Ένας από τους ορισμούς της ζωής είναι ο εξής: «Η ζωή είναι ένας τρόπος ύπαρξης πρωτεϊνικών σωμάτων». Στον πλανήτη μας, χωρίς εξαίρεση, όλοι οι οργανισμοί περιέχουν οργανικές ουσίες όπως πρωτεΐνες. Αυτό το άρθρο θα περιγράψει απλές και πολύπλοκες πρωτεΐνες, θα εντοπίσει διαφορές στη μοριακή δομή και θα εξετάσει επίσης τις λειτουργίες τους στο κύτταρο.
Τι είναι οι πρωτεΐνες
Από βιοχημείας, πρόκειται για υψηλά μοριακά οργανικά πολυμερή, τα μονομερή των οποίων είναι 20 είδη διαφορετικών αμινοξέων. Διασυνδέονται με ομοιοπολικούς χημικούς δεσμούς, που αλλιώς ονομάζονται πεπτιδικοί δεσμοί. Δεδομένου ότι τα μονομερή πρωτεϊνών είναι αμφοτερικές ενώσεις, περιέχουν και μια αμινομάδα και μια λειτουργική ομάδα καρβοξυλίου. Ένας χημικός δεσμός CO-NH εμφανίζεται μεταξύ τους.
Αν ένα πολυπεπτίδιο αποτελείται από υπολείμματα αμινοξέων, σχηματίζει μια απλή πρωτεΐνη. Τα μόρια πολυμερών που περιέχουν επιπλέον μεταλλικά ιόντα, βιταμίνες, νουκλεοτίδια, υδατάνθρακες είναι σύνθετες πρωτεΐνες. Στη συνέχεια εμείςεξετάστε τη χωρική δομή των πολυπεπτιδίων.
Επίπεδα οργάνωσης των μορίων πρωτεΐνης
Έρχονται σε τέσσερις διαφορετικές διαμορφώσεις. Η πρώτη δομή είναι γραμμική, είναι η απλούστερη και έχει τη μορφή πολυπεπτιδικής αλυσίδας· κατά τη σπειροειδοποίηση της, σχηματίζονται πρόσθετοι δεσμοί υδρογόνου. Σταθεροποιούν την έλικα, η οποία ονομάζεται δευτερεύουσα δομή. Το τριτογενές επίπεδο οργάνωσης έχει απλές και σύνθετες πρωτεΐνες, τα περισσότερα φυτικά και ζωικά κύτταρα. Η τελευταία διαμόρφωση, η τεταρτοταγής, προκύπτει από την αλληλεπίδραση πολλών μορίων της φυσικής δομής, ενωμένα με συνένζυμα, αυτή είναι η δομή σύνθετων πρωτεϊνών που εκτελούν διάφορες λειτουργίες στο σώμα.
Ποικιλότητα απλών πρωτεϊνών
Αυτή η ομάδα πολυπεπτιδίων δεν είναι πολυάριθμη. Τα μόριά τους αποτελούνται μόνο από υπολείμματα αμινοξέων. Οι πρωτεΐνες περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, ιστόνες και γλοβουλίνες. Τα πρώτα παρουσιάζονται στη δομή του πυρήνα και συνδυάζονται με μόρια DNA. Η δεύτερη ομάδα - οι γλοβουλίνες - θεωρούνται τα κύρια συστατικά του πλάσματος του αίματος. Μια πρωτεΐνη όπως η γ-σφαιρίνη εκτελεί τις λειτουργίες της ανοσολογικής προστασίας και είναι ένα αντίσωμα. Αυτές οι ενώσεις μπορούν να σχηματίσουν σύμπλοκα που περιλαμβάνουν σύνθετους υδατάνθρακες και πρωτεΐνες. Οι ινώδεις απλές πρωτεΐνες όπως το κολλαγόνο και η ελαστίνη αποτελούν μέρος του συνδετικού ιστού, του χόνδρου, των τενόντων και του δέρματος. Οι κύριες λειτουργίες τους είναι η κατασκευή και η υποστήριξη.
Η πρωτεϊνική τουμπουλίνη είναι μέρος των μικροσωληνίσκων, οι οποίοι είναι συστατικά των βλεφαρίδων και των μαστιγίων τέτοιων μονοκύτταρων οργανισμών όπως τα βλεφαροειδή, τα ευγλένα, τα παρασιτικά μαστιγωτά. Η ίδια πρωτεΐνη βρίσκεται σε πολυκύτταρους οργανισμούς (μαστίγια σπερματοζωαρίων, βλεφαρίδες αυγών, βλεφαροφόρο επιθήλιο του λεπτού εντέρου).
Η πρωτεΐνη αλβουμίνης εκτελεί μια λειτουργία αποθήκευσης (για παράδειγμα, ασπράδι αυγού). Στο ενδοσπέρμιο των σπόρων των φυτών δημητριακών - σίκαλη, ρύζι, σιτάρι - συσσωρεύονται μόρια πρωτεΐνης. Ονομάζονται κυτταρικά εγκλείσματα. Αυτές οι ουσίες χρησιμοποιούνται από το φύτρο του σπόρου στην αρχή της ανάπτυξής του. Επιπλέον, η υψηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες στους κόκκους σιταριού είναι ένας πολύ σημαντικός δείκτης της ποιότητας του αλευριού. Το ψωμί που ψήνεται από αλεύρι πλούσιο σε γλουτένη έχει υψηλή γεύση και είναι πιο υγιεινό. Η γλουτένη περιέχεται στις λεγόμενες ποικιλίες σκληρού σίτου. Το πλάσμα του αίματος των ψαριών βαθέων υδάτων περιέχει πρωτεΐνες που τα εμποδίζουν να πεθάνουν από το κρύο. Έχουν αντιψυκτικές ιδιότητες, αποτρέποντας το θάνατο του σώματος σε χαμηλές θερμοκρασίες νερού. Από την άλλη πλευρά, το κυτταρικό τοίχωμα των θερμόφιλων βακτηρίων που ζουν σε γεωθερμικές πηγές περιέχει πρωτεΐνες που μπορούν να διατηρήσουν τη φυσική τους διαμόρφωση (τριτογενή ή τεταρτοταγή δομή) και να μην μετουσιωθούν στο εύρος θερμοκρασίας από +50 έως + 90 °C.
Proteids
Πρόκειται για σύνθετες πρωτεΐνες, οι οποίες χαρακτηρίζονται από μεγάλη ποικιλομορφία λόγω των διαφορετικών λειτουργιών που επιτελούν. Όπως σημειώθηκε προηγουμένως, αυτή η ομάδα πολυπεπτιδίων, εκτός από το πρωτεϊνικό μέρος, περιέχει μια προσθετική ομάδα. Υπό την επίδραση διαφόρων παραγόντων, όπως η υψηλή θερμοκρασία, τα άλατα των βαρέων μετάλλων, τα συμπυκνωμένα αλκάλια και τα οξέα, οι σύνθετες πρωτεΐνες μπορούν να αλλάξουνχωρική μορφή, απλοποιώντας την. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται μετουσίωση. Η δομή των σύνθετων πρωτεϊνών σπάει, οι δεσμοί υδρογόνου σπάνε και τα μόρια χάνουν τις ιδιότητες και τις λειτουργίες τους. Κατά κανόνα, η μετουσίωση είναι μη αναστρέψιμη. Αλλά για ορισμένα πολυπεπτίδια που εκτελούν καταλυτικές, κινητικές και σηματοδοτικές λειτουργίες, είναι δυνατή η μετουσίωση - αποκατάσταση της φυσικής δομής της πρωτεΐνης.
Εάν η δράση του αποσταθεροποιητικού παράγοντα συμβεί για μεγάλο χρονικό διάστημα, το μόριο της πρωτεΐνης καταστρέφεται εντελώς. Αυτό οδηγεί σε διάσπαση των πεπτιδικών δεσμών της πρωτογενούς δομής. Δεν είναι πλέον δυνατή η αποκατάσταση της πρωτεΐνης και των λειτουργιών της. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται καταστροφή. Ένα παράδειγμα είναι το βράσιμο των αυγών κοτόπουλου: η υγρή πρωτεΐνη - η αλβουμίνη, η οποία βρίσκεται στην τριτογενή δομή, καταστρέφεται εντελώς.
Βιοσύνθεση πρωτεϊνών
Υπενθυμίζουμε για άλλη μια φορά ότι η σύνθεση των πολυπεπτιδίων των ζωντανών οργανισμών περιλαμβάνει 20 αμινοξέα, μεταξύ των οποίων υπάρχουν και απαραίτητα. Αυτές είναι η λυσίνη, η μεθειονίνη, η φαινυλαλανίνη κλπ. Εισέρχονται στην κυκλοφορία του αίματος από το λεπτό έντερο μετά τη διάσπαση των πρωτεϊνικών προϊόντων σε αυτό. Για τη σύνθεση μη βασικών αμινοξέων (αλανίνη, προλίνη, σερίνη), οι μύκητες και τα ζώα χρησιμοποιούν ενώσεις που περιέχουν άζωτο. Τα φυτά, όντας αυτότροφα, σχηματίζουν ανεξάρτητα όλα τα απαραίτητα σύνθετα μονομερή, που αντιπροσωπεύουν σύνθετες πρωτεΐνες. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιούν νιτρικά άλατα, αμμωνία ή ελεύθερο άζωτο στις αντιδράσεις αφομοίωσής τους. Στους μικροοργανισμούς, ορισμένα είδη παρέχουν στον εαυτό τους ένα πλήρες σύνολο αμινοξέων, ενώ σε άλλα συντίθενται μόνο μερικά μονομερή. ΣτάδιαΗ βιοσύνθεση πρωτεϊνών συμβαίνει στα κύτταρα όλων των ζωντανών οργανισμών. Η μεταγραφή λαμβάνει χώρα στον πυρήνα και η μετάφραση στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου.
Το πρώτο στάδιο - η σύνθεση του προδρόμου mRNA λαμβάνει χώρα με τη συμμετοχή του ενζύμου RNA πολυμεράση. Σπάει τους δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των κλώνων του DNA και σε έναν από αυτούς, σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας, συναρμολογεί ένα μόριο προ-mRNA. Υποβάλλεται σε τεμαχισμό, δηλαδή ωριμάζει, και στη συνέχεια εξέρχεται από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασμα, σχηματίζοντας μια μήτρα ριβονουκλεϊκού οξέος.
Για την υλοποίηση του δεύτερου σταδίου είναι απαραίτητο να υπάρχουν ειδικά οργανίδια - ριβοσώματα, καθώς και μόρια πληροφοριακών και μεταφορικών ριβονουκλεϊκών οξέων. Μια άλλη σημαντική προϋπόθεση είναι η παρουσία μορίων ATP, καθώς οι αντιδράσεις πλαστικής ανταλλαγής, οι οποίες περιλαμβάνουν βιοσύνθεση πρωτεϊνών, συμβαίνουν με την απορρόφηση ενέργειας.
Ένζυμα, η δομή και οι λειτουργίες τους
Πρόκειται για μια μεγάλη ομάδα πρωτεϊνών (περίπου 2000) που δρουν ως ουσίες που επηρεάζουν τον ρυθμό των βιοχημικών αντιδράσεων στα κύτταρα. Μπορεί να είναι απλά (τρεψίνη, πεψίνη) ή πολύπλοκα. Οι σύνθετες πρωτεΐνες αποτελούνται από ένα συνένζυμο και ένα αποένζυμο. Η εξειδίκευση της ίδιας της πρωτεΐνης σε σχέση με τις ενώσεις στις οποίες δρα καθορίζει το συνένζυμο και η δραστηριότητα των πρωτεϊνών παρατηρείται μόνο όταν το συστατικό πρωτεΐνης συνδέεται με το αποένζυμο. Η καταλυτική δράση ενός ενζύμου δεν εξαρτάται από ολόκληρο το μόριο, αλλά μόνο από τη δραστική θέση. Η δομή του αντιστοιχεί στη χημική δομή της καταλυόμενης ουσίας σύμφωνα με την αρχή«κλειδί-κλείδωμα», οπότε η δράση των ενζύμων είναι αυστηρά συγκεκριμένη. Οι λειτουργίες των σύνθετων πρωτεϊνών είναι τόσο η συμμετοχή στις μεταβολικές διεργασίες όσο και η χρήση τους ως δέκτες.
Τάξεις σύνθετων πρωτεϊνών
Αναπτύχθηκαν από βιοχημικούς με βάση 3 κριτήρια: φυσικές και χημικές ιδιότητες, λειτουργικά χαρακτηριστικά και συγκεκριμένα δομικά χαρακτηριστικά των πρωτεϊνών. Η πρώτη ομάδα περιλαμβάνει πολυπεπτίδια που διαφέρουν στις ηλεκτροχημικές ιδιότητες. Διακρίνονται σε βασικά, ουδέτερα και όξινα. Σε σχέση με το νερό, οι πρωτεΐνες μπορεί να είναι υδρόφιλες, αμφίφιλες και υδρόφοβες. Η δεύτερη ομάδα περιλαμβάνει ένζυμα, τα οποία εξετάστηκαν από εμάς νωρίτερα. Η τρίτη ομάδα περιλαμβάνει πολυπεπτίδια που διαφέρουν ως προς τη χημική σύνθεση των προσθετικών ομάδων (αυτές είναι οι χρωμοπρωτεΐνες, οι νουκλεοπρωτεΐνες, οι μεταλλοπρωτεΐνες).
Ας εξετάσουμε τις ιδιότητες των σύνθετων πρωτεϊνών με περισσότερες λεπτομέρειες. Για παράδειγμα, μια όξινη πρωτεΐνη που αποτελεί μέρος των ριβοσωμάτων περιέχει 120 αμινοξέα και είναι καθολική. Βρίσκεται σε οργανίδια που συνθέτουν πρωτεΐνες τόσο των προκαρυωτικών όσο και των ευκαρυωτικών κυττάρων. Ένας άλλος εκπρόσωπος αυτής της ομάδας, η πρωτεΐνη S-100, αποτελείται από δύο αλυσίδες που συνδέονται με ένα ιόν ασβεστίου. Είναι μέρος των νευρώνων και της νευρογλοίας - του υποστηρικτικού ιστού του νευρικού συστήματος. Μια κοινή ιδιότητα όλων των όξινων πρωτεϊνών είναι η υψηλή περιεκτικότητα σε διβασικά καρβοξυλικά οξέα: γλουταμικό και ασπαρτικό. Οι αλκαλικές πρωτεΐνες περιλαμβάνουν ιστόνες - πρωτεΐνες που αποτελούν μέρος των νουκλεϊκών οξέων του DNA και του RNA. Χαρακτηριστικό της χημικής τους σύστασης είναι η μεγάλη ποσότητα λυσίνης και αργινίνης. Οι ιστόνες, μαζί με τη χρωματίνη του πυρήνα, σχηματίζουν χρωμοσώματα - τις πιο σημαντικές δομές της κληρονομικότητας των κυττάρων. Αυτές οι πρωτεΐνες εμπλέκονται στις διαδικασίες μεταγραφής και μετάφρασης. Οι αμφίφιλες πρωτεΐνες είναι ευρέως παρούσες στις κυτταρικές μεμβράνες, σχηματίζοντας μια διπλοστιβάδα λιποπρωτεϊνών. Έτσι, έχοντας μελετήσει τις ομάδες σύνθετων πρωτεϊνών που εξετάστηκαν παραπάνω, πειστήκαμε ότι οι φυσικοχημικές τους ιδιότητες καθορίζονται από τη δομή του πρωτεϊνικού συστατικού και των προσθετικών ομάδων.
Ορισμένες σύνθετες πρωτεΐνες της κυτταρικής μεμβράνης είναι σε θέση να αναγνωρίζουν και να ανταποκρίνονται σε διάφορες χημικές ενώσεις, όπως τα αντιγόνα. Αυτή είναι μια σηματοδοτική λειτουργία των πρωτεϊνών, είναι πολύ σημαντική για τις διαδικασίες επιλεκτικής απορρόφησης ουσιών που προέρχονται από το εξωτερικό περιβάλλον και για την προστασία του.
Γλυκοπρωτεΐνες και πρωτεογλυκάνες
Είναι σύνθετες πρωτεΐνες που διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τη βιοχημική σύνθεση των προσθετικών ομάδων. Εάν οι χημικοί δεσμοί μεταξύ του πρωτεϊνικού συστατικού και του τμήματος των υδατανθράκων είναι ομοιοπολικοί-γλυκοσιδικοί, τέτοιες ουσίες ονομάζονται γλυκοπρωτεΐνες. Το αποένζυμο τους αντιπροσωπεύεται από μόρια μονο- και ολιγοσακχαριτών, παραδείγματα τέτοιων πρωτεϊνών είναι η προθρομβίνη, το ινωδογόνο (πρωτεΐνες που εμπλέκονται στην πήξη του αίματος). Οι κορτικο- και οι γοναδοτροπικές ορμόνες, οι ιντερφερόνες, τα ένζυμα της μεμβράνης είναι επίσης γλυκοπρωτεΐνες. Στα μόρια πρωτεογλυκάνης, το μέρος της πρωτεΐνης είναι μόνο 5%, το υπόλοιπο πέφτει στην προσθετική ομάδα (ετεροπολυσακχαρίτης). Και τα δύο μέρη συνδέονται με έναν γλυκοσιδικό δεσμό των ομάδων ΟΗ-θρεονίνης και αργινίνης και των ομάδων NH2-γλουταμίνης και λυσίνης. Τα μόρια πρωτεογλυκάνης παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό νερού-αλατιού του κυττάρου. Παρακάτωπαρουσιάζει έναν πίνακα σύνθετων πρωτεϊνών που μελετήθηκαν από εμάς.
| Γλυκοπρωτεΐνες | Πρωτεογλυκάνες |
| Δομικά στοιχεία προσθετικών ομάδων | |
| 1. Μονοσακχαρίτες (γλυκόζη, γαλακτόζη, μαννόζη) | 1. Υαλουρονικό Οξύ |
| 2. Ολιγοσακχαρίτες (μαλτόζη, λακτόζη, σακχαρόζη) | 2. Χονδροϊτικό οξύ. |
| 3. Ακετυλιωμένα αμινοπαράγωγα μονοσακχαριτών | 3. Ηπαρίνη |
| 4. Δεοξυσακχαρίτες | |
| 5. Νευραμικό και σιαλικό οξύ | |
Μεταλλοπρωτεΐνες
Αυτές οι ουσίες περιέχουν ιόντα ενός ή περισσότερων μετάλλων στα μόριά τους. Εξετάστε παραδείγματα σύνθετων πρωτεϊνών που ανήκουν στην παραπάνω ομάδα. Αυτά είναι κυρίως ένζυμα όπως η οξειδάση του κυτοχρώματος. Βρίσκεται στους κρυστάλλους των μιτοχονδρίων και ενεργοποιεί τη σύνθεση ATP. Η φερίνη και η τρανσφερρίνη είναι πρωτεΐνες που περιέχουν ιόντα σιδήρου. Το πρώτο τα εναποθέτει στα κύτταρα και το δεύτερο είναι μια πρωτεΐνη μεταφοράς στο αίμα. Μια άλλη μεταλλοπρωτεΐνη είναι η άλφα-αμελάση, περιέχει ιόντα ασβεστίου, είναι μέρος του σάλιου και του παγκρεατικού χυμού, συμμετέχοντας στη διάσπαση του αμύλου. Η αιμοσφαιρίνη είναι και μεταλλοπρωτεΐνη και χρωμοπρωτεΐνη. Εκτελεί τις λειτουργίες μιας πρωτεΐνης μεταφοράς, που μεταφέρει οξυγόνο. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται η ένωση οξυαιμοσφαιρίνη. Όταν εισπνέεται το μονοξείδιο του άνθρακα, που αλλιώς ονομάζεται μονοξείδιο του άνθρακα, τα μόριά του σχηματίζουν μια πολύ σταθερή ένωση με την αιμοσφαιρίνη των ερυθροκυττάρων. Εξαπλώνεται γρήγορα μέσω των οργάνων και των ιστών, προκαλώντας δηλητηρίαση.κύτταρα. Ως αποτέλεσμα, με παρατεταμένη εισπνοή μονοξειδίου του άνθρακα, επέρχεται θάνατος από ασφυξία. Η αιμοσφαιρίνη μεταφέρει επίσης εν μέρει το διοξείδιο του άνθρακα που σχηματίζεται στις διαδικασίες του καταβολισμού. Με τη ροή του αίματος, το διοξείδιο του άνθρακα εισέρχεται στους πνεύμονες και τα νεφρά, και από αυτά - στο εξωτερικό περιβάλλον. Σε ορισμένα μαλακόστρακα και μαλάκια, η αιμοκυανίνη είναι η πρωτεΐνη που μεταφέρει οξυγόνο. Αντί για σίδηρο, περιέχει ιόντα χαλκού, επομένως το αίμα των ζώων δεν είναι κόκκινο, αλλά μπλε.
Λειτουργίες χλωροφύλλης
Όπως αναφέραμε προηγουμένως, οι σύνθετες πρωτεΐνες μπορούν να σχηματίσουν σύμπλοκα με χρωστικές - έγχρωμες οργανικές ουσίες. Το χρώμα τους εξαρτάται από ομάδες χρωμομορφών που απορροφούν επιλεκτικά ορισμένα φάσματα ηλιακού φωτός. Στα φυτικά κύτταρα υπάρχουν πράσινα πλαστίδια - χλωροπλάστες που περιέχουν τη χρωστική ουσία χλωροφύλλη. Αποτελείται από άτομα μαγνησίου και την πολυϋδρική αλκοόλη φυτόλη. Συνδέονται με μόρια πρωτεΐνης και οι ίδιοι οι χλωροπλάστες περιέχουν θυλακοειδή (πλάκες), ή μεμβράνες συνδεδεμένες σε σωρούς - grana. Περιέχουν φωτοσυνθετικές χρωστικές - χλωροφύλλες - και επιπλέον καροτενοειδή. Εδώ είναι όλα τα ένζυμα που χρησιμοποιούνται στις φωτοσυνθετικές αντιδράσεις. Έτσι, οι χρωμοπρωτεΐνες, που περιλαμβάνουν τη χλωροφύλλη, επιτελούν τις πιο σημαντικές λειτουργίες στο μεταβολισμό, δηλαδή στις αντιδράσεις αφομοίωσης και αφομοίωσης.
Ιικές πρωτεΐνες
Διατηρούνται από εκπροσώπους μη κυτταρικών μορφών ζωής που αποτελούν μέρος του Βασιλείου της Βίρα. Οι ιοί δεν έχουν τη δική τους συσκευή πρωτεϊνοσύνθεσης. Τα νουκλεϊκά οξέα, DNA ή RNA, μπορούν να προκαλέσουν σύνθεσηδικά του σωματίδια από το ίδιο το κύτταρο που έχει μολυνθεί από τον ιό. Οι απλοί ιοί αποτελούνται μόνο από πρωτεϊνικά μόρια συμπαγώς συναρμολογημένα σε ελικοειδείς ή πολυεδρικές δομές, όπως ο ιός του μωσαϊκού του καπνού. Οι σύνθετοι ιοί έχουν μια πρόσθετη μεμβράνη που αποτελεί μέρος της πλασματικής μεμβράνης του κυττάρου ξενιστή. Μπορεί να περιλαμβάνει γλυκοπρωτεΐνες (ιός ηπατίτιδας Β, ιός ευλογιάς). Η κύρια λειτουργία των γλυκοπρωτεϊνών είναι η αναγνώριση συγκεκριμένων υποδοχέων στη μεμβράνη του κυττάρου ξενιστή. Πρόσθετοι ιικοί φάκελοι περιλαμβάνουν επίσης ενζυμικές πρωτεΐνες που εξασφαλίζουν αντιγραφή DNA ή μεταγραφή RNA. Με βάση τα παραπάνω, μπορεί να εξαχθεί το εξής συμπέρασμα: οι πρωτεΐνες περιβλήματος των ιικών σωματιδίων έχουν μια συγκεκριμένη δομή που εξαρτάται από τις πρωτεΐνες μεμβράνης του κυττάρου ξενιστή.
Σε αυτό το άρθρο, χαρακτηρίσαμε σύνθετες πρωτεΐνες, μελετήσαμε τη δομή και τις λειτουργίες τους στα κύτταρα διαφόρων ζωντανών οργανισμών.
