Białka

BUDOWA BIAŁKA

Białko składa się ze stu tysięcy i więcej cegiełek. Te cegiełki to aminokwasy. Z około 22 rozmaitych aminokwasów mogą powstać wprost nieograniczone struktury, kombinacje, zestawienia. Precyzyjne ich ułożenie decyduje o rodzaju białka. Nasz organizm nie umie magazynować większych ilości białka, toteż zapotrzebowanie na nie powinno być codziennie zaspakajane. Niektóre cegiełki, czyli aminokwasy, nasz ustrój potrafi sam sobie skonstruować (syntetyzować), o ile ma odpowiedni budulec i wówczas nazywamy je nie niezbędnymi (endogennymi), ale u dzieci - 10, a u dorosłych - 8 aminokwasów musi przyjść z pożywienia z zewnątrz, bo organizm nie daje rady ich stworzyć, a są one niezbędne dla życia, dlatego też zostały one nazwane niezbędnymi (egzogennymi). Wystarczy, że brakuje jednego, a już wszystko jest zachwiane.

ZNACZENIE DLA ORGANIZMU

Znaczenie białek dla organizmu ludzkiego jest olbrzymie. Na nich opiera się zdrowie i witalność człowieka. Chociaż białko po spaleniu może dostarczyć energii, to główną jego rolą jest dostarczanie materiału budulcowego dla komórek i tkanek. Z białkiem to jest tak: jeśli go za dużo - może szkodzić, jeśli za mało - też bardzo niedobrze. Naturalnie odnosi się to do dłużej trwającego nadmiaru czy niedoboru. Krótkotrwałe okresy nie robią organizmowi szkody. Daje on sobie z nimi radę. Ale, gdy przez długi czas w ustroju brakuje białka, to zostaje upośledzonych wiele czynności życiowych np. zmniejsza się sprawność fizyczna i umysłowa, spada odporność na choroby, dochodzi do zaburzeń ogólnoustrojowych wywołujących poważne zmiany biologiczne i morfologiczne w tkankach i narządach, które to zaburzenia mogą prowadzić nawet do śmierci. Z kolei spożywanie zbyt dużej ilości białek - stosowane często przez sportowców - ma podobny rezultat jak spożywanie zbyt dużej ilości węglowodanów czy tłuszczów. Nadwyżka taka będzie przemieniana w wątrobie na tłuszcz, co w rezultacie zamieni się w niepotrzebny balast - tkankę tłuszczową.

CHARAKTERYSTYKA CHEMICZNA I METODY OZNACZANIA

Białka należą do najważniejszych składników pokarmowych, niezbędnych do utrzymania życia.
Białka są to makrocząsteczki o złożonej strukturze chemicznej, których elementarne części składowe stanowią aminokwasy, zbudowane z atomów węgla, tlenu, azotu, wodoru oraz siarki. Atomy te tworzą proste związki noszące nazwę aminokwasów, które stanowią elementarne części składowe białek. Wszystkie aminokwasy mają podobną podstawową strukturę: szkielet węglowy, w którym wartościowości atomu węgla są wysycone atomem wodoru (H), grupą aminową (NH2), grupą karboksylową (COOH) oraz tzw. łańcuchem bocznym, który może np. stanowić grupa metylowa CH, lub bardziej rozbudowany rodnik (R) składający się z większej liczby atomów węgla (alifatyczny lub aromatyczny). W ustroju człowieka występuje 18 aminokwasów, różniących się budową i długością łańcucha bocznego, a także oddziaływaniem (kwaśny, zasadowy lub obojętny). Wyróżnia się też aminokwasy o wydłużonym łańcuchu bocznym (izoleucyna, leucyna i walina), które mają odmienne własności biologiczne od pozostałych aminokwasów, a miejscem ich katabolizmu nie jest wątroba, lecz mięśnie szkieletowe. Poszczególne aminokwasy łączą się ze sobą za pomocą tzw. wiązania peptydowego, które powstaje w wyniku odłączenia grupy OH od grupy karboksylowej oraz atomu H od grupy aminowej, z wytworzeniem jednej cząsteczki wody. Związek, składający się z dwóch aminokwasów, jest dipeptydem. Podobnie powstają tri- i tetrapeptydy, natomiast związki złożone z wielu aminokwasów nazywa się polipeptydami. Większość białek prostych to polipeptydy o łańcuchach składających się niekiedy z kilkuset aminokwasów. Białka złożone, poza aminokwasami, zawierają także inne składniki, np.: metale, cukry, lipidy, barwniki itp. Ilość i sekwencja poszczególnych aminokwasów określa tzw. strukturę drugorzędową białek. Struktura trzeciorzędowa zależy od przestrzennego ułożenia łańcuchów aminokwasów (tzw. konformacji). Niektóre łańcuchy boczne (hydrofilne) mają dodatnie lub ujemne ładunki elektryczne i są przyciągane przez cząsteczki wody, inne (hydrofobowe) o obojętnym ładunku są przez cząsteczki wody odpychane. Powoduje to pofałdowanie łańcucha polipetydowego i tworzenie różnych przestrzennych konfiguracji, niekiedy złożonych z kilku powiązanych ze sobą łańcuchów, tworzących duże cząsteczki białkowe. Struktura trzeciorzędowa białek jest bardzo wrażliwa na warunki środowiska. Ogrzewanie białek oraz działanie kwasów i zasad powoduje zmianę struktury przestrzennej (np. rozfałdowanie). Jest to tzw. denaturacja białek, z którą wiąże się utrata funkcji biologicznej danego białka, np. enzymu. Przykładem denaturacji jest ścinanie białka jaja pod wpływem ogrzewania. Zawartość białka w żywności i racjach pokarmowych oznacza się najczęściej metodą Kjeldahla, mnożąc określoną po hydrolizie, destylacji i miareczkowaniu zawartość azotu ogólnego przez odpowiedni przelicznik, wyrażający średnią zawartość azotu w białkach produktów żywnościowych. Zawartość ta zależnie od rodzaju produktu waha się od 15% (np. dla mąki pszennej) do 17% (np. dla produktów mlecznych) i średnio wynosi 16%. Dlatego przeciętna wartość przelicznika do obliczania zawartości białka w racji pokarmowej jest równa 16/100, czyli 6,25. Do oznaczenia białka we krwi służą metody diagnostyki klinicznej, np. metoda biuretowa. Zawartość poszczególnych aminokwasów oznacza się chromatograficznie.
Białko - naturalny polipeptyd czyli polimer aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi -CONH-. Synteza białek odbywa się w specjalnych organellach komórkowych zwanych rybosomami.

Zazwyczaj liczba reszt amino-kwasowych 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 białek

Zsyntetyzowany w komórce łańcuch białkowy przypomina unoszącą się swobodnie w roztworze "nitkę", która może przyjąć dowolny kształt (w biofizyce nazywa się to kłębkiem statystycznym), ale ulega procesowi tzw. zwijania białka (ang. protein folding) tworząc mniej lub bardziej sztywną strukturę przestrzenną, zwaną strukturą lub konformacja białka "natywną". Tylko cząsteczki, które uległy zwinięciu do takiej struktury, mogą pełnić właściwą danemu białku rolę biochemiczną.

Ze względu na skalę przestrzenną pełną strukturę białka można opisać na czterech poziomach:
- Struktura pierwszorzędowa białka, zwana również strukturą pierwotną - jest określona przez sekwencję (kolejność) aminokwasów w łańcuchu białkowym
- Struktura drugorzędowa białka - są to lokalne struktury powstające w wyniku tworzenia się wiązań wodorowych pomiędzy tlenem grupy >C=O, a wodorem grupy -NH, dwóch niezbyt odległych od siebie w łańcuchu wiązań peptydowych. Do struktur drugorzędowych zalicza się:
o helisę - gł. helisę alfa (ang. α helix)
o beta nici tworzące "pofałdowane kartki" (ang. β sheet)
o beta zakręt (ang. turn)
- Struktura trzeciorzędowa białka - Wzajemne położenie elementów struktury drugorzędowej stabilizowane przez oddziaływania reszt aminokwasowych oraz tworzenie mostków dwusiarczkowych -S-S-, powstających pomiędzy dwiema resztami cysteiny, dwoma resztami metioniny lub też jeden metioniny drugi zaś cysteiny w łańcuchu.
- Struktura czwartorzędowa białka - przestrzenna budowa białka zbudowanego z kilku łańcuchów polipeptydowych oraz zawierającego w swojej budowie jakąś część nie będąca częścią białka (np.: cukier lub barwnik) - np: hemoglobina może przybierać czwartorzędową budowę białka, gdyż poza kilkoma łańcuchami polipeptydowymi posiada jeszcze barwnik - hem.

Według najnowszej klasyfikacji białka mają tylko trzy rzędy budowy, trzeciorzędowa odpowiada trzeciorzędowej i czwartorzędowej razem według starej klasyfikacji. Powodem zmiany były trudności w klasyfikacji struktur niektórych białek oraz brak czwartorzędowej innych. Dopuszcza się stosowanie obu klasyfikacji w okresie przejściowym.

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 czwartorzędowej budowy białka. Z tej przyczyny dla otrzymania "suchej", ale nie zdenaturowanej 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:
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. prolaminy - są to typowe białka roślinne, występują w nasionach. Charakterystyczną właściwością jest zdolność rozpuszczania się w 70% etanolu.
6. gluteliny - podobnie jak prolaminy - są to typowe białka roślinne; posiadają zdolność rozpuszczania się w rozcieńczonych kwasach i zasadach.
7. 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 keratyna.

Białka złożone:
1. chromoproteiny - złożone z białek prostych i grupy prostetycznej - barwnika. Należą tu hemoproteidy (hemoglobina, mioglobina, cytochromy, katalaza, peroksydaza) zawierające układ hemowy oraz flawoproteidy.
2. fosfoproteiny - zawierają około 1% fosforu w postaci reszt kwasu fosforowego. Do tych białek należą: kazeina mleka, witelina żółtka jaj, ichtulina ikry ryb.
3. 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.
4. 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.
5. glikoproteiny - ich grupę prostetyczną stanowią cukry, należą tu m.in. mukopolisacharydy (ślina). Glikoproteidy występują też w substancji ocznej i płynie torebek stawowych.
6. metaloproteiny - zawierają jako grupę prostetyczną atomy metalu (miedź, cynk, żelazo, wapń, magnez, molibden, kobalt). Atomy metalu stanowią grupę czynną wielu enzymów.

Funkcja białek

- 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