โปรตีน

ดูเคมี

โปรตีนสามารถถูกวางไว้ก่อนใน "โลกทางชีววิทยา" เพราะด้วยฟังก์ชั่นมากมายของพวกเขาจะไม่มีชีวิตหากไม่มีพวกเขา

การวิเคราะห์องค์ประกอบของโปรตีนให้ค่าเฉลี่ยดังต่อไปนี้: คาร์บอน 55%, ไฮโดรเจน 7% และไนโตรเจน 16%; เป็นที่ชัดเจนว่าโปรตีนแตกต่างจากกัน แต่องค์ประกอบองค์ประกอบเฉลี่ยของพวกเขาแตกต่างกันเล็กน้อยจากค่าที่ระบุข้างต้น

โปรตีนเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่เกิดจากกรดอะมิโนธรรมชาติ กรดอะมิโนรวมกันผ่านพันธะอะไมด์ซึ่งเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างกลุ่มเอมีนของกรดอะมิโนและคาร์บอกซิลของกรดอะมิโนอีกตัวหนึ่ง ลิงค์นี้ (-CO-NH-) เรียกอีกอย่างว่าพันธะเปปไทด์เนื่องจากมันจะจับเปปไทด์ (กรดอะมิโนรวมกัน):

หนึ่งที่ได้รับคือ dipeptide เพราะมันประกอบด้วยกรดอะมิโนสองตัว เนื่องจาก Dipeptide มีกลุ่มอะมิโนอิสระที่ปลายด้านหนึ่ง (NH2) และกลุ่มคาร์บอกซิลที่ปลายอีกด้านหนึ่ง (COOH) มันสามารถทำปฏิกิริยากับกรดอะมิโนหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นและทำให้โซ่ยาวขึ้นจากทั้งทางขวาและซ้าย

ลำดับของการเกิดปฏิกิริยา (ซึ่งอันที่จริงแล้วไม่ง่ายอย่างนั้น) สามารถดำเนินต่อไปเรื่อย ๆ : จนถึงการมีพอลิเมอร์ที่เรียกว่าโพลี เปปไทด์ หรือ โปรตีน ความแตกต่างระหว่างเปปไทด์และโปรตีนนั้นเชื่อมโยงกับน้ำหนักโมเลกุล: โดยปกติแล้วสำหรับน้ำหนักโมเลกุลที่สูงกว่า 10, 000 เราจะพูดถึงโปรตีน

การรวมกรดอะมิโนเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้โปรตีนขนาดเล็กแม้จะเป็นงานที่ยาก แต่เมื่อไม่นานมานี้ได้มีการพัฒนาวิธีการผลิตโปรตีนจากกรดอะมิโนโดยอัตโนมัติซึ่งให้ผลที่ยอดเยี่ยม

ดังนั้นโปรตีนที่ง่ายที่สุดประกอบด้วยกรดอะมิโน 2 ตัว: โดยการประชุมระหว่างประเทศการเรียงลำดับหมายเลขของกรดอะมิโนในโครงสร้างโปรตีนเริ่มต้นจากกรดอะมิโนกับกลุ่มอะมิโนอิสระ

โครงสร้างโปรตีน

โมเลกุลโปรตีนมีรูปร่างเพื่อให้สามารถมองเห็นได้ถึงสี่องค์กรที่แตกต่าง: พวกเขามีความโดดเด่นโดยทั่วไปโครงสร้างหลักรองที่หนึ่งในระดับอุดมศึกษาและหนึ่งในสี่

โครงสร้างปฐมภูมิและทุติยภูมิมีความสำคัญต่อโปรตีนในขณะที่ตติยภูมิและควอเทอร์นารีเป็น "อุปกรณ์เสริม" (ในแง่ที่ว่าโปรตีนทั้งหมดไม่สามารถติดตั้งได้)

โครงสร้างหลักถูกกำหนดโดยจำนวนชนิดและลำดับของกรดอะมิโนในสายโซ่โปรตีน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องกำหนดลำดับของกรดอะมิโนที่ประกอบขึ้นเป็นโปรตีน (การรู้สิ่งนี้หมายถึงการทราบลำดับที่แน่นอนของฐานเบสที่เป็นรหัสสำหรับโปรตีนนั้น) ซึ่งไม่มีปัญหาทางเคมีเล็กน้อย

มันเป็นไปได้ที่จะกำหนดลำดับของกรดอะมิโนโดยการย่อยสลาย Edman: โปรตีนทำปฏิกิริยากับ phenyl isotocyanate (FITC); ในขั้นต้นคู่ของα-อะมิโนไนโตรเจนโจมตีฟีนิล isothiocyanate ไว้ thiocarbamyl อนุพันธ์; ต่อมาผลิตภัณฑ์ที่ได้รับจะถูกทำให้เป็นรูปเป็นร่างโดยให้อนุพันธ์ของ phenylthioidantoin ซึ่งเป็นฟลูออเรสเซนต์

Edman คิดค้นเครื่องที่เรียกว่าซีเควนเซอร์ซึ่งควบคุมพารามิเตอร์โดยอัตโนมัติ (เวลารีเอเจนต์ pH และอื่น ๆ ) สำหรับการย่อยสลายและให้โครงสร้างหลักของโปรตีน (สำหรับสิ่งนี้เขาได้รับรางวัลโนเบล)

โครงสร้างหลักไม่เพียงพอที่จะตีความคุณสมบัติของโมเลกุลโปรตีนอย่างสมบูรณ์ เป็นที่เชื่อกันว่าคุณสมบัติเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความจำเป็นในการกำหนดพื้นที่ที่โมเลกุลของโปรตีนมีแนวโน้มที่จะสันนิษฐานว่าดัดในรูปแบบต่างๆ: นั่นคือสมมติว่าสิ่งที่ได้รับการกำหนดเป็นโครงสร้างรองของโปรตีน โครงสร้างทุติยภูมิ ของโปรตีนสั่นสะเทือนนั่นคือมันมีแนวโน้มที่จะกำจัดด้วยความร้อน; จากนั้นโปรตีนจะถูกทำลายด้วยการสูญเสียคุณสมบัติหลายอย่างของพวกเขา นอกเหนือจากการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 70 ° C การทำให้เกิดความเสียหายอาจเกิดจากการฉายรังสีหรือจากการกระทำของรีเอเจนต์ (เช่นกรดแก่)

การเสื่อมสภาพของโปรตีนด้วยผลทางความร้อนนั้นสังเกตได้จากการให้ความร้อนกับไข่ขาวของไข่: มันถูกมองว่าสูญเสียลักษณะเป็นวุ้นและเปลี่ยนเป็นสารสีขาวที่ไม่ละลายน้ำ อย่างไรก็ตามการสูญเสียความเป็นธรรมชาติของโปรตีนนำไปสู่การทำลายโครงสร้างรองของพวกเขา แต่ทำให้โครงสร้างหลักไม่เปลี่ยนแปลง (การต่อกันของกรดอะมิโนต่างๆ)

โปรตีนใช้ โครงสร้างตติย เมื่อโซ่ของพวกเขาแม้ว่าจะยังคงมีความยืดหยุ่นแม้จะมีการดัดของโครงสร้างรอง แต่พับออกไปในลักษณะที่จะสร้างการจัดเรียงสามมิติบิดเป็นรูปร่างของร่างกายที่มั่นคง รับผิดชอบโครงสร้างตติยภูมิคือเหนือสิ่งอื่นใดพันธะซัลไฟด์ที่สามารถสร้างขึ้นได้ระหว่างซีสไตน์ -SH กระจายตัวไปตามโมเลกุล

โครงสร้าง quaternary ตรงกันข้ามแข่งขันกับโปรตีนที่เกิดขึ้นจากสองหน่วยย่อยหรือมากกว่านั้น ตัวอย่างเช่นฮีโมโกลบินประกอบด้วยโปรตีนสองคู่ (เช่นในโซ่โปรตีนทั้งสี่) ตั้งอยู่ที่ด้านบนของจัตุรมุขเพื่อที่จะก่อให้เกิดโครงสร้างรูปทรงกลม; โซ่โปรตีนทั้งสี่ถูกยึดครองโดยกองกำลังอิออนและไม่ใช่ด้วยพันธะโควาเลนต์

อีกตัวอย่างของโครงสร้าง quaternary คืออินซูลินซึ่งดูเหมือนจะประกอบด้วยหกหน่วยย่อยโปรตีนจัดเรียงเป็นคู่ที่ด้านบนของรูปสามเหลี่ยมในใจกลางของที่สองอะตอมสังกะสีตั้งอยู่

FIBROSE PROTEINS: เป็นโปรตีนที่มีความแข็งแกร่งและมีแกนยาวกว่าอีกแกนหนึ่ง โปรตีนเส้นใยที่มีอยู่ในปริมาณที่มากขึ้นในธรรมชาติคือคอลลาเจน (หรือคอลลาเจน)

โปรตีนเส้นใยสามารถใช้ในโครงสร้างรองหลาย: α-helix, leaf-leaflet และในกรณีของคอลลาเจน, เกลียวสาม; α-helix เป็นโครงสร้างที่มีเสถียรภาพมากที่สุดรองลงมาคือβ-sheet ในขณะที่ความมั่นคงน้อยที่สุดในสามตัวนั้นคือสามส่วนของเกลียว

αเกลียว

กล่าวกันว่าใบพัดเป็น แบบถนัดขวา หากทำตามโครงกระดูกหลัก (จากล่างขึ้นบน) จะมีการเคลื่อนไหวคล้ายกับการขันสกรูของสกรูมือขวา ในขณะที่ใบพัดอยู่ ทางซ้าย ถ้าการเคลื่อนไหวคล้ายกับการหมุนของสกรูซ้าย ในมือขวาα-helices สารทดแทน -R ของกรดอะมิโนจะตั้งฉากกับแกนหลักของโปรตีนและหันออกด้านนอกในขณะที่ด้านซ้ายมือเอนริเก้ -R substituents หันเข้าด้านใน a-helices ที่ถนัดขวามีความเสถียรมากกว่ามือซ้ายเพราะมีปฏิสัมพันธ์น้อยลงและมีกลุ่มสเตียรอยด์น้อยกว่าระหว่าง -R-cells α-helix ทั้งหมดที่พบในโปรตีนนั้นถนัดขวา

โครงสร้างของα-helix ถูกทำให้เสถียรโดยพันธะไฮโดรเจน (สะพานไฮโดรเจน) ที่เกิดขึ้นระหว่างกลุ่มคาร์บอกซิล (-C = O) ของกรดอะมิโนแต่ละตัวและกลุ่มอะมิโน (-NH) ซึ่งพบสี่ตกค้างในภายหลัง ลำดับเชิงเส้น

ตัวอย่างของโปรตีนที่มีโครงสร้างα-helix คือเคราตินผม

βแผ่น

ในโครงสร้างแผ่น it มันเป็นไปได้ที่จะสร้างพันธะไฮโดรเจนระหว่างกรดอะมิโนที่อยู่ในสายโซ่พอลิเปปไทด์ที่แตกต่างกัน แต่ขนานกับกรดอะมิโนที่มีโปรตีนเดียวกันซึ่งอยู่ห่างกัน แต่ไหลในทิศทางตรงกันข้าม อย่างไรก็ตามพันธะไฮโดรเจนนั้นอ่อนแอกว่าที่ทำให้เสถียรในรูปแบบα-helix

ตัวอย่างของโครงสร้าง sheet แผ่นคือไหมไฟบริน (นอกจากนี้ยังมีในใยแมงมุม)

การขยายโครงสร้างα-helix จะดำเนินการเปลี่ยนจากα-helix เป็นβ-sheet ความร้อนหรือความเค้นเชิงกลอนุญาตให้ผ่านจากโครงสร้างα-helix ไปยังβ-sheet

โดยปกติในโปรตีนโครงสร้าง leaf-leaflet จะอยู่ใกล้กันเนื่องจากพันธะระหว่างไฮโดรเจนสามารถสร้างขึ้นได้ระหว่างส่วนของโปรตีนเอง

ในโปรตีนที่เป็นเส้นใยโครงสร้างโปรตีนส่วนใหญ่ถูกจัดอยู่ในα-helix หรือ sheet-sheet

GLOBULAR PROTEINS: พวกมันมีโครงสร้างเชิงพื้นที่เกือบเป็นทรงกลม (เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงทิศทางของโซ่โพลีเปปไทด์จำนวนมาก); บางส่วนของสิ่งมีชีวิตสามารถสืบย้อนกลับไปยังโครงสร้างα-helix หรือ sheet-sheet และส่วนอื่น ๆ นั้นไม่ได้เกิดจากรูปแบบดังกล่าว: การจัดเรียงนั้นไม่ได้สุ่ม แต่จัดระเบียบและซ้ำซ้อน

โปรตีนที่อ้างถึงในตอนนี้เป็นสารของรธน. ที่เป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมด: ซึ่งเป็นลำดับของกรดอะมิโนรวม โปรตีนดังกล่าวเรียกว่า ง่าย มีโปรตีนที่ประกอบด้วยส่วนโปรตีนและส่วนที่ไม่ใช่โปรตีน (กลุ่มต่อมลูกหมากโต) เรียกว่าโปรตีน ผัน

คอลลาเจน

มันเป็นโปรตีนที่มีมากที่สุดในธรรมชาติ: มันมีอยู่ในกระดูก, ในเล็บ, ในกระจกตาและในสายตาของผลึก, ระหว่างช่องว่างคั่นระหว่างอวัยวะบางส่วน (เช่นตับ) และอื่น ๆ

โครงสร้างของมันให้ความสามารถทางกลโดยเฉพาะ มีความต้านทานเชิงกลที่ดีที่เกี่ยวข้องกับความยืดหยุ่นสูง (เช่นในเอ็น) หรือความมั่นคงสูง (เช่นในกระดูก) ขึ้นอยู่กับฟังก์ชั่นที่จะดำเนินการ

หนึ่งในคุณสมบัติที่อยากรู้อยากเห็นมากที่สุดของคอลลาเจนคือความเรียบง่ายที่เป็นส่วนประกอบ: มันถูกสร้างขึ้นประมาณ 30% ของ proline และประมาณ 30% ของ glycine ; กรดอะมิโนอื่น ๆ 18 แห่งจะต้องแบ่งส่วนที่เหลืออีก 40% ของโครงสร้างโปรตีนเท่านั้น ลำดับกรดอะมิโนของคอลลาเจนเป็นปกติอย่างน่าทึ่ง: ทุกสามตกค้างที่สามคือ glycine

โพรลีนเป็นกรดอะมิโนแบบวัฏจักรซึ่งกลุ่ม อาร์ ผูกกับไนโตรเจนα-อะมิโนและสิ่งนี้ให้ความแข็งแกร่งอย่างแน่นอน

โครงสร้างสุดท้ายคือห่วงโซ่ซ้ำ ๆ ที่มีรูปร่างเป็นเกลียว ภายในห่วงโซ่คอลลาเจนไม่มีพันธะไฮโดรเจน คอลลาเจนเป็นเกลียวซ้ายมือที่มีระยะห่าง (ความยาวตรงกับหนึ่งรอบของเกลียว) มากกว่า a-helix; คอลลาเจนเกลียวนั้นหลวมจนโซ่โปรตีนสามเส้นสามารถพันกันเป็นเชือกเดี่ยว: โครงสร้างสามเกลียว

อย่างไรก็ตามคอลลาเจนที่มีเกลียวสามชั้นนั้นมีความเสถียรน้อยกว่าทั้งโครงสร้างα-helix และ sheet-sheet

ตอนนี้เรามาดูกลไกการสร้าง คอลลาเจน ลองพิจารณาตัวอย่างเช่นการแตกของหลอดเลือด: การแตกนี้มาพร้อมกับสัญญาณมากมายเพื่อปิดหลอดเลือดแล้วก่อตัวเป็นก้อน การแข็งตัว ต้องใช้เอนไซม์พิเศษอย่างน้อยสามสิบชนิด หลังจากการแข็งตัวของเนื้อเยื่อจะต้องได้รับการซ่อมแซม; เซลล์ที่อยู่ใกล้แผลยังผลิตคอลลาเจน ในการทำสิ่งนี้สิ่งแรกคือการแสดงออกของยีนคือการกล่าวว่าสิ่งมีชีวิตเริ่มปฏิบัติการจากข้อมูลของยีนพวกเขาสามารถสร้างโปรตีนได้ (ข้อมูลทางพันธุกรรมถูกคัดลอกบน mRNA ซึ่งมาจาก นิวเคลียสและไปถึงไรโบโซมในไซโตพลาสซึมซึ่งข้อมูลทางพันธุกรรมถูกแปลเป็นโปรตีน) ดังนั้นคอลลาเจนจะถูกสังเคราะห์ในไรโบโซม (ปรากฏเป็นเกลียวด้านซ้ายซึ่งประกอบด้วยกรดอะมิโนประมาณ 1, 200 ตัวและมีน้ำหนักโมเลกุลประมาณ 150000 d) จากนั้นจะสะสมในลูเมนซึ่งจะกลายเป็นสารตั้งต้นสำหรับเอนไซม์ที่สามารถปรับเปลี่ยนตำแหน่งได้ - การแปล (แก้ไขภาษาที่แปลจาก mRNA); ในคอลลาเจนการดัดแปลงเหล่านี้ประกอบด้วยการออกซิเดชั่นของโซ่ข้างบางอันโดยเฉพาะโพรลีนและไลซีน

ความล้มเหลวของเอ็นไซม์ที่นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้เกิดอาการเลือดออกตามไรฟัน: เป็นโรคที่ทำให้เกิดการแตกหักของหลอดเลือดในขั้นต้นการแตกของฟันที่มีเลือดออกในลำไส้และการเสียชีวิตตามมา; มันอาจเกิดจากการใช้อย่างต่อเนื่องของอาหารยาวนาน

ต่อจากนั้นเนื่องจากการกระทำของเอนไซม์อื่น ๆ การเปลี่ยนแปลงอื่น ๆ ที่เกิดขึ้นประกอบด้วย glycosidation ของกลุ่มไฮดรอกซิลของโพรลีนและไลซีน (กับออกซิเจนของน้ำตาลที่จับกับ OH); เอ็นไซม์เหล่านี้พบได้ในโซนอื่นนอกเหนือจากลูเมนดังนั้นในขณะที่โปรตีนผ่านการดัดแปลงมันจะย้ายเข้าไปในเอนโดพลาสซึมเรติเคิลเพื่อจบในถุง (ถุง) ซึ่งอยู่ใกล้กับตัวเองและหลุดออกมาจากตาข่าย โมโนเมอร์ของ glycoside pro-collagen; หลังถึงอุปกรณ์ Golgi ที่เอนไซม์เฉพาะรับรู้ cysteine ​​ที่มีอยู่ในส่วน carboxy ของ pro-collagen glycosidate และทำให้โซ่ต่าง ๆ เข้าหากันและสร้างสะพานซัลไฟด์: จึงได้รับสาม คอลลาเจนไกลโคไซด์เชื่อมโยงเข้าด้วยกันและนี่คือจุดเริ่มต้นที่โซ่ทั้งสามเชื่อมต่อกันแล้วเกิดขึ้นตามธรรมชาติทำให้เกิดเกลียวสามส่วน โซ่สามคอลลาเจนโปร - คอลลาเจน glyoxide ถูกผูกมัดเข้าด้วยกันจากนั้นเป็นตุ่มที่ควบคุมปริมาณของตัวเองแยกตัวออกจากอุปกรณ์ Golgi ที่ลำเลียงโซ่สามเส้นไปยังบริเวณรอบนอกของเซลล์ที่ผ่านฟิวชั่นกับพลาสมาเมมเบรน ที่กันจอนจะถูกขับออกจากเซลล์

ในพื้นที่พิเศษของเซลล์มีเอนไซม์เฉพาะคือโปรคอลลาเจนเปปไทเดสซึ่งแยกออกจากสปีชีส์ที่พุ่งออกมาจากเซลล์สามส่วน (หนึ่งสำหรับแต่ละเกลียว) ของกรดอะมิโน 300 ตัวจากขั้วคาร์บอกซี่และสามชิ้น (หนึ่งสำหรับแต่ละตัว ส่วนที่เป็นเกลียว) ประมาณ 100 กรดอะมิโนแต่ละตัวทางด้านอะมิโนโตมินัล: ยังคงเป็นเกลียวสามส่วนซึ่งประกอบด้วยอะมิโนซิซิดประมาณ 800 ตัวสำหรับเกลียวที่เรียกว่า tropocollagene

tropocollagen มีลักษณะของแท่งที่ค่อนข้างแข็ง เครื่องตัดแต่งที่แตกต่างกันนั้นเกี่ยวข้องกับพันธะโควาเลนต์เพื่อให้โครงสร้างที่ใหญ่กว่า: ไมโครฟิบ ริล ในไมโครไฟบริลนั้นอุปกรณ์จัดแต่งแบบต่างๆถูกจัดเรียงในลักษณะที่ถูกแทนที่ microfibrils จำนวนมากเป็นกลุ่มของ tropocollagen

ในกระดูกในหมู่เส้นใยคอลลาเจนจะมีช่องว่างคั่นระหว่างหน้าซึ่งมีซัลเฟตและฟอสเฟตของแคลเซียมและแมกนีเซียมสะสมอยู่: เกลือเหล่านี้ยังครอบคลุมเส้นใยทั้งหมด สิ่งนี้ทำให้กระดูกแข็ง

ในเอ็นกล้ามเนื้อช่องว่างคั่นระหว่างหน้าจะอุดมไปด้วยผลึกน้อยกว่ากระดูกในขณะที่มีโปรตีนขนาดเล็กกว่า tropocollagen: สิ่งนี้จะช่วยให้ความยืดหยุ่นกับเอ็นกล้ามเนื้อ

โรคกระดูกพรุนเป็นโรคที่เกิดจากการขาดแคลเซียมและแมกนีเซียมซึ่งทำให้ไม่สามารถแก้ไขเกลือในบริเวณคั่นระหว่างของเส้นใย tropocollagen