7.4: Protini

Last updated
Save as PDF

Page ID: 174894

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Malengo ya kujifunza

Eleza muundo wa msingi wa asidi amino
Eleza miundo ya kemikali ya protini
Muhtasari sifa za kipekee za protini

Mwanzoni mwa sura hii, jaribio maarufu lilielezewa ambapo wanasayansi waliunganisha asidi za amino chini ya hali zinazofanana na wale waliopo duniani muda mrefu kabla ya mageuzi ya maisha kama tunavyoijua. Misombo hii ni uwezo wa bonding pamoja katika kimsingi idadi yoyote, kujitoa molekuli ya kimsingi ukubwa wowote kwamba wamiliki safu mbalimbali ya mali ya kimwili na kemikali na kufanya kazi mbalimbali muhimu kwa viumbe wote. Molekuli inayotokana na asidi amino inaweza kufanya kazi kama vipengele miundo ya seli na vyombo subcellular, kama vyanzo vya virutubisho, kama atomi- na hifadhi ya nishati ya kuhifadhi, na kama aina kazi kama vile homoni, enzymes, receptors, na molekuli usafiri.

Amino asidi na vifungo peptide

Asidi amino ni molekuli ya kikaboni ambamo atomu ya hidrojeni, kundi la kaboksili (—COOH), na kundi la amino (—NH ₂) zote huunganishwa na atomu moja ya kaboni, kinachojulikana α kaboni. Kundi la nne lililounganishwa na kaboni α linatofautiana kati ya asidi amino tofauti na huitwa mabaki au mnyororo wa upande, unaowakilishwa katika fomula za kimuundo kwa herufi R. Mabaki ni monoma inayosababisha wakati amino asidi mbili au zaidi zinachanganya na kuondoa molekuli za maji. Mfumo wa msingi wa protini, mnyororo wa peptide, hufanywa kwa mabaki ya amino asidi. Tabia za kipekee za makundi ya kazi na makundi ya R huruhusu vipengele hivi vya amino asidi kuunda vifungo vya hidrojeni, ionic, na disulfidi, pamoja na mwingiliano wa polar/usio na polar unaohitajika kuunda miundo ya protini ya sekondari, ya juu, na ya nne. Makundi haya yanajumuisha hasa kaboni, hidrojeni, oksijeni, nitrojeni, na sulfuri, kwa namna ya hidrokaboni, asidi, amidi, alkoholi, na amini. Mifano michache inayoonyesha uwezekano huu hutolewa katika Kielelezo\(\PageIndex{1}\).

Jedwali lililoitwa baadhi ya asidi za amino na miundo yao; Nguzo 3: amino asidi, kikundi cha R, muundo. Alanine ina kundi la R la CH3. Muundo wake ni C masharti ya COO-, H, NH3, na CH3. Serine ina kundi R la CH2OH. Muundo wake ni C masharti ya COO-, H, NH3, na CH2OH. Lysine ina kundi la R la (CH2) 4NH3+. Muundo wake ni C iliyoambatanishwa na COO-, H, NH3, na a (CH2) 4NH3+. Aspartate ina kundi la R la CH2COO. Muundo wake ni C masharti ya COO-, H, NH3, na CH2COO. Cysteine ina kundi R la CH2SH. Muundo wake ni C masharti ya COO-, H, NH3, na CH2SH. — Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Amino asidi

Asidi amino zinaweza kushikamana pamoja na mmenyuko wa kundi la asidi ya kaboksili ya molekuli moja na kundi la amine la mwingine. Majibu haya hutengeneza dhamana ya peptide na molekuli ya maji na ni mfano mwingine wa awali ya upungufu wa maji mwilini (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Molekuli zinazoundwa na kuunganisha kikemia idadi ya kawaida kiasi ya asidi amino (takriban 50 au chache) huitwa peptidi, na viambishi awali hutumiwa mara nyingi kutaja namba hizi: dipeptidi (amino asidi mbili), tripeptidi (amino asidi tatu), na kadhalika. Kwa ujumla, idadi takriban ya amino asidi huteuliwa: oligopeptidi hutengenezwa kwa kujiunga hadi takriban 20 amino asidi, ambapo polipeptidi hutengenezwa kutoka hadi takriban 50 amino asidi. Wakati idadi ya asidi amino iliyounganishwa pamoja inakuwa kubwa sana, au wakati polipeptidi nyingi zinatumika kama subunits za ujenzi, macromolecules ambayo matokeo huitwa protini. urefu kuendelea kutofautiana (idadi ya monoma) ya biopolymers hizi, pamoja na aina ya makundi inawezekana R katika kila asidi amino, inaruhusu kwa utofauti karibu ukomo katika aina ya protini ambayo inaweza kuwa sumu.

Alanine ina mnyororo wa kaboni 3. Carbon pili ina NH2 masharti na ya tatu ina mara mbili Bonded O. wakati 2 alanines dhamana, OH kutoka moja na H kutoka NH2 ya aina nyingine maji. Molekuli inayosababisha ni alanini mbili zinazounganishwa na NH. — Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Peptide dhamana malezi ni maji mwilini awali mmenyuko. Kundi la carboxyl la amino asidi ya kwanza (alanine) linahusishwa na kundi la amino la asidi amino ya pili inayoingia (alanine). Katika mchakato, molekuli ya maji hutolewa.

Zoezi\(\PageIndex{1}\)

Je, ni amino asidi ngapi katika polypeptides?

Protini Muundo

Ukubwa (urefu) na mlolongo maalum wa amino asidi ya protini ni maamuzi makubwa ya sura yake, na sura ya protini ni muhimu kwa kazi yake. Kwa mfano, katika mchakato wa kuwabainishia nitrojeni kibiolojia (tazama Biogeochemical Cycles), vijiumbe vya udongo vinavyojulikana kwa pamoja kama rhizobia vinashirikiana na mizizi ya mimea ya legume kama vile soya, karanga, au maharage kuunda muundo wa riwaya unaoitwa nodule kwenye mizizi ya mimea. Mti huu hutoa protini ya carrier inayoitwa leghemoglobin, protini inayobeba nitrojeni au oksijeni. Leghemoglobin hufunga kwa mshikamano mkubwa sana na oksijeni yake ya substrate katika eneo maalum la protini ambapo sura na mlolongo wa amino asidi ni sahihi (tovuti ya kazi). Ikiwa sura au mazingira ya kemikali ya tovuti ya kazi yanabadilishwa, hata kidogo, substrate haiwezi kumfunga kwa nguvu, au haiwezi kumfunga kabisa. Hivyo, kwa protini kuwa hai kikamilifu, lazima iwe na sura sahihi kwa kazi yake.

Mfumo wa protini umewekwa katika ngazi nne: msingi, sekondari, elimu ya juu, na quaternary. Muundo wa msingi ni tu mlolongo wa amino asidi zinazounda mnyororo wa polipeptidi. Kielelezo\(\PageIndex{3}\) kinaonyesha muundo wa msingi wa protini.

Muundo wa protini ya msingi ni mlolongo wa asidi amino ambao hufanya protini. Picha ni mlolongo wa miduara (kila mduara ni asidi amino). Mwisho mmoja wa mnyororo ni kundi la amino huru au N-terminus. Mwisho mwingine wa mnyororo ni kikundi cha bure cha carboxyl au C-terminus. Mchoro wa asidi amino moja unaonyesha kaboni yenye H, kundi la R, COOH (kikundi cha kaboksili tindikali) na NH2 (kikundi cha amino). — Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Muundo wa msingi wa protini ni mlolongo wa amino asidi. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Taasisi ya Taifa ya Utafiti wa Jenomu ya Binadamu)

Mlolongo wa asidi amino unaofafanua muundo wa msingi wa protini sio mgumu, lakini badala yake ni rahisi kwa sababu ya asili ya vifungo vinavyoshikilia amino asidi pamoja. Wakati mlolongo ni wa kutosha kwa muda mrefu, kuunganishwa kwa hidrojeni kunaweza kutokea kati ya makundi ya kazi ya amine na kabonili ndani ya uti wa mgongo wa peptide (ukiondoa kikundi cha upande wa R), na kusababisha kupunzika kwa mnyororo wa polipeptidi ndani ya helices na karatasi. Maumbo haya hufanya muundo wa sekondari wa protini. Miundo ya sekondari ya kawaida ni karatasi α-helix na β-pleated. Katika muundo α-helix helix helix inashikiliwa na vifungo vya hidrojeni kati ya atomu ya oksijeni katika kundi la kabonili la asidi amino moja na atomi ya hidrojeni ya kundi amino yaani vitengo vinne vya asidi amino tu mbali zaidi kwenye mnyororo. Katika karatasi ya β-pleated, pleats hutengenezwa na vifungo sawa vya hidrojeni kati ya utaratibu unaoendelea wa makundi ya carbonyl na amino ambayo yanajitenga zaidi kwenye uti wa mgongo wa mnyororo wa polipeptidi (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).

Mfumo wa sekondari wa protini unaweza kuwa α-helix au karatasi ya β-pleated, au wote wawili. Mlolongo wa nyanja huunda ond kinachoitwa alpha-helix. Mlolongo huu pia huunda Ribbon kwamba folds nyuma na nje; hii ni lebo beta-pleated karatasi. Karibu zinaonyesha kwamba vifungo vya hidrojeni (mistari yenye dotted) kati ya amino asidi hushikilia pamoja maumbo haya. — Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Mfumo wa sekondari wa protini unaweza kuwa α-helix au karatasi ya β-pleated, au wote wawili.

Ngazi inayofuata ya shirika la protini ni muundo wa juu, ambayo ni sura kubwa ya tatu-dimensional ya mlolongo mmoja wa polypeptide. Muundo wa elimu ya juu imedhamiriwa na mwingiliano kati ya mabaki ya amino asidi ambayo ni mbali mbali katika mlolongo. Aina ya mwingiliano hutoa kupanda kwa muundo wa juu wa protini, kama vile madaraja ya disulfidi, ambayo ni vifungo kati ya makundi ya kazi ya sulfhydryl (-SH) kwenye makundi ya upande wa amino asidi; vifungo vya hidrojeni; vifungo vya ioniki; na mwingiliano wa hydrophobic kati ya minyororo ya upande usio na polar. Uingiliano huu wote, dhaifu na wenye nguvu, unachanganya kuamua sura ya mwisho ya tatu-dimensional ya protini na kazi yake (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).

Ribbon ndefu iliyoandikwa polypeptide uti wa mgongo. Mizigo ya Ribbon hufanyika mahali pa aina mbalimbali za athari za kemikali. Dhamana ya ioniki ni wakati amino asidi yenye kushtakiwa vyema na asidi ya amino yenye kushtakiwa vibaya huvutiwa. Uingiliano wa hydrophobic ni wakati amino asidi hydrophobic (zenye kaboni na hidrojeni tu) zinakusanyika pamoja. Uunganisho wa disulfidi ni wakati sulfuri ya asidi amino moja imefungwa kwa sulfuri ya asidi amino nyingine. Dhamana ya hidrojeni ni wakati mbili za amino asidi za polar zinavutiwa. — Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Mfumo wa juu wa protini unatambuliwa na vikosi mbalimbali vya kuvutia, ikiwa ni pamoja na mwingiliano wa hydrophobic, bonding ionic, bonding hidrojeni, na uhusiano wa disulfide.

Mchakato ambao mlolongo wa polypeptide unachukua sura kubwa, tatu-dimensional inaitwa protini folding. Protini zilizopigwa ambazo zinatumika kikamilifu katika jukumu lao la kawaida la kibiolojia zinasemekana kuwa na muundo wa asili. Wakati protini inapoteza sura yake tatu-dimensional, inaweza tena kuwa kazi. Protini hizi zilizofunuliwa ni denatured. Denaturation ina maana kupoteza muundo wa sekondari na muundo wa juu (na, ikiwa ni sasa, muundo wa quaternary) bila kupoteza muundo wa msingi.

Protini zingine ni makusanyiko ya polypeptidi kadhaa tofauti, pia inajulikana kama subunits za protini. Protini hizi hufanya kazi kwa kutosha tu wakati subunits zote zipo na zimewekwa vizuri. Uingiliano unaoshikilia subunits hizi pamoja hufanya muundo wa quaternary wa protini. Muundo wa jumla wa quaternary umetulia na mwingiliano dhaifu. Hemoglobini, kwa mfano, ina muundo wa quaternary wa subunits nne za protini za globular: mbili α na mbili β polypeptidi, kila moja iliyo na heme ya msingi ya chuma (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)).

Sura tata ya spherical iliyofanywa kwa ribbons ambayo ni coiled na jeraha karibu na kila mmoja. Kuna mikoa 4 mikubwa (kila imetengenezwa kutoka Ribbon tofauti) — alpha 1, alpha 2, beta 1, beta 2. Pia kuna nyanja nyekundu zilizounganishwa na kila Ribbon; hizi ni lebo heme kundi. — Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Molekuli ya hemoglobin ina mbili α na mbili β polypeptidi pamoja na makundi manne ya heme.

Darasa lingine muhimu la protini ni protini zilizounganishwa ambazo zina sehemu isiyo ya protini. Ikiwa protini iliyojitokeza ina kabohaidreti iliyounganishwa, inaitwa glycoprotein. Ikiwa ina lipid iliyounganishwa, inaitwa lipoprotein. Protini hizi ni vipengele muhimu vya membrane. Kielelezo\(\PageIndex{7}\) muhtasari ngazi nne za muundo wa protini.

Mfumo wa protini ya msingi: mlolongo wa mlolongo wa amino asidi. Hii inaonyeshwa kama mlolongo wa miduara. Mfumo wa protini ya sekondari: kupunja ndani ya mnyororo wa polypeptide ndani ya helices au karatasi. Hii inaonyeshwa kama ond kinachoitwa alpha-helix na karatasi iliyopigwa iliyoandikwa karatasi ya beta-pleated. Muundo wa protini ya juu: muundo wa kupunja tatu-dimensional wa protini kutokana na mwingiliano wa mlol Hii inaonyeshwa kama sura tata ya 3-D iliyofanywa kwa helices ya alpha na karatasi za beta zilizopigwa. Muundo wa protini ya Quaternary: protini yenye mnyororo zaidi ya moja ya amino asidi. Hii inaonyeshwa kama miundo 2 tata inayofanana na ile inayoonekana katika ngazi ya juu. — Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Mfumo wa protini una ngazi nne za shirika. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Taasisi ya Taifa ya Utafiti wa Jenomu ya Binadamu)

Zoezi\(\PageIndex{2}\)

Ni nini kinachoweza kutokea ikiwa muundo wa msingi, wa sekondari, wa juu, au wa quaternary unabadilishwa?

Muundo wa Msingi, Protini zisizo na kazi, na nyuzi za nyuzi

Protini zinazohusiana na membrane za kibiolojia zinawekwa kama extrinsic au intrinsic. Protini za nje, pia huitwa protini za pembeni, zinahusishwa na upande mmoja wa membrane. Protini za asili, au protini muhimu, zimeingizwa kwenye membrane na mara nyingi hufanya kazi kama sehemu ya mifumo ya usafiri kama protini za transmembrane. Fibrosis ya cystic (CF) ni ugonjwa wa kimaumbile wa binadamu unaosababishwa na mabadiliko katika protini ya transmembrane. Inaathiri zaidi mapafu lakini pia inaweza kuathiri kongosho, ini, figo, na utumbo. CF husababishwa na upotevu wa phenylalanine ya amino asidi katika protini ya cystic fibrosis transmembrane (CFTR). Kupoteza kwa asidi amino moja hubadilisha muundo wa msingi wa protini ambayo kwa kawaida husaidia kusafirisha chumvi na maji ndani na nje ya seli (Kielelezo\(\PageIndex{8}\)).

Mchoro wa bilayer ya phospholipid katikati na njia mbili za protini. Moja ni wazi na inakuwezesha Cl- inapita nje ya seli. Nyingine imezuiwa na uzuiaji wa kamasi kwa nje ya seli; Cl- ions haiwezi kutiririka kupitia kituo hiki. — Kielelezo\(\PageIndex{8}\): protini ya kawaida ya CFTR ni protini ya channel ambayo husaidia chumvi (kloridi ya sodiamu) kuingia ndani na nje ya seli.

Mabadiliko katika muundo wa msingi huzuia protini kufanya kazi vizuri, ambayo husababisha mwili kuzalisha kamasi isiyo ya kawaida ambayo hufunga mapafu na husababisha mkusanyiko wa kamasi yenye fimbo. Kamasi huzuia kongosho na huacha enzymes za asili kutoka kusaidia mwili kuvunja chakula na kunyonya virutubisho muhimu.

Katika mapafu ya watu wenye fibrosis ya cystic, kamasi iliyobadilishwa hutoa mazingira ambapo bakteria zinaweza kustawi. Ukoloni huu unasababisha kuundwa kwa biofilms katika njia ndogo za hewa za mapafu. Vimelea vya kawaida vinavyopatikana katika mapafu ya wagonjwa wenye fibrosis ya cystic ni Pseudomonas aeruginosa (Kielelezo\(\PageIndex{9}\)) na Burkholderia cepacia. Pseudomonas inatofautiana ndani ya biofilm katika mapafu na hufanya makoloni makubwa, inayoitwa “mucoid” Pseudomonas. Makoloni yana rangi ya kipekee ambayo inaonyesha katika vipimo vya maabara (Kielelezo\(\PageIndex{9}\)) na hutoa madaktari na kidokezo cha kwanza kwamba mgonjwa ana CF (makoloni hayo ni nadra kwa watu wenye afya).

a) micrograph ya seli za umbo la fimbo. B) Sahani ya agar yenye makoloni ya rangi ya kijani; rangi hii ya kijani inaenea nyuma ya makali ya makoloni. — Kielelezo\(\PageIndex{9}\): (a) Micrograph ya elektroni ya skanning inaonyesha bakteria inayofaa *Pseudomonas aeruginosa*. (b) *P. aeruginosa* inayozalisha rangi kwenye agar ya cetrimide inaonyesha rangi ya kijani inayoitwa pyocyanin. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Vituo vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa)

Unganisha na Kujifunza

Kwa habari zaidi kuhusu fibrosis ya cystic, tembelea tovuti ya Fibrosis Foundation

Dhana muhimu na Muhtasari

Amino asidi ni molekuli ndogo muhimu kwa maisha yote. Kila mmoja ana kaboni α ambayo atomi ya hidrojeni, kundi la kaboksili, na kundi la amine huunganishwa. Kundi la nne lililounganishwa, lililowakilishwa na R, linatofautiana katika kemikali, ukubwa, polarity, na malipo kati ya amino asidi tofauti, kutoa tofauti katika mali.
Peptidi ni polima zinazoundwa na uhusiano wa amino asidi kupitia awali ya kutokomeza maji mwilini. Vifungo kati ya asidi amino zilizounganishwa huitwa vifungo vya peptidi. Idadi ya amino asidi zilizounganishwa pamoja zinaweza kutofautiana kutoka chache hadi nyingi.
Protini ni polima zinazoundwa na kuunganishwa kwa idadi kubwa sana ya amino asidi. Wanafanya kazi nyingi muhimu katika seli, hutumikia kama virutubisho na enzymes; molekuli za kuhifadhi kwa kaboni, nitrojeni, na nishati; na vipengele vya kimuundo.
Mfumo wa protini ni uamuzi muhimu wa kazi yake na inaelezwa na uainishaji uliohitimu: msingi, sekondari, elimu ya juu, na quaternary. Mfumo wa asili wa protini unaweza kuchanganyikiwa na denaturation, na kusababisha kupoteza muundo wake wa juu na kazi yake ya kibiolojia.
Protini zingine zinaundwa na subunits kadhaa za protini tofauti, mwingiliano wa subunits hizi zinazounda muundo wa quaternary wa tata ya protini.
Protini zilizounganishwa zina sehemu isiyo ya polypeptidi ambayo inaweza kuwa kabohydrate (kutengeneza glycoprotein) au sehemu ya lipid (kutengeneza lipoprotein). Protini hizi ni vipengele muhimu vya membrane.