21.8: Białko i struktura białka

Białka są jednymi z najobficiej występujących cząsteczek organicznych w żywych systemach i mają najbardziej zróżnicowany zakres funkcji spośród wszystkich makrocząsteczek. Białka mogą być strukturalne, regulacyjne, kurczliwe lub ochronne. Mogą służyć w transporcie, magazynowaniu lub błonach; mogą też być toksynami lub enzymami. Ich struktury, podobnie jak funkcje, są bardzo zróżnicowane. Wszystkie są jednak polimerami aminokwasów ułożonymi w sekwencji liniowej.

Kształt białka ma kluczowe znaczenie dla jego funkcji. Na przykład enzym może wiązać specyficzny substrat w jego miejscu aktywnym. Jeśli to miejsce aktywne zostanie zmienione z powodu lokalnych zmian lub zmian w ogólnej strukturze białka, enzym może nie być w stanie związać się z substratem. Aby zrozumieć, w jaki sposób białko uzyskuje swój ostateczny kształt lub konformację, musimy zrozumieć cztery poziomy struktury białka: pierwszorzędową, drugorzędową, trzeciorzędową i czwartorzędową.

Struktura pierwszorzędowa

Unikalna sekwencja aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym jest jego strukturą pierwszorzędową. Na przykład insulina, hormon trzustki, ma dwa łańcuchy polipeptydowe, A i B, połączone ze sobą wiązaniami dwusiarczkowymi. N-końcowym aminokwasem łańcucha A jest glicyna; podczas gdy aminokwasem C-końcowym jest asparagina. Sekwencje aminokwasów w łańcuchach A i B są unikalne dla insuliny.

Gen kodujący białko ostatecznie określa unikalną sekwencję każdego białka. Zmiana sekwencji nukleotydowej regionu kodującego genu może prowadzić do dodania innego aminokwasu do rosnącego łańcucha polipeptydowego, powodując zmianę struktury i funkcji białka. W anemii sierpowatokrwinkowej łańcuch β hemoglobiny ma pojedyncze podstawienie aminokwasu, powodując zmianę struktury i funkcji białka. W szczególności walina w łańcuchu β zastępuje aminokwas - kwas glutaminowy. Z powodu tej zmiany jednego aminokwasu w łańcuchu cząsteczki hemoglobiny tworzą długie włókna, które zniekształcają dwuwklęsłe lub w kształcie dysku czerwone krwinki i powodują, że przyjmują one kształt półksiężyca lub „sierpa”, co zatyka naczynia krwionośne. Może to prowadzić do niezliczonych poważnych problemów zdrowotnych, takich jak duszność, zawroty głowy, bóle głowy i bóle brzucha u osób dotkniętych tą chorobą.

Struktura drugorzędowa

Lokalne fałdowanie polipeptydu w niektórych regionach powoduje powstanie drugorzędowej struktury białka. Najbardziej powszechne są struktury helisy α i pofałdowanej płaszczyzny β. Obie struktury utrzymują swój kształt za pomocą wiązań wodorowych. Wiązania wodorowe tworzą się pomiędzy atomem tlenu w grupie karbonylowej w jednym aminokwasie i innym aminokwasem, który jest oddalony o cztery aminokwasy dalej w łańcuchu.

Każdy zwój spiralny w helisie alfa ma 3,6 reszt aminokwasowych. Grupy R polipeptydu (grupy wariantowe) wystają z łańcucha helisy α. W pofałdowanej płaszczyźnie β wiązania wodorowe między atomami w szkielecie łańcucha polipeptydowego tworzą „fałdy”. Grupy R są przyłączone do węgli i rozciągają się powyżej i poniżej fałd harmonijki. Pofałdowane segmenty są ustawione równolegle lub antyrównolegle względem siebie, a wiązania wodorowe tworzą się pomiędzy częściowo dodatnim atomem wodoru w grupie aminowej i częściowo ujemnym atomem tlenu w grupie karbonylowej szkieletu peptydowego. Struktury helisy α i pofałdowanej płaszczyzny β występują w większości białek kulistych i włóknistych i odgrywają ważną rolę strukturalną.

Struktura trzeciorzędowa

Unikalną trójwymiarową strukturą polipeptydu jest jego struktura trzeciorzędowa. Struktura ta jest częściowo spowodowana interakcjami chemicznymi zachodzącymi w łańcuchu polipeptydowym. Przede wszystkim interakcje między grupami R tworzą złożoną trójwymiarową strukturę trzeciorzędową białka. Charakter grup R w zaangażowanych aminokwasach może przeciwdziałać tworzeniu wiązań wodorowych, które opisaliśmy dla standardowych struktur drugorzędowych. Na przykład grupy R o podobnych ładunkach odpychają się, a grupy o różnych ładunkach przyciągają się (wiązania jonowe). Kiedy ma miejsce fałdowanie białka, hydrofobowe grupy R niepolarnych aminokwasów znajdują się we wnętrzu białka; podczas gdy hydrofilowe grupy R leżą na zewnątrz. Interakcje między łańcuchami bocznymi cysteiny tworzą wiązania disiarczkowe w obecności tlenu, jedynego wiązania kowalencyjnego, które tworzy się podczas fałdowania białka.

Wszystkie te interakcje, słabe i mocne, determinują ostateczny trójwymiarowy kształt białka. Kiedy białko traci swój trójwymiarowy kształt, może przestać działać.

Struktura czwartorzędowa

W naturze niektóre białka tworzą się z kilku polipeptydów lub podjednostek, a interakcja tych podjednostek tworzy strukturę czwartorzędową. Słabe interakcje między podjednostkami pomagają ustabilizować ogólną strukturę. Na przykład insulina (białko globularne) ma kombinację wiązań wodorowych i dwusiarczkowych, które powodują, że zbija się ona głównie w kształt kuli. Insulina zaczyna jako pojedynczy polipeptyd i traci pewne wewnętrzne sekwencje w obecności modyfikacji potranslacyjnej po utworzeniu wiązań dwusiarczkowych, które utrzymują razem pozostałe łańcuchy. Jedwab (białko włókniste) ma jednak strukturę pofałdowanej płaszczyzny β, która jest wynikiem wiązań wodorowych pomiędzy różnymi łańcuchami.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Proteins.

Białka to polimery aminokwasów połączone ze sobą wiązaniami peptydowymi. Większość białek składa się w określone trójwymiarowe struktury, aby pełnić swoją funkcję.

Strukturę białka dzieli się na cztery kategorie: pierwszorzędowe, drugorzędowe, trzeciorzędowe i czwartorzędowe.

Liniowa sekwencja aminokwasów w białku jest jego pierwotną strukturą. Sekwencje te są odczytywane w kolejności syntezy polimerów, od N-końca, wolnego końca aminowego, do C-końca, wolnego końca karboksylowego.

Struktury drugorzędowe powstają w wyniku wiązania wodorowego między tlenem z grupy karbonylowej jednego aminokwasu a wodorem z grupy aminowej innego aminokwasu. Typowe struktury drugorzędne obejmują α-helisy i β-plisowane prześcieradła.

Te i inne struktury łączące, takie jak zwoje β, dalej oddziałują, tworząc trójwymiarową strukturę białka, znaną jako struktura trzeciorzędowa.

Tworzenie struktury trzeciorzędowej następuje w wyniku interakcji między grupami R aminokwasów.

Grupy R o przeciwnych ładunkach mogą tworzyć wiązania jonowe, a siarka w dwóch cysteinach może tworzyć kowalencyjny mostek dwusiarczkowy. Inne czynniki przyczyniające się do tego to hydrofobowe oddziaływania między hydrofobowymi łańcuchami bocznymi i wiązania wodorowe między polarnymi łańcuchami bocznymi.

Dodatkowo niektóre białka tworzą struktury czwartorzędowe, zespoły dwóch lub więcej łańcuchów polipeptydowych. Na przykład hemoglobina jest białkiem składającym się z czterech podjednostek, dwóch α i dwóch β.

Naukowcy mogą wykorzystać strukturę białka do przewidywania jego funkcji i lokalizacji w komórce. Białka w cytoplazmie komórki mają na swojej powierzchni aminokwasy hydrofilowe, które oddziałują z wodą w cytoplazmie i mają rdzenie hydrofobowe.

Natomiast białka obecne w błonach komórkowych często mają na powierzchni aminokwasy hydrofobowe, które oddziałują z glicerofosfolipidami w błonie i mają rdzenie hydrofilowe.