PROTEINI

U sadržaju ove nastavne teme naučit ćete više o skupini primarnih bioloških spojeva, proteinima.

ISHODI UČENJA

Usvajanjem sadržaja ove Teme moći ćete odgovoriti na sljedeća pitanja:

1. Što su proteini ili bjelančevine?
2. Koja je osnovna jedinica proteina?
3. Odredi tip veze u molekuli proteina?
4. Prikaži nastajanje dipeptida! Označi položaj veze!
5. Što je primarna struktura proteina?
6. Objasni sekundarnu strukturu proteina?
7. Usporedi tercijarnu i kvaternu strukturu proteina!
8. Što označava pojam denaturacija? Što je njezin uzrok?
9. Kojim postupcima dokazujemo proteine u nekom uzorku?
10. Kakve proteine možemo razlikovati s obzirom na njihovu prostornu građu? Navedi primjere!
11. Obrazloži važnost proteina za živi svijet?

UVOD

Proteini ili bjelančevine su makromolekule građene od velikog broja aminokiselina ( i do preko tisuću) relativne molekulske mase 10 000 i više. Zbog svoje uloge i važnosti, proteini su na prvom mjestu biološki važnih spojeva (grč. protos=prvi).

GRAĐA PROTEINA

Proteini mogu sadržavati i više tisuća aminokiselina, ali je samo njih 20 različitih. Aminokiseline se međusobno povezuju peptidnom vezom na sljedeći način:

Povezivanjem dviju aminokiselina nastaje dipeptid, triju tripeptid, četiriju tetrapeptid, itd. Uočljivo je da su prefiksi grčki brojevi koje smo već ranije upotrebljavali u slučaju supstituiranih atoma ili skupina. S obzirom da su proteini građeni od više aminokiselina ponekad ih nazivamo i POLIPEPTIDIMA.

Ukoliko je dipeptid građen od aminokiselina glicina i alanina označavamo ga kao glicil-alanin ili Gly-Ala. Glicin ima slobodnu amino skupinu pa ga označavamo kao N-terminalnu aminokiselinu, a alanin ima slobodnu karboksilnu skupinu pa ga označavamo kao C-terminalnu aminokiselinu. Prema dogovoru, u nazivu prvo navodimo N-terminalnu aminokiselinu koja dobiva nastavak -IL, a potom C-terminalnu aminokiselinu koja zadržava svoje ime. Ili, jednostavnije, navodimo međunarodne oznake aminokiselina koje grade dati protein, a kao znak odvajanja koristimo crticu.

Ako se reakcijom dviju molekula aminokiselina izdvaja jedna molekula vode, koliko će se molekula vode izdvojiti reakcijom triju molekula aminokiselina?

ZADATAK:

Prikaži tripeptid Ala-Gly-Ala !

STRUKTURA PROTEINA

Primarna struktura proteina

Primarna ili osnovna struktura proteina je slijed aminokiselina u polipeptidnom lancu.

1953. Frederick Sanger je odredio slijed aminokiselina (sekvencu) u inzulinu čime je po prvi put dokazano da protein ima svoj utvrđeni aminokiselinski slijed i da su sve aminokiseline u proteinu L-aminokiseline.

Promjena ili slijeda aminokiselina ili izbacivanje samo jedne aminokiseline znači promjenu samog proteina, njegovih osobina i uloge.

Osim peptidne veze, u proteinskom lancu su prisutne i druge vrste međumolekulskih interakcija kao što su: vodikova veza, disulfidna veza te hidrofobna i elektrostatska privlačenja. Za izgradnju različitih struktura proteina od najvećeg značaja su vodikova i disulfidna veza.

Vodikova veza, najčešće, nastaje između karbonilnog kisika jedne peptidne skupine i amidnog vodika druge peptidne skupine.

Vodikova veza može nastajati i između polarnih hidroksilnih i karboksilnih skupina bočnih ogranaka.

Disulfidna veza stvara se između dva polipeptidna lanca koja su povezana preko aminokiseline cisteina (Cys) koji sadrži SH-skupinu:

Sekundarna struktura proteina

Prostorni razmještaj atoma i atomskih skupina koji čine okosnicu polipeptidnih lanaca predstavlja sekundarnu strukturu proteina. Sekundarna struktura proteina ne uzima u obzir konformaciju bočnih ogranaka. α-uzvojnica i β-nabrana ploča su dva oblika sekundarne strukture proteina koje ćemo objasniti u nastavku.

α-uzvojnica

U ovom prostornom obliku, polipeptidni lanac je savijen oko jedne zamišljene osi pri čemu su bočne skupine (ogranci) usmjereni prema van te između njih nema međudjelovanja. Polipeptidni lanac je stabiliziran velikim brojem vodikovih veza koje nastaju između karbonilnog kisika jedne aminokiseline i amidnog vodika treće aminokiseline u istom lancu što označavamo kao intramolekulske vodikove veze.

Udio α-uzvojnice u proteinima može biti od 0 do 100 %. Protein krvi, hemoglobin i protein mišića, mioglobin pretežito sadrže polipeptidne lance u obliku α-uzvojnice.

β-nabrana ploča

Ovaj oblik sekundarne strukture proteina sadrži najčešće između 2 i 5 paralelnih ili antiparalelnih polipeptidnih lanaca međusobno povezanih vodikovim vezama koje su u ovom slučaju intermolekulske.

Ovakav vid sekundarne strukture karakterističan je za fibrilarne ili vlaknaste proteine primjerice: keratin (protein kose i noktiju), kolagen (protein vezivnog tkiva), fibrion (protein svile) i miozin (mišićni protein).

Tercijarna struktura proteina

Strukturu cijelog proteina uključujući i prostorni položaj svih bočnih ogranaka označavamo kao tercijarna struktura proteina. Stabilnost tercijarne strukture ovisi o vodikovim vezama koje smo imali i u sekundarnoj strukturi, ali i o međuprivlačenjima bočnih ogranaka (vodikove i disulfidne veze).

Ovakva struktura proteina karakteristika je globularnih ili kuglastih proteina kakvi su hemoglobin i mioglobin. Mioglobin i hemoglobin nazivamo i hemproteinima jer sadrže HEM skupinu koja je građena od atoma željeza u središtu heterocikličnog porfirinskog prstena, a uloga ove skupine je vezanje molekula kisika.

Kvaterna struktura proteina

Spajanjem više polipeptidnih lanaca u nakupine ili agregate koji imaju vlastitu konformaciju nazivamo kvaternom strukturom proteina. Ona je osobito dobro proučena kod globularnog proteina hemoglobina. U kvaternoj strukturi hemoglobina imamo 4 polipeptidna lanca (podjedinice), 2 α i 2 β lanca od kojih svaki sadrži HEM skupinu.

SVOJSTVA PROTEINA

Proteini su makromolekule velikih relativnih molekulskih masa. Topljivost proteina ovisi o njihovoj građi. Vlaknasti ili fibrilarni proteini su netopljivi u vodi dok su globularni ili kuglasti proteini topljivi u vodi. Topljivi proteini tvore koloidne otopine (veličina čestica od 1-200 nm). Netopljivi proteini grade biološke membrane.

Jedno od osnovnih svojstava proteina je njihova mogućnost denaturiranja, tj. narušavanja njihove konformacije kidanjem vodikovih veza i otvaranjem polipeptidnih lanaca. Do denaturiranja proteina dolazi pri visokim temperaturama, utjecajem jakih kiselina i baza, soli teških metala. Denaturiranjem protein mijenja svoja svojstva.

Denaturacija proteina može biti povratna ili reverzibilna i nepovratna ili ireverzibilna. Ireverzibilno (nepovratno ili trajno) denaturiranje kao posljedicu ima nemogućnost vraćanja prvobitne konformacije proteina, to više ne može biti isti protein. Primjer je da ako skuhamo ili ispržimo jaje (sadrži proteine), ne možemo napraviti proces u kojem ćemo opet dobiti svježe jaje.

U slučaju reverzibilnog (povratnog ili privremenog) denaturiranja koje je najčešće uzrokovano slabim reagensima (alkohol, soli lakih metala) nakon prestanka djelovanja uzročnika denaturacije, možemo dobiti prvobitni protein. Ovaj proces nazivamo i renaturacija.

URADI OVAJ JEDNOSTAVAN POKUS:

Potreban pribor i materijal: otopina bjelanca, etanol, 10 %-tna otopina klorovodične kiseline, 10 %-tna otopina natrijeve lužine, otopina bakrova (II) sulfata, otopina amonijeva sulfata, aceton, destilirana vode, epruvete.

Opis pokusa: U epruvete ulij 3 ml otopine bjelanca. Prvu epruvetu zagrijavaj do vidljive promjene. U jednu epruvetu dodaj nekoliko kapi etanola i promućkaj, u drugu kiselinu, u treću lužinu, u četvrtu otopinu bakrova (II) sulfata, u petu otopinu amonijeva sulfata i u posljednju aceton. Uoči promjene i zabilježi opažanja!

Što je nastalo u epruvetama?

Zatim u svaku od epruveta ulijte nekoliko kapi destilirane vode i sadržaj promućkajte. Uoči promjene i zabilježi opažanja!

U kojoj od epruveta je došlo do značajnijih promjena? Obrazloži!

Koje svojstvo proteina ispitujemo ovim pokusom?

DOKAZIVANJE PROTEINA

Proteine u nekom uzorku najčešće dokazujemo tzv. BIURET-reakcijom. BIURET-reagens pravimo miješanjem jednakih količina 0,25 %-tne otopine bakrovog (II) sulfata i 5 %-tne otopine natrijeve lužine. Dobiveni reagens je bistar i svijetloplave boje. Ukoliko je u uzorku prisutan protein (polipeptid) doći će do vezanja bakra na peptidnu vezu što uočavamo pojavom ljubičaste boje.

ZADATAK:

Dokaži prisutnost proteina BIURET-reakcijom u sljedećim uzorcima: otopina bjelanca, mlijeko, sir, vino, pašteta od tune.

Opis postupka: U epruvetu ulij 2 ml vodene otopine bjelanca i istu količinu BIURET-reagensa. Uoči promjene i zabilježi opažanja! Postupak ponovi sa ostalim uzorcima. Koristi 1-2 mL BIURET-reagensa.

PODJELA PROTEINA

Proteine prema njihovom sastavu dijelimo na jednostavne i složene (konjugirane). Jednostavni proteini su građeni samo od aminokiselina dok složeni ili konjugirani proteini u svom sastavu sadrže i neku drugu, neproteinsku anorgansku ili organsku skupinu tzv. prostetičku skupinu. Primjerice hemproteini kojima pripadaju hemoglobin i mioglobin sadrže hem skupinu, glikoproteini sadrže šećer, lipoproteini lipid, nukleoproteini nukleinsku kiselinu, itd.

Vodikove veze koje su odgovorne za prostorni oblik proteina su slabe i podložne kidanju stoga proteini prema svojoj prostornoj građi mogu biti kuglasti i vlaknasti.

Kuglasti ili globularni proteini su primjerice bjelanjak jajeta, proteini krvne plazme albumini i globulini, enzimi i neki hormoni, hemoglobin i mioglobin. Kuglasti proteini su topljivi u vodi. Ne sudjeluju izravno u staničnoj strukturi već imaju funkcionalnu ulogu.

Vlaknasti (fibrilarni ili nitasti) proteini su keratin (protein kose i noktiju), kolagen (protein vezivnog tkiva), miozin (protein u mišićima), fibroin (protein u svili), elastin (protein vezivnog tkiva i ligamenata). Netopljivi su u vodi. Mehanički su vrlo jaki i manje podložni denaturiranju. Osnovna uloga im je pružanje potpore, zaštite i stvaranje otpornosti organizama.

ULOGA I VAŽNOST PROTEINA

Proteini kao građevni elementi stanica, prijenosnici informacija, katalizatori kemijskih reakcija u biološkim sustavima, čimbenici procesa nasljeđivanja, spona stanica i njihovog okoliša, molekule odgovorne za rast i razvoj organizama zasigurno predstavljaju najvažniju skupinu organskih spojeva. Funkcionalnost bioloških stanica i njihova otpornost prema vanjskim utjecajima posljedica je njihove proteinske građe.

Da bismo osigurali zdravlje naših stanica i posljedično zdravlje cijelog organizma nužno je voditi računa o našoj prehrani u koju treba uključiti namirnici bogate proteinima.

ISTRAŽI! 

Koje namirnice su bogate proteinima? Razvrstaj ih prema tome jesu li biljnog ili životinjskog porijekla!

Što čujem zaboravim, što vidim pamtim, što uradim znam!

PROTEINI

e-učenje kemije