Proteini Proteini

- prosti i slo- prosti i složeniženi

UNIVERZITET U NIŠUUNIVERZITET U NIŠUMEDICINSKI FAKULTETMEDICINSKI FAKULTET NI NIŠŠ

Doc. Doc. ddr Dur Dušan šan SokolovićSokolović

sokosoko@medfak.ni.ac.rs@medfak.ni.ac.rs

Katedra za biohemiju, Medicinski fakultet Katedra za biohemiju, Medicinski fakultet u Nišuu Nišu

OPŠTE OSOBINE, ULOGA I OPŠTE OSOBINE, ULOGA I STRUKTURA STRUKTURA PROTEINAPROTEINA

Naziv protein - od grčke reči Naziv protein - od grčke reči proteosproteos što znači što znači prviprvi, - značaj proteina u celokupnom postojanju, , - značaj proteina u celokupnom postojanju, funkcionisanju i raznovrsnosti živog sveta.funkcionisanju i raznovrsnosti živog sveta.

Proteini su polimeri L-alfa amino-kiselina, Proteini su polimeri L-alfa amino-kiselina, polipeptidi sa definisanom sekvencom, gde polipeptidi sa definisanom sekvencom, gde dužina polipeptidnog lanca - više od četrdesetdužina polipeptidnog lanca - više od četrdeset amino-kiselinskih ostataka.amino-kiselinskih ostataka.

- proteine grade L amino-kiseline...

Dužina lanca, vrsta i redosled amino-kiselina u jednom proteinu određena je genetskim genetskim kodovimakodovima.

Imajući u vidu raznovrsnost kombinacija tripleta

baza jednog gena, jasno je koliko je raznovrsnih proteina prisutno, a i koliko ih je moguće sintetisati.

Kod bakterija - broj različitih proteina ne

prevazilazi 3000, kod čoveka - ima oko 100 000 različitih proteina.

ULOGE Strukturni i potporni: strukturni i funkcionalni elementi svih živih ćelija i ekstracelularnih prostora u tkivima,

Transportni: podrazumeva transportnu ulogu proteina krvne plazme, ali i svih drugih proteina koji učestvuju u transportu molekula kroz ćelijsku membranu,

Katalitički: svi enzimi osim jednog su proteinske strukture, Regulatorni: regulacija odvijanja metaboličkih funkcija u

organizmu, uključujući i ćelijski ciklus, ostvaruje se posredstvom delovanja hormona i faktora rasta. Veliki broj hormona je proteinske prirode, svi do sada izolovani faktori rasta su proteinske prirode, receptori za hormone i faktore rasta su proteini,

Zaštitni: to je odbrambena uloga protiv delovanja stranih proteina, koju ostvaruju antitela, koja su po strukturi proteini,

Faktori koagulacije krvi: skoro svi faktori koagulacije su proteini,

Depoi: ovoalbumin, gluten, kazein, feritin...

Omogućavaju kretanje i kontraktilnost: flagelini, aktin, miozin i sl.

Veliki broj otrova su proteini: toksin difterije, zmijski otrov.

Primarna struktura proteina

Primarna struktura predstavlja broj, vrstu, redosled i raspored amino kiselina u polipeptidnom lancu.

Čini je peptidna veza, koja se uspostavlja između

karboksilnog kraja jedne i amino kraja sledeće amino kiseline.

Ova veza je stabilna i može se raskinuti reakcijama

kisele hidrolize ili delovanjem specifičnih proteolitičkih enzima-proteaza. Prva primarna struktura ustanovljena je za insulin 1958 god. za šta je zaslužan Sanger.

U okviru primarne strukture može postojati polimorfizam, što znači da proteini istih funkcija (najčešće enzimi) mogu pokazivati minimalne razlike unutar vrste (intra species) ili između različitih vrsta (inter species) proteini.

Mutacije u primarnoj strukturi mogu značajno funkcionalno umanjiti vrednost jednog proteina, kakav je primer srpasta anemija.

Sekundarna struktura

Atomi koji izgrađuju molekul jedne amino-kiseline mogu reagovati sa obližnjim atomima, različitim tipovima kovalentnih i nekovalentnih interakcija.

One dovode do savijanja molekula proteina u prostoru na određenim mestima, što je označeno kao sekundarna struktura.

Izučavanje sekundarne strukture proteina započelo je otkrićem metode difrakcije X zraka, a postulati koji su postavljeni od strane Linus Paulinga 1954.

Sekunadrna struktura se može formirati u okviru istog lanca ili između različitih lanaca.

Ukoliko se formira u istom lancu onda dolazi do obrazovanja vodonične veze između svake prve i četvrte amino-kiseline formirajući spiralnu strukturu - heliks. On može biti zavijen ulevo ili udesno.

Ukoliko dolazi do stvaranja vodonične veze

između različitih polipeptidnih lanaca - presavijena struktura ili ploča

Sekundarna struktura

tip sekundarne strukture tip sekundarne strukture

Kraći tip prikazivanja ovih struktura

Tipovi sekundarnih struktura proteina

alfa helikoidna struktura. - vodonične veze su paralelne sa osnovnim lancem -

3.6 ostatka

Tercijarna struktura

Tercijarna struktura predstavlja sledeći nivo organizacije proteinskog lanca u prostoru i čini osnovu podele proteina na fibrilarne i globularne.

Fibrilarni proteini su veoma dugi, što znači da dužina višestruko prelazi dijametar širine.

Globularni proteini - loptastog ili elipsoidnog

izgleda, što znači da dužina najviše nekoliko puta prevazilazi dijametar širine proteina.

Kada se formira tercijarna struktura proteina, njenu stabilizaciju omogućava formiranje disulfidnih mostova između SH grupa cisteina.

Kvaternerna struktura

Interakcija između više proteinskih lanaca uslovljava stvaranje kvaternerne strukture proteina, kada se više subjedinica organizuje u makromolekul.

Tipovi kvaternerne strukture su: dimeri, tetrameri, filamenti od više zajednički uvijenih heliksa (kolagen), filamenti od paralelnih heliksa (keratin). Svaka polipeptidna jedinica se naziva subjedinica ili protomer, a nastali protein je oligomer.

Disulfidne veze

Vodonične veze između

peptidnih grupa

Vodonične veze između dva lanca

Hidrofobnainterakcija

Jonska vezaVodonične veze

između bočnih lanacai peptidnih grupa

Tipovi nekovalentnih interakcija u proteinu

Šaperon sistemi

U formiranju tercijarne strukture proteina u ćeliji od pomoći su specifični sistemi koji se nazivaju molekularni vodiči ili šaperon sistemi.

Oni imaju zadatak da pomognu u formiranju tercijarne strukture novostvorenog proteina i da spreče druge neželjene transformacije proteina, kao što je agregacija sa drugim proteinima putem hidrofobnih grupa.

Šaperoni imaju izgled šuplje cevi koju izgrađuju dva prstena

sačinjena od po sedam proteina Hsp 70s i Hsp 60s (zajednički poznati kao GroEL).

Jedan manji protein (GroES) predstavlja «kapu», tj. poklopac

koji se otvara da bi protein ušao. U šupljini se nalazi malo sklonište u kome se smešta novopristigli protein.

Ribozomi

Novosintetisaniprotein

Šaperon

Protein sa definisanom tercijarnom strukturom

Šaperon

Protein sa definisanomtercijarnom strukturom

Nativni protein, bez tercijarne strukture

Pravilna tercijarna struktura Pravilna tercijarna struktura proteina je od proteina je od egzistencijalnog značaja egzistencijalnog značaja za ćeliju.za ćeliju.

Ona jeOna je::

- kod - kod enzimaenzima odlučujuća za stvaranje odlučujuća za stvaranje enzim-enzim-supstrat kompleksasupstrat kompleksa, , - kod - kod hormona i receptora hormona i receptora za proces za proces prepoznavanja, prepoznavanja, - u transportnim proteinima za obavljanje normalne - u transportnim proteinima za obavljanje normalne funkcije vezivanja i funkcije vezivanja i transporta materijatransporta materija. .

Izmenjena tercijarna struktura Izmenjena tercijarna struktura može neki protein može neki protein učiniti neprepoznatljivim, stranim za organizam i učiniti neprepoznatljivim, stranim za organizam i time dovesti do time dovesti do pojave bolestipojave bolesti. Takav je slučaj sa . Takav je slučaj sa proteinima poznatih kao prioni.proteinima poznatih kao prioni.

Struktura priona: A. nativni molekul priona B. izmenjeni molekul priona

Denaturacija proteina

Denaturacija je proces gubitka tercijarne strukture proteina, kada on postaje funkcionalno neaktivan, a fizički nerastvorljiv u prvobitnom rastvaraču i gubi svoje prvobitne osobine.

To se postiže promenom spoljašnjih uslova:

- povišenje temperature,

- postizanje ekstremnih pH vrednosti,

- odnosno dodatak organskih rastvarača ili uree.

U toku denaturacije dolazi do razmotavanja tercijarne strukture proteina, pa se javljaju novi, iregularni uvrati i nestabilne strukture.

Izuzetak u ovom procesu je enzim ribonukleaza, koji u

toku denaturacije gubi svoju sekundarnu i tercijarnu strukturu, ali nakon ponovnog uspostavljanja fiziolooških uslova vraća se u prvobitno stanje, kaže se da «pamti» svoju strukturu.

Za razliku od ribonukleaze drugim enzimima je

potrebna pomoć da bi formirali definitivni tercijarnu strukturu.

FIBRILARNI PROTEINI

Kolagen - kvantitativno najzastupljeniji protein kičmenjaka, koji ulazi u sastav koštanog matriksa, vezivnog tkiva tetiva i kože i čini oko 1/3 svih humanih proteina.

- Bazičnu strukturnu jedinicu predsatvlja molekul tropokolagena, složeni heliks koga sačinjavaju tri proteinska lanca dužine oko 1000 amino-kiselinskih ostataka, nalik je trožilnom kablu.

Iako postoji u velikom broju genetskih varijanti, tipično za kolagen je prisustvo glicina oko 33 %, pri čemu su naredne amino-kiseline najčešće prolin (oko 22 %), odnosno hidroksi prolin (čini 39 % celokupnog sadržaja prolina).

Smatra se da je glicin najzastupljenija amino-kiselina, jer je najmanji, zauzima najmanje prostora i omogućava da se stvaraju najzbijenije strukture asociranih polipeptidnih lanaca.

Izostanak glicina je inkopatibilan sa sintezom i funkcijom kolagena.

Činjenica da je veliki broj aminokiselinskih ponovaka prisutan u ovom proteinu, ukazuje da je gen za kolagen najverovatnije nastao multiplikacijom određenih primarnih egzona.

Individualni lanci kolagena su u vidu levo orjentisanog - heliksa, pri čemu je dužina navoja uobičajeno oko 3,3 amino kiseline, a u stvaranju spirale tropokolagena učestvuje deset spirala primarnog lanca i on je desno orjentisan.

U formiranju molekula tropokolagena stabilnost daju vodonične veze između lanaca koje se formiraju između azota glicina i CO grupe, ali značajan doprinos stabilnosti daje i hidroksilna grupa prolina.

I amino-kiselina lizin (prisutna oko 3,7 %) postoji u hidroksilisanoj formi (oko 14% ukupnog sadržaja lizina), ali je njegov značaj i u formiranju veze sa polisaharidima.

Formirane strukture tropokolagena se organizuju i stvaraju

fibrilarne strukture kolagenih vlakana i mreže, koje odlikuje izuzetna elastičnost i čvrstina.

Čvrstini i elastičnosti kolagena doprinose i reakcije (takozvani cross-linkovi) između molekula lizina u kolagenoj mreži.

Intermolekularne unakrsne veze (cross-linkovi) se formiraju reakcijom dva hidroksi-lizil i jednog lizil ostatka.

Tokom života - bočni lanci lizina podležu oksidaciji,

stvarajući aldehidne derivate, koji dalje lančano reaguju sa drugim ostacima lizina ili međusobno po tipu aldol kondenzacije podležu dehidraciji, što dovodi do slabljenja prethodnih bočnih veza i stvaranja novih derivata. To čini kolagen manje elastičnim, kožu naboranom i starijom, a oslabljuje kosti i tetive, pa je stoga prepoznatljiv znak starosti.

Zbog je čovek onoliko star koliko mu je star kolagen.

Sinteza kolagena

Prva etapa je sinteza lanca na nivou ribozoma, a novosintetisani protein se naziva pre-prokolagen.

Hidroksi-prolin i hidroksi-lizin nemaju specifične t-RNK za transport do ribozoma, u nascentni lanac se ugrađuje nehidroksilisani prolin i lizin.

Hidroksilacija ugarđenog prolina i lizina se vrši na nivou

EPR-a, gde se preprokolagen deponuje. Za reakcije hidroksilacije je neophodan enzim prolil-hidroksilaza.

Prolil-hidroksilaza zahteva prisustvo vitamina C za svoju aktivnost, a neophodni su i -keto glutarna kiselina, molekulski kiseonik i dvovalentno gvožđe.

U daljoj sintezi se nakon hidroksilacije vezuju šećerne komponente (glukoza i galaktoza) i ova struktura je označena

kao prokolagen.

Kada su se definitivno sintetisali lanci kolagena, stvoreni su uslovi za njihovu međusobnu interakciju i formiranje molekula tropokolagena, pri čemu savijanje počinje od C-terminalnog ka N-terminalnom kraju nalik zatvaranju rajsferšlusa.

Ovaj molekul još uvek sadrži signalne lance, a to su N i C

terminalni delovi, koji ne podlezu formiranju tipične tercijarne strukture, odvajaju se nakon sekrecije kolagena u ekstracelularni prostor pod delovanjem specifičnih N i C-proteinaza.

Signalni peptidi imaju zadatak da služe kao «vodiči» kolagena kroz ekstracelularni matriks, a takođe onemogućavaju da se formiraju dugolančani fibrili koji bi bili katastrofalni za ćeliju.

Kolagena mreža se dalje učvršćuje stvaranjem unakrsnih veza uz učešće molekula lizina. Između molekula tropokolagena postoje razmaci, koji služe za deponovanje soli kalcijuma u kostima.

O čvrstoći kolagena svedoči podatak da kolageno vlakno debljine 1mm može da podnese pritisak od čak 10kg.

Elastini

Elastini pripadaju tipu fibrilarnih proteina.

Zastupljeni su u izrazito elastičnim tkivima, kao što su tetive i zidovi arterija i pluća.

Elastini su izrazito hidrofobni proteini bogati u sadržaju glicina (32,3 %), alanina (23,0 %) i valina (12,1 %), vrlo su fleksibilni i lako se istežu. Sadrže oko 750 amino kiselina.

Elastin protein sadrži dva tipa segmenata u proteinu: - hidrofobne segmente koji su odgovorni za elastičnost i- segmente bogate alaninom i lizinom, koji imaju -helikoidnu strukturu i služe za ostvarivanje kovalentnih veza između molekula proteina

Četiri molekula lizina se dezaminišu i formiraju strukturu nalik piridinu, koja se naziva dezmozin koja omogucava istezanje.

Šema 13. Stvaranje dezmozina

Keratini

Keratini su najčvršći, najduži, nerastvorljivi proteini koji su zastupljeni u živim organizmima.

Izolovane su dve klase keratina koje imaju sličnu amino kiselinsku sekvencu i biološku funkciju u organizmu, i keratini.

keratini pripadaju tipu proteina intermedijarnih

filamenata, uglavnom zastupljenih u koži, kosi i noktima, a imaju značajnu strukturnu ulogu i u jedru, citoplazmi i površinskom omotaču niza ćelija. Na površini epidermisa kože imaju zaštitnu mehaničku ulogu i čine kožu nepropustljivom za vodu.

Veće nagolilavanje u epidermisu se naziva kalus. Proteinski lanac je dužine do 300 amino-kiselinskih

ostataka, uglavnom u celosti helikoidne strukture. Otprilike svaka četvrta amino kiselina je hidrofobna što

ima značaja u stvaranju hidrofobnih veza između dva lanca i formiranja superspiralne levo orijentisane strukture.

Bogatsvo cisteina u keratinu (oko 11,2%) dovodi do

obrazovanja velikog broja disulfidnih mostova, kojih ima najviše u noktima, a manje u kosi i odgovorni su za čvrstinu pomrnutih struktura.

Humani -keratini se mogu podeliti u dve kategorije:

- epitelijalni - koji su mekši (citokeratini) i

- čvršći - keratini kose.

keratini imaju daleko više sekundarnih struktura u svojoj građi, mnogo su čvršći, pa su otuda i dobili ime, a zastupljeniji su u životinjskom svetu (kljun, perje, rogovi, kopita).

Globularni proteini

Globularni proteini predstavljaju klasu proteina, odgovornu za niz funkcija koje poseduju proteini, kao što je metabolička, transportna, regulatorna, katalitička i slično.

Dobili su naziv jer formiraju tipičnu tercijarnu

strukturu u vidu lopte ili elipse, odnosno globule, gde je širina gotovo jednaka dužini.

U sekundarnoj strukturi mogu imati ili tip, a

najčešće obadva, što znači da postoje posebni regioni sa jednim ili drugim tipom.

U grupu složenih proteina ubrajaju se:

Lipoproteidi Glikoproteidi Nukleoproteidi Fosfoproteidi Hromoproteidi

GLIKOPROTEINI

Glikoproteini su složene belančevine koje kao prostetičnu grupu sadrže ugljene hidrate. Više od polovine proteina našeg organizma poseduje vezane ugljene hidrate.

Za razliku od proteoglikana glikoproteini sadrže

više proteina a manje ugljenih hidrata. Šećerna komponenta u glikoproteinima može biti glukoza, galaktoza, manoza, fukoza, N-acetil-galaktozamin ili N-acetil-glukozamin.

Uloge glikoproteina

Veliki broj enzima, proteinskih receptora, faktora rasta i njihovih receptora su glikoproteini.

Na površini ćelija su važni za međućelijsku komunikaciju, održavanje ćelijske strukture kao i za proces samo-prepoznavanja od strane imunog sistema, pri čemu pretstavljaju moćne antigene.

Da li antigenoj moći doprinosi raznovrsnost struktura koje svojim

kombinacijama mogu obrazovati, sposobnost da indukuju stvaranje antitela, ili specifični tip veze sa proteinima, nije sa sigurnošću još ustanovljeno. I antitela su po svojoj strukturi glikoproteini.

Predstavnici ovih složenih proteina su i mucini, koji omogućavaju vlažnost epitela sluzokoža.

Sistem ABO antigena krvne grupe predstavlja O-glikozidne glikoproteine. Glikozidni ostaci mogu biti vezani za proteine, ali ponekad i za lipide, kada čine glikolipide. To je najpoznatiji sistem “raspoznavanja” krvnih grupa, mada je do sada izolovano preko stotinu različitih antigena koji determinišu krvne grupe.

Skoro sve osobe stvaraju takozvani O-saharidni tip, koji

inače imaju i osobe sa O krvnom grupom. To je glikoprotein koji je tetrasaharidnog tipa, a čine ga ostaci N-acetil galaktozamina, galaktoze, sijalinske kiseline i fukoze. Ukoliko je njemu pridodata galaktoza, tada radi se o B krvnoj grupi, a ova veza se ostvaruje posredstvom aktivnog oblika UDP galaktoze i enzima galaktozil-transferaze.

Ukoliko je pridodat N-acetilgalaktozamin, uz katalitičku aktivnost glikozil-transferaze, radi se o krvnoj grupi A.

Ukoliko osoba poseduje obadva enzima, ona poseduje

i jedan i drugi tip veza. Tada se radi o krvnoj grupi AB.