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 –NH2 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 (-NH3

+), 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:

• Di u dipeptidu označava da su prisutna dva aminokiselinska ostatka a ne broj peptidnih veza!

OO

+NH3CHC NHCHCO-

Peptidna veza

R1 R2

Dipeptid

36

+NH3CH2C O- + H N+CHCO-

O H

H

O

CH3

u organizmu

u nekoliko koraka

CH3

OO

+NH3CH2C NHCHCO- + H2O

Peptidna veza

Glicin(Gly) Alanin (Ala) Glicilalanin (Gly-Ala)

4

+NH3CHC O- + H N+CH2CO-

O H

H

O

CH3

u organizmu

u nekoliko koraka

CH3

OO

+NH3CHC NHCH2CO- + H2O

Peptidna veza

Glicin(Gly) Alanilglicin(Ala-Gly)

5

Alanin (Ala)

37

R1 R2

+NH3CHC NHCHCO

O O

NHCHCO- + H2O

O

u nekoliko koraka

O

H

H

O- + H N+CHCO-

R3

Tripeptid

R1 R2

Peptidna veza

+NH3CHC NHCHCO

O O

R3

38

• Svi polipeptidi imaju slijedeći zajednički skelet . Razlikuju se samo u dužini (n) i u vrsti i sekvenci bočnih lanaca.

OO

+NH3 CH C NH CH C ) n

Polipeptidni "kostur" ( n može iznositi i nekoliko hiljada)

O

NH CH CO- (

a-pozicije

N-terminalni aminokiselinski ostatak

C-terminalni aminokiselinskiostatak

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.

Vlakno kolagena od samo 1 mm u prečniku može izdržati opterećenje mase od 10 kg!

(a) (b)

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

• Gubitak oblika proteina - narušavanje sekundarne ili viših oblika strukture proteina.

Denaturacija proteina

61

62