Bielkoviny

Bielkoviny - proteíny - sú po chemickej stránke lineárne biopolyméry zložené z aminokyselín, navzájom pospájaných kovalentnou peptidovou väzbou, preto sa zvyknú nazývať aj polypeptidy. Polypeptidový reťazec môže tvoriť jednu funkčnú molekulu proteínu, ale proteín môže byť zložený z viacerých polypeptidových reťazcov, čo súvisí s kvartérnou štruktúrou proteínov.

Proteíny sú makromolekulové látky s osobitným postavením v živých systémoch. Predstavujú štruktúru, ktorá podmieňuje základné prejavy života organizmov. Možno povedať, že sám "život je vo svojej podstate osobitnou formou existencie bielkovín" (F. Engels). Pri evolúcii živých systémov boli proteíny pralátkou (gr. protos = prvý), na ktorej sa formoval celý ďalší vývoj organizmov. V súčasnosti nepoznáme život bez bielkovín.

Bielkoviny plnia v organizme mnohé základné funkcie:

  • štruktúrne (tvorba buniek a tkanív organizmov)
  • katalytické (vo forme rozmanitých enzýmov)
  • transportné (prenos biologicky aktívnych látok)
  • pohybové (kontrakcia svalových vláken a celých buniek)
  • obranné (vo forme protilátok)
  • regulačné (ako hormóny)

Štruktúra bielkovín

Bielkoviny môžu svoje funkcie vykonávať len vtedy, keď sú zbalené do patričného tvaru, tzv. priestorovej konformácie. Správna konformácia bielkoviny zabezpečuje optimálnu špecifickú interakciu s inou molekulou (napr. enzým - substrát), sprostredkovanú slabými nekovalentnými väzbami (vodíkové mostíky, van der Waalsove sily, iónové alebo hydrofóbne interakcie) medzi aminokyselinovými postrannými reťazcami a danou molekulou (rôznej chemickej povahy). Konformácia bielkoviny je priamo daná jej zložením, t.j. počtom a poradím jednotlivých aminokyselín tvoriach polypeptidový reťazec. Tak, ako v prípade nukleových kyselín, aj pri bielkovinách sa stretávame s rôznym stupňom priestorovej organizácie jej stavebných molekúl (aminokyselín).

Primárna štruktúra

Bielkoviny sú zložené z aminokyselín, ktoré sú pospájané do rôzne dlhých reťazcov peptidovými väzbami -CO-NH-. Možno teda povedať, že bielkoviny sú vlastne polypeptidy (podľa počtu aminokyselín - di-, tri-, oligo-, polypeptid). Peptidová väzba vzniká medzi -NH2 koncom jednej aminokyseliny a -COOH koncom druhej aminokyseliny, pričom sa pri chemickej reakcii odštepuje voda.

Z hľadiska biologických vlastností bielkoviny je pritom dôležité nielen to, aké aminokyselinové zvyšky polypeptidový reťazec obsahuje, ale aj ich poradie, a práve táto informácia určuje primárnu štruktúru bielkoviny. Tá podmieňuje aj ostatné typy štruktúr a biologickú funkciu proteínu. V bielkovinách sa pravidelne vyskytuje 20 aminokyselín, pričom za vzniku dipeptidu môžu zreagovať ľubovoľné dve aminokyseliny.

Sekundárna štruktúra

Sekundárna štruktúra už naznačuje isté geometrické usporiadanie - konformáciu bielkoviny. Je podmienená predovšetkým vodíkovými mostíkmi medzi skupinami -C=O a H-N- susedných aminokyselinových zvyškov. Sú dva typy sekundárnej konformácie, ktoré sa nazývajú aj motívy:

  • skladaný list (β-štruktúra)
  • skrutkovica (α-helix)

Medzi týmito motívmi netvorí polypeptidový reťazec nijaký špeciálny, definovaný tvar, naopak, skladaný list a skrutkovica sú definované pomerne presne. Sekundárna štruktúra neznámeho proteínu, napriek tomu, že je daná už jeho primárnou štruktúrou, sa pomerne ťažko predikuje (predpokladá). Prakticky sa vychádza len z experimentálnych priestorových meraní pre iné proteíny a výpočtu pravdepodobnosti, s akou sa dané susediace aminokyseliny zvyknú nachádzať v tom-ktorom motíve.

Skladaný list

Skladaný list môže mať usporiadanie paralelné alebo antiparalelné. Tvoria ho reťazce aminokyselín radených vedľa seba a spojených medzi sebou karboxylovými a aminoskupinami. Aminokyselinové zvyšky -R sú orientované nad a pod rovinu skladaného listu. Takúto štruktúru má napr. bielkovina keratín v nechtoch.

Skrutkovica

Skrutkovica môže byť ľavotočivá alebo pravotočivá. Táto štruktúra vzniká v rámci jedného reťazca. Stabilitu skrutkovice podmieňujú vodíkové mostíky karboxylových a aminoskupín nad sebou ležiacich aminokyselín. Takúto stavbu má väčšina globulárnych bielkovín.

Terciárna štruktúra

Terciárna štruktúra (konformácia) predstavuje definitívne priestorové usporiadanie skrutkovíc a skladaných listov v priestore, poprepájaných rôzne zvlneným polypeptidovým vláknom. Proteíny pritom môžu obsahovať (a často aj obsahujú) úseky skrutkovice, aj úseky usporiadané ako skladaný list, a celá priestorová štruktúra bielkoviny môže byť preto veľmi komplikovaná. Táto štruktúra je pritom stabilizovaná množstvom nekovalentných väzieb (vodíkové väzby, van der Waalsove sily, iónové interakcie, hydrofóbne väzby) ako aj niektorými špecifickými väzbami, najmä disulfidickými (-S-S-). Pri správnej konformácii bielkoviny majú význam aj molekuly vody, pretože všetky bielkoviny (alebo prinajmenšom ich časti) sa nachádzajú vo vodnom prostredí. Pomerne osobitnú skupinu bielkovín tvoria membránové proteíny, ktoré obsahujú predikovateľné (predpovedateľné) motívy prechádzajúce fosfolipidovou dvojvrstvou biomembrán.

Pre biologickú funkciu bielkoviny má práve terciárna štruktúra podstatný význam. Napríklad za biologickú aktivitu enzýmov alebo protilátok sú zodpovedné miesta na povrchu ich molekúl - aktívne centrá, ktorých presnú stavbu určuje práve terciárna štruktúra. Ak sa táto štruktúra poruší, nemôže daná bielkovina plniť svoju biologickú funkciu.

Kvartérna štruktúra

Kvartérnu štruktúru majú iba niektoré veľmi zložité bielkoviny, ktoré sú zložené z viacerých bielkovinových podjednotiek - polypeptidových reťazcov. Kvartérna štruktúra predstavuje teda definitívne usporiadanie takýchto podjednotiek v priestore do jednej komplexnej makromolekuly bielkoviny. Toto spojenie polypeptidových reťazcov je tak isto dané slabými medzimolekulovými interakciami.

Vlastnosti a rozdelenie bielkovín

Vlastnosti bielkovín sú podmienené ich chemickým zložením, štruktúrou a molekulovou hmotnosťou. Sú to tuhé látky, ich rozpustnosť vo vode je veľmi odlišná, môžu tvoriť koloidné roztoky.

Bielkoviny delíme podľa tvaru molekuly:

  • fibrilárne bielkoviny - vláknité, nerozpustné vo vode, veľká molekulová hmotnosť
  • globulárne bielkoviny - klbkovité, rozpustné vo vode

Podľa rozpustnosti:

  • albumíny - rozpustné vo vode
  • globulíny - nerozpustné vo vode

Podľa nebielkovinovej zložky:

  • jednoduché (proteíny) - sú zložené len z aminokyselinových zvyškov,
  • zložené (proteidy) - obsahujú aj nebielkovinovú zložku:
    • nukleoproteidy - obsahujú zložku nukleovej kyseliny (napr. ribozomálne podjednotky, telomeráza),
    • glykoproteidy - majú v molekule polysacharid (napr. mucín v slinách),
    • fosfoproteidy - v molekule majú estericky viazanú fosfoskupinu H3PO4 (napr. kazeín),
    • lipoproteidy - nebielkovinovou zložkou sú lipidy (napr. LDL, HDL),
    • metaloproteidy - obsahujú v molekule ión kovu (napr. bielkovina feritín obsahuje železo),
    • chromoproteidy - obsahujú naviazanú zväčša väčšiu prostetickú skupinu, ktorá spôsobuje výrazné sfarbenie molekuly (napr. hemoglobín obsahuje hem).

Všetky modifikácie bielkovín, zahŕňajúce väzbu alebo asociáciu s nebielkovinovými zložkami, sú vykonávané post-translačne, väčšinou pomocou rôznych enzýmov.

Pojem proteid, či už sám alebo ako prípona, sa v praxi veľmi nezvykne používať, tak ako sa nezvykne používať delenie na jednoduché a zložené proteíny. Namiesto toho sa hovorí o konkrétnom glykoproteíne, lipoproteíne, metaloproteíne a pod.

Denaturácia bielkovín

Bielkoviny, ktoré sú schopné v organizme vykonávať svoje biologické funkcie, sa nazývajú natívne bielkoviny. Denaturácia bielkovín je zmena priestorového usporiadania peptidového reťazca vplyvom vonkajších faktorov (denaturácia vysokým teplom, ionizujúcim žiarením, ťažkými kovmi, silnými kyselinami a zásadami). Ide o porušenie vyšších štruktúr bielkoviny, pričom zostane zachovaná len primárna štruktúra. Pri denaturácii dochádza k zániku biologickej funkcie bielkoviny.

Denaturácia bielkoviny môže byť:

  • vratná (reverzibilná) - ak sa štruktúra bielkoviny po odstránení denaturačného faktoru obnoví - renaturácia bielkoviny
  • nevratná (ireverzibilná) - ak sa štruktúra bielkoviny už obnoviť nemôže

Praktický význam má denaturácia v potravinárskom priemysle a v domácnosti pri uchovávaní a tepelnom spracovaní potravín. Varením alebo inou tepelnou úpravou sa bielkoviny denaturujú, porušia sa väzby vo vyšších štruktúrach a bielkovina sa stane stráviteľnejšia, pričom si zachováva svoju biologickú hodnotu (= denaturované bielkoviny majú neporušené aminokyseliny /primárnu štruktúru/, organizmus môže takéto bielkoviny ľahšie rozložiť a aminokyseliny využiť pre svoje potreby).

Dôkazy bielkovín

Dôkazom peptidovej väzby -CO-NH- je Biuretova reakcia (10% hydroxid sodný NaOH, 0,1% síran meďnatý CuSO4) - bielkoviny dávajú v alkalickom prostredí s iónmi Cu2+ farebný komplex. Intenzita zafarbenia závisí od molekulovej hmotnosti bielkoviny (polypeptidy - fialová, menšie peptidy - červená). Pozitívnu reakciu dáva aj biuret (H2N-CO-NH-CO-NH2) a niektoré aminokyseliny (His, Thr, Asn).

Pozitívnu ninhydrínovovú reakciu (0,1% ninhydrín) dávajú aminokyseliny a bielkoviny s voľnou NH2 a COOH skupinou. Reakcia prebieha pri zahriatí, a to v niekoľkých stupňoch a jej výsledkom je modré až fialové zafarbenie roztoku.

Xantoproteínová reakcia sa používa na dôkaz fenolovej skupiny. Po pridaní koncentrovanej kyseliny dusičnej (HNO3) a povarení vzniká biela až žltá zrazenina, ktorá po pridaní 20% NaOH prejde na oranžovú. Špeciálne tryptofán môžeme dokázať Adamkiewiczovou reakciou.

Hydroxyfenylovú skupinu možno dokázať Millonovým činidlom (roztok Hg v kys. dusičnej HNO3), po zahriatí vzniká červenohnedé sfarbenie. Tiolovú skupinu dokazujeme nitroprusidom sodným v amoniakálnom prostredí - červené zafarbenie. Síru v cysteíne môžeme dokázať pridaním octanu olovnatého + NaOH a povarením - vzniká čierna zrazenina sulfidu strieborného (PbS).