białka
Białka, proteiny — organiczne związki chemiczne zbudowane z aminokwasów połączonych wiązaniem peptydowym w nierozgałęzione polimery (łańcuchy polipeptydowe) (tzw. białka proste) bądź polipeptydów z dodatkowymi składnikami niebiałkowymi (np. sacharydami, sterydami, resztami kwasu fosforowego) (tzw. białka złożone). Większość białek rozpuszcza się w wodzie (białka globularne); niektóre są nierozpuszczalne (białka fibrylarne). Białka są związkami optycznie czynnymi, skręcającymi płaszczyznę światła spolaryzowanego w lewo (obecność L-aminokwasów). Ulegają denaturacji pod wpływem podwyższonej temperatury lub substancji chemicznych; w wyniku hydrolizy enzymatycznej, kwasowej lub zasadowej rozkładają się do aminokwasów. Białka występują powszechnie we wszystkich żywych organizmach, gdzie są odpowiedzialne za budowę komórek i tkanek (białka strukturalne), regulację i koordynację procesów życiowych (białka enzymatyczne i hormonalne), transport substancji (białka transportowe), komunikację komórkową (białka receptorowe), ruch (białka kurczliwe i motoryczne) oraz obronie organizmu przez patogenami (białka odpornościowe).
Występowanie białek w przyrodzie
Białka są substancjami chemicznymi występującymi powszechnie we wszystkich żywych organizmach (bakteriach, protistach, grzybach, roślinach i zwierzętach) i wirusach. Białka cechują się wysoką specyficznością gatunkową, co oznacza, że ich liczba i struktura różni się u poszczególnych gatunków, a zróżnicowanie to świadczy w dużej mierze o ich ewolucyjnym pokrewieństwie. Organizmy żywe, zależnie od stopnia złożoności, posiadają od tysiąca do miliona różnych białek. Ich ilość, rodzaj i rozmieszczenie warunkowane jest z kolei przez typ komórek występujących w obrębie organizmu, np. komórki mięśniowe zawierają duże ilości białek kurczliwych i motorycznych odpowiedzialnych za ruch (aktyny i miozyny).
Białka występują:
- w nasionach roślin, np. nasionach roślin strączkowych (globuliny), nasionach roślin oleistych (albuminy), ziarniakach zbóż i innych gatunków traw (prolaminy, gluteliny);
- w płynach ustrojowych organizmu – osoczu krwi (albuminy, globuliny, lipoproteiny), mleku (kazeina, albuminy, globuliny), ślinie (np. mucyny, laktoferyna, lizozym);
- białku jaj (albuminy, np. owoalbumina; glikoproteiny, np. owomukoid, owomucyna, awidyna), żółtku jaj (fosfoproteiny, np. witelina, fosfityna) i ikrze ryb (ichtulina);
- w hemolimfie bezkręgowców i krwinkach czerwonych kręgowców (erytrocytach) (chromoproteiny, np. hemocyjanina, hemoerytryna, chlorokruoryna, hemoglobina);
- w błonach komórek roślinnych i zwierzęcych (glikoproteiny, np. białka receptorowe, substancje grupowe krwi; lipoproteiny, np. białka transportujące lipidy);
- w jądrze komórkowym komórek eukariotycznych (histony), kapsydach cząstek wirusowych, komórkach bakterii, jądrze i cytoplazmie eukariontów (nukleoproteiny);
- w cytoplazmie komórek eukariotycznych (dyneiny, kinezyny – powinowactwo do mikrotubul cytoszkieletu i wypustek cytoplazmatycznych – rzęsek i wici);
- w kurczliwych włóknach występujących w cytoplazmie komórek mięśni szkieletowych i mięśnia sercowego (tzw. miofibrylach) (aktyna, miozyna);
- w skórze, ścięgnach, więzadłach, chrząstkach, kościach, krążkach międzykręgowych, naczyniach krwionośnych, rogówce oka (skleroproteiny – kolageny);
- w wytworach naskórka i skóry właściwej (włosach, paznokciach, pazurach, kopytach, racicach, piórach, łuskach, rogach) (skleroproteiny – keratyny).
- w komórkach plemnikowych ryb (protaminy, np. salmina w plemnikach łososia, klupeina w plemnikach śledzia, cyprynina w plemnikach karpia);
- we włóknach jedwabiu naturalnego wytwarzanych przez jedwabnika morwowego oraz niciach przędnych wytwarzanych przez pająki (fibroina, serycyna);
Synteza białek odbywa się na drodze translacji (biosyntezy białka) przy udziale rybosomów. Proces ten polega na „tłumaczeniu” informacji genetycznej zapisanej w mRNA na sekwencję aminokwasów przez tRNA, która wykorzystywana jest następnie przez przyłączone do mRNA rybosomy (kompleks translacyjny) do odpowiedniego ułożenia aminokwasów w łańcuchach polipeptydowych i utworzenia cząsteczki białka. Bakterie i rośliny samodzielnie wytwarzają wszystkie podstawowe aminokwasy białkowe; u zwierząt konieczne jest pobieranie części niezbędnych aminokwasów wraz z pożywieniem (tzw. aminokwasów egzogennych).
Właściwości fizyczne białek
Aminokwasy białkowe są substancjami krystalicznymi, cechującymi się stosunkowo dobrą rozpuszczalnością w rozpuszczalnikach polarnych (np. wodzie, etanolu</a>); są nierozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych (np. benzenie, heksanie, eterze). Cechą charakterystyczną aminokwasów są wysokie temperatury topnienia (> 473 K, 200°C). Aminokwasy aromatyczne (tryptofan, tyrozyna, histydyna, fenyloalanina) pochłaniają promieniowanie ultrafioletowe (UV), wykazując maksima absorbcji przy długości fali 280 nm. Wszystkie aminokwasy (z wyj. glicyny) zawierają w cząsteczce asymetryczny (chiralny) atom węgla (węgiel α), dzięki czemu są związkami optycznie czynnymi. Większość aminokwasów obecnych w przyrodzie stanowią enancjomery lewoskrętne (L-aminokwasy); u niektórych bakterii i grzybów często występują również enancjomery prawoskrętne (D-aminokwasy, np. D-alanina, D-kwas glutaminowy).
Większość białek rozpuszcza się w wodzie, tworząc układy koloidalne (tzw. zole białkowe) (białka globularne, np. albuminy, globuliny, histony); niektóre są nierozpuszczalne (białka fibrylarne, np. keratyna, kolagen). Część białek dobrze rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych (np. 70% etanolu) (prolaminy), rozcieńczonych kwasach i zasadach (gluteliny) oraz rozcieńczonych roztworach soli (albuminy, globuliny). Układy koloidalne białek osocza krwi wywierają ciśnienie osmotyczne (tzw. ciśnienie onkotyczne). Białka są wrażliwe na działanie czynników denaturujących (np. podwyższonej temperatury). Białka, jako cząsteczki obdarzone ładunkiem, są zdolne do poruszania się w polu elektrycznym (tzw. elektroforeza). Są związkami optycznie czynnymi (L-aminokwasy), wykazują wysoki współczynnik załamania światła oraz absorbują promieniowanie ultrafioletowe (UV) (aminokwasy aromatyczne).
Budowa i właściwości chemiczne białek
Białka (proteiny) są wielkocząsteczkowymi związkami organicznymi o masie cząsteczkowej wyższej niż 10 kDa, zbudowanymi głównie z pierwiastków biogennych – węgla (C), tlenu (O), azotu (N), wodoru (H), siarki (S) i fosforu (P) oraz atomów metali, np. miedzi (Cu), żelaza (Fe), cynku (Zn), wapnia (Ca), magnezu (Mg). Wszystkie białka zbudowane są z 20 aminokwasów połączonych wiązaniem peptydowym w nierozgałęzione polimery (peptydy). Do łańcuchów polipeptydowych mogą być także dołączone składniki niebiałkowe (tzw. grupy prostetyczne) (np. oligosacharydy, sterydy, kwasy tłuszczowe, reszty kwasu fosforowego, jony metali).
Aminokwasy białkowe
Większość aminokwasów białkowych składa się z asymetrycznego atomu węgla (węgla α), z którym połączone są cztery różne podstawniki: grupa aminowa (–NH₂), grupa karboksylowa (–COOH), atom wodoru (H) i zmienna grupa R (tzw. łańcuch boczny aminokwasu). Cząsteczka glicyny posiada dwa atomy wodoru przyłączone do węgla α. Wiązania peptydowe tworzą się pomiędzy grupą aminową jednego i grupą karboksylową drugiego aminokwasu (–CO–NH–), czemu towarzyszy uwolnienie cząsteczki wody (dehydratacja). Powstałe polipeptydy składają się z powtarzalnej sekwencji atomów (tzw. szkieletu polipeptydowego), od którego odchodzą różne łańcuchy boczne (R); na jednym z końców łańcucha znajduje się wolna grupa aminowa (tzw. N-koniec), natomiast na drugim z końców – wolna grupa karboksylowa (tzw. C-koniec).
Aminokwasy białkowe, w zależności od charakteru i właściwości łańcuchów bocznych (R), zróżnicowane są na następujące grupy:
- aminokwasy hydrofobowe posiadające niepolarne łańcuchy boczne – glicyna (Gly), walina (Val), leucyna (Leu), izoleucyna (Ile), alanina (Ala), metionina (Met), prolina (Pro), fenyloalanina (Phe), tryptofan (Trp);
- aminokwasy hydrofilowe z polarnymi łańcuchami bocznymi – seryna (Ser), treonina (Tre), cysteina (Cys), tyrozyna (Tyr), asparagina (Asn), glutamina (Gln);
- aminokwasy zasadowe z ujemnie naładowanymi łańcuchami bocznymi – lizyna (Lys), arginina (Arg), histydyna (His);
- aminokwasy kwasowe z dodatnio naładowanymi łańcuchami bocznymi – kwas asparaginowy (Asp), kwas glutaminowy (Glu).
Organizm kręgowców (w tym człowieka) jest w stanie syntetyzować część aminokwasów (tzw. aminokwasy endogenne) – alaninę (Ala), asparaginę (Asn), cysteinę (Cys), glicynę (Gly), glutaminę (Gln), kwas asparaginowy (Asp), kwas glutaminowy (Glu), prolinę (Pro), serynę (Ser) i tyrozynę (Tyr). Pozostałe aminokwasy (tzw. aminokwasy egzogenne) – arginina (Arg), fenyloalanina (Phe), histydyna (His), izoleucyna (Ile), leucyna (Leu), lizyna (Lys), metionina (Met), treonina (Tre), tryptofan (Trp) i walina (Val) – pobierane są wraz z pożywieniem.
Struktura przestrzenna cząsteczki białka
Cząsteczki białka składają się z jednego lub większej ilości wielkocząsteczkowych łańcuchów polipeptydowych poskręcanych i zwiniętych w ściśle określoną trójwymiarową strukturę przestrzenną (tzw. konformację) stabilizowaną przez różnego rodzaju wiązania chemiczne (kowalencyjne i niekowalencyjne) i oddziaływania międzycząsteczkowe. Białka składające się z pojedynczych łańcuchów polipeptydowych posiadają trzy poziomy organizacji strukturalnej cząsteczki, zaś białka wielołańcuchowe – cztery poziomy organizacji strukturalnej cząsteczki.
W strukturze przestrzennej cząsteczek białkowych wyróżnia się cztery poziomy organizacji:
- struktura pierwszorzędowa białka – określona przez sekwencję (kolejność ułożenia) aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym; struktura stabilizowana przez wiązania peptydowe między aminokwasami (ewentualnie mostki disiarczkowe); determinuje struktury wtórne białka (drugo-, trzecio- i czwartorzędową);
- struktura drugorzędowa białka – określona przez przestrzenne ułożenie łańcucha polipeptydowego bez uwzględnienia łańcuchów bocznych aminokwasów; struktura stabilizowana przez wiązania wodorowe między atomami szkieletu polipeptydowego; np. α-helisa (keratyna, miozyna); β-harmonijka (fibroina, rdzeń białek globularnych);
- struktura trzeciorzędowa białka – określona przez przestrzenne ułożenie łańcucha polipeptydowego z uwzględnieniem łańcuchów bocznych aminokwasów; struktura stabilizowana przez oddziaływania pomiędzy łańcuchami bocznymi aminokwasów (wiązania wodorowe, wiązania jonowe, mostki disiarczkowe, siły van der Waalsa); np. struktura kolista (białka globularne), struktura włóknista (białka fibrylarne);
- struktura czwartorzędowa białka – określona przez wzajemne ułożenie dwóch lub większej ilości łańcuchów polipeptydowych; struktura stabilizowana przez wiązania wodorowe, mostki disiarczkowe, wiązania jonowe; obecna wyłącznie w białkach wielołańcuchowych (np. hemoglobinie, transtyretynie, kolagenie).
Białko posiadające strukturę czwartorzędową jest funkcjonalną makrocząsteczką zbudowaną z kilku łańcuchów polipeptydowych (tzw. podjednostek białkowych), z których każdy cechuje się określoną strukturą I-, II- i III-rzędową. Hemoglobina składa się z czterech podjednostek białkowych – dwóch łańcuchów α i dwóch łańcuchów β o α-helikalnej strukturze II-rzędowej, z których każdy zawiera niebiałkową cząsteczkę hemu z atomem żelaza wiążącym tlen.
Właściwości chemiczne białek
Aminokwasy białkowe występują w roztworze wodnym w postaci zjonizowanych cząsteczek dwubiegunowych (jonów obojnaczych) posiadających dodatnio naładowaną grupę – NH₃+ oraz ujemnie naładowaną grupę –COO¯. Białka, w zależności od pH roztworu, zachowują się jak kwasy (w roztworach zasadowych) lub zasady (w roztworach kwaśnych); w wyniku ich reakcji z mocnymi zasadami lub kwasami dochodzi do zobojętnienia naładowanych końców.
Białka strącają się w postaci osadów z roztworów wodnych pod wpływem soli, np. chlorku sodu, NaCl; siarczanu (VI) sodu, Na₂SO₄; siarczanu (VI) amonu, (NH₄)₂SO₄ (tzw. wysalanie). Proces ten polega na niszczeniu otoczki hydratacyjnej stabilizującej białko i zmniejszeniu jego rozpuszczalności w wodzie; zachodzi najłatwiej przy pH roztworu odpowiadającym punktowi izoelektrycznemu białka, które występuje w nim wyłącznie w postaci jonów obojnaczych.
Białka ulegają denaturacji pod wpływem wysokiej temperatury, promieniowania i substancji chemicznych (stężonych kwasów, zasad i alkoholi, soli metali ciężkich, roztworu mocznika, roztworu chlorku guanidyny, detergentów). Denaturacja prowadzi do rozerwania wiązań stabilizujących strukturę trzeciorzędową (wiązań wodorowych, mostków disiarczkowych), czego skutkiem jest jej nieodwracalne zniszczenie i utrata właściwości biologicznych białka.
Białka rozkładają się do aminokwasów w wyniku hydrolizy enzymatycznej, kwasowej lub zasadowej. Proces hydrolizy enzymatycznej jest procesem stopniowego rozkładu białka do prostszych cząsteczek (polipeptydów, oligopeptydów, dipeptydów, aminokwasów) pod wpływem enzymów proteolitycznych, tzw. proteaz (np. pepsyny, trypsyny, chymotrypsyny). Hydroliza białek w wyniku ogrzewania z kwasami i zasadami może prowadzić do częściowego lub całkowitego rozkładu aminokwasów (np. tryptofanu, seryny, treoniny, argininy, cysteiny).
Rodzaje białek
Cząsteczki białkowe klasyfikowane są z uwzględnieniem zróżnicowanych kryteriów biorących pod uwagę ich pochodzenie (np. białka wirusowe, białka bakteryjne, białka roślinne, białka zwierzęce) bądź miejsce ich występowania w organizmach żywych (np. białka osocza, białka mleka, białka mięśniowe, białka błonowe). Najważniejsze systemy ich klasyfikacji skupiają się jednak głównie na właściwościach fizycznych, strukturze przestrzennej i składzie chemicznym cząsteczki oraz szeregu różnorodnych funkcji pełnionych przez białka w organizmach żywych.
Białka, w zależności od właściwości fizycznych i kształtu cząsteczki, zróżnicowane są na:
- białka włókienkowe (fibrylarne) – białka złożone z liniowo rozciągniętych łańcuchów polipeptydowych stabilizowanych wiązaniami kowalencyjnymi; nierozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli; odporne na oddziaływanie substancji chemicznych (kwasów, zasad, proteaz), np. keratyna, kolagen, fibroina, miozyna;
- białka kuliste (globularne) – białka złożone z pofałdowanych i zwiniętych łańcuchów polipeptydowych tworzących zwartą, kulistą strukturę (tzw. globulę) stabilizowaną przez wiązania kowalencyjne; rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli; np. albuminy, globuliny, protaminy, histony, glikoproteiny, fosfoproteiny.
Białka, w zależności od składu chemicznego cząsteczki, zróżnicowane są na:
- białka proste (czyste) – cząsteczki białkowe składające się wyłącznie z aminokwasów;
o albuminy (np. albumina osocza, laktoalbumina, owoalbumina),
o globuliny (np. proteazy, γ-globuliny, tzw. immunoglobuliny),
o histony (np. H1, H2a, H2b, H3, H4)
o protaminy (np. salmina, klupeina, cyprynina),
o prolaminy (np. gliadyna, hordeina, awenina, zeina);
o gluteliny (np. glutenina);
o skleroproteiny (np. keratyny, kolageny);
- białka złożone (skoniugowane) – białka składające się z aminokwasów i składników niebiałkowych (tzw. grup prostetycznych);
o glikoproteiny (grupa prostetyczna – sacharydy) (mukopolisacharydy, mucyny, owomukoid,
owomucyna, awidyna, substancje grupowe krwi);
o lipoproteiny (grupa prostetyczna: sterydy, kwasy tłuszczowe) (lipoproteiny o wysokiej gęstości, HDL;
lipoproteiny o niskiej gęstości, LDL);
o nukleoproteiny (grupa prostetyczna: kwasy nukleinowe) (nukleohistony, nukleoprotaminy,
rybonukleoproteiny);
o fosfoproteiny (grupa prostetyczna: reszty kwasu fosforowego) (kazeina, witelina, fosfityna, ichtulina);
o chromoproteiny (grupa prostetyczna: barwniki) (cytochromy, fitochromy, hemoglobina, mioglobina,
chlorokruoryna, hemocyjanina, flawoproteiny);
o metaloproteiny (grupa prostetyczna: atomy metali, np. miedzi, cynku, żelaza, wapnia, magnezu,
molibdenu) (transferyna, ceruloplazmina).
Białka można również klasyfikować pod względem wartości odżywczej rozumianej jako zawartość niezbędnych aminokwasów egzogennych. Podział ten wyróżnia białka doborowe (pełnowartościowe), w których obecne są wszystkie aminokwasy egzogenne (np. albuminy, kolagen, białka mleka, białka jaja kurzego), i białka niedoborowe (niepełnowartościowe), w których brakuje jednego lub większej ilości aminokwasów egzogennych (np. żelatyna).
Znaczenie biologiczne białek
Białka, proteiny (gr. proteios – pierwszy, najważniejszy), zgodnie z nazwą zaproponowaną przez szwedzkiego chemika Jönsa Jacoba Berzeliusa w 1883 r., stanowią najważniejszą grupę substancji organicznych występujących we wszystkich żywych organizmach. Makrocząsteczki te są niezwykle istotnymi składnikami komórek, tkanek i płynów ustrojowych organizmu oraz odgrywają kluczową rolę we wszystkich procesach biologicznych zachodzących w przyrodzie.
Białka, ze względu na funkcję biologiczną, zróżnicowane są na:
- białka strukturalne – odpowiedzialne za budowę komórek i tkanek (np. kolagen, elastyna, keratyna, mukopolisacharydy);
- białka enzymatyczne – odpowiedzialne za regulację metabolizmu (selektywne przyspieszanie reakcji chemicznych) (np. amylazy, proteazy);
- białka hormonalne – odpowiedzialne za regulację i koordynację procesów życiowych (np. insulina, glukagon, wazopresyna, kortykotropina);
- białka transportowe – odpowiedzialne za transport jonów i substancji chemicznych (np. hemoglobina, albumina osocza, lipoproteiny HDL i LDL);
- białka zapasowe – odpowiedzialne za gromadzenie aminokwasów (np. kazeina mleka; albuminy, globuliny, prolaminy i gluteliny w nasionach; owoalbumina białka jaj);
- białka receptorowe – odpowiedzialne za przenoszenie, odbiór i odpowiedź komórki na sygnały zewnątrzkomórkowe (np. glikoproteiny błonowe, czynniki transkrypcyjne);
- białka kurczliwe i motoryczne – odpowiedzialne za skurcze włókien w komórkach mięśniowych (aktyna, miozyna) bądź ruchy wici i rzęsek (dyneiny, kinezyny);
- białka buforowe – odpowiedzialne za regulację ciśnienia osmotycznego i utrzymanie odpowiedniego pH w płynach ustrojowych organizmu (np. albuminy);
- białka odpornościowe – odpowiedzialne za obronę organizmu przed wnikaniem drobnoustrojów chorobotwórczych (patogenów) (np. immunoglobuliny).
Ogromne zróżnicowanie funkcji pełnionych przez białka wynika głównie ze skomplikowanej struktury ich cząsteczki (struktury drugo-, trzecio- i czwartorzędowej), determinowanej przez sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym (czyli strukturę pierwszorzędową). Organizacja przestrzenna cząsteczek białkowych umożliwia rozpoznawanie i wiązanie innych cząsteczek, co w głównej mierze warunkuje ich funkcjonowanie oraz spełnianie określonej roli biologicznej w organizmie (np. wiązanie substratu do miejsca aktywnego enzymu).