Поглед към химията
Протеините могат да бъдат поставени на първо място в "биологичния свят", защото, предвид многото им функции, няма да има живот без тях.
Елементният анализ на протеините дава следните средни стойности: 55% въглерод, 7% водород и 16% азот; ясно е, че протеините се различават един от друг, но техният среден елементен състав се различава малко от посочените по-горе стойности.
Конститутивно, протеините са макромолекули, образувани от естествени а-аминокиселини; Аминокиселините се комбинират чрез амидна връзка, която се установява чрез взаимодействие между аминогрупа на а-аминокиселина и карбоксил на друга а-аминокиселина. Тази връзка (-CO-NH-) се нарича също пептидна връзка, тъй като тя свързва пептиди (аминокиселини в комбинация):
Полученият е дипептид, защото се състои от две аминокиселини. Тъй като дипептидът съдържа свободна аминогрупа в единия край (NH2) и карбоксилната група в другата (COOH), той може да реагира с една или повече аминокиселини и да удължи веригата както от дясната, така и от лявата, с една и съща реакция, наблюдавана по-горе.
Последователността на реакциите (която в действителност не е толкова проста) може да продължи неопределено време: до получаване на полимер, наречен полипептид или протеин . Разликата между пептидите и протеините е свързана с молекулно тегло: обикновено за молекулни тегла над 10 000 ние говорим за протеини.
Свързването на аминокиселини за получаване дори на малки по размер протеини е трудна задача, въпреки че наскоро е разработен автоматичен метод за производство на протеини от аминокиселини, който дава отлични резултати.
Най-простият протеин, следователно, се състои от 2 аминокиселини: по международна конвенция, подреденото номериране на аминокиселини в протеинова структура започва от аминокиселината със свободната а-амино група.
Протеинова структура
Протеиновите молекули са оформени така, че да могат да видят до четири различни организации: те обикновено се отличават, първична структура, вторична, третична и четвъртична.
Първичните и вторичните структури са от съществено значение за протеините, докато третичните и четвъртичните са "аксесоари" (в смисъл, че не всички протеини могат да бъдат оборудвани).
Първичната структура се определя от броя, вида и последователността на аминокиселините в протеиновата верига; следователно е необходимо да се определи подредената последователност на аминокиселините, които съставляват протеина (знаейки, че това означава да се знае точната последователност на ДНК основи, които кодират този протеин), което има незначителни химически трудности.
Възможно е да се определи подредената последователност на аминокиселини чрез разграждане на Edman: протеинът реагира с фениловия изотоцианат (FITC); първоначално дублетът на а-амино азот атакува фенил изотиоцианата, образувайки тиокарбамиловото производно; след това полученият продукт се циклизира, давайки флуоресцентното производно на фенилтиоидантоин.
Едман е разработил машина, наречена секвенсер, която автоматично регулира параметрите (време, реагенти, рН и т.н.) за разграждане и осигурява основната структура на протеините (за това той е получил Нобелова награда).
Първичната структура не е достатъчна за пълно тълкуване на свойствата на протеиновите молекули; Смята се, че тези свойства зависят по съществен начин от пространствената конфигурация, която молекулите на протеините са склонни да приемат, огъващи се по различни начини: т.е. приемайки това, което е определено като вторична структура на протеините. Вторичната структура на протеините е тремолирана, т.е. тя се стреми да се отърве от нагряването; след това протеините се денатурират чрез загуба на много от техните характерни свойства. В допълнение към загряването над 70 ° С, денатурацията може да бъде предизвикана и от облъчване или от действието на реагенти (например от силни киселини).
Денатурацията на протеините чрез термичен ефект се наблюдава, например, чрез нагряване на яйчен белтък на яйцето: той се вижда, че губи желатиновия си вид и се превръща в неразтворимо бяло вещество. Денатурацията на протеините обаче води до разрушаване на тяхната вторична структура, но оставя първичната структура непроменена (свързването на различните аминокиселини).
Протеините поемат третичната структура, когато тяхната верига, въпреки че все още е гъвкава въпреки огъването на вторичната структура, се сгъва по такъв начин, че да създаде усукана триизмерна подредба във формата на твърдо тяло. Отговорни за третичната структура са преди всичко дисулфидните връзки, които могат да бъдат установени между -SH цистеините, диспергирани по протежение на молекулата.
Кватернерната структура, от друга страна, се конкурира само с протеини, образувани от две или повече субединици. Хемоглобин, например, се състои от две двойки протеини (т.е. във всичките четири протеинови вериги), разположени в горната част на тетраедър, за да се получи структура на сферична форма; четирите протеинови вериги се държат заедно от йонни сили, а не от ковалентни връзки.
Друг пример за кватернерна структура е инсулин, който изглежда се състои от шест протеинови субединици, подредени по двойки в горната част на триъгълник в центъра на който са разположени два цинкови атома.
ВИБИТЕЛНИ ПРОТЕИНИ: те са протеини с определена твърдост и имат ос, много по-дълги от другите; Влакнестият протеин, присъстващ в по-голямо количество в природата, е колаген (или колаген).
Влакнестият протеин може да поеме няколко вторични структури: α-спирала, β-листовка и, в случай на колаген, тройна спирала; α-спиралата е най-стабилната структура, последвана от β-листа, докато най-малко стабилната от трите е тройната спирала.
α-спирала
Смята се, че витлото е с дясна ръка, ако след основния скелет (ориентиран отдолу нагоре) е направено движение, подобно на завинтването на десен винт; докато витлото е лява, ако движението е аналогично на завинтването на ляв винт. В дясната α-спирала -R заместителите на аминокиселините са перпендикулярни на главната ос на протеина и са обърнати навън, докато в лявата спирала -R заместителите са обърнати навътре. Дясните а-спирали са по-стабилни от тези на лявата ръка, защото има по-малко взаимодействие и по-малко стерилна маса между -R-клетките. Всички α-спирали, открити в протеините, са десни.
Структурата на а-спиралата се стабилизира от водородните връзки (водородни мостове), която се образува между карбоксилната група (-С = О) на всяка аминокиселина и аминогрупата (-NH), която се намира в четири остатъка по-късно в линейна последователност.
Пример за протеин с а-спирална структура е кератинът на косата.
β листа
В структурата на β-листа е възможно да се образуват водородни връзки между аминокиселини, принадлежащи към различни полипептидни вериги, но успоредни една на друга или между аминокиселини на същия протеин, също численно отдалечени един от друг, но протичащи в антипаралелни направления. Въпреки това, водородните връзки са по-слаби от тези, които стабилизират α-спиралната форма.
Пример за структура на β-листа е копринения фибрин (има и в паяжини).
Разширявайки структурата на а-спирала, се извършва преходът от а-спирала към β-листа; също така топлината или механичният стрес позволяват да се премине от структурата на а-спиралата към този β-лист.
Обикновено, в един протеин, структурите на β-листовете са близки една до друга, тъй като между частите на самия протеин могат да бъдат установени междуводородни връзки.
При влакнестите протеини по-голямата част от протеиновата структура е организирана до α-спирала или β-листа.
ГЛОБУЛНИ ПРОТЕИНИ: имат почти сферична пространствена структура (поради многобройните промени в посоката на полипептидната верига); някои части от битието могат да бъдат проследени обратно до α-спирална или β-листова структура, но други части не могат да се дължат на такива форми: подреждането не е случайно, а организирано и повтарящо се.
Посочените досега протеини са вещества с изцяло хомогенна конституция: това са също последователности на комбинирани аминокиселини; такива протеини се наричат прости ; съществуват протеини, състоящи се от протеинова част и непротеинова част (простатна група), наречени конюгирани протеини.
колаген
Той е най-разпространеният протеин в природата: присъства в костите, в ноктите, в роговицата и в кристалното око, между интерстициалните пространства на някои органи (например черния дроб) и т.н.
Структурата му придава специфични механични възможности; има голяма механична устойчивост, свързана с висока еластичност (например в сухожилията) или висока твърдост (например в костите) в зависимост от функцията, която ще се изпълнява.
Едно от най-любопитните свойства на колагена е неговата конститутивна простота: образува се около 30% пролин и около 30% глицин ; другите 18 аминокиселини трябва да споделят само останалите 40% от протеиновата структура. Аминокиселинната последователност на колагена е забележително редовна: на всеки три остатъка, третият е глицин.
Пролинът е циклична аминокиселина, в която R групата се свързва с а-амино азота и това дава определена твърдост.
Крайната структура е повтаряща се верига с форма на спирала; В колагеновата верига няма водородни връзки. Колагенът е спирала от лявата ръка, със стъпка (дължина, съответстваща на един завой на спиралата) по-голяма от a-спиралата; колагеновата спирала е толкова хлабава, че три протеинови вериги са способни да обгръщат един друг, образувайки единична въже: тройна спирала.
Тройната спирала на колагена обаче е по-малко стабилна от структурата на а-спирала и β-листа.
Нека сега разгледаме механизма, чрез който се произвежда колаген ; разгледайте например разкъсването на кръвоносен съд: това разкъсване е придружено от безброй сигнали за затваряне на съда, след което образуват съсирек. Коагулацията изисква поне тридесет специализирани ензима. След коагулацията тъканта трябва да се поправи; клетки близо до раната също произвеждат колаген. За да направите това, първо се индуцира експресията на ген, т.е. организмите започват да работят от информацията на гена, те са в състояние да произведат протеина (генетичната информация се транскрибира върху иРНК, която излиза от ядро и достига до рибозомите в цитоплазмата, където генетичната информация се превежда в протеин). Следователно, колагенът се синтезира в рибозоми (той се появява като лява спирала, съставена от около 1200 аминокиселини и има молекулно тегло около 150000 d) и след това се натрупва в лумените, където става субстрат за ензими, които могат да правят модификации на пост -преводи (модификации на езика, преведен от иРНК); в колаген, тези модификации се състоят в окисляване на някои странични вериги, особено на пролин и лизин.
Неуспехът на ензимите, които водят до тези промени, причинява скорбут: това е заболяване, което причинява, първоначално, счупване на кръвоносните съдове, счупване на зъбите, към които могат да последват интестинални кръвоизливи и смърт; това може да бъде причинено от продължителната употреба на дълготрайни храни.
Впоследствие, поради действието на други ензими, настъпват други промени, които се състоят в гликозидиране на хидроксилните групи на пролин и лизин (към кислорода на ОН захар е свързан); тези ензими се намират в зони, различни от лумена, така че докато протеинът претърпява модификации, той мигрира вътре в ендоплазмения ретикулум, за да завърши в торбички (везикули), които се затварят върху себе си и излизат от решетката: вътре се съдържат мономера на гликозидния про-колаген; последният достига апарата на Golgi, където определени ензими разпознават цистеина, присъстващ в крайната карбокси част на про-колагеновия гликозидат и причиняват различните вериги да се доближават един до друг и образуват дисулфидни мостове: по този начин се получават три Гликозидният колаген е свързан заедно и това е началната точка, от която трите вериги, проникващи, тогава спонтанно, пораждат тройната спирала. Трите вериги на про-колагеновия глиоксид, свързани заедно, достигат, тогава везикула, който се дроселира върху себе си и се отделя от апарата на Голджи, транспортиращ трите вериги към периферията на клетката, където чрез сливане с плазмената мембрана, Тримерът се изважда от клетката.
В извънклетъчното пространство има специфични ензими, про-колагенови пептидази, които отстраняват от видовете, изхвърлени от клетката, три фрагмента (по един за всяка спирала) от по 300 аминокиселини, от крайната карбоксилна част и три фрагмента (по един за всеки хеликс) от около 100 аминокиселини на аминотерминална страна: остава тройна спирала, състояща се от около 800 аминокиселини за спирала, известна като тропоколлаген .
Тропоколагенът изглежда като доста твърда пръчка; различните тримери са свързани с ковалентни връзки, за да дадат по-големи структури: микрофибрили . В микрофибрилите, различните тримери са подредени по разместен начин; много микрофибрили представляват снопчета от тропоколаген.
В костите, между колагеновите влакна, има интерстициални пространства, в които се отлагат сулфати и фосфати на калций и магнезий: тези соли също обхващат всички влакна; това прави костите схванати.
В сухожилията интерстициалните пространства са по-малко богати на кристали от костите, докато има по-малки протеини от тропоколагена: това дава еластичност на сухожилията.
Остеопорозата е заболяване, причинено от липсата на калций и магнезий, което прави невъзможно фиксирането на соли в интерстициалните области на тропоколагеновите влакна.
