Macromoleculele biologice (partea de IV-a): proteinele

Proteinele sunt lanțuri lungi formate din secvențe diferite ale celor 20 de aminoacizi. Fiecare aminoacid conține o grupare amino (-NH₂), o grupare carboxil (-COOH) și o grupare variabilă și este legat de vecinul său printr-o legătură peptidică formată printr-o reacție de deshidratare. Un lanț lung de aminoacizi este cunoscut sub denumirea de polipeptidă.

Proteinele îndeplinesc numeroase funcții în celule. Ele acţionează ca enzime care catalizează reacţiile chimice, oferă suport structural, reglează trecerea substanţelor prin membrana celulară, protejează împotriva bolilor şi coordonează căile de semnalizare celulară.

Structura proteinelor este organizată pe patru niveluri: primar, secundar, terțiar și cuaternar. Structura primară este secvența unică de aminoacizi. O modificare a unui singur aminoacid poate modifica structura și funcția proteinei. De exemplu, anemia falciformă rezultă în urma substituirii unui singur aminoacid dintr-o moleculă de hemoglobină alcătuită din 574 de aminoacizi.

Structura secundară constă în plierea locală a polipeptidei prin formarea legăturilor de hidrogen, conducând la conformaţiile α-helix şi β-foaie pliată.

În structura terțiară, diferite interacțiuni, de exemplu, legăturile de hidrogen, legăturile ionice, legăturile disulfidice (disulfurice) și interacțiunile hidrofobe între grupările R, contribuie la plierea polipeptidei în diferite configurații tridimensionale. Majoritatea enzimelor au o configurație terțiară. Dacă o proteină este denaturată, atunci ea își pierde forma tridimensională și este posibil să nu mai fie funcțională. Condițiile de mediu precum temperatura și pH-ul pot denatura proteinele.

Unele proteine, cum este hemoglobina, sunt formate din mai multe polipeptide, iar interacțiunile acestor subunități formează structura cuaternară a proteinelor.

Tipuri de proteine și funcțiile acestora

Proteinele sunt una dintre cele mai răspândite molecule organice din organismele vii și au cea mai diversă gamă de funcții dintre toate macromoleculele. Proteinele pot îndeplini rol structural, reglator, contractil sau protector; pot servi în transport, depozitare sau membrane; sau pot fi toxine ori enzime. Fiecare celulă dintr-un sistem viu poate conține mii de proteine, fiecare având o funcție unică. Structurile lor, ca și funcțiile lor, variază foarte mult. Totuși, toate sunt polimeri ai aminoacizilor, aranjați într-o secvență liniară.

Enzimele, care sunt produse de celulele vii, sunt catalizatori în reacțiile biochimice (cum ar fi digestia) și sunt de obicei proteine complexe sau conjugate. Fiecare enzimă este specifică pentru substratul (un reactant care se leagă de o enzimă) asupra căruia acționează. Enzima poate ajuta la reacțiile de descompunere, rearanjare sau sinteză. Enzimele care descompun substraturile lor sunt numite enzime catabolice, enzimele care construiesc molecule mai complexe din substraturile lor se numesc enzime anabolice, iar enzimele care afectează viteza de reacție sunt numite enzime catalitice. Trebuie remarcat faptul că toate enzimele cresc viteza de reacție și, prin urmare, sunt considerate a fi catalizatori organici. Un exemplu de enzimă este amilaza salivară, care hidrolizează amiloza (substratul său), o componentă a amidonului.

Hormonii sunt molecule de semnalizare chimică, de obicei proteine mici sau steroizi, secretate de celulele endocrine, care acționează pentru a controla sau regla anumite procese fiziologice, inclusiv creșterea, dezvoltarea, metabolismul și reproducerea. De exemplu, insulina este un hormon proteic care ajută la reglarea nivelului de glucoză din sânge.

Principalele tipuri de proteine și funcțiile acestora sunt prezentate în Tabelul 1.

Proteinele au forme și greutăți moleculare diferite; unele proteine au formă globulară, în timp ce altele sunt de natură fibroasă. De exemplu, hemoglobina este o proteină globulară, dar colagenul, care se găsește în pielea noastră, este o proteină fibroasă. Forma proteinelor este esențială pentru funcțiile lor, iar această formă este menținută de multe tipuri diferite de legături chimice. Schimbările de temperatură, pH și expunerea la substanțe chimice pot duce la modificări permanente ale formei proteinei și la pierderea funcției, cunoscută sub numele de denaturare. Toate proteinele sunt alcătuite din diferite aranjamente ale celor mai comune 20 de tipuri de aminoacizi.

Aminoacizii

Aminoacizii sunt monomerii care alcătuiesc proteinele. Fiecare aminoacid are aceeași structură fundamentală, care constă dintr-un atom de carbon central, cunoscut și sub numele de carbon alfa (α), legat de o grupare amino (NH₂), o grupare carboxil (COOH) și de un atom de hidrogen. Fiecare aminoacid are, de asemenea, un alt atom sau grup de atomi legat de atomul central, cunoscut sub numele de grupare R (Figura 1).

Figura 1 – Aminoacizii au un atom de carbon central asimetric la care sunt atașate o grupare amino, o grupare carboxil, un atom de hidrogen și o catenă laterală (grupare R).

Denumirea de „aminoacid” derivă din faptul că aceste substanțe conțin atât o grupare amino, cât și o grupare carboxil-acid în structura lor de bază. După cum am menționat, există 20 de aminoacizi comuni prezenți în proteine. Nouă dintre aceștia sunt considerați aminoacizi esențiali la om, deoarece organismul uman nu îi poate produce și sunt obținuți din dietă. Pentru fiecare aminoacid, gruparea R (sau lanțul lateral) este diferită.

Natura chimică a lanțului lateral determină natura aminoacidului (adică dacă este acid, bazic, polar sau nepolar). De exemplu, aminoacidul glicină are un atom de hidrogen ca grupare R. Aminoacizi precum valina, metionina și alanina sunt de natură nepolară sau hidrofobă, în timp ce serina, treonina și cisteina sunt polari și au catene laterale hidrofile. Lanțurile laterale ale lizinei și argininei sunt încărcate pozitiv și, prin urmare, acești aminoacizi sunt cunoscuți și ca aminoacizi bazici. Prolina are o grupare R care este legată de gruparea amino, formând o structură asemănătoare unui inel. Prolina este o excepție de la structura standard a unui aminoacid, deoarece gruparea sa amino nu este separată de lanțul lateral.

Aminoacizii sunt reprezentați printr-o singură literă mare (majusculă) sau o abreviere de trei litere. De exemplu, valina este reprezentată prin litera V sau simbolul de trei litere Val. Așa cum unii acizi grași sunt esențiali pentru o dietă, unii aminoacizi sunt de asemenea necesari. Aceștia sunt cunoscuți ca aminoacizi esențiali, iar la oameni ei sunt izoleucina, leucina și cisteina. Aminoacizii esențiali sunt necesari pentru construirea proteinelor în organism, deși nu sunt produși de organism.

Secvența și numărul de aminoacizi determină în cele din urmă forma, dimensiunea și funcția proteinei. Fiecare aminoacid este atașat de un alt aminoacid printr-o legătură covalentă, cunoscută sub numele de legătură peptidică, formată printr-o reacție de deshidratare. Gruparea carboxil a unui aminoacid și gruparea amino a aminoacidului următor se combină, eliberând o moleculă de apă. Legătura rezultată este legătura peptidică.

Figura 2 – Formarea legăturii peptidice este o reacție de deshidratare. Gruparea carboxil a unui aminoacid se leagă de gruparea amino a aminoacidului următor. Din acest proces se eliberează o moleculă de apă.

Compușii formați prin astfel de legături se numesc peptide. Pe măsură ce mai mulți aminoacizi se alătură acestui lanț în creștere, lanțul rezultat este cunoscut sub numele de polipeptidă. Fiecare polipeptidă are o grupare amino liberă la un capăt. Acest capăt se numește N-terminal sau amino-terminal, iar celălalt capăt are o grupare carboxil liberă, fiind cunoscut sub denumirea de capăt C-terminal sau carboxil. 

În timp ce termenii polipeptidă și proteină sunt uneori folosiți interschimbabil, o polipeptidă este, din punct de vedere tehnic, un polimer al aminoacizilor, în timp ce termenul proteină este folosit pentru o polipeptidă sau polipeptide care s-au combinat, adesea au grupări protetice non-peptidice legate, au o formă distinctă și îndeplinesc o funcție unică. După sinteza proteinelor (translația), majoritatea proteinelor sunt modificate. Acestea sunt cunoscute sub denumirea de modificări post-translație. Proteinele pot suferi scindări sau fosforilări ori pot necesita adăugarea altor grupări chimice. Numai după aceste modificări proteina este complet funcțională.

Structura proteinelor

După cum am văzut  mai sus, forma unei proteine este esențială pentru funcția sa. De exemplu, o enzimă se poate lega la un substrat specific la un loc cunoscut sub numele de situs activ. Dacă acest situs activ este alterat din cauza modificărilor locale sau a modificărilor structurii generale a proteinei, enzima poate fi incapabilă să se lege de substrat. Pentru a înțelege modul în care proteina își capătă forma sau conformația finală, trebuie să înțelegem cele patru niveluri ale structurii proteinei: primar, secundar, terțiar și cuaternar.

Structura primară

Secvența unică de aminoacizi dintr-un lanț polipeptidic reprezintă structura sa primară. De exemplu, insulina are două lanțuri polipeptidice, A și B, care sunt legate între ele prin legături disulfidice. Aminoacidul N-terminal al lanțului A este glicina, în timp ce aminoacidul C-terminal este asparagina (Figura 3). Secvențele de aminoacizi din lanțurile A și B sunt unice pentru insulină.

Figura 3 – Insulina serică bovină este un hormon proteic format din două lanțuri peptidice, A (alcătuit din 21 de aminoacizi) și B (alcătuit din 30 de aminoacizi). În fiecare lanț, structura primară este indicată prin abrevieri din trei litere care reprezintă numele aminoacizilor în ordinea în care sunt prezenți. Aminoacidul cisteină (Cys) are o grupare sulfhidril (SH) ca lanț lateral. Două grupări sulfhidril pot reacționa în prezența oxigenului pentru a forma o legătură disulfurică (S-S). Două legături disulfurice conectează lanțurile A și B, iar o a treia ajută lanțul A să se plieze în forma corectă.

Secvența unică a fiecărei proteine este determinată în cele din urmă de gena care codifică proteina. O modificare a secvenței de nucleotide a regiunii de codificare a genei poate duce la adăugarea unui aminoacid diferit la lanțul polipeptidic în creștere, provocând o modificare a structurii și funcției proteinei. 

În anemia falciformă, are loc înlocuirea unui singur aminoacid din lanțul β al hemoglobinei, ceea ce determină o modificare a structurii și funcției proteinei. În mod specific, aminoacidul acid glutamic este substituit cu valina în lanțul β. 

Ceea ce este cel mai remarcabil de luat în considerare este faptul că o moleculă de hemoglobină este alcătuită din două lanțuri alfa și două lanțuri beta care constau fiecare din aproximativ 150 de aminoacizi. Prin urmare, molecula are aproximativ 600 de aminoacizi. Diferența structurală dintre o moleculă normală de hemoglobină și o moleculă modificată  este un singur aminoacid din cei 600. Ceea ce este și mai remarcabil este că acei 600 de aminoacizi sunt codificați de trei nucleotide fiecare, iar mutația este cauzată de o singură schimbare de bază azotată (mutație punctuală), deci 1 din 1800 de baze.

Din cauza acestei modificări a unui aminoacid din lanț, moleculele de hemoglobină formează fibre lungi care distorsionează globulele roșii biconcave sau în formă de disc și le determină să ia o formă de semilună sau „seceră”, ceea ce duce la obturarea vaselor de sânge. Acest lucru poate duce la nenumărate probleme grave de sănătate, cum ar fi dificultăți de respirație, amețeli, dureri de cap și dureri abdominale pentru cei afectați de această boală.

Structura secundară

Plierea locală a lanțului polipeptidic în unele regiuni ale sale dă naștere structurii secundare a proteinei. Cele mai des întâlnite sunt structurile α-helix și β-foaie pliată (Figura 4). Ambele structuri sunt ținute împreună prin legături de hidrogen. În structura α-helix, legăturile de hidrogen se formează între atomul de oxigen din grupa carbonil dintr-un aminoacid și un alt aminoacid care este cu patru aminoacizi mai departe de-a lungul lanțului.

Figura 4 – α-helix și β-foaie pliată sunt structuri secundare ale proteinelor care se formează datorită legăturilor de hidrogen dintre grupările carbonil și amino din scheletul peptidic. Anumiți aminoacizi au tendința de a forma un α-helix, în timp ce alții au tendința de a forma β-foaie pliată.

Fiecare răsurice dintr-o spirală alfa are 3,6 reziduuri de aminoacizi. Grupările R (grupurile variabile) ale polipeptidei ies din lanțul α-helix. În structura β-foaie pliată, „pliurile” sunt formate prin legături de hidrogen între atomi de pe coloana vertebrală a lanțului polipeptidic. Grupările R sunt atașate la atomi de carbon și se extind deasupra și dedesubtul pliurilor. Segmentele pliate se aliniază paralel sau antiparalel între ele și se formează legături de hidrogen între atomul de hidrogen parțial pozitiv din grupa amino și atomul de oxigen parțial negativ din grupa carbonil a scheletului peptidic. Structurile α-helix și β-foaie pliată se întâlnesc la majoritatea proteinelor globulare și fibroase și joacă un rol structural important.

Structura terțiară

Structura tridimensională unică a unei polipeptide este structura sa terțiară (Figura 5). Această structură se datorează în parte interacțiunilor chimice de la nivelul lanțului polipeptidic. În principal, interacțiunile dintre grupurile R creează structura terțiară tridimensională complexă a unei proteine.

 Natura grupărilor R găsite în aminoacizii implicați poate contracara formarea legăturilor de hidrogen descrise pentru structurile secundare standard. De exemplu, grupurile R cu sarcini similare se resping unele pe altele, iar cele cu sarcini diferite sunt atrase unele de altele (legături ionice). Când are loc plierea proteinei, grupările R hidrofobe ale aminoacizilor nepolari se află în interiorul proteinei, în timp ce grupările R hidrofile se află în exterior. Primele tipuri de interacțiuni sunt cunoscute și ca interacțiuni hidrofobe. Interacțiunea dintre lanțurile laterale ale cisteinei formează legături disulfură în prezența oxigenului, singura legătură covalentă care se formează în timpul plierii proteinelor.

Figura 5 – Structura terțiară a proteinelor este determinată de o varietate de interacțiuni chimice. Acestea includ interacțiuni hidrofobe, legături ionice, legături de hidrogen și legături disulfidice.

Toate aceste interacțiuni, slabe și puternice, determină forma tridimensională finală a proteinei. Când o proteină își pierde forma tridimensională, este posibil să nu mai fie funcțională.

Structura cuaternară

În natură, unele proteine sunt formate din mai multe polipeptide, cunoscute și sub denumirea de subunități, iar interacțiunea acestor subunități formează structura cuaternară. Interacțiunile slabe dintre subunități ajută la stabilizarea structurii generale. De exemplu, insulina (o proteină globulară) prezintă o combinație de legături de hidrogen și legături disulfurice care fac ca aceasta să fie în mare parte aglomerată într-o formă de bilă. Insulina începe ca o singură polipeptidă și pierde unele secvențe interne în prezența modificării post-translaționale după formarea legăturilor disulfurice care țin împreună lanțurile rămase. 

Pe de altă parte, mătasea (o proteină fibroasă) are o structură de folie β-foaie pliată, care este rezultatul legăturilor de hidrogen dintre diferite lanțuri.

Denaturarea și plierea proteinelor

Fiecare proteină are propria sa secvență și formă unice, care sunt ținute împreună prin interacțiuni chimice. Dacă proteina este supusă modificărilor de temperatură, ale pH-ului sau expunerii la substanțe chimice, structura proteinei se poate modifica, pierzându-și forma fără a-și pierde secvența primară. Acest fenomen este cunoscut sub denumirea de denaturare. 

Denaturarea este adesea reversibilă, deoarece structura primară a polipeptidei este conservată în timpul procesului dacă agentul de denaturare este îndepărtat, permițând proteinei să-și reia funcția. Uneori, denaturarea este ireversibilă, ducând la pierderea funcției. Un exemplu de denaturare ireversibilă a proteinelor este atunci când un ou este prăjit. Albumina din albușul lichid de ou este denaturată atunci când este pusă într-o tigaie fierbinte. 

Nu toate proteinele sunt denaturate la temperaturi ridicate; de exemplu, bacteriile care supraviețuiesc în izvoarele termale au proteine care funcționează la temperaturi apropiate de fierbere. Stomacul este, de asemenea, foarte acid, are un pH scăzut și denaturează proteinele ca parte a procesului de digestie; totuși, enzimele digestive ale stomacului își păstrează activitatea în aceste condiții.

Plierea proteinelor este esențială pentru funcționarea lor Inițial s-a crezut că proteinele în sine sunt responsabile pentru procesul de pliere. Abia recent s-a constatat că adesea ele primesc asistență în procesul de pliere de la ajutoare proteice cunoscute sub numele de chaperone (proteine chaperone), care se asociază cu proteina țintă în timpul procesului de pliere. Acestea acţionează prin prevenirea agregării polipeptidelor care alcătuiesc structura completă a proteinei şi se disociază de proteină odată ce proteina ţintă s-a pliat.