praca magisterska

x60
Justyna Jasińska
Białko jest podstawowym składnikiem organizmów żywych i główną formą połączeń
azotowych, mogącą pokrywać zapotrzebowanie na azot człowieka i zwierząt wyższych.
Nazwa polska wywodzi się od barwy białka jaj, które istotnie po zagotowaniu daje białą
masę. W nomenklaturze międzynarodowej stosowana jest dla białek nazwa proteiny,
zaproponowana już w 1838 r. przez badacza holenderskiego Muldera. Nazwa ta ma
podkreślić podstawowe znaczenie białek dla organizmu (grec. proteos- będący na przedzie).
Skład pierwiastkowy białek zależy od składu aminokwasów, tworzących cząsteczkę danego
białka. Wszystkie białka zawierają węgiel, wodór, tlen, i azot. Poza tym niektóre siarkę i
fosfor, a także inne pierwiastki w ilościach śladowych.
PIERWIASTEK
C
H
O
N
S
P
Co, Fe, Cu
Zawartość pierwiastka (w %)
50,6- 55,4
6,5- 7,3
21,5- 23,5
15,0- 18,0
0,0- 2,2
0,0- 0,85
ilości śladowe
2
Warto zwrócić uwagę na procentowy udział azotu w cząsteczce białka. Większośc
białek zawiera 16% azotu. Jedynie protaminy, białka o przewadze aminokwasów
zasadowych, mogą zawierać do 30% azotu. Znając procentową zawartość azotu w danym
białku możemy łatwo określić ogólną ilość białka w badanym preparacie (metoda
Kjeldahala).
BUDOWA BIAŁEK; WŁASNOŚCI CHEMICZNE I FIZYCZNE
Białka należą do ciał wielocząsteczkowych. W odróżnieniu od wielu związków
organicznych, opisywanych przy pomocy wzorów łańcuchowych lub pierścieniowych, dla
białek nie możemy przedstawić wzorów strukturalnych.
Badania struktury cząsteczki białkowej są utrudnione za względu na łatwą denaturację białek.
Struktura białka wykazuje cztery stopnie złożoności. Wyróżniamy strukturę pierwszego,
drugiego, trzeciego i czwartego rzędu.
O strukturze pierwszego rzędu decyduje kolejność aminokwasów w łańcuchu
peptydowym. Dla niektórych białek ustalono już tego rodzaju sekwencje (insulina,
rybonukleaza, hemoglobina).
Struktura drugiego rzędu odnosi się do sposobu i stopnia skręcenia łańcucha
peptydowego. Stabilizacja stosunków przestrzennych utrwalona jest słabymi wiązaniami
wodorowymi i siłami Van der Waalsa.
Struktura trzeciego rzędu dotyczy tylko białek kłębuszkowych (globularnych,
kulistych). Stan kłębuszka uzależniony jest od wiązań jonowych, estrowych, tiolowych.
Struktura czwartego rzędu określa stopień asocjacji i uwodnienia poszczególnych
cząsteczek białkowych.
Struktury drugiego, trzeciego i czwartego rzędu odnoszą się zwykle do białek
sferycznych (globularnych), natomiast białka o budowie włóknistej mają mniej
skomplikowaną budowę przestrzenną.
Ciała białkowe występują w organizmach roślinnych i zwierzęcych i stanowią
podstawową substancję komórkową.
Badania chemiczne białek napotykają na poważne trudności ze względu na łatwą
denaturację tych związków pod wpływem alkoholu, acetonu, alkalii promieni X i
ultrafioletowych. Związki te nie krystalizują, nie dają się stopić, tym bardziej przedestylować,
bez rozkładu. Ich ciężar cząsteczkowy waha się w szerokich granicach od kilkunastu tysięcy
do kilku milionów. Białka tworzą w wodzie roztwory koloidowe, z których możemy je
wytrącić przez zagotowanie, wysolenie, dodanie rozcieńczonych kwasów mineralnych lub
dodanie niektórych rozpuszczalników organicznych. Niektóre białka zwłaszcza włókniste są
w wodzie nierozpuszczalne. Poszczególne białka różnią się między sobą składem
chemicznym, tzn. liczbą, rodzajem i procentową zawartością aminokwasów.
W tkankach roślinnych lub zwierzęcych mamy zazwyczaj mieszaninę kilku rodzaju
białek, co tym bardziej utrudnia ich analizę chemiczną. Analizę jakościową białek
przeprowadzamy za pomocą następujących reakcji barwnych charakterystycznych dla białek.
Reakcja ksantoproteinowa. W obecności stężonego kwasu azotowego niektóre
białka dają charakterystyczny żółty osad, który po zalkalizowaniu przechodzi w osad
pomarańczowy. Reakcja jest dodatnia wówczas, gdy białka zawierają fenyloalaninę, tyrozynę
lub tryptofan.
Reakcja biuretowa jest zawsze dodatnia, gdy w badanej cząsteczce znajdują się
wiązania peptydowe (~~CONH~~). Nazwa tej reakcji pochodzi od produktu kondensacji
dwóch cząsteczek mocznika, zwanego biuretem, który jest przykładem najprostszego
związku, zawierającego wiązanie peptydowe. Wszystkie polipeptydy i białka dają reakcję
3
biuretową, tzn. w obecności wodorotlenku sodowego i śladów siarczanu miedzi dają
charakterystyczne niebiesko-fioletowe zabarwienie.
Reakcja Millona. Mieszanina soli rtęciowych i rtęciawych kwasu azotowego w
reakcji z białkami zawierającymi tyrozynę daje osad o zabarwieniu czerwonym.
Reakcja Adamkiewicza. W reakcji tej stosuje się kwas glioksalowy i kwas siarkowy.
Białka zawierające tryptofan dają pod wpływem tych związków charakterystyczne fioletowe
zabarwienie. Niebieskie zabarwienie daje tryptofan w obecności formaliny i kwasu
azotowego.
Próba Molischa. W obecności stężonego kwasu siarkowego i a-naftolu roztwory
białkowe dają fioletowy pierścień na granicy płynów. Próba ta świadczy o obecności
glikoproteidów.
Próba ninhydrynowa. Wszystkie białka oraz a-aminokwasy dają z ninhydryną
(wodzian rójketohydrindenu) niebieskie zabarwienie.
SYSTEMATYKA BIAŁEK
Systematyka białek jest bardzo ogólna. Dotychczasowy podział białek będzie tak
długo niedoskonały, dopóki nie zostanie poznana bardziej szczegółowo struktura chemiczna
cząsteczek białkowych. Wtedy systematyka będzie miała podstawy chemiczne takie, jak w
przypadku alkoholi, aminokwasów, cukrów prostych lub złożonych. Obecnie przy ustalaniu
podstaw klasyfikacji białek bierzemy pod uwagę pochodzenie, wielkość i kształt cząsteczek,
ich ciężar cząsteczkowy, własności chemiczne i fizyczne, rozpuszczalność w wodzie,
temperaturę denaturowania, punkt izoelektryczny, zachowanie pod względem pewnych
odczynników.
Uwzględniając powyższe cechy możemy wyodrębnić dwie podstawowe grupy białek: białka
proste, składające się wyłącznie z aminokwasów i białka złożone, zawierające oprócz
aminokwasów grupy apeptydowe, zwane grupami prostetycznymi. Pomimo, że przy podziale
uwzględniony jest skład aminokwasowy, to jednak do poszczególnych grup należą białka o
bardzo rozmaitej budowie. W zależności od przewagi grup kwasowych lub zasadowych w
cząsteczce wyróżnia się w białkach prostych: białka zasadowe, obojętne i kwaśne.
Białka proste (proteiny)
Białka złożone (proteidy)
1. protaminy
2. histony
3. albuminy
4. globuliny
5. gluteliny
6. prolaminy
7. skleroproteiny
1. fosforoproteidy
2. glikoproteidy
3. nukleoproteidy
4. chromoproteidy
Białka proste (proteiny) należą do najprostszych białek, odznaczają się małym
ciężarem cząsteczkowym, dużą procentową zawartością aminokwasów zasadowych oraz
brakiem tioaminokwasów. Zbudowane są z argininy i lizyny lub histydyny. Występują w
ikrze i w mleczu ryb (klupeina występuje w śledziach, salmina w łososiach, skombryna w
makrelach). Protaminy uważane są także za wielowartościowe zasady lub polipeptydy.
Związki te przy ogrzewaniu nie ulegają denaturacji, pepsyna ich nie trawi.
Histony są najczęściej spotykane, mają większą cząsteczkę niż protaminy, skład
bardziej złożony, ale również zaliczamy je do białek zasadowych. Zawierają małe ilości
tioaminokwasów i większe histydyny. Nie wykazują obecności tryptofanu. Są one ciałami
pośrednimi między proteinami, a białkami wysokocząsteczkowymi. Spośród wszystkich
4
histonów najlepiej poznana jest globina- składnik hemoglobiny oraz białko grasicy. Histony
rozpuszczają się w wodzie (po podgrzaniu), a wobec soli koagulują w sposób odwracalny;
dają ponadto nierozpuszczalne osady z odczynnikami alkaoidowymi. Są podstawowymi
składnikami jądra komórkowego, w którym występują w połączeniu z kwasami
nukleinowymi. Białkom tym przypisuje się udział w regulacji procesów genetycznych.
Globiny występujące w hemoglobinie różnych zwierząt nie są identyczne.
Albuminy należą do białek obojętnych. Dobrze rozpuszczają się w środowisku
kwaśnym, zasadowym, w wodzie i roztworach soli. Wytrącają się dopiero w obecności
nasyconego roztworu siarczanu amonu; chlorek sodowy i siarczan magnezowy nie strącają
ich. Albuminy występują w dużych ilościach zarówno w tkankach roślinnych jak i
zwierzęcych. Znajdujemy je również w mleku, surowicy krwi, w mięśniach, w grochu, w
nasionach zbóż. W zależności od pochodzenia wyróżniamy: laktoalbuminy, serumalbuminy,
miogeny, legumeliny. W skład albumin wchodzą prawie wszystkie aminokwasy, chociaż
niektóre w znikomych ilościach (np. glikol). Przykładem albumin roślinnych mogą być:
legumelina- białko ziaren pszenicy, ryżu i jęczmienia, rycyna- białko występujące w
nasionach rącznika. Białko rącznika nosi także nazwę toksalbuminy i wskazuje toksyczne
właściwości; powoduje aglutynację czerwonych ciałek krwi.
Globuliny są mniej trwałe niż albuminy, chociaż rozpuszczają się w słabych kwasach,
zasadach i roztworach soli. Globuliny roślinne trudniej ulegają denaturacji niż globuliny
zwierzęce. W odróżnieniu od albumin można je wysolić siarczanem magnezowym, chlorkiem
sodowym, półnasyconym roztworem siarczanu amonu. Występują w mleku, jajach, mięsie,
surowicy krwi i nasionach roślin (globuliną mięśniową jest miozyna i mioglobulina).
Globuliny stanowią największą i najbardziej rozpowszechnioną grupę białek. Charakteryzują
się obecnością wszystkich aminokwasów, przy czym aminokwasy dwukarboksylowe
występują w znaczniejszych ilościach.
Gluteliny należą do białek roślinnych, występują w składnikach zbóż. Rozpuszczają
się w słabych kwasach i zasadach, nie rozpuszczają się w wodzie i solach. Należą do białek
obojętnych, spotykamy je w mące pszennej, w ziarnach kukurydzy. Pod względem składu
aminokwasowego wyróżniają się szczególnie dużą ilością kwasów dwukarboksylowych i
proliny, natomiast zawierają wyjątkowo mało lizyny.
Prolaminy należą do białek kwaśnych, wraz z glutelinami stanowią białkową masę
mąki. Obecność tych białek decyduje o kleistych własnościach rozczynów ciast. Prolaminy
nie zawierają glikolu, tryptofanu, lizyny, natomiast odznaczają się wysoką zawartością
proliny i oksyproliny. Przedstawicielami prolamin są: gliadyny (występują w pszenicy),
hordeiny (w ziarnach jęczmienia), sekaliny (w ziarnach żyta), zeiny (w kukurydzy).
Skleroproteiny, zwane inaczej albuminoidami, podobne są pod względem pewnych
własności do albumin i globulin, ale wyróżniają się trwałością i nierozpuszczalnością w
wodzie. Stanowią substancje podporową tkanek ustrojowych. Mają stan skupienia zbliżony
do stałego, chociaż ich struktury wewnątrzcząsteczkowe łatwo chłoną wodę. Do
skleroproteinów należą: białka skóry, wiązadeł, chrząstek, włosów. Kalogen jest białkiem
tkanki łącznej, nie zawiera tyrozyny i tryptofanu, podczas gotowania w kwasach przechodzi
w żelatynę. Keratyny są białkami tworów naskórkowych zrogowaciałych (włosy, paznokcie,
rogi, kopyta, pióra). Białka te odznaczają się dużą zawartością siarki. Fibroiny są białkami
oprzędów owadów, znajdujemy je w jedwabiu naturalnym wraz z rozpuszczalnymi
serycynami.
BIAŁKA ZŁOŻONE (PROTEIDY).
Białka te zawierają różne grupy apeptydowe. Fosfoproteidy wyróżniają się obecnością
reszty kwasu fosforowego związanego z proliną lub oksyproliną. Przedstawicielem tej grupy
związków jest kazeina mleka. W żółtku jaj występuje witelina. Fosfoproteidy własnościami
swymi są zbliżone do globulin, różnią się jednak nierozpuszczalnością w wodzie.
5
Glikoproteidy są białkami zawierającymi reszty cukrowe cukrów prostych lub wielocukrów.
Przedstawicielem tych związków jest mucyna zawierająca aminocukry. Glikoproteidy różnią
się między sobą rodzajem aminokwasów wchodzących w skład białka i rodzajem reszty
cukrowej. Nukleoproteidy zbudowane są z białek zasadowych i kwasów polinukleinowych.
W enzymach grupami apeptydowytmi są jedno- i dwunukleotydy. Najczęściej towarzyszą im
histony i protaminy. Nukleoproteidy występują w jądrach i w cytoplazmie. Ostatnio
wykazano, że również wirusy i bakteriofagi są z nich zbudowane. Chromoproteidy- zawierają
barwnikową grupę prostetyczną związaną z białkami. Przykładem ich może być czerwony
barwnik krwi zwany hemoglobiną. Grupą prostetyczną w tym przypadku jest związek
żelazoporfinowy zwany cheminą. W skórze człowieka i zwierząt znajdują się chromoproteidy
o zabarwieniu brunatnym i czarnym z grupy melanin. Chemia i fiziologia tych białek jest
mało znana. W ostrygach i ślimakach występuje niebieski związek białkowy zwany
hemocyjaniną zaliczany do kuproproteidów. Lecytynoproteidy oprócz białek zawierają
lecytyny lub inne fosfolipidy. Przykładem tych związków jest fibrynogen, biorący udział w
krzepnięciu krwi.
Oprócz wymienionych wyżej białek złożonych, w ustrojach zwierzęcych i roślinnych
spotykamy związki białka ze sterolami, karotenoidami, galaktolipidami i tłuszczami.
BIAŁKA ROŚLINNE I ZWIERZĘCE.
Białka zwierzęce występują w tkance mięsnej (ok. 20% białka), we krwi, w tkance
łącznej, w mleku.
Białka miogenów stanowią ok. 40 % wszystkich białek występujących w mięśniach.
Należą tu głównie białka proste. Poszczególne frakcje białkowe otrzymuje się drogą
wysalania. Miozyna i aktyna decydują o kurczliwości mięśnia. Miozyna ma zdolności
enzymatyczne, aktyna ma zdolność łączenia się z miozyną dając aktomiozynę. W mięśniach
znajduje się białko zwane mioglobiną, którego budowa odpowiada składnikom hemoglobiny.
Do białek tkanki łącznej zaliczamy keratynę, kolagen i elastynę. Keratyna jest
podstawowym składnikiem komórek skóry, rogów, paznokci, włosów i piór. Każdy łańcuch
peptydowy keratyny występuje w postaci spirali, które są wtórnie skręcone w formie liny
okrętowej. Keratyna charakteryzuje się obecnością dużej ilości cysteiny. Włókna wełniane w
stanie czystym składają się głównie z keratyny. W normalnych warunkach łańcuchy keratyny
są pofałdowane i to decyduje o elastyczności i rozciągliwości wełny. Pod działaniem
stężonych kwasów i zasad keratyna ulega uszkodzeniu rozcieńczone kwasy nie uszkadzają
wełny. Kalogen występuje w znacznych ilościach w tkance łącznej i podporowej. Kalogen
jest nierozpuszczalny w wodzie.
W skład białek mleka wchodzą kazeina (76-86%), albumina (9-18%), globulina
(1,4-3,15) oraz polipeptydy (2-6%).Kazeina stanowi podstawową masę twarogu. Białka
mleka posiadają wysoką wartość odżywczą ze względu na obecność aminokwasów
egzogennych.
Do białek krwi należą: hemoglobina, białka osocza.
Fibrynogen jest białkiem włóknistym rozpuszczalnym w wodzie. Pod działaniem trombiny
przekształca się w fibrynę.
Do białek roślinnych należy gluten (80-90% związków białkowych. Gluten nie może być
uważany jednak za białko pełnowartościowe. Ma niską zawartość kwasów egzogennych tj.:
tryptofan, metionina czy lizyna.
6
7