Peptydy, białka

Peptydy są amidami utworzonymi w wyniku reakcji tworzenia wiązań peptydowych pomiędzy dwu lub więcej aminokwasami. W zależności od ilości reszt aminokwasowych w cząsteczce peptydu jest on nazywany dipeptydem (2 reszty), tripeptydem (3 reszty), tetrapeptydem (4 reszty), itd. aż do polipeptydów. Przyjmuje się,

że cząsteczki poli(aminokwasowe) o masie do 10000 u są uznawane za peptydy, o masach większych – za

białka. Właściwości tego typu połączeń zależne są wyłącznie od natury i porządku aminokwasów wchodzących w ich skład. Oprócz wiązań peptydowych za strukturę białek lub peptydów odpowiedzialne są także inne typy oddziaływań kowalencyjnych bądź niekowalencyjnych.

wiązania disiarczkowe (disulfidowe) – są drugim, ważnym wiązaniem kowalencyjnym spotykanym w

cząsteczkach peptydów, będących dla nich swoistym. Jest to efekt utleniania grup –SH reszt cysteiny wchodzących w skład łańcucha polipeptydowego. Rozróżniamy wewnątrzłańcuchowe (a) wiązania disulfidowe, które występują pomiędzy resztami cysteiny w obrębie tego samego łańcucha peptydowego, oraz międzyłańcuchowe (b) wiązania disiarczkowe, łączące dwa oddzielne łańcuchy białkowe. Energia wiązania wynosi około 210 kJ*mol^-1.

NH HN O S S HN NH O O O

Ala Cys Gly Phe Gly Cys Ala Lys Cys Leu

S S S S Ser Cys Trp Ile Val Arg a b

wiązania wodorowe – są to oddziaływania międzycząsteczkowe lub wewnątrzcząsteczkowe atomu wodoru

w grupie X–H (gdzie X jest atomem elektroujemnym, np.: O, N, S) z grupą elektrodonorową Y, typu X-H^...Y. Grupę XH nazywamy protonodonorem, grupę Y, protonoakceptorem. Typowe wiązania wodorowe występujące w białkach, to: OH^...O; OH^...N; NH^...O; NH^...N. Jest to oddziaływanie w dużej mierze elektrostatyczne. Atom X, silnie elektroujemny, wywołuje polaryzację wiązania X–H, w skutek czego na atomie wodoru pojawia się cząstkowy ładunek dodatni. Elektroujemny atom Y charakteryzuje się cząstkowym ładunkiem ujemnym, co prowadzi z kolei do coulombowsciego oddziaływania atomu wodoru z atomem Y. W peptydach i białkach istnieje wiele elementów zdolnych do tworzenia wiązań wodorowych, zarówno wewnątrzcząsteczkowych, odpowiedzialnych za wiele aspektów strukturalnych polipeptydów, jak również międzycząsteczkowych, odpowiedzialnych za strukturę czwartorzędową, wiązanie substratów do

enzymów, oddziaływanie z receptorami, hydratację itd. W tworzeniu wiązań wodorowych uczestniczą zarówno grupy NH i CO wiązań peptydowych, jak też podstawniki protonodonorowe bądź akceptorowe łańcuchów bocznych aminokwasów. Energia tych wiązań wynosi 12-29 kJ*mol^-1.

X

H

Y

oddziaływania hydrofobowe – jest to oddziaływanie pomiędzy niepolarnymi resztami aminokwasów

alifatycznych, będące efektem sił dyspersyjnych (wiązań Van der Waalsa). Jest szczególnie istotne w przypadku reszt waliny, leucyny i izoleucyny. Pomimo niewielkiej mocy biorą udział w stabilizacji struktury wielu białek. Dodatkowo oddziaływania hydrofobowe są wzmacniane na skutek oddziaływań z cząsteczkami wody. Wokół grup niepolarnych molekuły wody tworzą „grona”, związane ze sobą wiązaniami wodorowymi. Zwiększa to lokalnie ich stopień uporządkowania i, co za tym idzie, zwiększa energię swobodną w otoczeniu reszt niepolarnych. Z drugiej strony wzajemna asocjacja reszt alifatycznych zmniejsza przestrzeń hydrofobową dostępną dla cząsteczek wody. To z kolei minimalizuje ich uporządkowanie, co powoduje wzrost entropii i spadek energii swobodnej, w efekcie stabilizując takie ułożenie podstawników. Moc wiązania 4-8 kJ*mol^-1

.

wiązania jonowe – są efektem oddziaływań elektrostatycznych zjonizowanych reszt aminowych i

karboksylanowych. Stwarzają one dodatkową możliwość stabilizacji struktury peptydu. Mogą mieć charakter przyciągający (między grupami różnoimiennie naładowanymi) lub odpychający (między grupami naładowanymi równoimiennie). Moc wiązania 160-460 kJ*mol^-1.

oddziaływania typu π-π – w białkach występują aminokwasy aromatyczne (Phe, Tyr, Trp, His). Oddziaływania elektronów π dwóch różnych reszt aminokwasowych stanowi słaby, aczkolwiek istotny, element determinujący strukturę białka.

oddziaływania elektrostatyczne – pomiędzy grupami nie obdarzonymi całkowitym ładunkiem elektrycznym,

lecz posiadającymi ładunki cząstkowe będące efektem polaryzacji wiązań, dochodzi często do oddziaływań coulombowskich, które, pomimo niewielkiej siły, grają pewną rolę w determinowaniu struktur białek. Pierwszorzędową strukturę peptydu (białka) określa liczba, budowa chemiczna i kolejność reszt aminokwasowych. Jest ona zatem determinowana przez wiązania peptydów pomiędzy aminokwasami. W ramach struktury pierwszorzędowej uwzględnia się także położenie wiązań disiarczkowych. Jak wiadomo wiązanie peptydowe, ze względu na częściowy charakter podwójny, jest płaskie. Może jednak mieć miejsce swobodny obrót wokół wiązań pomiędzy węglem alfa a grupą karbonylową i amidową. Struktura łańcucha polipeptydowego jest zatem półsztywna, pewne jej fragmenty są koplanarne, inne posiadają swobodę obrotu, stabilizacja jednej z możliwych konformacji jest efektem wiązań niekowalencyjnych. Konformację łańcucha opisuje się przez podanie wartości kątów dwuściennych wiązań pomiędzy C^α-CO (kąt ψ) oraz C^α-NH (kąt φ). Geometrię łańcucha polipeptydowego prezentują rysunki (kolorem zaznaczono obszary planarne).

Efektem rotacji wokół wiązań C^α-N i C^α-CO jest przyjmowanie przez łańcuch polipeptydowy różnych konformacji przestrzennych. Pod pojęciem struktury drugorzędowej rozumiemy przestrzenne współzależności między aminokwasami w łańcuchu. W zależności od środowiska w którym znajduje się białko oraz oddziaływań niekowalencyjnych, łańcuch może przyjmować strukturę od całkowicie nieuporządkowanej do silnie skręconej helisy. Z punktu widzenia strukturalnej chemii protein istotne są dwie stabilne konformacje. Pierwszą z nich jest α-heliks. W strukturze tej łańcuchy boczne aminokwasów wystają na zewnątrz od centrum helisy, natomiast łańcuch główny (-NH-CO-C-NH-CO-) przyjmuje strukturę śrubową. Na jeden skok helisy, wynoszący 0,54 nm, przypada 3,6 reszty aminokwasowej, odstęp przypadający na jedną resztę wynosi 0,15 nm; średnica kanału utworzonego przez heliks wynosi 5 nm. Właściwości α-helisy są następujące:

• Strukturę α-helisy stabilizują międzyaminokwasowe wiązania wodorowe, występujące pomiędzy grupą NH wiązania peptydowego jednego aminokwasu a grupą CO aminokwasu oddalonego o cztery reszty w strukturze pierwszorzędowej. Należy pamiętać iż każde wiązanie peptydowe obszaru helikalnego uczestniczy w tworzeniu wiązań wodorowych.

• Zaangażowanie wszystkich atomów azotu i tlenu łańcucha peptydowego w ten typ oddziaływań znacznie zmniejsza charakter hydrofilowy tego regionu.

• Heliks prawozwojowy jest bardziej stabilny niż lewozwojowy.

• Helisa formuje się spontanicznie, ponieważ stanowi najbardziej stabilną konformację łańcucha polipeptydowego (najniżej energetyczną)

• Resztami destabilizującymi helisę są aminokwasy o elektrycznie nieobojętnych lub dużych łańcuchach bocznych, które na skutek oddziaływań elektrostatycznych lub sterycznych przeszkadzają w utworzeniu struktury helikalnej. Fragmenty helikalne kończy prolina lub hydroksyprolina, która, na skutek wbudowania grupy aminowej w pierścień, nie posiada możliwości rotacji wokół wiązania C^α-N.

0,15 nm ^{0,54 nm}

0,5 nm

Drugim, strukturalnie i biochemicznie istotnym, typem struktury drugorzędowej jest tak zwana struktura β nazywana również harmonijką β. W konformacji tej łańcuch pozostaje prawie całkowicie rozprostowany. Struktura β nosi nazwę antyrównoległej (przeciwrównoległej), jeśli dwa sąsiednie łańcuchy biegną w przeciwnych kierunkach. Jeśli łańcuchy podążają w tym samym kierunku mamy do czynienia ze strukturą równoległą, nie występującą w naturalnych peptydach. Struktura harmonijkowa może mieć postać kilku łańcuchów równoległych do siebie. Wiązania wodorowe, stabilizujące strukturę β, występują pomiędzy odległymi od siebie, w sensie struktury pierwszorzędowej, fragmentami cząsteczki, leżącymi równolegle do siebie. Mogą również tworzyć się między różnymi łańcuchami polipeptydowymi. Odległość sąsiednich aminokwasów wzdłuż osi cząsteczki wynosi 0,35 nm.

Ostre zmiany kierunku łańcucha peptydowego są możliwe dzięki tak zwanym zakrętom β (strukturom spinki do włosów), ciasnym pętlom, w których tlen grupy karbonylowej jednej reszty aminokwasowej tworzy wiązanie wodorowe z protonem amidowym aminokwasu oddalonego o 3 reszty do przodu. W zakrętach β często

występuje prolina i glicyna, pierwsza ze względu na strukturalne wymuszenie konformacji sprzyjającej zmianie kierunku, druga, gdyż podstawniki wodorowe ze względów sterycznych nie przeszkadzają w tworzeniu takiej konformacji a ponadto może działać jako giętki zawias pomiędzy zakrętem a resztą peptydu.

Czasami do zagadnień związanych ze strukturą drugorzędową zalicza się tworzenie trimetycznych struktur helikalnych, występujących w cząsteczce kolagenu. Tworzą ją trzy łańcuchy polipeptydowe, zawierające w swojej cząsteczce regularnie powtarzające się sekwencje. Co trzecim aminokwasem peptydu jest glicyna, poprzedzające na ogół resztę proliny i często poprzedzona resztą hydroksyproliny. W obrębie pojedynczej nici nie tworzą się wiązania wodorowe, natomiast helikalność każdego z trzech łańcuchów jest determinowana przez odpychające oddziaływania pierścieni pirolidynowych i hydroksypirolidynowych wchodzących w skład Pro lub Hyp. Na jeden aminokwas przypada 0,286 nm a na jeden skręt helisy przypadają trzy aminokwasy. Tworzenie trójniciowej superstruktury determinowane jest z kolei przez oddziaływania wodorowe pomiędzy aminokwasami trzech różnych łańcuchów. Trzy jednakowe nici, skręcające się wokół siebie tworzą strukturę superhelikalnej liny, o dużej odporności mechanicznej i elastyczności. Struktura kolagenu jest czasami zaliczana do struktur czwartorzędowych.

Mówiąc o strukturze trzeciorzędowej, mamy na myśli ułożenie łańcucha białkowego, uorganizowanego już w strukturę drugorzędową (alfa-helisa lub beta-harmonijka) w przestrzeni. Ułożenie regionów lub domen względem siebie jest często trudne do rozgraniczenia od wzajemnego ułożenia aminokwasów, czyli od struktury drugiego rzędu. Jednakże, pomimo nieostrej granicy, przyjmuje się, iż struktura trzeciorzędowa dotyczy fragmentów znacznie od siebie oddalonych w sensie budowy pierwszorzędowej. Istnieje wiele motywów strukturalnych, zliczanych do uporządkowania trzeciego rzędu, powtarzających się w wielu biologicznie ważnych peptydach. Struktura trzeciorzędowa jest determinowana przez oddziaływania kowalencyjne (mostki disiarczkowe) lub niekowalencyjne. Duże znaczenie w stabilizacji tej struktury odgrywa specyficzna forma oddziaływań hydrofobowych. Jest ona efektem 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. Cząsteczka białka jest otoczona warstwą związanej wody hydratacyjnej.

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. Nazywamy je także monomerami lub protomerami. Jeśli podjednostki mają tę samą strukturę pierwszorzędową, mówimy o homogennej strukturze czwartorzędowej oligomeru, jeśli zaś podjednostki różnią się między sobą, mamy do czynienia ze strukturą heterogenną. Oddziaływania pomiędzy poszczególnymi łańcuchami są efektem sił elektrostatycznych, wiązań wodorowych, wiązań jonowych czy Van der Waalsa. Niektórzy zaliczają tutaj również oddziaływania disulfidowe, jednakże przyjmuje się, iż w tworzeniu struktur czwartego rzędu mogą uczestniczyć wyłącznie wiązania niekowalencyjne,

a podjednostki muszą, przynajmniej potencjalnie, dać się rozdzielić bez niszczenia wiązań kowalentnych. W tworzeniu się form oligomerycznych wydatnie uczestniczą również oddziaływania o naturze hydrofobowej. Powierzchnie styku poszczególnych podjednostek oligomeru zawierają dużą ilość aminokwasów niepolarnych. Efektem tego jest "sklejenie" podjednostek i "uszczelnienie" przed wniknięciem rozpuszczalnika. Białka oligomeryczne odgrywają szczególną rolę w regulacji wewnątrzkomórkowej ponieważ monomery, na skutek oddziaływań z czynnikami środowiska, mogą przyjmować różne ułożenie względem siebie, co często prowadzi do istotnych zmian w ich właściwościach. Najmniejsze białka oligomeryczne zawierają po 2 podjednostki (dimery, np.: laktoglobulina), największe, po kilka tysięcy cząsteczek monomeru (wirus mozaiki tytoniowej, 2130 podjednostek).