Sekilas tentang kimia
Protein dapat ditempatkan di tempat pertama di "dunia biologis" karena, mengingat banyak fungsinya, tidak akan ada kehidupan tanpa mereka.
Analisis unsur protein memberikan nilai rata-rata berikut: 55% karbon, 7% hidrogen dan 16% nitrogen; jelas bahwa protein berbeda satu sama lain, tetapi komposisi unsur rata-rata mereka menyimpang sedikit dari nilai yang ditunjukkan di atas.
Secara konstitusional, protein adalah makromolekul yang terbentuk dari asam α-amino alami; Asam amino bergabung melalui ikatan amida yang terbentuk melalui reaksi antara gugus amino dari asam amino-dan karboksil dari asam amino-lain. Ikatan ini (-CO-NH-) juga disebut ikatan peptida karena mengikat peptida (asam amino dalam kombinasi):
yang diperoleh adalah dipeptida karena dibentuk oleh dua asam amino. Karena dipeptida mengandung gugus amino bebas di satu ujung (NH2) dan karboksil di ujung lainnya (COOH), ia dapat bereaksi dengan satu atau lebih asam amino dan meregangkan rantai baik dari kanan dan dari kiri, dengan reaksi yang sama terlihat di atas.
Urutan reaksi (yang, bagaimanapun juga, tidak begitu sederhana) dapat berlanjut tanpa batas waktu: sampai ada polimer yang disebut polipeptida atau protein . Perbedaan antara peptida dan protein terkait dengan berat molekul: biasanya untuk berat molekul lebih dari 10.000 disebut protein.
Mengikat bersama asam amino untuk mendapatkan protein kecil sekalipun merupakan operasi yang sulit, meskipun baru-baru ini dikembangkan metode otomatis untuk menghasilkan protein dari asam amino yang memberikan hasil yang sangat baik.
Protein paling sederhana, oleh karena itu, terdiri dari 2 asam amino: dengan konvensi internasional, penomoran asam amino dalam struktur protein dimulai dari asam amino dengan gugus a-amino bebas.
Struktur protein
Molekul protein dibentuk sehingga kita dapat melihat hingga empat organisasi yang berbeda: mereka umumnya dibedakan, struktur primer, yang sekunder, yang tersier dan yang kuaterner.
Struktur primer dan sekunder sangat penting untuk protein, sedangkan struktur tersier dan kuartener adalah "aksesori" (dalam arti bahwa tidak semua protein dapat dilengkapi dengan mereka).
Struktur primer ditentukan oleh jumlah, jenis dan urutan asam amino dalam rantai protein; Oleh karena itu perlu untuk menentukan urutan asam amino yang menyusun protein (untuk mengetahui ini berarti mengetahui urutan yang tepat dari basis DNA yang mengkodifikasi untuk protein ini) yang menghadapi kesulitan kimia yang tidak dapat diabaikan.
Itu mungkin untuk menentukan urutan asam amino yang terurut melalui degradasi Edman: protein direaksikan dengan phenylisothiocyanate (FITC); mula-mula doublet dari nitrogen-amino menyerang fenilisotiosianat yang membentuk turunan tiokarbamil; selanjutnya, produk yang dihasilkan akan membentuk turunan feniltioidantoin yang bersifat fluoresen.
Edman telah merancang sebuah mesin yang disebut sequencer yang secara otomatis menyesuaikan parameter (waktu, reagen, pH dll.) Untuk degradasi dan menyediakan struktur utama protein (untuk ini ia menerima hadiah Nobel).
Struktur primer tidak cukup untuk sepenuhnya menafsirkan sifat-sifat molekul protein; Dipercayai bahwa sifat-sifat ini bergantung, dalam cara yang esensial, pada konfigurasi spasial yang cenderung diasumsikan oleh molekul-molekul protein, dengan berbagai cara: dengan asumsi apa yang telah didefinisikan sebagai struktur sekunder protein. Struktur sekunder protein adalah tremolabile, yaitu cenderung dibuang karena pemanasan; kemudian protein didenaturasi, kehilangan banyak sifat khasnya. Selain pemanasan di atas 70 ° C, denaturasi juga dapat disebabkan oleh iradiasi atau oleh aksi reagen (misalnya asam kuat).
Denaturasi protein oleh efek termal diamati, misalnya, dengan memanaskan putih telur: terlihat kehilangan penampilan agar-agar dan berubah menjadi zat putih yang tidak larut. Namun, denaturasi protein menyebabkan kerusakan struktur sekundernya, tetapi meninggalkan struktur primer (gabungan dari berbagai asam amino) tidak berubah.
Protein mengambil struktur tersier ketika rantai mereka, sementara masih fleksibel meskipun lipatan struktur sekunder, melipat sehingga menciptakan pengaturan tiga dimensi bengkok dalam bentuk tubuh yang solid. Ikatan disulfida yang dapat dibentuk antara sistein -SH yang tersebar di sepanjang molekul terutama bertanggung jawab untuk struktur tersier.
Struktur kuartener, di sisi lain, hanya bersaing untuk protein yang dibentuk oleh dua atau lebih subunit. Hemoglobin, misalnya, terdiri dari dua pasang protein (yaitu, dalam semua empat rantai protein) yang terletak di simpul tetrahedron sedemikian rupa sehingga memunculkan struktur berbentuk bola; empat rantai protein disatukan oleh kekuatan ionik dan bukan oleh ikatan kovalen.
Contoh lain dari struktur kuaterner adalah dari insulin, yang tampaknya terdiri dari sebanyak enam subunit protein yang disusun berpasangan pada simpul-simpul segitiga di pusat di mana dua atom seng berada.
PROTEIN FIBROSE: mereka adalah protein yang diberkahi dengan kekakuan tertentu dan memiliki sumbu lebih lama dari yang lain; protein berserat yang paling berlimpah di alam adalah kolagen (atau kolagen).
Protein berserat dapat mengambil beberapa struktur sekunder: α-helix, β-leaflet dan, dalam kasus kolagen, triple helix; α-helix adalah struktur yang paling stabil, diikuti oleh β-leaflet, sedangkan yang paling tidak stabil dari ketiganya adalah triple helix.
α-helix
Baling-baling dikatakan tangan kanan jika, mengikuti kerangka utama (berorientasi dari bawah ke atas), gerakan yang mirip dengan sekrup sekrup kanan dilakukan; sedangkan baling-baling adalah tangan kiri jika gerakannya analog dengan sekrup sekrup tangan kiri. Di tangan kanan α-heliks substituen -R dari asam amino tegak lurus terhadap sumbu utama protein dan menghadap ke luar, sedangkan di tangan kiri a-heliks substituen -R menghadap ke dalam. Heliks tangan kanan lebih stabil daripada yang di tangan kiri karena di antara tong-R ada interaksi yang lebih sedikit dan hambatan sterik yang lebih sedikit. Semua α-helix yang ditemukan dalam protein bersifat dekstrogin.
Struktur α-helix distabilkan oleh ikatan hidrogen (jembatan hidrogen) yang terbentuk antara gugus karboksil (-C = O) dari setiap asam amino dan gugus amino (-NH) yang merupakan empat residu kemudian dalam urutan linear.
Contoh protein yang memiliki struktur α-helix adalah keratin rambut.
β-sheet
Dalam struktur β-leaflet, ikatan hidrogen dapat terbentuk antara asam-asam amino yang memiliki rantai polipeptida paralel yang berbeda atau antara asam-asam amino dari protein yang sama bahkan secara numerik berjarak satu sama lain tetapi mengalir dalam arah antiparalel. Namun, ikatan hidrogen lebih lemah daripada ikatan yang menstabilkan bentuk α-helix.
Contoh dari struktur β-leaflet adalah sutra fibrin (juga ditemukan dalam sarang laba-laba).
Dengan memperluas struktur α-helix, transisi dari α-helix ke β-leaflet dilakukan; juga panas atau tekanan mekanis memungkinkan untuk beralih dari struktur α-heliks ke struktur β-sheet.
Biasanya, dalam protein, struktur β-leaflet dekat satu sama lain karena ikatan hidrogen antara bagian-bagian protein dapat terbentuk.
Dalam protein berserat sebagian besar struktur protein diatur sebagai α-helix atau β-leaflet.
PROTEIN GLOBULER: mereka memiliki struktur ruang hampir bulat (karena banyak perubahan arah rantai polipeptida); beberapa bagian makhluk dapat ditelusuri kembali ke struktur α-helix atau β-leaflet dan bagian lain tidak, sebaliknya, disebabkan oleh bentuk-bentuk ini: pengaturannya tidak acak tetapi teratur dan berulang-ulang.
Protein yang dirujuk sejauh ini adalah substansi dari konstitusi yang sepenuhnya homogen: yaitu sekuens murni asam amino gabungan; protein ini disebut sederhana ; ada protein yang terdiri dari bagian protein dan bagian non-protein (kelompok prostat) yang disebut protein terkonjugasi .
kolagen
Ini adalah protein paling banyak di alam: ia ada di tulang, kuku, kornea dan lensa mata, di antara ruang interstitial dari beberapa organ (misalnya hati), dll.
Strukturnya memberikan kemampuan mekanik tertentu; ini memiliki ketahanan mekanis yang besar terkait dengan elastisitas tinggi (misalnya pada tendon) atau kekakuan tinggi (misalnya pada tulang) tergantung pada fungsi yang harus dilakukan.
Salah satu sifat kolagen yang paling aneh adalah kesederhanaan konstitutifnya: ia dibentuk sekitar 30% oleh prolin dan sekitar 30% oleh glisin ; 18 asam amino lainnya harus dibagi hanya 40% sisanya dari struktur protein. Urutan asam amino kolagen sangat teratur: setiap residu ketiga, yang ketiga adalah glisin.
Prolin adalah asam amino siklik di mana gugus R berikatan dengan α-amino nitrogen dan ini memberinya kekakuan tertentu.
Struktur terakhir adalah rantai berulang yang berbentuk heliks; dalam rantai kolagen, ikatan hidrogen tidak ada. Kolagen adalah heliks kiri dengan langkah (panjang yang sesuai dengan revolusi heliks) lebih besar dari α-heliks; heliks kolagen sangat longgar sehingga tiga rantai protein dapat membungkus di antara mereka membentuk tali tunggal: struktur heliks tiga.
Namun, triple helix dari kolagen kurang stabil dibandingkan struktur α-helix dan struktur β-leaflet.
Mari kita lihat mekanisme pembuatan kolagen ; pertimbangkan, misalnya, pecahnya pembuluh darah: pecahnya ini disertai oleh segudang sinyal untuk menutup pembuluh darah, sehingga membentuk gumpalan. Koagulasi membutuhkan setidaknya tiga puluh enzim khusus. Setelah bekuan perlu untuk melanjutkan dengan perbaikan jaringan; sel-sel yang dekat dengan luka juga menghasilkan kolagen. Untuk melakukan ini, pertama ekspresi gen diinduksi, yaitu, organisme yang mulai dari informasi gen dapat menghasilkan protein (informasi genetik ditranskripsi pada mRNA yang berasal dari nukleus dan mencapai ribosom dalam sitoplasma di mana informasi genetik diterjemahkan menjadi protein). Kemudian kolagen disintesis dalam ribosom (muncul sebagai heliks tangan kiri yang terdiri dari sekitar 1200 asam amino dan memiliki berat molekul sekitar 150000 d) dan kemudian terakumulasi dalam lumen di mana ia menjadi substrat untuk enzim yang mampu membuat post modifikasi. -traditional (modifikasi bahasa diterjemahkan oleh mRNA); dalam kolagen, modifikasi ini terdiri dari oksidasi beberapa rantai samping, terutama prolin dan lisin.
Kegagalan enzim yang menyebabkan modifikasi ini menyebabkan penyakit kudis: penyakit yang menyebabkan, pada awalnya pecahnya pembuluh darah, pecahnya gigi yang dapat diikuti oleh perdarahan dan kematian antarintestinal; itu bisa disebabkan oleh penggunaan berkelanjutan dari makanan yang tahan lama.
Selanjutnya, oleh aksi enzim lain, modifikasi lain terjadi yang terdiri dari glikosidasi gugus hidroksil dari prolin dan lisin (gula terikat pada oksigen oleh OH); enzim ini ditemukan di daerah selain lumen karena itu, sementara protein mengalami modifikasi, ia bermigrasi di dalam retikulum endoplasma untuk berakhir di kantung (vesikel) yang menutup diri dan melepaskan diri dari kisi: di dalamnya terkandung monomer pro-kolagen yang terglikosidasi; yang terakhir mencapai peralatan Golgi di mana enzim tertentu mengenali sistein yang ada di bagian karboksi dari pro-kolagen yang terglikosidasi dan menyebabkan rantai yang berbeda untuk saling mendekati dan membentuk jembatan disulfida: tiga rantai pro kolagen glikosidik dihubungkan bersama dan ini adalah titik awal di mana tiga rantai, saling menembus, kemudian, secara spontan, menimbulkan triple helix. Tiga rantai pro-kolagen glikidoksidasi terkait satu sama lain mencapai, kemudian vesikel yang, tersedak sendiri, melepaskan diri dari aparat Golgi, mengangkut tiga rantai menuju pinggiran sel di mana, melalui fusi dengan membran plasma, yang trimetro dikeluarkan dari sel.
Di ruang seluler ekstra, ada enzim khusus, peptidase pro-kolagen, yang dikeluarkan dari spesies yang dikeluarkan dari sel, masing-masing tiga fragmen (satu untuk setiap heliks) dari 300 asam amino, pada sisi terminal karboksi dan tiga fragmen (satu untuk setiap helix) masing-masing sekitar 100 asam amino, dari bagian terminal amino: sisa triple helix, terdiri dari sekitar 800 asam amino untuk helix yang dikenal sebagai tropocollagen .
Tropocollagen memiliki penampilan seperti tongkat yang cukup kaku; trimers yang berbeda dikaitkan dengan ikatan kovalen untuk memberikan struktur yang lebih besar: mikrofibril . Dalam mikrofibril, berbagai trimers disusun secara terhuyung-huyung; begitu banyak mikrofibril adalah bundel tropokolagen.
Di tulang, di antara serat kolagen, ada ruang interstitial di mana kalsium dan magnesium sulfat dan fosfat disimpan: garam-garam ini juga menutupi semua serat; ini membuat tulang kaku.
Dalam tendon, ruang interstitial kurang kaya pada kristal daripada tulang sementara protein yang lebih kecil hadir dibandingkan dengan tropocollagen: ini memberikan elastisitas pada tendon.
Osteoporosis adalah penyakit yang disebabkan oleh kekurangan kalsium dan magnesium yang membuatnya tidak mungkin untuk memperbaiki garam di area interstitial serat-serat tropocollagen.
