anatomia i taksonomia białek | Egzaminy Anatomia

Prof. dr hab. Mariusz Jaskólski

ANATOMIA I TAKSONOMIA BIAŁEK

Białka to liniowe polimery zbudowane z 20 naturalnych α-aminokwasów połączonych

wiązaniem amidowym (peptydowym). Łańcuch białkowy wiedzie jednoznacznie od końca

aminowego do końca karboksylowego. Jedyny wyjątek od tej liniowej topologii mogą stanowić

mostki dwusiarczkowe S-S łączące grupy boczne sąsiadujących z sobą w przestrzeni i

utlenionych reszt cysteinowych. Centralną pozycję każdej reszty aminokwasowej stanowi

tetraedryczny (hybrydyzacja sp3) atom węgla Cα połączony z czterema podstawinkami: N, CO,

H, oraz ze stanowiącym o jego indywidualności łańcuchem bocznym R. W związku z

asymetrycznym charakterem, atom Cα nadaje resztom aminokwasowym strukturę chiralną. Z

wyjątkiem glicyny, gdzie R=H, aminokwasy białkowe są optycznie czynne i posiadają

konfigurację absolutną L. Fundamentalnym dla poznania struktury przestrzennej łańcuchów

białkowych było odkrycie przez Linusa Paulinga, że ugrupowanie peptydowe jest sztywne i

płaskie. Atomy Cα sąsiednich reszt połączonych wiązaniem peptydowym znajdują się zwykle po

przeciwnych stronach linii CO—N tego wiązania. Konfiguracja ta nazywa się trans i odpowiada

wartości 180° kąta torsyjnego ω, Cα(n)—CO—N—Cα(n+1). Zdarzają się przypadki wiązań

peptydowych o konfiguracji cis, ale odnoszą się one głównie do peptydów X-P. Wiąże się to ze

specyficzną budowa proliny (P), której łańcuch boczny jest cykliczny i spina odcinek N—Cα jej

łańcucha głównego. Przegląd łańcuchów bocznych aminokwasów białkowych stanowi

kwintesencję chemii organicznej. Są tu grupy alifatyczna (małe, duże, oraz izomery),

aromatyczne, polarne, niepolarne, aminowe, kwasowe, amidowe, alkohole, tiole, (tio)estr. Natura

chemiczna grup R nadaje indywidualność poszczególnym resztom aminokwasowym, a ich

charakterystyczny układ w łańcuchu białkowym, tj. sekwencja albo struktura pierwszorzędowa,

decyduje o indywidualności struktury przestrzennej i właściwości białka.

Struktura przestrzenna białek jeszcze pod koniec lat 1940-tych stanowiła nierozwiązalną

zagadkę. Odkrycie podstawowych struktur geometrycznych, zwanych strukturami

drugorzędowymi, formowanych przez łańcuch białkowy jest zasługą Paulinga. Odkrycia tego

dokonał w 1951 r. wiedziony intuicją, na drodze rozumowania i kojarzenia faktów

stereochemicznych. Potwierdzenie doświadczalne przyszło dopiero w roku 1957, kiedy John

Kendrew rozwiązał strukturę pierwszego białka, mioglobiny. Oto przesłanki, na których Pauling

oparł swoje rozumowanie: (1) wynikająca z badań krystalograficznych wiedza o geometrii

cząsteczek aminokwasów i peptydów, (2) przekonanie o planarności grupy peptydowej, (3)

przekonanie o roli wiązań wodorowych, (4) teza o powtarzalności trwałych układów

geometrycznych. W pierwszym (α) z zaproponowanych modeli łańcuch białkowy ma postać

ciasno zwiniętej prawoskrętnej helisy, tj. wije się na kształt linii śrubowej wykorzystując 3.6

jednostki peptydowej na uformowanie jednego zwoju. „Postawiona” na N-końcu helisa α

przypomina choinkę świąteczną: czubek stanowi wolna grupa karboksylowa, łańcuchy boczne

jak gałęzie spływają ku dołowi, a grupy karbonylowe C=O jak świeczki wskazują kierunek N→C

łańcucha. W związku z takim prawidłowym ustawieniem grup peptydowych, helisa α posiada

duży moment dipolowy N(+)→C(-). Skierowane „ku górze” grupy karbonylowe są akceptorami

wiązań wodorowych od grup N-H reszt położonych o 4 jednostki łańcucha dalej: (n)C=O...H-

N(n+4). W ten sposób spełnia się postulat Paulinga o wysyceniu potencjalnych wiązań

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz anatomia i taksonomia białek i więcej Egzaminy w PDF z Anatomia tylko na Docsity!

Prof. dr hab. Mariusz Jaskólski

ANATOMIA I TAKSONOMIA BIAŁEK

Białka to liniowe polimery zbudowane z 20 naturalnych α-aminokwasów połączonych wiązaniem amidowym (peptydowym). Łańcuch białkowy wiedzie jednoznacznie od końca aminowego do końca karboksylowego. Jedyny wyjątek od tej liniowej topologii mogą stanowić mostki dwusiarczkowe S-S łączące grupy boczne sąsiadujących z sobą w przestrzeni i utlenionych reszt cysteinowych. Centralną pozycję każdej reszty aminokwasowej stanowi tetraedryczny (hybrydyzacja sp^3 ) atom węgla Cα połączony z czterema podstawinkami: N, CO, H, oraz ze stanowiącym o jego indywidualności łańcuchem bocznym R. W związku z asymetrycznym charakterem, atom Cα nadaje resztom aminokwasowym strukturę chiralną. Z wyjątkiem glicyny, gdzie R=H, aminokwasy białkowe są optycznie czynne i posiadają konfigurację absolutną L. Fundamentalnym dla poznania struktury przestrzennej łańcuchów białkowych było odkrycie przez Linusa Paulinga, że ugrupowanie peptydowe jest sztywne i płaskie. Atomy Cα sąsiednich reszt połączonych wiązaniem peptydowym znajdują się zwykle po przeciwnych stronach linii CO—N tego wiązania. Konfiguracja ta nazywa się trans i odpowiada wartości 180° kąta torsyjnego ω, Cα(n)—CO—N—Cα(n+1). Zdarzają się przypadki wiązań peptydowych o konfiguracji cis , ale odnoszą się one głównie do peptydów X-P. Wiąże się to ze specyficzną budowa proliny (P), której łańcuch boczny jest cykliczny i spina odcinek N—Cα jej łańcucha głównego. Przegląd łańcuchów bocznych aminokwasów białkowych stanowi kwintesencję chemii organicznej. Są tu grupy alifatyczna (małe, duże, oraz izomery), aromatyczne, polarne, niepolarne, aminowe, kwasowe, amidowe, alkohole, tiole, (tio)estr. Natura chemiczna grup R nadaje indywidualność poszczególnym resztom aminokwasowym, a ich charakterystyczny układ w łańcuchu białkowym, tj. sekwencja albo struktura pierwszorzędowa, decyduje o indywidualności struktury przestrzennej i właściwości białka.

Struktura przestrzenna białek jeszcze pod koniec lat 1940-tych stanowiła nierozwiązalną zagadkę. Odkrycie podstawowych struktur geometrycznych, zwanych strukturami drugorzędowymi, formowanych przez łańcuch białkowy jest zasługą Paulinga. Odkrycia tego dokonał w 1951 r. wiedziony intuicją, na drodze rozumowania i kojarzenia faktów stereochemicznych. Potwierdzenie doświadczalne przyszło dopiero w roku 1957, kiedy John Kendrew rozwiązał strukturę pierwszego białka, mioglobiny. Oto przesłanki, na których Pauling oparł swoje rozumowanie: (1) wynikająca z badań krystalograficznych wiedza o geometrii cząsteczek aminokwasów i peptydów, (2) przekonanie o planarności grupy peptydowej, (3) przekonanie o roli wiązań wodorowych, (4) teza o powtarzalności trwałych układów geometrycznych. W pierwszym (α) z zaproponowanych modeli łańcuch białkowy ma postać ciasno zwiniętej prawoskrętnej helisy, tj. wije się na kształt linii śrubowej wykorzystując 3. jednostki peptydowej na uformowanie jednego zwoju. „Postawiona” na N-końcu helisa α przypomina choinkę świąteczną: czubek stanowi wolna grupa karboksylowa, łańcuchy boczne jak gałęzie spływają ku dołowi, a grupy karbonylowe C=O jak świeczki wskazują kierunek N→C łańcucha. W związku z takim prawidłowym ustawieniem grup peptydowych, helisa α posiada duży moment dipolowy N(+)→C(-). Skierowane „ku górze” grupy karbonylowe są akceptorami wiązań wodorowych od grup N-H reszt położonych o 4 jednostki łańcucha dalej: (n)C=O...H- N(n+4). W ten sposób spełnia się postulat Paulinga o wysyceniu potencjalnych wiązań

wodorowych, a helisa α uzyskuje symbol 3.6 13 , gdyż domknięty przez oddziaływanie wodorowe cykl wiązań zawiera 13 atomów (łącznie z H).

O ile helisa α stanowi najbardziej zwartą postać łańcucha białkowego, o tyle kolejna struktura drugorzędowa zaproponowana przez Paulinga, łańcuch β, ma formę maksymalnie rozciągniętą. Pojedynczy łańcuch β spełnia wszystkie postulaty Paulinga z wyjątkiem (3): nie jest w stanie wypełnić „programu” wiązań wodorowych swoich grup donorowych N-H i akceptorowych O=C. Wiązania te zostaną jednak zrealizowane w sposób idealny pomiędzy biegnącymi równolegle sąsiednimi łańcuchami. Dwa lub więcej łańcuchów β powiązanych „w poprzek” wiązaniami wodorowymi tworzy arkusz β. Jeśli łańcuchy mają ten sam zwrot, arkusz jest równoległy, jeśli zwrot sąsiednich łańcuchów jest przeciwny, mamy antyrównoległy arkusz β. Arkusz β nie jest idealnie płaski, jest pofałdowany („plisowany”), a „wyboje” odpowiadają atomom Cα, z których na przemian w górę i w dół sterczą łańcuchy boczne. Inny rodzaj odstępstwa arkuszy od planarności stanowi ich skręcenie, w skrajnym przypadkach doprowadzające do pełnego „owinięcia” arkuszem pobocznicy walca i domknięcia systemu oddziaływań wodorowych poprzez powiązanie ostatniego łańcucha z pierwszym.

Mimo swoich gigantycznych długości, łańcuchy białkowe są monotonne jeśli idzie o liczbę opisujących je parametrów konformacyjnych. Są to powtarzające się trzy kąty torsyjne: peptydowy ω Cα-CO—N-Cα, φ CO-N—Cα-CO oraz ψ N-Cα—CO-N. W związku z planarnością kąta ω, zmienność konformacyjna dotyczy różnych wartości kątów φ i ψ związanych ze stosunkowo swobodną rotacją wokół pojedynczych wiązań N—Cα i Cα—CO. W łańcuchu białkowym ten swobodny obrót jest jednak drastycznie ograniczony, gdyż osie tych obrotów mają wspólny zwornik (Cα), co prowadzi do licznych kolizji zlokalizowanych w ich sąsiedztwie atomów. Konieczność korelacji pomiędzy tymi obrotami pierwszy systematycznie przebadał Gopalasamudram Narayana Ramachandran w 1963 roku, konstruując wykres przedstawiający sterycznie (i energetycznie) dozwolone pary kątów φ (odcięta) i ψ (rzędna). Na wykresie Ramachandrana są zasadniczo tylko dwa dozwolone obszary konformacyjne. Pierwszy odpowiada w przybliżeniu kątom φ= −60º i ψ= −60º, drugi φ= −120º i ψ= 120º. Konstruując łańcuch peptydowy w oparciu o powtarzające się kąty φ i ψ z pierwszego obszaru zbudujemy helisę α. Nietrudno zgadnąć, że kąty z drugiego obszaru definiują łańcuch β. Wykres Ramachandrana oraz rozszyfrowywane w latach 60-tych struktury kolejnych białek potwierdziły genialne odkrycie Paulinga.

Struktury drugorzędowe (a więc lokalnie zorganizowane ciągłe fragmenty sekwencji oparte na powtarzającym się motywie kątów φ i ψ oraz charakterystycznym motywie wiązań wodorowych) układają się w przestrzeni w zwartą trójwymiarową strukturę białka zwaną strukturą trzeciorzędową. W białkach oligomerycznych, aranżacja przestrzenna indywidualnych łańcuchów białkowych (podjednostek) w funkcjonalną całość nazywa się strukturą czwartorzędową. Siła napędowa dla zwijania się łańcucha białkowego w jednoznaczną i unikalną strukturę bierze się z obecności w jego sekwencji licznych reszt hydrofobowych, nie dających się pogodzić z wodnym środowiskiem cząsteczki. Zwijający się łańcuch białka globularnego ukrywa te reszty w hydrofobowym rdzeniu, a powierzchnię kontaktu z rozpuszczalnikiem dekoruje pozostałymi, hydrofilowymi grupami. Uformowanie rdzenia rozwiązuje problem reszt hydrofobowych lecz jednocześnie generuje nowy poważny problem, związany z polarnymi grupami N-H i C=O, które również muszą znaleźć się w hydrofobowym środowisku rdzenia.

dlatego ta urzekająca struktura stała się źródłem synonimu nazwy tego cylindra: TIM. W strukturze tej równoległy ośmioniciowy cylinder β ukryty jest wewnątrz wieńca utworzonego z helis. Otwarte arkusze β są zwykle rozległe i oflankowane po obu stronach helisami.

Osobną grupę tworzą małe białka składające się z mniej niż 100 reszt, z reguły niezdolne do uformowania trwałego rdzenia hydrofobowego. Ich strukturę stabilizują mostki dwusiarczkowe (np. w insulinie) lub skoordynowany jon metalu. Tę druga sytuację ilustruje grupa białek wiążących DNA, w których występuje tzw. motyw cynkowy. Klasyczny motyw cynkowy zawiera N-terminalną spinkę β oraz krótką C-terminalną helisę i stabilizowany jest jonem cynku skoordynowanym przez dwie reszty histydynowe i dwie reszty cysteinowe z odcinka zawierającego ok. 30 reszt aminokwasowych.

Postulat o jednoznaczności i trwałości zwoju białkowego ("jedna sekwencja - jedna struktura") pozwolił nam uporządkować ogrom faktów strukturalnych, dał poczucie głębokiego zrozumienia kodu genetycznego, przekładającego się w ostateczności na trwałą strukturę przestrzenną białek, oraz okazał się nieoceniony gdy idzie o wyjaśnienie ich funkcji na podstawie struktury. Najnowsze badania odsłaniają jednak przypadki wyłamujące się spod tego prostego i użytecznego kanonu. Przykładem są białka nie posiadające uporządkowanej struktury w stanie natywnym (IUP, ang. Intrinsically Unfolded Proteins) czy białka prionowe mogące oprócz formy prawidłowej przyjmować również konformację patologiczną wiązaną z odkładaniem się nierozpuszczalnych złogów amyloidowych. Osnową architektury włókien amyloidowych (formowanych przez bardzo różnorodne białka) jest tzw. poprzeczna struktura β, która może być zrealizowana jako helikalny arkusz β lub ewentualnie jako helisa β. W helikalnym arkuszu β powtarzające się monotonnie łańcuchy β są prostopadłe do osi włókna, a uformowany z nich nieskończony i skręcony helikalnie arkusz jest do tej osi równoległy. W helisie β natomiast, odcinki łańcucha β wiją się wokół osi włókna, oplatając ją na wzór linii śrubowej.

Innym przykładem przyjmowania przez jedną sekwencję polipeptydową różnych konformacji jest zjawisko wymiany domen przestrzennych, w którym łańcuchy białkowe, po częściowym rozpleceniu, odtwarzają początkową aranżację elementów struktury przestrzennej lecz w sposób nieprawidłowy, bo z elementów pochodzących z kilku cząsteczek białka. Zjawisko wymiany domen przestrzennych prowadzi do oligomeryzacji białka i może być jednym z mechanizmów agregacji amyloidowej.

anatomia i taksonomia białek, Egzaminy z Anatomia

Dokumenty powiązane

Podgląd częściowego tekstu

Pobierz anatomia i taksonomia białek i więcej Egzaminy w PDF z Anatomia tylko na Docsity!