Protein

Proteiner,^[a] også kalt eggehvitestoff, er en type molekyler som finnes i alle levende organismer, og er en av de grunnleggende bestanddelene for alt liv. De varierer i størrelse, form og egenskaper, og utfører et vidt spekter av oppgaver. Strukturelle proteiner (også kalt fiberproteiner) finnes blant annet i skjelett og muskler, hvor de er en nødvendig del av både oppbygning og funksjon. Globulære proteiner (proteiner som lar seg løse opp i væske) deltar i nesten alle biologiske prosesser, for eksempel ved å sende meldinger i organismer eller ved å utføre oppgaver direkte. Maten vi spiser blir omgjort til energi ved hjelp av proteiner, og det er også de som utfører fotosyntesen i planter. En annen type proteiner finnes i cellemembraner, der de sender beskjeder fra den ene siden av membranen til den andre, samt at de hjelper små molekyler gjennom membranen.

Klassifisering

Proteiner kan klassifiseres på ulike måter: strukturelle, globulære og membran-proteiner refererer til selve oppbygningen av proteinet fremfor funksjonen. Mange proteiner er enzymer (katalysatorer), en type molekyler som får kjemiske reaksjoner til å gå fortere. En annen viktig oppgave for proteiner er å delta i regulering av celleprosesser, der mengden proteiner eller kjemiske signaler festet på proteinene indikerer at en prosess skal startes eller avsluttes. Dette er viktig for vekst og utvikling av levende organismer, fra bakterier til planter, sopp og dyr.

Oppbygning

Et protein er bygget opp av en eller flere kjeder med aminosyrer. Aminosyrene er bundet sammen med peptidbindinger. Korte kjeder med aminosyrer kalles ofte peptider eller oligopeptider, men grensen mellom peptid og protein er ikke veldefinert. Under proteinsyntesen blir en og en aminosyre koblet på kjeden, og denne folder seg i en tredimensjonal struktur. Noen proteiner folder seg av seg selv, mens andre trenger hjelp av andre foldehjelpere (engelsk: chaperones) til å få riktig struktur.

Historie

I 1838 beskrev den svenske kjemikeren Jöns Jakob Berzelius proteiner for første gang, men hvor viktig proteiner var for levende organismer begynte ikke å bli klart før i 1926, da James B. Sumner viste at urease var et protein.^[1] Insulin fikk æren av å være det første proteinet som ble sekvensert, noe Frederick Sanger fikk nobelprisen i kjemi for 1958. I 1958 ble for første gang strukturen til proteiner kjent, da Max Perutz og John Cowdery Kendrew bestemte strukturene til hemoglobin og myoglobin ved hjelp av røntgenkrystallografi.^[2]^[3] Perutz og Kendrew delte nobelprisen i kjemi for denne bragden i 1962. En annen viktig oppdagelse var at proteinets struktur ble bestemt av dets sekvens, noe Christian B. Anfinsen fikk nobelprisen i kjemi for i 1972.

Sykdom

Proteiner kan også forårsake sykdommer, dersom mengden protein i en organisme er feil eller dersom det er feil på proteinene. Diabetes er et eksempel på en sykdom forårsaket av proteiner, der kroppen enten ikke produserer nok av proteinet insulin eller ikke reagerer riktig på insulinet. Huntingtons sykdom er en sykdom der endringer i et gen forårsaker endringer i strukturen til proteinet som genet koder for. Hemofili (blødersykdom) forårsakes av at genet for et protein enten ikke er til stede i arvestoffet eller at genet er mutert slik at proteinet ikke virker som det skal.

Mennesker og dyr trenger også proteiner som en del av dietten. Noen aminosyrer kan ikke organismen lage selv, og trenger å få disse tilført gjennom mat. I tillegg får organismen billig drivstoff siden den ikke trenger å lage alle aminosyrene selv.

Struktur og produksjon

Proteiner er bygget opp av mange atomer. Størsteparten av atomene er av typen karbon, hydrogen, oksygen og nitrogen. Noen proteiner inneholder også fosfor og svovel. Atomene danner ulike aminosyrer som kobles sammen i lange kjeder. Disse kjedene bretter seg sammen i bestemte strukturer. Noen proteiner virker bare når flere kjeder kobles sammen eller når bestemte molekyler er bundet til proteinet. Disse kalles kofaktorer, og hjelper proteinene utføre sin funksjon. En kofaktor kan være et enkelt atom som magnesium eller jern, eller molekyler som hem. Hemmolekylet er bundet til hemoglobin, og har et jernatom som kan binde oksygen. Hele proteinkomplekset frakter oksygen og finnes i røde blodceller (erytrocytter).

Proteinenes byggestener

Se egen artikkel: Aminosyre.

Den generelle oppbygningen til en aminosyre

Proteiner er kjeder med aminosyrer som er bundet til hverandre. Alle aminosyrer har en felles oppbygning, eller «ryggrad», som består av en karboksylgruppe (-COOH) som er bundet til et karbonatom som igjen er bundet til en aminogruppe (-NH₂). Karbonatomet i midten er også bundet til et hydrogenatom og til en variabel gruppe kalt sidekjeden eller R-gruppen. Det er denne gruppen som skiller de ulike aminosyrene fra hverandre, og den kan være alt fra et hydrogenatom i aminosyren glycin til en dobbel aromatisk ring i tryptofan. Når aminosyrer bindes sammen med peptidbindinger, er det aminogruppen og karboksygruppen som danner en binding.

De to endene av en polypeptidkjede betegnes som den amino-terminale (N-terminale) eller den karboksy-terminale (C-terminale) enden avhengig av hvilken fri gruppe som finnes der. Begynnelsen av proteinkjeden har en aminogruppe, mens slutten av kjeden har en karboksygruppe, og vi leser sekvensen til proteinene fra N- til C-terminal.

Aminosyrene karakteriseres ut fra egenskapene til R-gruppen. Vanligvis deles de 20 aminosyrene inn i to hovedgrupper avhengig av om de er hydrofile eller hydrofobe. Hydrofile aminosyrer ligger ofte i overflaten av proteinet siden de er polare eller har ladning, mens hydrofobe aminosyrer ofte ligger i kjernen av proteinet, gjemt vekk fra vannet. Hydrofobe atomer søker seg mot hverandre, dette kalles hydrofob effekt. Det er aminosyrenes egenskaper og rekkefølgen de kommer i som bestemmer proteinets struktur og dermed funksjon. Selv små endringer i sekvensen kan føre til at proteinet endrer eller mister funksjon.

Siden aminosyrene kan kombineres i kjeder uten begrensninger er det mulig å danne utallige unike kjeder. Selv for et lite peptid på bare 10 aminosyrer finnes det flere enn 10¹³ mulige kombinasjoner av aminosyrer som alle gir unike sekvenser!

Struktur

Proteiner kan beskrives på ulike måter. Tidligere har både sekvens og tredimensjonal struktur blitt nevnt, og begge disse er eksempler på vanlige måter å beskrive proteiner på:

Primærstruktur: Rekkefølgen av aminosyrer i en proteinkjede. Hver proteinkjede beskrives som et ord, og alfabetet er de 20 aminosyrene. Den første bokstaven i ordet er den aminosyren som er på den N-terminale enden av kjeden. Primærstrukturen sier ingenting direkte om den fysiske strukturen til proteinet, men kan likevel si noe om funksjonen og hvilke sekundærstrukturer proteinkjeden kan ha. I bioinformatikk brukes ofte primærstruktur for å sammenligne proteiner i ulike organismer, eller for å finne lignende proteiner i ulike organismer.

Alfaheliks hvor ryggraden er vist med tykke linjer, sidekjeder med tynne linjer og hydrogenbindinger mellom ryggraden i grønne stiplede linjer.

Sekundærstruktur: Her beveger vi oss fra sekvensen til selve strukturen til proteinet. Sekundærstrukturer er lokale tredimensjonale strukturer som dannes langs proteinkjeden. Disse strukturene er stabile fordi hydrogenbindinger dannes mellom ulike steder i ryggraden på proteinkjeden. Vanligvis er sekundærstrukturer klassifisert som enten alfaheliks eller β-flak (engelsk beta sheet), men noen bruker begrepet turns (fra engelsk) som en tredje kategori. En proteinkjede har som oftest flere sekundærstrukturelementer siden ett element ikke trenger å inneholde så mange aminosyrer. Sekundærstrukturer brukes også i beskrivelsen av proteiner, fordi de forteller noe om hvordan proteiner er satt sammen og hvilke egenskaper som finnes lokalt langs proteinkjeden. Proteiner kan klassifiseres på bakgrunn av hvilke sekundærstrukturer som er til stede. Noen sekundærstrukturer er vanlige å finne sammen, og beskrives som supersekundærstrukturer eller strukturelle motiv.

Tertiærstruktur: Beskriver hvordan en hel proteinkjede er brettet sammen i tre dimensjoner. Her beskrives posisjonene til atomene som utgjør proteinkjeden, og forholdet mellom dem. Ikke alle atomene er bundet til hverandre, men alle som er bundet til hverandre beskrives. Det er ulike krefter som gjør at proteinene danner en tertiærstruktur, blant disse er

hydrofob effekt: hydrofobe deler av proteinet søker sammen og danner kjernen i proteinkjeden
hydrogenbindinger: I tillegg til bindingene som danner sekundærstrukturelementene, dannes hydrogenbindinger mellom sidekjedene (R-gruppen) på ulike aminosyrer og mellom sidekjedene og ryggraden.
Van der Waalske krefter: lokale krefter mellom atomer som er helt generelle og foregår mellom alle atomer. Disse gjør at atomer vil ha en tendens til å nærme seg hverandre, men sørger også for at ikke atomene kommer for tett inntil hverandre.
Saltbroer: Bindinger mellom grupper på aminosyrene som er sterkt negative og sterkt positive som oftest finnes i overflaten av proteinet.

Proteiner kan også modifiseres, altså at bestemte molekyler byttes ut, dette kan også beskrives i tertiærstrukturen. Tertiærstrukturen bestemmer hele eller deler av funksjonen til proteinet. Proteiner som har nesten samme sekvens kan i noen tilfeller ha ganske ulik struktur eller de kan være nesten identiske. Det finnes også tilfeller der sekvensene er ulike, men strukturene er meget like.

Kvartenærstruktur: Flere proteinkjeder som går sammen for å danne et funksjonelt proteinkompleks. I noen tilfeller har proteinene funksjon som enkle enheter, mens i andre tilfeller må alle sub-enhetene (proteinkjedene) være koblet sammen på riktig måte for at komplekset skal ha korrekt funksjon. Her beskrives det tredimensjonale forholdet mellom alle atomene og måten de er bundet sammen på. I tillegg beskrives rollen til de ulike subenhetene dersom de har ulik funksjon. Hemoglobin er et eksempel på et proteinkompleks.

Når man snakker om globulære, strukturelle eller membranproteiner, er det tertiær- eller kvartenærstrukturen som beskrives. Globulære og strukturelle klassifikasjoner beskriver helst formen på proteinet, men sier litt om funksjon også, siden strukturelle proteiner er viktig for oppbygningen og styrken til støttevev og skjelett i ulike organismer.

Proteiner er ikke statiske

Beskrivelser av tertiær- og kvartenærstruktur kan gi inntrykk av at proteiner er rigide objekter som ikke er fleksible. De strukturelle proteinene som er en del av skjelett eller skall har også svært liten mulighet til å bevege seg, men i alle proteinstrukturer finnes det bevegelser på ulike nivåer. Dersom proteiner ikke hadde vært fleksible, ville vi ikke kunnet bevege oss, vokse eller fordøye mat, og planter ville ikke kunne utføre fotosyntese.

Noen proteiner har ulike konformasjoner, eller flere ulike tertiærstrukturer som er stabile og som har funksjon. Primærstrukturen er den samme, og for det meste er sekundærstrukturen lik, men tertiær- og kvartenærstrukturen kan være endret mellom ulike konformasjoner. Endringen består oftest av at atomene endrer posisjon, mens bindingene mellom atomene forblir den samme. Noen proteiner endrer form slik at kofaktorer eller andre proteiner skal kunne koble seg til, mens membranproteiner gjerne endrer form for å sende en beskjed fra en side av en membran til den andre.

Endringer mellom konformasjoner har gjerne stor betydning for organismen. Konformasjonsendringer kan signalisere at en prosess skal starte eller avslutte, for eksempel brukes dette mye når en organisme utvikler seg. Proteiner får signaler som gjør at konformasjonen endres, og det kan sette igang neste steg i utviklingen, og proteinet vil alltid inneha denne konformasjonen etterpå. Andre proteiner går frem og tilbake mellom konformasjonene, som hemoglobin, som har to ulike konformasjoner, en der oksygen er bundet, og en der oksygen ikke er bundet.

Ulike konformasjoner i proteiner gir mulighet for nøyaktig regulering av prosesser som foregår i en organisme. Eksempler på dette er regulering av stoffskifte og utvikling av cellene, og dette skjer i alle slags organismer, fra «enkle» bakterier til mennesker. Reguleringsmekanismene er helt generelle og brukes også når proteiner produseres (transkripsjon og translasjon) og når signaler skal sendes i kroppen.

Fra DNA via RNA til ferdig protein (Proteinsyntese)

DNA (deoksyribonukleinsyre) består av gener. Hvert gen transkriberes til RNA (ribonukleinsyre) i cellekjernen. Etter ulike modifiseringer oversettes RNA til proteiner i ribosomer gjennom en prosess som kalles translasjonen. Ribosomene gjenkjenner tripletter av baser som passer til den enkelte aminosyren. En aminosyre kan bli kodet av mange tripletter. Felles for alle proteiner er at de starter med basene adenin-guanin-cytosin som tilsvarer aminosyren metionin.

Produksjon av protein er under regulering av andre proteiner og hormoner. Som respons til visse stimuli vil proteinproduksjonen reguleres opp eller ned.

Ikke-ribosomale proteiner (NRPS, nonribosomal peptide synthetase) Stor gruppe med komplekse sekundære stoffskifteprodukter hos actinomyceter, sopp og bakterier som lages fra aminosyrer katalysert av et flerfunksjonelt ikke-ribosomal peptidsyntetase.

Funksjoner

Proteiner er byggesteinene i alle levende celler. De utfyller et utall mer eller mindre svært spesialiserte funksjoner. Hos mennesker er dette alt fra å bygge opp og vedlikeholde muskler, skjelett, hud og slimhinner, til å stå for transport av oksygen og næringsstoffer i blodet. Proteinene deltar også i immunrespons, samt lagring og transport av forskjellige stoffer i kroppen. Gjennom ernæring er proteinene kilde til aminosyrer for organismer som ikke kan lage disse selv. Inngår som del av sikringskosten mot mangelsykdommer for mennesker.

Proteiner skaper folk - og dyr

De fleste organismer er bygd opp av strukturelle proteiner. Cellenes form, og dermed også formen til multicellulære organismer, er stort sett bestemt av proteiner. Videre er proteiner et viktig næringsmiddel. Nedbrytingen av proteiner begynner i magen, der de splittes opp i aminosyrer av proteaser. Mesteparten av aminosyrene tas opp i tynntarmen, og svært lite (~1 %) går ut med avføringen. Aminosyrene som tas opp kan benyttes videre direkte som byggesteiner i nye proteiner, eller de kan brytes videre ned og gjøre nytte som energikilde.

Enzymer: naturens katalysatorer

Alle enzymer er proteiner, men ikke alle proteiner er enzymer. Enzymer deltar som katalysatorer i kjemiske reaksjoner som ellers ville gått sakte eller ikke i det hele tatt ved å senke aktiveringsenergien som kreves for at reaksjonen skal starte. I enkelte tilfeller ved å bringe reaktanter i nærheten av hverandre, mens andre reaksjoner krever tilførsel av energi fra for eksempel adenosin trifosfat (ATP). Mange proteiner har enzymatisk aktivitet eller inngår som underenheter i enzymer.

Reaksjonene enzymet deltar i utføres i det aktive setet. Dette er ofte lommer eller fordypninger i proteinet der substratene binder. I området rundt det aktive setet er gjerne aminosyresekvensen konservert mellom arter som har proteiner med lignende funksjoner. Studier av slike sekvenser, helst på DNA-nivå, bidrar ofte til å finne ut av enzymenes funksjon eller å si noe om evolusjonen av en art og slekstkap mellom dem.

Det finnes svært mange typer enzymer med ulike oppgaver. Her er noen eksempler:

Amylase, som spalter stivelse i spyttet
DNA og RNA polymeraser, som deltar i kopiering og produksjon av DNA og RNA
DNA reparasjonsproteiner er en gruppe enzymer som fjerner og retter opp feil i DNA og RNA. Disse enzymene kan forhindre mutasjoner som i sin tur kunne ført til kreft

Kort om enzymkinetikk

Innledningsvis øker hastigheten i en enzymreaksjon hyperbolsk med økende substratkonsentrasjon. Ved substratmetning, det vil si når alle enzymmolekylene er bundet til substratet, øker ikke hastigheten ytterligere.

Den enkleste enzymreaksjonen kan uttrykkes på formen

$E+S\Leftrightarrow ES\Rightarrow E+P$

der E er enzym, ES er et enzym-substrat-kompleks og P er produkt. Noen enzymer kan brukes på nytt etter å ha dannet produktet, mens andre blir inaktivert på grunn av forandringer i proteinstrukturen.

For denne reaksjonen gir Mikaelis-Menten-ligningen sammenhengen mellom reaksjonshastigheten v og substratkonsentrasjonen:

$v={\frac {V_{max}[S]}{K_{m}+[S]}}$

Her er V_max den maksimale reaksjonshastigheten for enzymet, mens K_m er Mikaelis-konstanten, som gir substratkonsentrasjoner ved halvparten av V_max.

Les mer om enzymkinetikk på Universitetet i Oslo.

Regulering av enzymer

Enzymer kan binde til ulike molekyler i spesifikke bindingsseter som finnes i proteinet. Molekylene som bindes kalles ligander. Hvor sterkt liganden binder uttrykkes som ligandens affinitet. Høy affinitet betyr sterk binding. Regulering av slik binding gjøres gjerne ved strukturelle (allosteriske) forandringer i proteinet, slik at liganden ikke kan komme i kontakt med bindingssetet. Binding av ligand til ett sete kan også påvirke affiniteten for ligander til andre seter. Konsentrasjon av proteinet er en viktig type regulering.

Det finnes også kunstige metoder for å regulere proteiner. Man kan for eksempel begrense tilgangen på co-faktorer og derved senke aktiviteten. Under sterk varmepåvirkning vil de fleste enzymer denatureres og miste sin funksjon. Denatureringen er i de fleste tilfeller irreversibel og enzymet er ødelagt.

Proteiner som næringsstoff

Proteiner regnes også som en av tre hovedgrupper næringsstoffer i kosten, ved siden av fett og karbohydrater. Proteinene som vi får i oss gjennom maten, brytes ned til aminosyrer i fordøyelsessystemet. Disse aminosyrene kan kroppen bruke enten som byggesteiner til å bygge opp egne proteiner, eller som brensel («drivstoff») i cellene på samme måte som fettsyrer (fra fett) og druesukker (fra karbohydrater).

Åtte såkalte essensielle aminosyrer kan ikke kroppen produsere selv så de må tilføres gjennom mat. Alle kan dekkes av variert vegetabilsk kost som utelukkende består av frukt, grønnsaker, belgvekster, nøtter og korn. De kan også fås gjennom inntak av fisk, egg, kjøtt, melkeprodukter og brødvarer. Disse åtte er tryptofan, lysin, metionin, fenylalanin, treonin, valin, leucin og isoleucin. To andre, histidin og arginin, er i tillegg essensielle for barn.

Eksempler på noen proteiner

Forskjellige typer proteiner og deres oppgaver:

Insulin: Insulin er satt sammen av 51 aminosyrer og er et hormon som styrer glukoseinnholdet i blodet. Dette er det første proteinet som ble bestemt.
Tubulin: Proteinet som bygger opp fibrene i cellenes indre skjellet (mikrotubuli). Tubulin er bygd opp av en polypeptidkjedet på ca. 475 aminosyrer. De blå spiralene er alfa-helikser, de grønne pilene er beta–tråder. De gule trådene er molekylet GTP, som binder alt sammen. Selve tubulinen består av at beta-trådene danner to flak inne i proteinet, og 11 α-helikser er tvinnet rundt, mens 10 β-tråder holder alt sammen.
Hemoglobin: Oksygenbærende protein i noen pattedyr. Proteinet består av 4 nesten identiske proteinkjeder og flere kofaktorer som bærer med seg selve oksygenet.

Se også

Fotnoter

Type nummerering

^ fra gresk πρῶτος protos: den første

Referanser

^ Sumner, JB. (1926). «The isolation and crystallization of the enzyme urease. Preliminary paper» (PDF). Journal of Biological Chemistry. 69: 435–41. Arkivert fra originalen (PDF) 29. september 2007. Besøkt 31. august 2009.
^ Muirhead H, Perutz M. (1963). «Structure of hemoglobin. A three-dimensional fourier synthesis of reduced human hemoglobin at 5.5 Å resolution». Nature. 199 (4894): 633–38. PMID 14074546. doi:10.1038/199633a0.
^ Kendrew J, Bodo G, Dintzis H, Parrish R, Wyckoff H, Phillips D. (1958). «A three-dimensional model of the myoglobin molecule obtained by x-ray analysis». Nature. 181 (4610): 662–66. PMID 13517261. doi:10.1038/181662a0.

Litteratur

C. Branden and J. Tooze Introduction to protein structure 2nd ed. 1999. Garland publishing

Eksterne lenker

(en) Proteins – kategori av bilder, video eller lyd på Commons

[1] ra gresk πρῶτος protos: den første

[2] Sumner, JB. (1926). «The isolation and crystallization of the enzyme urease. Preliminary paper» (PDF). Journal of Biological Chemistry. 69: 435–41. Arkivert fra originalen (PDF) 29. september 2007. Besøkt 31. august 2009.

[3] Muirhead H, Perutz M. (1963). «Structure of hemoglobin. A three-dimensional fourier synthesis of reduced human hemoglobin at 5.5 Å resolution». Nature. 199 (4894): 633–38. PMID 14074546. doi:10.1038/199633a0.

[4] Kendrew J, Bodo G, Dintzis H, Parrish R, Wyckoff H, Phillips D. (1958). «A three-dimensional model of the myoglobin molecule obtained by x-ray analysis». Nature. 181 (4610): 662–66. PMID 13517261. doi:10.1038/181662a0.

[a]

[1]

[2]

[3]