proteini - pmf.unsa.ba za organsku hemiju i biohemiju... · –nepolarne aminokiseline, imaju...
TRANSCRIPT
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