3.4 Prótein

Prótein

Námsmarkmið

Eftir þennan kafla átt þú að geta eftirfarandi:

Lýst starfsemi próteina í frumum og vefjum
Fjallað um samhengið á milli amínósýra og próteina
Útskýrt í hvaða fjóra flokka, próteinlögun er flokkuð
Lýst því hvernig lögun próteina tengist virkni þeirra

Prótein eru það lífræna efni sem mest er af í lífverum og hafa breytilegustu starfsemi allra stórsameinda. Hlutverk þeirra geta verið allt frá því að vera byggingareiningar, stjórnprótein, samdráttarefni eða varnaraefni. Þau taka þátt í flutning, geymslu eða virka sem himnur. Einnig geta þau verið eitruð eða ensím. Hver fruma í lífveru getur innihaldið þúsundir próteina, hvert með sérhæfða einstaka starfsemi. Lögun þeirra, sem og hlutverk, er mjög breytilegt. Þau eru samt öll fjölliður myndaðar úr amínósýrum sem raðað er upp í langa keðju.

Gerðir og hlutverk próteina

Ensím, sem frumur mynda, eru prótein sem hvata áfram lífefnafræðilega ferla (t.d. meltingu) og eru alla jafna flókin og/eða samsett prótein. Hvert ensím er sérhæft fyrir það hvarfefni (það efni sem bundist getur ensíminu) sem það á samskipti við. Ensím geta hjálpað til við niðurbrot, endurröðun eða nýmyndun efna. Við köllum ensím sem brjóta niður efni, katabólísk ensím. Þau sem byggja flóknari efni úr einföldum efnum, kallast anabólísk og þau ensím sem hafa áhrif á hvarfhraða efna eru katalísk ensím. ATH öll ensím auka hraða efnaskipta og eru því efnahvatar. Dæmi um ensím er munnvatns-amílasi sem brýtur niður hvarfefni sitt, amýlósa (sterkja) niður í maltósa með afvötnunarhvarfi.

Hormón eru boðefni sem alla jafna eru smá prótein eða sterar, sem seytt er af útkirtlum sem stjórna sérhæfðum lífeðlisfræðilegum ferlum eins og vexti, þroska, efnaskiptum og æxlun. Sem dæmi þá er insúlín, prótein hormón sem hjálpar til við stjórnun blóðsykursstyrk. Tafla 3.1 telur upp helstu prótein og hlutverk þeirra

Tafla 3.1
Gerð
Dæmi	Hlutverk	Meltingarensím
Amýlasi, lípasi, pepsín, trypsín	Hjálpa til við niðurbrot næringarefna niður í stakar einliður	Flutningur
Hemóglóbín, albúmín	Flytja efni í blóði og vessa um líkaman	Form/bygging
Aktín, túbúlín, keratín	Mynda frymis grindina, hár og neglur	Hormón
Isnúlín, þýroxín	Stjórna starfsemi líkamans	Varnir
Immúnóglóbúlín	Verja líkaman fyrir utanaðkomandi sýklum	Samdráttur
Aktín, mýósín	Taka þátt í vöðvasamdrætti	Geymsla
Eggjahvíta (albumin), belgjurta geymsluprótein	Veita vaxandi fóstrum næringu	Amínósýrur

Amínósýrur eru einliðurnar sem mynda prótein. Allar amínósýrur hafa sömu grunnbyggingu með aukahóp sem gerir þær sérstakar. Grunn uppsetning þeirra er kolefnisatóm í miðju sameindarinnar (alfa kolefni (α)) sem tengt er amínó-hóp (NH2), karboxýl-hóp (COOH) og vetnisatómi (sjá mynd 3.22). Hver amínósýra hefur einnig hliðarkeðju sem er hópur atóma sem tengjast við alfa-kolefnið og kallast „R-hópur“. Hver af þeim 20 amínósýrum sem mynda prótein eru með ólíkan R-hóp (sjá mynd 3.23).

Sjónræn tenging

Hvaða flokkur amínósýra heldur þú að þú gætir fundið á yfirborði próteins sem væri uppleysanlegt og hvaða amínósýrur væru líklega inn í því? Hvaða gerð amínósýra gætir þú reiknað með að finna í próteini sem væri hluti af frumuhimnu (fosfólípíðsamloku)

The molecular structure of an amino acid is given. An amino acid has an alpha carbon to which an amino group, a carboxyl group, a hydrogen, and a side chain are attached. The side chain varies for different amino acids, and is designated as the R - group. — Mynd 3.22 . Grunn bygging amínósýru

Þegar búið er að tengja saman tvær amínósýrur, kallast þær peptíð. Eftir því sem fleiri amínósýrur bætast við, kallast efnasambandið, fjölpeptíð og eftir að amínósýrurnar eru orðnar 50 eða fleiri, kallast það prótein. Í heilkjarna frumum láta sér ekki nægja að raða saman löngum keðjum af amínósýrum til að mynda prótein sín. Mörg prótein þeirra undirgangast miklar breytingar þar sem stundum eru langir bútar klipptir úr og settir saman. Einnig er ýmsum efnum bætt við þau til að auka á virkni og sérhæfingu þeirra (rætt síðar).

The molecular structures of the twenty amino acids commonly found in proteins are given. These are divided into five categories: nonpolar aliphatic, polar uncharged, positively charged, negatively charged, and aromatic. Nonpolar aliphatic amino acids include glycine, alanine, valine, leucine, methionine, isoleucine, and proline. Polar uncharged amino acids include serine, threonine, cysteine, asparagine, and glutamine. Positively charged amino acids include lysine, arginine, and histidine. Negatively charged amino acids include aspartate and glutamate. Aromatic amino acids include phenylalanine, tyrosine, and tryptophan. For example, in the amino acid glycine, the R group is a single hydrogen; but in alanine the R group is upper C upper H subscript 3 baseline. — Mynd 3.23 . Kaboxýlhópur amínósýru gengur í efnasamband við amínóhóp þeirrar sem kemur inn. OH hópurinn á karboxýlhópnum gengur í efnasamband við annað vetnið (H) í amínóhópnum og vatn (H2O) myndast

Vísindamenn hafa komist að því að sýtókróm c í mönnum, inniheldur 104 amínósýrur. Fyrir hverja sýtókróm c sameind frá ólíkum lífverum sem raðgreindar hafa verið, eru 37 amínósýrur sem koma alltaf fyrir á sama stað. Það bendir til að þær hafi allar einn sameiginlegan forföður. Þegar amínósýrurröð cýtókróm c er borið saman milli manna og simpansa, finnst enginn munur. Þegar við berum saman menn og Rhesus apa, er munurinn aðeins ein amínósýra. Ef við berum saman menn og gersvepp þá finnum við breytingar á 44 stöðum

Lögun próteina

Eins og komið hefur fram eru prótein viðkvæm fyrir breytingum í umhverfi sínu. Það helgast af því að þrívíddarlögun (3-D) þeirra ræður öllu um virkni þeirra. Breyting á hitastigi og/eða sýrustigi hefur áhrif á þessa lögun. Til að skilja þetta betur þarft þú að þekkja þau fjögur stig próteinlögunar sem prótein fara í gegnum áður en þau fá verða virk. Þessi stig kallast fyrstastigs- , annars stigs- , þriðja stigs- og fjórða stigs lögun.

The formation of a peptide bond between two amino acids is shown. When the peptide bond forms, the carbon from the carbonyl group becomes attached to the nitrogen from the amino group. The upper O upper H from the carboxyl group and an upper H from the amino group form a molecule of water. — Mynd 3.24 Fyrsta stigs lögun

Fyrsta stigs lögun próteina er bara röð þeirra amínósýra sem notaðar eru til að mynda próteinið. Gott dæmi um þetta er hormónið insúlín, en það er myndað úr tveimur fjölpeptíðkeðjum, A og B, sem festar eru saman með brennisteinsbrú (smá mynd 3.25). N- enda amínósýra fjölpeptíðs A er Glýsín en C- enda amínósýran er Aspargín (sjá mynd 3.25). Amínósýruröð A og B keðjunnar er einstök fyrir insúlín, ekkert annað prótein í þér hefur þessa amínósýruröð.

Gagnvirkt

Genin okkar skrá fyrir því í hvaða röð amínósýrur eru settar saman til að mynda prótein. Lítil breyting í röð núkleótíða gens getur leitt til þess að vitlaus amínósýra er sett inn í fjölpeptíðkeðjuna, sem leiðir til breytinga á uppbygginu hennar og virkni. Dæmi um slíka breytingu er sjúkdómurinn sigðukorna blóðleysi. Í sigðukorna blóðleysi er einni amínósýru skipt út í β keðja hemóglóbínsins (smá hluti próteinsins sjá mynd 3.26), sem breytir uppbyggingu og virkni sameindarinnar. Í þessum sjúkdómi, hefur amínósýran valín verið sett inn í stað glútamíns í β keðjunni. Það sem er merkilegast við þetta er að hemóglóbín er myndað úr tveimur alfa keðjum og tveimur β keðjum sem báðar eru um 150 amínósýrur að lengd. Sameindin er því mynduð úr 600 amínósýrum. Byggingarlegur munur á milli eðlilegs hemóglóbíns og sigðukornar sameindar -sem hefur töluverð áhrif á lífslíkur – er bara ein amínósýra, sem kemur til vegna breytinga á einu núkleótíði (punktbreyting) af þeim 1800 sem mynda genið.

Þrívíðarlögun fjölpeptíðkeðjunnar er það sem kallast þriðja stigs lögun (sjá mynd 3.27). Þessi lögun er að hluta efnafræðileg samverkun í fjölpeptíðkeðjunni. Aðalega eru það hliðarkeðjur amínósýranna sem ráð flókinn þrívíðarlögun. Amínósýrur með sömu hleðslu ýta hvor annarri frá sér og þær sem hafa ólíka hleðslur, dragast að hvor annarri. Einnig leita amínósýrur með vatnsfælnar hliðarkeðjur inn á við og að öðrum vatnsfælnum hliðarkeðjum, meðan vatnssæknu hliðarkeðjurnar leita út í átt að vatninu sem er í umhverfi þeirra. Vísindamenn leggja mikla vinnu í að finna út hvernig fjölpeptíðin mynda sína lögun. Hægt er að spila tölvuleik ( https://fold.it/ ) þar sem leikmaður reynir að finna út hvernig peptíðkeðjan fellur saman. Leikurinn byrjar á að sýna þér hvernig nokkur þekkt prótein falla sama en eftir því sem líður á leikinn færð þú peptíðkeðjur sem eru nú þegar óþekktar. Þessi leikur hefur nú þegar leyst gátur sem áður voru óleystar um lögun próteina. Nú nýlega notaði google ofurtölvu sína til að leysa ráðgátur um þriðja stigs lögun próteina og eru miklar vonir bundnar við þá tækni til að þróa betri lyf.

Fjórðastigslögun

í frumum okkar mynda sum prótein svo kölluð fjölpeptíð, þar sem jafnvel margar peptíðkeðjur eru tengdar saman. Þessar fjölpeptíðkeðjur mynda fjórðastigslögun próteinsins.

The amino acid sequences for the A chain and B chain of bovine insulin are shown. The A chain is 21 amino acids in length, and the B chain is 30 amino acids in length. One disulfide, or S S bond, connects two cysteine residues in the A chain. Two other disulfide linkages connect the A chain to the B chain. — Mynd 3.25 Fjölbreytileg tengsl milli efna ræður þriðjastigslögun próteinsins. Þar með talið vatnsfælin og vatnssækin tengsl, jónatengi, vetnistengi og brennisteinsbrýr

Eðlissvipting og pökkun próteina

Several representations of hemoglobin proteins are shown under normal and sickle cell conditions. In primary structure, the sixth amino acid is replaced by valine. In secondary and tertiary structures, the sickle cell is revealed by a misshapen molecule. As a result, in function, normal hemoglobins do not associate with each other, and each can carry oxygen. But in sickle cell conditions, the proteins aggregate into a fiber and oxygen carrying capacity is reduced. — Mynd 3.26 Hvert prótein hefur sína eigin einstöku amínósýruröð sem með samverkan hliðarkeðja sinna, gefa próteininu sína einstöku lögun. Ef próteinið verður fyrir breytingum á hitastigi, og/eða sýrustigi, eða kemst í snertingu eiturefni eins og þungmálma, getur það haft áhrif á hvernig próteinið pakkast þannig að það breytir um lögun. Þá er sagt að próteinið hafi eðlissvipst. Oft getur eðlissvipting gengið til baka, ef aðstæður í umhverfi breytast en oft er eðlissviptingin varanleg. Skýrt dæmi um eðlissviptingu próteina er þegar þú steikir egg á pönnu. Þegar hitinn hækkar, breytir albúmið (megin prótein í eggjahvítu) um lögun og fellur út sem hvít klessa. Hvert og eitt prótein er aðlagað að ákveðnu hita og sýrustigi. Sem dæmi eru prótein í maga okkar sem virka best við pH 1,5-2,5. Einnig eru til örverur sem lifa í 98°C heitum hverum og er það þá kjörhitastig fyrir prótein þeirra.

Á síðari árum hafa vísindamenn svo uppgötvað hjálparprótein sem hjálpa nýmynduðum próteinum að taka á sig rétta, endanlega lögun. Einnig koma þau inn á svæði sem hafa orðið fyrir breytingu á umhverfi til að hjálpa mikilvægum próteinum að halda lögun sinni. Mikið finnst af þessu hjálparpróteinum í brunasárum og ef fólk fær háan hita.

This electron micrograph shows red blood cells from a patient with sickle cell anemia. Most of the cells have a normal, disk shape, but about one in five has a sickle shape. A normal blood cell is eight microns across. — Mynd 3.27 Til að átta sig betur á hvernig prótein eru upp byggð er ágætt að skoða þessa tölvugerðu mynd sem kallast „Biomolecules: The Proteins“

LÆRDÓMSHLEKKUR

The illustration shows an alpha helix protein structure, which coils like a spring, and a beta-pleated sheet structure, which forms flat sheets stacked together. In an alpha-helix, hydrogen bonding occurs between the carbonyl group of one amino acid and the amino group of the amino acid that occurs four residues later. In a beta-pleated sheet, hydrogen bonding occurs between two different lengths of peptide that are antiparallel to one another. — Mynd 3.28 The α-helix and β-pleated sheet are secondary protein structures formed when hydrogen bonds form between the carbonyl oxygen and the amino hydrogen in the peptide backbone. Certain amino acids have a propensity to form an α-helix while others favor β-pleated sheet formation. Black = carbon, White = hydrogen, Blue = nitrogen, and Red = oxygen. Credit: Rao, A., Ryan, K. Fletcher, S. and Tag, A. Department of Biology, Texas A&M University.

Tertiary Structure

This illustration shows a polypeptide backbone folded into a three-dimensional structure. Chemical interactions between amino acid side chains maintain its shape. These include an ionic bond between an amino group and a carboxyl group, hydrophobic interactions between two hydrophobic side chains, a hydrogen bond between a hydroxyl group and a carbonyl group, and a disulfide linkage. — Mynd 3.29 A variety of chemical interactions determine the proteins' tertiary structure. These include hydrophobic interactions, ionic bonding, hydrogen bonding, and disulfide linkages.

Quaternary Structure

Shown are the four levels of protein structure. The primary structure is the amino acid sequence. Secondary structure is a regular folding pattern due to hydrogen bonding. Tertiary structure is the three-dimensional folding pattern of the protein due to interactions between amino acid side chains. Quaternary structure is the interaction of two or more polypeptide chains. — Mynd 3.30 Observe the four levels of protein structure in these illustrations. Credit: Rao, A. Ryan, K. and Tag, A. Department of Biology, Texas A&M University.

Denaturation and Protein Folding