Białka:
nasza prywatna armia maszyn

avatar
Dr Marzena Wojtaszewska 29 maja, 6 minut czytania

Czym są białka? Jest to jedna z czterech głównych grup składników budulcowych naszego organizmu, obok kwasów nukleinowych, cukrów i tłuszczy. Żeby zrozumieć genetykę i dziedziczenie musimy wiedzieć, jak wyobrazić sobie te struktury, bo to one odpowiadają za regulację niemalże wszystkich przemian w naszych organizmach i to błędy w ich budowie odpowiadają za znakomitą większość chorób genetycznych.

(obrazek tytułowy: PDB https://pdb101.rcsb.org/motm/motm-about)

Nie wszystko białko, co się bieli

Gdy słyszymy o białkach, od razu przychodzi nam na myśl bielutkie mleko, ewentualnie białko jaja kurzego. Jest to bardzo silnie zakorzenione w nas skojarzenie dietetyczne i paradoksalnie- błędne, gdyż biały kolor mleko zawdzięcza rozpraszaniu światła przez mieszaninę tłuszczy i wody (jest to klasyczna emulsja) – białka mają z tym zjawiskiem niewiele wspólnego. W przypadku jaja kurzego owszem, mamy do czynienia z białkiem, ale pozbawionym swojej prawdziwej formy i struktury- czyli z białkiem „defektywnym” albo językiem fachowym: „zdenaturowanym”. Białka, o których będziemy dziś mówić nie są terminem dietetycznym i nie służą po to, by zostać zjedzone. To w ogóle nie jest funkcją większości białek!

Co robią białka?

No dobrze, do czego więc służą w organizmie białka?

Może to zabrzmi nieintuicyjnie, ale białka to…. maszyny. Finezyjne, wydajne, doskonałe maszyny. Maszyny, które kroją. Szyją i napędzają. Zginają, eksplodują i wirują. Świecą, pompują, strzelają, pęcznieją, liczą, zawijają. Rozbrajają, spajają, alarmują, montują, kopiują, wibrują, budują, kroczą… I to wszystko w nanoskali, gdyż średnią wielkość białek podajemy w nanometrach.

Jak to możliwe, że nanometrowa cząsteczka zbudowana z kombinacji dwudziestu aminokwasów staje się maszyną molekularną? By zrozumieć sposób działania białek spróbujmy przyjrzeć się kilku z nich– zobaczmy z czego się składają i w jaki sposób pozwala im to pełnić wszystkie wymienione (i inne) funkcje.

 

Białka to nanometrowej wielkości „roboty”, które sprawiają, że każdy z organizmów żywych może prawidłowo funkcjonować.

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a0/1402347338_images-1-.jpg

 

Nano-lego

Nasze białka zbudowane są z 20 tzw. aminokwasów białkowych i kilku ich modyfikacji, które posiadają różne właściwości chemiczne i mogą łączyć się ze sobą niczym klocki w prawie dowolnej kolejności i w dowolnych proporcjach. Polimer, czyli łańcuch białkowy może potem zawijać się, zaginać i łamać zgodnie z właściwościami elementów, z jakich został zbudowany. Co więcej, może także zmieniać swój kształt w zależności od tego, w jakim środowisku się znajdzie. Dla przykładu białko w roztworze kwaśnym zwinie się inaczej, niż w zasadowym. Taką własność nazywamy konformacją. Oprócz otoczenia chemicznego, na konformację białka wpływają także relacje z innymi białkami. Pojedyncze białka w naszym organizmie, niczym moduły, łączą się ze sobą, by móc pełnić bardziej skomplikowane funkcje. Mówimy wtedy o interakcjach między białkami. To jednak wciąż nie wszystko: do naszych białek mogą być przyłączane inne, niebiałkowe cząsteczki chemiczne: cukry, nukleotydy, tłuszcze i ich polimery, witaminy, jony metali… liczba kombinacji jest nieskończona. Włączenie do białka części niebiałkowych ogólnie nazywa się modyfikacjami.

Tak oto, przy pomocy ogromnej złożoności biochemicznej otrzymujemy niezwykłą plastyczność, która sprawia, że życie ziemskie mogło w ogóle zaistnieć. Według obowiązujących teorii naukowych narodziny życia zawdzięczamy kwasowi rybonukleinowemu (RNA), który potrafi zachowywać się jak prymitywna maszyna molekularna, jednak to powstanie pierwszych białek enzymatycznych- wydajnej montażowni komórkowej, pozwoliło na faktyczną kolonizację Ziemi przez pierwsze formy życia. Powiedziawszy to, zapraszam do obejrzenia subiektywnego rankingu „TOP3” białek, który mam nadzieję pobudzi waszą wyobraźnię i pozwoli lepiej zrozumieć biologię komórki i genetykę.

 

Fabryka bateryjek

Każdy lubi mieć prąd. Ale żeby mieć prąd, trzeba mieć silnik, który go wytworzy i energię, którą można przetworzyć. Prąd jest różnicą potencjałów, czyli różnicą w liczbie ładunków elektrycznych pomiędzy dwoma punktami w przestrzeni. Prąd można wytworzyć z paliwa chemicznego, czyli siły oddziaływań chemicznych. Z energii fotonów. Z różnicy ciśnień. Z różnicy stężeń. Niemal z każdego medium, w którym zamknięta jest energia, można skorzystać by wytworzyć prąd, o ile uda nam się zbudować odpowiedni silnik.

Okazuje się że nasz organizm jest bardzo prądożerny, codziennie produkujemy (i od razu zużywamy) ok. 100 watów energii elektrycznej. By wytworzyć tę energię, korzystamy z komórkowych elektrowni, czyli mitochondriów. Ich błony służą jako wielki kondensator, gromadzący różnicę potencjałów przez wypompowanie (przy pomocy białek, a jakże!) protonów na jedną stronę błony, polaryzując ją tym samym. Energię do tego celu dostarczają im cukry i tłuszcze, które zjadamy z pożywieniem. Tworzony jest prąd. Problem polega na tym, że ten prąd potrzebny jest w innych częściach komórki niż tam, gdzie jest produkowany. Trzeba go więc ponownie zamknąć w postaci, którą można przetransportować gdzie indziej. Trzeba z niego zrobić jednorazowe bateryjki.

Dochodzimy do bohatera tej przydługiej lekcji elektrochemii: przedstawiam Wam enzym o nazwie syntaza ATP”. Jego działanie jest bardzo proste: enzym posiada wirnik, napędzany ogromnie rozpędzonymi ładunkami elektrycznymi, który kręcąc się, dokręca imadełko. Na imadełku znajdują się dwie cząsteczki: jon ortofosforowy oraz cząsteczka adenozynodifosforanu. Same z siebie niechętnie tworzą one wiązanie chemiczne, potrzeba bardzo dużo energii żeby je razem związać. Syntaza ATP przygniata do siebie cząsteczki, zmuszając je do wytworzenia wiązania. Powstaje adenozynotrójfosforan, czyli ATP, uniwersalna malutka bateryjka, zdolna do zasilania większości procesów, które w naszych komórkach wymagają energii.

Dzięki mikroskopii elektronowej i animacji komputerowej udało się sfilmować „na żywo” jak działa synteza ATP. Poniżej piękna symulacja działania tego enzymu oraz wytwarzania prądu przez zespół białek mitochondrialnych:

A tak to wygląda naprawdę, sfotografowane przy pomocy mikroskopu elektronowego:

FIG. 4. A and B, projection and isosurface views at 35° of the final three-dimensional model of the reconstructed mitochondrial ATP synthasome. The most obvious structural features of the final model are an “oblong” basepiece consisting of two domains (white and red), a central mass or collar (green) surrounding the connecting stalk (yellow) just above the basepiece, and, finally, a near spherical headpiece. The scale bar equals 100 Å. C, a gallery of different views of the final model. Views are presented at the different angles shown at the top, with row 1 depicting projection views, row 2 depicting isosurface views contoured at 3 by the program “Chimera” (36), and row 3 depicting class averages of raw images. The scale bar equals 100 Å.

Zdjęcie z : https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15166242

Nożyce do kabli

Drugie z moich ulubionych białek nie jest typowane zwykle do „top 3”. To niepozorny enzym, utrzymujący nasze DNA w dobrej kondycji.

Wyobraźcie sobie dwumetrowy kabel od słuchawek audio, włożony wczoraj do kieszeni. Po jego wyciągnięciu niechybnie kolejne pół godziny zajmie wam jego rozplątanie. To samo działoby się z DNA, gdyby nie armia komórkowych nano-robotów, które pielęgnują nić, by zwijała się grzecznie w chromosom.

DNA jest długą podwójną nicią, zawiniętą na histonowych (białka!) „papilotach”, która co rusz jest rozwijana i zawijana – na przykład w procesie replikacji. Jeżeli próbujemy rozdzielić dwie skręcone ze sobą nici lub kable, tak jak ma to miejsce podczas powielania DNA albo rozplątywania słuchawek, w pewnym momencie nierozwinięta część stawi wam opór, gdyż siłowe prostowanie wolnych końców nici powoduje skręcanie części dwuniciowej. W pewnym momencie dochodzi do wytworzenia tzw. superhelikalnych skrętów, czyli zwinięcia się już zwiniętego fragmentu w kłębek i poplątania się nitek. To bardzo źle. Tego zjawiska nie lubią dziewiarki gdy rozwijają kłębek wełny, nie lubią szwaczki, którym zatnie się maszyna do szycia, a nasze komórki wręcz tego nie tolerują: uruchamiają wówczas syreny alarmowe, bo taki stan grozi uszkodzeniem DNA i śmiercią komórki.

Żeby zapobiec plątaniu się i pękaniu DNA, nasze komórki mają specjalny zestaw białkowych nożyc, które delikatnie łapią za jedną z naprężonych nici DNA, przecinają ją a następnie czekają aż druga nić się rozwinie, redukując naprężenia. Na koniec ponownie łączą końce przeciętej nitki. Taki typ „nożyc do DNA” nazwany został topoizomerazą DNA.

Działanie topoizomerazy bardzo łatwo można zademonstrować samodzielnie. Wystarczą nam 2 osoby i długi sznurek. Poniższy filmik doskonale unaocznia zarówno procesy tworzenia superhelikalnych skrętów, jak i ich rozluźniania poprzez przecięcie. https://www.youtube.com/watch?v=EYGrElVyHnU

 

https://cdn.rcsb.org/pdb101/motm/images/1a36.gif

Źródło obrazu: https://pdb101.rcsb.org/motm/73

 

 

Syzyf-linoskoczek

Ostatnie białko, które chcę Wam pokazać jest bardzo medialne dzięki swojej prawie ludzkiej, nazwijmy to, „fizjonomii”. Gdy patrzymy na kinezynę, bo o niej mowa, rozpoznajemy kroczącego po linie chudzielca, który niesie ogromnie ciężki głaz. Kinezyna jest białkiem transportowym- przenosi pęcherzyki, w których zawarte są na przykład enzymy, z jednego miejsca komórki w inne. Robi to z pomocą innego białka, miozyny, które buduje mu drogę. Kinezyna do ruchu potrzebuje znanych nam już „bateryjek” ATP, które wytworzyła dla niej wcześniej syntaza.

Filmik: kinezyna w akcji: https://www.youtube.com/watch?v=xlPDEpimzB8

https://cdn.rcsb.org/pdb101/motm/images/3kin-composite.gif

Źródło: https://pdb101.rcsb.org/motm/64

 

Świat białkowych maszyn

Czy teraz lepiej rozumiecie, jaka jest rola białek w naszym życiu? Pokazałam wam trzy przykłady, ale szacuje się ze człowiek posiada ponad 6 milionów różnych form białek. W każdej z naszych komórek przez cały czas pracują niestrudzenie, by podtrzymać homeostazę. Zachęcam Was do samodzielnego odkrywania niezwykłego białkowego świata.

Na zakończenie mam dla Was jeszcze jeden film, w którym autorzy starali się pokazać, jak może wyglądać takie mrowie nano-maszyn w akcji.

https://www.youtube.com/watch?v=wJyUtbn0O5Y

 

 

Źródło:

https://pdb101.rcsb.org/

„Biochemia” Tymoczko John L, Berg Jeremy M, Stryer L. Warszawa 2009. ISBN: 9788301158118

Podziel się: