Biološke funkcije, ki jih beljakovine opravljajo, so encimi. Raznolikost funkcionalno različnih beljakovin. Preprosti in zapleteni proteini
Beljakovine opravljajo številne biološke funkcije v celicah. Na podlagi podobnosti funkcij, ki jih beljakovine opravljajo, jih lahko razdelimo v naslednje velike skupine.
1. Encimi
Encimi so specializirani proteini, ki pospešijo potek kemičnih reakcij. Zahvaljujoč encimom v celici se hitrost kemičnih reakcij poveča na milijone krat. Ker imajo encimi, tako kot vsi proteini, aktivno središče, specifično vežejo določen ligand (ali skupino podobnih ligandov) in katalizirajo določeno vrsto kemijske transformacije te molekule. Trenutno znano okoli leta 2000 različne encimepospeševanje različnih kemičnih reakcij. Na primer, proteolitični encim tripsin razbije peptidne vezi v beljakovinah, ki jih tvori karboksilna skupina osnovnih aminokislin - arginin ali lizin. Encim ribonukleaza cepi fosfoestersko vez med nukleotidi v polinukleotidni verigi.
Zaradi nabora encimov v celicah se transformacije snovi, ki vstopajo v njih, ne odvijajo naključno, temveč v strogo določenih smereh.
2. Regulativni proteini
Regulativni proteini vključujejo veliko skupino beljakovinskih hormonov, ki sodelujejo pri vzdrževanju stalnosti notranjega telesa telesa, ki delujejo na specifične ciljne celice. Na primer, hormon inzulin se sprosti v kri, ko se koncentracija glukoze v krvi po jedi poveča in s spodbujanjem uživanja glukoze v celicah zmanjša koncentracijo glukoze na normalno, tj. obnavlja homeostazo.
Poleg tega se beljakovine nanašajo na regulativne beljakovine, katerih dodajanje drugim beljakovinam ali drugim celičnim strukturam uravnava njihovo delovanje. Na primer, beljakovinski kalmodulin v kompleksu s štirimi ioni Ca2+ se lahko veže na nekatere encime in spremeni njihovo aktivnost.
Regulativni proteini, ki vežejo DNA, na posebnih točkah pritrjeni na posebne odseke DNK lahko uravnavajo hitrost branja genetskih informacij (opisani so v oddelku 4).
3. Receptorski proteini
Signalne molekule (hormoni, nevrotransmiterji) delujejo na medcelične procese
s pomočjo interakcij s specifičnimi receptorskimi proteini. Tako hormoni, ki krožijo v krvi, najdejo ciljne celice in delujejo nanje, posebej vežejo se na beljakovine receptorjev, običajno integrirane v celično membrano. Za hidrofobne regulacijske molekule, ki prehajajo skozi celično membrano, so receptorji lokalizirani v citoplazmi celic.
4. Transport beljakovin
Veliko beljakovin v krvi je vključenih v prenos specifičnih ligandov iz enega organa v drugega. Molekule so pogosto v kombinaciji z beljakovinami v vodi slabo topne. Torej, plazemski beljakovinski albumin vsebuje maščobne kisline in bilirubin (produkt razpada), hemoglobin eritrocitov pa sodeluje pri prenosu O2 iz pljuč v tkiva. Steroidni hormoni se v krvi prenašajo s specifičnimi transportnimi proteini.
Transportni proteini sodelujejo tudi pri prenosu hidrofilnih snovi preko hidrofobnih membran. Ker imajo transportni proteini lastnost specifičnosti interakcije z ligandi, njihov sklop v celični membrani določa, katere hidrofilne molekule lahko prehajajo v dano celico. S pomočjo nosilnih beljakovin glukoza, aminokisline, ioni in druge molekule prodrejo v celico.
5. Strukturni proteini
Nekateri proteini, ki se na določen način nahajajo v tkivih, jim dajejo obliko, ustvarjajo oporo, določajo mehanske lastnosti tega tkiva. Na primer, kot je že omenjeno, je glavna komponenta hrustanca in tetiv kolagena fibrilarni protein, ki ima visoko trdnost. Drugi strukturni protein (elastin) zaradi svoje edinstvene strukture določenim tkivom omogoča raztezanje v vseh smereh (posode, pljuča).
6. Zaščitni proteini
Nekateri proteini, zlasti imunoglobulini, imajo sposobnost prepoznavanja in vezave tujih molekul, virusnih delcev in bakterij, kar povzroči njihovo nevtralizacijo. Poleg tega celice imunskega sistema zlahka prepoznajo in uničijo kompleks tujega delca z imunoglobulinom.
Proteini sistema za koagulacijo krvi, na primer fibrinogen, trombin, imajo zaščitne lastnosti. Sodelujejo pri tvorbi krvnega strdka, ki zamaši poškodovano žilo in prepreči izgubo krvi.
7. Kontraktilni proteini
Pri opravljanju svojih funkcij nekateri proteini dajejo celici možnost, da se skrči ali premika. Ti proteini vključujejo aktin in miozin - fibrilarne beljakovine, ki sodelujejo pri krčenju skeletnih mišic. Drug primer takšnih beljakovin je tubulin, iz katerega so zgrajene celične organele, mikrotubule. Mikrotubuli med celično delitvijo uravnavajo kromatidno neskladje. Mikrotubuli so pomembni elementi cilije in flagele, s katerimi se celice premikajo.
Vendar obstaja veliko število beljakovine z edinstvenimi funkcijami, ki niso vključene v to dokaj enostavno razvrstitev.
Nekateri proteini vsebujejo samo polipeptidne verige, sestavljene iz aminokislinskih ostankov. Pokličejo se "preprosti beljakovine."Primer preproste beljakovine lahko služijo glavni kromatinski proteini - histoni; vsebujejo veliko aminokislinskih ostankov lizina in arginina, katerih radikali imajo pozitiven naboj (podrobneje
histoni so opisani v oddelku 4). Zgoraj obravnavani medcelični matrični proteinski elastin se imenuje tudi preprost protein.
Kompleksni proteini
Vendar veliko beljakovin poleg polipeptidnih verig vsebuje neproteinski del, vezan na beljakovine s šibkimi ali kovalentnimi vezmi. Neproteinski del lahko predstavljajo kovinski ioni, katere koli organske molekule z nizko ali visoko molekulsko maso. Takšni proteini se imenujejo "kompleksni proteini". Neproteinski del, ki je trdno vezan na beljakovine, se imenuje protetična skupina.
Protetično skupino lahko predstavljajo snovi različne narave. Na primer, beljakovine, povezane s hemom, imenujemo hemoproteini. Sestava hemoproteinov poleg beljakovin hemoglobina in mioglobina, o katerih smo že govorili, vključuje encime - citokrome, katalazo in peroksidazo. Hem, vezan na različne strukture beljakovin, opravlja funkcije, značilne za vsak protein v njih (na primer, nosi O 2 v hemoglobinu, elektrone pa v citokromih).
Beljakovine v kombinaciji z ostanki fosforne kisline imenujemo fosfoproteini. Ostanki fosforja so z estrsko vezjo vezani na hidroksilne skupine serina, treonina ali tirozina s sodelovanjem encimov, imenovanih proteinske kinaze.
Sestava beljakovin pogosto vključuje ostanke ogljikovih hidratov, ki dajejo beljakovinam posebno specifičnost in pogosto zmanjšujejo hitrost njihove encimske proteolize. Take beljakovine imenujemo glikoproteini. Številni beljakovine v krvi, pa tudi receptorski proteini celične površine so razvrščeni kot glikoproteini.
Beljakovine, ki delujejo v kombinaciji z lipidi, imenujemo lipoproteini, v kombinaciji s kovinami pa jih imenujemo metaloproteini.
Kompleksni proteini (apoprotein)in neproteinski del (protetična skupina), imenovan "holoprotein".
Katalaza je encim, ki je katalizator pri razgradnji vodikovega peroksida, v katerem nastajata voda in molekularni kisik: Н 2 О 2 + Н 2 О 2 \u003d О 2 + 2Н 2 О. Biološki pomen Katalaze je ravno v razpadu vodikovega peroksida, ki nastane v celicah, ko so izpostavljene številnim flavoprotein oksidazam, kar zagotavlja učinkovito zaščito celičnih struktur pred uničenjem, ki izvaja vodikov peroksid. Če zaradi genetskih razlogov pride do pomanjkanja katalaze, se razvije akatalazija. To je dedna bolezen, katere klinični manifestacije so ulceracije nosne sluznice in ustne votline, ponekod pa izrazita izguba zob in atrofične spremembe alveolarne sepse.
Katalazo najdemo v tkivih rastlin, živali in ljudi, celo v mikroorganizmih, čeprav je ta encim v številnih anaerobnih mikroorganizmih popolnoma odsoten. V celicah se katalaza nahaja v peroksisomih - posebnih organelah.
Katalaza je hemoprotein, protetična skupina (neproteinski element, povezan z beljakovinami), ki je heme, ki vsebuje železov ion. Molekula Katalaza vključuje štiri enake podenote in štiri protetične skupine, zanesljivo povezane z apofermektom (beljakovinskim delom encima). Med dializo se od nje ne ločijo. Za Katalazo se pH giblje med 6,0-8,0.
Kataloška aktivnost
Za določitev aktivnosti katalaze se pritrdi kisik, ki nastane med reakcijo, kar se izvede z manometričnimi ali polarografskimi metodami. Kisik je mogoče registrirati tudi z merjenjem trenutne koncentracije vodikovega peroksida s spektrofotometrično metodo ali preostalo koncentracijo z jodometričnimi, permanganometričnimi ali drugimi titrimetričnimi metodami.
Dejavnost katadaze v rdečih krvnih celicah je pri številnih boleznih konstantna, vendar se pri maligni ali drugi podobni anemiji indeks katalaze poveča, kar se izrazi glede na količino katalazne aktivnosti določenega volumna krvi na število rdečih krvnih celic v tem volumnu. Ta indikator ima veliko diagnostično vrednost. V primeru maligne novotvorbe določi se zmanjšanje aktivnosti katalaze v jetrih in ledvicah. Obstaja celo razmerje med velikostjo tumorja, hitrostjo rasti in stopnjo zmanjšanja aktivnosti katalaze v jetrih. Za potrditev te teorije so bili iz nekaterih tumorjev izolirani tokso hormoni, to so snovi, ki pri dajanju poskusnih živali pri poskusnih živalih povzročijo zmanjšanje aktivnosti katalaze.
Kam pride katalaz?
Katalaza je encim razreda oksireduktaz.
Od vseh organov katalazo najdemo v jetrih. To je eden glavnih encimov za uničenje reaktivnih kisikovih vrst, torej je katalaza glavni primarni antioksidant obrambnega sistema, ki je posledica same reakcije razgradnje vodikovega peroksida na vodo, ki to funkcijo deli z encimom GSH-PX. Obe snovi odvzemata strupenost aktivnemu kisikovemu radikalu, ki služi kot katalizator za tvorbo vodikovega peroksida iz superoksida. Razlike so tudi v substratni specifičnosti teh encimov, saj se ta dva encima razlikujeta po afiniteti do substrata.
Nizka vsebnost H 2 O 2 zahteva organski peroksidazni katalizator za organske perokside. Po drugi strani pa visoke koncentracije H 2 O 2 kot katalizator zahtevajo katalazo. Raven aktivnosti teh encimov se razlikuje ne le v različnih tkivih, ampak celo znotraj same celice. V jetrih, ledvicah in rdečih krvnih celicah je raven CT visoka. V hepatocitih je pri peroksisomih opazen visok nivo aktivnosti, medtem ko je CT aktiven v citosolu in v mikrosomih.
Katalaza se v tetramernem proteinu, ki vsebuje heme, tvori v citosolu v obliki monomerov, ki ne vsebujejo hema. Monomeri, ki so jih v prisotnosti hema prenesli v lumen peroksizoma, tvorijo tetramere. Katalaza nima zaporedja signalov, ki bi se po uporabi prekinil, vendar mora imeti nekaj signala, ki ga usmeri v peroksisom. Po sodobnih znanstvenih raziskavah lahko to vlogo igra določeno zaporedje treh aminokislin, ki se nahaja na karboksilnem koncu številnih peroksisomalnih proteinov.
Beljakovine so gradbeni material. Nekatere bakterije in vse rastline so sposobne sintetizirati vse aminokisline, iz katerih nastajajo beljakovine, z uporabo anorganskih snovi: dušika in ogljikovega dioksida iz zraka, vodika, dobljenega s cepitvijo vode (zaradi energije svetlobe), in anorganskih snovi v tleh. Živali v procesu evolucije izgubijo sposobnost sinteze desetih posebej zapletenih aminokislin, imenovanih esencialne. Pripravljena jih je z rastlinsko in živalsko hrano. Takšne aminokisline najdemo v beljakovinah mlečnih izdelkov (mleko, sir, skuta), v jajcih, ribah, mesu, pa tudi v soji, fižolu in nekaterih drugih rastlinah. V prebavnem traktu se beljakovine razgradijo na aminokisline, ki se absorbirajo v krvni obtok in vstopijo v celice. V celicah končnih aminokislin so vgrajene lastne beljakovine, značilne za ta organizem. Beljakovine so bistveni sestavni del vseh celičnih struktur in to je njihova pomembna strukturna vloga.
Proteinski encimi. V vsaki živi celici se nenehno odvija na tisoče biokemičnih reakcij. Med temi reakcijami je razpad in oksidacija hranil, ki prihajajo od zunaj. Energija, pridobljena z oksidacijo hranil in produktov njihovega cepitve, celica porabi za sintezo različnih organske spojine. Hiter pojav takšnih reakcij zagotavljajo biološki katalizatorji ali pospeševalci reakcij - encimi. Znanih je več kot tisoč različnih encimov. Vsi so veverice.
Vsak encim zagotavlja eno reakcijo ali več reakcij iste vrste. Na primer, maščobe v prebavnem traktu (pa tudi v celicah) se razgradijo s posebnim encimom, ki ne deluje na polisaharide (škrob, glikogen) ali beljakovine. Encim, ki razgradi samo škrob ali glikogen, ne vpliva na maščobe. Vsaka molekula encima lahko izvede od nekaj tisoč do nekaj milijonov enakih operacij na minuto. Med temi reakcijami se encim ne porabi. Kombinira se z reakcijskimi snovmi, pospeši njihovo pretvorbo in pusti reakcijo nespremenjeno.
Encimi najbolje delujejo le pri optimalni temperaturi (na primer pri ljudeh in toplokrvnih živalih pri 37 ° C) in določeni koncentraciji vodikovih ionov v gojišču.
Postopek cepitve ali sinteze katere koli snovi v celici je praviloma razdeljen na številne kemične operacije. Vsako operacijo izvaja ločen encim. Skupina takih encimov predstavlja nekakšen biokemični transporter.
Regulativni proteini. Znano je, da se v specializiranih celicah živali in rastlin proizvajajo posebni regulatorji fizioloških procesov, hormoni. Nekateri hormoni (vendar ne vsi) živali in ljudi so beljakovine. Torej, beljakovinski hormon inzulin (pankreasni hormon) aktivira vnos molekul glukoze po celicah in njihovo razgradnjo ali shranjevanje znotraj celice. Če inzulina ni dovolj, se glukoza kopiči v presežni krvi. Celice brez pomoči inzulina ga ne morejo zajeti - stradajo. To je razlog za razvoj sladkorne bolezni - bolezni, ki jo povzroča pomanjkanje inzulina v telesu.
Hormoni opravljajo bistveno funkcijo v telesu, nadzirajo delovanje encimov. Torej, inzulin aktivira encim v jetrnih celicah, ki sintetizira drugo organsko snov iz glukoze - glikogen in številne druge encime.
Beljakovine so sredstvo za zaščito. Telo reagira na vdor bakterij ali virusov v kri živali in ljudi s proizvodnjo posebnih zaščitnih beljakovin - protiteles. Ti proteini se vežejo na beljakovine, ki telesu povzročajo bolezen in s tem zavirajo njihove vitalne funkcije. Telo za vsak tuji protein - antigen proizvede posebna protitelesa proti beljakovinam.
Ilya Ilyich Mechnikov (1845-1916) - ruski biolog, eden izmed ustanoviteljev primerjalne patologije, evolucijske embriologije. Odkril je pojav fagocitoze. Ustvaril je celično teorijo imunosti. Nobelov nagrajenec.
Protitelesa imajo neverjetna lastnost: med tisoč različnimi proteini prepoznajo le svoj antigen in z njim le reagirajo. Ta mehanizem odpornosti na patogene imenujemo imunost. Poleg protiteles, raztopljenih v krvi, obstajajo protitelesa na površini posebnih celic, ki prepoznajo in zajamejo tuje celice. To je celična imunost, ki zagotavlja v večini primerov in uničenje novo nastalih rakavih celic.
Za preprečevanje bolezni se pri ljudeh in živalih vnesejo oslabljene ali ubite bakterije ali virusi (cepiva), ki bolezni ne povzročajo, ampak povzročijo, da telesne posebne celice proizvajajo protitelesa proti tem patogenom. Če čez nekaj časa patogena nerafinirana bakterija ali virus vstopi v tak organizem, naleti na močno zaščitno oviro pred protitelesi. Milijoni človeških življenj so bili rešeni s cepljenjem proti strupi, steklini, otroški paraliozi, rumeni mrzlici in drugim boleznim.
Beljakovine so vir energije. Beljakovine lahko služijo kot vir energije za celico. S pomanjkanjem ogljikovih hidratov ali maščob se molekule aminokislin oksidirajo. V tem procesu se sprošča energija, ki podpira vitalne procese telesa.
- Opišite strukturo beljakovinskih molekul glede na njihove funkcije v celici.
- Pojasnite, zakaj so encimsko katalizirane reakcije odvisne od pH in temperature.
- Pojasnite biološki pomen cepljenja.
