Pohľad na chémiu
Proteíny môžu byť umiestnené na prvom mieste v "biologickom svete", pretože bez ohľadu na ich funkcie by bez nich nebol žiadny život.
Elementárna analýza proteínov poskytuje nasledujúce priemerné hodnoty: 55% uhlíka, 7% vodíka a 16% dusíka; je jasné, že proteíny sa navzájom líšia, ale ich priemerné elementárne zloženie sa od uvedených hodnôt mierne líši.
Ústavne sú proteíny makromolekuly vytvorené z prírodných a-aminokyselín; Aminokyseliny sa spoja cez amidovú väzbu, ktorá je vytvorená reakciou medzi aminoskupinou a-aminokyseliny a karboxylom inej a-aminokyseliny. Táto väzba (-CO-NH-) sa tiež nazýva peptidová väzba, pretože viaže peptidy (aminokyseliny v kombinácii):
získaný je dipeptid, pretože je tvorený dvoma aminokyselinami. Pretože dipeptid obsahuje na jednom konci voľnú aminoskupinu (NH2) a karboxylovú skupinu (COOH), môže reagovať s jednou alebo viacerými aminokyselinami a natiahnuť reťazec z pravej aj ľavej strany, s rovnakou reakciou uvedenou vyššie.
Sekvencia reakcií (ktoré v žiadnom prípade nie sú tak jednoduché) môže pokračovať donekonečna: kým nie je polymér nazývaný polypeptid alebo proteín . Rozdiel medzi peptidmi a proteínmi je spojený s molekulovou hmotnosťou: zvyčajne pre molekulové hmotnosti väčšie ako 10 000 sa nazýva proteín.
Spojenie aminokyselín, aby sa získali aj malé proteíny, je zložitá operácia, hoci v poslednej dobe bol vyvinutý automatický spôsob výroby proteínov z aminokyselín, ktorý poskytuje vynikajúce výsledky.
Najjednoduchší proteín sa preto skladá z 2 aminokyselín: podľa medzinárodného dohovoru sa usporiadané číslovanie aminokyselín v štruktúre proteínu začína od aminokyseliny s voľnou a-aminoskupinou.
Štruktúra proteínu
Molekuly proteínu sú tvarované tak, že môžeme vidieť až štyri odlišné organizácie: všeobecne sa rozlišujú, primárna štruktúra, sekundárna, terciárna a kvartérna.
Primárne a sekundárne štruktúry sú nevyhnutné pre proteíny, zatiaľ čo terciárne a kvartérne štruktúry sú "doplnkové" (v tom zmysle, že nie všetky proteíny môžu byť nimi vybavené).
Primárna štruktúra je určená počtom, typom a sekvenciou aminokyselín v proteínovom reťazci; preto je potrebné určiť usporiadanú sekvenciu aminokyselín, ktoré tvoria proteín (aby sme vedeli, že to znamená poznať presnú sekvenciu báz DNA, ktorá kodifikuje tento proteín), ktorá naráža na nezanedbateľné chemické ťažkosti.
Usporiadanie sekvencií aminokyselín bolo možné stanoviť pomocou Edmanovej degradácie: proteín reaguje s fenylizotiokyanátom (FITC); spočiatku dublet a-amino dusíka napáda fenylizotiokyanát za vzniku tiokarbamylového derivátu; potom získaný produkt cyklizuje, čím sa získa derivát fenyltioidantoínu, ktorý je fluorescenčný.
Edman navrhol stroj nazývaný sekvencer, ktorý automaticky upravuje parametre (čas, reagencie, pH atď.) Pre degradáciu a poskytuje primárnu štruktúru proteínov (za to dostal Nobelovu cenu).
Primárna štruktúra nie je dostatočná na úplnú interpretáciu vlastností proteínových molekúl; Predpokladá sa, že tieto vlastnosti závisia, podstatným spôsobom, od priestorovej konfigurácie, že molekuly proteínov majú tendenciu predpokladať, ohýbanie sa rôznymi spôsobmi: to znamená, za predpokladu, že to, čo bolo definované ako sekundárna štruktúra proteínov. Sekundárna štruktúra proteínov je tremolabilná, tj má tendenciu sa zlikvidovať v dôsledku zahrievania; potom sa proteíny denaturujú a strácajú mnohé z ich charakteristických vlastností. Okrem zahrievania nad 70 ° C môže byť denaturácia tiež spôsobená ožiarením alebo pôsobením činidiel (napríklad silných kyselín).
Denaturácia proteínov tepelným účinkom sa pozoruje napríklad zahrievaním vaječných bielkov: je vidieť, že stráca svoj želatínový vzhľad a mení sa na nerozpustnú bielu látku. Denaturácia proteínov však vedie k deštrukcii ich sekundárnej štruktúry, ale ponecháva primárnu štruktúru (zreťazenie rôznych aminokyselín) nezmenenú.
Proteíny preberajú terciárnu štruktúru, keď ich reťazec, aj keď je stále ohybný napriek zloženiu sekundárnej štruktúry, sa prehýba tak, že sa vytvára skrútené trojrozmerné usporiadanie vo forme pevného telesa. Disulfidové väzby, ktoré môžu byť vytvorené medzi cysteínom -SH rozptýleným pozdĺž molekuly, sú hlavne zodpovedné za terciárnu štruktúru.
Na druhej strane kvartérna štruktúra konkuruje iba proteínom tvoreným dvoma alebo viacerými podjednotkami. Napríklad hemoglobín sa skladá z dvoch párov proteínov (to znamená vo všetkých štyroch proteínových reťazcoch) umiestnených na vrcholoch tetraedrónu takým spôsobom, aby sa vytvorila štruktúra guľovitého tvaru; štyri proteínové reťazce sú držané pohromade iónovými silami a nie kovalentnými väzbami.
Ďalším príkladom kvartérnej štruktúry je inzulín, ktorý sa skladá z až šiestich proteínových podjednotiek usporiadaných v pároch na vrcholoch trojuholníka, v strede ktorých sú umiestnené dva atómy zinku.
PROTEÍNY FIBROSE: sú to proteíny, ktoré majú určitú tuhosť a majú os oveľa dlhšiu ako druhá; najrozšírenejším vláknitým proteínom v prírode je kolagén (alebo kolagén).
Vláknitý proteín môže mať niekoľko sekundárnych štruktúr: a-helix, β-leták a v prípade kolagénu trojitá špirála; α-helix je najstabilnejšia štruktúra, po ktorej nasleduje p-leták, zatiaľ čo najmenej stabilný z troch je trojitá skrutkovica.
α-helix
Uvádza sa, že vrtuľa je pravotočivá, ak sa po hlavnej kostre (orientovanej zdola nahor) vykoná pohyb podobný skrutkovaniu pravotočivej skrutky; zatiaľ čo vrtuľa je ľavá, ak je pohyb analogický so skrutkovaním ľavotočivej skrutky. V pravých a-závitniciach sú -R substituenty aminokyselín kolmé na hlavnú os proteínu a smerujú smerom von, zatiaľ čo v ľavej ruke sú substituenty -R orientované smerom dovnútra. Pravé a-helixy sú stabilnejšie ako ľavá ruka, pretože medzi nádobami -R je menšia interakcia a menej sterická prekážka. Všetky a-helixy nachádzajúce sa v proteínoch sú dextrogénne.
Štruktúra a-helixu je stabilizovaná vodíkovými väzbami (vodíkovými mostíkmi), ktoré sú tvorené medzi karboxylovou skupinou (-C = O) každej aminokyseliny a aminoskupinou (-NH), ktorá je neskôr štyri zvyšky. lineárna sekvencia.
Príkladom proteínu, ktorý má štruktúru a-helixu, je vlasový keratín.
β-list
V štruktúre β-letákov sa môžu tvoriť vodíkové väzby medzi aminokyselinami, ktoré patria k rôznym, ale paralelným polypeptidovým reťazcom, alebo medzi aminokyselinami rovnakého proteínu, aj číselne vzdialenými od seba, ale prúdiacimi v antiparalelných smeroch. Vodíkové väzby sú však slabšie ako tie, ktoré stabilizujú formu a-helixu.
Príkladom štruktúry p-letákov je hodvábny fibrín (nachádza sa tiež v pavučinách).
Rozšírením štruktúry a-helixu sa vykoná prechod z a-helixu na p-leták; tiež teplo alebo mechanické napätie umožňujú prechod zo štruktúry α-skrutkovice na štruktúru β-listu.
Zvyčajne sú v proteíne p-letáčikové štruktúry blízko pri sebe, pretože môžu byť vytvorené vodíkové väzby medzi časťami proteínu.
Vo vláknitých proteínoch je väčšina proteínovej štruktúry organizovaná ako a-helix alebo β-leták.
GLOBULÁRNE PROTEÍNY: majú takmer sférickú priestorovú štruktúru (v dôsledku mnohých zmien smeru polypeptidového reťazca); niektoré časti bytia možno vysledovať späť k štruktúre a-helixu alebo β-letáku a iné časti sa namiesto toho nedajú priradiť k týmto formám: usporiadanie nie je náhodné, ale organizované a opakované.
Doteraz označované proteíny sú látky s úplne homogénnou konštitúciou: to znamená čisté sekvencie kombinovaných aminokyselín; tieto proteíny sa nazývajú jednoduché ; proteíny sú tvorené proteínovou časťou a neproteínovou časťou (skupina prostaty) nazývanou konjugované proteíny.
kolagén
Je to najhojnejšia bielkovina v prírode: je prítomná v kostiach, nechtoch, rohovke a očných šošovkách, medzi intersticiálnymi priestormi niektorých orgánov (napr. Pečene) atď.
Jeho štruktúra mu dáva špecifické mechanické schopnosti; má veľkú mechanickú odolnosť spojenú s vysokou elasticitou (napr. v šľachách) alebo vysokou tuhosťou (napr. v kostiach) v závislosti od funkcie, ktorú má vykonávať.
Jednou z najviac zvedavých vlastností kolagénu je jeho konštitutívna jednoduchosť: tvorí sa asi 30% prolínom a asi 30% glycínom ; ďalších 18 aminokyselín musí byť rozdelených iba zostávajúcich 40% proteínovej štruktúry. Aminokyselinová sekvencia kolagénu je pozoruhodne pravidelná: každý tretí zvyšok je tretí glycín.
Prolín je cyklická aminokyselina, v ktorej sa skupina R viaže na a-aminoskupinu, čo jej dáva určitú tuhosť.
Konečná štruktúra je opakovaná reťazec, ktorý má tvar špirály; v reťazci kolagénu chýbajú vodíkové väzby. Kolagén je ľavá špirála s krokom (dĺžka zodpovedajúca otáčke špirály) väčšia ako a-helix; skrutkovica kolagénu je tak voľná, že tri proteínové reťazce sú schopné zabaliť medzi nimi a vytvoriť jedno lano: trojitá špirálová štruktúra.
Trojitá špirála kolagénu je však menej stabilná ako štruktúra a-helixu a štruktúra p-letáku.
Pozrime sa teraz na mechanizmus, ktorým sa vyrába kolagén ; zvážte napríklad prasknutie cievy: toto prasknutie je sprevádzané nespočetným množstvom signálov, aby sa nádoba uzavrela, čím sa vytvorí zrazenina. Koagulácia vyžaduje najmenej tridsať špecializovaných enzýmov. Po zrazení je potrebné pokračovať v oprave tkaniva; bunky blízko rany tiež produkujú kolagén. Na tento účel je najprv vyvolaná expresia génu, to znamená, že organizmy, ktoré začínajú na základe informácie o géne, sú schopné produkovať proteín (genetická informácia je transkribovaná na mRNA, ktorá pochádza z mRNA, ktorá je výsledkom jadro a dosiahne ribozómy v cytoplazme, kde sa genetická informácia prekladá do proteínu). Potom sa kolagén syntetizuje v ribozómoch (javí sa ako špirála ľavej ruky zložená z asi 1200 aminokyselín s molekulovou hmotnosťou asi 150000 d) a potom sa akumuluje v lúmenoch, kde sa stáva substrátom pre enzýmy schopné vykonávať post-modifikácie - tradičné (jazykové modifikácie preložené mRNA); v kolagéne tieto modifikácie pozostávajú z oxidácie niektorých bočných reťazcov, najmä prolínu a lyzínu.
Zlyhanie enzýmov, ktoré vedú k týmto modifikáciám, spôsobuje kurděje: je to ochorenie, ktoré spočiatku spôsobuje prasknutie krvných ciev, prasknutie zubov, po ktorom môže nasledovať interintestinálne krvácanie a smrť; môže to byť spôsobené nepretržitým používaním potravín s dlhou životnosťou.
Následne pôsobením iných enzýmov dochádza k iným modifikáciám, ktoré spočívajú v glykozidácii hydroxylových skupín prolínu a lyzínu (cukor je viazaný na kyslík pomocou OH); tieto enzýmy sa nachádzajú v iných oblastiach ako lumen, zatiaľ čo proteín prechádza modifikáciami, migruje vo vnútri endoplazmatického retikula, aby skončil v vakoch (vezikulách), ktoré sa na seba nachádzajú a oddeľujú sa od mriežky: vnútri sú obsiahnuté glykozidovaný pro-kolagénový monomér; posledne uvedený dosahuje Golgiho aparát, kde jednotlivé enzýmy rozpoznávajú cysteín prítomný v karboxylovej časti glykozylovaného prokolagénu a spôsobujú, že sa rôzne reťazce navzájom približujú a vytvárajú disulfidové mostíky: tri reťazce prof. glykozidovaný kolagén spojený a toto je východiskový bod, z ktorého tieto tri reťazce, ktoré sa vzájomne prelínajú, potom spontánne vytvárajú trojitú závitnicu. Tri glycidoxidované pro-kolagénové reťazce sú navzájom spojené, potom vezikuly, ktoré sa samy od seba oddeľujú od Golgiho aparátu a transportujú tieto tri reťazce smerom k okraju bunky, kde cez fúziu s plazmatickou membránou dochádza trimetro sa vylučuje z bunky.
V extracelulárnom priestore existujú konkrétne enzýmy, pro-kolagénové peptidázy, ktoré odstraňujú z druhov vylúčených z bunky tri fragmenty (jeden pre každú špirálu) s 300 aminokyselinami, každý na karboxylovom konci a tri fragmenty (jeden pre každý helix) asi 100 aminokyselín, z amino-koncovej časti: zostane trojitá špirála, pozostávajúca z približne 800 aminokyselín pre helix známy ako tropokolagén .
Tropokolagén má vzhľad pomerne tuhej tyčinky; rôzne triméry sú spojené s kovalentnými väzbami, aby sa získali väčšie štruktúry: mikrofibrily . V mikrofibrilách sú rôzne triméry usporiadané striedavo; toľko mikrofibríl sú tropokolagénové zväzky.
V kostiach, medzi kolagénovými vláknami, sú intersticiálne priestory, v ktorých sa ukladajú sírany vápenaté a horečnaté a fosforečnany: tieto soli tiež pokrývajú všetky vlákna; toto robí kosti stuhnutými.
V šľachách sú intersticiálne priestory menej bohaté na kryštály ako kosti, zatiaľ čo menšie proteíny sú prítomné v porovnaní s tropokolagénom: to dáva šliach elasticitu.
Osteoporóza je ochorenie spôsobené nedostatkom vápnika a horčíka, čo znemožňuje fixáciu solí v intersticiálnych oblastiach tropokolagénových vlákien.
