Przegląd

Białka to łańcuchy aminokwasów połączone ze sobą wiązaniami peptydowymi. Podczas syntezy białko składa się w trójwymiarową konformację, która ma kluczowe znaczenie dla jego funkcji biologicznej. Interakcje między aminokwasami składowymi kierują fałdowaniem białek, a zatem struktura białka zależy przede wszystkim od jego sekwencji aminokwasów.

Struktura białka ma kluczowe znaczenie dla jego funkcji biologicznej

Białka pełnią szeroki zakres funkcji biologicznych, takich jak katalizowanie reakcji chemicznych, zapewnianie obrony immunologicznej, magazynowanie, transport, komunikację komórkową, ruch i wsparcie strukturalne. Funkcja białka zależy głównie od jego zdolności do rozpoznawania i wiązania innych cząsteczek, analogicznie do zamka i klucza. W związku z tym specyficzna aktywność każdego białka zależy od jego unikalnej trójwymiarowej architektury.

Aby białko było funkcjonalne, musi dokładnie się składać. Większość białek przechodzi przez kilka form pośrednich, zanim złoży się w najbardziej stabilną, biologicznie aktywną strukturę. Nieprawidłowe fałdowanie białek ma szkodliwy wpływ na ogólne funkcjonowanie komórki. U ludzi kilka chorób jest spowodowanych nagromadzeniem nieprawidłowo sfałdowanych lub pofałdowanych białek. Należą do nich mukowiscydoza, choroba Alzheimera, Parkinsona, ALS i choroba Creutzfeldta-Jakoba.

Kluczowe determinanty struktury białek

Białka składają się z jednego lub więcej łańcuchów aminokwasów, zwanych polipeptydami. Polipeptyd jest syntetyzowany jako liniowy łańcuch, który szybko się fałduje, tworząc trójwymiarową strukturę. Termin polipeptyd i białko są czasami używane zamiennie, ale najczęściej pofałdowany polipeptyd, który może pełnić funkcję biologiczną, nazywany jest białkiem. Struktura białka jest zwykle opisywana na czterech poziomach: pierwszorzędowym, drugorzędowym, trzeciorzędowym i czwartorzędowym. Większość polipeptydów składa się w ogólnie zwarte, kuliste struktury trzeciorzędowe, takie jak hemoglobina, białko przenoszące tlen we krwi. Niektóre białka, takie jak keratyny, mogą tworzyć długie włókna, które są powszechnie spotykane we włosach i paznokciach.

Sekwencja aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym jest podstawowym wyznacznikiem jego budowy. Sekwencja aminokwasów określa rodzaj i lokalizację struktur drugorzędowych. Ponadto ogólna trzeciorzędowa struktura białka jest głównie stabilizowana przez wiązania chemiczne między łańcuchami bocznymi aminokwasów - unikalnymi grupami chemicznymi, które odróżniają aminokwasy od siebie. Te łańcuchy boczne są naładowane dodatnio lub ujemnie, nienaładowane biegunowo lub niepolarne.

Aminokwasy mają unikalne właściwości fizyczne i chemiczne w zależności od ich grup łańcuchów bocznych. Na przykład aminokwasy polarne i naładowane oddziałują z wodą, tworząc wiązania wodorowe i nazywane są hydrofilowymi, podczas gdy aminokwasy niepolarne unikają interakcji z wodą i nazywane są hydrofobowymi. Stąd, gdy białko jest fałdowane w środowisku komórkowym, łańcuchy boczne aminokwasów hydrofobowych są zakopane w rdzeniu białka z dala od otoczenia wodnego, podczas gdy łańcuchy boczne aminokwasów hydrofilowych są odsłonięte na powierzchni białka.

Ciasno upakowane aminokwasy hydrofobowe w rdzeniu białkowym prowadzą do powstawania słabych oddziaływań Van der Waalsa pomiędzy grupami łańcuchów bocznych. Obecność tych sił Van der Waalsa nadaje dodatkową stabilność pofałdowanemu białku. Aminokwasy polarne odsłonięte na powierzchni białka mogą swobodnie tworzyć wiązania wodorowe z cząsteczkami wody lub innymi łańcuchami bocznymi aminokwasów polarnych. Dodatnio i ujemnie naładowane aminokwasy są również obecne na zewnątrz białka, gdzie tworzą wiązania jonowe z innymi pobliskimi, przeciwnie naładowanymi aminokwasami.

Wiązania dwusiarczkowe tworzą się między dwiema grupami sulfhydrylowymi lub SH na aminokwasie cysteinie. Jest to bardzo silna interakcja, która działa jak wzmocnienie na pofałdowane białko. Obecność wiązań dwusiarczkowych blokuje pofałdowane białko w jego najbardziej preferowanej trójwymiarowej konformacji. Prawidłowe fałdowanie białka zależy również od innych czynników środowiska komórkowego, takich jak pH, stężenie soli, temperatura itp. Zmiana warunków fizycznych i chemicznych w środowisku białkowym wpływa na interakcje chemiczne utrzymujące białko razem i może spowodować nieprawidłowe fałdowanie lub rozwinięcie białka i utratę funkcji biologicznej - proces znany jako denaturacja białka.