Proteini (beljakovine): kaj so? Definicija, struktura in funkcije

Proteini so dolgoverižne molekule, sestavljene iz majhnih enot, imenovanih aminokisline. Med seboj so povezane s peptidnimi vezmi.

So biokemične spojine, sestavljene iz enega ali več polipeptidov, zloženih v okroglo ali vlaknato obliko.

Polipeptid je ena linearna polimerna veriga aminokislin. Zaporedje aminokislin v polipeptidu izhaja iz zaporedja DNK gena. Genska koda določa 20 standardnih aminokislin. Kmalu po sintezi se nekatere aminokisline kemično spremenijo. S tem se spremenijo zlaganje, stabilnost, aktivnost in delovanje beljakovine. Včasih so proteinom priključene nepeptidne skupine kot kofaktorji.

Beljakovine so bistvene za vse celice. Tako kot druge biološke makromolekule (polisaharidi in nukleinske kisline) tudi beljakovine sodelujejo pri skoraj vseh procesih v celicah:

Struktura beljakovin

Beljakovine imajo več strukturnih nivojev, ki določajo njihovo obliko in funkcijo:

• Primarna struktura: linearno zaporedje aminokislin povezano s peptidnimi vezmi.
• Sekundarna struktura: lokalne zgradbe kot alfa vijačnice in beta zložene plasti, stabilizirane z vodikovimi vezmi.
• Tercierna struktura: tridimenzionalno zlaganje polipeptidne verige, posledica hidrofobnih interakcij, ionskih vezi, disulfidnih mostičkov in vodikovih vezi.
• Kvartarno zlaganje: združevanje več polipeptidnih enot (subenot) v funkcionalno kompleksno beljakovino (npr. hemoglobin).

Glavne funkcije beljakovin

• Encimi – pospešujejo kemične reakcije v celici (npr. lipaze, amilaze, DNA-polimeraze).
• Strukturne beljakovine – dajejo mehansko podporo in obliko (npr. kolagen v vezivnem tkivu, keratin v laseh in nohtih).
• Transport – prenašajo molekule po telesu ali čez membrane (npr. hemoglobin prenaša kisik, transporterji v membranah).
• Signalizacija in receptorji – sprejemajo in prenašajo kemične signale (npr. hormoni in njihovi receptorji).
• Imunski sistem – protitelesa prepoznavajo in nevtralizirajo tuje snovi.
• Motorne beljakovine – omogočajo gibanje celic in mišic (npr. aktin, miozin).
• Rezervne beljakovine – shranjevanje aminokislin za kasnejšo uporabo (npr. ovalbumin v jajcih).
• Regulatorne funkcije – uravnavajo izražanje genov, celične cikle in metabolne poti.

Sinteza in zlaganje beljakovin

Sinetoza beljakovin poteka v dveh glavnih korakih: transkripcija (kopiranje DNK v mRNA) in translacija (prevajanje kodona mRNA v zaporedje aminokislin na ribosomih). Po sintezi pogosto sledi zlaganje v pravilno tridimenzionalno obliko, kar pogosto posredno urejajo molekulski chaperoni, ki preprečujejo napačno zlaganje in agregacijo.

Po-translacijske modifikacije, kot so fosforilacija, glicilacija, metilacija, acetilacija in proteolitični rez, prilagajajo aktivnost, lokacijo in stabilnost beljakovin. Poleg tega lahko beljakovine potrebujejo kofaktorje (ionske ali molekulske skupine) za pravilno delovanje.

Denaturacija in stabilnost

Beljakovine so občutljive na okoljske spremembe. Denaturacija pomeni izgubo naravne strukture (in pogosto funkcije) zaradi:

• povišane temperature,
• spremembe pH,
• prisotnosti organskih topil ali detergenta,
• redukcijskih sredstev, ki prekinejo disulfidne vezi.

V nekaterih primerih je denaturacija reverzibilna, pogosto pa je trajna in vodi v izgubo funkcije.

Pomen beljakovin v prehrani in zdravju

V prehrani so beljakovine glavni vir aminokislin, od katerih jih je nekaj esencialnih — telo jih ne more sintetizirati in jih je treba vnesti s hrano. Dobri viri so meso, ribe, jajca, mlečni izdelki, stročnice, oreški in semena. Prevelik ali premajhen vnos beljakovin ima lahko posledice za zdravje: pomanjkanje vodi v oslabitev mišic in motnje rasti, pretiran vnos pa lahko obremenjuje ledvice in povzroča druge motnje, če je dolgoročen.

Metode proučevanja beljakovin

Beljakovine se preučujejo z različnimi tehnikami, med katerimi so:

• elektroforeza (npr. SDS-PAGE) za ločevanje po velikosti,
• masna spektrometrija za identifikacijo in analizo postranskih modifikacij,
• rentgenska kristalografija, NMR in cryo-EM za določanje tridimenzionalne strukture,
• proteomika za celostno študijo vseh beljakovin v celici ali tkivu.

Kratek povzetek

Beljakovine so vsestranske biološke makromolekule, sestavljene iz aminokislin in povezane s peptidnimi vezmi. Njihova zapletena struktura — od primarne do kvartarne — določa širok spekter funkcij v celici: od katalize reakcij do strukturne podpore, transporta in signalizacije. Razumevanje njihove zgradbe, sinteze in modulacij je ključno za biologijo, medicino in prehrano.

Beljakovine za ljudi

Proteini imajo različne funkcije, ki so odvisne od njihove oblike. Najdemo jih v mesu ali mišicah. Uporabljajo se za rast in obnovo ter za krepitev kosti. Pomagajo tvoriti tkiva in celice. So v živalih, rastlinah, glivah, bakterijah in tudi v človeškem telesu.

Mišice vsebujejo veliko beljakovin. Pri prebavi se beljakovine razgradijo na aminokisline. Te aminokisline se nato uporabijo za izgradnjo novih beljakovin. Beljakovine so pomemben del živil, kot so mleko, jajca, meso, ribe, fižol, špinača in oreščki. Obstajajo štirje dejavniki, ki določajo, kaj bodo beljakovine naredile. Prvi je vrstni red aminokislin. Obstaja 20 različnih vrst aminokislin. Drugi dejavnik so majhni zasuki v verigi. Tretji je, kako je celotna struktura zložena. Četrti je, ali je sestavljena iz različnih podenot. Molekule hemoglobina so na primer sestavljene iz štirih podenot.

Škodljive mutacije

Večina beljakovin je encimov, zato lahko mutacije upočasnijo ali ustavijo njihovo delovanje. 50 % človeških rakov je posledica mutacij v tumorskem supresorju p53. p53 je beljakovina, ki uravnava delitev celic.

Esencialne aminokisline

Beljakovine so v prehrani živali nujne, saj živali ne morejo proizvesti vseh aminokislin, ki jih potrebujejo (večino jih lahko proizvedejo). Nekatere aminokisline morajo dobiti s hrano. Te se imenujejo esencialne aminokisline. S prebavo živali zaužite beljakovine razgradijo v proste aminokisline. Aminokisline se nato uporabijo pri presnovi za izdelavo encimov in struktur, ki jih telo potrebuje.

Za človeka je bistvenih devet aminokislin, ki jih dobi s hrano. Devet esencialnih aminokislin je: histidin, izolevcin, levcin, lizin, metionin, fenilalanin, treonin, triptofan in valin. Meso vsebuje vse esencialne aminokisline, ki jih ljudje potrebujemo, večina rastlin pa ne. Vendar pa uživanje mešanice rastlin, na primer pšenice in arašidovega masla ali riža in fižola, zagotavlja vse potrebne esencialne aminokisline. Izdelki iz soje, kot je tofu, vsebujejo vse esencialne aminokisline, prav tako kvinoja, vendar to ni edini način za pridobivanje beljakovin, ki jih človek potrebuje.

Ime je beljakovinam dal znanstvenik Jöns Jacob Berzelius, vendar so beljakovine preučevali tudi številni drugi znanstveniki.

Jajčni beljaki vsebujejo veliko beljakovin

Vprašanja in odgovori

V: Kaj so beljakovine?

V: Kako so aminokisline povezane?

V: Kaj je polipeptid?

V: Od kod izvira zaporedje aminokislin v polipeptidu?

V: Kaj se zgodi kmalu po sintezi z nekaterimi aminokislinami?

V: Kako se spremenijo aminokisline v beljakovinah?

V: Ali so vse beljakovine sestavljene samo iz aminokislin?

Išči po črki