Pogled na kemijo
Beljakovine lahko postavimo na prvo mesto v "biološkem svetu", saj glede na njihove številne funkcije ne bi bilo brez njih.
Elementna analiza beljakovin daje naslednje povprečne vrednosti: 55% ogljika, 7% vodika in 16% dušika; jasno je, da se proteini med seboj razlikujejo, vendar njihova povprečna elementarna sestava malo odstopa od zgoraj navedenih vrednosti.
V bistvu so proteini makromolekule, ki nastanejo iz naravnih a-aminokislin; Aminokisline združujejo preko amidne vezi, ki jo določimo z reakcijo med amino skupino a-amino kisline in karboksilom druge a-amino kisline. Ta vez (-CO-NH-) se imenuje tudi peptidna vez, ker veže peptide (aminokisline v kombinaciji):
dobljeni je dipeptid, ker ga tvorita dve aminokislin. Ker dipeptid na eni strani (NH2) in na drugi strani (COOH) vsebuje prosto amino skupino (COOH), lahko reagira z eno ali več aminokislinami in razteza verigo tako z desne kot z leve strani, z isto reakcijo kot zgoraj.
Zaporedje reakcij (ki v vsakem primeru niso tako preproste) se lahko nadaljuje neomejeno: dokler ni polimera, imenovanega polipeptid ali protein . Razlika med peptidi in beljakovinami je povezana z molekulsko maso: običajno za molekulske mase, večje od 10.000, se imenuje protein.
Vezava aminokislin za pridobivanje celo majhnih beljakovin je težko operacijo, čeprav je bila pred kratkim razvita avtomatska metoda za proizvodnjo proteinov iz aminokislin, ki daje odlične rezultate.
Najpreprostejša beljakovina je torej sestavljena iz 2 aminokislin: po mednarodni konvenciji urejeno oštevilčenje aminokislin v proteinski strukturi se začne od aminokisline s prosto a-amino skupino.
Struktura beljakovin
Proteinske molekule so oblikovane tako, da lahko vidimo do štiri različne organizacije: na splošno jih ločimo, primarno strukturo, sekundarno, terciarno in kvartarno.
Primarne in sekundarne strukture so bistvene za beljakovine, medtem ko so terciarne in kvartarne strukture "dodatek" (v smislu, da z njimi ni mogoče opremiti vseh beljakovin).
Primarno strukturo določajo število, vrsta in zaporedje aminokislin v proteinski verigi; zato je treba določiti urejeno zaporedje aminokislin, ki sestavljajo protein (vedeti, da to pomeni poznati natančno zaporedje baz DNA, ki kodificirajo ta protein), ki naleti na nezanemarljive kemijske težave.
Možno je bilo določiti urejeno zaporedje aminokislin s pomočjo Edmanove razgradnje: protein reagira s fenilizotiocijanatom (FITC); najprej dublet α-amino dušika napade fenilizotiocijanat, ki tvori tiokarbamilni derivat; kasneje se pridobljeni produkt ciklizira, da dobimo derivat feniltioidantoina, ki je fluorescenten.
Edman je razvil stroj, imenovan sekvencer, ki samodejno prilagodi parametre (čas, reagente, pH itd.) Za degradacijo in zagotavlja primarno strukturo proteinov (za to je prejel Nobelovo nagrado).
Primarna struktura ni dovolj za popolno interpretacijo lastnosti beljakovinskih molekul; verjame se, da so te lastnosti na bistven način odvisne od prostorske konfiguracije, ki jo molekul proteinov ponavadi prevzamejo, upogibajo se na različne načine: predpostavimo, kaj je definirano kot sekundarno strukturo proteinov. Sekundarna struktura beljakovin je tremolabilna, kar pomeni, da se zaradi ogrevanja zavrže; potem so beljakovine denaturirane in izgubijo veliko njihovih značilnih lastnosti. Poleg ogrevanja nad 70 ° C lahko denaturacijo povzroči tudi obsevanje ali delovanje reagentov (npr. Močnih kislin).
Denaturacijo beljakovin s toplotnim učinkom opazimo, na primer, s segrevanjem beljakovin: vidimo, da izgublja želatinast videz in se spreminja v netopno belo snov. Vendar denaturacija proteinov vodi do uničenja njihove sekundarne strukture, vendar primarno strukturo (združitev različnih aminokislin) pušča nespremenjeno.
Proteini prevzamejo terciarno strukturo, ko se njihova veriga, medtem ko je še vedno prožna kljub zlaganju sekundarne strukture, zloži tako, da ustvari zavito tridimenzionalno ureditev v obliki trdnega telesa. Disulfidne vezi, ki se lahko vzpostavijo med cisteinom -SH, razpršenim vzdolž molekule, so v glavnem odgovorne za terciarno strukturo.
Kvartarna struktura pa tekmuje samo za beljakovine, ki jih tvorijo dve ali več podenot. Hemoglobin je na primer sestavljen iz dveh parov proteinov (to je v vseh štirih beljakovinskih verigah), ki se nahajata v tockih tetraedra tako, da tvorita strukturo sfericne oblike; štiri proteinske verige držijo skupaj ionske sile in ne kovalentne vezi.
Še en primer kvartarne strukture je insulin, za katerega se zdi, da ga sestavlja kar šest proteinskih podenot, razporejenih v parih v tockih trikotnika, v središču katerih sta dva atoma cinka.
BELJAKOVI PROTEINOV: so beljakovine z določeno togostjo in imajo veliko daljšo os kot druga; najbolj bogata vlaknasta beljakovina v naravi je kolagen (ali kolagen).
Vlaknasta beljakovina ima lahko več sekundarnih struktur: α-vijačnico, β-listič in, v primeru kolagena, trojno vijačnico; α-vijačnica je najstabilnejša struktura, ki ji sledi β-listič, medtem ko je najmanj stabilna trikratna vijačnica.
α-vijačnica
Za propeler je rečeno, da je desničar, če se po glavnem okostju (usmerjenem od spodaj navzgor) izvede gibanje, ki je podobno vijačenju desnega vijaka; medtem ko je propeler leve roke, če je gibanje analogno privijanju levega vijaka. V desnih α-helicah so -R substituenti aminokislin pravokotni na glavno os proteina in so obrnjeni navzven, medtem ko se v levi strani a-heliki substituenti -R soočajo navznoter. Desni a-heliki so stabilnejši od leve roke, ker je med v-R manj interakcije in manj sterične ovire. Vse α-vijačnice v beljakovinah so dekstrogene.
Struktura α-vijačnice je stabilizirana z vodikovimi vezmi (vodikovi mostovi), ki nastanejo med karboksilno skupino (-C = O) vsake aminokisline in amino skupine (-NH), ki je kasneje v štirih ostankih. linearno zaporedje.
Primer proteina, ki ima strukturo a-vijačnice, je keratin za lase.
β-listni
V strukturi β-lističa lahko nastanejo vodikove vezi med aminokislinami, ki pripadajo različnim, vendar vzporednim polipeptidnim verigam ali med aminokislinami istega proteina, ki so celo numerično oddaljene druga od druge, vendar tečejo v antiparalelni smeri. Vendar so vodikove vezi šibkejše od tistih, ki stabilizirajo obliko α-vijačnice.
Primer strukture β-lističa je svileni fibrin (najdemo ga tudi v pajčevini).
Z razširitvijo strukture a-vijačnice se izvede prehod iz α-vijačnice v β-listič; tudi toplota ali mehanska obremenitev omogočata prehod iz strukture a-vijačnice v strukturo β-lista.
Običajno so v proteinu strukture β-lističev blizu drug drugemu, ker je mogoče vzpostaviti vodikove vezi med deli proteina.
Pri vlaknenih beljakovinah je večina beljakovinske strukture organizirana kot α-heliks ali β-listič.
GLOBULARNI PROTEINI: imajo skoraj sferično prostorsko strukturo (zaradi številnih sprememb smeri polipeptidne verige); nekateri deli bitja se lahko izsledijo nazaj do strukture a-vijačnice ali β-lističa, drugi deli pa se ne pripišejo tem oblikam: ureditev ni naključna, ampak organizirana in ponavljajoča se.
Do sedaj omenjeni proteini so snovi popolnoma homogene konstitucije: to so čiste sekvence kombiniranih aminokislin; ti proteini se imenujejo enostavni ; obstajajo proteini, sestavljeni iz proteinskega dela in ne-proteinskega dela (skupina prostate), ki se imenujejo konjugirani proteini.
kolagen
Je najbolj bogat protein v naravi: prisoten je v kosteh, nohtih, roženici in očesni leči, med intersticijskimi prostori nekaterih organov (npr. Jetra), itd.
Njegova struktura mu daje posebne mehanske zmogljivosti; ima veliko mehansko odpornost, povezano z visoko elastičnostjo (npr. v kitih) ali visoko togostjo (npr. v kosteh), odvisno od funkcije, ki jo mora izvajati.
Ena izmed najbolj zanimivih lastnosti kolagena je njegova konstitutivna preprostost: nastane za približno 30% proline in za približno 30% z glicinom ; preostalih 18 aminokislin je treba razdeliti le na preostalih 40% proteinske strukture. Aminokislinsko zaporedje kolagena je izredno redko: vsak tretji ostanek, tretji je glicin.
Prolin je ciklična aminokislina, v kateri se skupina R veže na a-amino dušik, kar ji daje določeno togost.
Končna struktura je ponavljajoča se veriga, ki ima obliko vijačnice; V kolagenski verigi so odsotne vodikove vezi. Kolagen je leva vijačnica s korakom (dolžina, ki ustreza vrtenju vijačnice) večja od α-vijačnice; vijačnica kolagena je tako ohlapna, da lahko tri proteinske verige med seboj ovijejo in tvorijo enojno vrv: trostruko vijačno strukturo.
Trojna vijačnica kolagena pa je manj stabilna kot struktura α-vijačnice in struktura β-lističa.
Poglejmo zdaj mehanizem, po katerem nastane kolagen ; razmislite, na primer, o pretrganju krvne žile: to rupturo spremlja nešteto signalov, ki zaprejo posodo in tako tvorijo strdek. Koagulacija zahteva vsaj trideset specializiranih encimov. Po strdku je potrebno nadaljevati s popravilom tkiva; celice blizu rane proizvajajo tudi kolagen. Da bi to naredili, je najprej inducirana ekspresija gena, kar pomeni, da so organizmi, ki se začnejo z informacijami o genu, sposobni proizvesti protein (genska informacija je prepisana na mRNA, ki prihaja iz in doseže ribosome v citoplazmi, kjer se genetska informacija prevede v beljakovino). Potem se kolagen sintetizira v ribosomih (pojavlja se kot leva vijačnica, sestavljena iz približno 1200 aminokislin in ima molekulsko maso približno 150000 d), nato pa se nabira v lumnih, kjer postane substrat za encime, ki so sposobni narediti naknadne spremembe. - tradicionalne (jezikovne spremembe, prevedene z mRNA); pri kolagenu te modifikacije sestojijo iz oksidacije nekaterih stranskih verig, zlasti proline in lizina.
Neuspeh encimov, ki vodijo do teh sprememb, povzroča skorbut: to je bolezen, ki povzroča, sprva zlom krvnih žil, zlom zob, ki mu lahko sledi medcelična krvavitev in smrt; lahko je posledica stalne uporabe živil z dolgo življenjsko dobo.
Nato se z delovanjem drugih encimov pojavijo druge spremembe, ki so sestavljene iz glikozidacije hidroksilnih skupin prolina in lizina (sladkor je vezan na kisik z OH); Ti encimi se nahajajo na drugih področjih, razen lumena, medtem ko se beljakovina preoblikuje, migrira znotraj endoplazmatskega retikuluma in konča v vrečah (veziklih), ki se zaprejo in se ločijo od rešetke: v notranjosti so glikozidiran prokolagenski monomer; slednji doseže Golgijev aparat, kjer določeni encimi prepoznajo cistein, prisoten v karboksilnem delu glikozidiranega pro-kolagena, in povzročijo, da se različne verige med seboj približujejo in tvorijo disulfidne mostove: tri verige pro glikozidirani kolagen, ki je povezan med seboj in je to izhodiščna točka, pri kateri tri verige, ki se prepletajo, nato spontano povzročijo trojno vijačnico. Tri glicidoksidirane prokolagenske verige so povezane med seboj, nato pa se vezikul, ki se zaduši, loči od Golgijevega aparata, prenaša tri verige proti obrobju celice, kjer s fuzijo s plazemsko membrano Trimetro se izloči iz celice.
V ekstra celičnem prostoru obstajajo posebni encimi, pro-kolagenske peptidaze, ki odstranjujejo iz vrst, izločenih iz celice, tri fragmente (po eno za vsako heliks) po 300 aminokislin na strani karboksi terminala in tri fragmente (po eno za vsako \ t spirale) okoli 100 aminokislin, od amino končnega dela: ostanek trojne spirale, ki sestoji iz približno 800 aminokislin za vijačnico, znano kot tropokolagen .
Tropokolagen ima videz dokaj toge palice; različni trimerji so povezani s kovalentnimi vezmi, da dobijo večje strukture: mikrofibrile . V mikrofibrilih so različni trimerji razporejeni na razporejen način; toliko mikrofibril so tropokolageni svežnji.
V kosteh, med kolagenskimi vlakni, obstajajo intersticijalni prostori, v katerih so deponirani kalcijevi in magnezijevi sulfati in fosfati: te soli pokrivajo tudi vsa vlakna; zaradi tega so kosti trde.
V tetivah so intersticijalni prostori manj bogati s kristali kot kosti, medtem ko so manjši proteini prisotni v primerjavi s tropokolagenom: to daje elastičnost tetivam.
Osteoporoza je bolezen, ki jo povzroča pomanjkanje kalcija in magnezija, zaradi česar je nemogoče določiti soli v intersticijskih predelih tropokolagenih vlaken.
