Białka: od sekwencji do kształtu

Białka są liniowymi, nierozgałęzionymi polimerami zbudowanymi z dwudziestu aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi. Ich budowę opisuje się na czterech poziomach, a każdy kolejny wynika z poprzedniego.

Struktura I-rzędowa to kolejność aminokwasów połączonych wiązaniami peptydowymi, czyli amidowymi. Gen koduje wyłącznie ją. Nie ma osobnego zapisu na helisę ani na kształt kłębka: wyższe poziomy wynikają z kolejności reszt i ze środowiska, w którym łańcuch się zwija. Dlatego podmiana jednego aminokwasu potrafi przestawić całą bryłę, jak w anemii sierpowatej, gdzie kwas glutaminowy zastąpiony waliną zmienia rozpuszczalność hemoglobiny.

Struktura II-rzędowa powstaje dzięki wiązaniom wodorowym między atomami szkieletu: helisa α ma 3,6 reszty na skręt, a harmonijka β układa obok siebie rozciągnięte odcinki łańcucha, zwane niciami β, biegnące w tym samym kierunku (harmonijka równoległa) albo w przeciwnych (antyrównoległa). Reszty R w tym poziomie nie uczestniczą. Jeden łańcuch nie przyjmuje przy tym jednej struktury na całej długości: odcinki helisy przeplatają się z harmonijką i z fragmentami nieuporządkowanymi, a w miejscach prolin helisa się urywa.

Struktura III-rzędowa to przestrzenny kształt całego łańcucha, ustalony przez oddziaływania reszt R. Główną siłą jest efekt hydrofobowy: reszty niepolarne nie tworzą wiązań wodorowych z wodą, więc chowają się do wnętrza bryły, a na powierzchni zostają polarne i naładowane. Dodatkowo działają wiązania jonowe między resztami kwasowymi i zasadowymi, wiązania wodorowe między resztami oraz kowalencyjne mostki dwusiarczkowe między resztami cysteiny.

Na poziomie III-rzędowym białka dzielą się na dwa typy. Globularne zwijają się w zwartą bryłę o hydrofobowym rdzeniu, są rozpuszczalne w wodzie i pełnią funkcje enzymatyczne, transportowe i regulacyjne: enzymy, albuminy, hemoglobina, przeciwciała. Fibrylarne mają kształt wydłużonych włókien, powtarzalną strukturę II-rzędową na całej długości i są nierozpuszczalne, przez co nadają się na budulec: kolagen, keratyna, elastyna, fibroina jedwabiu.

Struktura IV-rzędowa występuje tylko w białkach zbudowanych z co najmniej dwóch łańcuchów polipeptydowych. Hemoglobina składa się z czterech podjednostek, dwóch α i dwóch β, z których każda zawiera grupę hemową z jonem żelaza. Mioglobina, bardzo do niej podobna i też wiążąca tlen, ma jeden łańcuch, więc struktury IV-rzędowej nie tworzy w ogóle. Łańcuchy nie są połączone wiązaniem peptydowym, tylko siłami słabszymi: wiązaniami wodorowymi, jonowymi i oddziaływaniami hydrofobowymi, czasem mostkiem dwusiarczkowym.

Właśnie na tym poziomie pojawia się współdziałanie podjednostek. Przyłączenie tlenu przez jedną podjednostkę hemoglobiny zmienia jej kształt, a przez kontakt z sąsiadami ułatwia przyłączenie tlenu przez pozostałe. Mioglobina, mając jeden łańcuch, tak działać nie może, i dlatego jej krzywa wiązania tlenu ma inny przebieg.

Białka proste zbudowane są wyłącznie z aminokwasów, jak albuminy, globuliny, histony, kolagen i keratyna. Białka złożone zawierają dodatkowo część niebiałkową, zwaną grupą prostetyczną: hemoglobina i mioglobina hem z żelazem, glikoproteiny resztę cukrową, lipoproteiny część lipidową, metaloproteiny jon metalu. Część niebiałkowa nie jest ozdobą, tylko wykonuje to, czego sam łańcuch aminokwasów wykonać nie umie, jak wiązanie tlenu przez żelazo hemu.

Denaturacja to utrata struktury przestrzennej pod wpływem temperatury, skrajnego pH, metali ciężkich, mocznika lub alkoholu. Wysoka temperatura zwiększa energię kinetyczną atomów w łańcuchu, więc drgają one gwałtowniej i rozrywają słabe wiązania wodorowe oraz oddziaływania hydrofobowe, nie naruszając znacznie trwalszych wiązań peptydowych. Skrajne pH zmienia ładunek reszt kwasowych i zasadowych, przez co znikają wiązania jonowe. Metale ciężkie, takie jak ołów czy rtęć, wiążą się z grupami sulfhydrylowymi (–SH) cystein i w ten sposób rozrywają mostki dwusiarczkowe.

Rozrywane są zatem wiązania utrzymujące poziomy II, III i IV, natomiast wiązania peptydowe pozostają nienaruszone, więc struktura I-rzędowa przetrwa. Białko traci jednak kształt, a wraz z nim funkcję, bo to kształt decyduje o działaniu: enzym bez centrum aktywnego o właściwej geometrii nie wiąże substratu.

Denaturacja nie zawsze jest nieodwracalna. Gdy czynnik działa łagodnie i krótko, a łańcuch nie zdąży zetknąć się z sąsiadami, po usunięciu czynnika białko potrafi zwinąć się z powrotem. Nazywamy to renaturacją, a klasycznym przykładem jest doświadczenie Anfinsena na rybonukleazie, które pokazało, że cała informacja o kształcie siedzi w sekwencji. Renaturacja bywa jednak w komórce wspomagana przez osobne białka opiekuńcze.

Koagulacja jest krokiem dalej i jest nieodwracalna. Rozplątane łańcuchy mają odsłonięte reszty hydrofobowe, które zamiast schować się do własnego rdzenia, łączą się z resztami sąsiednich cząsteczek. Powstaje trwała siatka, białko zlepia się i wytrąca z roztworu. To widać jako ścinanie się białka jaja na patelni, i z tego samego powodu ugotowanego jajka nie da się odgotować.

Znaczenie biologiczne białek wynika z różnorodności kształtów: enzymy katalizują reakcje, przeciwciała rozpoznają antygeny, hemoglobina transportuje tlen, kolagen i keratyna pełnią funkcje budulcowe, aktyna i miozyna umożliwiają ruch, a hormony peptydowe przenoszą sygnały.