Οι πρωτεΐνες είναι βιολογικά πολυμερή με πολύπλοκη δομή. Έχουν υψηλό μοριακό βάρος και αποτελούνται από αμινοξέα, προσθετικές ομάδες που αντιπροσωπεύονται από βιταμίνες, εγκλείσματα λιπιδίων και υδατανθράκων. Οι πρωτεΐνες που περιέχουν υδατάνθρακες, βιταμίνες, μέταλλα ή λιπίδια ονομάζονται σύνθετες. Οι απλές πρωτεΐνες αποτελούνται μόνο από αμινοξέα που συνδέονται με πεπτιδικούς δεσμούς.
Πεπτίδια
Ανεξάρτητα από τη δομή μιας ουσίας, τα μονομερή των πρωτεϊνών είναι αμινοξέα. Σχηματίζουν τη βασική πολυπεπτιδική αλυσίδα, από την οποία στη συνέχεια σχηματίζεται η ινώδης ή σφαιρική δομή της πρωτεΐνης. Ταυτόχρονα, η πρωτεΐνη μπορεί να συντεθεί μόνο σε ζωντανό ιστό - σε φυτικά, βακτηριακά, μυκητιακά, ζωικά και άλλα κύτταρα.
Οι μόνοι οργανισμοί που δεν μπορούν να συνδυάσουν μονομερή πρωτεΐνης είναι οι ιοί και τα πρωτόζωα. Όλα τα άλλα είναι ικανά να σχηματίσουν δομικές πρωτεΐνες. Ποιες όμως ουσίες είναι τα μονομερή πρωτεϊνών και πώς σχηματίζονται; Διαβάστε για αυτό και για τη βιοσύνθεση πρωτεϊνών, για τα πολυπεπτίδια και το σχηματισμό μιας σύνθετης δομής πρωτεΐνης, για τα αμινοξέα και τις ιδιότητές τους.παρακάτω.
Το μόνο μονομερές ενός μορίου πρωτεΐνης είναι οποιοδήποτε άλφα-αμινοξύ. Μια πρωτεΐνη είναι ένα πολυπεπτίδιο, μια αλυσίδα συνδεδεμένων αμινοξέων. Ανάλογα με τον αριθμό των αμινοξέων που εμπλέκονται στο σχηματισμό του, απομονώνονται διπεπτίδια (2 υπολείμματα), τριπεπτίδια (3), ολιγοπεπτίδια (περιέχει από 2-10 αμινοξέα) και πολυπεπτίδια (πολλά αμινοξέα).
Ανασκόπηση πρωτεϊνικής δομής
Η δομή της πρωτεΐνης μπορεί να είναι πρωτογενής, ελαφρώς πιο σύνθετη - δευτερογενής, ακόμη πιο περίπλοκη - τριτογενής και η πιο σύνθετη - τεταρτοταγής.
Η πρωτογενής δομή είναι μια απλή αλυσίδα στην οποία συνδέονται μονομερή πρωτεΐνης (αμινοξέα) μέσω ενός πεπτιδικού δεσμού (CO-NH). Η δευτερεύουσα δομή είναι οι πτυχές άλφα έλικας ή βήτα. Το τριτογενές είναι μια ακόμη πιο περίπλοκη τρισδιάστατη πρωτεϊνική δομή, η οποία σχηματίστηκε από τη δευτερογενή λόγω του σχηματισμού ομοιοπολικών, ιοντικών και υδρογόνου δεσμών, καθώς και υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων.
Η τεταρτοταγής δομή είναι η πιο περίπλοκη και είναι χαρακτηριστική των πρωτεϊνών υποδοχέων που βρίσκονται στις κυτταρικές μεμβράνες. Αυτή είναι μια υπερμοριακή δομή (τομέα) που σχηματίζεται ως αποτέλεσμα του συνδυασμού πολλών μορίων με τριτοταγή δομή, συμπληρωμένη με ομάδες υδατανθράκων, λιπιδίων ή βιταμινών. Σε αυτή την περίπτωση, όπως και στην περίπτωση των πρωτοταγών, δευτερογενών και τριτοταγών δομών, τα μονομερή των πρωτεϊνών είναι άλφα-αμινοξέα. Συνδέονται επίσης με πεπτιδικούς δεσμούς. Η μόνη διαφορά είναι η πολυπλοκότητα της δομής.
Αμινοξέα
Τα μόνα μονομερήτα μόρια πρωτεΐνης είναι άλφα αμινοξέα. Υπάρχουν μόνο 20 από αυτά, και είναι σχεδόν η βάση της ζωής. Χάρη στην εμφάνιση του πεπτιδικού δεσμού έγινε δυνατή η πρωτεϊνοσύνθεση. Και η ίδια η πρωτεΐνη μετά από αυτό άρχισε να εκτελεί λειτουργίες σχηματισμού δομής, υποδοχέα, ενζυματικές, μεταφορικές, μεσολαβητικές και άλλες λειτουργίες. Χάρη σε αυτό, ένας ζωντανός οργανισμός λειτουργεί και είναι σε θέση να αναπαραχθεί.
Το ίδιο το άλφα αμινοξύ είναι ένα οργανικό καρβοξυλικό οξύ με μια αμινομάδα συνδεδεμένη με το άτομο άνθρακα άλφα. Το τελευταίο βρίσκεται δίπλα στην καρβοξυλική ομάδα. Σε αυτήν την περίπτωση, τα μονομερή πρωτεΐνης θεωρούνται ως οργανικές ουσίες στις οποίες το τελικό άτομο άνθρακα φέρει αμίνη και καρβοξυλική ομάδα.
Σύνδεση αμινοξέων σε πεπτίδια και πρωτεΐνες
Τα αμινοξέα συνδέονται σε διμερή, τριμερή και πολυμερή μέσω ενός πεπτιδικού δεσμού. Σχηματίζεται με διάσπαση μιας ομάδας υδροξυλίου (-ΟΗ) από την καρβοξυλική θέση ενός άλφα-αμινοξέος και του υδρογόνου (-Η) από την αμινομάδα ενός άλλου α-αμινοξέος. Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης, το νερό διασπάται και μια θέση C=O με ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο κοντά στον άνθρακα του καρβοξυλικού υπολείμματος παραμένει στο καρβοξυλικό άκρο. Στην αμινομάδα ενός άλλου οξέος, υπάρχει ένα υπόλειμμα (ΝΗ) με μια υπάρχουσα ελεύθερη ρίζα στο άτομο αζώτου. Αυτό επιτρέπει δύο ρίζες να συνδεθούν για να σχηματίσουν έναν δεσμό (CONH). Ονομάζεται πεπτίδιο.
Παραλλαγές άλφα αμινοξέων
Υπάρχουν 23 γνωστά άλφα-αμινοξέα. Αυτοί είναιαναφέρονται ως: γλυκίνη, βαλίνη, αλανίνη, ισολεκίνη, λευκίνη, γλουταμινικό, ασπαρτικό, ορνιθίνη, θρεονίνη, σερίνη, λυσίνη, κυστίνη, κυστεΐνη, φαινυλαλανίνη, μεθειονίνη, τυροσίνη, προλίνη, τρυπτοφάνη, υδροξυπρολίνη, ιστιεγλουίνη, αργινίνη, αργινίνη και γλουτίνη. Ανάλογα με το αν μπορούν να συντεθούν από το ανθρώπινο σώμα, αυτά τα αμινοξέα χωρίζονται σε μη απαραίτητα και μη απαραίτητα.
Η έννοια των μη βασικών και απαραίτητων αμινοξέων
Τα αντικαταστάσιμα μπορούν να συντεθούν από τον ανθρώπινο οργανισμό, ενώ τα απαραίτητα πρέπει να προέρχονται μόνο από τα τρόφιμα. Ταυτόχρονα, τόσο τα απαραίτητα όσο και τα μη απαραίτητα οξέα είναι σημαντικά για τη βιοσύνθεση των πρωτεϊνών, γιατί χωρίς αυτά η σύνθεση δεν μπορεί να ολοκληρωθεί. Χωρίς ένα αμινοξύ, ακόμα κι αν υπάρχουν όλα τα άλλα, είναι αδύνατο να δημιουργηθεί ακριβώς η πρωτεΐνη που χρειάζεται το κύτταρο για να εκτελέσει τις λειτουργίες του.
Ένα λάθος σε οποιοδήποτε από τα στάδια της βιοσύνθεσης - και η πρωτεΐνη δεν είναι πλέον κατάλληλη, επειδή δεν θα μπορεί να συναρμολογηθεί στην επιθυμητή δομή λόγω παραβίασης των ηλεκτρονικών πυκνοτήτων και των διατομικών αλληλεπιδράσεων. Επομένως, είναι σημαντικό για ένα άτομο (και άλλους οργανισμούς) να καταναλώνει πρωτεϊνούχα τρόφιμα που περιέχουν απαραίτητα αμινοξέα. Η απουσία τους στα τρόφιμα οδηγεί σε μια σειρά από διαταραχές του μεταβολισμού των πρωτεϊνών.
Η διαδικασία σχηματισμού πεπτιδικού δεσμού
Τα μόνα μονομερή των πρωτεϊνών είναι τα άλφα-αμινοξέα. Σταδιακά συνδυάζονται σε μια πολυπεπτιδική αλυσίδα, η δομή της οποίας είναι προ-αποθηκευμένη στον γενετικό κώδικα του DNA (ή RNA, εάν ληφθεί υπόψη η βακτηριακή βιοσύνθεση). Μια πρωτεΐνη είναι μια αυστηρή αλληλουχία υπολειμμάτων αμινοξέων. Αυτή είναι μια αλυσίδα παραγγελθεί σε ένα συγκεκριμένομια δομή που εκτελεί μια προ-προγραμματισμένη λειτουργία σε ένα κελί.
Ακολουθία βημάτων βιοσύνθεσης πρωτεϊνών
Η διαδικασία σχηματισμού πρωτεΐνης αποτελείται από μια αλυσίδα βημάτων: αντιγραφή ενός τμήματος DNA (ή RNA), σύνθεση πληροφοριακού τύπου RNA, απελευθέρωσή του στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου από τον πυρήνα, σύνδεση με το ριβόσωμα και η σταδιακή σύνδεση υπολειμμάτων αμινοξέων που παρέχονται από το RNA μεταφοράς. Μια ουσία που είναι μονομερές πρωτεΐνης συμμετέχει στην ενζυματική αντίδραση της απομάκρυνσης μιας ομάδας υδροξυλίου και ενός πρωτονίου υδρογόνου και στη συνέχεια ενώνεται με την αναπτυσσόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα.
Έτσι, λαμβάνεται μια πολυπεπτιδική αλυσίδα, η οποία, ήδη στο κυτταρικό ενδοπλασματικό δίκτυο, ταξινομείται σε κάποια προκαθορισμένη δομή και συμπληρώνεται με ένα υπόλειμμα υδατάνθρακα ή λιπιδίου, εάν απαιτείται. Αυτή ονομάζεται η διαδικασία «ωρίμανσης» της πρωτεΐνης, μετά την οποία αποστέλλεται από το κυτταρικό σύστημα μεταφοράς στον προορισμό της.
Λειτουργίες συντιθέμενων πρωτεϊνών
Τα μονομερή πρωτεϊνών είναι τα αμινοξέα που είναι απαραίτητα για την κατασκευή της πρωτογενούς δομής τους. Η δευτερογενής, τριτοταγής και τεταρτοταγής δομή έχει ήδη σχηματιστεί από μόνη της, αν και μερικές φορές απαιτεί επίσης τη συμμετοχή ενζύμων και άλλων ουσιών. Ωστόσο, δεν είναι πλέον απαραίτητες, αν και είναι απαραίτητες για τις πρωτεΐνες να επιτελούν τη λειτουργία τους.
Το αμινοξύ, το οποίο είναι ένα μονομερές πρωτεΐνης, μπορεί να έχει θέσεις προσκόλλησης για υδατάνθρακες, μέταλλα ή βιταμίνες. Ο σχηματισμός μιας τριτογενούς ή τεταρτοταγούς δομής καθιστά δυνατή την εύρεση ακόμη περισσότερων θέσεων για τις ομάδες εισαγωγής. Αυτό σας επιτρέπει να δημιουργήσετε απόπρωτεϊνικό παράγωγο που παίζει το ρόλο ενός ενζύμου, υποδοχέα, φορέα ουσιών μέσα ή έξω από ένα κύτταρο, ανοσοσφαιρίνη, δομικό συστατικό μιας μεμβράνης ή κυτταρικού οργανιδίου, μυϊκή πρωτεΐνη.
Οι πρωτεΐνες, που σχηματίζονται από αμινοξέα, είναι η μόνη βάση της ζωής. Και σήμερα πιστεύεται ότι η ζωή μόλις προέκυψε μετά την εμφάνιση του αμινοξέος και ως αποτέλεσμα του πολυμερισμού του. Εξάλλου, η διαμοριακή αλληλεπίδραση των πρωτεϊνών είναι η αρχή της ζωής, συμπεριλαμβανομένης της ευφυούς ζωής. Όλες οι άλλες βιοχημικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένων των ενεργειακών, είναι απαραίτητες για την υλοποίηση της βιοσύνθεσης πρωτεϊνών και ως εκ τούτου, την περαιτέρω συνέχιση της ζωής.
