O privire la chimie
Proteinele pot fi plasate mai întâi în "lumea biologică" deoarece, datorită numeroaselor lor funcții, nu ar exista viață fără ele.
Analiza elementară a proteinelor dă următoarele valori medii: 55% carbon, 7% hidrogen și 16% azot; este clar că proteinele diferă una de cealaltă, însă compoziția lor elementară medie diferă puțin de valorile indicate mai sus.
Constitutiv, proteinele sunt macromolecule formate din a-aminoacizi naturali; Aminoacizii sunt combinați prin legătura amidică care este stabilită prin reacția dintre o grupare amino a unui aminoacid și carboxilul unui alt a-aminoacid. Această legătură (-CO-NH-) este numită și o legătură peptidică deoarece leagă peptidele (aminoacizi în combinație):
cel obținut este o dipeptidă deoarece este alcătuită din doi aminoacizi. Deoarece o dipeptidă conține o grupare amino liberă la un capăt (NH2) și o grupare carboxil la cealaltă (COOH), aceasta poate reacționa cu unul sau mai mulți aminoacizi și poate prelungi lanțul din dreapta și din stânga, cu aceeași reacție văzută mai sus.
Secvența de reacții (care, de fapt, nu este chiar atât de simplă) poate continua pe termen nelimitat: până la obținerea unui polimer numit polipeptidă sau proteină . Distincția dintre peptide și proteine este legată de greutatea moleculară: în mod obișnuit pentru greutăți moleculare de peste 10 000 vorbim de proteine.
Legarea împreună a aminoacizilor pentru a obține proteine de dimensiuni mici este o sarcină dificilă, deși recent a fost elaborată o metodă automată de producere a proteinelor din aminoacizi, care dă rezultate excelente.
Cea mai simplă proteină, prin urmare, este alcătuită din 2 aminoacizi: prin convenție internațională, numerotarea ordonată a aminoacizilor într-o structură proteică pornește de la aminoacid cu gruparea a-amino liberă.
Structura proteinelor
Moleculele de proteine sunt modelate astfel încât să poată privi până la patru organizații distincte: ele sunt în general distinse, o structură primară, una secundară una terțiară și una cuaternară.
Structurile primare și secundare sunt esențiale pentru proteine, în timp ce cele terțiare și cuaternare sunt "accesorii" (în sensul că nu pot fi echipate toate proteinele).
Structura primară este determinată de numărul, tipul și secvența aminoacizilor din lanțul proteic; este deci necesar să se determine secvența ordonată a aminoacizilor care alcătuiesc proteina (cunoscând acest lucru înseamnă cunoașterea secvenței exacte a bazelor ADN care codifică această proteină) care nu are dificultăți chimice neglijabile.
A fost posibilă determinarea secvenței ordonate de aminoacizi prin degradarea lui Edman: proteina reacționează cu izotocianatul de fenil (FITC); inițial dubletul azotului a-amino atacă fenil izotiocianatul care formează derivatul de tiocarbamil; ulterior, produsul obținut este ciclizat dând derivatul de feniltioidantoină care este fluorescent.
Edman a conceput o mașină numită un sequencer care reglează automat parametrii (timpul, reactivii, pH-ul etc.) pentru degradare și asigură structura primară a proteinelor (pentru care a primit Premiul Nobel).
Structura primară nu este suficientă pentru a interpreta complet proprietățile moleculelor de proteine; se crede că aceste proprietăți depind într-un mod esențial de configurația spațială pe care moleculele proteinelor tind să le asume, îndoite în diferite moduri: adică, presupunând ceea ce a fost definit ca structura secundară a proteinelor. Structura secundară a proteinelor este tremolabilă, adică are tendința de a scăpa de încălzire; atunci proteinele sunt denaturate prin pierderea multor proprietăți caracteristice. În plus față de încălzirea peste 70 ° C, denaturarea poate fi de asemenea cauzată de iradiere sau de acțiunea reactivilor (de exemplu, din acizii puternici).
Denaturarea proteinelor prin efectul termic se observă, de exemplu, prin încălzirea albului de ou al ouului: se observă pierderea aspectului gelatinos și transformarea acestuia într-o substanță albă insolubilă. Cu toate acestea, denaturarea proteinelor duce la distrugerea structurii lor secundare, însă lasă structura primară nemodificată (concatenarea diferitelor aminoacizi).
Proteinele iau structura terțiară când lanțul lor, deși este încă flexibil, în ciuda îndoirii structurii secundare, se îndoaie astfel încât să creeze un aranjament tridimensional răsucite în forma unui corp solid. Responsabil pentru structura terțiară sunt, mai presus de toate, legăturile disulfidice care pot fi stabilite între cisteinele -SH dispersate de-a lungul moleculei.
Structura cuaternară, pe de altă parte, concurează numai cu proteine formate din două sau mai multe subunități. Hemoglobina, de exemplu, este compusă din două perechi de proteine (de exemplu, în cele patru lanțuri de proteine) situate în partea de sus a unui tetraedru pentru a da naștere unei structuri de formă sferică; cele patru lanțuri de proteine sunt ținute împreună prin forțe ionice și nu prin legături covalente.
Un alt exemplu de structură cuaternară este insulina, care pare să fie formată din șase subunități de proteine aranjate în perechi la vârful unui triunghi în centrul căruia sunt localizați doi atomi de zinc.
PROTEINELE FIBROSE: sunt proteine cu o anumită rigiditate și având o axă mult mai lungă decât cealaltă; proteina fibroasă prezentă în cantitate mai mare în natură este colagenul (sau colagenul).
O proteină fibroasă poate lua mai multe structuri secundare: α-helix, β-prospect și, în cazul colagenului, triplu helix; α-helix este structura cea mai stabilă, urmată de foaia β, în timp ce cea mai puțin stabilă dintre cele trei este helixul triplu.
α-helix
Elicei se spune că este dreaptă dacă, urmând scheletul principal (orientat de jos în sus), se face o mișcare asemănătoare cu înșurubarea unui șurub din dreapta; în timp ce elicea este stânga, dacă mișcarea este analogă cu înșurubarea unui șurub de stânga. În a-helicile din partea dreaptă, substituenții -R ai aminoacizilor sunt perpendiculați pe axa principală a proteinei și sunt întoarși în afară, în timp ce în heliile din stânga substituenții -R sunt transformați spre interior. A-helicii dreptaci sunt mai stabili decât cei ai mâinii stângi, deoarece există o interacțiune mai mică și o cantitate mai mică sterică între celulele -R. Toate α-helixurile găsite în proteine sunt drepte.
Structura α-helixului este stabilizată prin legăturile de hidrogen (punți de hidrogen) care se formează între gruparea carboxil (-C = O) fiecărui aminoacid și gruparea amino (-NH), care se găsește patru resturi mai târziu în liniar.
Un exemplu de proteină care are structură α-helix este keratina de păr.
β-coli
În structura p-foii este posibil să se formeze legături de hidrogen între aminoacizii aparținând lanțurilor polipeptidice diferite, dar paralele unul cu celălalt sau între aminoacizii aceleiași proteine, de asemenea distanțați numeric unul de altul, dar care curg în direcții antiparale. Cu toate acestea, legăturile de hidrogen sunt mai slabe decât cele care stabilizează forma α-helix.
Un exemplu de structură din tabelul β este fibrina de mătase (există, de asemenea, în păianjen).
Extinderea structurii α-helix, se efectuează trecerea de la α-helix la foaia β; de asemenea, căldura sau solicitarea mecanică permit trecerea de la structura α-helix la foaia β.
În mod obișnuit, într-o proteină, structurile β-pliante sunt apropiate una de cealaltă deoarece legăturile inter-hidrogen pot fi stabilite între porțiunile proteinei în sine.
În proteinele fibroase, cea mai mare parte a structurii proteice este organizată în fază α-helix sau β-foaie.
PROTEINELE GLOBULARE: au o structură spațială aproape sferică (datorită numeroaselor schimbări de direcție ale lanțului polipeptidic); unele porțiuni ale ființei pot fi urmărite înapoi la o structură de tip α-helix sau p-sheet și alte porțiuni nu sunt totuși atribuite unor astfel de forme: aranjamentul nu este întâmplător, ci organizat și repetitiv.
Proteinele menționate până în prezent sunt substanțe constitutive omogene: adică și secvențe de aminoacizi combinați; aceste proteine sunt numite simple ; există proteine care constau dintr-o parte proteică și o parte non-proteică (grupul prostatic) numită proteine conjugate .
colagenul
Este cea mai abundentă proteină din natură: este prezentă în oase, în unghii, în cornee și în ochiul cristalin, între spațiile interstițiale ale unor organe (de exemplu, ficatul) și așa mai departe.
Structura sa îi conferă capacități mecanice deosebite; are o rezistență mecanică mare asociată cu o elasticitate ridicată (de exemplu în tendoane) sau o rigiditate ridicată (de exemplu, în oase) în funcție de funcția care trebuie efectuată.
Una dintre cele mai curioase proprietăți ale colagenului este simplitatea sa constitutivă: se formează aproximativ 30% din prolină și aproximativ 30% din glicină ; ceilalți 18 aminoacizi trebuie să împartă restul de 40% din structura proteică. Secvența de aminoacizi a colagenului este remarcabil de regulată: la fiecare trei reziduuri, a treia este glicina.
Prolină este un aminoacid ciclic în care grupul R se leagă de azotul a-amino și aceasta dă o anumită rigiditate.
Structura finală este un lanț repetitiv având forma unei spirale; în lanțul de colagen, nu există legături de hidrogen. Colagenul este un helix de stânga cu pas (lungimea corespunzătoare unei rotații a helixului) mai mare decât a-helix; helixul de colagen este atât de slăbit încât trei lanțuri de proteine sunt capabile să se înfășoare unul pe celălalt, formând o singură coardă: structura triple-helix.
Triplele helixuri de colagen sunt, cu toate acestea, mai puțin stabile decât atât structura α-helix cât și β-foaia.
Să analizăm acum mecanismul prin care se produce colagenul ; ia în considerare, de exemplu, ruptura unui vas de sânge: această ruptură este însoțită de o multitudine de semnale pentru a închide vasul, apoi pentru a forma cheagul. Coagularea necesită cel puțin treizeci de enzime specializate. După coagulare, țesutul trebuie reparat; celulele din apropierea plăgii produc, de asemenea, colagen. Pentru a face acest lucru, mai intai este indusa expresia unei gene, adica organismele incepe sa functioneze din informatia unei gene, sunt capabile sa produca proteina (informatia genetica este transcrisa pe ARNm care iese din nucleul și ajunge la ribozomii din citoplasmă în care informațiile genetice sunt traduse în proteine). Prin urmare, colagenul este sintetizat în ribozomi (apare ca o helixă de mână stângă compusă din aproximativ 1200 de aminoacizi și având o greutate moleculară de aproximativ 150000 d) și apoi se acumulează în lumenul unde devine un substrat pentru enzimele capabile să facă modificări la post - traduceri (modificări ale limbii traduse din ARNm); în colagen, aceste modificări constau în oxidarea unor lanțuri laterale, în special a prolinei și lizinei.
Eșecul enzimelor care duc la aceste modificări cauzează scorbut: este o boală care provoacă, inițial, ruperea vaselor de sânge, spargerea dinților la care pot să apară hemoragii intermitente și moartea; poate fi cauzată de utilizarea continuă a produselor alimentare de lungă durată.
Ulterior, datorită acțiunii altor enzime, apar alte modificări care constau în glicozidarea grupărilor hidroxil ale prolinei și lizinei (la oxigenul OH legat de zahăr); aceste enzime se găsesc în alte zone decât lumenul, în timp ce proteina suferă modificări, migrează în interiorul reticulului endoplasmatic pentru a ajunge în saculete (vezicule) care se închid pe ele însele și coboară din grâu: monomerul pro-colagenului glicozidic; acesta din urmă ajunge la aparatul Golgi, unde enzimele particulare recunosc cisteina prezentă în partea carboxi terminală a glicozidatului pro-colagen și determină ca lanțurile diferite să se apropie una de alta și să formeze punți disulfidice: obținându-se astfel trei Colagenul glicozidic este legat împreună și acesta este punctul de plecare al căruia cele trei lanțuri, interpenetrând, apoi spontan, dau naștere la triplu helix. Cele trei lanțuri de glicoxid de pro-colagen legat împreună ajung, apoi o vezicul care, trăgându-se pe ea însăși, se detașează de aparatul Golgi transportând cele trei lanțuri către periferia celulei unde, prin fuziunea cu membrana plasmatică dispozitivul de tăiere este scos din celulă.
În spațiul extracelular există anumite enzime, peptidazele pro-colagen care îndepărtează din specia ejectată din celulă trei fragmente (câte unul pentru fiecare helix) de câte 300 de aminoacizi fiecare din partea carboxi terminal și trei fragmente (câte unul pentru fiecare helix) de aproximativ 100 de aminoacizi fiecare, pe partea aminoterminală: rămâne o helix triplu constând din aproximativ 800 de aminoacizi pentru helix cunoscut sub numele de tropocollagene .
Tropocollagenul are aspectul unui băț destul de rigid; trimerii diferiți sunt asociați cu legături covalente pentru a da structuri mai mari: microfibrili . În microfibrili, diferitele triere sunt aranjate într-un mod deplasat; multe microfibrili constituie legături de tropocollagen.
În oase, printre fibrele de colagen, există spații interstițiale în care sunt depuse sulfați și fosfați de calciu și magneziu: aceste săruri acoperă de asemenea toate fibrele; acest lucru face ca oasele să fie rigide.
În tendoanele, spațiile interstițiale sunt mai puțin bogate în cristale decât oasele, în timp ce există proteine mai mici decât tropocollagenul: aceasta oferă elasticitate tendoanelor.
Osteoporoza este o boală cauzată de lipsa de calciu și magneziu, ceea ce face imposibilă fixarea sărurilor în zonele interstițiale ale fibrelor tropocollagen.
