Protein

Related Topics:
Proteins :: Protein,_Amino_Acids,_Enzymes :: Protein_Fiber :: Protein_Analysis :: Proteinuria :: Proteins,_Amino_Acids_and_Enzymes :: Protein_Folding :: Proteins_and_Enzymes

Innledning

Proteiner er komplekse organiske molekyler med høy molekylvekt. De består av aminosyrer forbundet med peptidbindinger. Proteiner er avgjørende for struktur og funksjon hos alle levende celler og virus. Proteiner er biologiske makromolekyler, ved siden av polysakkarider og nukleinsyrer, som er de grunnleggende bestanddeler av alt liv. De er blant de mest studerte molekylene i biokjemien. Svært små proteiner eller fragmenter av proteiner kalles peptider eller oligopeptider. Større proteiner går under betegnelsen polypeptider.

Ordet protein kommer fra det greske ordet protos, som betyr 'den første', noe som sier hvor viktig proteiner er for planter og dyr.

Proteiner som næringsstoff

Proteiner regnes også som en av tre hovedgrupper næringsstoffer i kosten, ved siden av fett og karbohydrater. Proteinene som vi får i oss gjennom maten, brytes ned til aminosyrer i fordøyelsessystemet. Disse aminosyrene kan kroppen bruke enten som byggesteiner til å bygge opp egne proteiner, eller som brensel («drivstoff») i cellene på samme måte som fettsyrer (fra fett) og druesukker (fra karbohydrater).

Myoglobin.png, som viser farvede alfa helixer. Dette var det første proteinet som fikk sin struktur belyst ved røntgenkrystallografi av Max Perutz og Sir John Cowdery Kendrew i 1958, som førte til at de ble tildelt Nobelprisen i kjemi.]]

Struktur og produksjon

Proteiner inneholder grunnstoffene karbon, hydrogen, oksygen, nitrogen og svovel. Noen proteiner inneholder også fosfor. I tillegg er en del proteiner avhengige av andre grunnstoffer i form av såkalte kofaktorer, som magnesium og jern, for å kunne utføre sin funksjon. For eksempel er jern en viktig kofaktor hemoglobin, det oksygenbindende proteinetkomplekset i røde blodceller (erytrocytter).

Aminosyrene

Proteiner hos høyere organismer er bygd opp av 20 aminosyrer som er bundet til hverandre i polypeptidkjeder. Åtte aminosyrer er essensielle (livsviktige) å få tilført gjennom mat som fisk, egg, kjøtt, melk, ost og brødvarer, siden kroppen ikke kan produsere dem selv. Disse åtte er tryptofan, lysin, metionin, fenylalanin, treonin, valin, leucin og isoleucin. To andre, histidin og arginin, er i tillegg essenielle for barn.

Aminosyrene har en felles 'ryggrad' som består av to karbonatomer, hvorav det ene inngår i en karboksylgruppe (-COOH), og en aminogruppe (-NH₂) med et nitrogenatom (se under). Det som skiller dem fra hverandre er den variable R-gruppen som kan være alt fra et hydrogenatom i glycin til en dobbel aromatisk ring i tryptofan. Aminosyrene karakteriseres ut fra egenskapene til R-gruppen. Den generelle strukturen til en aminosyre:

R | H₂N-C-COOH | H

Peptidbindinger dannes mellom nitrogenatomet og karboksylgruppen (COOH på figuren over) på denne måten:

Amide_react.png

De to endene av en polypeptidkjede betegnes som den amino-terminale (N-terminale) eller den karboksy-terminale (C-terminale) avhengig av hvilken fri gruppe som finnes der.

Siden de 20 aminosyrene kan kombineres uten begrensninger er det mulig å danne utallige ulike proteiner. I en kjede med bare 60 aminosyrer er det omtrent en million trilliarder trilliarder trilliarder (eller 10 opphøyd i 79) forskjellige kombinasjonsmuligheter. Øker man med ti til kan man få en trilliard ganger trilliard ganger trilliard flere kombinasjoner.

Høyere organisering

Strukturen og egenskapene til proteiner bestemmes av organisering på fire nivåer:

Primærstruktur: Aminosyrenes rekkefølge
Sekundærstruktur: Dannelse av strukturer på høyere nivå gjennom interaksjoner mellom sidekjedene i aminosyrene, blant annet hydrogenbindinger. Sekundære strukturer kalles gjerne motiver (fra engelsk motifs)
Tertiærstruktur: Den overordnede strukturen av proteinet, som regel dannet via hydrofobe interaksjoner og hydrogenbindinger. Mellom cystein-residuer, som inneholder svovel i sidekjedene kan det dannes disulfidbroer som kan påvirke tertiærstrukturen kraftig.
Kvartærnærstruktur: Interaksjon mellom flere polypeptidkjeder. Ett enkelt protein kan bestå av mange slike kjeder eller underenheter.

α-helikser og β-sheets

De to vanligst forekommende sekundærstrukturene er α-helikser og β-sheets. Disse dannes av spesielle aminosyresekvenser i proteinet. α-heliksen er, som navnet antyder, en høyrevridd spiral av varierende lengde med fastsatte avstander og vinkler mellom aminosyrene. Både α-helikser og β-sheets har bestemte egenskaper, og de finnes i de aller fleste proteiner, enten sammen eller hver for seg. α-helikser deltar gjerne i DNA-binding, mens edderkoppsilke består utelukkende av β-sheets.

Fra DNA via RNA til ferdig protein

DNA (deoxyribonucleic acid) består av gener. Hvert gen transkriberes til RNA (ribonucleic acid) i cellekjernen. Etter en ulike modifiseringer oversettes RNA til proteiner i ribosomer gjennom en prosess som kalles translasjonen. Ribosomene gjenkjenner tripletter av baser som passer til den enkelte aminosyren. En aminosyre kan bli kodet av mange tripletter. Felles for alle proteiner er at de starter med basene adenin-guanin-cytosin (ATG) som tilsvarer aminosyren metionin.

Produksjon av protein er under regulering av andre proteiner og hormoner. Som respons til visse stimuli vil proteinproduksjonen reguleres opp eller ned.

Funksjoner

Proteiner er byggesteinene i alle levende celler. De utfyller et utall mer eller mindre svært spesialiserte funksjoner. Hos mennesker er dette alt fra å bygge opp og vedlikeholde muskler, skjelett, hud og slimhinner, til å stå for transport av oksygen og næringsstoffer i blodet. Proteinene deltar også i immunrespons, samt lagring og transport av forskjellige stoffer i kroppen. Gjennom ernæring er proteinene kilde til aminosyrer for organismer som ikke kan lage disse selv.

Proteiner skaper folk - og dyr

De fleste organismer er bygd opp av strukturelle proteiner. Cellenes form, og dermed også formen til multicellulære organismer, er stort sett bestemt av proteiner. Videre er proteiner et viktig næringsmiddel. Nedbrytingen av proteiner begynner i magen, der de splittes opp i aminosyrer av proteaser. Mesteparten av aminosyrene tas opp i tynntarmen, og svært lite (~1%) går ut med avføringen. Aminosyrene som tas opp kan benyttes videre direkte som byggesteiner i nye proteiner, eller de kan brytes videre ned og gjøre nytte som energikilde.

Enzymer: naturens katalysatorer

Alle enzymer er proteiner, men ikke alle proteiner er enzymer. Enzymer deltar som katalysatorer i kjemiske reaksjoner som ellers ville gått sakte eller ikke i det hele tatt ved å senke aktiveringsenergien som kreves for at reaksjonen skal starte. I enkelte tilfeller ved å bringe reaktanter i nærheten av hverandre, mens andre reaksjoner krever tilførsel av energi fra for eksempel adenosin trifosfat (ATP). Mange proteiner har enzymatisk aktivitet eller inngår som underenheter i enzymer.

Reaksjonene enzymet deltar i utføres i det aktive setet. Dette er ofte lommer eller fordypninger i proteinet der substratene binder. I området rundt det aktive setet er gjerne aminosyresekvensen konservert mellom arter som har proteiner med lignende funksjoner. Studier av slike sekvenser, helst på DNA-nivå, bidrar ofte til å finne ut av enzymenes funksjon eller å si noe om evolusjonen av en art og slekstkap mellom dem.

Det finnes svært mange typer enzymer med ulike oppgaver. Her er noen eksempler:

Amylase, som spalter stivelse i spyttet
DNA og RNA polymeraser, som deltar i kopiering og produksjon av DNA og RNA
DNA reparasjonsproteiner er en gruppe enzymer som fjerner og retter opp feil i DNA og RNA. Disse enzymene kan forhindre mutasjoner som i sin tur kunne ført til kreft

Kort om enzymkinetikk

Innledningsvis øker hastigheten i en enzymreaksjon hyperbolsk med økende substratkonsentrasjon. Ved substratmetning, det vil si når alle enzymmolekylene er bundet til substratet, øker ikke hastigheten ytterligere.

Den enkleste enzymreaksjonen kan uttrykkes på formen

$E+S \Leftrightarrow ES \Rightarrow E+P$

der E er enzym, ES er et enzym-substrat-kompleks og P er produkt. Noen enzymer kan brukes på nytt etter å ha dannet produktet, mens andre blir inaktivert på grunn av forandringer i proteinstrukturen.

For denne reaksjonen gir Mikaelis-Menten-ligningen sammenhengen mellom reaksjonshastigheten v og substratkonsentrasjonen:

$v= \frac {V_{max} + [S}$

Her er V_max den maksimale reaksjonshastigheten for enzymet, mens K_m er Mikaelis-konstanten, som gir substratkonsentrasjoner ved halvparten av V_max.

Les mer om enzymkinetikk på Universitetet i Oslo.

Regulering av enzymer

Enzymer kan binde til ulike molekyler i spesifikke bindingsseter som finnes i proteinet. Molekylene som bindes kalles ligander. Hvor sterkt liganden binder uttrykkes som ligandens affinitet. Høy affinitet betyr sterk binding. Regulering av slik binding gjøres gjerne ved strukturelle (allosteriske) forandringer i proteinet, slik at liganden ikke kan komme i kontakt med bindingssetet. Binding av ligand til ett sete kan også påvirke affiniteten for ligander til andre seter. Konsentrasjon av proteinet er en viktig type regulering.

Det finnes også kunstige metoder for å regulere proteiner. Man kan for eksempel begrense tilgangen på co-faktorer og derved senke aktiviteten. Under sterk varmepåvirkning vil de fleste enzymer denatureres og miste sin funksjon. Denatureringen er i de fleste tilfeller irreversibel og enzymet er ødelagt.

Eksempler på noen proteiner

Forskjellige typer proteiner og deres oppgaver:

Insulin: Insulin er satt sammen av 51 aminosyrer og er et hormon som styrer glukoseinnholdet i blodet. Dette er det første proteinet som ble bestemt.
Tubulin: Proteinet som bygger opp fibrene i cellenes indre skjellet (mikrotubuli). Tubulin er bygd opp av en polypeptidkjedet på ca. 475 aminosyrer. De blå spiralene er er alfa- helikser, de grønne pilene er beta–tråder. De gule trådene er molekylet GTP, som binder alt sammen. Selve tubulinen består av at beta-trådene danner to flak inne i proteinet, og 11 α-helikser er tvinnet rundt, mens 10 β-tråder holder alt sammen.

Referanser

C. Branden and J. Tooze Introduction to protein structure 2^nd ed. 1999. Garland publishing Biokjemi | Biologi

Gourt Home::Gourt :: Protein