3.4 Prótein

Hæfniviðmið

Að þessum hluta loknum munt þú geta gert eftirfarandi:

• Lýst hlutverkum próteina í frumunni og í vefjum
• Fjallað um sambandið milli amínósýra og próteina
• Útskýrt fjögur stig byggingar próteina
• Lýst því hvernig lögun og virkni próteina tengjast

Prótein eru meðal algengustu lífrænu sameinda í lifandi kerfum og hafa fjölbreyttustu hlutverkin af öllum stórsameindum. Prótein geta verið byggingarprótein, stjórnprótein, samdráttarprótein eða varnarprótein. Þau geta tekið þátt í flutningi, geymslu eða starfsemi himna, eða verið eiturefni eða ensím. Hver fruma í lifandi kerfi getur innihaldið þúsundir próteina, hvert um sig með einstakt hlutverk. Bygging þeirra, eins og hlutverk þeirra, er mjög breytileg. Þau eru þó öll fjölliður amínósýra sem raðast í línulega röð.

Gerðir og hlutverk próteina

Ensím, sem lifandi frumur framleiða, eru hvatar í lífefnafræðilegum efnahvörfum (eins og meltingu) og eru yfirleitt flókin eða samsett prótein. Hvert ensím er sértækt fyrir hvarfefnið (hvarfefni sem binst ensími) sem það verkar á. Ensímið getur aðstoðað við niðurbrots-, endurröðunar- eða nýmyndunarhvörf. 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 efnahvarfs eru hvatandi ensím. Athugið að öll ensím auka hvarfhraðann og eru því lífrænir hvatar. Dæmi um ensím er munnvatnsamýlasi, sem vatnsrýfur hvarfefni sitt amýlósa, sem er hluti af sterkju.

Hormón eru efnaboðsameindir, yfirleitt lítil prótein eða sterar, seytt af innkirtlafrumum sem stjórna eða samhæfa sértæk lífeðlisfræðileg ferli, þar með talið vöxt, þroska, efnaskipti og æxlun. Til dæmis er insúlín próteinhormón sem hjálpar til við að stjórna blóðsykursgildi. Tafla 3.1 sýnir helstu gerðir og hlutverk próteina.

Prótein hafa mismunandi lögun og mólþunga. Sum prótein eru hnattlaga en önnur þráðlaga. Til dæmis er hemóglóbín hnattlaga prótein, en kollagen, sem er í húð okkar, er þráðlaga prótein. Lögun próteins er mikilvæg fyrir virkni þess og margar mismunandi gerðir efnatengja viðhalda þessari lögun. Breytingar á hitastigi, pH-gildi og útsetning fyrir efnum geta leitt til varanlegra breytinga á lögun próteinsins, sem leiðir til taps á virkni, eða eðlissviptingar. Mismunandi niðurröðun sömu 20 gerða amínósýra myndar öll prótein. Tvær sjaldgæfar nýjar amínósýrur fundust nýlega (selenósystein og pýrrólýsín) og fleiri nýjar uppgötvanir gætu bæst við listann.

Amínósýrur

Amínósýrur eru einliðurnar sem mynda prótein. Hver amínósýra hefur sömu grunnbyggingu, sem samanstendur af miðlægu kolefnisatómi, eða alfa-kolefni (α-kolefni), tengdu við amínóhóp (NH₂), karboxýlhóp (COOH) og vetnisatóm. Hver amínósýra hefur einnig annað atóm eða hóp atóma tengdan við miðlæga atóminu sem kallast R-hópur (mynd 3.22).

Vísindamenn nota heitið „amínósýra“ vegna þess að þessar sýrur innihalda bæði amínóhóp og karboxýlhóp í grunnbyggingu sinni. Eins og við nefndum eru 20 algengar amínósýrur í próteinum. Níu þeirra eru lífsnauðsynlegar amínósýrur hjá mönnum 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).

Myndræn tenging

Hvaða flokka amínósýra myndir þú búast við að finna á yfirborði vatnsleysanlegs próteins og hverja myndir þú búast við að finna í innviðum þess? Hvaða dreifingu amínósýra myndir þú búast við að finna í próteini sem er fellt inn í lípíðtvílag?

Efnafræðilegt eðli hliðarkeðjunnar ákvarðar eðli amínósýrunnar (það er, hvort hún er súr, basísk, skautuð eða óskautuð). Til dæmis hefur amínósýran glýsín vetnisatóm sem R-hóp. Amínósýrur eins og valín, meþíónín og alanín eru óskautaðar eða vatnsfælnar í eðli sínu, 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 amínóhópur þess er ekki aðskilinn frá hliðarkeðjunni (mynd 3.23).

Amínósýrur eru táknaðar með einum hástaf eða þriggja stafa skammstöfun. Til dæmis táknar stafurinn V eða þriggja stafa táknið Val amínósýruna valín. Rétt eins og sumar fitusýrur eru nauðsynlegar í mataræði, eru sumar amínósýrur einnig nauðsynlegar. Þessar lífsnauðsynlegu amínósýrur hjá mönnum eru meðal annars ísóleusín, leusín og systein. Lífsnauðsynlegar amínósýrur eru þær sem líkaminn þarf til að byggja upp prótein en getur ekki framleitt sjálfur. Hvaða amínósýrur eru lífsnauðsynlegar er breytilegt frá einni lífveru til annarrar.

Röð og fjöldi amínósýra ákvarðar að lokum lögun, stærð og virkni próteinsins. Samgilt tengi, eða peptíðtengi, tengir hverja amínósýru við þá næstu og myndast í afvötnunarhvarfi. Karboxýlhópur einnar amínósýru og amínóhópur komandi amínósýru sameinast og losa vatnssameind. Tengið sem myndast er peptíðtengið (mynd 3.24).

Afurðir slíkra tenginga eru peptíð. Eftir því sem fleiri amínósýrur bætast við vaxandi keðjuna verður keðjan 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- eða karboxýlendi. Þó að hugtökin fjölpeptíð og prótein séu stundum notuð jöfnum höndum, er fjölpeptíð tæknilega séð fjölliða úr amínósýrum, en hugtakið prótein er notað um fjölpeptíð eða fjölpeptíð sem hafa sameinast, hafa oft bundna hjálparhópa sem ekki eru peptíð, hafa ákveðna lögun og hafa einstakt hlutverk. Eftir próteinmyndun (þýðingu) er flestum próteinum breytt. Þetta eru kallaðar breytingar eftir þýðingu. Þau geta gengist undir klofnun, fosfórun eða gætu þurft viðbót annarra efnahópa. Aðeins eftir þessar breytingar er próteinið fullvirkt.

Tengill í námsefni

Smelltu þig í gegnum skref próteinmyndunar í þessari gagnvirku kennslu.

Þróunarfræðileg tenging

Þróunarfræðilegt mikilvægi cýtókróms c

Cýtókróm c er mikilvægur hluti af rafeindaflutningskeðjunni, hluta af frumuöndun, og það er venjulega staðsett í frumulíffærinu hvatbera. Þetta prótein hefur hem-hjálparhóp og miðlæg jón hemsins afoxast og oxast til skiptis við rafeindaflutning. Vegna þess að hlutverk þessa lífsnauðsynlega próteins í framleiðslu frumuorku er mikilvægt, hefur það breyst mjög lítið á milljónum ára. Próteinraðgreining hefur sýnt að það er talsvert magn af samstöðu í amínósýruröðum cýtókróms c milli mismunandi tegunda. Með öðrum orðum getum við metið þróunarfræðilegan skyldleika með því að mæla líkindi eða mun á DNA eða próteinröðum ýmissa tegunda.

Vísindamenn hafa komist að því að cýtókróm c í mönnum inniheldur 104 amínósýrur. Í hverri cýtókróm c-sameind frá mismunandi lífverum sem vísindamenn hafa raðgreint til þessa, eru 37 þessara amínósýra í sömu stöðu í öllum sýnum af cýtókróm c. Þetta bendir til þess að það gæti hafa verið sameiginlegur forfaðir. Við samanburð á próteinröðum manna og simpansa fundu vísindamenn engan mun á röðunum. Þegar vísindamenn báru saman raðir manna og resusapa var eini munurinn á einni amínósýru. Í öðrum samanburði sýnir raðgreining manna og gers mun í 44. stöðu.

Bygging próteina

Eins og við ræddum fyrr er lögun próteins mikilvæg fyrir virkni þess. Til dæmis getur ensím bundist sértæku hvarfefni á virkisetri. Ef þessari virkisetri er breytt vegna staðbundinna breytinga eða breytinga á heildarbyggingu próteinsins, gæti ensímið ekki bundist hvarfefninu. Til að skilja hvernig próteinið fær sína endanlegu lögun, þurfum við að skilja fjögur stig byggingar próteina: fyrsta, annars, þriðja og fjórða stigs byggingus byggingu.

Fyrsta stigs bygging

Einstök röð amínósýra í fjölpeptíðkeðju er fyrsta stigs bygging hennar. Til dæmis hefur brishormónið insúlín tvær fjölpeptíðkeðjur, A og B, og þær eru tengdar saman með dísúlfíðtengjum. N-endaamínósýra A-keðjunnar er glýsín; en C-endaamínósýran er asparagín (mynd 3.25). Amínósýruraðirnar í A- og B-keðjunum eru einstakar fyrir insúlín.

Genið sem skráir próteinið ákvarðar að lokum hina einstöku amínósýruröð hvers próteins. Breyting á núkleótíðaröð kóðunarsvæðis gensins getur leitt til þess að annarri amínósýru sé bætt við vaxandi fjölpeptíðkeðju, sem veldur breytingu á byggingu og virkni próteinsins. Í sigðfrumublóðleysi hefur hemóglóbín β-keðjan (lítinn hluta hennar sýnum við á Mynd 3.26) eina amínósýruskiptingu, sem veldur breytingu á byggingu og virkni próteinsins. Nánar tiltekið kemur valín í stað amínósýrunnar glútamat í β-keðjunni. Sérstaklega athyglisvert er að hemóglóbínsameind samanstendur af tveimur alfa- og tveimur beta-keðjum sem hver samanstendur af um 150 amínósýrum. Sameindin hefur því um 600 amínósýrur. Byggingarmunurinn á venjulegri hemóglóbínsameind og sigðfrumusameind – sem minnkar lífslíkur verulega – er ein amínósýra af 600. Það sem er enn merkilegra er að þrjú kirni skrá fyrir hverja þessara 600 amínósýra, og breyting á einum basa (punktstökkbreyting),¹ af 1800 bösum, veldur stökkbreytingunni.

Vegna þessarar breytingar á einni amínósýru í keðjunni mynda hemóglóbínsameindir langa þræði sem afmynda tvíhvolfa, eða diskalaga, rauðu blóðkornin og valda því að þau taka á sig hálfmána- eða sigðlögun, sem stíflar blóðæðar (mynd 3.27). Þetta getur leitt til fjölda alvarlegra heilsufarsvandamála eins og mæði, sundls, höfuðverkja og kviðverkja hjá þeim sem verða fyrir áhrifum af þessum sjúkdómi. William Warrick Cardozo sýndi fram á að sigðfrumublóðleysi er arfgengur sjúkdómur, sem þýðir að munurinn á kóðunarsvæði tiltekins gens berst frá foreldrum til barna. Eins og þú munt læra í erfðafræðihlutanum, ákvarðast erfðir slíkra eiginleika af blöndu gena frá báðum foreldrum, og þessi mjög litli munur getur haft veruleg áhrif á lífverur.

Annars stigs bygging

Staðbundin felling fjölpeptíðsins á sumum svæðum leiðir til annars stigs byggingar próteinsins. Algengustu byggingarnar eru α-gormur og β-fletir (mynd 3.28). Báðum byggingum er haldið í formi með vetnistengjum. Vetnistengin myndast á milli súrefnisatómsins í karbónýlhópnum í einni amínósýru og annarrar amínósýru sem er fjórum amínósýrum lengra í keðjunni.

Hver gormsnúningur í α-gormi hefur 3,6 amínósýruleifar. R-hópar fjölpeptíðsins (breytilegu hóparnir) standa út úr α-gormskeðjunni. Í β-fletum mynda vetnistengi milli atóma í hrygg fjölpeptíðkeðjunnar fellingarnar. R-hóparnir eru tengdir við kolefnin og teygja sig upp og niður fyrir fellingarnar. Fletirnir liggja samsíða eða andsamsíða hver öðrum og vetnistengi myndast á milli hlutjákvætt hlaðna vetnisatómsins í amínóhópnum og hlutneikvætt hlaðna súrefnisatómsins í karbónýlhóp peptíðhryggsins. α-gormur og β-fletir eru í flestum hnattlaga og þráðlaga próteinum og þau gegna mikilvægu byggingarhlutverki.

Þriðja stigs bygging

Einstök þrívíddarbygging fjölpeptíðsins er þriðja stigs bygging þess (mynd 3.29). Þessi bygging er að hluta til vegna efnafræðilegra hrifa sem verka á fjölpeptíðkeðjuna. Víxlverkanir milli R-hópa skapa fyrst og fremst flókna þrívíddar þriðja stigs byggingu próteinsins. Eðli R-hópanna í þeim amínósýrum sem taka þátt getur unnið gegn myndun vetnistengjanna sem við lýstum fyrir staðlaðar annars stigs byggingar. Til dæmis hrinda R-hópar með eins hleðslur hver öðrum frá sér og þeir sem hafa ólíkar hleðslur dragast hver að öðrum (jónatengi). Þegar próteinfelling á sér stað liggja vatnsfælnir R-hópar óskautaðra amínósýra í innviðum próteinsins; en vatnssæknir R-hópar liggja á ytra borðinu. Vísindamenn kalla fyrri tegund hrifa einnig vatnsfælin hrif. Víxlverkanir milli hliðarkeðja systeins mynda dísúlfíðtengi í viðurvist súrefnis, eina samgilda tengið sem myndast við próteinfellingu.

Allar þessar víxlverkanir, veik og sterk, ákvarða endanlega þrívíddarlögun próteinsins. Þegar prótein missir þrívíddarlögun sína er hugsanlegt að það sé ekki lengur virkt.

Fjórða stigs bygging

Í náttúrunni myndast sum prótein úr nokkrum fjölpeptíðum, eða undireiningum, og samverkun þessara undireininga myndar fjórða stigs bygginguna. Veikar víxlverkanir milli undireininganna hjálpa til við að stöðga heildarbygginguna. Til dæmis hefur insúlín (hnattlaga prótein) blöndu af vetnis- og dísúlfíðtengjum sem valda því að það fellist að mestu í kúlulaga form. Insúlín byrjar sem eitt fjölpeptíð og missir nokkrar innri raðir við breytingar eftir þýðingu eftir að það hefur myndað dísúlfíðtengin sem halda eftirstandandi keðjum saman. Silki (þráðlaga prótein) hefur hins vegar β-flatarbyggingu sem er afleiðing vetnistengja milli mismunandi keðja.

Mynd 3.30 sýnir fjögur stig byggingar próteina (fyrsta, annars, þriðja og fjórða stigs byggingu).

Eðlissvipting og próteinfelling

Hvert prótein hefur sína einstöku röð og lögun sem efnafræðileg hrif halda saman. Ef próteinið verður fyrir breytingum á hitastigi, pH-gildi eða verður fyrir efnum, getur bygging próteinsins breyst og það tapað lögun sinni án þess að fyrsta stigs röð þess glatist í því sem vísindamenn kalla eðlissviptingu. Eðlissvipting er oft afturkræf vegna þess að fyrsta stigs bygging fjölpeptíðsins varðveitist í ferlinu ef eðlissviptingarþátturinn er fjarlægður, sem gerir próteininu kleift að endurheimta virkni sína. Stundum er eðlissvipting óafturkræf, sem leiðir til taps á virkni. Eitt dæmi um óafturkræfa eðlissviptingu próteina er að steikja egg. Albúmínpróteinið í fljótandi eggjahvítunni eðlissviptist þegar það er sett á heita pönnu. Ekki öll prótein eðlissviptast við háan hita. Til dæmis hafa bakteríur sem lifa í hverum prótein sem virka við hitastig nálægt suðumarki. Maginn er einnig mjög súr, hefur lágt pH-gildi og eðlissviptir prótein sem hluta af meltingarferlinu; hins vegar halda meltingarensím magans virkni sinni við þessar aðstæður.

Próteinfelling er mikilvæg fyrir virkni próteins. Vísindamenn töldu upphaflega að próteinin sjálf bæru ábyrgð á fellingarferlinu. Aðeins nýlega uppgötvuðu vísindamenn að oft fá þau aðstoð í fellingarferlinu frá fylgipróteinum (eða chaperónum eða chaperónínum) sem tengjast markpróteininu meðan á fellingarferlinu stendur. Þau verka með því að koma í veg fyrir samanloðun fjölpeptíða sem mynda heildarbyggingu próteinsins, og þau losna frá próteininu þegar markpróteinið hefur náð réttri fellingu.

Tengill í námsefni

Til að fá frekari sýn á prótein skaltu skoða hreyfimyndina „Biomolecules: The Proteins“.