Protein

Ein Blick auf die Chemie

Proteine ​​können in der "biologischen Welt" an erster Stelle stehen, denn ohne sie gäbe es aufgrund ihrer vielen Funktionen kein Leben.

Die Elementaranalyse von Proteinen ergibt folgende Durchschnittswerte: 55% Kohlenstoff, 7% Wasserstoff und 16% Stickstoff; Es ist klar, dass sich Proteine ​​voneinander unterscheiden, aber ihre durchschnittliche Elementzusammensetzung weicht kaum von den oben angegebenen Werten ab.

Konstitutionell sind Proteine ​​Makromoleküle, die aus natürlichen α-Aminosäuren gebildet werden. Die Aminosäuren verbinden sich über die Amidbindung, die durch Reaktion zwischen einer Aminogruppe einer α-Aminosäure und dem Carboxyl einer anderen α-Aminosäure hergestellt wird. Diese Bindung (-CO-NH-) wird auch als Peptidbindung bezeichnet, da sie Peptide bindet (Aminosäuren in Kombination):

das erhaltene ist ein Dipeptid, weil es aus zwei Aminosäuren besteht. Da ein Dipeptid an einem Ende eine freie Aminogruppe (NH2) und am anderen Ende eine Carboxylgruppe (COOH) enthält, kann es mit einer oder mehreren Aminosäuren reagieren und die Kette sowohl von rechts als auch von links strecken, wobei die gleiche Reaktion wie oben gezeigt erfolgt.

Die Abfolge der Reaktionen (die in jedem Fall nicht wirklich so einfach sind) kann unbegrenzt fortgesetzt werden: bis ein Polymer namens Polypeptid oder Protein vorliegt . Die Unterscheidung zwischen Peptiden und Proteinen hängt mit dem Molekulargewicht zusammen: Bei Molekulargewichten über 10.000 spricht man normalerweise von Protein.

Das Binden von Aminosäuren, um auch kleine Proteine ​​zu erhalten, ist eine schwierige Aufgabe, obwohl kürzlich ein automatisches Verfahren zur Herstellung von Proteinen aus Aminosäuren entwickelt wurde, das hervorragende Ergebnisse liefert.

Das einfachste Protein besteht daher aus 2 Aminosäuren: Die geordnete Nummerierung der Aminosäuren in einer Proteinstruktur geht nach internationaler Konvention von der Aminosäure mit der freien a-Aminogruppe aus.

Proteinstruktur

Die Proteinmoleküle sind so geformt, dass wir bis zu vier verschiedene Organisationen sehen können: Sie unterscheiden sich im Allgemeinen in einer Primärstruktur, einer Sekundärstruktur, einer Tertiärstruktur und einer Quartärstruktur.

Primär- und Sekundärstrukturen sind für Proteine ​​essentiell, während Tertiär- und Quartärstrukturen "akzessorisch" sind (in dem Sinne, dass nicht alle Proteine ​​damit ausgestattet werden können).

Die Primärstruktur wird durch die Anzahl, Art und Sequenz der Aminosäuren in der Proteinkette bestimmt; Es ist daher notwendig, die geordnete Sequenz der Aminosäuren zu bestimmen, aus denen das Protein besteht (um dies zu wissen, muss man die genaue Sequenz der DNA-Basen kennen, die für dieses Protein kodieren), die auf nicht zu vernachlässigende chemische Schwierigkeiten stoßen.

Die geordnete Aminosäuresequenz konnte durch Edman-Abbau bestimmt werden: Das Protein wird mit Phenylisothiocyanat (FITC) umgesetzt; anfänglich greift das Dublett des α-Aminostickstoffs das Phenylisothiocyanat an, das das Thiocarbamylderivat bildet; anschließend cyclisiert das erhaltene Produkt und ergibt das Phenyltioidantoin-Derivat, das fluoresziert.

Edman hat eine Maschine namens Sequenzer entwickelt, die die Parameter (Zeit, Reagenzien, pH-Wert usw.) für den Abbau automatisch anpasst und die Primärstruktur der Proteine ​​festlegt (dafür erhielt er den Nobelpreis).

Die Primärstruktur reicht nicht aus, um die Eigenschaften von Proteinmolekülen vollständig zu interpretieren. Es wird angenommen, dass diese Eigenschaften in wesentlicher Weise von der räumlichen Konfiguration abhängen, die die Moleküle von Proteinen annehmen, indem sie sich auf verschiedene Weise biegen: das heißt, unter der Annahme, was als Sekundärstruktur von Proteinen definiert wurde. Die Sekundärstruktur von Proteinen ist tremolabil, dh sie neigt dazu, sich aufgrund von Erhitzen zu verwerfen. dann werden die Proteine ​​denaturiert und verlieren viele ihrer charakteristischen Eigenschaften. Neben dem Erhitzen auf über 70 ° C kann die Denaturierung auch durch Bestrahlung oder Einwirkung von Reagenzien (z. B. starken Säuren) verursacht werden.

Die Denaturierung von Proteinen durch thermischen Effekt wird zum Beispiel durch Erhitzen des Eiweißes beobachtet: Man sieht, dass es sein gallertartiges Aussehen verliert und sich in eine unlösliche weiße Substanz verwandelt. Die Denaturierung der Proteine ​​führt jedoch zur Zerstörung ihrer Sekundärstruktur, lässt jedoch die Primärstruktur (die Verkettung der verschiedenen Aminosäuren) unverändert.

Proteine ​​nehmen die Tertiärstruktur an, wenn sich ihre Kette, obwohl sie trotz der Faltung der Sekundärstruktur noch flexibel ist, zusammenfaltet, um eine verdrillte dreidimensionale Anordnung in Form eines festen Körpers zu erzeugen. Die Disulfidbrücken, die zwischen dem entlang des Moleküls verstreuten Cystein-SH aufgebaut werden können, sind hauptsächlich für die Tertiärstruktur verantwortlich.

Die quaternäre Struktur konkurriert dagegen nur um Proteine, die von zwei oder mehr Untereinheiten gebildet werden. Hämoglobin besteht zum Beispiel aus zwei Proteinpaaren (d. H. In allen vier Proteinketten), die an den Eckpunkten eines Tetraeders so angeordnet sind, dass eine kugelförmige Struktur entsteht; Die vier Proteinketten werden durch ionische Kräfte und nicht durch kovalente Bindungen zusammengehalten.

Ein weiteres Beispiel für eine quaternäre Struktur ist Insulin, das aus bis zu sechs Proteinuntereinheiten zu bestehen scheint, die paarweise an den Eckpunkten eines Dreiecks angeordnet sind, in dessen Zentrum sich zwei Zinkatome befinden.

PROTEINE FIBROSE: Es handelt sich um Proteine ​​mit einer gewissen Steifheit und einer Achse, die viel länger ist als die andere. Das am häufigsten vorkommende faserige Protein in der Natur ist Kollagen (oder Kollagen).

Ein faseriges Protein kann mehrere Sekundärstrukturen annehmen: α-Helix, β-Faltblatt und im Fall von Kollagen Dreifachhelix; Die & agr; -Helix ist die stabilste Struktur, gefolgt vom & bgr; -Blatt, während die Dreifachhelix die am wenigsten stabile ist.

α-Helix

Der Propeller wird als rechtshändig bezeichnet, wenn nach dem Hauptskelett (von unten nach oben ausgerichtet) eine Bewegung ausgeführt wird, die dem Eindrehen einer rechtshändigen Schraube ähnelt. während der Propeller von der linken Hand ist, wenn die Bewegung dem Eindrehen einer linkshändigen Schraube analog ist. In den rechten α-Helices stehen die -R- Substituenten der Aminosäuren senkrecht zur Hauptachse des Proteins und sind nach außen gerichtet, während in den linken α-Helices die Substituenten -R nach innen weisen . Die A-Helices der rechten Hand sind stabiler als die der linken Hand, da zwischen den Bottichen -R weniger Wechselwirkungen und weniger sterische Hindernisse bestehen. Alle in Proteinen vorkommenden α-Helixe sind dextrogin.

Die Struktur der α-Helix wird durch Wasserstoffbrücken (Wasserstoffbrücken) stabilisiert, die zwischen der Carboxylgruppe (-C = O) jeder Aminosäure und der Aminogruppe (-NH) gebildet werden, die vier Reste später in der lineare Folge.

Ein Beispiel für ein Protein mit einer α-Helix-Struktur ist Haarkeratin.

β-Faltblatt

In der β-Faltblattstruktur können Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Aminosäuren gebildet werden, die zu verschiedenen, aber parallelen Polypeptidketten gehören, oder zwischen Aminosäuren desselben Proteins, die sogar numerisch voneinander entfernt sind, aber in antiparallelen Richtungen fließen. Wasserstoffbrückenbindungen sind jedoch schwächer als diejenigen, die die α-Helixform stabilisieren.

Ein Beispiel für eine β-Blättchenstruktur ist Seidenfibrin (es kommt auch in Spinnweben vor).

Durch Erweitern der α-Helix-Struktur wird der Übergang von der α-Helix zur β-Faltblattstruktur durchgeführt; auch die Wärme oder die mechanische Beanspruchung ermöglichen den Übergang von der α-Helix-Struktur zur β-Faltblatt-Struktur.

Üblicherweise sind in einem Protein die β-Blättchenstrukturen nahe beieinander, da Wasserstoffbrücken zwischen den Teilen des Proteins hergestellt werden können.

In faserigen Proteinen ist der größte Teil der Proteinstruktur als α-Helix oder β-Faltblatt organisiert.

GLOBULARE PROTEINE: Sie haben eine nahezu kugelförmige räumliche Struktur (aufgrund der zahlreichen Richtungsänderungen der Polypeptidkette); Einige Teile des Seins lassen sich auf eine α-Helix- oder β-Blättchenstruktur zurückführen, und andere Teile sind stattdessen nicht auf diese Formen zurückzuführen: Die Anordnung ist nicht zufällig, sondern organisiert und wiederholt sich.

Bei den bisher genannten Proteinen handelt es sich um Substanzen mit einer völlig homogenen Konstitution: das sind reine Sequenzen kombinierter Aminosäuren; diese Proteine ​​werden einfach genannt ; Es gibt Proteine, die aus einem Proteinteil und einem Nicht-Proteinteil (Prostatagruppe) bestehen und als konjugierte Proteine ​​bezeichnet werden.

Collagen

Es ist das in der Natur am häufigsten vorkommende Protein: Es befindet sich in den Knochen, Nägeln, der Hornhaut und der Linse des Auges, zwischen den Zwischenräumen einiger Organe (z. B. Leber) usw.

Seine Struktur verleiht ihm besondere mechanische Fähigkeiten. Es hat eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit, die mit einer hohen Elastizität (z. B. in Sehnen) oder einer hohen Steifheit (z. B. in den Knochen) verbunden ist, je nach der Funktion, die es erfüllen muss.

Eine der merkwürdigsten Eigenschaften von Kollagen ist seine konstitutive Einfachheit: Es wird zu etwa 30% aus Prolin und zu etwa 30% aus Glycin gebildet . Die anderen 18 Aminosäuren müssen nur auf die restlichen 40% der Proteinstruktur aufgeteilt werden. Die Aminosäuresequenz von Kollagen ist bemerkenswert regelmäßig: Jeder dritte Rest ist Glycin.

Prolin ist eine cyclische Aminosäure, bei der die R- Gruppe an α-Aminostickstoff bindet und dieser dadurch eine gewisse Steifheit verleiht.

Die endgültige Struktur ist eine sich wiederholende Kette mit der Form einer Helix; Innerhalb der Kollagenkette fehlen Wasserstoffbrückenbindungen. Kollagen ist eine linke Helix mit einer Stufe (Länge entsprechend einer Umdrehung der Helix) größer als die α-Helix; Die Kollagen-Helix ist so locker, dass sich drei Proteinketten zu einem einzigen Seil zusammenschließen können: Dreifach-Helix-Struktur.

Die Tripelhelix von Kollagen ist jedoch weniger stabil als sowohl die α-Helix-Struktur als auch die β-Blättchen-Struktur.

Sehen wir uns nun den Mechanismus an, durch den Kollagen produziert wird . Betrachten wir zum Beispiel den Bruch eines Blutgefäßes: Dieser Bruch wird von einer Vielzahl von Signalen begleitet, um das Gefäß zu schließen und so das Gerinnsel zu bilden. Die Koagulation erfordert mindestens dreißig spezialisierte Enzyme. Nach dem Gerinnsel muss die Reparatur des Gewebes fortgesetzt werden. Die Zellen in der Nähe der Wunde produzieren auch Kollagen. Dazu wird zunächst die Expression eines Gens induziert, dh Organismen, die von der Information eines Gens ausgehen, können das Protein produzieren (genetische Information wird auf die mRNA transkribiert, die von der mRNA stammt) Kern und erreicht die Ribosomen im Zytoplasma, wo die genetische Information in Protein übersetzt wird). Dann wird das Kollagen in den Ribosomen synthetisiert (es erscheint als linke Helix, die aus ungefähr 1200 Aminosäuren besteht und ein Molekulargewicht von ungefähr 150000 d hat) und sammelt sich dann in den Lumen an, wo es zum Substrat für Enzyme wird, die nachträgliche Modifikationen vornehmen können -traditionell (durch mRNA übersetzte Sprachmodifikationen); In Kollagen bestehen diese Modifikationen aus der Oxidation einiger Seitenketten, insbesondere von Prolin und Lysin.

Das Versagen der Enzyme, die zu diesen Veränderungen führen, führt zu Skorbut: Es ist eine Krankheit, die zunächst zum Platzen der Blutgefäße und zum Platzen der Zähne führt, worauf interintestinale Blutungen und der Tod folgen können. Es kann durch die kontinuierliche Verwendung von langlebigen Lebensmitteln verursacht werden.

Anschließend treten durch die Einwirkung anderer Enzyme andere Modifikationen auf, die in der Glykosidierung der Hydroxylgruppen von Prolin und Lysin bestehen (ein Zucker wird durch OH an Sauerstoff gebunden); Diese Enzyme befinden sich in anderen Bereichen als dem Lumen. Während sich das Protein verändert, wandert es innerhalb des endoplasmatischen Retikulums in Säcke (Vesikel), die sich schließen und vom Gitter lösen. Im Inneren sind sie enthalten das glykosidierte Pro-Kollagen-Monomer; Letzteres erreicht den Golgi-Apparat, wo bestimmte Enzyme das im Carboxy-Teil des glykosidierten Pro-Kollagens vorhandene Cystein erkennen und bewirken, dass sich die verschiedenen Ketten nähern und Disulfidbrücken bilden: drei Ketten von Pro glykosidiertes Kollagen ist miteinander verbunden und dies ist der Ausgangspunkt, von dem aus die drei Ketten, die sich gegenseitig durchdringen, spontan die Dreifachhelix hervorrufen. Die drei miteinander verknüpften glycidoxidierten Pro-Kollagen-Ketten gelangen zu einem Vesikel, das sich beim Ersticken vom Golgi-Apparat löst und die drei Ketten in Richtung Zellperipherie transportiert, wo durch die Fusion mit der Plasmamembran die trimetro wird aus der Zelle ausgestoßen.

Im extrazellulären Raum gibt es bestimmte Enzyme, die Pro-Kollagen-Peptidasen, die aus der aus der Zelle ausgetriebenen Spezies drei Fragmente (eines für jede Helix) mit jeweils 300 Aminosäuren auf der carboxyterminalen Seite und drei Fragmente (je eines für jede) entfernen Helix) mit jeweils ca. 100 Aminosäuren, vom aminoterminalen Teil: Es verbleibt eine Tripelhelix, bestehend aus ca. 800 Aminosäuren für die als Tropokollagen bekannte Helix .

Das Tropokollagen hat das Aussehen eines ziemlich starren Stäbchens; Die verschiedenen Trimere sind mit kovalenten Bindungen verbunden, um größere Strukturen zu erhalten: die Mikrofibrillen . In den Mikrofibrillen sind die verschiedenen Trimere versetzt angeordnet; so viele Mikrofibrillen sind Tropokollagenbündel.

In den Knochen gibt es unter den Kollagenfasern Zwischenräume, in denen sich Calcium- und Magnesiumsulfate und -phosphate ablagern: Diese Salze bedecken auch alle Fasern; das macht die Knochen steif.

In den Sehnen sind die Zwischenräume weniger kristallin als die Knochen, während im Vergleich zum Tropokollagen kleinere Proteine ​​vorhanden sind: Dies verleiht den Sehnen Elastizität.

Osteoporose ist eine Krankheit, die durch einen Mangel an Kalzium und Magnesium verursacht wird, wodurch es unmöglich wird, Salze in den Zwischenräumen der Tropokollagenfasern zu fixieren.