Biochemia - aminokwasy i białka, Notatki z Biochemia medyczna

Pobierz Biochemia - aminokwasy i białka i więcej Notatki w PDF z Biochemia medyczna tylko na Docsity!

Aminokwasy, budowa i poziomy organizacji białek Białka to polimery zbudowane z alfa-aminokwasów. Aminokwasy - związki nieorganiczne, w których atom węgla (oznaczony jako alfa) jest połączony z dwiema grupami funkcy jnymi: karboksylową (-COOH) i aminową (-NH ) oraz atomem wodoru i podstawnikiem (R). Aktywność/czynność optyczna polega na zdolności odchylenia płaszczyzny światła spolaryzowanego o pewien kąt przez związek chiralny (np. Alfa-aminokwas). Kiedy wiązka światła spolaryzowanego przechodzi przez roztwór takiego związku chiralnego płaszczyzna światła spolaryzowanego jest zawsze prostopadła do kierunku rozchodzenia się światła. Czynność optyczną wykazują związki o budowie chiralnej , czyli takiej, w których co najmniej jeden atom węgla związany jest z 4 różnymi podstawnikami (asymetryczny atom węgla). W tym wypadku cząsteczka wy jściowa i jej lustrzane odbicie NIE SĄ identyczne (nie można ich nałożyć na siebie na drodze translacji i obrotów przestrzeni). Cząsteczki chiralne wykazują symetrię taką jak lewa i prawa dłoń. Występują w formie dwóch izomerów optycznych nazywanych enancjomerami. Enancjomery są stereoizomerami - związkami chemicznymi dla których takie same podstawniki połączone z tymi samymi atomami węgla są różnie ustawione w przestrzeni. Wszystkie aminokwasy naturalne (z wy jątkiem glicyny, w której atom węgla alfa jest związany z dwoma atomami wodoru) są związkami optycznie czynnymi. Aminokwasy wchodzące w skład białek wykazują konfigurację L.

H

2

Właściwości enancjomerów:

• aminokwasy występujące w przyrodzie należą głównie do szeregu L,
• alfa-aminokwasy o tej samej budowie chemicznej, szeregu L i D, są względem siebie enancjomerami,
• aminokwasy enancjomeryczne różnią się między sobą jedynie konfiguracją na atomie węgla alfa, wynikającą z różnego usytuowania podstawników w przestrzeni,
• enancjomery mają takie same właściwości chemiczne i fizyczne, jedynie różnią się kątem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego,
• enancjomery skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego o kąt o tej samej wartości ale w przeciwnych kierunkach,
• równomolowa mieszanina enancjomerów jest mieszaniną racemiczną, dla której sumaryczna wartość skręcalności optycznej wynosi zero. Porównanie białek fibrylarnych i globularnych I, II, III rzędowe

Białka stanowią ok. 75% suchej masy tkanek miękkich. Pełnią różne funkcje w organizmie:

• Strukturalną - kolagen, keratyna, miozyna
• Regulatorową - hormony i enzymy
• Transportową - globuliny
• Ochronną - przeciwciała
• Sygnalizacy jną - białka receptorowe, cytokiny, czynniki wzrostu Białka natywne (aktywne biologiczne) muszą mieć odpowiednią konformację (budowę przestrzenną). Konformacja zależy od kolejności aminokwasów w łańcuchu białkowym. W wyniku pofałdowania białka tworzą skomplikowane struktury przestrzenne, które wykazują odpowiedni stopień organizacji wewnętrznej. Wyróżniamy 4 poziomy organizacji białek:
• I rzędowa - sekwencja połączonych ze soba aminokwasów (od N końca do C końca) z uwzględnieniem położenia mostków disiarczkowych. Kolejność aminokwasów zapisana jest w postaci sekwencji nukleotydów w DNA - informacji genetycznej, która jest przepisywana na mRNA w procesie transkrypcji a następnie odczytywana podczas syntezy białka w rybosomach. Organizacje przestrzenne i funkcje białek Konformacja natywna białka stanowi formę najbardziej stabilną termodynamicznie w środowisku naturalnym organizmu lub w środowisku odpowiadającym warunkom naturalnym, ale znajdującym się poza organizmem.
  • II rzędowa - dotyczy regularnego pofałdowania w przestrzeni łańcucha białkowego. Wyróżnia się dwie struktury II rzędowe: alfa-helisę i beta-harmonijkę.
    • alfa-helisa - płaszczyzny wiązań peptydowych układają się spiralnie stycznie do hipotetycznego walca w taki sposób, ze reszty aminokwasowe są ściśle upakowane a podstawniki skierowane są na zewnątrz helisy. Stabilizowana jest wieloma wiązaniami wodorowymi (miedzy atomami tlenu grupy karbonylowej jednego wiązania peptydowego a grupą aminową czwartego z kolei wiązania peptydowego) biegnącymi równolegle do osi helisy. Jest głównie prawoskrętna (ze względu na usytuowanie przestrzenne podstawników w alfa-aminokwasach). Struktura ta charakteryzuje się dużą regularnością. Prolina występuje TYLKO na końcach alfa-helisy.

• beta-harmonijka - jest bardziej rozciągnięta w porównaniu z alfa-helisą. Z powodu większych odległości między ułożonymi liniowo resztami aminokwasowymi nie może utworzyć się wiązanie wodorowe w obrębie tego samego łańcucha. Stabilizujące tutaj wiązania wodorowe powstają między sąsiednimi odcinkami łańcuchów białkowych biegnącymi równolegle względem siebie. Struktura ta może być równoległa bądź antyrównoległa. Równoległa - przylegające do siebie rejony polipeptydowe ułożone są w tym samym kierunku co oznacza ze na końcu obu łańcuchów znajdują się te same grupy funkcy jne związane z atomami węgla alfa. Grupy aminowe po jednej stronie a grupy karboksylowe po drugiej stronie łańcuchów. MNIEJ STABILNA NIŻ ANTYRÓWNOLEGŁA. Antyrównoległa - na końcach łańcuchów polipeptydowych znajdują się różne grupy funkcy jne tzn. Grupa aminowa pochodząca od jednego łańcucha i grupa karboksylowa na końcu łańcucha sąsiedniego znajdują się po tej samej stronie.
• III rzędowa - dotyczy ułożenia przestrzennego i wzajemnego oddziaływania domen polipeptydowych w cząsteczce białka. Stabilizują ją wiązania disiarczkowe, wodorowe, jonowe, hydrofobowe oraz oddziaływania van der Vaalsa.
• IV rzędowa - odnosi się do białka złożonego z kilku podjednostek białkowych (łańcuchów). Wyróżnia się homo- lub heteromery w zależności od tego czy składają się z takich samych czy różnych jednostek.

W wyniku oddziaływań hydrofobowych między niepolarnymi grupami aminokwasów tworzących strukturę I rzędową molekuły wody są wypychane na zewnątrz dzięki czemu wewnątrz białka tworzy się środowisko niepolarne. Zewnętrzna powierzchnia białka zbudowana jest z aminokwasów posiadających grupy polarne i zjonizowane , które oddziałują z polarnym środowiskiem wodnym. Efektem jest fałdowanie się białka. Wnętrze zwiniętego białka jest hydrofobowe. Na zewnętrznej jego powierzchni tworzy się powłoka hydratacy jna (hydrofilowe grupy reszt aminokwasowych oddziałują z polarnymi cząsteczkami wody, które tworzą taką powłokę). Te wzajemne oddziaływania elektrostatyczne umożliwiają rozpuszczenie cząsteczki białka w środowisku wodnym. Wpływ przestrzennej struktury białek na ich aktywność - denaturacja białek Denaturacja jest to nagłe, niekontrolowane rozfałdowanie białka , następstwem czego jest zniszczenie struktury drugo- trzecio- czwartorzędowej. Podczas denaturacji zostają rozerwane wiązania wodorowe i disiarczkowe stabilizujące konformację białka natywnego. W wyniku zmiany struktury przestrzennej następuje utrata aktywności biologicznej białka. Czynniki denaturujące: ✓ (^) chemiczne - mocznik, SDS, 2-ME, etanol, metanol, wysokie lub niskie pH ✓ (^) termiczne Denaturacja może być odwracalna lub nieodwracalna.

Kości (apatyt) - zbudowane z wapnia (fosforanu wapnia) + kolagen Tropokolagen - podstawowa jednostka strukturalna kolagenu Kolagen Krótka charakterystyka:

• kolagen to białko tkanki łącznej, ma strukturę włóknistą, stanowi ok 1/3 wszystkich białek w organizmie człowieka.
• Tworzy nierozpuszczalne w wodzie włókna charakteryzujące się dużą elastycznością i wytrzymałością.
• Włókna kolagenowe występują w skórze, kościach, zębach, ścięgnach, chrząstkach, budują elementy podporowe narządów. Struktura pierwszorzędowa kolagenu charakteryzuje się bardzo dużą regularnością - prawie co trzecim aminokwasem w jej łańcuchu jest glicyna. Występuje w niej też hydroksyprolina i hydroksylizyna, które nie występują w innych białkach. Aminokwasy te powstają w procesie hydroksylacji, w którym występuje witamina C, a więc do prawidłowej budowy kolagenu niezbędna jest obecność witaminy C.

Nieprawidłowe fałdowanie się białek prowadzi do powstania włókien amyloidowych Amyloidozy - zmiany patologiczne (=choroby) Konformacja białka - dlaczego jest ważna (białka globularne) W pofałdowaniu pomagają białka chaperonowe (molekularni opiekunowie) - jest to ich podstawowa funkcja. Chaperony wiążąc się do części niesfałdowanych lub częściowo sfałdowanych białka zapobiegają jego agregacji , która jest procesem niepożądanym. Dzięki temu umożliwiają właściwe fałdowanie kolejnych łańcuchów aminokwasowych. Energia wewnętrzna osiąga najwyższą wartość w przypadku braku pofałdowania. Podczas procesu fałdowania energia maleje i osiąga wartość minimalną dla cząsteczki o konformacji natywnej. Białko może ulec niekontrolowanemu rozfałdowaniu przez co energia takiej cząsteczki wzrasta. Jest to stan termodynamicznie niekorzystny i nietrwały - w tych warunkach cząsteczka zostaje niekontrolowanie pofałdowana a później ulega agregacji co prowadzi do tworzenia oligomerów, agregatów i włókien amyloidowych. Mają one też możliwość zmiany konformacji białek , w których występują nienatywne wiązania poprzez rozfałdowanie nieprawidłowo pofałdowanego białka. Przykładami białek chaperonowych są: izomeraza dwusiarczkowa i izomeraza cis-trans-prolilowa

Konformacja hemoglobiny Hemoglobina nieutlenowana forma T Hemoglobina utlenowana forma R Jedna przyłączona do tlenu podjednostka ułatwia przyłączanie się tlenu do następnych podjednostek Hemoglobina i mioglobina Właściwości hemoglobiny i mioglobiny:

Hemoglobina transportuje tlen z płuc do tkanek, natomiast mioglobina magazynuje tlen w mięśniach. Hemoglobina składa się z czterech podjednostek - , jest więc białkiem o strukturze IV-rzędowej, mioglobina jest zbudowana z jednej podjednostki a, ma strukturę Ill-rzędową. Każda podjednostka hemoglobiny zawiera jedną cząsteczkę hemu, z których każda może przyłączyć jedną cząsteczkę tlenu. Hemoglobina maksymalnie może przyłączyć cztery cząsteczki O, natomiast mioglobina tylko jedną. Mioglobina wykazuje większe powinowactwo do tlenu niż hemoglobina. Powinowactwo hemoglobiny do tlenu zależy od pH, dla mioglobiny wiązanie tlenu jest pH niezależne. Wiązanie tlenu z hemoglobiną jest kooperatywne, tzn. że związanie cząsteczki O przez grupę hemową jednej podjednostki ułatwia wiązanie kolejnych cząsteczek tlenu z grupami hemowymi innych podjednostek. Hemoglobina oprócz O przenosi również cząsteczki CO a mioglobina nie tworzy połączeń z CO

&c Ba

2 2 2 2

Stopień utlenienia jonu żelaza w hemoglobinie Deoksyhemoglobina (nieutlenowana) Oksyhemoglobina (utlenowana) Karboksyhemoglobina - stały kompleks hemoglobiny z dwutlenkiem węgla Methemoglobina - żelazo na +3 stopniu utlenienia (nie przyłącza tlenu) Funkcją mioglobiny jest magazynowanie tlenu, który zostaje oddawany do tkanek podczas większego zapotrzebowania na tlen np. w czasie wysiłku fizycznego.