Μια ματιά στη χημεία
Οι πρωτεΐνες μπορούν να τοποθετηθούν στην πρώτη θέση στον "βιολογικό κόσμο", δεδομένου ότι, λόγω των πολλών λειτουργιών τους, δεν θα υπήρχε ζωή χωρίς αυτούς.
Η στοιχειακή ανάλυση των πρωτεϊνών δίνει τις ακόλουθες μέσες τιμές: 55% άνθρακα, 7% υδρογόνο και 16% άζωτο. είναι σαφές ότι οι πρωτεΐνες διαφέρουν μεταξύ τους, αλλά η μέση στοιχειακή σύνθεσή τους αποκλίνει ελάχιστα από τις τιμές που αναφέρθηκαν παραπάνω.
Συνταγματικά, οι πρωτεΐνες είναι μακρομόρια που σχηματίζονται από φυσικά α-αμινοξέα. Τα αμινοξέα συνδυάζονται μέσω του αμιδικού δεσμού που δημιουργείται με αντίδραση μεταξύ μίας αμινομάδας ενός α-αμινοξέος και του καρβοξυλίου ενός άλλου α-αμινοξέος. Αυτός ο δεσμός (-CO-NH-) ονομάζεται επίσης πεπτιδικός δεσμός επειδή δεσμεύει πεπτίδια (αμινοξέα σε συνδυασμό):
αυτό που λαμβάνεται είναι ένα διπεπτίδιο επειδή σχηματίζεται από δύο αμινοξέα. Επειδή ένα διπεπτίδιο περιέχει μια ελεύθερη αμινομάδα στο ένα άκρο (ΝΗ2) και ένα καρβοξύλιο στο άλλο (COOH), μπορεί να αντιδράσει με ένα ή περισσότερα αμινοξέα και να τεντώσει την αλυσίδα τόσο από τη δεξιά όσο και από την αριστερή με την ίδια αντίδραση που φαίνεται παραπάνω.
Η αλληλουχία των αντιδράσεων (οι οποίες, σε κάθε περίπτωση, δεν είναι πραγματικά τόσο απλές) μπορεί να συνεχιστεί επ 'αόριστον: μέχρι να υπάρχει ένα πολυμερές που ονομάζεται πολυπεπτίδιο ή πρωτεΐνη . Η διάκριση μεταξύ πεπτιδίων και πρωτεϊνών συνδέεται με το μοριακό βάρος: συνήθως για μοριακά βάρη μεγαλύτερα από 10.000 ονομάζεται πρωτεΐνη.
Η δέσμευση των αμινοξέων για να ληφθούν ακόμη και μικρές πρωτεΐνες είναι μια δύσκολη διαδικασία, αν και έχει πρόσφατα αναπτυχθεί μια αυτόματη μέθοδος για την παραγωγή πρωτεϊνών από αμινοξέα που δίνει εξαιρετικά αποτελέσματα.
Επομένως, η απλούστερη πρωτεΐνη αποτελείται από 2 αμινοξέα: με διεθνή σύμβαση, η παραγγελθείσα αρίθμηση αμινοξέων σε πρωτεϊνική δομή ξεκινά από το αμινοξύ με την ελεύθερη α-αμινομάδα.
Πρωτεϊνική δομή
Τα πρωτεϊνικά μόρια διαμορφώνονται έτσι ώστε να μπορούμε να δούμε έως και τέσσερις ξεχωριστές οργανώσεις: διακρίνονται γενικά, μια πρωτογενής δομή, μια δευτερεύουσα, μια τριτογενής και μια τεταρτοταγής.
Οι πρωτογενείς και οι δευτερογενείς δομές είναι απαραίτητες για τις πρωτεΐνες, ενώ οι τριτογενείς και οι τεταρτογενείς δομές είναι "βοηθητικές" (υπό την έννοια ότι δεν μπορούν να εξοπλισθούν όλες οι πρωτεΐνες με αυτές).
Η πρωτεύουσα δομή προσδιορίζεται από τον αριθμό, τον τύπο και την αλληλουχία των αμινοξέων στην πρωτεϊνική αλυσίδα. είναι επομένως απαραίτητο να προσδιοριστεί η διατεταγμένη ακολουθία των αμινοξέων που συνθέτουν την πρωτεΐνη (για να γνωρίζουμε αυτό σημαίνει να γνωρίζουμε την ακριβή αλληλουχία βάσεων DNA που κωδικοποιούν για αυτή την πρωτεΐνη) η οποία αντιμετωπίζει μη αμελητέες χημικές δυσκολίες.
Είναι δυνατόν να προσδιοριστεί η διατεταγμένη ακολουθία αμινοξέων μέσω αποικοδόμησης Edman: η πρωτεΐνη αντιδρά με ισοθειοκυανικό φαινυλεστέρα (FITC). αρχικά η ζεύξη του α-αμινο αζώτου επιτίθεται στο φαινυλοϊσοθειοκυανικό που σχηματίζει το θειοκαρβαμυλο παράγωγο. ακολούθως, το ληφθέν προϊόν κυκλοποιείται δίνοντας το παράγωγο φαινυλοθειοανταντοΐνης το οποίο είναι φθορίζον.
Ο Edman έχει σχεδιάσει μια μηχανή που ονομάζεται αλληλουχία που προσαρμόζει αυτόματα τις παραμέτρους (χρόνο, αντιδραστήρια, pH κ.λπ.) για αποικοδόμηση και παρέχει την πρωταρχική δομή πρωτεϊνών (για αυτό έλαβε το βραβείο Νόμπελ).
Η πρωτογενής δομή δεν επαρκεί για την πλήρη ερμηνεία των ιδιοτήτων των πρωτεϊνικών μορίων. πιστεύεται ότι αυτές οι ιδιότητες εξαρτώνται, με έναν ουσιαστικό τρόπο, από τη χωρική διαμόρφωση που τα μόρια των πρωτεϊνών τείνουν να υποθέτουν, κάμπτοντας με διάφορους τρόπους: δηλαδή, υποθέτοντας αυτό που έχει οριστεί ως δευτερογενής δομή πρωτεϊνών. Η δευτερογενής δομή των πρωτεϊνών είναι τρεμολάτη, δηλαδή τείνει να απορρίπτεται λόγω θέρμανσης. τότε οι πρωτεΐνες μετουσιώνονται, χάνοντας πολλές από τις χαρακτηριστικές τους ιδιότητες. Εκτός από τη θέρμανση πάνω από 70 ° C, η μετουσίωση μπορεί επίσης να προκληθεί από ακτινοβολία ή από τη δράση αντιδραστηρίων (για παράδειγμα ισχυρά οξέα).
Η μετουσίωση των πρωτεϊνών με θερμική δράση παρατηρείται, για παράδειγμα, με τη θέρμανση των λευκών αυγών: παρατηρείται απώλεια της ζελατινώδους εμφάνισης και μετατροπή σε αδιάλυτη λευκή ουσία. Ωστόσο, η μετουσίωση των πρωτεϊνών οδηγεί στην καταστροφή της δευτεροταγούς δομής τους, αλλά αφήνει αμετάβλητη την πρωταρχική δομή (τη σύζευξη των διαφόρων αμινοξέων).
Οι πρωτεΐνες λαμβάνουν την τριτοταγή δομή όταν η αλυσίδα τους, ενώ είναι ακόμα εύκαμπτη παρά την δίπλωση της δευτερογενούς δομής, διπλώνεται έτσι ώστε να δημιουργεί μια στριμμένη τρισδιάστατη διάταξη με τη μορφή ενός συμπαγούς σώματος. Οι δισουλφιδικοί δεσμοί που μπορούν να δημιουργηθούν μεταξύ της κυστεϊνης -SH διασκορπισμένης κατά μήκος του μορίου είναι κυρίως υπεύθυνοι για την τριτοταγή δομή.
Η τεταρτοταγής δομή, από την άλλη πλευρά, ανταγωνίζεται μόνο πρωτεΐνες που σχηματίζονται από δύο ή περισσότερες υπομονάδες. Η αιμοσφαιρίνη, για παράδειγμα, αποτελείται από δύο ζεύγη πρωτεϊνών (δηλαδή από τις τέσσερις πρωτεϊνικές αλυσίδες) που βρίσκονται στις κορυφές ενός τετραεδριού με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργούν μια δομή σφαιρικού σχήματος. οι τέσσερις πρωτεϊνικές αλυσίδες συγκρατούνται μαζί με ιοντικές δυνάμεις και όχι με ομοιοπολικούς δεσμούς.
Ένα άλλο παράδειγμα δομής τεταρτογενούς είναι η ινσουλίνη, η οποία φαίνεται να αποτελείται από έξι πρωτεϊνικές υπομονάδες διατεταγμένες σε ζεύγη στις κορυφές ενός τριγώνου στο κέντρο του οποίου βρίσκονται δύο άτομα ψευδαργύρου.
ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ FIBROSE: είναι πρωτεΐνες με μια ορισμένη ακαμψία και έχουν έναν άξονα πολύ μακρύτερο από τον άλλο. η πιο άφθονη ινώδης πρωτεΐνη στη φύση είναι το κολλαγόνο (ή το κολλαγόνο).
Μια ινώδης πρωτεΐνη μπορεί να πάρει αρκετές δευτερεύουσες δομές: α-έλικα, β-φύλλο και, στην περίπτωση του κολλαγόνου, τριπλή έλικα. η α-έλικα είναι η πιο σταθερή δομή, ακολουθούμενη από το β-φυλλάδιο, ενώ η λιγότερο σταθερή από τις τρεις είναι η τριπλή έλικα.
α-έλικα
Η έλικα λέγεται ότι είναι δεξιόστροφη αν, ακολουθώντας τον κύριο σκελετό (προσανατολισμένο από κάτω προς τα πάνω), εκτελείται μια κίνηση παρόμοια με τη βίδα μιας δεξιόστροφης βίδας. ενώ η έλικα είναι του αριστερού χεριού αν η κίνηση είναι ανάλογη με τη βίδα μιας βίδας με αριστερόχειρες. Στις δεξιές α-έλικες οι -R υποκαταστάτες των αμινοξέων είναι κάθετοι στον κύριο άξονα της πρωτεΐνης και βλέπουν προς τα έξω, ενώ στο αριστερό χέρι α-έλικες οι υποκαταστάτες -R βλέπουν προς τα μέσα. Οι δεξιές α-έλικες είναι πιο σταθερές από αυτές του αριστερού χεριού επειδή μεταξύ των δεξαμενών -R υπάρχει λιγότερη αλληλεπίδραση και λιγότερη στερική παρεμπόδιση. Όλες οι α-έλικες που βρίσκονται στις πρωτεΐνες είναι δεξτρογενείς.
Η δομή της α-έλικας σταθεροποιείται με δεσμούς υδρογόνου (γέφυρες υδρογόνου) που σχηματίζεται μεταξύ της καρβοξυλομάδας (-C = O) κάθε αμινοξέος και της αμινομάδας (-ΝΗ) που είναι τέσσερα υπολείμματα αργότερα στο γραμμική ακολουθία.
Ένα παράδειγμα μίας πρωτεΐνης που έχει μια δομή α-έλικας είναι κερατίνη μαλλιών.
β-φύλλου
Στη δομή β-φυλλαδίων, οι δεσμοί υδρογόνου μπορούν να σχηματιστούν μεταξύ αμινοξέων που ανήκουν σε διαφορετικές αλλά παράλληλες πολυπεπτιδικές αλυσίδες ή μεταξύ αμινοξέων της ίδιας πρωτεΐνης ακόμη και αριθμητικά μακρινές μεταξύ τους αλλά ρέουσες σε αντιπαράλληλες κατευθύνσεις. Ωστόσο, οι δεσμοί υδρογόνου είναι ασθενέστεροι από αυτούς που σταθεροποιούν τη μορφή α-έλικας.
Ένα παράδειγμα μιας δομής β-φυλλαδίων είναι το ινώδες μετάξι (βρίσκεται επίσης σε αράχνες αράχνης).
Με την επέκταση της δομής α-έλικας, πραγματοποιείται η μετάβαση από την α-έλικα στο β-φυλλάδιο. επίσης η θερμότητα ή η μηχανική καταπόνηση επιτρέπουν τη διέλευση από την δομή α-έλικας στη δομή β-φύλλου.
Συνήθως, σε μια πρωτεΐνη, οι δομές β-φύλλων είναι κοντά μεταξύ τους επειδή μπορούν να δημιουργηθούν δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των τμημάτων της πρωτεΐνης.
Στις ινώδεις πρωτεΐνες η περισσότερη πρωτεϊνική δομή οργανώνεται ως α-έλικα ή β-φύλλο.
GLOBULAR PROTEINS: έχουν σχεδόν σφαιρική χωρική δομή (λόγω των πολυάριθμων αλλαγών κατεύθυνσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας). μερικά τμήματα της ύπαρξης μπορούν να ανιχνευθούν πίσω σε μια δομή α-έλικας ή β-φυλλαδίου και άλλα τμήματα δεν οφείλονται, αντιθέτως, σε αυτές τις μορφές: η διάταξη δεν είναι τυχαία αλλά οργανωμένη και επαναλαμβανόμενη.
Οι πρωτεΐνες που αναφέρονται μέχρι τώρα είναι ουσίες μιας εντελώς ομοιογενούς σύνθεσης: δηλαδή, καθαρές αλληλουχίες συνδυασμένων αμινοξέων. αυτές οι πρωτεΐνες ονομάζονται απλές . υπάρχουν πρωτεΐνες που αποτελούνται από τμήμα πρωτεΐνης και μη πρωτεϊνικό τμήμα (ομάδα προστάτη) που ονομάζεται συζευγμένες πρωτεΐνες.
Το κολλαγόνο
Είναι η πιο άφθονη πρωτεΐνη στη φύση: υπάρχει στα οστά, στα νύχια, στον κερατοειδή και στον φακό του ματιού, ανάμεσα στους ενδιάμεσους χώρους ορισμένων οργάνων (π.χ. συκώτι) κ.λπ.
Η δομή του δίνει ιδιαίτερες μηχανικές δυνατότητες. έχει μεγάλη μηχανική αντίσταση που συνδέεται με υψηλή ελαστικότητα (π.χ. στους τένοντες) ή υψηλή ακαμψία (π.χ. στα οστά) ανάλογα με τη λειτουργία που πρέπει να εκτελέσει.
Μία από τις πιο περίεργες ιδιότητες του κολλαγόνου είναι η συστατική απλότητα του: σχηματίζεται για περίπου 30% με προλίνη και για περίπου 30% με γλυκίνη . τα άλλα 18 αμινοξέα πρέπει να υποδιαιρεθούν μόνο το υπόλοιπο 40% της πρωτεϊνικής δομής. Η αλληλουχία αμινοξέων του κολλαγόνου είναι αξιοσημείωτα τακτική: κάθε τρίτο κατάλοιπο, το τρίτο είναι η γλυκίνη.
Η προλίνη είναι ένα κυκλικό αμινοξύ στο οποίο η ομάδα R δεσμεύεται με α-αμινο άζωτο και αυτό δίνει μια ορισμένη ακαμψία.
Η τελική δομή είναι μια επαναλαμβανόμενη αλυσίδα που έχει το σχήμα μίας έλικας. μέσα στην αλυσίδα κολλαγόνου, απουσιάζουν δεσμοί υδρογόνου. Το κολλαγόνο είναι μια αριστερή έλικα με ένα βήμα (το μήκος που αντιστοιχεί σε μια περιστροφή της έλικας) μεγαλύτερο από την α-έλικα. η έλικα του κολλαγόνου είναι τόσο χαλαρή ώστε τρεις πρωτεϊνικές αλυσίδες είναι σε θέση να περιτυλίξουν μεταξύ τους σχηματίζοντας ένα μόνο σχοινί: δομή τριπλής έλικας.
Η τριπλή έλικα του κολλαγόνου είναι, ωστόσο, λιγότερο σταθερή από ότι τόσο η δομή α-έλικας όσο και η δομή β-φύλλου.
Ας δούμε τώρα τον μηχανισμό με τον οποίο παράγεται το κολλαγόνο . εξετάστε, για παράδειγμα, τη ρήξη ενός αιμοφόρου αγγείου: αυτή η ρήξη συνοδεύεται από μια μυριάδα σημάτων προκειμένου να κλείσει το αγγείο, σχηματίζοντας έτσι τον θρόμβο. Η πήξη απαιτεί τουλάχιστον τριάντα εξειδικευμένα ένζυμα. Μετά το θρόμβο είναι απαραίτητο να συνεχιστεί η επισκευή του ιστού. τα κύτταρα κοντά στο τραύμα παράγουν επίσης κολλαγόνο. Για να γίνει αυτό, πρώτα η έκφραση ενός γονιδίου προκαλείται, δηλαδή, οι οργανισμοί που ξεκινούν από την πληροφορία ενός γονιδίου είναι ικανοί να παράγουν την πρωτεΐνη (η γενετική πληροφορία μεταγράφεται στο mRNA που προέρχεται από πυρήνα και φτάνει τα ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα όπου η γενετική πληροφορία μεταφράζεται σε πρωτεΐνη). Στη συνέχεια, το κολλαγόνο συντίθεται στα ριβοσώματα (εμφανίζεται ως αριστερή έλικα που αποτελείται από περίπου 1200 αμινοξέα και έχει μοριακό βάρος περίπου 150000 d) και στη συνέχεια συσσωρεύεται στους αυλούς όπου γίνεται υπόστρωμα για ένζυμα ικανά να πραγματοποιήσουν μετα-τροποποιήσεις - παραδοσιακές (μεταφράσεις γλωσσών μεταφρασμένες με mRNA). στο κολλαγόνο, αυτές οι τροποποιήσεις συνίστανται στην οξείδωση ορισμένων πλευρικών αλυσίδων, ιδιαίτερα προλίνης και λυσίνης.
Η αποτυχία των ενζύμων που οδηγούν σε αυτές τις τροποποιήσεις προκαλεί σκορβούτο: είναι μια ασθένεια που προκαλεί, αρχικά τη ρήξη των αιμοφόρων αγγείων, τη ρήξη των δοντιών, η οποία μπορεί να ακολουθηθεί από αιματηρή αιμορραγία και θάνατο. μπορεί να προκληθεί από τη συνεχή χρήση τροφής μακράς διαρκείας.
Στη συνέχεια, με τη δράση άλλων ενζύμων, εμφανίζονται άλλες τροποποιήσεις οι οποίες συνίστανται στη γλυκοζυλίωση των υδροξυλομάδων της προλίνης και της λυσίνης (ένα σάκχαρο δεσμεύεται σε οξυγόνο από ΟΗ). αυτά τα ένζυμα βρίσκονται σε περιοχές διαφορετικές από τον αυλό επομένως, ενώ η πρωτεΐνη υφίσταται τροποποιήσεις, μεταναστεύει μέσα στο ενδοπλασματικό δίκτυο για να καταλήξει σε σάκους (κυστίδια) που κλείνουν πάνω τους και αποσυνδέονται από το πλέγμα: το γλυκοσιδωμένο προ-κολλαγόνο μονομερές, η τελευταία φθάνει στη συσκευή Golgi όπου συγκεκριμένα ένζυμα αναγνωρίζουν την υπάρχουσα κυστεΐνη στο καρβοξυλικό τμήμα του γλυκοσιδωμένου προ-κολλαγόνου και προκαλούν την προσέγγιση των διαφορετικών αλυσίδων μεταξύ τους και σχηματίζουν δισουλφιδικές γέφυρες: τρεις αλυσίδες προ γλυκοζυλιωμένο κολλαγόνο συνδεδεμένο μεταξύ τους και αυτό είναι το σημείο εκκίνησης του οποίου οι τρεις αλυσίδες, αλληλοδιπλωμένες, τότε, αυθόρμητα, δημιουργούν την τριπλή έλικα. Οι τρεις γλυκιδωμένες αλυσίδες προ-κολλαγόνου που συνδέονται μεταξύ τους φθάνουν και στη συνέχεια ένα κυστίδιο το οποίο, πνιγμένο από τον εαυτό του, αποσπάται από τη συσκευή Golgi, μεταφέροντας τις τρεις αλυσίδες προς την περιφέρεια του κυττάρου όπου, μέσω της σύντηξης με τη μεμβράνη πλάσματος, Το τρίμετρο αποβάλλεται από το κελί.
Στον επιπλέον κυτταρικό χώρο, υπάρχουν συγκεκριμένα ένζυμα, οι πεπτιδάσες προ-κολλαγόνου, οι οποίες απομακρύνουν από το είδος που εκδιώχθηκε από το κύτταρο, τρία θραύσματα (ένα για κάθε έλικα) 300 αμινοξέων το καθένα, στην καρβοξυ τερματική πλευρά και τρία θραύσματα έλικα) περίπου 100 αμινοξέων το καθένα, από το αμινοτερματικό τμήμα: παραμένει μια τριπλή έλικα αποτελούμενη από περίπου 800 αμινοξέα για την έλικα που είναι γνωστή ως τροποκολλαγόνο .
Το τροποκολλαγόνο έχει την εμφάνιση ενός αρκετά άκαμπτου ραβδιού. τα διαφορετικά τριμερή συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς για να δώσουν μεγαλύτερες δομές: τα μικροϊνίδια . Στα μικροϊνίδια, τα διάφορα τριμερή είναι διατεταγμένα με κλιμακωτό τρόπο. τόσα πολλά μικροϊνίδια είναι δέσμες τροποκολλαγόνου.
Στα οστά, μεταξύ των ινών κολλαγόνου, υπάρχουν διάμεσος χώροι στους οποίους εναποτίθενται θειικά και φωσφορικά ασβέστιο και μαγνήσιο: αυτά τα άλατα καλύπτουν επίσης όλες τις ίνες. αυτό κάνει τα οστά άκαμπτα.
Στους τένοντες, οι ενδιάμεσοι χώροι είναι λιγότερο πλούσιοι σε κρύσταλλα από τα οστά, ενώ υπάρχουν μικρότερες πρωτεΐνες σε σύγκριση με το τροποκολλαγόνο: αυτό δίνει ελαστικότητα στους τένοντες.
Η οστεοπόρωση είναι μια ασθένεια που προκαλείται από μια ανεπάρκεια ασβεστίου και μαγνησίου που καθιστά αδύνατη τη ρύθμιση των αλάτων στις διάμεσες περιοχές των ινών τροποκολλαγόνου.
