Spojrzenie na chemię
Białka można umieścić na pierwszym miejscu w „świecie biologicznym”, ponieważ z uwagi na ich liczne funkcje nie byłoby życia bez nich.
Analiza elementarna białek daje następujące średnie wartości: 55% węgla, 7% wodoru i 16% azotu; jasne jest, że białka różnią się od siebie, ale ich średni skład pierwiastkowy odbiega niewiele od wartości wskazanych powyżej.
Konstytucyjnie białka są makrocząsteczkami utworzonymi z naturalnych α-aminokwasów; Aminokwasy łączą się poprzez wiązanie amidowe, które ustala się w reakcji między grupą aminową aminokwasu a karboksylem innego aminokwasu. To wiązanie (-CO-NH-) jest również nazywane wiązaniem peptydowym, ponieważ wiąże peptydy (kombinacje aminokwasów):
ten otrzymany jest dipeptydem, ponieważ jest utworzony przez dwa aminokwasy. Ponieważ dipeptyd zawiera wolną grupę aminową na jednym końcu (NH2) i karboksyl na drugim (COOH), może reagować z jednym lub większą liczbą aminokwasów i rozciągać łańcuch zarówno z prawej, jak iz lewej strony, z taką samą reakcją, jak powyżej.
Sekwencja reakcji (które w każdym razie nie są tak proste) może trwać w nieskończoność: dopóki nie pojawi się polimer zwany polipeptydem lub białkiem . Rozróżnienie między peptydami i białkami jest związane z masą cząsteczkową: zazwyczaj dla ciężarów cząsteczkowych większych niż 10 000 nazywane jest białkiem.
Powiązanie aminokwasów w celu uzyskania nawet małych białek jest trudną operacją, chociaż ostatnio opracowano automatyczną metodę wytwarzania białek z aminokwasów, która daje doskonałe wyniki.
Najprostsze białko składa się zatem z 2 aminokwasów: zgodnie z konwencją międzynarodową uporządkowana numeracja aminokwasów w strukturze białka rozpoczyna się od aminokwasu z wolną grupą a-aminową.
Struktura białkowa
Cząsteczki białka są tak ukształtowane, że możemy zobaczyć do czterech różnych organizacji: są one na ogół rozróżniane, struktura pierwotna, wtórna, trzeciorzędna i czwartorzędowa.
Struktury pierwotne i wtórne są niezbędne dla białek, podczas gdy struktury trzeciorzędowe i czwartorzędowe są „akcesoriami” (w tym sensie, że nie wszystkie białka mogą być wyposażone w nie).
Pierwotna struktura jest określona przez liczbę, typ i sekwencję aminokwasów w łańcuchu białkowym; konieczne jest zatem określenie uporządkowanej sekwencji aminokwasów, z których składa się białko (aby wiedzieć, że oznacza to dokładną sekwencję zasad DNA, które kodyfikują to białko), która napotyka na nieistotne trudności chemiczne.
Możliwe było określenie uporządkowanej sekwencji aminokwasów poprzez degradację Edmana: białko poddaje się reakcji z fenyloizotiocyjanianem (FITC); początkowo dublet azotu α-aminowego atakuje izotiocyjanian fenylu tworzący pochodną tiokarbamylową; następnie uzyskany produkt cyklizuje dając pochodną fenylotioidantoiny, która jest fluorescencyjna.
Edman opracował maszynę o nazwie sekwencer, która automatycznie dostosowuje parametry (czas, odczynniki, pH itp.) Do degradacji i zapewnia podstawową strukturę białek (w tym celu otrzymał nagrodę Nobla).
Pierwotna struktura nie jest wystarczająca do całkowitej interpretacji właściwości cząsteczek białka; uważa się, że te właściwości zależą w istotny sposób od konfiguracji przestrzennej, którą cząsteczki białek mają tendencję do przyjmowania, wyginając się na różne sposoby: to znaczy, przyjmując to, co zdefiniowano jako strukturę drugorzędową białek. Drugorzędowa struktura białek jest niestabilna, tj. Ma tendencję do odrzucania z powodu ogrzewania; następnie białka są denaturowane, tracąc wiele z ich charakterystycznych właściwości. Oprócz ogrzewania powyżej 70 ° C, denaturacja może być również spowodowana napromieniowaniem lub działaniem reagentów (na przykład silnych kwasów).
Denaturacja białek przez efekt termiczny jest obserwowana, na przykład, przez ogrzewanie białek jaja: widać, że traci ona swój galaretowaty wygląd i zamienia się w nierozpuszczalną białą substancję. Jednak denaturacja białek prowadzi do zniszczenia ich struktury drugorzędowej, ale pozostawia pierwotną strukturę (konkatenację różnych aminokwasów) bez zmian.
Białka przyjmują trzeciorzędową strukturę, gdy ich łańcuch, mimo że wciąż elastyczny pomimo złożenia struktury drugorzędnej, składa się, tworząc skręcony trójwymiarowy układ w postaci ciała stałego. Wiązania disiarczkowe, które można ustalić między cysteiną -SH rozproszoną wzdłuż cząsteczki, są głównie odpowiedzialne za strukturę trzeciorzędową.
Z drugiej strony struktura czwartorzędowa konkuruje tylko o białka utworzone przez dwie lub więcej podjednostek. Na przykład hemoglobina składa się z dwóch par białek (to znaczy we wszystkich czterech łańcuchach białkowych) usytuowanych w wierzchołkach czworościanu w taki sposób, że powstaje struktura o kulistym kształcie; cztery łańcuchy białkowe są utrzymywane razem przez siły jonowe, a nie przez wiązania kowalencyjne.
Innym przykładem struktury czwartorzędowej jest insulina, która wydaje się składać z aż sześciu podjednostek białkowych ułożonych w pary w wierzchołkach trójkąta w centrum, w którym znajdują się dwa atomy cynku.
BIBLIOTEKA BIAŁKA: są to białka obdarzone pewną sztywnością i posiadające oś znacznie dłuższą niż druga; najpowszechniejszym białkiem włóknistym w naturze jest kolagen (lub kolagen).
Białko włókniste może przyjmować kilka struktur drugorzędowych: α-helisa, β-ulotka i, w przypadku kolagenu, potrójna helisa; α-helisa jest najbardziej stabilną strukturą, po której następuje β-ulotka, podczas gdy najmniej stabilna z trzech jest potrójna helisa.
α-helisa
Mówi się, że śmigło jest prawoskrętne, jeśli podążając za głównym szkieletem (zorientowanym od dołu do góry) wykonywany jest ruch podobny do wkręcania śruby prawoskrętnej; podczas gdy śmigło jest lewej ręki, jeśli ruch jest analogiczny do wkręcania śruby lewoskrętnej. W prawej α-helisach podstawniki -R aminokwasów są prostopadłe do głównej osi białka i skierowane na zewnątrz, podczas gdy w lewej ręce a-helisy podstawniki -R są skierowane do wewnątrz. Prawa a-helisy są bardziej stabilne niż lewa ręka, ponieważ między kadziami -R występuje mniejsza interakcja i mniejsza przeszkoda steryczna. Cała helisa α znajdująca się w białkach jest nierozerwalna.
Struktura α-helisy jest stabilizowana przez wiązania wodorowe (mostki wodorowe), które powstają między grupą karboksylową (-C = O) każdego aminokwasu i grupą aminową (-NH), która ma cztery reszty później w sekwencja liniowa.
Przykładem białka o strukturze α-helisy jest keratyna do włosów.
β arkuszy
W strukturze β-ulotki wiązania wodorowe mogą być tworzone między aminokwasami należącymi do różnych, ale równoległych łańcuchów polipeptydowych lub między aminokwasami tego samego białka, nawet liczbowo odległymi od siebie, ale płynącymi w kierunkach przeciwrównoległych. Jednak wiązania wodorowe są słabsze niż te, które stabilizują formę α-helisy.
Przykładem struktury ulotki β jest fibryna jedwabiu (występuje również w pajęczynach).
Rozszerzając strukturę α-helisy, przeprowadza się przejście od α-helisy do β-ulotki; również ciepło lub naprężenie mechaniczne pozwalają na przejście od struktury α-helisy do struktury β-arkusza.
Zwykle w białku struktury ulotek β są blisko siebie, ponieważ można ustalić wiązania wodorowe między częściami białka.
W białkach włóknistych większość struktury białka jest zorganizowana jako α-helisa lub β-ulotka.
BIAŁKA GLOBULARNE: mają prawie sferyczną strukturę przestrzenną (ze względu na liczne zmiany kierunku łańcucha polipeptydowego); niektóre fragmenty istnienia można prześledzić wstecz do struktury α-helisy lub β-ulotki, a inne części nie są przypisywane tym formom: układ nie jest przypadkowy, ale zorganizowany i powtarzalny.
Białka, o których mowa do tej pory, są substancjami o całkowicie jednorodnej budowie: to znaczy czyste sekwencje połączonych aminokwasów; białka te są nazywane prostymi ; są białka złożone z części białkowej i części niebiałkowej (grupa prostaty) zwane białkami sprzężonymi .
kolagen
Jest to najobficiej występujące białko w naturze: występuje w kościach, paznokciach, rogówce i soczewce oka, między przestrzeniami śródmiąższowymi niektórych narządów (np. Wątroby) itp.
Jego struktura nadaje mu szczególne możliwości mechaniczne; ma dużą wytrzymałość mechaniczną związaną z dużą elastycznością (np. w ścięgnach) lub dużą sztywnością (np. w kościach) w zależności od funkcji, jaką musi spełniać.
Jedną z najciekawszych właściwości kolagenu jest jego konstytutywna prostota: tworzy się go przez około 30% przez prolinę i przez około 30% przez glicynę ; pozostałe 18 aminokwasów należy podzielić tylko na pozostałe 40% struktury białka. Sekwencja aminokwasowa kolagenu jest niezwykle regularna: co trzecia reszta, trzecia to glicyna.
Prolina jest cyklicznym aminokwasem, w którym grupa R wiąże się z azotem α-aminowym, co nadaje mu pewną sztywność.
Końcowa struktura to powtarzalny łańcuch mający kształt helisy; w łańcuchu kolagenu nie ma wiązań wodorowych. Kolagen jest lewą spiralą z krokiem (długość odpowiadająca obrotowi helisy) większą niż α-helisa; helisa kolagenu jest tak luźna, że trzy łańcuchy białkowe są w stanie zawinąć między nimi tworząc pojedynczą linę: struktura potrójnej helisy.
Potrójna helisa kolagenu jest jednak mniej stabilna niż struktura α-helisy i struktura β-ulotki.
Zobaczmy teraz mechanizm wytwarzania kolagenu ; rozważmy na przykład pęknięcie naczynia krwionośnego: temu pęknięciu towarzyszy mnóstwo sygnałów w celu zamknięcia naczynia, tworząc w ten sposób skrzep. Koagulacja wymaga co najmniej trzydziestu wyspecjalizowanych enzymów. Po skrzepie konieczne jest kontynuowanie naprawy tkanki; komórki znajdujące się blisko rany wytwarzają również kolagen. Aby to zrobić, najpierw indukowana jest ekspresja genu, czyli organizmy, które zaczynają od informacji genu, są w stanie wytwarzać białko (informacja genetyczna jest transkrybowana na mRNA pochodzącym z jądro i dociera do rybosomów w cytoplazmie, gdzie informacja genetyczna jest tłumaczona na białko). Następnie kolagen jest syntetyzowany w rybosomach (pojawia się jako lewa spirala złożona z około 1200 aminokwasów i o masie cząsteczkowej około 150000 d), a następnie gromadzi się w lumenach, gdzie staje się substratem dla enzymów zdolnych do dokonywania modyfikacji następczych -tradycyjny (modyfikacje językowe tłumaczone przez mRNA); w kolagenie modyfikacje te polegają na utlenianiu niektórych łańcuchów bocznych, zwłaszcza proliny i lizyny.
Niepowodzenie enzymów prowadzących do tych modyfikacji powoduje szkorbut: jest to choroba, która powoduje początkowo pęknięcie naczyń krwionośnych, pęknięcie zębów, po którym może nastąpić krwawienie międzyżebrowe i śmierć; może to być spowodowane ciągłym używaniem żywności o przedłużonej trwałości.
Następnie przez działanie innych enzymów zachodzą inne modyfikacje polegające na glikozydacji grup hydroksylowych proliny i lizyny (cukier wiąże się z tlenem za pomocą OH); enzymy te znajdują się na obszarach innych niż światło, dlatego podczas gdy białko ulega modyfikacjom, migruje wewnątrz retikulum endoplazmatycznego, aby skończyć w workach (pęcherzykach), które zamykają się na sobie i odłączają się od sieci: wewnątrz są zawarte glikozydowany monomer pro-kolagenowy; ten ostatni dociera do aparatu Golgiego, gdzie poszczególne enzymy rozpoznają cysteinę obecną w części karboksylowej glikozydowanego pro-kolagenu i powodują, że różne łańcuchy zbliżają się do siebie i tworzą mostki disiarczkowe: trzy łańcuchy pro glikozydowany kolagen połączony ze sobą i jest to punkt wyjściowy, z którego trzy łańcuchy, przenikając się, spontanicznie powodują potrójną helisę. Trzy glikidoksydowane łańcuchy pro-kolagenowe połączone ze sobą dosięgają, następnie pęcherzyk, który dławiąc się, odłącza się od aparatu Golgiego, transportując trzy łańcuchy w kierunku obwodu komórki, gdzie przez połączenie z błoną plazmatyczną, trimetro jest wydalany z komórki.
W przestrzeni pozakomórkowej znajdują się określone enzymy, peptydazy prokolagenowe, które usuwają z gatunku wydalonego z komórki trzy fragmenty (po jednym na każdą helisę) po 300 aminokwasów każdy, po stronie karboksylowej i trzy fragmenty (po jednym dla każdego helisa) o długości około 100 aminokwasów, z części na końcu aminowym: pozostaje potrójna helisa, składająca się z około 800 aminokwasów dla helisy znanej jako tropokolagen .
Tropokolagen ma wygląd dość sztywnego patyka; różne trimery są związane z wiązaniami kowalencyjnymi, dając większe struktury: mikrowłókna . W mikrofibrylach różne trymery są rozmieszczone w sposób rozłożony; tak wiele mikrofibryli to wiązki tropokolagenu.
W kościach, wśród włókien kolagenowych, znajdują się przestrzenie międzywęzłowe, w których osadzają się siarczany i fosforany wapnia i magnezu: sole te obejmują również wszystkie włókna; to powoduje, że kości są sztywne.
W ścięgnach przestrzenie śródmiąższowe są mniej bogate w kryształy niż kości, podczas gdy mniejsze białka są obecne w porównaniu do tropokolagenu: daje to elastyczność ścięgnom.
Osteoporoza jest chorobą spowodowaną niedoborem wapnia i magnezu, co uniemożliwia utrwalenie soli w śródmiąższowych obszarach włókien tropokolagenowych.
