Proteíny

Chemické zloženie bielkovín

Základným chemickým parametrom definujúcim danú skupinu zlúčenín je ich chemické zloženie. Pomocou elementárnej analýzy sa zistilo, že štruktúra každého zástupcu proteínovej skupiny obsahuje uhlík (50-55 %), vodík (6-7 %), kyslík (20-23 %), dusík (12-19 %), a menšie množstvá fosforu (0-6 %) a síry (0,2-3 %).

Klasifikácia proteínov podľa ich trojrozmernej formy

Proteíny sú tiež klasifikované ako fibrilárne a globulárne, čo priamo odkazuje na ich trojrozmernú formu. Fibrilárne proteíny sú tvorené polypeptidovými reťazcami tvoriacimi dlhé vlákna. Sú odolné a nerozpustné vo vode, a preto slúžia ako stavebný materiál pre štrukturálne tkanivá, napr. šľachy, kopytá, nechty, spojivové tkanivá ciev a svalov. Najčastejšími predstaviteľmi tejto skupiny sú kolagén a kreatín, ďalej fibrinogén, elastín a myozín. Globulárne alebo glomerulárne proteíny sú molekuly vo forme zložených kompaktov, ktoré pripomínajú guľu. Tieto proteíny sú zvyčajne dobre rozpustné vo vode a voľne migrujú v bunke. Tento typ štruktúry je typický pre väčšinu známych enzýmov, hemoglobín, imunoglobulíny, inzulín a ribonukleázu. Použitie globulárnych proteínov zahŕňa procesy transportu kyslíka, imunitné reakcie a hormonálne a enzymatické regulácie vrátane metabolizmu glukózy a syntézy RNA.

Amfotérne vlastnosti proteínov

Relatívne veľké množstvo ionizujúcich aminokyselinových zvyškov prítomných v globulárnych proteínoch im dáva vlastnosť pôsobiť v roztokoch ako kyseliny, tak aj zásady. Ich vlastnosti závisia od prostredia. V kyslých roztokoch sa v dôsledku obrovského množstva vodíkových iónov obráti disociácia kyslých skupín, čím sa molekula proteínu stane katiónom. V opačnej situácii je však molekulou anión – v alkalickom prostredí alkalické skupiny strácajú elektrický náboj. Vďaka tejto duálnej povahe môžu proteíny disociovať dvoma spôsobmi – kyslým a alkalickým spôsobom. Stupeň disociácie a počet nábojov priamo závisí od pH a typu aminokyselín prítomných v štruktúre. Existuje tiež izoelektrický bod, tj také pH prostredia, v ktorom je rovnaký počet kladných a záporných nábojov a molekula proteínu sa stáva zwitteriónom. Táto hodnota je charakteristická pre jednotlivé proteíny a umožňuje ich oddelenie. V izoelektrickom bode:

• pozoruje sa najmenšia hodnota elektrického náboja a najnižšia vodivosť,
• proteíny vykazujú najnižšiu pohyblivosť, a preto sa väčšina z nich vyzráža alebo premení na sól/gél,
• také vlastnosti ako: viskozita, napučiavacia schopnosť, rozpustnosť, osmotický tlak sú najnižšie.

Štruktúra bielkovín

Táto zložená skupina sa vyznačuje extrémne veľkými štruktúrami na štyroch rôznych úrovniach. Jednoducho povedané, proteín je sekvencia naviazaných aminokyselín. Ide o najzákladnejšiu úroveň ich usporiadania – primárnu štruktúru. Sekundárna štruktúra je určité pravidelné usporiadanie, vyplývajúce z ohybu jadra polypeptidu, a teda z jeho trojrozmernej štruktúry. Ďalej, terciárna štruktúra zahŕňa klasifikáciu založenú na zložení molekuly do jej konečného tvaru. Kvartérna štruktúra opisuje tvorbu väčších agregátov danou molekulou proteínu.

Enzýmy

Enzýmy sú skupinou veľkých proteínov pôsobiacich ako katalyzátory v mnohých biologických reakciách. Svojím špecifickým pôsobením sa líšia od laboratórne používaných chemických katalyzátorov. Typicky je jeden enzým schopný katalyzovať iba jednu reakciu iba jednej zlúčeniny, nazývanej substrát. Napríklad ľudský GI systém obsahuje amylázu, ktorá katalyzuje hydrolýzu škrobu iba na glukózu a nekatalyzuje hydrolýzu celulózy alebo iných polysacharidov. Existujú aj ďalšie enzýmy, ako je papaín, pôsobiace na celú skupinu substrátov, v tomto prípade katalyzujúce hydrolýzu mnohých typov peptidových väzieb. Podobne ako chemické katalyzátory, enzýmy nenarúšajú konštantnú rovnováhu reakcie, ale iba znižujú aktivačnú energiu, čo má za následok zrýchlenie procesu.

Denaturácia bielkovín

Globulárne proteíny majú terciárnu štruktúru, ktorá je udržiavaná v rovnováhe slabými intramolekulárnymi interakciami. Je veľmi ľahké ho narušiť, napr. aj nepatrnou zmenou teploty alebo pH. To má za následok denaturáciu bielkovín. Tieto podmienky sú však natoľko minimálne invazívne, že kovalentné väzby nie sú prerušené. Vďaka tomu sa primárna štruktúra polypeptidu nemení. Každá ďalšia štruktúra však áno, čo vedie k jej rozvinutiu z guľového tvaru a jej premene na chaotický zväzok. Napriek tomu existujú ďalšie faktory, ktoré spôsobujú denaturáciu bielkovín, ako sú UV žiarenie, silné trasenie, vysoký tlak a množstvo chemických faktorov vrátane silných kyselín a solí ťažkých kovov. Denaturácia bielkovín spôsobuje výrazné zmeny ich fyzikálnych a chemických vlastností . Ich rozpustnosť sa drasticky znižuje, čo možno pozorovať napr. pri varení vajec: albumíny sa rozvinú a zrazí do nerozpustnej bielej hmoty vo forme tvarohového proteínu. V dôsledku denaturácie väčšina enzýmov stráca svoju biologickú aktivitu, pretože je zničená kľúčová terciárna štruktúra. Po denaturácii sa zvyšuje aktivita exponovaných chemických skupín, zvyšuje sa uhol natočenia roviny polarizovaného svetla a zvyšuje sa citlivosť na proteolytické enzýmy. Obvykle je proces denaturácie nezvratný, ale spontánne renaturácie sa vyskytujú v počiatočnom štádiu rozvinutia molekuly. Enzýmy potom tiež získajú svoju predtým stratenú biologickú aktivitu. Na základe tohto pozorovania možno konštatovať, že ich terciárna štruktúra sa úplne vracia do svojej stabilnej formy.