Protein

Protein - Eggehvitestoff satt sammen av aminosyrer. Proteiner kan fungere som enzymer, strukturproteiner, transportproteiner, lagringsproteiner bl.a. frølagringsproteiner, samt signalproteiner som deltar i signaloverføringsveier innen og mellom celler. Transportproteiner er ikke enzymer fordi de endrer ikke formen på substratet. Proteiner består av ugreinede polypeptidkjeder bygget opp av 20 forskjellige L-aminosyrer. Aminosyrene er bundet sammen med amidbinding (peptidbinding) mellom alfa-karboksylgruppen i en aminosyre med alfa-aminogruppen i den neste aminosyren. Glykoproteiner og proteoglykaner er proteiner bundet til sukkermolekyler.

Proteinstrukturen påvirkes av hydrogenbindinger, hydrofob interaksjon mellom sidekjeder med hydrofobe aminosyrer og disulfidbindinger mellom SH-grupper i aminosyren cystein. Proteiner kan denatureres, dvs. felles ut av løsninger ved høye saltkonsentrasjoner for eksempel ammoniumsulfat (ammoniumsulfatutfelling), eller med aceton (acetonpulver), etanol, fenol, med syre, med varme eller ved mekanisk påvirkning (visping, røring). . Denaturering gir konformasjonsendringer og gjør proteinene mindre løselige enn i opprinnelig tilstand. For eksempel ved koking av ovalbumin i eggehvite dannes bare beta-plateark hvor de hydrofobe delene av proteinet blottlegges. Ved koagulering danner proteinene irreverslble uløselige komplekser, mens ved denaturering er det mulig å gjenopprette proteinstrukturen med løsning i vannfase. Ved varmebehandling (koking eller steking) danaturerer og koagulerer proteiner i planter, melk, fisk, og kjøtt.

Proteinstruktur og folding

Primærestrukturen til proteiner bestemmes av aminosyresekvensen. Et utfoldet protein består av en sekvens av aminosyrer kodet av kodoner i mRNA. Proteiner folder seg i en reproduserbar funksjonell tredimensjonal form (konformasjon) og struktur, med katalytiske bindingsseter i enzymer. Det er både hydrofile og hydrofobe aminosyrer (amfipatiske) bundet sammen i peptidbinding og kan reagere med hverandre via hydrogenbindinger og van der Waals bindinger, bestemt av en konformasjonsentropi.  Denaturering av proteiner ved koking, som acetonpulver eller vai saltutfelling ødelegger foldestrukturen.

Sekundærstrukturen lages av stav og skrueformete struktur som alfa-helikser, og foldeblad (foldete (plisserte) beta-plateark, beta-plisserte ark, beta-plateark, jfr. plisseskjørt eller foldeskjørt til kvinner) hvor flere peptidkjeder går parallelt i samme eller motsatt retning (antiparallelt), foldet frem og tilbake på seg selv og som kleber seg til hverandre med hydrogenbindinger som i en borrelås. Denne foldingen i ordnete strukturer kan modelleres og sammenlignes med japansk papirbretting (origami). Foldete beta-plateark består av paralelle eller antiparallelle polypeptidkjeder i sikksakkmønster. Hydrogenbindingene er mellom hydrogen i aminogruppen og oksygen i syregruppen. Alfaheliksen kan være høyre eller venstrehendt. Interaksjoner mellom aminosyrene kan stabilisere eller destabilisere proteinstrukturen. Det er kombinasjoner av alfa- og/eller beta-strukturer i et protein. F.eks. kan to antiparallelle beta-kjeder være bundet sammen av en løkke bestående av 3-5 aminosyrer og danne en hårnålsstruktur. To parallelle beta-strukturer kan være koblet sammen med en alfa-kjede og danne beta-alfa-beta- hårnålsløkker. Det er ca. 3.6 aminosyrer per runde av en alfa-heliks. Prolin som ikke kan lage hydrogenbindinger. Tryptofan med en stor sidegruppe og aspartat med ladet sidegruppe finnes sjelden i alfa-heliksen. En alfa-heliks er en stabil struktur stabilisert av hydrogenbindinger.

Tertiærstrukturen lages av folding av polypeptidkjeden, og gir en mer stabil struktur av proteinet. SH-grupper i aminosyren cystein kan gi disulfidbroer (S-S-broer) i proteinet. Kvartærstrukturen lages når to eller flere polypeptider folder seg sammen og lager et multimert protein. Chaperoner er proteiner som deltar i pakking av proteiner slik at de får sin riktige tredimensjonale struktur.

Feilpakking av proteiner kan gi opphav til ekstracellulære amyloidfibriller bestående av plisserte beta-plateark. Feilfolding av proteiner er involvert i sykdommer som Parkinsons, Alzheimer og Huntington.

I strukturformelen for peptider og protein tegnes den N-terminale aminosyren med fri aminogruppe (-NH2) gruppe til venstre og den C-terminale aminosyren med fri syregruppe (-COOH) til høyre. Karbohydrater (glykoproteiner), metaller (metallproteiner), og nukleinsyrer (nukleoproteiner) kan bindes til proteiner.

Molekylvekten for protein varierer ca. fra 10.000 - 600.000 dalton. Hvis gjennomsnittsmolekylvekten for en aminosyre settes til 135, og det forsvinner ett vannmolekyl (molekylvekt 18) i peptidbindingen tilsvarer et protein med molekylvekt 100.000 ca. 793 aminosyrer, selvsagt avhengig av hvilke aminosyrer som dominerer i proteinet. Aminosyrene i et protein kan endres kovalent etter at biosyntesen av polypeptidkjeden er ferdig f.eks. prolin omdannet til hydroksyprolin.

Strukturen til proteiner som er renset og krystallisert kan undersøkes med røntgenkrystallografi. Strukturen til proteiner i løsning kan undersøkes med NMR metoder.

Proteiner kan deles i to hovedgrupper: de globulære og de fibrøse.

Fibrøse proteiner har filamenter med repetert ordnet sekundærstruktur hvor polypetidkjedene ligger ved siden av hverandre.

Globulære proteiner har kompakt kuleformet struktur med polypeptidkjedene kveilet i kuleform.

Kappeprotein er spesielle proteiner på overflaten av vesikler i Golgi-apparatet , og som er med å bestemme hvor inneholdet i vesiklene skal avleveres, for eksempel clatriner. Kappeprotein på utsiden av virus.

Barklagringsproteiner er lagringsproteiner i parenkymceller i innerbarken i stammer og greiner laget på slutten vekstsesongen hos busker og trær, og benyttes som nitrogenkilde neste vår ved starten av ny vekstsesong.

Lagringsproteiner: Det er lagringsproteiner i jordstengler, rhizomer, utløpere (stoloner), røtter, yngelknopper (bulbiller), kormus, og  for løk i en oppsvulmet bladbasis. Underjordiske lagringsorganer i flerårige urter og gras kommer fra modifiserte (omdannete) stengler eller røtter

Homologe proteiner er familier med proteiner som deler et felles evolusjonært opphav. Hvis to homologe proteiner finnes i samme art kalles det paraloger, mens homologer i forskjellige arter kalles ortologer.

Et av symptomene ved Alzheimers sykdom er samlinger (aggregater) av uløselige beta-amyloid peptider med opprinnelse fra den ytre ekstracellulære delen av membranproteiner fra nerveceller i hjernen, organisert i plakk. Plakkene stimulerer celledød i de omkringliggende nervecellene (nevroner). Omkring plakkene er det floker med mikrofibrillære proteiner laget fra tau-proteiner, og som kobles og bindes sammen. Tau-proteinene har under normale forhold funksjonen å opprettholde strukturen til mikrotubuli i cytoskjelettet, og sørge for næringstransport i aksonet til en nervecelle.

Fibrøse protein hos dyr

Fibrøse proteiner er langstrakte proteiner som gir styrke og fleksibilitet i motsetning til kuleformete globulære proteiner hvor polypeptidkjedene er foldet, noe som gir en kuleformet (sfærisk) struktur.

Keratin

Keratin (hornstoff, α-keratin, intermediære filamentproteiner) er proteinet som danner hår, ull, negler, hover, klover og horn hos dyr. Keratin består av høyredreiete skrueformete α-helikser , med superkveiling av parallelle proteinkjeder. Keratin har høyt innhold av aminosyren cystein som gir disulfidbroer i proteinet.

Hønseegg med eggehvite og eggeplomme

Eggeskall er laget av kalsiumkarbonatkrystaller (CaCO3) og har titusenvis av små porer som deltar i gassutveksling med kyllingen inne i egget. På innsiden av eggeskallet og utsiden av eggehviten (albumen) er det to proteinmembraner laget av keratin, danner en seig hvit hinne, og som hindrer bakterier og virus å trenge inn i egget. I den butte enden av egget mellom de to membranene er det en luftlomme. Luftrommet dannes når egget avkjøles ettter legging. Luftlommen kan sees som en dump eller krater i et kokt egg. Luftlommen øker i størrelse når egget eldes, og kan brukes som en metode for å skille gamle fra nye egg ved å se hvor lett de flyter. Eggeplommen omgitt av en vitellinmembran blir holdt på plass i midten av egget via to chalaza, trådformete tvinnete eggehviteproteiner. Chalaza er mer tydelige i unge egg enn i gamle. Eggehviten bestående av ca. 90% vann og 10% protein ligger rundt den sentrale eggeplommen som kan være befruktet eller ikke befruktet. Protein som inngår i eggehviten er blant annet ovalbuminer (glykoprotein eller fosfoglykoprotein som utgjør ca. 55% av eggehviten, l. ovum - egg; albumen - eggehvite)), ovoglobuliner, ovomukoid (trypsin inhibitor, en serin protease inhibitor, kan også virke som allergen), ovotransferrin (protein som binder jern, sideroforer), flavoprotein, avidin (biotinbindendende protein), cystatin (cystein proteaseinhibitor, ovoinhibitor) og lysozym. Eggehviten inneholder ikke fett i motsetning til eggeplommen. Eggeplommen inneholder også protein, samt vitaminer (vitamin A, D, thiamin, riboflavin), mineralnæring (kalsium, fosfor, jern), fosfolipider (lecitin) som emulgerer fettet. Fargen på eggeplommen varierer fra gulhvit til guloransje avhengig av inneholdet av karotenoider i kosten som fuglen eller høna spiser, for eksempel mais, eller de ettårige ugressene hønsegras (Persicaria) eller vassarve (Stellaria media). Proteinene i eggehviten denaturerer og koagulerer ved mer enn oC, mens i plommen noe høyere temperatur >68oC.  Ved visping av eggehvite øker viskositeten, proteiner denatureres, de globulære proteinene strekker seg ut og danner et nett omkring luftbobler, overflatespenningen endres, slik som når man lager trollkrem (med tyttebær), eggedosis, eller marengs ved bruk av hjulvisp eller kjøkkenmaskin. Når man rører mye i en fuktig brøddeig kan man vaske ut de seige og elastiske frølagringsproteinene (gluten) slik at de lettere kan fange og omgi boblene med CO2 fra cellerespirasjonen i gjærcellene. I pasta er glutenproteiner pakket rundt stivelseskornene.  Egg blir brukt til å dyrke influensavirus. Eggehvite kan bli brukt til å lime fast parafinsnitt til objektglasset til lysmikroskopi. Man kan også vispe skum av proteinrike frø i erteblomstfamilien, slik som erter og kikerter. 

Melk og melkeproteiner

Melk er næring for det nyfødte avkommet hos alle pattedyr, morsmelk, kumelk, sauemelk, geitemelk, kamelmelk osv., og som har et innhold som gjør den velegnet som eneste næringskilde for den nyfødte. Det er flere forskjellige typer proteiner i melk, blant kaseiner i kaseinmiceller, betalaktoglobulin, alfa-laktalbumin, immunoglobuliner, laktoferrin (siderofor), serum albumin, og enzymer.

Kollagen

Kollagen finnes i en rekke forskjellige former og danner brusk, bindevev, sener, leddbånd, tannbein (dentin), og hornhinne (l. cornea) i øyet. Kollagen er en viktig bestanddel i det ekstracellulære matriks i huden og som gir elastiske egenskaper i hudstrukturen. Kollagen i huden blir nedbrutt som en del av den naturlige aldringsprosessen hos mennesker, noe som gir opphav til rynker. Gelatin brukt i næringsmiddelindustrien blir laget fra kollagen. Kollagen er bygget opp av skrueformete venstredreiete α-helikser (alfa-helikser) med ca. 3 aminosyre per runde i heliksen. Kollagen har høyt innhold av aminosyrene glycin, prolin og hydroksyprolin. Flere helikser kan bli bundet sammen via kryssbinding med lysin og hydroksylysin. Vitamin C (askorbinsyre) spiller en viktig rolle i dannelsen av kollagen.

Kosttilskudd med kollagen er meningsløst, siden det blir nedbrutt til aminosyrer i magetarmsystemet.

Fibroin - silkeprotein

Fibroin og sericin er proteiner rsom inngår i silke produsert av insekter og edderkopper. for eksempel morbærsilkeorm (Bombyx mori). Fibroin er et fleksibelt og lite løselig protein satt sammen av antiparallelle  β-plateark (β-plisseplateark), hvor hydrogenbindinger og van der Waalske krefter inngår. Fibroin har høyt innhold av aminosyren glycin, og også av aminosyren alanin.

Aktin, myosin og motorproteiner

Motorproteiner

Motorproteiner er proteiner som kan bevege seg langs mikrotubuli , og med hjelp fra hydrolyse av  ATP (ATPase) kan flytte celleorganeller og andre cellebestanddeler internt i cellene, bl.a. kromosomene ved celledeling. Dyneiner og kinesiner er eksempler på motorproteiner  i cytoskjelettet. Dyneiner beveger seg med sitt cargo mot minusenden (retrograd transport) i mikrotubuli (cytoplasmiske dyneiner), og deltar også i bevegelse av flageller og cilier hos eukaryotene (aksonemiske dyneiner). Hos bakterier er det en rotasjonsmotot ved basis av hver flagell. Kinesiner i motsetning til dyneiner, beveger seg mot plussenden til mikrotubuli (anterograd transport). Kinesiner deltar i flytting av kromosomer under celledelingen i mitose og meiose, men frakter også proteiner, membrankomponenter, vesikler, celleorganeller og andre cellebestanddeler fra sentrum i cellen ut mot cellemembranen. Små molekyler kan flytte seg ved diffusjon i en celle, men større molekyler må flyttes mekanisk langs cytoskjelettet.

Aktin-myosin og glidefilamentmodell for muskler

Myosin er et protein satt sammen av to store og tunge og fire små lette proteinkjeder. Muskler består av tykke filamenter med myosin som kan gli langs tynne filamenter med aktin. I den N-terminale enden av myosin er det globulært (kuleformet, sfærisk) med hydrolyse av ATP. Aktin finnes i globulær form (G-aktin) og som filamentform (F-aktin). Muskler inneholder også det kalsiumbindene proteinet troponin og tropomyosin som binder seg til de tynne filamentene.  Kalsium (Ca2+) kommer fra sarkoplasmatisk retikulum. Skjelettmuskler  er bunter med muskelfibre. En muskelfibrill er en celle som inneholder flere cellekjerner. Hver fibrill består av ca. 1000 myofibriller. Hver muskelfibrill er omgitt av vesikler, kalt sarkoplasmatisk retikulum.  En sarkomer er en kontraktil enhet. Musklene trekker seg sammen når de mottar signal fra nervesystemet. Med hjelp fra hydrolyse av ATP flytter de tykke filamentene seg i forhold til de tynne. Andre muskelproteiner er desmin, α-aktin, nebulin, vimentin, C- og M-protein, paramyosin I et elektronmikroskopibilder av muskler vises A-bånd, I-bånd, Z-disk,  og M-linje.

Prioner og prionsykdommer

Stanley Prusiner (nobelprisen i fysiologi eller medisin 1997) viste overraskende at prionproteiner (PrP) kodet av PrP-gener kan delta i overføring av hjernesykdom. Det er funnet en rekke nevrodegenerative prionsykdommer som kugalskap (bovin spongiform encephalopati, BSE). Spongiform henspiller på at hjernen får en svampform med hull. Andre prionsykdommer er scrapie hos sau. Cretuzfeldt-Jacob (klassisk CJD, og varianten vCJD),  multippel system atrofi (MSA) og kuru hos mennesker, samt skrantesyke på hjortedyr ("Chronic Wasting Disease", CWD).

Blodproteiner

Blodet hos vertebrater består av hvite og røde blodceller samt blodplater løst i et blodplasma, et transportsystem for gasser (O2, CO2), næringstoffer (glukose), signalstoffer (hormoner) og avfallsprodukter.

 Plasma består av vann med oppløste ioner som virker som elektrolytter (Na+, Cl-, K+, Ca2+, Mg2+, HCO3-). Proteinfraksjonen i plasma inneholder antistoffer (immunoglobuliner) i immunforsvaret, apolipoprotein er som frakter lipider,  proteinet firbrinogen som deltar i blodkoagulering, samt blodproteinet albumin som sammen med elektrolytter deltar i den osmotiske balansen og pH-regulering. Hvis kroppen får for lite karbohydrater til å opprettholde metabolisme og kroppsfunksjoner, starter nedbrytning av fettlagret, og proteiner i muskler og blod omdannes til aminosyrer som sendes inn i cellerespirasjonen som energikilde, men gir samtidig avfallsstoffet nitrogen. Ved ekstrem sult og mangel på både karbohydrater og protein og nedbrytning av kroppsvev og  albumin i blodet ødelegges den osmotiske balansen og magen svulmer opp på en radmager kropp som omtrent bare består av skinn og bein, sultsykdommen marasmus. Sultsykdommen kwashiorkor skyldes mangel på de essensielle aminosyrene som inngår i protein. Kwashiorkor oppstår når barn ikke lenger får næring via morsmelk og blir erstattet av stivelsesrik kost som kassava og korn. Kornproteiner inneholder for lite av aminosyren lysin. Kkwashiorkor kan motvirkes hvis også proteinrike belgvekster inngår i kosten.

Transport av molekyler over korte avstander som innen en celle kan skje via diffusjon. Men over lengre avstander som hos flercellete organismer setter Ficks diffusjonslover begrensninger ved bruk av diffusjon som transportmekanisme. De flercellete organismene har derfor utviklet transportsystemer i form av ledningsvev: Xylem (vedvev) og floem (silvev) hos planter, og blodåresystem hos dyr. Karbondioksid (CO2, O=C=O), og oksygen (O2) er upolare molekyler og relativt lite løselig i vann som er et polart løsningsmiddel. Hovedoppgaven til blodåresystemet er å frakte oksygen til cellerespirasjonen og fjerne karbondioksid. Blodserum er den flytende delen av blodet etter at det har koagulert ved at bladproteinet fibrinogen via enzymet thrombin blir omsatt til proteinet fibrin som via koaguleringsfaktorer  polymeriserer, kryssbindes og danner et nettverk. Blodplasma  er den flytende delen av blodet hvor man først har tilsatt heparin for å hindre koagulering av blodet, og inneholder således fibrinogen.  

Blod er en væske som inneholder blodceller (røde blodlegemer (erytrocytter), hvite blodlegemer (leukocytter), blodplater (thrombocytter), fibrinogen, samt immunoglobuliner i immunsystemet. Blodplatene deltar sammen med koaguleringsfaktorer i koagulering av blod og tetting av sårskader på blodåresystemet.

Immunoglobuliner er Y-formete molekyler bestående av par med lette og tunge proteinkjeder, med konstante og variable domener. De fire polypeptidkjende, to tunge og to lette er koblet sammen med disulfidbroer. Immunoglobuliner finnes i en rekke former: IgA(α), IgD(δ), IgE(ε), IgG(γ), og IgM(μ). Spissene på de to utstikkerne i Y-formete immunoglobuliner bindes til epitoper på et antigen. Alle virus, bakterier,og molekyler som kan starte en immunrespons er et antigen.

Evolusjon av proteiner

Proteiner er en forutsetning for alt liv, og liv finnes i alle biomer på kloden, fra hav, dyphav innsjøer og elver, til tørt land med ørken, saltsjøer, skog, fjell, savanner taiga og is. Artene har tilpasset seg via evolusjon og naturlig seleksjon, og samtidig har det skjedd en evolusjon og seleksjon av proteinene i organismene. Tilfeldige mutasjoner og rekombinasjoner i genmaterialet DNA gir mulighet til endring i aminosyresekvensen i proteiner i enzymer, noe som kan føre til mer effektive proteiner som gir konkurransefortrinn for individer som inneholder slike.

Manfred Eigen, kjent for teorien om hypersykluser og selvorganisering, mente at det skulle være eksperimentelt mulig å foreta styrt evolusjon av enzymer. Nobelprisen i kjemi 2018 gikk til Frances H  Arnold og George P Smith for sitt arbeid med "rettet evolusjon av enzymer", og Sir Gregory P Winter for "fag-display av peptider og antistoffer".  Frances Arnold undersøkte om det var mulig å selektere varianter av  proteinet subtilisin som bryter ned melkeprotein kasein i vann til også å virke i et organisk løsningsmiddel som dimetylformamid. Ved å foreta tilfeldig mutasjoner i genet for subtilisin, kutte genet i biter og sette det sammen på nytt ved rekombinasjon og DNA-stokking ble det mulig å isolere fenotyper med den ønskede egenskaper. Deretter fulgte ny runde med mutagenese, kutting, skjøting og DNA-stokking i genotypen, med påfølgende seleksjon av fenotyper som også hadde katalytiske egenskaper i et organisk løsningsmiddel. Denne metodikken kan i prinsippet anvendes på alle typer enzymer. kan gi dem økt termostabilitet, økt enzymaktivitet og nye katalytiske egenskaper.

Winter arbeidet med bakteriofager, virus som angriper og formerer seg i bakterier. Han satte et lite gen for en aminosyresekvens (peptid) inn i genet som koder for proteinkapselen rundt bakterieviruset. Dette peptidet ble inkorporert som en del av det vanlige kappeproteinet rundt bakteriofagen. Antistoffer er y-formete molekyler som produseres med stor variasjon og klonformering i immunsystemet hos dyr og mennesker, og binder seg spesifikt til andre stoffer (antigener). Ved å velge antistoffer som bindes spesifikt til det innsatte peptidet i kappeproteinet virker antistoffene som molekylære fiskekroker og fanger og fisker opp bakteriofager med det innsatte peptidet. Denne metoden har gitt mulighet til å lage medisiner som brukes i immunterapi mot autoimmunsykdommer.  

Litteratur

Campbell NA, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Reece, JB: Biology. A global approach. Global edition, 11. ed. Pearson Education Limited 2018

 

Tilbake til hovedside

Publisert 4. feb. 2011 10:44 - Sist endret 31. juli 2019 18:45