Một cái nhìn về hóa học
Protein có thể được đặt đầu tiên trong "thế giới sinh học" bởi vì, với nhiều chức năng của chúng, sẽ không có sự sống nếu không có chúng.
Phân tích nguyên tố của protein cho các giá trị trung bình sau: 55% carbon, 7% hydro và 16% nitơ; rõ ràng là các protein khác nhau, nhưng thành phần nguyên tố trung bình của chúng khác rất ít so với các giá trị được chỉ ra ở trên.
Thông thường, protein là các đại phân tử được hình thành bởi các axit amin tự nhiên; Các axit amin được kết hợp thông qua liên kết amide được thiết lập bằng phản ứng giữa một nhóm amin của a-amino axit và carboxyl của một axit amin khác. Liên kết này (-CO-NH-) cũng được gọi là liên kết peptide vì nó liên kết với peptide (axit amin kết hợp):
cái thu được là một dipeptide vì nó được tạo thành từ hai axit amin. Vì một dipeptide chứa một nhóm amino tự do ở một đầu (NH2) và nhóm carboxyl ở đầu kia (COOH), nó có thể phản ứng với một hoặc nhiều axit amin và kéo dài chuỗi từ cả bên phải và bên trái, với cùng một phản ứng đã thấy ở trên.
Chuỗi các phản ứng (trong thực tế, không thực sự đơn giản) có thể tiếp tục vô tận: cho đến khi có một polymer gọi là polypeptide hoặc protein . Sự khác biệt giữa peptide và protein được liên kết với trọng lượng phân tử: thường là đối với trọng lượng phân tử trên 10.000 chúng ta nói về protein.
Liên kết các axit amin với nhau để thu được các protein có kích thước nhỏ thậm chí là một nhiệm vụ khó khăn, mặc dù gần đây, một phương pháp tự động sản xuất protein từ các axit amin đã được phát triển mang lại kết quả tuyệt vời.
Do đó, protein đơn giản nhất được tạo thành từ 2 axit amin: theo quy ước quốc tế, việc đánh số thứ tự các axit amin trong cấu trúc protein bắt đầu từ axit amin với nhóm a-amino tự do.
Cấu trúc protein
Các phân tử protein được định hình để có thể nhìn thoáng qua tới bốn tổ chức riêng biệt: chúng thường được phân biệt, cấu trúc chính, cấu trúc thứ cấp là bậc ba và bậc bốn.
Các cấu trúc sơ cấp và thứ cấp rất cần thiết cho protein, trong khi cấu trúc bậc ba và bậc bốn là "phụ kiện" (theo nghĩa là không phải tất cả các protein đều có thể được trang bị).
Cấu trúc chính được xác định bởi số lượng, loại và trình tự các axit amin trong chuỗi protein; do đó, cần phải xác định trình tự các axit amin tạo nên protein (biết điều này có nghĩa là biết trình tự chính xác của các bazơ DNA mã hóa cho protein đó) mà không gặp khó khăn về hóa học.
Có thể xác định chuỗi axit amin theo thứ tự bằng cách khử Edman: protein được phản ứng với phenyl isotocyanate (FITC); ban đầu, cặp đôi của α-amino nitơ tấn công phenyl isothiocyanate tạo thành dẫn xuất thiocarbamyl; sau đó, sản phẩm thu được được tuần hoàn tạo ra dẫn xuất phenylthioidantoin là huỳnh quang.
Edman đã phát minh ra một cỗ máy gọi là máy tuần tự tự động điều chỉnh các thông số (thời gian, thuốc thử, pH, v.v.) để phân hủy và cung cấp cấu trúc chính của protein (vì điều này ông đã nhận được giải thưởng Nobel).
Cấu trúc chính không đủ để giải thích hoàn toàn tính chất của các phân tử protein; Theo một cách thiết yếu, người ta tin rằng các tính chất này phụ thuộc vào cấu hình không gian mà các phân tử protein có xu hướng giả định, uốn cong theo nhiều cách khác nhau: đó là giả định cấu trúc thứ cấp của protein. Cấu trúc thứ cấp của protein là run rẩy, nghĩa là nó có xu hướng thoát khỏi bằng cách đun nóng; sau đó protein bị biến tính bằng cách mất nhiều đặc tính đặc trưng của chúng. Ngoài việc làm nóng trên 70 ° C, sự biến tính cũng có thể được gây ra bởi sự chiếu xạ hoặc do tác dụng của thuốc thử (ví dụ từ axit mạnh).
Sự biến tính của protein bằng hiệu ứng nhiệt được quan sát, ví dụ, bằng cách làm nóng lòng trắng trứng: nó bị mất vẻ ngoài sền sệt và biến thành một chất trắng không hòa tan. Tuy nhiên, sự biến tính của protein dẫn đến phá hủy cấu trúc thứ cấp của chúng, nhưng khiến cấu trúc chính không bị thay đổi (sự kết hợp của các axit amin khác nhau).
Các protein đảm nhận cấu trúc bậc ba khi chuỗi của chúng, mặc dù vẫn linh hoạt mặc dù uốn cong cấu trúc thứ cấp, gấp lại theo cách tạo ra sự sắp xếp ba chiều xoắn trong hình dạng của một cơ thể rắn. Chịu trách nhiệm về cấu trúc bậc ba, trên hết, các liên kết disulfide có thể được thiết lập giữa các cysteine -SH phân tán dọc theo phân tử.
Cấu trúc bậc bốn, mặt khác, chỉ cạnh tranh với các protein được hình thành bởi hai hoặc nhiều tiểu đơn vị. Ví dụ, huyết sắc tố bao gồm hai cặp protein (tức là trong cả bốn chuỗi protein) nằm ở đầu của một khối tứ diện để tạo ra cấu trúc hình cầu; bốn chuỗi protein được liên kết với nhau bằng lực ion chứ không phải bởi liên kết cộng hóa trị.
Một ví dụ khác về cấu trúc bậc bốn là insulin, dường như bao gồm sáu tiểu đơn vị protein được sắp xếp theo cặp ở đầu một hình tam giác ở trung tâm nơi đặt hai nguyên tử kẽm.
PRIBIN FIBROSE: chúng là các protein có độ cứng nhất định và có trục dài hơn nhiều so với các loại khác; protein sợi có số lượng lớn hơn trong tự nhiên là collagen (hoặc collagen).
Một protein sợi có thể đảm nhận một số cấu trúc thứ cấp: α-helix, -leaflet và, trong trường hợp collagen, xoắn ba; α-helix là cấu trúc ổn định nhất, tiếp theo là tấm,, trong khi cấu trúc kém ổn định nhất trong ba loại là chuỗi xoắn ba.
α-helix
Cánh quạt được cho là thuận tay phải nếu, theo khung xương chính (được định hướng từ dưới lên trên), một chuyển động tương tự như việc vặn ốc vít bên phải được thực hiện; trong khi chân vịt thuận tay trái nếu chuyển động tương tự như vặn vít của tay trái. Trong các chuỗi xoắn ốc bên phải, các thay thế -R của các axit amin vuông góc với trục chính của protein và được quay ra ngoài, trong khi ở các trợ giúp bên trái, các nhóm thế -R được quay vào trong. Tay lái thuận tay phải ổn định hơn so với tay trái vì có ít tương tác hơn và số lượng lớn ít hơn giữa các tế bào -R. Tất cả các chuỗi xoắn được tìm thấy trong protein đều thuận tay phải.
Cấu trúc của chuỗi xoắn được ổn định bởi các liên kết hydro (cầu hydro) được hình thành giữa nhóm carboxyl (-C = O) của mỗi axit amin và nhóm amino (-NH) được tìm thấy bốn dư lượng sau này trong trình tự tuyến tính.
Một ví dụ về protein có cấu trúc α-helix là keratin tóc.
β-sheet
Trong cấu trúc tờ, có thể hình thành liên kết hydro giữa các axit amin thuộc các chuỗi polypeptide khác nhau nhưng song song với nhau hoặc giữa các axit amin của cùng một protein cũng cách xa nhau về mặt số lượng nhưng chảy theo hướng phản song song. Tuy nhiên, các liên kết hydro yếu hơn các liên kết ổn định dạng α-helix.
Một ví dụ về cấu trúc sheet tờ là fibrin lụa (cũng có trong mạng nhện).
Mở rộng cấu trúc α-helix, quá trình chuyển đổi từ α-helix sang-sheet được thực hiện; cũng như nhiệt hoặc ứng suất cơ học cho phép truyền từ cấu trúc xoắn ốc đến tấm đó.
Thông thường, trong một protein, các cấu trúc lá gần nhau vì các liên kết hydro có thể được thiết lập giữa các phần của chính protein.
Trong các protein dạng sợi, hầu hết cấu trúc protein được tổ chức thành chuỗi xoắn ốc hoặc-sheet.
PROTIN TOÀN CẦU: chúng có cấu trúc không gian gần như hình cầu (do có nhiều thay đổi hướng của chuỗi polypeptide); Tuy nhiên, một số phần có thể được truy nguyên theo cấu trúc α-helix hoặc-sheet và các phần khác không được quy cho các dạng như vậy: sự sắp xếp không ngẫu nhiên nhưng có tổ chức và lặp đi lặp lại.
Các protein được đề cập cho đến nay, là các chất của hiến pháp đồng nhất: đó cũng là chuỗi các axit amin kết hợp; những protein như vậy được gọi là đơn giản ; có những protein bao gồm một phần protein và một phần phi protein (nhóm tuyến tiền liệt) được gọi là protein liên hợp .
collagen
Nó là protein dồi dào nhất trong tự nhiên: nó có trong xương, móng tay, giác mạc và mắt tinh thể, giữa các khoảng kẽ của một số cơ quan (ví dụ như gan), v.v.
Cấu trúc của nó mang lại cho nó khả năng cơ học đặc biệt; có sức đề kháng cơ học lớn liên quan đến độ đàn hồi cao (ví dụ như trong gân) hoặc độ cứng cao (ví dụ trong xương) tùy thuộc vào chức năng được thực hiện.
Một trong những đặc tính gây tò mò nhất của collagen là sự đơn giản cấu thành của nó: nó được hình thành khoảng 30% proline và khoảng 30% glycine ; 18 axit amin khác chỉ phải chia sẻ 40% cấu trúc protein còn lại. Trình tự axit amin của collagen là thường xuyên đáng chú ý: cứ ba dư lượng, thứ ba là glycine.
Proline là một axit amin tuần hoàn, trong đó nhóm R liên kết với nitơ α-amino và điều này mang lại độ cứng nhất định.
Cấu trúc cuối cùng là một chuỗi lặp đi lặp lại có hình dạng của một chuỗi xoắn; trong chuỗi collagen, không có liên kết hydro. Collagen là một chuỗi xoắn bên trái có độ cao (chiều dài tương ứng với một vòng xoắn) lớn hơn chuỗi xoắn; chuỗi xoắn collagen lỏng đến mức ba chuỗi protein có thể quấn quanh nhau tạo thành một sợi dây duy nhất: cấu trúc xoắn ba.
Tuy nhiên, chuỗi xoắn ba của collagen là kém ổn định hơn cả cấu trúc α-helix và-sheet.
Bây giờ chúng ta hãy xem cơ chế sản xuất collagen ; xem xét, ví dụ, vỡ mạch máu: vỡ này đi kèm với vô số tín hiệu để đóng mạch, sau đó hình thành cục máu đông. Sự đông máu cần ít nhất ba mươi enzyme chuyên biệt. Sau khi đông máu, các mô phải được sửa chữa; các tế bào gần vết thương cũng sản xuất collagen. Để làm điều này, đầu tiên biểu hiện của gen được tạo ra, nghĩa là các sinh vật bắt đầu hoạt động từ thông tin của gen, chúng có thể tạo ra protein (thông tin di truyền được phiên mã từ mRNA xuất phát từ nhân và đến các ribosome trong tế bào chất nơi thông tin di truyền được dịch thành protein). Do đó, collagen được tổng hợp trong các ribosome (nó xuất hiện dưới dạng một chuỗi xoắn bên trái bao gồm khoảng 1.200 axit amin và có trọng lượng phân tử khoảng 150000 d) và sau đó tích lũy trong lumens nơi nó trở thành chất nền cho các enzyme có thể điều chỉnh bài. -translations (sửa đổi ngôn ngữ được dịch từ mRNA); trong collagen, những sửa đổi này bao gồm quá trình oxy hóa một số chuỗi bên, đặc biệt là proline và lysine.
Sự thất bại của các enzyme dẫn đến những thay đổi này gây ra bệnh scurvy: đó là một căn bệnh gây ra, ban đầu, sự phá vỡ các mạch máu, phá vỡ răng mà xuất huyết liên sườn và tử vong có thể theo sau; nó có thể được gây ra bởi việc sử dụng liên tục thực phẩm lâu dài.
Sau đó, do tác động của các enzyme khác, những thay đổi khác xảy ra bao gồm quá trình glycosid hóa các nhóm hydroxyl của proline và lysine (với oxy của OH một đường bị ràng buộc); Do đó, các enzyme này được tìm thấy ở các khu vực khác ngoài lum, trong khi protein trải qua các sửa đổi, nó di chuyển bên trong mạng lưới nội chất để kết thúc trong các túi (túi) tự đóng lại và thoát ra khỏi mạng tinh thể: bên trong chúng được chứa các monome của pro-collagen glycoside; cái sau đến bộ máy Golgi nơi các enzyme đặc biệt nhận ra cystein có trong phần carboxy cuối của pro-collagen glycosidate và khiến các chuỗi khác nhau tiếp cận nhau và tạo thành cầu nối disulfide: do đó thu được ba Collagen Glycoside liên kết với nhau và đây là điểm khởi đầu của ba chuỗi, xen kẽ, sau đó tự phát, tạo ra chuỗi xoắn ba. Ba chuỗi pro-collagen glyoxide liên kết với nhau chạm tới nhau, sau đó là một túi, tự điều tiết, tự tách ra khỏi bộ máy Golgi vận chuyển ba chuỗi về phía ngoại vi của tế bào, thông qua phản ứng tổng hợp với màng plasma, tông đơ được đẩy ra khỏi tế bào.
Trong không gian ngoài tế bào, có các enzyme đặc biệt, các peptidase pro-collagen, loại bỏ khỏi các loài được đẩy ra khỏi tế bào, ba mảnh (một cho mỗi chuỗi xoắn) gồm 300 axit amin mỗi phần, từ phần carboxy cuối và ba đoạn (mỗi phần helix) của khoảng 100 axit amin mỗi loại, ở phía aminoterminal: vẫn là một chuỗi xoắn ba gồm khoảng 800 aminoacid cho chuỗi xoắn được gọi là tropocollagene .
Các Floocollagen có sự xuất hiện của một thanh khá cứng nhắc; các tông đơ khác nhau được liên kết với các liên kết cộng hóa trị để tạo ra các cấu trúc lớn hơn: microfibrils . Trong microfibrils, các tông đơ khác nhau được sắp xếp theo cách dịch chuyển; nhiều microfibrils tạo thành bó thuốc nhiệt đới.
Trong xương, trong số các sợi collagen, có các khoảng kẽ trong đó sunfat và phốt phát canxi và magiê được lắng đọng: các muối này cũng bao phủ tất cả các sợi; Điều này làm cho xương cứng.
Trong các gân, các khoảng kẽ ít giàu tinh thể hơn xương, trong khi có các protein nhỏ hơn so với tropocollagen: điều này mang lại độ đàn hồi cho gân.
Loãng xương là một căn bệnh gây ra do thiếu canxi và magiê khiến cho không thể cố định muối trong các vùng kẽ của các sợi tropocollagen.
