🧱

Πρωτεΐνες: δομή και λειτουργία

Τεύχος Α΄ · §1.2 «Πρωτεΐνες: Διαδεδομένες, πολύπλοκες και εύθραυστες»

Τι κοινό έχουν τα μαλλιά σου με ένα αντίσωμα;

Η κερατίνη στα μαλλιά σου, η αμυλάση στο σάλιο σου, τα αντισώματα που σε προστατεύουν από ένα κρυολόγημα: όλα είναι πρωτεΐνες, φτιαγμένες από τα ίδια 20 αμινοξέα. Πώς 20 «γράμματα» φτιάχνουν τόσο διαφορετικά μόρια — και γιατί μια ζέστη λίγων βαθμών αρκεί για να τα χαλάσει; Αυτό απαντά το μάθημα.

Τι είναι οι πρωτεΐνες

Οι πρωτεΐνες είναι τα πιο διαδεδομένα και τα πιο πολύπλοκα μακρομόρια του κυττάρου. Είναι πολυμερή που σχηματίζονται από τη σύνδεση μικρότερων μονομερών, των αμινοξέων. Στους οργανισμούς συναντάμε 20 διαφορετικά αμινοξέα.

Κάθε αμινοξύ έχει ένα κεντρικό άτομο άνθρακα στο οποίο συνδέονται:

μια αμινομάδα ( $-NH_2$ )
μια καρβοξυλομάδα ( $-COOH$ )
ένα άτομο υδρογόνου
μια πλευρική ομάδα (R), διαφορετική σε κάθε αμινοξύ — αυτή δίνει στο αμινοξύ τις ιδιαίτερες ιδιότητές του

Ο πεπτιδικός δεσμός

Δύο αμινοξέα συνδέονται με πεπτιδικό δεσμό ανάμεσα στην καρβοξυλομάδα του ενός και την αμινομάδα του άλλου. Κατά τον σχηματισμό του δεσμού απελευθερώνεται ένα μόριο νερού (αντίδραση συμπύκνωσης).

Η αλυσίδα που προκύπτει ονομάζεται πολυπεπτιδική αλυσίδα. Έχει δύο διαφορετικά άκρα:

το αμινικό άκρο ( $-NH_2$ ), από το οποίο ξεκινά η σύνθεσή της
το καρβοξυλικό άκρο ( $-COOH$ )

Η υδρόλυση του πεπτιδικού δεσμού (π.χ. στην πέψη) καταναλώνει ένα μόριο νερού ανά δεσμό.

$\text{πεπτιδικοί δεσμοί} = \text{αμινοξέα} - \text{αλυσίδες} \qquad \text{π.χ.} n \text{ αμινοξέα σε} 1 \text{ αλυσίδα} \Rightarrow n-1$

Κόλπο μνήμης

Σκέψου έναν φράχτη. Αν στήσεις 10 πασσάλους στη σειρά, έχεις 9 κενά ανάμεσά τους. Τα αμινοξέα είναι οι πάσσαλοι και οι πεπτιδικοί δεσμοί τα κενά: $n$ αμινοξέα σε μία αλυσίδα δίνουν $n - 1$ δεσμούς. Με $k$ χωριστούς φράχτες (αλυσίδες) χάνεις ένα κενό ανά φράχτη: $n - k$ .

Τα τέσσερα επίπεδα οργάνωσης

Πρωτοταγής δομή: η αλληλουχία των αμινοξέων της πολυπεπτιδικής αλυσίδας (ποια αμινοξέα, πόσα και με ποια σειρά). Καθορίζεται από τη γενετική πληροφορία και καθορίζει όλα τα υπόλοιπα επίπεδα.
Δευτεροταγής δομή: τοπικές αναδιπλώσεις της αλυσίδας, κυρίως α-έλικα και β-πτυχωτή επιφάνεια, που σταθεροποιούνται με δεσμούς υδρογόνου.
Τριταγής δομή: η τελική τρισδιάστατη διαμόρφωση μιας αλυσίδας, που οφείλεται σε αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πλευρικών ομάδων (π.χ. δεσμοί υδρογόνου, ιοντικοί, δισουλφιδικές γέφυρες, υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις).
Τεταρτοταγής δομή: υπάρχει μόνο σε πρωτεΐνες με περισσότερες από μία πολυπεπτιδικές αλυσίδες — είναι ο τρόπος που συνδέονται οι αλυσίδες μεταξύ τους (π.χ. η αιμοσφαιρίνη έχει τέσσερις αλυσίδες).

Η λειτουργία μιας πρωτεΐνης εξαρτάται από τη στερεοδιάταξή της (το τρισδιάστατο σχήμα της), το οποίο με τη σειρά του καθορίζεται από την πρωτοταγή δομή.

Γρήγορος έλεγχος

Ποιο επίπεδο δομής υπάρχει μόνο σε πρωτεΐνες που αποτελούνται από περισσότερες από μία πολυπεπτιδικές αλυσίδες;

Ήξερες ότι;

Η ινσουλίνη ήταν η πρώτη πρωτεΐνη της οποίας προσδιορίστηκε ολόκληρη η αλληλουχία αμινοξέων. Το πέτυχε ο Frederick Sanger το 1955 και πήρε γι' αυτό το Νόμπελ Χημείας του 1958. Ο ίδιος πήρε και δεύτερο Νόμπελ Χημείας, το 1980, για μια μέθοδο προσδιορισμού της αλληλουχίας του DNA.

Διαδεδομένες: η ποικιλία των λειτουργιών

Οι πρωτεΐνες συμμετέχουν σχεδόν σε κάθε λειτουργία του κυττάρου:

Δομικές: κολλαγόνο (συνδετικός ιστός), κερατίνη (τρίχες, νύχια)
Καταλυτικές: τα ένζυμα επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις
Μεταφορικές: η αιμοσφαιρίνη μεταφέρει οξυγόνο, πρωτεΐνες της μεμβράνης μεταφέρουν ουσίες
Ορμονικές / ρυθμιστικές: π.χ. η ινσουλίνη
Αμυντικές: τα αντισώματα
Κίνηση: ακτίνη και μυοσίνη στους μυς

Πολύπλοκες: γιατί τόση ποικιλία

Επειδή σε κάθε θέση της αλυσίδας μπορεί να βρεθεί οποιοδήποτε από τα 20 αμινοξέα, οι δυνατές αλληλουχίες είναι τεράστιες: για αλυσίδα $n$ αμινοξέων υπάρχουν $20^n$ διαφορετικές αλληλουχίες.

Εύθραυστες: η μετουσίωση

Η στερεοδιάταξη μιας πρωτεΐνης σταθεροποιείται κυρίως από ασθενείς δεσμούς. Γι' αυτό είναι ευαίσθητη σε αλλαγές του περιβάλλοντος: υψηλή θερμοκρασία, μεταβολές του pH, ορισμένες χημικές ουσίες ή ακτινοβολίες μπορούν να τη διαταράξουν.

Η απώλεια της φυσιολογικής στερεοδιάταξης λέγεται μετουσίωση. Η μετουσιωμένη πρωτεΐνη χάνει τη βιολογική της λειτουργία, αλλά η πρωτοταγής της δομή διατηρείται — δεν σπάνε οι πεπτιδικοί δεσμοί.

Γνωστό παράδειγμα: το ασπράδι του αβγού που ψήνεται. Σε ορισμένες περιπτώσεις, όταν αποκατασταθούν οι κανονικές συνθήκες, η πρωτεΐνη μπορεί να ξαναπάρει τη φυσιολογική της στερεοδιάταξη (αναδιάταξη) — ακριβώς επειδή η πληροφορία για το σχήμα βρίσκεται στην αλληλουχία.

Γρήγορος έλεγχος

Μια πρωτεΐνη θερμαίνεται στους $80^\circ C$ και χάνει τη δράση της. Τι από τα παρακάτω διατηρείται;

Μέθοδος: ασκήσεις με αμινοξέα και πεπτιδικούς δεσμούς

Μέτρησε τα αμινοξέα $n$ και τις αλυσίδες $k$ της πρωτεΐνης.
Πεπτιδικοί δεσμοί $= n - k$ (κάθε αλυσίδα έχει έναν δεσμό λιγότερο από τα αμινοξέα της).
Μόρια νερού που απελευθερώνονται στη σύνθεση $=$ μόρια νερού που καταναλώνονται στην πλήρη υδρόλυση $= n - k$ .
Αμινικά και καρβοξυλικά άκρα: ένα από το καθένα ανά αλυσίδα ( $k$ του καθενός).
Για τον αριθμό δυνατών αλληλουχιών μήκους $n$ με 20 αμινοξέα: $20^n$ .

Παράδειγμα 1: Ένα πεπτίδιο αποτελείται από 12 αμινοξέα σε μία αλυσίδα. Πόσοι πεπτιδικοί δεσμοί υπάρχουν και πόσα μόρια νερού απελευθερώθηκαν κατά τη σύνθεσή του;

Λύση: Σε γραμμική αλυσίδα 12 αμινοξέων υπάρχουν $12 - 1 = 11$ πεπτιδικοί δεσμοί. Κάθε δεσμός απελευθερώνει ένα μόριο νερού, άρα 11 μόρια νερού.

Παράδειγμα 2: Η ινσουλίνη αποτελείται από δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες: την Α με 21 αμινοξέα και τη Β με 30 αμινοξέα. Πόσους πεπτιδικούς δεσμούς έχει; Πόσα μόρια νερού χρειάζονται για την πλήρη υδρόλυσή της σε αμινοξέα;

Λύση: Σύνολο αμινοξέων $n = 21 + 30 = 51$ , αλυσίδες $k = 2$ .

Πεπτιδικοί δεσμοί $= 51 - 2 = 49$ (ή $20 + 29 = 49$ ).

Η υδρόλυση κάθε πεπτιδικού δεσμού καταναλώνει ένα μόριο νερού, άρα 49 μόρια νερού. (Οι δισουλφιδικές γέφυρες που ενώνουν τις δύο αλυσίδες δεν είναι πεπτιδικοί δεσμοί.)

Άσκηση τύπου Πανελλαδικών: Μια πρωτεΐνη αποτελείται από 4 πολυπεπτιδικές αλυσίδες, δύο με 141 και δύο με 146 αμινοξέα (όπως η HbA).

(α) Ποιο επίπεδο δομής έχει η πρωτεΐνη που δεν έχει μια πρωτεΐνη μίας αλυσίδας; (β) Πόσοι πεπτιδικοί δεσμοί υπάρχουν; (γ) Αν η πρωτεΐνη θερμανθεί έντονα, τι θα συμβεί στη λειτουργία της και γιατί;

Λύση:

(α) Τεταρτοταγή δομή, επειδή αποτελείται από περισσότερες από μία αλυσίδες.

(β) Αμινοξέα: $2 \cdot 141 + 2 \cdot 146 = 282 + 292 = 574$ . Αλυσίδες: 4. Πεπτιδικοί δεσμοί $= 574 - 4 = 570$ .

(γ) Θα υποστεί μετουσίωση: η θερμότητα διασπά τους ασθενείς δεσμούς που σταθεροποιούν τη στερεοδιάταξη, άρα η πρωτεΐνη χάνει το σχήμα της και μαζί τη λειτουργία της, αφού η λειτουργία εξαρτάται από τη στερεοδιάταξη. Η πρωτοταγής δομή διατηρείται.

Γρήγορος έλεγχος

Ένα πολυπεπτίδιο με 100 αμινοξέα (μία αλυσίδα) υδρολύεται πλήρως. Πόσα μόρια νερού καταναλώνονται;

Γρήγορος έλεγχος

Από τι καθορίζεται άμεσα η στερεοδιάταξη μιας πρωτεΐνης;

Πρόκληση

Δύο πρωτεΐνες, Π1 και Π2, έχουν η καθεμιά 240 αμινοξέα. Η Π1 έχει 239 πεπτιδικούς δεσμούς και η Π2 έχει 236.

(α) Από πόσες πολυπεπτιδικές αλυσίδες αποτελείται η καθεμιά; Ποια έχει σίγουρα τεταρτοταγή δομή; (β) Αν οι αλυσίδες της Π2 έχουν ίσο μήκος, πόσα αμινοξέα έχει η καθεμιά; (γ) Μπορεί οι Π1 και Π2 να έχουν την ίδια πρωτοταγή δομή; (δ) Πόσα μόρια νερού χρειάζονται για την πλήρη υδρόλυση της Π2;

Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση

(α) Από τη σχέση δεσμοί $= n - k$ : για την Π1 $k = 240 - 239 = 1$ αλυσίδα, για την Π2 $k = 240 - 236 = 4$ αλυσίδες. Τεταρτοταγή δομή έχει σίγουρα η Π2, αφού αποτελείται από περισσότερες από μία αλυσίδες.

(β) $240 / 4 = 60$ αμινοξέα ανά αλυσίδα.

(γ) Όχι. Η πρωτοταγής δομή είναι η αλληλουχία των αμινοξέων κάθε αλυσίδας. Η Π1 είναι μία συνεχής αλυσίδα 240 αμινοξέων, ενώ η Π2 τέσσερις αλυσίδες των 60. Ίδιος συνολικός αριθμός αμινοξέων δεν σημαίνει ίδια αλληλουχία.

(δ) Ένα μόριο νερού ανά πεπτιδικό δεσμό: 236 μόρια νερού.

Συνηθισμένα λάθη

«Στη μετουσίωση σπάνε οι πεπτιδικοί δεσμοί.» Όχι — χάνεται η στερεοδιάταξη, η πρωτοταγής δομή μένει.
Υπολογισμός πεπτιδικών δεσμών ως $n-1$ σε πρωτεΐνη με πολλές αλυσίδες. Σωστά: $n - k$ .
Σύγχυση τριταγούς (σχήμα μίας αλυσίδας) με τεταρτοταγή (σύνδεση αλυσίδων).
«Κάθε πρωτεΐνη έχει τεταρτοταγή δομή.» Μόνο όσες έχουν δύο ή περισσότερες αλυσίδες.

Σύνοψη — τι κρατάμε

Πρωτεΐνες: πολυμερή από 20 διαφορετικά αμινοξέα, ενωμένα με πεπτιδικούς δεσμούς (απελευθέρωση νερού).
Κάθε αλυσίδα έχει αμινικό και καρβοξυλικό άκρο· πεπτιδικοί δεσμοί $= n - k$ .
Πρωτοταγής (αλληλουχία) → δευτεροταγής (α-έλικα, β-πτυχωτή) → τριταγής (3D μίας αλυσίδας) → τεταρτοταγής (πολλές αλυσίδες).
Η λειτουργία εξαρτάται από τη στερεοδιάταξη, που καθορίζεται από την πρωτοταγή δομή.
Μετουσίωση: απώλεια στερεοδιάταξης και λειτουργίας (θερμότητα, pH), χωρίς αλλαγή πρωτοταγούς δομής.

Τι είναι οι πρωτεΐνες

Κάθε αμινοξύ έχει ένα κεντρικό άτομο άνθρακα στο οποίο συνδέονται:

μια αμινομάδα (

-NH_2

)

μια καρβοξυλομάδα (

-COOH

)

ένα άτομο υδρογόνου

μια πλευρική ομάδα (R), διαφορετική σε κάθε αμινοξύ — αυτή δίνει στο αμινοξύ τις ιδιαίτερες ιδιότητές του