Dołącz do czytelników
Brak wyników

Laboratorium

25 lipca 2018

NR 20 (Marzec 2017)

Białko – budulec życia

411

Interesujące jest, że mimo tysięcy lat rozwoju kultury i niezliczonych wysiłków filozofów oraz naukowców w dalszym ciągu nie udało się sformułować niebudzącej wątpliwości definicji tak ważnego, przynajmniej z naszego punktu widzenia zjawiska, jakim jest życie. 

Najczęściej pojęcie życia określa się na dwa wzajemnie uzupełniające się sposoby. Po pierwsze definiuje się je jako zespół tzw. procesów życiowych będących wysoko zorganizowanym zbiorem przemian fizycznych i reakcji chemicznych. Zachodzą one w układach nazywanych organizmami i otwartych z punktu widzenia termodynamiki, tj. zdolnych zarówno do wymiany materii, jak i energii z otoczeniem. Organizmy są zbudowane hierarchicznie, składają się z różnej liczby komórek (co najmniej z jednej) i uczestniczą w często bardzo złożonych procesach biologicznych [1]. Po drugie, życie definiuje się jako właściwość swoistą dla układów, w których zachodzą wspomniane uprzednio procesy [2].

Zastanawiając się nad definicją życia, zwykle dosyć szybko napotykamy pewien istotny problem. Życie po części jest procesem, a nie tylko pewną cechą skomplikowanych układów fizykochemicznych. Dodatkowo definicja życia powinna być wystarczająco ogólna, tak by można było w niej sklasyfikować wszystkie znane nam organizmy żywe, które są przecież tak różnorodne [3].

Życie możemy też zdefiniować opisowo jako właściwość układu (organizmu), który wykazuje następujące cechy [4]:

  • Homeostaza, czyli zdolność do regulacji środowiska wewnętrznego w taki sposób, aby utrzymywać stałość jego parametrów.
  • Metabolizm, czyli całokształt reakcji chemicznych i związanych z nimi przemian energii zachodzących w komórkach składających się na żywy organizm. Procesy metaboliczne można podzielić na anaboliczne (reakcje syntezy) i kataboliczne (reakcje rozkładu).
  • Hierarchia, czyli składanie się z jednej komórki lub większej ilości komórek będących podstawowymi jednostkami strukturalnymi i funkcjonalnymi organizmów żywych.
  • Wzrost,  czyli zdolność do utrzymywania anabolizmu na wyższym poziomie niż katabolizm.
  • Adaptacja, czyli umiejętność organizmu polegająca na przystosowywaniu się do nowych warunków wraz z upływem czasu.
  • Pobudliwość, czyli zdolność do reagowania na bodźce, zarówno docierające do organizmu ze środowiska zewnętrznego, jak i wewnętrznego.
  • Rozmnażanie, czyli umiejętność wytwarzania nowych pokoleń organizmów.

Zauważmy, że według tej definicji np. wirusy, chociaż wykazują pewne cechy istot żywych (np. zdolność do powielania się i adaptacji), to jednak nie są organizmami żywymi, ponieważ nie wykazują budowy komórkowej i nie prowadzą własnych procesów metabolicznych.

Czasem stosuje się też redukcjonistyczną definicję życia, mówiącą, że życie jest systemem albo zbiorem elementów zdolnych do ewolucji w sensie biologicznym. Niektórzy badacze zarzucają jej jednak przesadną ogólność, ponieważ w jej myśl żywe są np. niektóre programy komputerowe. Dobrym przykładem jest tutaj system Tierra [5].

Wszystkie organizmy żywe, jakie znamy, mają w zasadzie podobny skład chemiczny. Najważniejszymi pierwiastkami koniecznymi do istnienia ziemskiego życia są węgiel C, wodór H, azot N, tlen O, fosfor P oraz siarka S. Razem tworzą różnego rodzaju związki organiczne potrzebne do życia, m.in. kwasy nuklei­nowe, cukry i tłuszcze. Równie ważną klasą substancji są tutaj białka nazywane też proteinami. 

W niniejszym artykule chciałbym przybliżyć szanownemu Czytelnikowi pewne zagadnienia na temat znaczenia białek, ich budowy i prostych sposobów wykrywania obecności tych substancji w materiale biologicznym.

Białka – niezwykłe substancje

Białka są wielkocząsteczkowymi biopolimerami czy raczej biopolikondensatami zbudowanymi z reszt aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi -CONH- (rys. 1).

Wiązanie peptydowe łączy grupę α-aminową jednego aminokwasu z grupą α-karboksylową drugiego amino-
kwasu. 

Aminokwasy będące elementami składowymi białek są grupą organicznych związków chemicznych zawierających zasadową grupę aminową oraz kwasową grupę karboksylową [6]. W skład naturalnych białek wchodzi 20 aminokwasów: alanina, arginina, asparagina, cysteina, fenyloalanina, glicyna, glutamina, histydyna, izoleucyna, kwas asparaginowy, kwas glutaminowy, leucyna, lizyna, metionina, prolina, seryna, treonina, tryptofan, tyrozyna i walina.

Zwykle liczba reszt aminokwasowych pojedynczego łańcucha białkowego jest większa niż 100. Czasem białko bywa zbudowane z wielu łańcuchów nazywanych podjednostkami.

Synteza białek odbywa się w komórkach przy udziale specjalizowanych struktur nazywanych rybosomami [7].

Strukturę białka można opisywać na czterech hierarchicznych poziomach:

  • Struktura pierwszorzędowa białka – kolejność aminokwasów w łań­cuchu polipeptydowym.
  • Struktura drugorzędowa białka – przestrzenna organizacja fragmentów łańcuchów polipeptydowych. Do struktur drugorzędowych zaliczane są:
    - helisa alfa (ang. α-helix),
    - harmonijka beta (ang. β-sheet),
    - zakręt/zwrot beta (ang. β-hair-pin).
  • Struktura trzeciorzędowa białka – wzajemne położenie elementów struktury drugorzędowej. Warunkują ją zróżnicowane wiązania chemiczne oraz oddziaływania międzycząsteczkowe: mostki disiarczkowe, oddziaływania jonowe, oddziaływania hydrofobowe i oddziaływania van der Waalsa.
  • Struktura czwartorzędowa białka – wzajemny układ w przestrzeni oraz sposób wiązania się podjednostek białka lub grup prostetycznych (białka złożone).


Rys. 1. Budowa wiązania peptydowego; 
R, R’ – reszty aminokwasów

Funkcje białek są bardzo różnorodne. Niektóre z nich są substancjami budulcowymi, pełnią więc funkcję strukturalną. Wspomnieć tu należy nie tylko o budujących określone struktury keratynie, elastynie i kolagenie, ale także np. o odpowiadających za przyleganie do siebie komórek kadherynach. Inne, jak wchodzące w skład mięśni aktyna i miozyna, umożliwiają uporządkowany ruch organizmu. Za transport określonych substancji w obrębie organizmu odpowiada np. hemoglobina i transferryna, za odpowiedź immunologiczną natomiast m.in. immunoglobuliny. Bardzo ważnym obszarem działania białek jest szeroko pojęta regulacja procesów biochemicznych zachodzących w organizmie, od zmian w przepuszczalności błon biologicznych, aż po regulację wzrostu i różnicowania. Nieoceniony jest tu udział enzymów będących biologicznymi katalizatorami. Wykazują one zdolność do przyspieszania różnorodnych reakcji stanowiących chemiczną stronę zjawiska nazywanego przez nas życiem [8].

Białka występują powszechnie w świe­cie materii ożywionej. Jak jednak wykazać ich obecność i specyficzne właściwości? Na szczęście istnieje wiele metod – w następnym podrozdziale postaram się przybliżyć kilka z nich. Starałem się dokonać takiego wyboru, by nie wymagały one specjalnego sprzętu ani drogich odczynników.

Wykrywamy białka i aminokwasy

Chcąc przystąpić do doświadczeń, musimy się zaopatrzyć w wygodne źródło białka. Odpowiednia będzie tu owoalbumina występująca w jajach np. kurzych. Do doświadczenia należy więc białko jaja kurzego rozcieńczyć wodą destylowaną około dziesięciokrotnie i przesączyć. Powstały roztwór jest lekko żółtawy (fot. 1) i nie można go zbyt długo przechowywać.


Fot. 1. Roztwór białka jaja kurzego wykorzystany w doświadczeniach


Fot. 2. Roztwór białka w probówce


Fot. 3. Roztwór białka – widoczne zmętnienie

Przenieśmy nieco roztworu białka do probówki (fot. 2). Dla uwidocznienia oczekiwanych zmian probówkę najlepiej umieścić na ciemnym tle.

Do probówki należy następnie dodać kilka kropli alkoholu etylowego C2H5OH o stężeniu przynajmniej 70% i zamieszać. Efekt jest natychmiastowy – próbka białka mętnieje (fot. 3).

Jeśli zdekantujemy lub odsączymy osad i przeniesiemy go do wody destylowanej, to nie nastąpi ponowne jego rozpuszczenie. Obserwowana zmiana jest więc nieodwracalna.

Obserwowane zjawisko jest nazywane denaturacją białka. Polega ona na powstaniu pod wpływem pewnych czynników zmian w II-, III- i IV-rzędowej strukturze białek, przy zachowaniu ich sekwencji aminokwasowej. Zmianie ulegają właściwości chemiczne i fizyczne białka, m.in. jego rozpuszczalność. Obserwuje się wtedy często procesy agregacji i wytrącania, co zanotowaliśmy właśnie w tym przypadku.

Czynniki denaturujące mogą być zarówno pochodzenia fizycznego, jak i chemicznego. Do pierwszych można zaliczyć ogrzewanie powyżej określonej temperatury (nazywanej temperaturą denaturacji), silne mieszanie, wytrząsanie, wystawienie na działanie promieniowania UV, a także na ultradźwięki o odpowiednio dużym natężeniu. Wśród czynników chemicznych można wymienić działanie wielu alkoholi (m.in. etylowego), soli metali ciężkich, silnych kwasów i zasad, chlorku guanidyny CH6ClN3 i innych substancji. 

Denaturujące właściwości alkoholu etylowego mają pewne zastosowania praktyczne. To m.in. właśnie im ta substancja zawdzięcza właściwości antybakteryjne. Śmierć bakterii jest skutkiem denaturacji białek wchodzących w skład ich komórek, a w szczególności błony komórkowej.

Poza denaturacją istnieje też podobne zjawisko, czyli tzw. wysalanie białek. W tym przypadku białka wytrącają się z roztworu pod wpływem roztworów soli metali lekkich i amonu. Najważniejszą różnicą jest to, że proces ten jest odwracalny, tj. po przeniesieniu osadu wytrąconego białka do roztworu niezawierającego czynnika wysalającego (ani denaturującego) nastąpi ponowne rozpuszczenie się białka. Nie dochodzi tu do uszkodzenia struktury łańcuchów, a zjawisko jest efektem zaburzenia otoczki solwatacyjnej i agregacji cząsteczek białek.

Przejdźmy jednak do reakcji charakterystycznych, o jakich możemy mówić w odniesieniu do białek. Jedną z ważniejszych jest reakcja biuretowa.

Reakcja biuretowa została opisana pierwotnie przez Ferdinanda Rosego w roku 1833 [9]. Nieco ponad 20 lat później niezależnie opisał ją polski fizjolog Gustaw Piotrowski i dlatego bywa ona nazywana także reakcją Piotrowskiego [10].

Reakcja biuretowa pozwala na wykrywanie wiązań peptydowych w zróżnicowanych związkach organicznych, głównie w białkach.
Do przygotowania odczynnika potrzebne będą:

  • siarczan(VI) miedzi(II), pentahydrat CuSO4·5H2O;
  • wodorotlenek sodu NaOH;
  • winian potasu-sodu (sól Seignette’a) KNaC4H4O6.

Wodne roztwory wodorotlenku sodu NaOH są silnie żrące. Nie wolno dopuścić do ich kontaktu z powierzchnią ciała.

Aby otrzymać odczynnik, należy 0,75 g niebieskich kryształów uwodnionego siarczanu(VI) miedzi(II) 
CuSO4·5H2O rozpuścić w 50 cm3 wody destylowanej, a następnie dodać 10 cm3p=50%). Powstaje przy tym duża ilość niebieskiego osadu wodorotlenku miedzi(II) Cu(OH)2. Następnie trzeba do roztworu dodać 2,5 g winianu potasu-sodu KNaC4H4O6 i mieszać intensywnie. Dochodzi do roztworzenia osadu i powstaje klarowny roztwór winianowego kompleksu miedzi. Ostatnią rzeczą, jaką trzeba zrobić, jest dopełnienie objętości roztworu wodą destylowaną do 100 cm3. Gotowy odczynnik biuretowy odznacza się piękną intensywnie niebieską barwą (fot. 4).

Odczynnik jest trwały i można go przechowywać przez dłuższy czas w zamkniętym naczyniu.

Reakcja biuretowa bierze swoją nazwę od biuretu będącego pochodną mocznika CO(NH2)2. Mocznik jest końcowym produktem przemian białek i innych związków azotowych w organizmach zwierząt ureotelicznych – jest wydalany głównie z moczem, w niewielkich ilościach też z potem. W stanie czystym stanowi białą substancję krystaliczną (fot. 5).


Fot. 4. Gotowy odczynnik biuretowy


Fot. 5. Mocznik CO(NH...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy