Aminokiseline, peptidi, proteiniStruktura i funkcija

Naziv potie od grke rijei protos to znai prvi ili prije svih.

Svi proteini, poevi od E.coli do ovjeka sastavljeni su iz seta od 20 aminokiselina: samo 20 gradivnih elemenata meusobno povezanih kovalentnim vezama u karakteristinoj linearnoj sekvenci.

Proteini su dehidratacioni polimeri aminokiselina.

Mogu se razloiti do aminokiselina razliitim postupcima.

U proteine spadaju: enzimi, hormoni, antitijela, transporteri, miii, proteini one lee, perje, paukova mrea, rog nosoroga, proteini mlijeka, antibiotici, otrovi gljiva i mnotvo drugih supstanci sa razliitim biolokim djelovanjem.

Opa struktura aminokiselina.Sve - aminokiseline, izuzev prolina, imaju ovakvu strukturu. Prolin je ciklina aminokiselina.Karboksilna i amino grupa vezane su za isti C-atom, oznaen kao - karbon.Aminokiseline se meusobno razlikuju po bonom lancu ili R- grupama.

C-atom predstavlja hiralni centar.Aminokiseline su optiki aktivne jer zakreu ravan polarizovane svjetlosti

U praksi postoje dva nain numeracije karbon atoma aminokiselina.

etiri razliite grupe mogu zauzeti dva prostorna rasporeda koji se ne preklapaju i predstavljaju stereoizomere-enantiomere.Dva stereoizomera predstavljaju predmet i lik u ogledalu.Apsolutna konfiguracija jednostavnih eera i aminokiselina specificirana je pomou L- i D- sistema. Aminokiselinski ostaci u proteinima su L-stereoizomeri.

Aminokisline se dijele na 5 klasa na osnovu polarnosti R-grupa, odnosno njihove tendencije da reaguju s vodom pri biolokom pH:Nepolarne alifatske R grupeAromatske R-grupePolarne nenaelektrisane R-grupePozitivno naelektrisane (bazne) R-grupeNegativno naelektrisane (kisele) R-grupe

Nestandardne aminokiseline nastaju modifikacijom standardnih ostataka koji su ve ugraeni u polipeptid.Hidroksilizin i hidroksiprolin ulaze u strukturu kolagena.Metillizin je konstituent miozina.gama-karboksiglutamat ulazi u strukturu protrombina i drugih proteina koji veu kalcijum.Komplicirana aminokiselina dezmozin sadri etiri lizinska ostatka i ulazi u strukturu elastina.Selenocistein je rijetka aminokiselina koja sadri selen umjesto sumpora u cisteinu.U stanicama je otrkiveno je oko 300 dodatnih aminokiselina. Ornitin i citrulin uestvuju u metabolizmu arginina i u ciklusu uree.

Peptidi i proteini su polimeri aminokiselina koji mogu sadravati od dvije ili tri aminokiseline do nekoliko hiljada povezanih aminokiselinskih ostataka.Dvije aminokiseline se kovalentno veu pomou supstituirane amidne veze koja se zove peptidna veza.Peptidna veza nastaje kondenzacijom. Da bi se zadovoljili termodinamiki zahtjevi za odvijanje reakcije kondenzacije neophodno je da se aktivira karboksilna grupa.

Nastajanje peptidne veze

Meusobno povezivanje dvije aminokiseline sa jednom peptidnom vezom daje dipeptid.

Meusobno povezivanje tri aminokiseline sa dvije peptidne veze daje tripeptid.

Nekoliko povezanih aminokiselina ini oligopeptid.

Mnogo povezanih aminokiselina ini polipeptid.

Proteini mogu imati hiljade aminokiselinskih ostataka.

Proteini su polipeptidi sa Mr iznad 10000.

Neki proteini se sastoje iz jednog polipeptidnog lanca, dok se drugi sastoje iz dva ili vie nekovalentno povezanih polipeptidnih lanaca. Ovi proteini se nazivaju multipodjedinini proteini.Pojedini polipeptidni lanci u multipodjedininim proteinima mogu biti identini i ovakvi proteini su oligomeri sastavljeni od polipeptida-protomera. Ponekad su polipeptidni lanci u proteinima vezani kovalentno. Na primjer u insulinu su dva polipeptidna lanca povezana disulfidnim vezama.U ovom sluaju polipeptidni lanci nisu podjedinice.

Mnogi proteini (enzimi ribonukleaza i himotripsin) sadre samo aminokiseline. To su jednostavni proteini.Neki proteini uz aminokiseline sadre asocirane i druge hemijske grupe. To su konjugovani proteini.Neaminokiselinski dio konjugovanih proteina naziva se prostetska grupa.

Postoji nekoliko nivoa u strukturi proteina.Sekvenca aminokiselina u polipeptidnom lancu predstavlja primarnu strukturu proteina.Sekundarna struktura je stabilni aranman aminokiselinskih ostataka koji ini dio ponavljajueg strukturnog uzorka proteina.Tercijarna struktura opisuje sve aspekte trodimenzionalnog svijanja (foldinga) polipeptida. Kada protein sadri dvije ili vie podjedinica tada njihov aranman u prostoru predstavlja kvaternernu strukturu.

Prilikom razmatranja viih nivoa strukture korisno je klasificirati proteine u 2 glavne grupeFibrilarne proteine (alfa-keratin, kolagen, fibroin svile)Globularne proteine (albumin, mioglobin, hemoglobin)Fibrilarni proteini sadre polipeptidne lance organizirane u duge niti ili povri, dok globularni proteini sadre polipeptidne lance svijene u globularni ili sferni oblik.

Hemoglobin, mioglobinDva glavna mehanizma opskrbe kisikom u kimenjaka:1.Cirkulatorni sistem2.Koritenje molekula-prijenosnika oksigena, pomou kojih se prevazilazi problem male topivosti oksigena u vodi.

Prijenosnici oksigena u vertebrata su hemoglobin i mioglobin.

Hemoglobin se nalazi u eritrocitima i slui kao prijenosnik oksigena u krvi. Hemoglobin ima kljunu ulogu pri prijenosu karbon dioksida i hidrogena.

Mioglobin, smjeten u miiima, slui kao spremnik oksigena i olakava njegovo kretanje u miiima.Oksigen se vee za prostetsku grupu-hem.Oksigen je slabo topiv u vodenim otopinama.Reverzibilno vezanje oksigena vre prelazni metali Fe i Cu koji imaju jak afinitet za oksigen.

Struktura hema

Koordinativno vezani atomi nitrogena imaju karakter elektron donora i imaju udjela u sprjeavanju konverzije Fe2+u Fe3+.

Atom Fe ima 6 koordinativnih veza, 4 u ravnini porfirinskog prstena sa nitrogenima pirola i 2 okomite na ravninu prstena.

1.Mioglobin sadri 153 AK.2. 75% lanca je u obliku 8 -heliksa. Izmeu heliksa nalazi se 5 neheliksnih segmenata i jo 2 neheliksna regiona na N- i C-terminusu (2 AK na N i 5 AK na C)3. U unutranjosti se nalaze nepolarni ostaci i 2 polarna ostatka histidina.4. Osam -heliksnih segmenata oznaeni su slovima od A do H. Neheliksni ostaci koji povezuju helikse oznaeni su kao AB, CD, EF itd. Hem je smjeten u depu koji najveim dijelom grade E i F heliksi.

Na slici je prikazan prostorni raspored kljunih aminokiselinskih ostataka oko hema mioglobina. O2 je hidrogenskom vezom povezan za distalni histidin.

Hemoglobin se sastoji iz 4 polipeptidna lanca 2 i 2 lanca (A1). lanci imaju po 141 AK ostatak, a lanci po 146 ostataka.Hemoglobin A2 sadri 2 i 2 lanca.Fetusni hemoglobin (HbF) sadri 2 i 2 lanca.U hemoglobinu A1c (glikozilirani hemoglobin) ostaci glukoze kovalentno su vezani za N-terminuse lanaca.

Molekula hemoglobina je sferina: etiri polipeptidna lanca su tetraedarski rasporeena. Hem je smjeten u procjepu blizu povrine molekule. Svaki lanac u kontaktu je sa 2 lanca i obrnuto.Nepolarni karakter unutranjosti molekule vaan je za vezanje hema i stabilizaciju 3D strukture svake podjedinice.Hemoglobin je alosteriki protein.Alosterike interakcije omoguavaju hemoglobinu da koordinirano transportira O2, CO2 i H+. i podjedinice su sline mioglobinu, ali poprimaju nove osobine kada se veu u tetramer.Dolazi do interakcije meusobno udaljenih mjesta.

Afinitet hemoglobina za O2 zavisi od pH, konc. CO2, dok afinitet mioglobina ne zavisi od ovih faktoraAfinitet hemoglobina prema oksigenu regulira se pomou organskih fosfata (BPG)Vezanje jedne molekule O2 podstie vezanje drugih molekula O2

Dijagram saturacije (krivulja disocijacije kiseonika)Pri bilo kojoj vrijednosti pO2, saturacija (Y) je vea za mioglobin nego za hemoglobin: Znai da mioglobin ima vei afinitet prema oksigenu od hemoglobina.Krivulja disocijacije oksigena za mioglobin ima oblik hiperbole, a za hemoglobin oblik sigmoide.P50:To je parcijalni pritisak oksigena kod kojeg je 50% mjesta zaposjednuto.

Hemoglobin mora efikasno vezati oksigen u pluima gdje je parcijalni pritisak O2 oko 13,3 kPa i oslobaati ga u tkivima gdje je pO2 oko 4 kPa.Hemoglobin moe prelaziti iz stanja visokog afiniteta (R) u stanje niskog afiniteta (T) prema oksigenu i obrnuto. Zato hemoglobin ima hibridni (S) oblik krivulje vezanja oksigena.

Kooperativno vezanje liganda na multimerni protein predstavlja oblik alosterikog vezanja. Vezanje jednog liganda utie na afinitet preostalih nepopunjenih vezujuih mjesta, pa se O2 moe smatrati i kao ligand i kao aktivirajui homotropni modulator.Na svakoj podjedinici hemoglobina postoji jedno vezujue mjesto za oksigen.Konformacijske promjene koje se prenose s jedne podjedinice na drugu izazvane su alosterikim efektima koji poveavaju kooperativnost.Sigmoidna kriva omoguava mnogo senzitivniji odgovor na promjenu koncentracije liganda.

Promjena konformacije prilikom vezanja O2.

Rentgenostrukturne analize pokazale da se kvaternerne strukture oksihemoglobina i deoksihemoglobina znaajno razlikuju.Oksihemoglobin je znaajno kompaktniji.Razmak izmeu Fe u oksihemoglobinu manji za 0,7 nm.Vezanje oksigena izaziva strukturne promjene u hemoglobinu.Oksigen ima mnogo vei afinitet za R-oblik hemoglobina.Vezanje oksigena stabilizira R-oblik. Kada oksigen nije prisutan, T stanje je stabilnije.T-stanje je predomonantna konformacija deoksihemoglobina.T stanje stabiliziraju ionski parovi koji su najveim dijelom smjeteni na 12 i 21 meupovrini.Ove meupovrine predstavljaju prekida izmeu T i R strukture.

Hemoglobin prenosi dva konana proizvoda celularne respiracije CO2 i H+ do mjesta njihovog izluivanja: plua i bubrega.CO2 se prenosi: 1. izohidrinim transportom2. kao karbaminohemoglobin3. otopljen u plazmi

Vezanje oksigena za hemoglobin regulira 2,3-bisfosfoglicerat.

BPG se vee za deoksihemoglobin.BPG smanjuje afinitet hemoglobina prema oksigenu 26 puta.

BPG stabilizira T-stanje smjetajui se u upljinu izmeu lanaca.

Negativno nabijeni BPG vee se za nekoliko pozitivno nabijenih grupa u T konformaciji: His143, His2 i Lys82.

Molekulske bolestiSrpastu anemiju karakteriziraju tanki, izdueni, srpasti-polumjeseasti eritrociti.iji je poluivot krai nego kod drugih eritrocita.Hemoliza eritrocita dovodi do teke anemije.Samo 1% eritrocita u venskoj cirkulaciji heterozigota je srpasto, dok je u homozigota 50% srpastih eritrocita.

Topivost deoksigeniranog srpastog hemoglobina abnormalno je niska i iznosi 1/25 normalnog hemoglobina.U visokokoncentriranim otopinama srpastog hemoglobina pri deoksigenaciji stvaraju se fibrozni precipitati. Ovi precipitati deformiu eritrocite i daju im srpast oblik.

Jedna aminokiselina u lancu je mutirana: Na poloaju 6 u lancu u HbS nalazi se valin, a u HbA glutamat.Ova zamjena postavlja nepolarne ostatke na vanjsku stranu HbS koje ine tzv. ljepljive povrine.

Ljepljive povrine se veu za tzv. komplementarna mjesta na drugoj molekuli hemoglobina.

Komplementarna mjesta su sastavljena od Phe 85 i Leu 88.

Komplementarna mjesta su izloena na vanjskoj strani u deoksigeniranoj formi hemoglobina.

Srpaste stanice se stvaraju kada je visoka koncentracija deoksigenirane forme hemoglobina S.