mogą wpływać dodatkowe oddziaływania i wiązania, np. wiązanie dwusiarczkowe pomiędzy grupami bocznymi Cys (tworzą mostek kowalencyjny -S-S- pomiędzy odległymi resztami Cys) i wiązania wodorowe pomiędzy odległymi częściami łańcucha polipeptydowego.

Fragment łańcucha polipeptydowego z wiązaniami wodorowymi pomiędzy atomami wodoru (grupy N-H) i atomami tlenu (grupy C=O) należącymi do odległych aminokwasów w sekwencji (w łańcuchu), Wiązania wodorowe są zaznaczone liniami przerywanymi. Wiązania wodorowe występują zarówno w alfa-helisie, jak i beta-pętli. To one są odpowiedzialne za trwałość konformacyjną tych uporządkowanych struktur. Na tym rysunku pokazany jest fragment łańcucha polipeptydowego zawierający beta-pętlę.

Struktura IV-rzędowa: Większość białek występuje w stanie natywnym w postaci asocjatów wyższego rzędu, tj. związanych ze sobą niekowalencyjnie kilku podjednostek.

Struktura przestrzenna hemoglobiny Struktura przestrzenna hemoglobiny. Dwie podjednostki alfa i dwie podjednostki beta są zaznaczone różnymi kolorami. Zielony jest hem.

Sposoby organizacji struktury białek Obecność grup zawierających atomy wodoru związane z atomem azotu i tlenu i jednocześnie grup karbonylowych daje możliwość tworzenia wiązań wodorowych pomiędzy sobą. Ponadto grupy te tworzą wiązania wodorowe z cząsteczkami wody otaczającymi białko. W konsekwencji te części reszt aminokwasowych, które mają charakter hydrofilowy eksponowane są na zewnątrz cząsteczki, natomiast aminokwasy z niepolarnymi grupami bocznymi, mające charakter hydrofobowy, unikają kontaktu z wodą i zwykle tworzą trudno dostępne kieszenie hydrofobowe.