Białka - występowanie, podział, właściwości, znaczenie

Angielska nazwa białek - proteins, pochodzi od greckiego słowa - protos, co oznacza „pierw-szy”. Nazwa trafnie oddaje znaczenie białek, gdyż ze wszystkich związków chemicznych one właśnie zajmują pierwsze miejsce, pod względem różnorodności funkcji, jakie spełniają w przy-rodzie. Są "substancją życia", gdyż stanowią znaczną część organizmów, utrzymują jego kształt i zapewniają funkcjonowanie. Obecność białek stwierdzono we wszystkich komórkach żywych, a także u wirusów jako istotny składnik ich "organizmu". Białka są głównym elementem budul-cowym skóry, mięśni, ścięgien, nerwów, krwi, mleka, chrząstek, sierści, paznokci, piór, kopy, a ponadto niezliczonej ilości enzymów, receptorów, przeciwciał, antybiotyków, toksyn bakteryj-nych, jadu węży i wielu hormonów. Białka są syntetyzowane na podstawie DNA, ich budowa oraz związana z nią struktura jest uwarunkowana kolejnością zasad azotowych w łańcuchu cząs-teczki kwasu nukleinowego. Białka, podobnie jak kwasy nukleinowe są wielkocząsteczkowymi polimerami, złożonymi z liniowo połączonych cząsteczek aminokwasów. Liczba kombinacji 20 rodzajów aminokwasów (występujących w przyrodzie), dla przeciętnego białka jest praktycznie nieskończona. Do utworzenia i utrzymania przy życiu organizmu jest potrzebne wiele dziesiąt-ków tysięcy różnych białek.
Białka są najważniejszym budulcem organizmu. Należą do związków organicznych o najbar-dziej skomplikowanej budowie. W cząsteczkach swoich zawierają takie pierwiastki jak: wodór, węgiel, tlen, azot, siarka, fosfor, żelazo, chlor i śladowe ilości innych pierwiastków. Stwierdzo-no, że związki te są zbudowane z licznych aminokwasów.
Białka należą do najważniejszych związków organicznych, potrzebnych żywemu organizmowi.
Można je znaleźć w niemal każdej części organizmu zwierząt, roślin, a nawet wirusów. Jest ono podstawą życia biologicznego.
Białka powstają w wyniku polikondensacji, czyli polimeryzacji z wydzielaniem związków mało-cząsteczkowych a-L-aminokwasów. Reakcja ta zachodzi przy udziale wyspecjalizowanych kompleksów enzymatycznych – rybosomów, we wszystkich komórkach organizmów żywych i jest określana mianem translacji.
Aminokwasy są podstawowymi elementami białek. Składają się z: grupy aminowej, grupy kar-boksylowej, atomu wodoru oraz specyficznej dla każdego aminokwasu łańcucha bocznego. Wszystkie te elementy skupione są wokół węgla a.
Centralny węgiel połączony jest z czterema różnymi podstawnikami, co powoduje, że jest on asy-metryczny. Związane jest to z dwoma możliwymi ułożeniami grup otaczających węgiel.
Te dwie formy nazywa się izomerami optycznymi. W przestrzeni trójwymiarowej nie jest możliwa zamiana ich w siebie bez zniszczenia struktury. Są one wzajemnymi odbiciami lustrzanymi, przy czym wszystkie aminokwasy w naturze występują w formie L. W roztworze obojętnym aminokwasy występują w formie jonów obojnaczych, czyli grupa aminowa (NH3) posiada ładunek dodatni (NH3+), a grupa karboksylowa (COOH) – ujemny (COOH-). Gdy pH otoczenia ulegnie zmianie, zmienia się też stan jonizacji cząsteczki aminokwasu. Wraz ze zmnie-jszeniem stężenia jonów wodoru (wzrostem pH) zaczyna przeważać forma o nie zjonizowanej grupie NH3. Gdy wzrasta stężenie jonów wodoru (spadek pH), grupa aminowa ulega jonizacji podczas, gdy grupa karboksylowa przyjmuje formę COOH.
W białkach występuje zestaw 20 podstawowych aminokwasów. Ten zestaw jest jednolity dla ca-łego świata ożywionego.
Aminokwasy różnią się jedynie łańcuchami bocznymi – reszta elementów pozostaje niezmienio-na. Grupy boczne różnić się mogą:
· kształtem,
· wielkością,
· ładunkiem elektrycznym,
· reaktywnością ,
· zdolnością do tworzenia wiązań wodorowych i hydrofobowych.
Biorąc pod uwagę właściwości grupy bocznej, aminokwasy można podzielić na: hydrofobowe i hydrofilowe, a w obrębie tej grupy dodatkowo na kwasowe, zasadowe i nienaładowane.
Na podstawie kodu genetycznego są syntetyzowane polipeptydy o ściśle określonej sekwencji aminokwasów. W zależności od liczby aminokwasów, można wyróżnić dipeptydy, tripeptydy, itd. Dla peptydów utworzonych z kilku do kilkunastu aminokwasów stosuje się ogólną nazwę – - oligopeptydy, natomiast dla cząsteczek zbudowanych z kilkudziesięciu (do ok. 100) aminokwa-sów – polipeptydy. Białka to związki wielkocząsteczkowe (makromolekularne), których pojedy-ncze łańcuchy polipeptydowe mogą dochodzić do ponad 1000 cząsteczek aminokwasów. Rodzaj i wzajemne powiązania aminokwasów wchodzących w skład łańcucha polipeptydowego, decydują o charakterze, funkcji i właściwościach fizyko-chemicznych cząsteczki.
Helisa, podobnie jak każda śruba może być zarówno prawo, jak i lewoskrętna. W białkach wys-tępuje głównie struktura helisy prawoskrętnej.
Właściwości białek:
1. Rozpuszczalność: Rozpuszczalność białek w roztworach jest uzależniona od wzajemnego sto-sunku aminokwasów hydrofobowych i hydrofilowych. Do nierozpuszczalnych w wodzie należą skleroproteiny tkanki łącznej (rogi, paznokcie, włosy) oraz białka wchodzące w skład błon lipi-dowych (receptory błonowe). Przykładem rozpuszczalnych w wodzie, są białka osocza krwi (globuliny). Wskutek dużych rozmiarów cząsteczek, ich wodne roztwory wykazują typowe właś-ciwości roztworów kolidalnych. O rozpuszczalności decyduje przede wszystkim zdolność do hy-dratacji. Białko w stanie stałym zmieszane z małą ilością wody tworzy galaretowaty żel. W mia-rę dodawania rozpuszczalnika białka rozpuszczają się bardziej i powstaje zol. Charakteryzuje się on wysoką lepkością, obniżonym napięciem powierzchniowym, rozpraszaniem światła, tzw. efekt Tyndalla, aktywnością koloido-osmotyczną oraz podatnością na koagulację czyli zmianę żelzol pod wpływem różnych czynników. Czynnikiem poprawiającym rozpuszczalność większo-ści białek są niskie stężenia soli, natomiast pod wpływem wysokich stężeń soli, niektórych kwa-sów, soli metali ciężkich, rozpuszczalników organicznych, a także wysokiej temperatury (>50oC) następuje ich wytrącenie z roztworu.
2. Białka wykazują właściwości kwasowo-zasadowe, gdyż ich składniki – aminokwasy posiadają grupy funkcyjne zdolne do jonizacji. Przy pewnej charakterystycznej dla każdego białka wartoś-ci pH, nazywanej punktem izoelektrycznym, cząsteczki mają zerowy ładunek. Przy tej wartości rozpuszczalność większości białek osiąga minimum. Przy wartościach pH, różnych od punktu izoelektrycznego, proteiny występują w roztworze w postaci makrojonów, przez co mogą poru-szać się w polu elektrycznym. Białka ulegają specyficznym rekcjom uwarunkowanym obecnoś-cią różnych grup funkcyjnych aminokwasów.
Poważnym problemem w gospodarce białkowej człowieka jest alkoholizm. Alkohol przenika do płynów i soków tkankowych człowieka. Nie ulegając trawieniu dostaje się do krwi przez błonę śluzową żołądka i jelit. Wraz z krwią jest roznoszony po całym organizmie, do wszystkich jego tkanek. Alkohol, tak jak i wysoka temperatura powoduje ścinanie białek. Destrukcyjne działanie alkoholu dotyka wszystkich układów. Zmniejsza siłę obronną organizmu przy wszelkich stanach zapalnych i gorączce oraz obniża sprawność fizyczną i umysłową. Wpływa hamująco na rozwój młodego organizmu i degeneruje go.
Białka dzielimy ze względu na ich budowę, właściwości chemiczno-fizyczne oraz funkcje.
1. Podział ze względu na budowę:
- proste - cząsteczki zbudowane są wyłącznie z łańcuchów polipeptydowych,
- złożone - cząsteczki zwierają nie tylko łańcuchy polipeptydowe, ale także składniki niepepty-dowe, np.: jony metalu – hemoglobina.
Do białek złożonych zaliczamy m.in.:
- nukleoproteiny - białka jąder komórkowych,
- witelinę - występującą w żółtku jaja kurzego,
- kazeinę - substancję białkową mleka.
2. Podział ze względu na powiązanie budowy z funkcją:
- część funkcjonalna – zawierająca centrum katalityczne reakcji,
- część strukturalna – najczęściej hydrofobowa, kotwicząca białko w błonie lipidowej.
3. Podział ze względu na rozpuszczalność w wodzie:
- hydrofobowe (nierozpuszczalne, fibrylarne) - występują najczęściej w błonach komórkowych,
- hydrofilowe (rozpuszczalne, globularne) - występują najczęściej w cytoplazmie.
4. Podział ze względu na pełnioną funkcję:
- enzymy – receptory,
- zapasowe – strukturalne,
- transportujące - przeciwciała (białka ochronne),
- kurczliwe – regulatorowe,
- hormony,
- toksyny.
Białka jako składniki pożywienia mają bardzo różnorodny skład aminokwasowy. Ilość amino-kwasów i skład jakościowy, strawność oraz przyswajalność decydują o wartości odżywczej bia-łek. Uwzględniając różną wartość odżywczą białka dzielimy na:
- pełnowartościowe - zawierają wszystkie niezbędne aminokwasy, w stosunku ilościowym zape-wniającym właściwe pokrycie zapotrzebowania organizmu człowieka. Do nich zaliczamy przede wszystkim białka pochodzenia zwierzęcego, występujące w mięsie, jajach, mleku, rybach, serze.
- częściowo niepełnowartościowe - to takie, w których wprawdzie są obecne wszystkie niezbęd-ne aminokwasy, lecz co najmniej jeden w ilości nie wystarczającej. Tego rodzaju białka występują w pokarmach roślinnych, zwłaszcza w przetworach zbożowych.
- niepełnowartościowe - są to najczęściej białka pochodzenia roślinnego.
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 dostar-czanie materiału budulcowego dla komórek i tkanek. Z białkiem to jest tak: jeśli jest go za dużo może szkodzić, jeśli za mało - też bardzo niedobrze. Naturalnie odnosi się to do dłużej trwające-go 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.
Jaja kurze są uważane za najkorzystniejsze źródło białka, gdyż zawierają wszystkie 10 niezbęd-nych aminokwasów we właściwych proporcjach. Kolejne w rankingu jest mleko, a następnie mięso. Jednak należy bardzo ostrożnie dobierać produkty mięsne, gdyż wiele z nich oprócz peł-no wartościowego białka zawiera bardzo duże ilości niepożądanego tłuszczu. Z produktów mięs-nych zdecydowanie najkorzystniej wypada drób, a szczególnie kurczaki i indyki oraz mięso ryb.
Bardzo dobrymi źródłami białka pochodzenia roślinnego (ponad 20% białka, mniej niż 20% tłu-szczu) są:
· ziarna soi,
· czarna fasola,
· soczewica,
· suche ziarna grochu,
· ziarna pszenicy.
Białka można wykryć dwoma sposobami. Za pomocą reakcji biuretowej i ksantoproteinowej:
- Reakcja biuretowa polega na zmieszaniu białka z mieszaniną roztworu siarczku miedzi (II) i wodorotlenku potasu. W obecności białka ten roztwór zabarwia się na fioletowo-czerwony ko-lor, a w przypadku obecności polipeptydów na purpurowo.
- Reakcja ksantoproteinowa jest to reakcja białek z kwasem azotowym (V), w wyniku której po-jawia się żółto-pomarańczowe zabarwienie roztworu.
Złożoność form oraz wzajemne powiązania wielu funkcji białek sprawia, że wyczerpujące opisa-nie tej najliczniejszej grupy związków organicznych wydaje się być niemożliwe. Związki te są powiązane z przeważającą większością procesów zachodzących w komórce. Białka wchodzą w skład wszystkich organelli komórkowych, a także są składnikami wirusów. W sumie jest to króciutki opis tej najszlachetniejszej formy architektonicznej stworzonej przez przyrodę.