Co czyni białka niezwykłymi?

Białka, proteiny- nie ważne jak nazwiemy te wielkocząsteczkowe biopolimery. Są to majstersztyki natury. I to nie jest przenośnia- to dosłownie mikromonumenty, które zachwycają pod każdym względem w jaki możemy na nie patrzeć. Były na Ziemi na długo przed nami i zapewne będę na długo i po Nas. Właściwie bez nic życie w formie jaką znamy nie byłoby możliwe.

Z technicznego punktu widzenia białka, to wielkie (z kilkoma wyjątkami) struktury chemiczne, które zbudowane są z zestawu dwudziestu aminokwasów. Aminokwasy te tworzą białko, ponieważ połączone są ze sobą wiązaniami peptydowymi. Zawiało chemią?- może trochę. Wyjaśnijmy to sobie teraz na „chłopski rozum”, aby lepiej zrozumieć to o czym chciałbym pomówić w tym artykule.

Co to aminokwas? Są to pewne związki chemiczne o specyficznej, stosunkowo prostej budowie. Każdy szanujący się aminokwas musi posiadać- grupę aminową (czyli atom azotu, który połączony jest z dwoma atomami wodoru); grupa aminowa musi być połączona z atomem węgla, zwanym węglem „alfa” do którego z drugiej strony przyczepiona jest grupa karboksylowa (czyli atom węgla połączony z jednym atomem tlenu wiązaniem podwójnym, a z drugim atomem tlenu wiązaniem pojedynczym, gdzie tlen ten przyłączony ma jeszcze wodór). Do węgla „alfa” przyłączony jest jeszcze atom wodoru i na schemacie ugrupowanie „R”. Ugrupowanie „R” nie jest jakimś egzotycznym ugrupowaniem- to ogólne oznaczenie na wszystkie struktury jakie mogą być w tym miejscu przyłączone. Może tam znaleźć się inny atom wodoru, może znaleźć się atom węgla grupy metylowej, może znaleźć się atom węgla połączony dalej z grupą hydroksylową. Obojętnie co tam jest przyłączone, aminokwas jako „podstawową strukturę” ma grupę aminową i grupę karboksylową przyłączoną do węgla alfa- wyjątkiem jest prolina, ale darujmy sobie omawianie wyjątków.

Budowa aminokwasów jest przedziwna. Z jednej strony posiada on grupę, która posiada w normalnych warunkach w wodzie ładunek dodatni (grupa aminowa), a z drugiej strony posiada on grupę, która w normalnych warunkach w wodzie posiada ładunek ujemny (grupa karboksylowa). Dodatkowe ładunki może posiadać łańcuch boczny (nasze „R”). Dzięki temu, w roztworze wodnym aminokwasy występują jako zwitterjony- czyli jony obojnacze- mimo że posiadają dwa ładunki w swojej cząsteczce (na grupie aminowej jest ładunek dodatni, a na karboksylowej ujemy), aminokwas jako taki jest cząsteczką obojętną, bo jedna grupa „znosi” sumaryczny ładunek drugiej.

W cząsteczce białka, aminokwasy łączą się ze sobą w długi łańcuch. Od tego jakie grupy boczne występują w takim łańcuchu, zależą właściwości i kształt białka. Zależy to tylko od grup bocznych (nasze „R”), ponieważ „trzon”, czy „podstawa” jest taka sama- są to wiązania peptydowe.

Wiązanie peptydowe jest równie przedziwnym wiązaniem chemicznym, o fantastycznych właściwościach. Z punktu widzenia chemii, jest to wiązanie amidowe. Powstaje ono pomiędzy dwoma aminokwasami- a dokładniej między grupą karboksylową jednego, a grupą aminową drugiego aminokwasu. W kontekście biochemii i chemii białek o wiązaniu amidowym mówi się jako o wiązaniu peptydowym, ale to nazwa jednego i tego samego wiązania. Darujemy sobie omawianie mechanizmu powstania wiązania peptydowego- zostawmy to chemikom. Przyjrzyjmy się jego niezwykłe j strukturze.

Atom tlenu połączony wiązaniem podwójnym do atomu węgla „dawnej” grupy karboksylowej, a ten atom węgla połączony do atomu azoty „dawnej” grupy amidowej. Niesamowite możliwości! Z teoretycznego punktu widzenia atom węgla grupy karboksylowej połączony jest z atomem azotu wiązaniem pojedynczym. Gdyby tak było, możliwa byłaby rotacja dookoła tego wiązania. Molekuły rotują- kręcą się dookoła wiązań pojedynczych. Trochę to tak łopatki miksera- mikser to jedna część cząsteczki, a wirująca łopatka zanurzona w np. bitej śmietanie to druga część. Prosty, metalowy kawałek łączący łopatkę i mikser możemy wyobrazić sobie jako wiązanie, które umożliwia obracanie się łopatki w cieśnie. Tak samo powinno być w wypadku wiązania peptydowego- powinno się ono kręcić. Tak się jednak nie dzieje. Dzięki unikalnemu połączeniu i „usadowieniu” atomu tlenu grupy karbonylowej i atomu azotu dawnej grupy aminowej w tak bliskiej odległości, częściowo wiązanie pojedyncze między atomem węgla a azotu, staje się wiązaniem podwójnym. I rotacja w tym wypadku przestaje być możliwa. Wiązanie staje się płaskie jak stół. Nie jest już możliwa jego rotacja wokół własnej osi.

Białka zbudowane są właśnie z takich „elementów”, czyli aminokwasów, które połączone są płaskim i stosunkowo trwałym wiązaniem peptydowym. Jest ono dość sztywne co powoduje, że białka jako tako mogą utrzymać swój stały kształt. Zależy on oczywiście od obecności grup pobocznych aminokwasów.

W roztworze wodnym, zsyntezowane białko przypomina trochę unoszącą się nitkę z koralikami na niej, która może się zwijać, skręcać, rozkręcać, obracać i przyjąć prawie każdy kształt. Fachowo nazywa się to kłębkiem statycznym. Białko, aby mogło pełnić swoją funkcję nie może oczywiście „wyglądać” jak mu się podoba. Zwija się ono bardzo szybko w odpowiednią i ściśle zdefiniowaną strukturę. Każda cząsteczka pepsyny, czy hemoglobiny, czy albuminy wygląda zawsze tak samo (pod warunkiem, że jest prawidłowo zsyntezowana). Białko zwija się tak na skutek oddziaływania grup bocznych ze środowiskiem, z samymi sobą, dzięki obecności mostków disiarczkowych i wielu innych czynników. Jest to poważny problem, nad którym naukowcy cały czas pracują, aby móc w pełni go opisać.

Ponieważ naukowcy sami nie wiedzą jak to się do końca dzieje, że białko przyjmuje w końcowym efekcie zawsze taki sam kształt, my też nie będziemy się tym zajmowali. Przejdziemy do momentu, kiedy mamy już gotowe, w pełni ukształtowane białko. Zakładamy, że ma ono taki kształt jaki powinno posiadać, ewentualnie posiada on grupy prostetyczne (czyli takie które pierwotnie nie należały do białka, ale przyłączyły się do niego w określonym miejscu) i posiada zdolności katalityczne.

Nie każde białko oczywiście musi posiadać grupę prostetyczną. Nie każde białko musi też brać udział w reakcjach chemicznych w komórce. Niektóre białka odpowiadają tylko za transport substancji (np. hemoglobina transportuje tlen), inne odpowiadają za budowę struktur komórkowych (np. miozyna). Część białek bierze jednak udział w katalizowaniu reakcji chemicznych.

Co to oznacza? Niektóre reakcje chemiczne zachodzą bardzo szybko. Nie potrzebują one pomocy. Inne natomiast zachodzą bardzo wolno- na tyle wolno, że organizm bez „wspomagania” nie mógłby funkcjonować. Dzieje się tak dlatego, że w znakomitej większości przypadków do zajścia reakcji, substraty muszą ułożyć się względem siebie w odpowiedniej odległości. Muszą „obrócić” się do siebie jak najbardziej korzystnie. Ich zderzenie musi być wymierzone z taką energią by mogła zajść reakcja- musi być na tyle duża, że przy zderzeniu cząsteczki po prostu nie odskoczą od siebie. Energia nie może być też zbyt duża by cząsteczki porozpadały się podczas zderzenia.

Nie jest o to tak łatwo w gąszczu wielu setek, a nawet tysięcy najróżniejszych cząsteczek. Białka, a dokładniej enzymy- są to białka biorące udział w reakcjach- mają za zadanie „łapać” cząsteczki, odpowiednio je względem siebie ustawiać, pomóc im w zderzeniu i zajściu reakcji chemicznej, która normalnie zachodziłaby np. 1 raz na sekundę, a w obecności białek zachodzi np. 10 tysięcy razy na sekundę.

Wiele osób twierdzi, że najwspanialsza funkcją białka jest to, że ma możliwość „sterowania” reakcją chemiczną. Bez wątpienia tak jest. Moim zdaniem jednak, tą „fajniejszą” cechą białek jest fakt, że potrafią one „złapać” cząsteczki.

Zróbmy eksperyment. Połóż przed sobą na stole długopis. Teraz za pomocą tylko jednego palca podnieś go i napisz na kartce swoje imię. Możesz w tym celu użyć tylko i wyłącznie jednego palca- aby złapać długopis i napisać swoje imię. Trudne? Chyba niemożliwe. Teraz zaangażujemy w ten proces dwa palce. Pamiętaj, by nie opierać długopisu w „zgłębieniu” między kciukiem, a palcem wskazującym. Spróbuj teraz napisać swoje imię. Da się? Da, ale nie wygląda to najładniej. Teraz zrób to samo  tak, jak robisz to zawsze- złap długopis tak jak jest ci wygodnie.

Ilu palców i elementów ręki użyłeś? Ja potrzebuję do tego kciuka, palca wskazującego i środkowego, oraz wgłębienia między kciukiem i palcem wskazującym.

Enzymy działają tak samo. Muszą one pochwycić cząsteczkę, która ma ulec reakcji w co najmniej trzech miejscach. Zapewnia to stabilność w „trzymaniu” jej oraz możliwością jej dowolnego obracania w przestrzeni. Oczywiście można zaangażować więcej niż 3 punktu podparcia, ale 3 to minimum, by cząsteczka była pochwycona pewnie i na tyle stabilnie, by przypadkiem nie wyślizgnąć się z objęć enzymu.

Czy jest to takie niesamowite? Przecież co to za problem by chwycić cząsteczkę nawet w 3 miejscach. Wystarczy, by element enzymu, który odpowiedzialny jest za złapanie cząsteczki miał odpowiedni kształt i właściwości. My też przecież nie mamy problemu z pochwyceniem długopisu, który leży sobie na biurku. Co w tym niesamowitego?

Wyobraź sobie teraz basen z wodą. Wchodzisz do tego basenu i pływa w nim bardzo wiele ryb. Jedne mniejsze, drugie większe, ale jest ich wiele i są z różnych gatunków (mają różny kształt, pływają z różną szybkością, są spokojniejsze, lub bardziej wystraszone). Masz za zadanie teraz pochwycić za pomocą jedynie 3 palców rybę w takim zbiorniku. Oczywiście wszystkie pływają. Obijają się o ciebie. Jeśli byłaby tam duża ryba np. rekin (oczywiście jeśli by cię nie zjadł) po uderzeniu w ciebie, zmieniłby twoją trajektorię. Ty również w celu złapania tej jednej, konkretnej ryby musisz machać rękami, nogami i wyginać się tak by po pierwsze zbliżyć się do niej, a następnie złapać ją za pomocą trzech palców i najlepiej przysunąć jak najbliżej ciała by nie uciekła.

Te porównanie jest bliższe prawdy tego jak wygląda praca enzymu.

W roztworze wodnym w komórce mamy setki substancji. Cząsteczka enzymu na ślepo przemierza wnętrze komórki i „szuka swoim” cząsteczek. Cały czas jest bombardowana z różnych stron- odpychana i przesuwana. A do tego, za pomocą małego swojego fragmentu musi pochwycić inną cząsteczkę. Cząsteczka ta też się porusza, jej struktura wiruje (tak jak już wcześniej mówiliśmy). Cząsteczka ta przepycha się między innymi, zderza i „kręci się” jak niespokojne dziecko.

W momencie pochwycenia ją przez enzym ten szybko zmienia swój kształt tak, by jak najmocniej pochwycić cząsteczkę (czyli tak, by oddziaływania enzym- cząsteczka były jak najsilniejsze) i stara się ją odizolować od środowiska na czas reakcji, aby przypadkiem inna rozpędzona cząsteczka nie wybiła ją z uścisku. Enzym tak dopasowuje się do kształtu cząsteczki, aby jak najsilniej ją złapać, ale również tak, by móc nią manipulować w przestrzeni. Wszystko w nieustającym ruchu wszystkich elementów, drganiu wszystkiego dookoła, ciągłych zderzeniach i pląsaniach.

Trochę to tak, jakby próbować utrzymać przerażoną żabę w rękach, siedząc podczas sztormu na bujającej się tratwie na środku oceanu. A pamiętajmy, że enzymy robią to co ułamek sekundy, zamieniając miliardy cząsteczek różnego rodzaju w inne cząsteczki w każdej sekundzie naszego życia. Dla nas jest to abstrakcja, której nie możemy sobie nawet wyobrazić- no bo jak coś takiego jak struktura białkowa w ciągu sekundy potrafi np. tysiąc razy przyłączyć się do tysiąca różnych cząsteczek, jedna po drugiej, dopasować się do tych cząsteczek, przeprowadzić na nich odpowiednią reakcję, wypuścić je, związać się z kolejną i tak od setek to setek tysięcy razy w ciągu sekundy. Dla nas jest to magia. Dla enzymów- chleb powszedni.

Zapraszam do odwiedzenia strony na Facebook! 

Paradoks wody

Woda jest substancją niezwykłą. Chyba każdy o tym wie. Nie wchodząc w chemiczne/ fizyczne dyskusje, to właśnie głównie dzięki niej, życie jest możliwe i na niej się opiera. To już wystarczający fakt, dla którego możemy mówić o jej niezwykłości. Dziś nie będziemy zajmowali się jednak jej niezwykłością, ale skupimy się na jednym ciekawym fakcie. Pojęcie go, a raczej zrozumienie zajęło mi sporo czasu, stąd chciałbym go przybliżyć, bo być może są tutaj inne osoby, które mają podobny problem jak ja miałem.

Woda dysocjuje, a właściwie autodysocjuje. Co to oznacza? Dysocjacja jest procesem rozpadu cząsteczek określonego związku chemicznego na jony, pod wpływem jakiegoś czynnika np. rozpuszczalnika, ale może to być też wysoka temperatura. Przykładowo- chlorek sodu, czyli NaCl, po umieszczeniu w wodzie dysocjuje na kationy sodowe, oraz aniony chlorkowe- my obserwujemy to jako rozpuszczanie chlorku sodu. Dla sprostowania- cukier rozpuszcza się w wodzie, ale nie dysocjuje- rozpadają się jego kryształy, ale sama cząsteczka sacharozy nie rozpada się na drobniejsze (jest to podstawowy błąd, który wiele osób powtarza, a jakoś nauczycielom nie pali się go prostować).

Woda ma zdolność do autodysocjacji- oznacza to, że też może rozpadać się na jony, pod wpływem innych cząsteczek wody. Podobne zdolności ma siarkowodór, amoniak i kilka innych. W reakcji autodysocjacji (bo jest to reakcja chemiczna, a nie proces fizyczny!), dwie cząsteczki wody zderzają się, dzięki czemu jedna cząsteczka oddaje proton i staje się anionem hydroksylowym, a druga cząsteczka kradnie proton, tworząc kation hydroniowy.

Reakcja autodysocjacji ma przeogromne znaczenie- na jej podstawie opiera się cała skala pH. Każda reakcja chemiczna, pozostaje w pewnej równowadze. Określona ilość cząsteczek w każdej chwili rozpada się, a w tej samej chwili tyle samo cząsteczek łączy się. Przykładowo Jeśli na 100 cząsteczek wody, 20 ulegnie autodysocjacji (powstanie 10 jonów hydroniowych i 10 anionów hydroksylowych), to w tym roztworze, już obecne kationy i aniony (po 10 każdego rodzaju) ulegnie przekształceniu w obojętne cząsteczki wody. Równowaga oznacza nie to, że nie występują żadne reakcje- one występują, ale sumarycznie ilość dysocjujących cząsteczek odpowiada ilości cząsteczek które 'poszły' w drugą stronę. W każdej sekundzie w szklance czystej wody zachodzi bardzo wiele reakcji autodysocjacji i tyle samo reakcji przeciwnych, które ze zderzenia jonów dają cząsteczki obojętne.

Jest to istotny fakt, ponieważ na nim opiera się skala pH. Na podstawie reakcji autodysocjacji wody, można zapisać wyrażenie na stałą dysocjacji.  Stała dysocjacji w warunkach standardowych, dla idealnie czystej wody wynosi 3,23·10^-18. Chemik wie co to oznacza, a dla nas wystarczy wiedzieć, że taka mała wartość tej stałej, mówi o tym, że woda niechętnie dysocjuje- cząsteczka wody woli pozostać jako zwykła woda, niż zderzyć się z inną tworząc jony. Ale mimo tego, że stała jest tak mała i woda nie jest chętna do autodysocjacji, oto jednak na zachodzi. 

Na podstawie odpowiednich obliczeń, wiemy, że w idealnie czystej wodzie (w 1l), znajduje się po 10^-7 mola kationów hydroniowych i tyle samo anionów hydroksylowych. Dzięki temu, woda jako całość jest elektrycznie obojętna, bo tyle samo każdego z jonów daje sumarycznie ładunek obojętny. Mimo tego, że woda jako całość jest obojętna, przeglądając ją molekuła, po molekule, znaleźlibyśmy w litrze wody taką samą ilość kationów jak i anionów.

Wymyślono kolejne pojęcie- iloczyn jonowy wody. Nie wnikajmy co to takiego jest- ale zaznaczam, że nie wymyślono go z nudów! Po prostu przyjmijmy, że to określona wartość, która jest iloczynem (wynikiem mnożenia) stężenia kationów hydroniowych i anionów hydroksylowych w czystej wodzie (10^-7 razy 10^-7) i wynosi on 10^-14. Jest to wielkość mała i nie jest wygodna w użyciu. Wymyślono (z określonych powodów), że będziemy oznaczali iloczyn jonowy wody, jako ujemny logarytm dziesiętny z naszej wartości, czyli –log₁₀10^-14. Dzięki temu, 10^-14, przybrało bardziej ludzką formę po prostu 14. Wartość 14 jest określona dla danej temperatury! I to będzie bardzo ważne stwierdzenie dla naszych rozważań.

Co nam to dało? Po co się tak trudzić, żeby wyznaczyć liczbę 14?

Na tej podstawie stworzono skalę pH. Jest to skala mówiąca o kwasowości danego roztworu. Można mówić też o skali zasadowości roztworu- wtedy mamy do czynienia z pOH. Są to skale ściśle ze sobą korelujące. Skalę pH oznacza się jako ujemny logarytm ze stężenia kationów hydroniowych w wodzie, a skalę pOH jako ujemny logarytm ze stężenia anionów hydroksylowych w wodzie. Dzięki temu, można wyznaczyć jaka wartość odpowiada chemicznie czystej wodzie. Brzmi strasznie, ale w rzeczywistości są to proste rzeczy, a jeśli kilka razy użyje się tych wielkości, albo przerobi kilka zadań, wszystko staje się dziecinnie proste i ciekawe!

W czystej wodzie, jak wcześniej mówiliśmy, jest 10^-7 mola kationów hydroniowych (na 1dm³) i tyle samo anionów hydroksylowych. Policzmy, co na to skale pH i pOH:

Dzięki temu widzimy, że pH + pOH= 14. Czyli znowu pojawia się nam nasza 14! Dzięki temu wiemy, że gdy pH-metr pokaże nam wartość 7, mamy do czynienia z roztworem o obojętnym pH. Gdy pH-metr pokaże nam wartość mniejszą od 7, mamy do czynienia z roztworem kwaśnym (ma on więcej kationów hydroniowych), a gdy pH jest większe od 7 roztwór jest zasadowy (ma więcej anionów hydroksylowych). Stąd skala pH rozciąga się od 0, aż do 14.

I teraz bardzo ważna rzecz- nasza wartość 14 zależy od temperatury! Mało się ten fakt akcentuje, albo po prostu się o nim wspomni raz i tyle. A właśnie od tego zależy „paradoks”, że w wyższej temperaturze woda jest kwaśniejsza. I to jest właściwy temat tego artykułu.

Powszechnie wiadomo, że w wyższej temperaturze woda jest bardziej kwaśna. Tu pojawił się mój pierwszy problem- w jaki sposób woda może być bardziej kwaśna od samej siebie? Podczas autodysocjacji z 2 cząsteczek wody powstają jeden kation hydroniowy i jeden anion hydroksylowy. Więc ładunek dalej taki sam- nie ma ani więcej jednych kationów, ani więcej anionów. Więc w jaki przedziwny sposób woda nagle miałaby produkować więcej kationów hydroniowych? Nie umiałem tego zrozumieć, stąd przyjąłem za fakt, że wyższa temperatura= niższe pH= woda jest kwaśniejsza. Przykładowo powszechnie mówi się, że w 100 stopniach Celsjusza, pH wody spada do około 5,56.

Takie rozważania wprowadzały mnie w zakłopotanie, dopóki bardzo dobitnie nie przeczytałem zdania- iloczyn jonowy wody (nasze 14) zależy od temperatury! W wyższej temperaturze iloczyn jonowy jest odpowiednio mniejszy, i dla temperatury wrzenia, iloczyn jonowy wody wynosi 11,13, czyli po podzieleniu na 2, środek skali (czyli pH obojętne) wypada w okolicach właśnie 5,56. Woda pozostała obojętna, bo zmienił się iloczyn jonowy wody!

Niedoświadczony chemik, wkładając pH-metr do gorącej wody,  faktycznie odczyta na skali, że jest ona kwaśniejsza. Chemik z doświadczeniem, posłuży się kompensacją temperatury (czyli termometrem, który koryguje wyniki) i dzięki temu woda pozostanie obojętna, bo taka jest w rzeczywistości.

Mówienie, że woda jest kwaśniejsza w wyższej temperaturze jest prawdziwe, jeśli mówi się o tym w kontekście warunków standardowych! W rzeczywistości nie jest kwaśniejsza, bo iloczyn jonowy wody, a tym samym środek skali przesuwa się co daje pozorny efekt kwasowości. Z tego punktu widzenia, patrząc na wrzącą wodę, przez pryzmat pomiaru jej pH względem warunków standardowych, urządzenie faktycznie pokaże, że jest ona kwaśna, ale biorąc urządzenie, które uwzględni podwyższoną temperaturę, okaże się (co prawda), że jest ona obojętna. Tak oto w jednej zlewce, ta sama woda w tym samym czasie może być kwaśna i obojętna.

Mam nadzieję, że załapaliście to chociaż w minimalnym stopniu. Mnie to trochę zajęło, mam nadzieję, że wam pójdzie łatwiej!