Od aminokwasów do białek złożonych. Wykład 2

Transkrypt

1 Od aminokwasów do białek złożonych Wykład 2

2 Szczególne grupy cząstek Grupa aminowa (NH 2 ) właściwości zasadowe Gdy cząsteczka zawiera obie te grupy to mamy AMINOKWAS R (łańcuch boczny) - to może być jeden atom, ale też długa struktura wielocząstkowa Grupa karboksylowa (COOH) właściwości kwasowe Te dwie grupy bardzo się lubią wystarczy, że są blisko siebie i dostaną trochę energii to łączą się WIĄZANIEM PEPTYDOWYM. Powstaje PEPTYD i woda. Gdy tych cząstek jest więcej to mówimy o BIAŁKU

3 Wiązania peptydowe Wiązanie bardzo silne (1.33A między C-N w peptydowym, 1.45A w klasycznym wiązaniu pojedynczym) Delokalizacja elektronu z wiązania podwójnego w grupie karboksylowej C=O, przez co nabiera cech wiązania podwójnego Siła wiązania blokuje rotację

4 Aminokwasy białkowe

5 Aminokwasy w białkach Każdy aminokwas pełni w białku jakąś rolę. glicyna i prolina często określają charakter struktury natywnej białka. Glicyna jest bowiem najmniejszym aminokwasem (jej łańcuch boczny to po prostu atom wodoru) i znaleźć ją można w elementach łączących typowe podstruktury białka. Prolina jest cyklicznym iminokwasem (jedyny taki wyjątek wśród aminokwasów ), gdyż zawiera niearomatyczny sztywny pierścień, do którego należy węgiel C α. Pierścień ten trudno upakować i dlatego prolina często kończy lub zakrzywia struktury drugorzędowe. Tryptofan jest jednym z trzech aminokwasów zawierających pierścień aromatyczny. Pozostałe dwa to fenyloalanina i tyrozyna, ale tylko tryptofan w znaczący sposób absorbuje światło, o długości fali 280 nm, co z kolei prowadzi do fluorescencji.

6 Aminokwasy cd. Wszystkie wiązania tworzone przez węgiel C α mają charakter wiązań kowalencyjnych. układ podstawników tworzy tetraedr, w środku którego znajduje się atom węgla C α, zaś cztery podstawniki leżą w jego narożach (na rysunku wodór ukrył się za węglem) obecność asymetrycznego atomu węgla Cα połączonego z czterema różnymi podstawnikami jest powodem chiralności i aktywności optycznej aminokwasów Tylko glicyna jest nieczynna optycznie. Ma dwa atomy węgla alfa.

7 Aminokwasy endo i egzo W roku 1795 chemik i fizyk William Nicholson pisał: wydaje się prawdopodobne, że białko jaja, surowica krwi i twaróg nie rożną się od siebie w sposób zasadniczy. Do nich można dodać gluten roślinny, który bardzo przypomina ser 1816: Doświadczenie Mangendie: psy, żywione dietą złożoną wyłącznie z węglowodanów i tłuszczu, utrzymywały się przy życiu tylko przez okres około 5 tygodni. Życie zwierząt można było przedłużyć, jeśli do diety dodana była żelatyna. Mangendie zaproponował wyróżnienie w obrębie składników pożywienia dwóch głównych grup składników azotowych oraz niezawierających azotu.

8 Egzo i endo EGZO: fenyloalanina, leucyna, izoleucyna, metionina, walina, lizyna, treonina, tryptofan, histydyna oraz arginina. ENDO: alanina, asparagina, cysteina, glicyna, glutamina, kwas asparaginowy, kwas glutaminowy, prolina, seryna. Cysteina, cystyna i tyrozyna są wytwarzane przez organizm człowieka z innych aminokwasów. W sytuacji kiedy w naszym organizmie brakuje choćby jednego z aminokwasów zaczyna się proces rozkładu białek ponad ich syntezą, konsekwencją tego są braki azotu.

9 Warto wiedzieć czyli dlaczego aminokwasy są ważne Fenyloketonuria ( mysi zapach ) wrodzona, uwarunkowana genetycznie enzymopatia prowadząca do gromadzenia się w organizmie nadmiaru fenyloalaniny skutkująca uszkodzeniem mózgu, niedorozwojem. U podłoża choroby leży mutacja genu odpowiedzialnego za aktywność enzymu hydroksylazy fenyloalaninowej (PAH), który jest niezbędny w metabolizmie fenyloalaniny. Choroba syropu klonowego jest zaburzeniem metabolizmu: leucyny, izoleucyny, waliny (słodki zapach moczu). Przyczyną choroby jest niedobór lub brak aktywności kompleksu enzymatycznego dehydrogenezy rozgałęzionych α-ketokwasów. Zahamowanie reakcji biochemicznych, za które jest odpowiedzialna powoduje gromadzenie się zarówno α-ketokwasów, jak i leucyny, izoleucyny i waliny we krwi, w płynie mózgowo-rdzeniowym i moczu. Choroba bardzo rzadka jeden przypadek na 200tyś. Urodzeń (Wit. B1, dieta)

10 Choroby występujące także u osób starszych Homocystynuria jest chorobą genetyczną wielonarządową, powodującą zmiany patologiczne w tkance łącznej, mięśniowej, w ośrodkowym układzie nerwowym i narządzie wzroku. W późniejszym wieku najpoważniejszym objawem są zakrzepy, będące pierwszą przyczyną śmierci. Polega na nieprawidłowym metaboliźmie metioniny niedobór lub brak pirodyksyny (wit. B6) Tyrozynemia brak enzymów katalizujących metabolizm tyrozy skutkuje uszkodzeniem wzroku, wątroby.

11 Anabololizm i Katabolizm Metabolizm obejmuje właśnie te dwa procesy Anabolizm: jest to proces syntezy złożonych związków organicznych z substancji prostych np. proces syntezy białek z aminokwasów, cukrów z dwutlenku węgla i wody. Warunkiem jest stałe pochłanianie energii, ponieważ związki o niewielkich zasobach energetycznych przekształcane są w związki wysokoenergetyczne. Katabolizm: proces rozpadu złożonych związków organicznych na związki prostsze o znacznie mniejszych zasobach energetycznych.

12 Bilans azotowy Organizm człowieka nie magazynuje azotu, który jest niezbędny do syntezy białek i innych, ważnych związków azotowych o znaczeniu fizjologicznym. Bilans to różnica między: dzienną ilością azotu przyjętego wraz z dietą a ilością azotu wydalonego z moczem (w formie mocznika, jonów amonowych, kreatyniny i kwasu moczowego) Bilans jest dodatni w okresie wzrostu masy mięśniowej szczególnie u dzieci, w ciąży; Bilans ujemny chorobach, niedożywieniu

13 Tzw. cykl azotowy

14 Azot Azot w pierwszym kroku musi zostać związany z atmosfery do NH 3 przez mikroorganizmy; potrójne wiązanie łączące 2 atomy azotu w cząsteczkę jest bardzo silnym wiązaniem i rozerwanie tego wiązania wymaga nakładu 974kJ/mol Ten proces realizują tylko nieliczne mikroorganizmy: wolno żyjące (Klebsiella, Azotobacter, sinice) oraz bakterie symbiotyczne (Rhizobium)

15 cd.. reakcje przekształcenia azotu w jony amonowe katalizowane są przez kompleks enzymatyczny nitrogenazy by zaszła redukcja cząsteczki azotu do dwóch jonów amonowych potrzeba 8 elektronów; dostarczycielem elektronów jest białko zwane ferrodoksyną (białko żelazosiarczkowe) elektrony są transportowane na reduktazę nitrogenazy; przeniesienie elektronów na właściwą nitrogenazę wymaga ogromnego wkładu energii- na przeprowadzenie jednej cząsteczki

16 Zatem

17 Od jonów do aminokwasów Organizmy wyższe wykorzystują NH 4 + do produkcji aminokwasów i innych biocząsteczek Do metabolizmu wchodzi jon przez glutaminian powstaje glutamina reakcja potrzebuje energii i specjalnego enzymu (syntazy glutaminowej)

18 W jaki sposób powstają aminokwasy bio Z α-ketoglutaranu (z cyklu kwasu cytrynowego): glutaminian oraz wywodzące się z niego: glutamina, prolina i arginina. Z szczawiooctanu (z cyklu kwasu cytrynowego): tzw. rodzina asparaginianu: asparaginian, asparagina, metionina, treonina i lizyna oraz izoleucyna. Z 3-fosfoglicerynianu (z glikolizy): tzw. rodzina seryny: seryna oraz wywodzące się z niej cysteina i glicyna. Z pirogronianu (z glikolizy) tzw. rodzina pirogronianu: alanina, walina i leucyna. Z fosfoenolopirogronianu (z glikolizy i ze szlaku pentozofosforanowego) tzw. rodzina aminokwasów aromatycznych: fenyloalanina, tyrozyna i tryptofan. Aminokwas ze szlaku pentozofosforanowego: histydyna.

19 Trochę inny podział Aminokwasy glikogenne to aminokwasy, wykorzystywane (w wątrobie) do syntezy glukozy. Aminokwasy ketogenne - to aminokwasy, używane do tworzenia ciał ketonowych (kwas β-hydroksy-masłowy, acetooctan, aceton).

20 Aminokwasy w liczbach W przyrodzie występuje 300 aminokwasów Białek z jakich zbudowane są organizmy jest tylko 20 Organizm ludzki potrafi samodzielnie wyprodukować 11 aminokwasów spośród mu niezbędnych. Pozostałe dostarczane są w pożywieniu. Dzieciom potrzeba jest jeszcze histydyny, argininy. Aminokwasy są substancjami krystalicznymi wykazują bardzo wysoką temperaturą topnienia: stopni Celsjusza. Najdłuższe znane białko ma aminokwasów TYTYNA (składnik mięśni poprzecznie prążkowanych)

21 Usuwanie azotu z organizmu Nadmiar NH 4 + usuwany w postaci mocznika (organizmy ureoteliczne kręgowce lądowe: Potrzebują wiązać NH 4 + do związku mało toksycznego i rozpuszczalnego w wodzie, bo wskutek oszczędności wody, produkują zagęszczony mocz.) Wydalanie amoniaku bezpośrednio do wody (organizmy amonioteliczne kręgowce i bezkręgowce wodne - mogą wydalać dużo niestężonego moczu lub wydalać przez skórę) Wydalanie w postaci kwasu moczowego (organizmy urykoteliczne ptaki i gady lądowe: Wiążą NH 4 + do związku praktycznie nierozpuszczalnego w wodzie, bo ich mocz prawie nie zawiera wody.) Człowiek przy prawidłowym odżywianiu wydala ok. 17g azotu dziennie

22 Struktura białek

23 Struktura pierwszorzędowa To sekwencja aminokwasów tworzących makrocząsteczkę Skład i kolejność aminokwasów odpowiadają za późniejszą funkcję i strukturę przestrzenną. UWAGA! łańcuch polipeptydowy o określonej sekwencji w naturalnych warunkach utworzy zawsze taką samą cząsteczkę

24 Struktura pierwszorzędowa Struktura pierwszorzędowa polipeptydu zdeterminowana jest genetycznie, specyficzną sekwencją nukleotydów w DNA. W środowisku wodnym taka rozłożona struktura bardzo szybko i w sposób odwracalny potrafi się zwinąć do stanu tzw. NATYWNEGO

25 Dolina dobrych konformacji Paradoks Levinthala: 1) Białko składa się ze 100 aminokwasów, z których każdy może przyjmować zaledwie 2 konfiguracje otrzymujemy możliwych konformacji łańcucha polipeptydowego. 2) przejście jednej konformacji w drugą zajmuje zaledwie s 3) losowe poszukiwanie natywnej konformacji może zająć nawet lat 4) A czas fałdowania oscyluje w zakresie od ms do s

26 Wyjaśnienie modele zwijania Model I diffusion-collision model : krok pierwszy powstają lokalne elementy NATYWNYCH struktur drugorzędowych. Te części dyfundują ku spotkaniu w odpowiednich konformacjach albo lub ich struktura może być "propagowana" na cały łańcuch (Model II - nucleation model ). Struktury drugorzędowe będą tworzyć tzw. "centra", od których natywna struktura będzie się rozszerzać na cały łańcuch - trzeciorzędowa struktura powstanie więc jako konsekwencja struktur drugorzędowych. Model III hydrophobic collapse model - cząsteczka bardzo szybko "zapada się" na skutek hydrofobowych łańcuchów bocznych tworząc półpłynną strukturę, która następnie musi ulec rearanżacji do struktury natywnej. Struktura drugorzędowa tworzy się dzięki oddziaływaniom trzeciorzędowym.

27 Struktura drugorzędowa ułożenie w przestrzeni poszczególnych sąsiadujących ze sobą w sekwencji aminokwasów, przestrzeń zdefiniowana za pomocą trzech kątów torsyjnych: φ,ψ i ω. φ Bioinformatyka_skrypt2_2.pdf

28 Konformacje Kąt ω może przyjmować tylko dwie wartości ze względu na właściwości wiązania podwójnego W białkach dominuje konformacja trans

29 Wykres Ramachandrana 3,6 13 4,4 16

30 Domena β; krystalina Struktura trzeciorzędowa Opisuje wzajemne ułożenie względem siebie helis i struktur β Elementy są zgrupowane w domeny Łącznikiem między domenami są zazwyczaj fragmenty łańcucha polipeptydowego w postaci statystycznego kłębka Domena α; mioglobina

31 Struktura trzeciorzędowa Wiązanie wodorowe Oddziaływania stabilizujące strukturę

32 Struktura czwartorzędowa opisuje przestrzenne ułożenie podjednostek białkowych. Każda podjednostka jest odrębnym łańcuchem białkowym wchodzącym w skład funkcjonalnego białka. Białka mogą mieć strukturę monomeryczną a także mogą być złożone z wielu podjednostek. Ferrytyna - 24mer

33 Ciekawostki z kuchni Zapach świeżo upieczonego chleba to efekt reakcji aminokwasu z węglowodanem (prolina+glukoza) Hydrolizaty białkowe to szczególna grupa związków składnik przypraw typu maggi, ale także są wykorzystywane jako składnik tzw. kroplówek, czy środków dietetycznych E951 aspartam, to środek słodzący, którego siła słodząca jest 200 większa niż sacharozy (wykorzystywany również w produktach dla cukrzyków) MGN, czyli monoglutaminian sodu to niebezpieczny związek podstawowy składnik przypraw w kuchni chińskiej dawka szkodliwa to 5g (dwie porcje zupy) powoduje depresję, nadmierną pobudliwość, bóle głowy

34 Bulion pierwotny - źródło życia? 1953 r. S. L. Miller i H. C. Urey przeprowadzili eksperyment, w wyniku którym otrzymali powstanie aminokwasów z wody, metanu, amoniaku i wodoru Przez tydzień mieszaninę ogrzewano, schładzano, poddawano wyładowaniom elektrycznym 12% węgla utworzyło związki organiczne, z czego 2% znalazło się w 13 rodzajach aminokwasów (tzw. podstawowych budujących organizmy żywe)

35 Bio-właściwości białek Enzymy przyspieszają reakcje chemiczne Białka regulatorowe to niektóre hormony (np. insulina) Strukturalne wzmacniają, chronią komórki, tkanki (np. kolagen, keratyna) Transportowe transportują substancje między komórkami albo przez błonę (np. hemoglobina) Zapasowe np. w nasionach roślin Kurczliwe białka aparatu kurczliwego (aktyna i miozyna) Receptorowe reagują na bodźce (np. rodopsyna w siatkówce oka reaguje na światło) Ochronne tworzą przeciwciała ochrona przed bakteriami, neutralizują toksyny Inne np. u meduz pewne białko jest odpowiedzialne za emitowanie zielonego światła, a u małż inne białko umożliwia przyklejanie się ich do skał

36 Białka - bardzo skutecznymi enzymami Katalaza (enzym o największej sprawności) jedna cząstka tego enzymu potrafi rozłożyć 6mln cząstek nadtlenku wodoru (ten związek ma właściwości toksyczne w komórkach) w ciągu min! Anhydraza węglanowa enzym odpowiadający za skuteczne przenoszenie CO 2 z tkanek do krwi a następnie do pęcherzyków płucnych potrafi rozłożyć 100tyś. cząstek w czasie jednej sekundy

37 Właściwości fizykochemiczne białek Masa: od 10kDa do milionów Da Wielkość: od 5 do 100 nm, roztwory mają charakter koloidowy. Dobrze rozpuszczają się w wodzie, rozcieńczonych roztworach soli, kwasów, zasad (rozpuszczalność zależy od zdolności do hydratacji, budowy chemicznej, ph roztworu) HYDRATACJA: wiązanie dipoli wody z grupami polarnymi łańcuchów bocznych aminokwasów oraz z atomami N i O wiązań peptydowych; wtedy białko jest otoczone płaszczem wodnym

38 Właściwości białek Ich właściwości (kwasowo-zasadowe) zależą od ph środowiska: w środowisku kwaśnym występują jako kationy a w zasadowym jako aniony Istnieje taką wartość ph (punkt izoelekryczny), przy której białka i aminokwasy mają charakter jonu obojętnego minimalna rozpuszczalność oraz lepkość

39 Anemia sierpowata w sekwencji białka ulega mutacji jeden aminokwas Erytrocyty przyjmują sierpowaty kształt, na skutek niskiego stężenia tlenu Skutkiem tego zmienionego kształtu jest zwiększona skłonność do ich rozpadu Pauling zaobserwował różnicę położeń punktów izoelektrycznych Pauling, 1949, Science

40 Przykłady i klasyfikacja białek Klasyfikacja ze względu na kształt: globularne: mają kształt kulisty lub elipsoidalny (przykłady: enzymy, białka krwi - z wyjątkiem fibrynogenu oraz większość innych białek aktywnych biologicznie; histony oraz polipeptydy protaminy, które oddziałują z kwasami hemoglobina nukleinowymi) fibrylarne: charakteryzują się równoległym ułożeniem polipeptydów, w postaci długich włókienek tworzących elementy strukturalne, szczególnie tkanki łącznej (przykłady: kolagen, elastyna, keratyna aktyna, miozyna).

41 Przykłady i klasyfikacja białek Klasyfikacja ze względu na budowę i skład Proste Albuminy małe, bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie, występują w płynach ustrojowych organizmu: w osoczu krwi, w tkance mięśniowej i mleku, spełniają szereg ważnych funkcji biologicznych: są enzymami, hormonami Globuliny większe od albumin i słabiej od nich rozpuszczalne w wodzie; występują w dużych ilościach w płynach ustrojowych i tkance mięśniowej Protaminy zasadowe, rozpuszczalne w wodzie, nie posiadają aminokwasów zawierających siarkę; występują w spermie ssaków i ryb Histony również zasadowe białka, składają się z kilku podjednostek, pełnią funkcje szpuli, na które nawijane jest DNA. Skleroproteiny długie białka włókniste, nie rozpuszczalne w wodzie, silnie stabilizowane drugorzędowo, tworzą tkanki łączne (kolagen), paznokcie, włosy (kreatyna). Gluteiny rozpuszczalne w kwasach białka roślinne. Prolaminy białka roślinne, ale rozpuszczalne w stężonych alkoholach: typowe białka roślinne, występują w nasionach, charakterystyczna właściwość to zdolność rozpuszczania się w 70% etanolu Ludzkie albuminy osocza krwi

42 Cd: Złożone Metaloproteidy zawierają atomy lub jony metali; miedz, cynk, żelazo, wapń, magnez, molibden, kobalt). Atomy metalu stanowią grupę czynną wielu enzymów. Chromoproteidy zawierają barwnik (hemoglobina, mioglobina, cytochromy). Glikoproteidy zawierają cząsteczkę cukru (np. niektóre białka zakotwiczone w błonie komórkowej zawierają wystające na zewnątrz receptory białkowe, występują też w substancji ocznej i płynie torebek stawowych). Lipoproteidy zawierają cząsteczki tłuszczu (są np. transporterami cholesterolu). Fosfoproteidy zawierają około 1% reszt kwasy ortofosforowego (np. kazeina w mleku). Nukleoproteidy zasadowe białka zawierające kwasy nukleinowe. P-glikoproteina Farmakologia i Toksykologia Mutschler 2001,

43 Zatrzymajmy się na chwilę przy błonach Model lipidowy (1895) Overton zaobserwował, że substancje rozpuszczalne w tłuszczach wnikały do komórki bardziej efektywnie niż nierozpuszczalne wniosek: lipidy stanowią ważny składnik błony. Model dwuwarstwy lipidowej (1925) - Gortel i Grendel ekstrahowali lipidy z błon erytrocytów ludzkich i obliczając powierzchnię błonki utworzonej przez ten ekstrakt, stwierdzili, że jest ona dwukrotnie większa od powierzchni wyjściowych krwinek wniosek: błona komórkowa składa się z dwóch warstw lipidowych, a polarne główki cząsteczek lipidów muszą być skierowane na zewnątrz, a niepolarne łańcuchy węglowodorowe do wnętrza podwójnej warstwy lipidowej.

44 Coraz bliżej Model trójwarstwowej błony (1935) - Dowson i Danielli białka dodane do emulsji olejowo-wodnej w znacznym stopniu obniżają napięcie powierzchniowe pomiędzy wodą i kroplami oleju (napięcie takie jak w naturalnych błonach komórkowych) wniosek błony komórkowe zbudowane są symetrycznie z podwójnej warstwy lipidowej pokrytej po obu stronach warstwą białek. Model płynnej mozaiki (1972) - Singer i Nicolson białka nie tworzą warstwy na powierzchni lipidów, lecz pływają w dwuwarstwie lipidowej zanurzone w różnym stopniu. Błona wykazuje asymetrię i dynamikę.

45 Po co białka w błonie? Transportują przez błony małe cząstki (np. pompa sodowa). Utrzymują łączność pomiędzy komórkami lub z cytoszkieletem (tzw. białka wiążące) Pośredniczą w przekazywaniu informacji ze środowiska zewnętrznego do komórki poprzez związanie cząsteczki sygnałowej (indukcja zmiany w aktywności komórkowej) Są enzymami działającymi po jednej ze stron błony bądź w jej wnętrzu

46 Białka w liczbach Pomimo, że białka są cząsteczkami o różnorodnej i skomplikowanej budowie, to mają one podobny do siebie skład chemiczny: w procentowym przeliczeniu na liczbę wszystkich atomów w białku, składają się one głównie z węgla (50-55%), tlenu (20-30%), azotu (14-18%), wodoru (6-7%) i siarki (do 2%) Najobficiej występują w komórkach zwierzęcych, gdzie stanowią 10 20% masy ciała, czyli 60 80% suchej masy. U 1,2 miliona gatunków żyjących na Ziemi występuje od do różnych białek. W organizmie ludzkim znajduje się 5 milionów odrębnych białek. Ilość wody hydratacyjnej związanej z białkiem może być rzędu 0,3 0,4 g na 1 g białka Kolageny i elastyna charakteryzują się dużą wytrzymałością na rozciąganie - zerwanie włókna o średnicy 1 mm wymaga obciążenia co najmniej 10 kg