Psychole i schizy

AGA · Gość

Aminokwasy:

Wyodrębniając grupę związków zwanych aminokwasami mamy na myśli przede wszystkim aminokwasy tworzące białka - a więc a-aminokwasy. Biorąc pod uwagę kryteria czysto chemiczne, do aminokwasów zaliczamy wszystkie związki posiadające w swojej strukturze zarówno grupę aminową jak i karboksylową. Konsekwencją tego faktu jest możliwość oddziaływań, czy wręcz reakcji zachodzących w obrębie jednej cząsteczki, posiadającej kwasowa grupę karboksylową i zasadową grupę aminową. Możliwe są oczywiście także oddziaływania międzycząsteczkowe tych grup, pochodzących z różnych cząsteczek.

Reakcje chemiczne, jakim ulegają aminokwasy są zgodne z oczekiwaniami dla związku zawierającego karboksyl, jak również dla aminy. Właściwości fizyczne i fizykochemiczne już jednak zaskakują. Aminokwasy są krystalicznymi ciałami stałymi, choć oczekiwalibyśmy raczej cieczy. Dość dobrze rozpuszczają się w wodzie, nie rozpuszczając się prawie w rozpuszczalnikach niepolarnych. Wyznaczona kwasowość jest wielokrotnie słabsza od mocy innych kwasów karboksylowych choć ze względu na obecność grupy aminowej w pozycji a do karboksylu oczekiwać raczej należało zwiększenia kwasowości. Wszystkie te i inne właściwości są wynikiem oddziaływania chemicznego między zasadową grupą aminową i kwasową grupą karboksylową.

Najbardziej spektakularnym objawem posiadania przez cząsteczkę aminokwasu dwóch grup o przeciwstawnym działaniu jest występowanie tzw. punktu izoelektrycznego. Cząsteczka aminokwasu w środowisku silnie kwaśnym (niskie pH) będzie występować jako sól amonowa (NH3+), zaś dysocjacja grupy karboksylowej w tych warunkach będzie całkowicie cofnięta. Na przykład kwas o stałej dysocjacji 10-7 w środowisku o pH=2 będzie zdysocjowany zaledwie w 0,00001%. W tych warunkach natomiast nastąpi silne protonowanie grupy aminowej do NH3+, co pozwala uznać, że w środowisku silnie kwaśnym cząsteczki aminokwasu występują w postaci dodatniego jonu.

W przypadku, gdy aminokwas znajdzie się w roztworze o charakterze silnie zasadowym (wysoka wartość pH, np. pH=12), dysocjacja kwasowa dla tego samego kwasu będzie niemal całkowita. Zatem w tych warunkach aminokwas będzie występował w postaci anionu reszty kwasowej.

Jest rzeczą oczywistą, że istnieje między tymi skrajnymi wartościami pH taka wartość, przy której dysocjacja grupy karboksylowej i protonowanie grupy aminowej będzie identyczne. W roztworze o takim pH aminokwas będzie występował głównie w postaci jonu obojnaczego - cząsteczka będzie miała ładunek ujemny na tlenie zdysocjowanego karboksylu (–COO-) i dodatni na protonowanej grupie aminowej (NH3+). W konkretnym momencie w takim roztworze będą istniały głównie jony obojnacze i pewna ilość cząsteczki obojętnych, niezdysocjowanych i roztwór będzie zachowywał się tak, jakby wszystkie cząsteczki były elektrycznie obojętne. Takie pH roztworu nazywamy punktem izoelektrycznym danego aminokwasu (ogólnie cząsteczki o charakterze kwasowo-zasadowym) a wartość tego pH wyznacza stosunek wartości stałej dysocjacji karboksylu i stałej dysocjacji grupy aminowej danego związku.

W roztworach o pH niższym (bardziej kwaśnych) zaczyna przeważać protonowanie aminy, przewagę zyskują jony dodatnie (amoniowe), zaś w roztworach o pH wyższym niż punkt izoelektryczny (roztwory bardziej zasadowe) przewagę zyskuje dysocjacja grupy karboksylowej i jony ujemne.

Ta właściwość uzyskiwania w zależności od pH środowiska ładunku dodatniego lub ujemnego przez cząsteczki aminokwasu (a także białek z aminokwasów zbudowanych) legła u podstaw metody rozdzielania i identyfikacji polegającej na wywołaniu migracji cząsteczek w polu elektrycznym. Masa cząsteczki (lub cząstki), jej ładunek i struktura powodują w polu elektrycznym ruch w różnych kierunkach i z różną prędkością. Metoda taka nosi nazwę elektroforezy.
Aminokwasy syntetyczne otrzymywać można każdą skuteczna metodą, najczęstszym sposobem jest amonoliza a-chlorowcopodstawionych kwasów lub ich estrów.

TUTAJ WSTAW OBRAZEK PT.” AMINOK2”

Aminokwasy otrzymane syntetycznie są oczywiście racematami i dla uzyskania wzorców aminokwasów naturalnych lub substratów do syntezy peptydów należy rozdzielić je na enancjomery - co nie jest sprawą łatwa ani tanią.

Naturalne aminokwasy to a-aminokwasy, a więc wszystkie - z wyjątkiem glicyny - posiadają centrum asymetrii przy węglu a i wszystkie charakteryzują się konfiguracją L. Organizm ludzki nie potrafi syntezować niektórych aminokwasów i muszą być one dostarczane do organizmu w pożywieniu, aby organizm mógł wytworzyć potrzebne białko. Są to tzw. aminokwasy egzogenne, w poniższym zestawieniu zaznaczone kolorem czerwonym.

TUTAJ WSTAW OBRAZEK PT.” AMINOK1”

Właściwości fizyczne aminokwasów:

1. są związkami krystalicznymi,
2. są rozpuszczalne w rozpuszczalnikach polarnych (tj. woda, C2H5OH)
3. są nie rozpuszczalne w rozpuszczalnikach nieporalnych (tj. benzen, heksan, eter)
4. mają wysokie temperatury topnienia (powyżej 473K)
5. aminokwasy aromatyczne pochłaniają światło UV> 250nm.

W zależności od pH środowiska aminokwasy mogą występować w trzech formach : formie anionu, kationu oraz jonu obojnaczego. Jest to uwarunkowane protolitycznymmi reakcjami grup funkcyjnych podczas rozpuszczania aminokwasu. Wówczas H2O z grupami COOH reaguje jak zasada, a z zasadami jak kwas. Aminokwasy są amfoterami!

PEPTYDY

To aminy, które powstają w wyniku kondensacji aminokwasów. Wiązanie aminowe w tych związkach nosi nazwę wiązania peptydowego. W zależności od liczby cząsteczek aminokwasów, z których powstaje cząsteczka peptydu wyróżniamy dipeptydy, tri-, tetra-, itd. Oligopeptydy utworzone są utworzone z kilku do kilkunastu aminokwasów, a polipeptydy z kilkudziesięciu(do ok. 100) aminokwasów.

Temu aminokwasowi, który angażuje swoją grupę COOH w tworzenie wiązania peptydowego, dodaje się do rdzenia nazwy „-ylo”.

Łańcuch peptydowy składa się z utworzonych szeregowo wiązań peptydowych podzielonych węzłami grup –CH= (na początku łańcucha NH2, a na końcu COOH). Od „węzłów” CH odchodzą boczne łańcuchy(krótkie, ale chemicznie różne).

Peptydy zawierające co najmniej 2 wiązania peptydowe, a więc już tripeptydy, można odróżnić od innych aminokwasów przeprowadzając tzw. próbę biuretową(odczyn Piotrowskiego). W środowisku zasadowym pod wpływem jonów Cu2+ roztwór zabarwia się na czerwono-fiołkowy kolor lub w przypadku największych polipeptydów niebiesko fiołkową.

Wiązanie peptydowe ma ściśle określoną konfigurację. Uwarunkowane jest delokalizacją elektronów w wiązaniu peptydowym, które sprawia, że wszystkie atomy sąsiadujące bezpośrednio z wiązaniem leżą w jednej płaszczyźnie. Nie zależy od rodzaju i właściwości bocznych łańcuchów.

Wiązanie C-N wykazuje częściowo charakter wiązania podwójnego, co uniemożliwia obrót wokół niego. Istnieje więc możliwość powstania dwóch izomerów cis i trans(trans uboższy energetycznie i trwalszy, występuję więc w peptydach).

a) dekaboksylacja aminokwasów obojętnych i zasadowych:

Prowadzi ona do amin biogennych, które z wyjątkiem histaminy zwężają naczynia krwionośne i podwyższają ciśnienie krwi.

c) dezaminacja:

U kręgowców eliminacja NH2 zachodzi poprzez transaminację i dezaminację oksydacyjną. Dezaminacja prowadzi do powstania ketokwasów.

W procesie transaminacji akceptorem amoniaku z aminokwasu jest ketokwas, który zarazem jest donorem tlenu na rzecz dezaminacyjnego aminokwasu.

Punkt izojonowy jest to taka wartość pH, przy której liczba protonów związanych z grupami NH2 jest równa liczbie protonów odszczepionych przez grupy COOH(przeciętny ładunek = 0). Punkt izojonowy odnosi się do aminokwasów lub czystego białka i ma wartość stała i charakterystyczną, ponieważ zależy tylko od jego składu aminokwasowego, natomiast punkt izoelektryczny zależy w pewnej mierze od środowiska(obecność soli).

NATURALNE PEPTYDY.

Pełnią różnorodne funkcje:

· koenzymatyczną

· hormonalna i inne.

Ponadto wiele antybiotyków i trucizn roślinnych ma charakter peptydów.

Białka

To naturalny polipeptyd czyli polimer aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi -CONH-. Synteza białek odbywa się w specjalnych organellach komórkowych zwanych rybosomami.

Zazwyczaj liczba reszt aminokwasowych pojedynczego łańcucha polipeptydowego białka jest większa niż 100, a cała cząsteczka może być zbudowana z wielu łańcuchów polipeptydowych (podjednostek).

Głównymi pierwiastkami wchodzącymi w skład białek są C, O, H, N, S, także P oraz niekiedy kationy metali Mn2+, Zn2+, Mg2+, Fe2+, Cu2+, Co2+ i inne.

Skład ten nie pokrywa się ze składem aminokwasów. Wynika to stąd, że większość białek (są to tzw. białka złożone lub proteidy) ma dołączone do reszt aminokwasowych różne inne cząsteczki. Regułą jest przyłączanie cukrów, a ponadto kowalencyjnie lub za pomocą wiązań wodorowych dołączane może być wiele różnych związków organicznych pełniących funkcje koenzymów oraz jony metali.

Budowa:

1. Struktura pierwszorzędowa - czyli najniższy poziom organizacji strukturalnej cząsteczki jest wyznaczona przez sekwencję aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym. Jest ona uwarunkowana jeszcze zanim zostanie zsyntetyzowany łańcuch polipeptydowy, gdyż informacja o kolejności aminokwasów w cząsteczce białka jest zakodowana w DNA, w postaci sekwencji nukleotydowej. Dzięki procesom transkrypcji, a później translacji sekwencja nukleotydowa zostaje odczytana w trakcie syntezy odpowiedniego polipeptydu.

2. Struktura drugorzędowa - są to typy regularnego ułożenia głównego łańcucha polipeptydowego stabilizowane wiązaniami wodorowymi. Struktura drugorzędowa jest uwarunkowana przede wszystkim właściwościami wiązania peptydowego. Jego rzeczywista struktura jest pośrednia pomiędzy dwoma formami, wskutek czego wiązanie pomiędzy atomem węgla grupy karbonylowej, a atomem azotu ma częściowo charakter wiązania podwójnego. Oznacza to, że wiązanie peptydowe, wraz z przyległymi atomami - Ca , tworzy strukturę płaską. Pozostaje jedynie możliwość obrotu wokół wiązania C-Ca oraz Ca-N. Wielkość rotacji w głównym łańcuchu przy wiązaniu między atomami węgla a i azotu określa kąt torsyjny j (fi), a pomiędzy węglem a i węglem karbonylowym - kąt y (psi).

WSTAW RYSUNEK katy.gif

Konformacja głównego łańcucha jest w pełni określona, gdy dla każdej reszty aminokwasowej ustalono wartości kątów j i y . Ţ Reszta aminokwasowa w łańcuchu polipeptydowym nie może przyjmować dowolnej pary wartości j i y , gdyż pewne kombinacje tych wartości są całkowicie niemożliwe ze względu na zawadę przestrzenną pomiędzy grupami funkcyjnymi sąsiadujących aminokwasów. Odkryto dwa podstawowe, regularne układy drugorzędowe występujące powszechnie w strukturze białek. Są to struktury a -helisy i b -harmonijki.

a.) Struktura a -helisy, odkryta jako pierwsza, ma kształt cylindra. Ciasno spleciony łańcuch główny polipeptydu tworzy centralną część cylindra, natomiast boczne łańcuchy reszt aminokwasowych wystają na zewnątrz w ułożeniu helikalnym.

WSTAW RYSUNEK la-hel-gor.gif

Struktura a -helisy jest dodatkowo stabilizowana wiązaniami wodorowymi grup

NH i CO głównego łańcucha. Grupa CO każdego aminokwasu wiąże się wiązaniem wodorowym z grupą NH, aminokwasu odległego do przodu o cztery reszty aminokwasowe i leżącego bezpośrednio nad nią. Rezultatem tego jest fakt, że wszystkie grupy CO i NH łańcucha głównego są połączone wiązaniem wodorowym.

Każda reszta aminokwasowa jest przesunięta w stosunku do sąsiedniej o 0,15 nm wzdłuż osi helisy i obrócona o 100o wokół osi. Na jeden obrót helisy przypada zatem 3,6 reszt aminokwasowych. Skok helisy wynosi wtedy 0,54 nm.

WSTAW RYSUNEK wiazania.gif

Helisa, podobnie jak każda śruba może być zarówno prawo, jak i lewoskrętna. W białkach występuje głównie struktura helisy prawoskrętnej. a -Helisa charakteryzuje się także polarnością. Jej budowa sugeruje, że jest dipolem - wewnętrzny niepolarny rdzeń oraz polarne reszty aminokwasowe wystawione na zewnątrz cząsteczki.

b.) Struktura b -harmonijki (b -kartki) - W odróżnieniu od cylindrycznej struktury

a -helisy, cząsteczka polipeptydu przyjmuje kształt, prawie całkowicie rozciągnięty.

W uformowaniu struktury b -harmonijki, może brać udział więcej niż jeden łańcuch polipeptydowy. Odległość sąsiednich aminokwasów wzdłuż osi cząsteczki wynosi 0,35 nm (w a -helisie - 0,15 nm). Harmonijkę b stabilizują wiązania wodorowe pomiędzy grupami CO i NH, leżącymi w jednej płaszczyźnie obok siebie i niekoniecznie pochodzących ze wspólnego łańcucha polipeptydowego.

WSTAW RYSUNEK beta.gif

Sąsiadujące ze sobą łańcuchy mogą być ułożone w jednym kierunku (równoległa b harmonijka) lub w kierunku przeciwnym (antyrównoległa b harmonijka).

WSTAW RYSUNEK antyrow.gif

c.) Istnieje także struktura trójniciowej helisy, występującej wyłącznie w białku powszechnie występującym u ssaków - kolagenie. Struktura ta składa się z trzech łańcuchów polipeptydowych o bardzo regularnej strukturze aminokwasowej. Często powtarzająca się sekwencja: glicyna-prolina-hydroksyprolina (nietypowy aminokwas) (zobacz i prorównaj: aminokwasy) warunkuje powstawanie struktury drugorzędowej.

WSTAW RYSUNEK sek-kol.gif

W obrębie pojedynczego łańcucha nie występują wiązania wodorowe, za to każdy z trzech łańcuchów helikarnych jest stabilizowany przez odpychanie się pierścieni pirolidynowych proliny i hydroksyproliny (zobacz i prorównaj:aminokwasy), ponadto są tworzone wiązania wodorowe pomiędzy sąsiadującymi aminokwasami każdego z łańcuchów. Trzy nici skręcają się wokół siebie tworząc strukturę superhelikalnej liny.

WSTAW RYSUNEK kolag.gif

Typy struktur drugorzędowych: a -helisy i b -harmonijki występują prawie we wszystkich białkach

i mogą oddziaływać pomiędzy sobą tworząc bardziej złożone struktury drugorzędowe zwane motywami.

d.)Motywy strukturalne, powstają wskutek asocjacji helis a lub b struktur, pełniąc kluczową rolę w procesie fałdowania się białka. Powodem, dla którego zachodzi to zjawisko, jest dążenie tych struktur do minimalizacji ekspozycji reszt hydrofobowych w kierunku wody, a także konieczność tworzenia wiązań wodorowych pomiędzy grupami hydrofilowymi (polarnymi) w celu stabilizacji struktur, kosztem dogodnego energetycznie oddziaływania z polarnym rozpuszczalnikiem - wodą. Najbardziej powszechnie występującym motywem b , wśród białek jest motyw "szpilki do włosów" (ang. harpin loop). Ten motyw jest zbudowany z jednego łańcucha polipeptydowego, przyjmującego antyrównoległą strukturę typu b -harmonijki. Struktura taka tworzy się dzięki tworzeniu się wiązań wodorowych pomiędzy grupą -CO reszty n aminokwasu, a grupą -NH reszty n + 3 aminokwasowej, powodując natychmiastowe odwrócenie się kierunku łańcucha i ułożenie antyrównoległe struktury b -harmonijki.

WSTAW RYSUNEK h-loop.gifh-loop.gif

Innym przykładem bardziej złożonej struktury opierającej się na strukturze b -harmonijki jest motyw "klucza greckiego". Jest to bardziej rozbudowany motyw "szpilki do włosów", gdzie jeden łańcuch polipeptydowy tworzy ze sobą cztery struktury b -harmonijki ułożone względem siebie antyrównoległe.

WSTAW RYSUNEK klu-grec.gif

Struktura a -helisy podobnie jak b -harmonijki tworzy własne motywy strukturalne. Najczęściej jest to motyw "heliks-pętla-heliks" (ang. helix-turn-helix) występujący głównie w białkach wiążących się z DNA

WSTAW RYSUNEK hth.gif

(za pomocą tzw. "palców cynkowych").

WSTAW RRYSUNEK Znfinger.gif

Innym przykładem motywów a , wiążących się z kwasami nukleinowymi są struktury tzw. "suwaków leucynowych", zbudowanych z dwóch oplecionych ze sobą a helis, bogatych w leucynę. Zasadowy charakter takiej struktury implikuje powinowactwo do DNA, który ma odczyn kwaśny.

WSTAW RYSUNEK suv-leu.gif

Oprócz motywów jednorodnych (wyłącznie b lub a helikalnych), występują struktury mieszane typu a /b , przykładem może posłużyć motyw bab, w którym

pomiędzy dwoma ułożonymi równolegle łańcuchami struktury b -harmonijki znajduje się a -helisa. Hydrofobowa strona łańcuchów b jest ciasno upakowana i kontaktuje z hydrofobową stroną a -helisy.

WSTAW RYSUNEK blb.gif

Dotychczas zostały omówione motywy powstające z jednego łańcucha polipeptydowego. Białka są zbudowane zazwyczaj

z kilku łańcuchów, fałdujących się niezależnie od siebie i pomiędzy którymi również formują się swego rodzaju motywy, zwane domenami, będące często składnikami części funkcjonalnych białek (Np. centrum katalitycznym enzymów). Można wyróżnić domeny składające się z czterech struktur a -helikalnych tworzących złożony motyw "heliks-pętla-heliks", ułożonych wzajemnie równolegle, w ten sposób, że reszty aminokwasowe poszczególnych łańcuchów zazębiają się między sobą tworząc przestrzeń hydrofobową w centralnej części domeny. Inną, bardzo podobną strukturą, charakterystyczną dla białek globularnych - jest domena "globinowa". Powstaje ona w wyniku dopasowania grzbietów jednej struktury a -helikarnej w grzbiet drugiej. Dwie preferowane orientacje to te, których kąt pomiędzy osiami sąsiednich helis wynosi +20o lub - 50o. W wyniku takiego ułożenia a -helis powstaje centrum hydrofobowe.

WSTAW RYSUNEK pecz-hel.gif

Domeny są tworzone także przez motywy b -harmonijki. Przykładem może posłużyć "baryłka typu b ", gdzie centrum hydrofobowe jest osłonięte przez powtarzające się motywy b - "klucza greckiego".

WSTAW RYSUNEK barylka.gif

Domeny typu "rolada" - występujące najczęściej w białkach regulatorowych i będącymi bardziej skomplikowanymi motywami typu "klucz grecki".

WSTAW RYSUNEK dzbanek.gif

Omówione powyżej struktury drugorzędowe przedstawiają tylko część możliwych kombinacji motywów a i b występujących w białkach. Wyższym stopniem komplikacji budowy łańcuchów polipeptydowych są struktury trzeciorzędowe.

3. Struktura trzeciorzędowa powstaje w wyniku oddziaływania poszczególnych reszt aminokwasowych pomiędzy sobą. Oprócz wiązań wodorowych

WSTAW RYS. wwodor.gif

mogą zostać utworzone tzw. "mostki solne" - w reakcji pomiędzy grupami funkcyjnymi pochodzącymi od Ţ aminokwasów kwaśnych (Np.: kwas glutaminowy) i zasadowych (Np.: arginina).

WSTAW most-sol.gif

Bardzo charakterystycznym przykładem wiązań stabilizujących trzeciorzędową strukturę białek są tzw. "mostki dwusiarczkowe",

WSTAW S=S.gif

powstające pomiędzy dwiema resztami cysteinowymi (zobacz i porównaj: aminokwasy). Innymi możliwymi interakcjami pomiędzy grupami aminokwasowymi są oddziaływania apolarnych reszt będące przykładem oddziaływania tzw. sił van der Waalsa. Są to oddziaływania pomiędzy aminokwasami zawierającymi silnie hydrofobowe grupy funkcyjne
(Np.: fenyloalanina-fenyloalanina).

WSTAW vander.gif

Kolejnymi ważnymi czynnikami warunkującym strukturę trzeciorzędową są oddziaływania reszt aminokwasowych z rozpuszczalnikiem. Ostateczna konformacja białek rozpuszczalnych w wodzie jest taka, że większość apolarnych reszt aminokwasowych koncentruje się we wnętrzu cząsteczki, wypychając z niej wodę, natomiast reszty polarne - niosące ładunek elektryczny wysuwają się na zewnątrz i ulegają hydratacji (zobacz rysunek). Cząsteczka białka jest otoczona warstwą związanej wody hydratacyjnej.

4. Struktura czwartorzędowa jest charakterystyczna dla białek oligomerycznych. (zawierających kilka podjednostek). Podjednostki białek są to niezależnie sfałdowane łańcuchy polipeptydowe lub całe białka, będące tylko składnikiem dużego kompleksu białkowego. Podobny zestaw oddziaływań reszt aminokwasowych pomiędzy sobą oraz z rozpuszczalnikiem jest charakterystyczny dla czynników stabilizujących strukturę czwartorzędową białek oligomerycznych. Często się zdarza, że powierzchnie styku poszczególnych podjednostek oligomeru zawierają dużą ilość aminokwasów hydrofobowych. Efektem tego jest "sklejenie" podjednostek i "uszczelnienie" przed wniknięciem rozpuszczalnika. Rozbicie podjednostek oznacza destabilizację dalszych struktur, gdyż jest to wysoce niekorzystne energetycznie ponieważ zachodzi kontakt z polarnym rozpuszczalnikiem. Struktura czwartorzędowa staje się szczególnie trwała gdy podjednostki wiążą się "mostkami" dwusiarczkowymi lub solnymi.

WSTAW bial-bial.gif

Podobieństwo pomiędzy poszczególnymi motywami, domenami lub podjednostkami, wskazuje na silne dążenie do konserwowania (utrwalania) "udanych funkcjonalnie" struktur białkowych w trakcie ewolucji. Jest to najlepszy i najszybszy sposób tworzenia nowych struktur - z już wcześniej dostępnych, lecz w odmiennej kombinacji. Gdyby ewolucja szła drogą kombinatoryki i szukała wszystkich możliwych kombinacji konformacji struktur białka i zakładając przeciętny czas fałdowania się (foldingu) białka ok. 10-1 - 10-2 s to czas potrzebny na wypróbowanie wszystkich możliwości wyniósłby w przybliżeniu 10100 lat.

WSTAW folding2.gif

Tworzenie nowych białek polega na składaniu genów kodujących struktury już istniejące. Utworzenie w pełni funkcjonalnego białka odbywa się w trakcie Ţ modyfikacji potranslacyjnej, w której są dodawane inne, niebiałkowe elementy struktury. W tym procesie formowany jest ostateczny kształt białka w wyniku jego przebudowy. Wszystkie te czynności nie przebiegają spontanicznie i są przeprowadzane dzięki wyspecjalizowanym enzymom. Jako przykład mogą posłużyć specyficzne białka - czaperony ("białka opiekuńcze"), które kontrolują proces właściwego fałdowania się łańcucha polipeptydowego. Odpowiedzialne są one także, za usuwanie nieprawidłowo sfałdowanych łańcuchów, wykazując zdolność do tworzenia kompleksów ze źle uformowanym białkiem i zwiększając podatność takiego konglomeratu na działanie enzymów proteolitycznych.

Właściwości fizykochemiczne:

Białka nie posiadają charakterystycznej dla siebie temperatury topnienia. Przy ogrzewaniu w roztworze, a tym bardziej w stanie stałym, ulegają, powyżej pewnej temperatury, nieodwracalnej denaturacji - zmianie struktury, która czyni białko nieaktywnym biologicznie (codziennym przykładem takiej denaturacji jest smażenie lub gotowanie jajka). Jest to spowodowane nieodwracalnym utraceniem trzeciorzędowej lub czterorzędowej budowy białka. Z tej przyczyny dla otrzymania "suchej", ale niezdenaturowanej próbki danego białka, stosuje się metodę liofilizacji, czyli odparowywania wody lub innych rozpuszczalników z zamrożonej próbki pod zmniejszonym ciśnieniem. Denaturacja białek może również zachodzić pod wpływem soli metali ciężkich, mocnych kwasów i zasad, niskocząsteczkowych alkoholi, aldehydów oraz napromienieniowania. Denaturacja jest na ogół nieodwracalna - wyjątek stanowią proste białka, które mogą ulegać także procesowi odwrotnemu, tzw. renaturacji - po usunięciu czynnika, który tę denaturację wywołał.

Białka są na ogół rozpuszczalne w wodzie. Do białek nierozpuszczalnych w wodzie należą tzw. białka fibrylarne, występujące w skórze, ścięgnach, włosach (kolagen, keratyna) lub mięśniach (miozyna). Niektóre z białek mogą rozpuszczać się w rozcieńczonych kwasach lub zasadach, jeszcze inne w rozpuszczalnikach organicznych. Na rozpuszczalność białek ma wpływ stężenie soli nieorganicznych w roztworze, przy czym małe stężenie soli wpływa dodatnio na rozpuszczalność białek. Jednak przy większym stężeniu następuje uszkodzenie otoczki solwatacyjnej, co powoduje wypadanie białek z roztworu. Proces ten nie narusza struktury białka, więc jest odwracalny. Nosi też nazwę "wysalanie białek".

Białka posiadają zdolność wiązania cząsteczek wody. Efekt ten nazywamy hydratacją. Nawet po otrzymaniu próbki "suchego" białka zawiera ona związane cząsteczki wody.

Białka, ze względu na obecność grupy NH2 oraz COOH mają dwojaki charakter - w zależności od pH roztworu będą zachowywały się jak kwasy (w roztworze zasadowym) lub jak zasady (w roztworze kwaśnym). Dzięki temu białka mogą pełnić rolę bufora stabilizującego pH, np. krwi. Różnica pH nie może być jednak znaczna, gdyż białko może ulec denaturacji.

Białka odgrywają zasadniczą rolę we wszystkich procesach biologicznych. Biorą udział w katalizowaniu wielu przemian w układach biologicznych (enzymy są białkami), uczestniczą w transporcie wielu małych cząsteczek i jonów (np. 1 cząsteczka hemoglobiny przenosząca 4 cząsteczki tlenu), służą jako ochrona immunologiczna(przeciwciała) oraz biorą udział w przekazywaniu impulsów nerwowych (białka receptorowe). Istotna rolą białka jest też jego funkcja mechaniczno strukturalna. Wszystkie białka zbudowane są z aminokwasów. Niektóre białka zawierają nietypowe, rzadko spotykane aminokwasy, które uzupełniają ich podstawowy zestaw. Wiele aminokwasów ( zazwyczaj ponad 100) połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi tworzy łańcuch polipeptydowy, w którym można wyróżnić dwa odmienne końce. Na jednym końcu łańcucha znajduje się niezablokowana grupa aminowa (tzw. N-koniec), na drugim niezablokowane grupa karboksylowa (C-koniec).

Podział białek:

Ze względu na budowę i skład, dzielimy białka na proste i złożone.

Białka proste zbudowane są wyłącznie z aminokwasów. Dzielimy je na następujące grupy:
protaminy - posiadają charakter silnie zasadowy, charakteryzują się dużą zawartością argininy oraz brakiem aminokwasów zawierających siarkę. Są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Najbardziej znanymi protaminami są: klupeina, salmina, cyprynina, ezocyna, gallina.
histony - podobnie jak protaminy posiadają silny charakter zasadowy i są dobrze rozpuszczalne w wodzie. Są składnikami jąder komórkowych (w połączeniu z kwasem dezoksyrybonukleinowym), czyli są obecne także w erytroblastach. W ich skład wchodzi duża ilość takich aminokwasów jak lizyna i arginina.
albuminy - są to białka obojętne, spełniające szereg ważnych funkcji biologicznych: są enzymami, hormonami i innymi biologicznie czynnymi związkami. Są dobrze rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli, łatwo ulegają koagulacji. Znajdują się w tkance mięśniowej, osoczu krwi i mleku.
globuliny -w ich skład wchodzą wszystkie aminokwasy białkowe, z tym że kwas asparaginowy i kwas glutaminowy w znaczniejszych ilościach, w odróżnieniu od albumin są źle rozpuszczalne w wodzie, dobrze w rozcieńczonych roztworach soli; posiadają podobne właściwości do nich. Występują w dużych ilościach w płynach ustrojowych i tkance mięśniowej.
prolaminy - są to typowe białka roślinne, występują w nasionach. Charakterystyczną właściwością jest zdolność rozpuszczania się w 70% etanolu.
gluteliny - podobnie jak prolaminy - są to typowe białka roślinne; posiadają zdolność rozpuszczania się w rozcieńczonych kwasach i zasadach.
skleroproteiny -białka charakteryzujące się dużą zawartością cysteiny i aminokwasów zasadowych oraz kolagenu i elastyny, odznaczają się dużą zawartością proliny i hydroksyproliny, nie rozpuszczalne w wodzie i rozcieńczonych roztworach soli. Są to typowe białka o budowie włóknistej, dzięki temu pełnią funkcje podporowe. Do tej grupy białek należy kreatyna.

Białka złożone:

chromoproteiny - złożone z białek prostych i grupy prostetycznej - barwnika. Należą tu hemoproteidy (hemoglobina, mioglobina, cytochromy, katalaza, peroksydaza) zawierające układ hemowy oraz flawoproteidy.
fosfoproteiny - zawierają około 1% fosforu w postaci reszt kwasu fosforowego. Do tych białek należą: kazeina mleka, witelina żółtka jaj, ichtulina ikry ryb.
nukleoproteiny - składają się z białek zasadowych i kwasów nukleinowych. Rybonukleoproteidy są zlokalizowane przede wszystkim w cytoplazmie: w rybosomach, mikrosomach i mitochondriach, w niewielkich ilościach także w jądrach komórkowych, a poza jądrem tylko w mitochondriach. Wirusy są zbudowane prawie wyłącznie z nukleoproteidów.
lipidoproteiny - połączenia białek z tłuszczami prostymi lub złożonymi, np. sterydami, kwasami tłuszczowymi. Lipoproteidy są nośnikami cholesterolu (LDL, HDL, VLDL). Wchodzą na przykład w skład błony komórkowej.
glikoproteiny - ich grupę prostetyczną stanowią cukry, należą tu m.in. mukopolisacharydy (ślina). Glikoproteidy występują też w substancji ocznej i płynie torebek stawowych.
metaloproteiny - zawierają jako grupę prostetyczną atomy metalu (miedź, cynk, żelazo, wapń, magnez, molibden, kobalt). Atomy metalu stanowią grupę czynną wielu enzymów.

Białka mają następujące funkcje:

* kataliza enzymatyczna - od uwadniania dwutlenku węgla do replikacji chromosomów,
* transport i magazynowanie - hemoglobina, transferyna, ferrytyna,
* kontrola przenikalności błon - regulacja stężenia metabolitów w komórce,
* ruch uporządkowany - np. skurcz mięśnia, aktyna i miozyna,
* wytwarzanie i przekazywanie impulsów nerwowych,
* bufory,
* kontrola wzrostu i różnicowania,
* immunologiczna,
* budulcowa, strukturalna.
* przyleganie komórek (np. kadheryny)
* regulatorowa - reguluje przebieg procesów biochemicznych

DENATURACJA BIAŁEK:

Denaturacją białka nazywamy zmiany w strukturze białka natywnego, które prowadzą do utraty aktywności biologicznej lub innej indywidualnej cechy charakterystycznej tego białka przy zachowaniu jego struktury pierwszorzędowej.

Podczas denaturacji niszczone są wiązania wodorowe, a w obecności odczynników redukujących zerwaniu ulegają wiązania disulfidowe.

Denaturacja może być procesem odwracalnym (patrz renaturacja) i nieodwracalnym. Przejście od natywnego, niskoenergetycznego stanu do formy zdenaturowanej związane jest ze wzrostem nieuporządkowania łańcucha, której to przemianie towarzyszy wzrost entropii. Uporządkowanie najbliższych cząsteczek wody wzrasta jednak, w wyniku hydratacji grup hydrofobowych łańcuchów bocznych uwolnionych podczas denaturacji.

Podczas denaturacji zachodzą także zmiany rozpuszczalności i przesunięcie punktu izoelektrycznego. Rozwinięcie łańcucha peptydowego może prowadzić do wzrostu lepkości, a także zmian absorpcji w nadfiolecie. Obserwuje się również często procesy agregacji i wytrącania, co jest związane ze zmianami stopnia hydratacji i rozpuszczalności białek.

Najważniejszymi metodami fizycznymi denaturacji są: ogrzewanie, silne mieszanie, wytrząsanie, naświetlanie promieniowaniem nadfioletowym, rentgenowskim i radioaktywnym lub działanie ultradźwiękami.

Denaturacja chemiczna zachodzi pod wpływem związków, które są zdolne do rozerwania wiązań wodorowych, na przykład pod wpływem roztworu mocznika o stężeniu 6-8 mol/dm3 lub chlorku guanidyny o stężeniu 4 mol/dm3, na skutek działania kwasów lub zasad (wartość pH poniżej 3 lub powyżej 9), a także l %-owego roztworu siarczanu dodecylosodowego.

WYSALANIE BIAŁEK:

Wysalanie białek - tzw. wypadanie białek z roztworu. Polega na uszkodzeniu otoczki solwatacyjnej pod wpływem zbyt dużego stężenia soli nieorganicznych. Proces ten nie narusza struktury białka, więc jest odwracalny.

Wysalanie białka jaja kurzego (oddzielenie albumin od globulin):
Do 15cm3 roztworu białka jaja kurzego dodać 15cm3 nasyconego roztworu (NH4)2SO4 i zmieszać. Strąca się kłaczkowaty osad globulin.
Osad odsączyć (lub odwirować) i pozostawić do dalszego doświadczenia, a przesącz zebrać w niewielkiej zlewce.
Do przesączu dodawać małymi porcjami stały sproszkowany siarczan(VI) amonu do stanu nasycenia, tj. tak długo, dopóki na dnie zlewki pozostaje kilka kryształów nie rozpuszczonej soli. Z roztworu wydziela się osad albumin.
Oddzielić osad przez odsączenie lub odwirowanie.
Do każdego osadu – globulin i albumin – oddzielnie, dodać wody destylowanej Obserwuje się rozpuszczenie osadów. Z każdym roztworem wykonać próbę biuretową.

KOAGULACJA:

Koagulacja to proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworzące fazę ciagłą o nieregularnej strukturze. Istnieje koagualacja odwracalna i nieodwracalna, a także spontaniczna i wymuszona. W wyniku koagulacji może następować zjawisko żelowania, tworzenia się past i materiałów stałych, sedymentacji lub pokrywania powierzchni mieszaniny warstwą fazy rozproszonej.

Typowe struktury koagulacyjne to dyspersje polimerów, niektóre rodzaje farb, tworzywa sztuczne, oraz produkty koagulacji białek, takie jak np: jogurt. Koagulacja białka występuje na skutek zniszczenia jego trzeciorzędowej struktury, prowadzącej do łączenia się rozpuszczalnych w wodzie białek w nierozpuszczalne strzępki i całkowitej utraty ich aktywności biologicznej. Koagulacja białek może następować pod wpływem temperatury lub czynników chemicznych.

W procesie oczyszczania ścieków za pomocą koagulacji uzyskiwany jest dość znaczny efekt np. redukcja BZT5 może osiągnąć 85%, a zawiesin do 90%. Z tego względu koagulację określa się jako pośredni stopień między oczyszczaniem mechanicznym a biologicznym. Ujemną stroną tego procesu jest powstawanie dużej ilości osadów, głównie o charakterze nieorganicznym. Koagulacja stosowana jest najczęściej do oczyszczania ścieków przemysłu włókienniczego, garbarskiego, chemicznego i innych, niekiedy jako proces wstępny przed oczyszczaniem biologicznym.

Przyczyny i mechanizmy koagulacji:

Układy koloidalne bywają nietrwałe, bo faza zdyspergowana ma bardzo silnie rozwiniętą powierzchnię, przez co cząstki zdyspergowane dążą do zmniejszenia swej powierzchni właściwej, więc cząstki koloidalne albo krystalizują, albo koagulują.

Łączenie się cząstek fazy rozproszonej zachodzić może pod wpływem dodatku elektrolitów, wszelkich wypełniaczy (bardzo rozdrobnionej fazy stałej), oraz działaniu temperatury lub na skutek reakcji chemicznych zachodzących w mieszaninie, pod wpływem działania czynników zewnętrznych.

Szybkość koagulacji uwarunkowana jest ruchami Browna, których intensywność jest warunkowana przez stężenie cząstek fazy rozproszonej i ich szybkością dyfuzji w cieczy, która z kolei jest silnie zależna od temperatury. Na kinetykę koagulacji wpływ również mają oddziaływania międzycząsteczkowe, które mogą być regulowane składem elektrolitów w układzie.

Istnieją dwa rodzaje trwałości układów koloidalnych – kinetyczna i agregacyjna. Trwałość kinetyczna związana jest z odpornością na koagulację pod wpływem działania siły. Przeciwdziałają jej ruchy Browna. Trwałość agregacyjna związana jest z odpornością układu na tworzenie większych agregatów.

Koloidy swą trwałość zawdzięczają odpychaniu cząstek, którego miarą jest tzw. potencjał dzeta. Gdy potencjał ten maleje, to szybkość koagulacji rośnie. Przy pewnym małym potencjale dzeta, zwanym potencjałem krytycznym, zaczyna się szybka koagulacja. W przypadku elektrolitów potencjał ten nie zależy od jego budowy chemicznej ale od ich ładunku.

Koagulację mogą przyspieszać czynniki zewnętrzne, takie jak mieszanie, działanie ultradźwiękami, wirowanie. Koagulacja powodowana mechanicznymi czynnikami zewnętrznymi jest nazywana koagulacją wspomaganą. Z kolei koagulacja wywołana samymi ruchami Browna to tzw. koagulacja perikinetyczna.

Podczas koagulacji powolnej tylko część zderzeń, wynikających z ruchów Browna cząstek fazy rozproszonej prowadzi do ich łączenia się. W koagulacji szybkiej – wszystkie. Aby utworzyć agregaty, cząstki muszą mieć energię kinetyczną przewyższającą energię wynikającą z negatywnych oddziaływań międzycząsteczkowych.

Koagulacja pod wpływem elektrolitów

Koloidy liofilowe są stabilizowane przez tworzenie otoczek solwatacyjnych, wokół rozproszonych cząstek. Działanie elektrolitu polega na rozrywaniu tych otoczek. Dodawanie elektrolitu do koloidu liofilowego to tzw. wysalanie. Wysalanie nie zawsze prowadzi do wytrącania stałych agregatów. Czasami powstają, wskutek koacerwacji, kropelki cieczy.

Reguła Hardy-Schultzego stwierdza, że działanie koagulacyjne jonów posiadających ładunek podwójny jest 80 razy większe niż posiadających tylko jeden ładunek elementarny i ok. 640 razy mniejsze niż jonów z ładunkiem potrójnym.

Z praktycznego punktu widzenia elektrolity koagulujące dzieli się na szeregi. Wyróżnia się:
Szeregi liotropowe, np:
Li+Na+<K+<NH4+

W szeregu tym Li+ ma najsłabsze działanie koagulacyjne, a NH4+ najsilniejsze.
Szeregi Hofmeister’a:, np:
Cl->Br->J-

Koagulacja wzajemna

Koloid liofobowy może być wytrącany przez dodatek innego koloidu liofobowego. Jest to tzw. koagulacja wzajemna. Jeżeli do koloidu liofobowego doda się liofilowego to występuje tzw. działanie ochronne, zapobiegające koagulacji. Wzrasta wówczas odporność układu na dodatek elektrolitu. Jeżeli jednak doda się za mało drugiego koloidu, to zajdzie uczulenie, czyli tzw. sensybilizacja.

Tzw. liczba złota – podaje najmniejszą ilość koloidu ochronnego w miligramach, która zabezpiecza 10 mililitrów 0,1% zolu złota w formaldehydzie. Zol ten posiada zdolność zmiany barwy z czerwonej na fioletową w trakcie jego koagulacji z użyciem 10% roztworu chlorku sodu.

Liczba rubinowa z kolei jest definiowana przez podobne zjawisko zachodzące w 0,01% roztworze wodnym czerwieni Kongo koagulowanej przed chlorek potasu.

Pasty, jako szczególny rodzaj koagulatów

Agregaty powstające w czasie koagulacji tworzą złożone struktury, w których uczestniczy też faza ciągła. Między zagregowanymi cząstkami znajdują się warstewki ośrodka dyspersyjnego. Jeżeli wypełnienie jest gęste, to cząstek nie można wymieniać między sobą – tak skoagulowane układy koloidalne to tzw. pasty. Gdy w trakcie koagulacji występuje rozrywanie warstewki cieczy, powstaje najpierw styk punktowy, a potem cząstki mogą się łączyć, a materiał stwardnieć. W takich warunkach mogą się też tworzyć wiązania chemiczne między cząstkami fazy rozproszonej co prowadzi do jej żelowania lub powstania materiału całkowicie stałego. Przykładami są cementy, betony, ceramika.

Pasty, od struktur kondensacyjnych różnią się własnościami fizycznymi. Pasty ulegają dylatancji, odkształceniom plastycznym i sprężystym (tiksotropia). Struktury kondensacyjne pękają, kruszą się, ich struktura nie jest odnawialna jak w przypadku past, jednakże mają większą wytrzymałość na działanie sił mechanicznych. Nie ulegają odkształcaniu odwracalnemu.

PEPTYZACJA:

Peptyzacja, zjawisko przechodzenia osadu koloidalnego lub (żelu) w koloid (odwrotność koagulacji). Jest to proces odwracalny, w przeciwieństwie do denaturacji białka.

Reakcja biuretowa:

Reakcja biuretowa - test chemiczny na zawartość protein i innych polipeptydów, w których występują co najmniej dwa wiązania peptydowe bezpośrednio obok siebie lub są przedzielone nie więcej niż jednym atomem węgla.

Test biuretowy polega na dodaniu do analizowanej mieszaniny roztworu fosforanu miedzi(II) (lub siarczanu miedzi(II) oraz NaOH lub KOH. Przy obecności protein roztwór zmienia barwę z jasnoniebieskiej (wskazującej na obecność solwatowanych, jonów Cu2+) na intensywnie fioletowy kolor na skutek powstawania złożonych związków kompleksowych, w których jon Cu2+ jest kompleksowany przez minimum dwie grupy peptydowe. W przypadku występowania dimerów aminokwasów,w których występuje tylko jedno wiązanie peptydowe układ zabarwia się na różowo. Wolne aminokwasy nie zmieniają barwy roztworu.

Test może być stosowany zarówno w analizie jakościowej jak i ilościowej. W tym drugim przypadku wykorzystuje się liniową zależność zmiany barwy od stężenia protein, a ścislej biorąc od liczby podwójnych wiązań peptydowych, którą ustala się za pomocą kolorymetrii, zaś oprócz soli miedzi(II) i NaOH, dodaje się jeszcze związek buforujący pH układu.

Przykładowy odczynnik biuretowy: 7.5 g CuSO4(5H2O), 100 ml 50% (w/w) NaOH, 25 g soli sodowo-potasowej kwasu winowego oraz taka objętość wody aby uzyskać 1 l roztworu.

Nazwa testu pochodzi od najprostszego, możliwego związku, który ulega tej reakcji, a mianowicie biuretu - czyli krystalicznego dimeru mocznika: NH2CONHCONH2.

Test ten jest powszechnie stosowany przy sprawdzaniu obecności wolnego białka we krwi i innych płynach ustrojowych człowieka i zwierząt. Występowanie dużych ilości takiego białka wskazuje zwykle na uszkodzenia organów wewnętrznych (np: na marskość wątroby.) Test nie działa poprawnie w przypadku występowaniu w środowisku reakcji znacznego stężenia jonów potasu, stąd nie można go stosować do np: testowania na zawartość białka soków owocowych.

REAKCJA KSANTOPROTEINOWA:

To reakcja białek zawierających aminokwasy z pierścieniami aromatycznymi (np. tryptofan) ze stężonym kwasem azotowym(V). W wyniku znitrowania aromatycznych ugrupowań powstaje trwałe, żółte zabarwienie (gr. ksanthós - 'żółty').

WSTAW 120px-Nitrated_tyrosine.svg.png
WSTAW 96px-Nitrated_tryptophane.svg.png