Ena od definicij življenja je naslednja: "Življenje je način obstoja beljakovinskih teles." Na našem planetu brez izjeme vsi organizmi vsebujejo takšne organske snovi, kot so beljakovine. Ta članek bo opisal preproste in zapletene beljakovine, prepoznal razlike v molekularni strukturi in obravnaval tudi njihove funkcije v celici.
Kaj so beljakovine
Z vidika biokemije so to visokomolekularni organski polimeri, katerih monomeri so 20 vrst različnih aminokislin. Med seboj so povezani s kovalentnimi kemičnimi vezmi, sicer imenovanimi peptidnimi vezmi. Ker so beljakovinski monomeri amfoterne spojine, vsebujejo tako amino skupino kot karboksilno funkcionalno skupino. Med njima nastane kemična vez CO-NH.
Če je polipeptid sestavljen iz aminokislinskih ostankov, tvori preprosto beljakovino. Polimerne molekule, ki poleg tega vsebujejo kovinske ione, vitamine, nukleotide, ogljikove hidrate, so kompleksne beljakovine. Naprej miupoštevajte prostorsko strukturo polipeptidov.
Ravni organizacije beljakovinskih molekul
Na voljo so v štirih različnih konfiguracijah. Prva struktura je linearna, je najpreprostejša in ima obliko polipeptidne verige, pri njeni spiralizaciji nastanejo dodatne vodikove vezi. Stabilizirajo vijačnico, ki se imenuje sekundarna struktura. Na terciarni ravni organizacije so enostavne in zapletene beljakovine, večina rastlinskih in živalskih celic. Zadnja konfiguracija, kvartarna, nastane zaradi interakcije več molekul naravne strukture, združenih s koencimi, to je struktura kompleksnih beljakovin, ki opravljajo različne funkcije v telesu.
Raznolikost preprostih beljakovin
Ta skupina polipeptidov ni številčna. Njihove molekule so sestavljene samo iz aminokislinskih ostankov. Beljakovine vključujejo na primer histone in globuline. Prvi so predstavljeni v strukturi jedra in so združeni z molekulami DNK. Druga skupina - globulini - veljajo za glavne sestavine krvne plazme. Beljakovina, kot je gama globulin, opravlja funkcije imunske zaščite in je protitelo. Te spojine lahko tvorijo komplekse, ki vključujejo kompleksne ogljikove hidrate in beljakovine. Enostavni vlaknasti proteini, kot sta kolagen in elastin, so del vezivnega tkiva, hrustanca, kit in kože. Njihove glavne funkcije sta konstrukcija in podpora.
Proteinski tubulin je del mikrotubulov, ki so sestavni deli cilij in bičkov enoceličnih organizmov, kot so ciliati, euglena, parazitski flagelati. Enako beljakovino najdemo v večceličnih organizmih (zastavice semenčic, jajčne cilije, cilirani epitelij tankega črevesa).
Albuminske beljakovine opravljajo funkcijo shranjevanja (na primer jajčni beljak). V endospermu semen žitnih rastlin - rži, riža, pšenice - se kopičijo beljakovinske molekule. Imenujejo se celični vključki. Te snovi uporablja semenski kalček na začetku svojega razvoja. Poleg tega je visoka vsebnost beljakovin v pšeničnih zrnih zelo pomemben pokazatelj kakovosti moke. Kruh, pečen iz moke, bogate z glutenom, ima visok okus in je bolj zdrav. Gluten je v tako imenovanih sortah pšenice durum. Krvna plazma globokomorskih rib vsebuje beljakovine, ki preprečujejo, da bi umrle zaradi mraza. Imajo lastnosti proti zmrzovanju, ki preprečujejo smrt telesa pri nizkih temperaturah vode. Po drugi strani pa celična stena termofilnih bakterij, ki živijo v geotermalnih izvirih, vsebuje beljakovine, ki lahko ohranijo svojo naravno konfiguracijo (terciarna ali kvartarna struktura) in ne denaturirajo v temperaturnem območju od +50 do + 90 °С.
Proteidi
To so kompleksne beljakovine, za katere je značilna velika raznolikost zaradi različnih funkcij, ki jih opravljajo. Kot smo že omenili, ta skupina polipeptidov poleg proteinskega dela vsebuje tudi prostetično skupino. Pod vplivom različnih dejavnikov, kot so visoka temperatura, soli težkih kovin, koncentrirane alkalije in kisline, lahko kompleksne beljakovine spremenijo svojeprostorsko obliko, ki jo poenostavi. Ta pojav se imenuje denaturacija. Struktura kompleksnih beljakovin je porušena, vodikove vezi so pretrgane, molekule pa izgubijo svoje lastnosti in funkcije. Praviloma je denaturacija nepovratna. Toda za nekatere polipeptide, ki opravljajo katalitične, motorične in signalne funkcije, je možna renaturacija - obnova naravne strukture proteina.
Če delovanje destabilizirajočega faktorja traja dlje časa, je proteinska molekula popolnoma uničena. To vodi do cepitve peptidnih vezi primarne strukture. Beljakovine in njenih funkcij ni več mogoče obnoviti. Ta pojav se imenuje uničenje. Primer je kuhanje piščančjih jajc: tekoči protein - albumin, ki je v terciarni strukturi, je popolnoma uničen.
biosinteza beljakovin
Spet spomnimo, da sestava polipeptidov živih organizmov vključuje 20 aminokislin, med katerimi so esencialne. To so lizin, metionin, fenilalanin itd. V krvni obtok pridejo iz tankega črevesa po razgradnji beljakovinskih produktov v njem. Za sintezo neesencialnih aminokislin (alanin, prolin, serin) glive in živali uporabljajo spojine, ki vsebujejo dušik. Rastline kot avtotrofi samostojno tvorijo vse potrebne sestavljene monomere, ki predstavljajo kompleksne beljakovine. Za to v svojih asimilacijskih reakcijah uporabljajo nitrate, amoniak ali prosti dušik. V mikroorganizmih si nekatere vrste zagotovijo celoten nabor aminokislin, pri drugih pa se sintetizirajo le nekateri monomeri. Obdobjabiosinteza beljakovin poteka v celicah vseh živih organizmov. Transkripcija se pojavi v jedru, translacija pa v citoplazmi celice.
Prva faza - sinteza predhodnika mRNA poteka s sodelovanjem encima RNA polimeraze. Pretrga vodikove vezi med verigami DNK in na eni od njih po principu komplementarnosti sestavi molekulo pre-mRNA. Razreže se, torej dozori in nato izstopi iz jedra v citoplazmo in tvori matrično ribonukleinsko kislino.
Za izvedbo druge faze so potrebne posebne organele - ribosome, pa tudi molekule informacijskih in transportnih ribonukleinskih kislin. Drug pomemben pogoj je prisotnost molekul ATP, saj se reakcije plastične izmenjave, ki vključujejo biosintezo beljakovin, pojavijo pri absorpciji energije.
Encimi, njihova struktura in funkcije
To je velika skupina beljakovin (približno 2000), ki delujejo kot snovi, ki vplivajo na hitrost biokemičnih reakcij v celicah. Lahko so preprosti (trepsin, pepsin) ali zapleteni. Kompleksne beljakovine so sestavljene iz koencima in apoencima. Specifičnost samega proteina glede na spojine, na katere deluje, določa koencim, aktivnost beljakovin pa opazimo šele, ko je beljakovinska komponenta povezana z apoencimom. Katalitična aktivnost encima ni odvisna od celotne molekule, temveč le od aktivnega mesta. Njegova struktura po načelu ustreza kemični strukturi katalizirane snovi"key-lock", zato je delovanje encimov strogo specifično. Funkcije kompleksnih beljakovin so sodelovanje v metabolnih procesih in njihova uporaba kot akceptorjev.
Razredi kompleksnih beljakovin
Razvili so jih biokemiki na podlagi 3 kriterijev: fizikalne in kemijske lastnosti, funkcionalne značilnosti in specifične strukturne značilnosti beljakovin. V prvo skupino spadajo polipeptidi, ki se razlikujejo po elektrokemijskih lastnostih. Delimo jih na bazične, nevtralne in kisle. V zvezi z vodo so beljakovine lahko hidrofilne, amfifilne in hidrofobne. V drugo skupino spadajo encimi, ki smo jih obravnavali prej. V tretjo skupino spadajo polipeptidi, ki se razlikujejo po kemični sestavi prostetičnih skupin (to so kromoproteini, nukleoproteini, metaloproteini).
Poglejmo podrobneje lastnosti kompleksnih beljakovin. Na primer, kisla beljakovina, ki je del ribosomov, vsebuje 120 aminokislin in je univerzalna. Najdemo ga v organelah, ki sintetizirajo beljakovine tako prokariontskih kot evkariontskih celic. Še en predstavnik te skupine, protein S-100, je sestavljen iz dveh verig, povezanih s kalcijevim ionom. Je del nevronov in nevroglije - podpornega tkiva živčnega sistema. Skupna lastnost vseh kislih beljakovin je visoka vsebnost dvobazičnih karboksilnih kislin: glutaminske in asparaginske. Alkalne beljakovine vključujejo histone - beljakovine, ki so del nukleinskih kislin DNK in RNA. Značilnost njihove kemične sestave je velika količina lizina in arginina. Histoni skupaj s kromatinom jedra tvorijo kromosome – najpomembnejše strukture celične dednosti. Te beljakovine so vključene v procese transkripcije in prevajanja. Amfifilni proteini so široko prisotni v celičnih membranah in tvorijo dvosloj lipoproteinov. Tako smo se po preučevanju zgoraj obravnavanih skupin kompleksnih beljakovin prepričali, da njihove fizikalno-kemijske lastnosti določa struktura beljakovinske komponente in protetične skupine.
Nekateri kompleksni proteini celične membrane so sposobni prepoznati različne kemične spojine, kot so antigeni, in se odzvati nanje. To je signalna funkcija beljakovin, zelo pomembna je za procese selektivne absorpcije snovi, ki prihajajo iz zunanjega okolja in za njeno zaščito.
Glikoproteini in proteoglikani
So kompleksni proteini, ki se med seboj razlikujejo po biokemični sestavi protetičnih skupin. Če so kemične vezi med beljakovinsko komponento in ogljikovim delom kovalentno-glikozidne, se takšne snovi imenujejo glikoproteini. Njihov apoencim predstavljajo molekule mono- in oligosaharidov, primeri takšnih beljakovin so protrombin, fibrinogen (beljakovine, ki sodelujejo pri koagulaciji krvi). Glikoproteini so tudi kortiko- in gonadotropni hormoni, interferoni, membranski encimi. V molekulah proteoglikana je beljakovinski del le 5%, ostalo pade na protetično skupino (heteropolisaharid). Oba dela sta povezana z glikozidno vezjo skupine OH-treonina in arginina ter skupine NH2-glutamina in lizina. Molekule proteoglikana imajo zelo pomembno vlogo pri presnovi vode in soli v celici. Spodajpredstavlja tabelo kompleksnih beljakovin, ki smo jih preučevali.
| glikoproteini | proteoglikani |
| Strukturne komponente protetičnih skupin | |
| 1. Monosaharidi (glukoza, galaktoza, manoza) | 1. Hialuronska kislina |
| 2. Oligosaharidi (m altoza, laktoza, saharoza) | 2. hondroitna kislina. |
| 3. Acetilirani amino derivati monosaharidov | 3. Heparin |
| 4. Deoksisaharidi | |
| 5. Nevramska in sialična kislina | |
Metalloproteini
Te snovi v svojih molekulah vsebujejo ione ene ali več kovin. Razmislite o primerih kompleksnih beljakovin, ki spadajo v zgornjo skupino. To so predvsem encimi, kot je citokrom oksidaza. Nahaja se na kristah mitohondrijev in aktivira sintezo ATP. Ferin in transferin sta proteina, ki vsebujeta železove ione. Prvi jih odlaga v celice, drugi pa je transportni protein v krvi. Drugi metaloprotein je alfa-amelaza, vsebuje kalcijeve ione, je del sline in soka trebušne slinavke, sodeluje pri razgradnji škroba. Hemoglobin je tako metaloprotein kot kromoprotein. Opravlja funkcije transportne beljakovine, ki prenaša kisik. Posledično nastane spojina oksihemoglobin. Pri vdihavanju ogljikovega monoksida, sicer imenovanega ogljikov monoksid, njegove molekule tvorijo zelo stabilno spojino s hemoglobinom eritrocitov. Hitro se širi po organih in tkivih, kar povzroči zastrupitev.celice. Posledično pri dolgotrajnem vdihavanju ogljikovega monoksida pride do smrti zaradi zadušitve. Hemoglobin delno prenaša tudi ogljikov dioksid, ki nastane v procesih katabolizma. S pretokom krvi ogljikov dioksid vstopi v pljuča in ledvice, iz njih pa v zunanje okolje. Pri nekaterih rakih in mehkužcih je hemocianin beljakovina, ki prenaša kisik. Namesto železa vsebuje bakrove ione, zato živalska kri ni rdeča, ampak modra.
Funkcije klorofila
Kot smo že omenili, lahko kompleksni proteini tvorijo komplekse s pigmenti – obarvanimi organskimi snovmi. Njihova barva je odvisna od kromoformnih skupin, ki selektivno absorbirajo določene spektre sončne svetlobe. V rastlinskih celicah so zeleni plastidi - kloroplasti, ki vsebujejo pigment klorofil. Sestavljen je iz atomov magnezija in polihidričnega alkohola fitol. Povezani so z beljakovinskimi molekulami, sami kloroplasti pa vsebujejo tilakoide (plošče) oziroma membrane, povezane v kupe - grana. Vsebujejo fotosintetske pigmente – klorofile – in dodatne karotenoide. Tukaj so vsi encimi, ki se uporabljajo pri fotosintetskih reakcijah. Tako kromoproteini, ki vključujejo klorofil, opravljajo najpomembnejše funkcije v presnovi, in sicer v reakcijah asimilacije in disimilacije.
Virusne beljakovine
Hranijo jih predstavniki neceličnih življenjskih oblik, ki so del kraljestva Vira. Virusi nimajo lastnega aparata za sintezo beljakovin. Nukleinske kisline, DNK ali RNA, lahko povzročijo sintezolastne delce s strani same celice, okužene z virusom. Enostavni virusi so sestavljeni samo iz beljakovinskih molekul, ki so kompaktno sestavljene v spiralne ali poliedrične strukture, kot je virus tobačnega mozaika. Kompleksni virusi imajo dodatno membrano, ki je del plazemske membrane gostiteljske celice. Lahko vključuje glikoproteine (virus hepatitisa B, virus črnih koz). Glavna funkcija glikoproteinov je prepoznavanje specifičnih receptorjev na membrani gostiteljske celice. Dodatne virusne ovojnice vključujejo tudi encimske beljakovine, ki zagotavljajo replikacijo DNK ali transkripcijo RNA. Na podlagi navedenega je mogoče sklepati naslednje: beljakovine ovojnice virusnih delcev imajo specifično strukturo, ki je odvisna od membranskih beljakovin gostiteljske celice.
V tem članku smo opisali kompleksne beljakovine, preučili njihovo strukturo in funkcije v celicah različnih živih organizmov.
