Proteini

PROTEINI 1

PROTEINI Proteini su najkompleksnija i najraznolikija klasa molekula nađenih u živim organizmima. 1838 - Danski biohemičar G.J. Mulder dao naziv proteini - od primarne važnosti. 2

Svi proteini su sastavljeni iz karbona, C nitrogena, N oksigena, O hidrogena, H Većina proteina sadrži i sumpor, S a neki imaju fosfor, P i druge elemente kao što su željezo, Fe, cink, Zn ili bakar, Cu. 3

Proteini su veliki polimeri koji hidrolizom daju monomerne jedinice - aminokiseline. Svi proteini od bakterija do čovjeka su sastavljeni iz istog seta od 20 aminokiselina koji je star preko 2 milijarde godina. 4

Molekularna težina većine proteina leži u oblasti od 12000 do 1 miliona ili više (u poređenju sa ostalim grupama spojeva čije molekularne težine su u pravilu ispod 1000). Ova izuzetna veličina daje proteinskim molekulama koloidna svojstva. Npr., one ne mogu proći kroz različito propustljive membrane kao što su ćelijske membrane. 5

Sekvenca ili redoslijed aminokiselina u molekuli proteina određuje funkciju tog proteina. Aminokiseline se razlikuju u mnogim osobinama, kao što je veličina, oblik, naboj, sposobnost građenja vodikovih veza ili hemijska reaktivnosti, ali imaju i mnogo zajedničkih osobina. Ono što ih razlikuje od karbohidrata i lipida je prisustvo nitrogena (oko 16%). 6

Proteini Najraznolikija grupa makromolekula Djeluju kao enzimi koji kataliziraju gotovo sve hemijske reakcije u biološkim sistemima To su konstruktivni dijelovi stanica i tkiva Prenose informacije između stanica (hormoni) Prenose i pohranjuju male molekule (hemoglobin prenosi kisik) Osiguravaju odbranu od infekcija Većina aminokiselina se rastvara u vodi, a praktično su netopive u organskim rastvaračima. 7

Aminokiseline spadaju u karboksilne kiseline, koje u svojoj strukturi sadrže i amino NH 2 grupu. Mogu sadržavati i više amino grupa. S obzirom da se ove dvije grupe razlikuju po kiselosti, aminokiseline spadaju u amfolite. 8

Aminokiseline sadrže i kiselu (karboksilnu grupu) i baznu grupu (amino grupu). U vodi, aminokiselina može djelovati i kao kiselina i kao baza. Molekule koje imaju ovo svojstvo nazivaju se amfoterne. 9

U rastvorima nemaju niti jednu slobodnu funkcionalnu grupu, odnosno, amino grupa je kation (-NH 3+ ), a karboksilna grupa je anion (-COO - ). Dipolarni ili dvojni jon (zwitterion), poznat i kao unutrašnja sol, jest jon koji ima pozitivan i negativan naboj na različitim mjestima iste molekule. 10

Kako ion na sebi istovremeno ima suprotne naboje električki je neutralan. Dipolarni ioni nastaju iz spojeva koji u svojim molekulama imaju i kisele i bazne skupine (amfoliti). 11

Aminokiseline u čvrstom stanju se nalaze u obliku dipolarnog jona. Dodatkom kiseline u otopinu koja sadrži dipolarne ione aminokiseline, karboksilna skupina prima proton (H + ) i aminokiselina postaje pozitivno nabijena. Dodatkom baze, amino skupina gubi proton pri čemu aminokiselina postaje negativno nabijena. 12

13

14

Specifična svojstva aminokiselinskih bočnih ogranaka određuju uloge svake aminokiseline u proteinskoj strukturi i funkciji 15

Različite R-grupe u bočnom lancu aminokiselina, čine ih različitim jedne od drugih. Sve aminokiseline mogu se svrstati, prema R-grupi, u četiri osnovne klase: Nepolarne (hidrofobne) Polarne (hidrofilne); funkcionalna grupa: hidroksilna, amino Kisele (hidrofilne) Bazne (hidrofilne) 16

Nepolarne aminokiseline, imaju nepolarnu grupu u bočnom ogranku, netopive u vodi 17

Polarne aminokiseline (imaju hidroksilnu ili amidnu grupu u bočnom lancu) Stvaraju hidrogenove veze s vodom i uglavnom su smještene na površini proteina 18

Bazične aminokiseline (imaju nabijene bazne grupe u bočnom lancu, u stanici nose pozitivan naboj) Histidin može biti nenabijen ili pozitivno nabijen kod fiziološkog ph 19

Kisele aminokiseline (u bočnom ogranku imaju karboksilnu grupu, u stanici su negativno nabijene, izrazito su hidrofilne) 20

L-FAMILIJA AMINOKISELINA Kao što su svi monosaharidi u karbohidratima isključivo D-izomeri, tako su sve aminokiseline nađene u prirodi, osim glicina, optički aktivne i pripadaju L-familiji. 21

D-Izomeri aminokiselina mogu se naći u prirodi, ali nikada se ne javljaju u proteinima. Koncept da enenatiomeri imaju različitu hemijsku reaktivnost je važan u biohemiji, jer su mnoge makromolekularne reakcije (npr. prepoznavanje hormona na površini membrane) stereospecifične. Aminokiselina L-asparagin i D-asparagin imaju potpuno drugačiji ukus zbog sterospecifičnosti naših receptora za ukus. 22

ESENCIJALNE AMINOKISELINE Organizam može sintetizirati 10 od 20 aminokiselina nađenih u prirodi. Deset aminokiselina koje se ne mogu sintetizirati u tijelu, nazivaju se esencijalne aminokiseline. Devet od deset esencijalnih aminokiselina moraju se tokom života unositi hranom. Deseta aminokiselina, arginin, sintetizira se u organizmu, ali ne u dovoljnim količinama da bi zadovoljila potrebe djece tokom perioda brzog rasta. 23

Esencijalne i neesencijalne aminokiseline kod čovjeka Arginin Metionin Alanin Glutamin Histidin Fenilalanin Asparagin Glicin Izoleucin Treonin Asparaginska kiselina Prolin Leucin Triptofan Cistein Serin Lizin Valin Glutaminska kiselina Tirozin 24

Proteini koji sadrže svih 10 esencijalnih aminokiselina su poznati kao adekvatni proteini. Životinjski proteini i mlijeko su adekvatni proteini, dok mnogi biljni proteini to nisu, jer im nedostaje jedna ili više esencijalnih aminokiselina, pa se kaže da su oni neadekvatni proteini. 25

Proteini iz zrna soje su adekvatni, ali proteini u kukuruzu imaju premalo lizina i triptofana da bi mogli podržati rast kod male djece. Riža ima nizak sadržaj lizina i treonina, a pšenica manjak lizina. Iz ovog razloga, ljudi koji su na vegetarijanskom načinu ishrane moraju jesti kombinaciju povrća da bi se snabdjeli sa svim esencijalnim aminokiselinama. 26

IZOELEKTRIČNA TAČKA Izoelektrična tačka je ph vrijednost otopine ili disperzije pri kojem je neto naboj molekule ili koloidne čestice jednak nuli. (koncentracija cviterjonskg oblika je najveća.) Izoelektrična tačka se označava simbolom pi. Kod ph koja je više bazna od izoelektrične tačke, aminokiselina ima negativan naboj i kreće se prema pozitivnoj elektrodi. 27

Kod ph koje su kiselije od izoelektrične tačke, aminokiselina nosi pozitivan naboj i kreće se prema negativnoj elektrodi. Pošto neke aminokiseline imaju R grupe koje se mogu ionizirati, svaka aminokiselina i protein imaju specifičnu izoelektričnu tačku. 28

Elektroforeza je tehnika za analizu i separaciju koloida, temeljena na putovanju koloidnih iona pod utjecajem električnog polja. Pozitivne koloidne čestice putovat će prema katodi (negativnoj elektrodi), a negativne prema anodi (pozitivnoj elektrodi). Brzina migracije ovisi o jačine polja, naboja čestice i drugim faktorima, kao što su veličina i oblik koloidne čestice. Prema ovoj tehnici, svaki protein se kreće prema pozitivnoj ili negativnoj elektrodi različitom brzinom u zavisnosti od ph i primijenjenog napona. 29

30

Pošto aminokiseline (i proteini) mogu reagovati ili kao kiseline ili kao baze, oni su efikasni puferi u vodenoj sredini. Jedna važna funkcija proteina u krvi je da djeluju kao puferi, pomažući održavanje ph krvi u vrlo uskoj normalnoj oblasti (ph 7.35-7.45). 31

Proteini Proteinska struktura se opisuje na četiri nivoa: Primarna (redoslijed aminokiselina u lancu) Sekundarna (pravilni lokalni raspored aminokiselina unutar određene regije) Tercijarna (uvijenost polipeptidnog lanca) Kvaterna (interakcija između različitih polipeptidnih lanaca) 32

Primarna struktura: redoslijed ili sekvenca aminokiselinskih ostataka Peptidna veza (amidna veza) spaja aminokiselinske ostatke međusobno u polipeptid 33

Proteini Aminokiseline su međusobno povezane peptidnim vezama, karboksilna grupa jedne aminokiseline povezana je sa aminogrupom druge aminokiseline. Polipeptidi su dugi lanci koji sadrže stotine ili hiljade aminokiselina, koji imaju dva različita kraja amino-, N-kraj i karboksi-, C -kraj. 34

Pepdina veza se zove i amidna veza Oligomeri koji nastaju ovakvim povezivanjem aminokiselina zovu se peptidi. Npr. Od dvije aminokiseline nastje dipeptid, od tri tripeptid 35

Produkt ujedinjenja bilo koja dva aminokiselinska ostatka peptidnom vezom naziva se dipeptid i svi dipeptidi imaju sljedeći oblik: Peptidna veza O O + NH3 CHC NHCHCO - R 1 R 2 Dipeptid Di u dipeptidu označava da su prisutna dva aminokiselinska ostatka a ne broj peptidnih veza! 36

O H O + NH3 CH 2 C O - + H N + CHCO - H CH 3 u organizmu u nekoliko koraka O Peptidna veza O + NH3 CH 2 C NHCHCO - + H 2 O CH 4 3 Glicin(Gly) Alanin (Ala) Glicilalanin (Gly-Ala) O H O + NH3 CHC O - + H N + CH 2 CO - CH 3 H Alanin (Ala) Glicin(Gly) u organizmu u nekoliko koraka Peptidna veza O O + NH3 CHC NHCH 2 CO - + H 2 O CH 3 5 Alanilglicin(Ala-Gly) 37

O O + NH3 CHC NHCHCO R 1 R 2 H O O - + H N + CHCO - Peptidna veza H R 3 u nekoliko koraka O O + NH3 CHC NHCHCO R 1 R 2 O NHCHCO - + H 2 O R 3 Tripeptid 38

Svi polipeptidi imaju slijedeći zajednički skelet. Razlikuju se samo u dužini (n) i u vrsti i sekvenci bočnih lanaca. O a-pozicije + NH3 CH C ( NH CH C ) n NH CH CO - O O N-terminalni aminokiselinski ostatak C-terminalni aminokiselinski ostatak Polipeptidni "kostur" ( n može iznositi i nekoliko hiljada) 39

Predstavljajući polipeptidni niz, amino završetak ili N-terminalna aminokiselina stavlja se s lijeve strane, a karboksilni završetak ili C-terminalna aminokiselina stavlja se s desne strane Niz u kome se nalaze peptidne veze zove se osnovni niz, a supstituenti R, zovu se bočni nizovi. 40

Peptidi se imenuju direktno, polazeći od amino završetka, imena pojedinačnih ostataka jednostavno se povezuju u niz, svaki se smatra supstituentom sljedeće aminokiseline i završava se sa C-terminalnim ostatkom.

Inzulin predstavlja dobar primjer trodimenzionalne strukture koju čini kompleksna sekvenca aminokiselina Sastoji se iz 51 aminokiseline raspoređene u dva lanca A i B. Lanci su povezani pomoću dva disulfidna mosta, a takvim mostom su povezani i cisteinski ostaci 6. i 11. lanca A, pri čemu nastaje zatvoreni krug. Oba lanca su tako uvijena da je steričko odbijanje smanjeno, a maksimalno su pojačana elektrostatička privlačenja i privlačenja H-vezama.

SEKUNDARNA STRUKTURA PROTEINA a- heliks i -naborane plohe su dvije najvažnije vrste sekundarne strukture proteina. U a - heliksu, polipeptidni kostur se uvija kao zavrtanj na desno, što omogućava da se svi njegovi bočni lanci ugrade u vanjski dio ove uvijene strukture. 43

Vodikove veze između amidnih grupa stabiliziraju a- helikse. 44

45

Linus Pauling je dobio Nobelovu nagradu za hemiju 1954. godine za otkriće konfiguracije a-heliksa i - ploha. Susjedni segmenti u nekim polipeptidima su složeni jedan do drugog, stvarajući plošni raspored koji je donekle naboran i naziva se -naborana ploha. Bočni lanci se protežu iznad i ispod površine plohe. 46

- Naborana ploha je uporedni raspored polipeptidnih jedinica 47

48

TERCIJARNA STRUKTURA PROTEINA Tercijarne strukture su rezultat preklapanja, uvijanja i savijanja sekundarnih struktura. 49

Sekundarna i tercijarna struktura mioglobina 50

KVATERNA STRUKTURA PROTEINA Kod mnogih proteina nativni oblik se uspostavlja tek pošto se dva ili više polipeptida udruže u kvaternu strukturu. 51

Heliksi u lijevo karakterišu pojedinačne polipeptidne lance u kolagenu. (a) (b) Vlakno kolagena od samo 1 mm u prečniku može izdržati opterećenje mase od 10 kg! 52

PROTEINI - klasifikacija Jednostavni proteini, koji hidrolizom daju samo aminokiseline i konjugirani proteini, koji pored aminokiselina daju i druge organske ili anorganske supstance nakon hidrolize. Ove druge supstance se nazivaju prostetičke grupe. 53

Klasa Prostetička grupa Primjeri Glikoproteini Karbohidrati Vezivno tkivo, heparin, imunoglobulini Lipoproteini Lipid LDL i HDL u krvi, vezivni proteini membrane Nukleoproteini Nukleinske kiseline Virusi, hromozomi Metaloproteini Metalni ioni Feritin (Fe), alkoholdehidrogenaza (Zn) Hromoproteini Obojene grupe: riboflavin, hem, itd. Hemoglobin, hlorofil, luciferaza, citohromi 54

Klasifikacija proteina zasnovana na fizičkim karakteristikama molekula proteina: Globularni proteini Vlaknasti proteini 55

Globularni proteini su općenito topivi u vodi, prilično krhke strukture i imaju aktivnu funkciju, kao što je kataliziranje reakcija (u slučaju enzima) ili transportujući druge supstance (u slučaju hemoglobina). 56

Vlaknasti proteini su netopivi u vodi, fizički su čvrsti i imaju strukturalnu ili zaštitnu funkciju. Keratini kose, kože i noktiju; kolagen u tetivama i koži; kao i svila su primjeri vlaknastih proteina. 57

Klasifikacija proteina na osnovu njihove funkcije u živim organizmima: 58

Biološka funkcija proteina 59

Način djelovanja proteina u živim organizmima je određen njihovom strukturom. Molekule proteina mogu imati četiri nivoa kompleksnosti, složenosti. 60

Denaturacija proteina Gubitak oblika proteina - narušavanje sekundarne ili viših oblika strukture proteina. 61

62