3.4 Prótín

Prótín (e. proteins) eru ein af algengustu lífrænu sameindunum í lifandi kerfum og hafa fjölbreyttasta hlutverkið af öllum stórsameindum. Prótín geta verið byggingar-, stjórnunar-, samdráttar- eða varnarprótín. Þau geta þjónað til flutnings, geymslu eða verið í frumuhimnum; eða þau geta verið eiturefni eða ensím. Hver fruma í lifandi kerfi getur innihaldið þúsundir prótína, hvert með einstakt hlutverk. Bygging þeirra, líkt og hlutverk þeirra, er mjög mismunandi. Þau eru þó öll fjölliður amínósýra sem raðast í línulega röð.

Tegundir og hlutverk prótína

Ensím (e. enzymes), sem lifandi frumur framleiða, eru hvatar í lífefnafræðilegum hvörfum (eins og meltingu) og eru yfirleitt flókin eða samtengd prótín. Hvert ensím er sérhæft fyrir hvarfefnið (efni sem binst ensími) sem það verkar á. Ensímið getur hjálpað til við niðurbrot, endurröðun eða nýmyndun. Við köllum ensím sem brjóta niður hvarfefni sín niðurbrotsensím. Þau sem byggja flóknari sameindir úr hvarfefnum sínum eru uppbyggingarensím og ensím sem hafa áhrif á hraða efnahvarfa eru hvatandi ensím. Athugið að öll ensím auka hraða efnahvarfa og eru því lífrænir hvatar. Dæmi um ensím er munnvatnsamýlasi, sem vatnsrýfur hvarfefni sitt amýlósa, sem er hluti af sterkju.

Hormón (e. hormones) eru efnaboðsameindir, yfirleitt lítil prótín eða sterar, sem innkirtlafrumur seyta og hafa það hlutverk að stjórna eða stýra tilteknum lífeðlisfræðilegum ferlum, þar á meðal vexti, þroska, efnaskiptum og æxlun. Til dæmis er insúlín prótínhormón sem hjálpar til við að stjórna blóðsykursgildi. Í Tafla 3.1 er listi yfir helstu tegundir og hlutverk prótína.

Tafla 3.1
Tegundir og hlutverk prótína
Tegund	Dæmi	Hlutverk
Meltingarensím	Amýlasi, lípasi, pepsín, trypsín	Hjálpa til við meltingu fæðu með því að brjóta niður næringarefni í einliðueiningar
Flutningur	Hemóglóbín, albúmín	Flytja efni í blóði eða vessa um líkamann
Byggingarprótín	Aktín, túbúlín, keratín	Byggja upp mismunandi mannvirki, eins og frumugrindina
Hormón	Insúlín, þýroxín	Samræma starfsemi mismunandi líkamskerfa
Vörn	Ónæmisglóbúlín	Vernda líkamann gegn framandi sýklum
Samdráttarprótín	Aktín, mýósín	Koma af stað vöðvasamdrætti
Geymsla	Geymsluprótín í belgávöxtum, eggjahvíta (albúmín)	Sjá fyrir næringu í upphafi fósturþroska og fyrir kímplöntu

Prótín hafa mismunandi lögun og mólmassa. Sum prótín eru kúlulaga; á meðan önnur eru trefjakennd. Til dæmis er hemóglóbín kúlulaga prótín, en kollagen, sem er í húðinni okkar, er trefjaprótín. Lögun prótíns er mikilvæg fyrir hlutverk þess og margar mismunandi gerðir efnatengja viðhalda þessari lögun. Breytingar á hitastigi, sýrustigi og snerting við efni geta leitt til varanlegra breytinga á lögun prótínsins, sem leiðir til taps á virkni, eða eðlissviptingar (e. denaturation). Mismunandi fyrirkomulag sömu 20 tegunda amínósýra mynda öll prótín. Tvær sjaldgæfar nýjar amínósýrur uppgötvuðust nýlega (selenocysteine og pyrrolysine) og fleiri nýjar uppgötvanir gætu bæst á listann.

Amínósýrur

Amínósýrur (e. amino acids) eru einliðurnar sem mynda prótín. Hver amínósýra hefur sömu grunnbyggingu, sem samanstendur af miðlægu kolefnisatómi, eða alfa (α) kolefni, sem er tengt við amínóhóp (NH₂), karboxýlhóp (COOH) og vetnisatóm. Hver amínósýra hefur einnig annað atóm eða hóp atóma sem er tengt við miðlæga atómið, þekkt sem R-hópurinn (Mynd 3.22).

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 Amínósýrur hafa miðlægt ósamhverft kolefni sem amínóhópur, karboxýlhópur, vetnisatóm og hliðarkeðja (R-hópur) eru tengd við.

Vísindamenn nota nafnið „amínósýra“ vegna þess að þessar sýrur innihalda bæði amínóhóp og karboxýlsýruhóp í grunnbyggingu sinni. Eins og við nefndum eru 20 algengar amínósýrur til staðar í prótínum. Níu af þessum eru lífsnauðsynlegar amínósýrur fyrir menn vegna þess að mannslíkaminn getur ekki framleitt þær og við fáum þær úr fæðunni. Fyrir hverja amínósýru er R-hópurinn (eða hliðarkeðjan) mismunandi (Mynd 3.23).

Efnafræðilegt eðli hliðarkeðjunnar ákvarðar eðli amínósýrunnar (þ.e. hvort hún er súr, basísk, skautuð eða óskautuð). Til dæmis hefur amínósýran glýsín vetnisatóm sem R-hóp. Amínósýrur eins og valín, metíónín og alanín eru óskautaðar eða vatnsfælnar að eðlisfari, en amínósýrur eins og serín, þreónín og systein eru skautaðar og hafa vatnssæknar hliðarkeðjur. Hliðarkeðjur lýsíns og arginíns eru jákvætt hlaðnar og því eru þessar amínósýrur einnig basískar amínósýrur. Prólín hefur R-hóp sem er tengdur við amínóhópinn og myndar hringlaga byggingu. Prólín er undantekning frá staðlaðri byggingu amínósýra þar sem amínóhópurinn er ekki aðskilinn frá hliðarkeðjunni (Mynd 3.23).

Einn stór stafur eða þriggja stafa skammstöfun táknar amínósýrur. Til dæmis táknar stafurinn V eða þriggja stafa táknið val amínósýruna valín. Rétt eins og sumar fitusýrur eru nauðsynlegar í fæðunni eru sumar amínósýrur það líka. Þessar lífsnauðsynlegu amínósýrur í mönnum eru meðal annars ísóleucín, leucín og systein. Lífsnauðsynlegar amínósýrur eru þær sem eru nauðsynlegar til að byggja upp prótín í líkamanum, en ekki þær sem líkaminn framleiðir. Hvaða amínósýrur eru lífsnauðsynlegar er mismunandi eftir lífverum.

Röð og fjöldi amínósýra ákvarðar að lokum lögun, stærð og virkni prótínsins. Samgilt tengi, eða peptíðtengi (e. peptide bond), tengir saman hverja amínósýru, en það myndast við afvötnunarhvarf. Karboxýlhópur einnar amínósýru og amínóhópur næstu amínósýru sameinast og losa vatnssameind. Tengið sem myndast er peptíðtengi (Mynd 3.24).

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 Myndun peptíðtengis er afvötnunarhvarf. Karboxýlhópur einnar amínósýru er tengdur við amínóhóp næstu amínósýru. Í því ferli losnar vatnssameind.

Afurðirnar sem slík tengi mynda eru peptíð. Eftir því sem fleiri amínósýrur bætast við þessa vaxandi keðju verður keðjan sem myndast að fjölpeptíði. Hvert fjölpeptíð hefur lausan amínóhóp á öðrum endanum. Þessi endi er kallaður N-endi, eða amínóendi, og hinn endinn hefur lausan karboxýlhóp, einnig kallaður C-endi eða karboxýlendi. Þótt hugtökin fjölpeptíð og prótín séu stundum notuð jöfnum höndum er fjölpeptíð tæknilega séð fjölliða amínósýra, en hugtakið prótín er notað yfir fjölpeptíð eða fjölpeptíð sem hafa sameinast, hafa oft bundna gervihópa sem ekki eru peptíð, hafa ákveðna lögun og hafa einstaka virkni. Eftir prótínmyndun (umritun) eru flest prótín breytt. Þetta er þekkt sem breytingar eftir umritun. Þau geta gengist undir klofningu, fosfórun eða þurfa viðbót annarra efnafræðilegra hópa. Aðeins eftir þessar breytingar er prótínið fullkomlega virkt.

Þróun

Þróunarfræðilegt mikilvægi cýtókróms c

Cýtókróm c er mikilvægur hluti af rafeindaflutningskeðjunni, sem er hluti af frumuöndun, og það er venjulega staðsett í frumulíffærinu, hvatberanum. Þetta prótín hefur hem-gervihóp og miðjujón hem-hópsins afoxast og oxast til skiptis við rafeindaflutning. Vegna þess að hlutverk þessa nauðsynlega prótíns í framleiðslu frumuorku er afar mikilvægt hefur það breyst mjög lítið á milljónum ára. Raðgreining prótína hefur sýnt að það er töluvert mikil samsvörun í amínósýruröð cýtókróms c meðal mismunandi tegunda. Með öðrum orðum getum við metið þróunarfræðilegan skyldleika með því að mæla líkindi eða mun á DNA- eða prótínröðum ýmissa tegunda.

Vísindamenn hafa komist að því að cýtókróm c í mönnum inniheldur 104 amínósýrur. Fyrir hverja cýtókróm c sameind frá mismunandi lífverum sem vísindamenn hafa raðgreint til þessa dags, koma 37 af þessum amínósýrum fyrir í sömu stöðu í öllum cýtókróm c sýnum. Þetta bendir til þess að það kunni að hafa verið sameiginlegur forfaðir. Við samanburð á prótínröðum manna og simpansa fundu vísindamenn engan mun á röðinni. Þegar vísindamenn báru saman raðir manna og rhesusapa var eini munurinn í einni amínósýru. Í öðrum samanburði, á milli manna og gersvepps, sýnir raðgreining mun í 44. stöðu.

Bygging prótína

Eins og við ræddum áður er lögun prótíns mikilvæg fyrir virkni þess. Til dæmis getur ensím bundist tilteknu hvarfefni á virkum stað. Ef þessi virki staður breytist vegna staðbundinna breytinga eða breytinga á heildarbyggingu prótínsins, gæti ensímið ekki bundist hvarfefninu. Til að skilja hvernig prótínið fær endanlega lögun sína eða formgerð þurfum við að skilja fjögur byggingarstig prótína: fyrsta, annars, þriðja og fjórða stigs.

Frumbygging

Einstök röð amínósýra í fjölpeptíðkeðju er frumbygging (e. primary structure) hennar. Til dæmis hefur brishormónið insúlín tvær fjölpeptíðkeðjur, A og B, og þær eru tengdar saman með dísúlfíðtengjum. N-enda amínósýra A-keðjunnar er glýsín; en C-enda amínósýran er asparagín (Mynd 3.25). Amínósýruraðirnar í A- og B-keðjunum eru einstakar fyrir insúlín.

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 Insúlín úr nautgripasermi er prótínhormón sem samanstendur af tveimur peptíðkeðjum, A (21 amínósýra að lengd) og B (30 amínósýrur að lengd). Í hverri keðju gefa þriggja stafa skammstafanir, sem tákna nöfn amínósýranna í þeirri röð sem þær eru, til kynna frumbygginguna. Amínósýran systein (cys) hefur súlfhýdrýl (SH) hóp sem hliðarkeðju. Tveir súlfhýdrýlhópar geta hvarfast í nærveru súrefnis og myndað dísúlfíð (S-S) tengi. Tvö dísúlfíðtengi tengja A- og B-keðjurnar saman og það þriðja hjálpar A-keðjunni að falla í rétta lögun. Athugið að öll dísúlfíðtengi eru jafn löng, en við höfum teiknað þau í mismunandi stærðum til skýringar.

Genin sem skráir fyrir prótíninu ákvarðar að lokum hina einstöku röð fyrir hvert prótín. Breyting á núkleótíðaröð á skráningarsvæði gensins getur leitt til þess að annarri amínósýru er bætt við vaxandi fjölpeptíðkeðju, sem veldur breytingu á byggingu og virkni prótínsins. Í sigðkornablóðleysi hefur β-keðja blóðrauða (lítill hluti hennar er sýndur á Mynd 3.26) eina amínósýruútskiptingu sem veldur breytingu á byggingu og virkni prótínsins. Nánar tiltekið kemur valín í stað amínósýrunnar glútamínsýru í β-keðjunni. Það sem er merkilegast að hafa í huga er að blóðrauðasameind er samsett úr tveimur alfa- og tveimur beta-keðjum sem hver um sig samanstendur af um 150 amínósýrum. Sameindin hefur því um 600 amínósýrur. Byggingarmunurinn á venjulegri blóðrauðasameind og sigðkornasameind – sem dregur verulega úr lífslíkum – er ein einasta amínósýra af þeim 600. Það sem er enn merkilegra er að þrjú núkleótíð skrá fyrir hverja þessara 600 amínósýra og ein einasta basabreyting (punktstökkbreyting), 1 af 1800 bösum, veldur stökkbreytingunni.

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 Vegna þessarar breytingar á einni amínósýru í keðjunni mynda blóðrauðasameindir langa þræði sem afmynda tvíhvolfð, eða diskalaga, rauð blóðkorn og valda því að þau taka á sig hálfmána- eða „sigð“-lögun, sem stíflar æðar (mynd 3.27). Beta (β)-keðja blóðrauða er 147 amínósýrur að lengd, en samt leiðir ein amínósýruútskipting í frumbyggingunni til breytinga á annars, þriðja og fjórða stigs byggingu og sigðkornablóðleysi. Í venjulegum blóðrauða er amínósýran í stöðu sex glútamat. Í sigðkornablóðrauða er glútamati skipt út fyrir valín. (Heimild: Rao, A., Tag, A. Ryan, K. og Fletcher, S. Department of Biology, Texas A&M University)

Vegna þessarar breytingar á einni amínósýru í keðjunni mynda blóðrauðasameindir langa þræði sem afmynda tvíhvolfð, eða diskalaga, rauð blóðkorn og valda því að þau taka á sig hálfmána- eða „sigð“-lögun, sem stíflar æðar (Mynd 3.27). Þetta getur leitt til fjölda alvarlegra heilsufarsvandamála eins og mæði, svima, höfuðverkja og kviðverkja hjá þeim sem þjást af þessum sjúkdómi. William Warrick Cardozo sýndi fram á að sigðkornablóðleysi er arfgengur kvilli, sem þýðir að munurinn á skráningarsvæði tiltekins gens erfist frá foreldrum til barna. Eins og þú munt læra í erfðafræðihlutanum ræðst erfð slíkra eiginleika af samsetningu gena frá báðum foreldrum og þessi mjög litli munur getur haft veruleg áhrif á lífverur.

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 Í þessari blóðstroki, sem sést við 535x stækkun með ljóssmásjárskoðun, eru sigðkorn hálfmánalaga, en venjulegar frumur eru diskalaga. (Heimild: breyting á verki eftir Ed Uthman; kvarðagögn frá Matt Russell)

Annars stigs bygging

Staðbundin felling fjölpeptíðsins á sumum svæðum gefur tilefni til annars stigs byggingar (e. secondary structure) prótínsins. Algengastar eru α-gormurinn (e. α-helix) og β-fellingin (e. β-pleated sheet) (Mynd 3.28). Báðar byggingarnar haldast í formi með vetnistengjum. Vetnistengin myndast milli súrefnisatóms í karbónýlhóp í einni amínósýru og annarrar amínósýru sem er fjórum amínósýrum lengra í keðjunni.

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 α-gormurinn og β-fellingin eru annars stigs prótínbyggingar sem myndast þegar vetnistengi myndast milli karbónýlsúrefnis og amínóvetnis í peptíðburðarásinni. Ákveðnar amínósýrur hafa tilhneigingu til að mynda α-gorm á meðan aðrar kjósa frekar að mynda β-fellingu. Svart = kolefni, hvítt = vetni, blátt = köfnunarefni og rautt = súrefni. Heimild: Rao, A., Ryan, K. Fletcher, S. og Tag, A. Department of Biology, Texas A&M University.

Hver snúningur í alfa-gormi hefur 3,6 amínósýruleifar. R-hópar fjölpeptíðsins (breytilegu hóparnir) standa út úr α-gormkeðjunni. Í β-fellingunni mynda vetnistengi milli atóma á burðarás fjölpeptíðkeðjunnar „fellingarnar“. R-hóparnir eru tengdir við kolefnin og teygja sig fyrir ofan og neðan fellingarnar. Fellingahlutarnir raðast samsíða eða andsamsíða hvor öðrum og vetnistengi myndast milli að hluta til jákvæða vetnisatómsins í amínóhópnum og að hluta til neikvæða súrefnisatómsins í karbónýlhóp peptíðburðarásarinnar. α-gormurinn og β-fellingin finnast í flestum hnattkenndum prótínum og trefjaprótínum og gegna mikilvægu byggingarhlutverki.

Þriðja stigs bygging

Einstök þrívíddarbygging fjölpeptíðsins er þriðja stigs bygging (e. tertiary structure) þess (Mynd 3.29). Þessi bygging er að hluta til vegna efnafræðilegra víxlverkana sem verka á fjölpeptíðkeðjuna. Aðallega skapa víxlverkanir milli R-hópa flókna þrívíddar þriðja stigs byggingu prótínsins. Eðli R-hópanna í viðkomandi amínósýrum getur unnið gegn myndun vetnistengjanna sem við lýstum fyrir staðlaðar annars stigs byggingar. Til dæmis hrinda R-hópar með sömu hleðslu hvor öðrum frá sér og þeir með ólíkar hleðslur dragast hvor að öðrum (jónatengi). Þegar prótínfelling á sér stað liggja vatnsfælnir R-hópar óskautaðra amínósýra í innra byrði prótínsins; en vatnssæknir R-hópar liggja að utan. Vísindamenn kalla einnig fyrrnefndu víxlverkanirnar vatnsfælnar víxlverkanir. Víxlverkun milli hliðarkeðja cysteins myndar tvísúlfíðtengi í nærveru súrefnis, eina samgilda tengið sem myndast við prótínfellingu.

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 Ýmsar efnafræðilegar víxlverkanir ákvarða þriðja stigs byggingu prótína. Þar á meðal eru vatnsfælnar víxlverkanir, jónatengi, vetnistengi og tvísúlfíðtengi.

Allar þessar víxlverkanir, veikar og sterkar, ákvarða endanlega þrívíddarlögun prótínsins. Þegar prótín missir þrívíddarlögun sína getur það hætt að vera virkt.

Fjórða stigs bygging

Í náttúrunni eru sum prótín mynduð úr nokkrum fjölpeptíðum, eða undireiningum, og samspil þessara undireininga myndar fjórðastigsbyggingu (e. quaternary structure). Veik víxlverkun milli undireininganna hjálpar til við að koma á stöðugleika í heildarbyggingunni. Til dæmis hefur insúlín (kúlulaga prótín) blöndu af vetnistengjum og tvísúlfíðtengjum sem valda því að það hleypur að mestu saman í kúluform. Insúlín byrjar sem eitt fjölpeptíð og missir nokkrar innri raðir við eftirþýðingar-breytingar eftir að tvísúlfíðtengin sem halda keðjunum sem eftir eru saman hafa myndast. Silki (trefjaprótín) hefur hins vegar β-fellingarbyggingu sem er afleiðing vetnistengja milli mismunandi keðja.

Mynd 3.30 sýnir fjögur byggingarstig prótína (fyrsta, annars, þriðja og fjórða stigs).

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 Skoðið fjögur byggingarstig prótína á þessum myndum. Heimild: Rao, A. Ryan, K. og Tag, A. Líffræðideild, Texas A&M University.

Eðlissvipting og prótínfelling

Hvert prótín hefur sína einstöku röð og lögun sem efnatengi halda saman. Ef prótínið verður fyrir breytingum á hitastigi, sýrustigi (pH) eða kemst í snertingu við efni, getur bygging prótínsins breyst og það misst lögun sína án þess að missa fyrsta stigs bygginguna í ferli sem vísindamenn kalla eðlissviptingu. Eðlissvipting er oft afturkræf vegna þess að fyrsta stigs bygging fjölpeptíðsins varðveitist í ferlinu ef eðlissviptandi efnið er fjarlægt, sem gerir prótíninu kleift að endurheimta virkni sína. Stundum er eðlissvipting óafturkræf og leiðir til taps á virkni. Eitt dæmi um óafturkræfa eðlissviptingu prótíns er að steikja egg. Albúmínprótínið í fljótandi eggjahvítunni eðlissviptist þegar það er sett á heita pönnu. Ekki eðlissviptast öll prótín við háan hita. Til dæmis hafa bakteríur sem lifa í hverum prótín sem virka við hitastig nálægt suðumarki. Maginn er líka mjög súr, hefur lágt sýrustig (pH) og eðlissviptir prótín sem hluta af meltingarferlinu; meltingarensím magans halda þó virkni sinni við þessar aðstæður.

Prótínfelling er mikilvæg fyrir virkni þess. Vísindamenn töldu upphaflega að prótínin sjálf bæru ábyrgð á fellingsferlinu. Aðeins nýlega uppgötvuðu vísindamenn að þau fá oft aðstoð við fellingsferlið frá prótínhjálpurum, eða fylgiprótínum (e. chaperones) (eða chaperonínum) sem tengjast markprótíninu meðan á fellingsferlinu stendur. Þau virka með því að koma í veg fyrir samloðun fjölpeptíða sem mynda heildarbyggingu prótínsins og þau losna frá prótíninu þegar markprótínið er fullfellt.

Námsmarkmið