predstavitev proteinov nazaj biofizika struktura proteinov aminokisline proteini peptidna vez polipeptid kemijske vezi v proteinih kovalentne ionske elektrostatske van der waalsove vodikove vezi in hidrofobne interakcije primarna struktura sekundarna struktura terciarna struktura in kvartarna struktura funkcije proteinov primer proteina hemoglobin funkcija hemoglobina prenos kisika alosteričnost kooperativana vezava kisika hemoglobin uporaben model poučevanja proteinov eksperimentalna vaja razlika med dnk in proteini pri rdečih krvnih celicah pičancev literatura dodatne povezave nazaj biofizika struktura proteinov aminokisline aminokisline slika in so preprosteje organske molekule zgrajene iz ogljika vodika kisika in duika nekatere vsebujejo e veplo aminokisline so poimenovali po dveh različnih funkcionalnih skupinah slika amino skupini nh in karboksilni skupini cooh prva je značilna za amine druga za organske kisline ti dve skupini sta vezani na isti ogljikov atom tretjo vez tega atoma zaseda vodik na preostalo vez je vezana skupina ki je pri vsaki vrsti aminokisline različna in jo označujemo z r kar pomeni radikal vse aminokisline imajo podobno kemično strukturo zaradi značilne sp hibridizacije v atomu ogljika je razporeditev atomov slika tetraedrična centralni ogljikov atomom kratko ga imenujemo ca je v centru tetraedra na njega so vezane tiri funkcionalne skupine ki so v ogličih tetraedra amino skupina nh karboksilna skupina cooh vodikov atom h in radikal r zaradi različnih radikalov se aminokisline med seboj razlikujejo po velikosti obliki kemijskih lastnostih in funkciji glavni pomen aminokislin je da so to strukturni elementi proteinov proteini z nizanjem aminokislin slika v zelo dolge verige celica sintetizira proteine imenujemo jih tudi enostavne beljakovine v proteinih se pojavlja vrst aminokislin slika v verige se aminokisline med seboj povezujejo s kovalentnimi peptidnimi vezmi zato se vsaka od teh aminokislinskih verig imenuje polipeptid polipeptid pritevamo med proteine če je v njem med seboj verino povezanih s peptidnimi vezmi najmanj aminokislin beljakovina insulin ki spada med najmanje beljakovine je iz aminokislin peptidna vez slika ki je kovalentna nastane ko se iz karboksilne skupine cooh ene aminokisline odcepi hidroksilna skupina oh iz aminoskupine nh sosednje aminokislinske molekule pa vodikov ion h pri čemer nastane voda proteini torej nastajajo s povezovanjem aminokislin ob odcepljanju molekul vode s kondenzacijo nastale verige se lahko spet razcepijo v posamezne aminokisline pri čemer se voda porablja torej s hidrolizo gor nazaj biofizika kemijske vezi v proteinih proteini imajo določeno prostorsko obliko konformacijo pravimo da je veriga na poseben način nagubana oziroma zvita pogoj za določeno konformacijo je zaporedje aminokislin tako je konformacija seveda posledica kemijskih vezi med različnimi odseki peptidne verige pri nastanku kemijskih vezi imajo odločilno vlogo elektroni zlasti zunanji elektroni ti torej določajo kemijske lastnosti atomov prostorska gradnja proteinov se ne da pojasniti s kemijsko analizo ampak samo s fizikalnimi ali fizikalno kemijskimi metodami Če elimo obravnavati strukturo proteinov moramo poznati fizikalno kemijske osnove o vezeh ki se pojavljajo v proteinih nepoučenemu bralcu ponujam povezave o naslednjih vezeh kovalentne vezi ionske vezi elektrostatske vezi van der waalsove vezi vodikove vezi hidrofobne interakcije gor nazaj biofizika primarna struktura proteinov specifično zaporedje sekvenca aminokislin oz aminokislinskih ostankov v proteinu imenujemo primarna struktura proteina ali kovalentna struktura slika to zaporedje določa obliko in delovanje proteina kajti od zaporedja aminokislinskih ostankov je odvisno kako se bo polipeptidna veriga zavijala in gubala opiimo najprej mone strukture proteina glede na njegovo primarno strukturo polipeptid si lahko v prvem pribliku predstavljamo kot niz pločic kjer vsaka pločica predstavlja atome ki sodelujejo v peptidni vezi ostanki aminokislin so kovalentno vezani s centralnimi atomi ca pločice se lahko ena proti drugi vrtijo okrog vezi n ca rotacijski f kot ene peptidne vezi in okrog vezi ca c rotacijski y kot sosednje peptidne vezi slika oba kota zavrtitve lahko zavzemata vse vrednosti med nič in o le tisti koti niso moni pri katerih bi prilo do prekrivanja atomov dveh sosednjih ali tudi nesosednjih aminokislin protein lahko tako torej zavzame veliko tevilo različnih konformacij konformacija prostorska struktura ki imajo vse priblino enako energijo in za katere je značilna različna porazdelitev atomov ca v prostoru strukturne raziskave pa so pokazale da se v naravni obliki proteina nahajajo atomi ca več ali manj na stalnih medsebojnih oddaljenostih in da je oblika proteinov ene vrste enaka specifična porazdelitv atomov ca pomeni namestitev aminokislinskih ostankov pod različnimi koti zato polipeptidna veriga nikoli ne ostane iztegnjene oblike to lahko razloimo s privlačnimi silami med posameznimi deli proteina in s hidrofobnimi interakcijami sekundarna struktura proteinov med posameznimi deli proteina se lahko vzpostavijo vodikove vezi in to privede do nastanka sekundarne strukture proteina primera sekundarne strukture sta a vijačnica in b plastna struktura slika in ti strukturi stabilizirata vodikove vezi med tistimi amino in karboksilnimi skupinami ki pripadajo peptidnim vezem sekundarna struktura tako določa urejenost osnovnega ogrodja polipeptidne verige v prostoru o sekundarni strukturi govorimo torej takrat kadar mislimo na samo verigo tj na atome peptidne vezi vijačno strukturo heliks slika lahko prikaemo z vijačnico na kateri se nahajajo atomi ca peptidne vezi slika vijačnico opredelimo z dvigom d vzdol osi vijačnice med dvema sosednjima atomoma ca in tevilom atomov ca n na en zavoj v proteinih je pogosta tako imenovana a vijačnica z vrednostima d nm in n v tej vijačnici nastane vodikova vez med vsako tretjo peptidno vezjo dele aminokislin ki so vključene v vijačne strukture je od proteina do proteina različen pri mioglobinu je takih aminokislin kar plastne strukture stabilizirajo vodikove vezi med deli polipeptidne verige moni sta dve obliki plastnih struktur Če se poveejo enako usmerjeni deli polipeptidne verige nastane paralelna plastna struktura slika medtem ko s povezavo nasprotno usmerjenih delov polipeptidne verige nastane antiparalelna plastna struktura slika upotevaje obstoj sekundarnih struktur si lahko zamiljamo protein kot skupek linearno povezanih togih elementov terciarna struktura proteinov podobno kot lahko dodatno zvijemo e vijačnično zvit kabel pri telefonski slualki se lahko zvijajo tudi polipeptidne vijačnice zvite vijačnice zavzemajo e bolj zapleteno prostorsko d obliko ki je značilna za posamezne polipeptide in jo imenujemo terciarna struktura pod terciarno strukturo razumemo prostorsko razporeditev vseh atomov torej tudi stranskih verig v molekulo citoplazemski proteini s terciarno strukturo e dobijo končno kroglasto globularno obliko med deli proteina ki se dotikajo drug drugega delujejo elektrostatske in van der waalsove sile izkazalo se je da pri stabilizaciji terciarne strukture proteinov bistveno prispevajo hidrofobne sile razvoj je privedel do takega zaporedja aminokislin v globularnih proteinih da se potem ko se protein zloi v globulo nahajajo hidrofobni ostanki aminokislin v notranjosti proteina hidrofilni ostanki pa na njegovi povrini vsako poruenje te strukture ki bi privedlo do razvlečene oblike bi privedlo tudi do stika med hidrofobnimi ostanki in vodo in do povečane proste energije sistema Če zvita polipeptidna veriga v prostoru zavzema obliko krogle govorimo o globularnih proteinih mioglobin je lep primer globularnega proteina pri nastanku terciarne strukture sodelujejo običajno tudi kovalentne vezi med atomi vepla cisteinov teh vezi je malo nastanejo tudi dodatne vodikove vezi slika med ustreznimi skupinami ostankov aminokislin povzamemo tridimenzionalna struktura proteinaje določena iz njegovega zaporedja aminokislin torej iz primarne strukture med tevilnimi proteini zelo pogosto najdemo značilno terciarno strukturo ki jo sestavljata dve beta plastni strukturi in ena alfa vijačnica ki jo lahko ponazorimo z zaporedjem beta alfa beta slika ti trije deli se lepo veejo če so urejeni pod posebnimi koti brazde ki nastanejo vmes so ponavadi tudi vezavna mesta mono je tudi zaporedje alfa zavoj alfa slika ki pa je značilno predvsem za nukleinske kisline primer je dezoksiribonukleinska kislina dnk slika kvartarna struktura proteinov proteini lahko nastopajo kot monomeri to pomeni da ena molekula vsebuje le eno polipeptidno verigo veliko proteinov pa nastopa v oligomerni obliki kar pomeni da jih sestavlja več polipeptidnih verig od katerih ima e vsaka svojo značilno primarno sekundarno in terciarno obliko s kvartarno strukturo pojmujemo povezavo več peptidnih verig v skupno molekulo med seboj se vee od dveh do dvajset in več peptidnih verig sile ki drijo verige podenote skupaj so preteno van der waalsove in hidrofobne sile takne kompleksne povezave so značilne za proteinske molekularne strukture ki imajo sposobnost samoorganizacije kot ivljenja primer virusi paličastih in nitastih oblik kvartarna struktura proteinov je takna stopnja urejenosti povezave proteinskih enot ki zagotavlja funkcijo kompleksnega proteina mioglobin je značilen primer monomera hemoglobin pa je značilen primer oligomera ki je sestavljen iz tirih podenot za nazornost oblike proteinov si predstavljaj niz estih kapljic Če se prva in zadnja kapljica privlačita se bo niz kapljic oblikoval v krog da dobimo predstavo o kompleksnosti proteinov si predstavljamo nekaj sto kapljic z neteto privlačnimi silami med različnimi kapljicami kot rezultat dobimo veliko kepo kapljic z neverjetno zapleteno razvrstitvijo z zamenjavo kapljic z aminokislinami dobimo priblino predstavo o izgledu proteinov gor nazaj biofizika funkcije proteinov proteini so bistvena sestavina vsake ive celice praktično ni ivljenja brez proteinov ime protein je izpeljano iz grkega proteuo zavzemam prvo mesto proteini upraviečeno nosijo svoje ime tevilne ivljenske funkcije so vezane na specifične proteine omogočajo dve glavni funkciji v celici nekateri proteini so encimi ki katalizirajo glavne bioloke reakcije v ivih organizmih drugi proteini igrajo strukturno vlogo za celico oboje najdemo v membrani ali v citoplazmi gor nazaj biofizika primer proteina hemoglobin hemoglobinska molekula slika je sestavljena iz tirih polipeptidnih verig globinov slika dveh alfa in dveh beta verig od katerih je vsaka zase na poseben način nagubana kot pri mioglobinu slika vsaka veriga vee skupino hem slika ki ima v sredini atom eleza fe skupine hem na modelih prikazane kot pločice so vloene v vdolbine vendar dostopne z zunanje strani na elezov atom se vee kisik vezava je reverzibilna to pomeni da se kisik tudi spusti s tega vezavnega mesta za boljo predstavo bralcu priporočam da si ogleda nekaj slik slika prikazuje kako iz posameznih globinov z vezavo nastane globula na sliki se vidi kako je v hem skupini vezan elezov atom slika prikazuje tiri hem skupine z vezanimi elezovimi atomi toliko jih je v hemoglobinu kako od strani izgleda hem skupina je dobro vidno na sliki vezava kisika na elezov atom v hemu je prikazana na sliki vezi ki drijo globine skupaj so preteno ibke van der waalsove vezi in hidrofobne vezi na povrinah podenot kjer se le te stikajo se namreč nahajajo aminokisline s hidrofobnimi ostanki gor nazaj biofizika funkcija hemoglobina hemoglobin je prenaalec kisika v krvi hemoglobin dostikrat skrajano hb je krvna barvina oz pigment rdečih krvničk hemoglobin sliki in je zapletena beljakovinska snov ki jo sestavljata beljakovina globin in barvina hem slika katerega najvaneja sestavina je elezo slika hemoglobin daje rdečim krvnim celicam ne le barvo pač pa tudi vee kisik in ga ne spusti dokler ga druge celice v resnici ne potrebujejo mnoina vezanega o tj razmerje med hb proti hb je odvisna od koncentracije o ali izraeno drugače od delnega tlaka kisika pri visokem delnem tlaku o v pljučih se o raztaplja in vee na dvovalentno elezo v hemu slika pri čemer nastane oksihemoglobin slika oksihemoglobin arterialna kri prenaa do tkiva revnega s kisikom tkivo ga potrebuje za oksidacijo zgorevanje hranljivih snovi v tkivu ki mu primanjkuje o hbo kisik zopet odda to fizikalno pomeni da pri nizkem delnem tlaku v tkivih oksihemoglobin ponovno odda o in se spet spremeni v hemoglobin ki se z venozno krvjo vnovič vrača v pljuča njegova učinkovita sposobnost za prenaanje kisika omogoča da vsak liter krvi prenaa okrog ml kisika zaradi svoje fizioloke naloge hemoglobina pri transportu kisika ga imenujemo tudi dihalno barvilo alosteričnost vezava kisika v hemoglobinu je kooperativna to pomeni da vezava ene molekule kisika povzroči da se e naslednja molekula kisika vee močneje tretja molekula e močneje in četrta e močneje ob tem se vedno znova spremeni celotna struktura konformacija hemoglobina ta se spremeni tako da se posledično spremeni tudi mikrostruktura t j struktura okolice elezovega atoma e nezasedenega vezavnega mesta na način da je vezava kisika na njega olajana taken pojav medsebojne interakcije med vezavnimi mesti zaradi spremembe strukture proteina imenujemo alosteričnost krivulja nasičenja hemoglobina s kisikom slika ima sigmoidno obliko obliko s in ne kot bi pričakovali obliko hiperbole vzrok je kooperativno delovanje tirih podenot hemoglobina vsaka skupina hem lahko vee eno molekulo kisika zaradi tega lahko tetramer hemoglobina vee tiri molekule kisika ko se vee kisik na eno izmed verig se konformacija molekule hemoglobina spremeni zaradi alosteričnega efekta tako da se naslednje tri molekule o veejo dosti laje s tem je doseeno da hemoglobin v pljučih vedno vee tiri molekule o ker je afiniteta delno oksigeniranega hemoglobina za kisik dosti večja kot prostega vezavno krivuljo kisika pri hemoglobinu ponavadi primerjamo z vezavno krivuljo kisika pri mioglobinu ki ima samo eno peptidno verigo en hem in zato samo eno vezavno mesto za kisik samostojna veriga mioglobina je skladiče kisikovih molekul ki predstavlja normalno nasičenje vezanega kisika oblika krivulje nasičenja s kisikom je hiperbola poleg kisika se lahko veejo tudi druge spojine npr ogljikov monoksid co ta se vee dosti močneje od kisika e majhne mnoine v zraku nasitijo hemoglobin s co in tako onemogočijo transport kisika ker pa je ta vezava ravnotenostna reakcija velika mnoina dovajanega kisika zopet počasi izpodrine co Če pride do napake v aminokislinski verigi na primer do napačne aminokisline na določenem mestu je struktura hemoglobina spremenjena kar se lahko odraa na njeni funkciji prenosa kisika poučen primer kako pomembna je pravilna primarna struktura je hemoglobin s molekula tega hemoglobina se razlikuje od normalnega hemoglobina v tem da je ena od aminokislin s hidrofilnim ostankom zamenjana z aminokislino s hidrofobnim ostankom zaradi te zamenjave pride pri določenih pogojih do polimerizacije molekul hemoglobina s kar je usodno za delovanje eritrocita rdeče krvne celice in privede do tako imenovane srpaste anemije do vrstnega reda aminokislin v nekem proteinu ki omogoča nastanek stabilne strukture in hkrati tudi pravilno delovanje tega proteina je prilo med dolgotrajnim razvojem z ustrezno selekcijo gor nazaj biofizika hemoglobin uporaben model poučevanja proteinov ko rdeča krvna celica potuje skozi pljuča se kisik difundira po celici in se vee na elezo v hem skupini na vseh tirih verigah hemoglobinskega tetramera ta kisik ostane tesno vezan na hemoglobin dokler rdeča krvna celica s krvnim obtokom ne dosee perifernega tkiva kjer niji kisikov delni tlak povzroči ločitev od proteina povezave skupine hem s tirimi verigami hemoglobina so krive za rdečo barvo krvi ta lastnost hemoglobina naredi rdeče krvne celice primerne za prikaz razlik med dnk in proteini v ta namen rdeče krvne celice razbijemo in jih počene izpostavimo nizki hitrosti centrifugiranja v celoti se izloči topljiv rdeče obarvan hemoglobin medtem ko je dnk e vedno ujeta v notranjosti belih jeder ki so zgočeni v usedlini na dnu epruvete ta prikladna in pozornost vzbujajoča ločitev teh dveh pomembnih razredov makromolekul dnk in proteinov je cilj naslednje laboratorijske vaje eksperimentalna vaja razlika med dnk in proteini pri rdečih krvnih celicah pičancev za razumevanje in izvedbo vaje bo morda bralec potreboval osnovno znanje o nukleinskih kislinah rdeče krvne celice ptičev se razlikujejo od rdečih krvnih telesc sesalcev rdeče krvne celice ohranjajo jedro kot celoto zaradi tega je pičaneja kri ustrezen material za prikaz razlike med dnk in proteini te celice imajo v svoji zgradbi vgrajen obarvan protein t j rdeče obarvan hemoglobin hemoglobin je nasploh največji protein odkrit v rdečih krvnih celicah rdečo barvo mu daje v njem s kovalentno vezjo močno vezano elezo potek vaje slika sveo pičanejo račjo kri zgostimo s centrifugiranjem pri nizki hitrosti v epruveti dobimo na dnu usedlino rdečih krvnih celic ko tem rdečim krvnim celicam dodamo raztopino detergenta celična membrana poči in rdeče obarvan protein hemoglobin se izloči iz celic rezultat centrifugiranja teh počenih celic je popolnoma različen od centrifugiranja celic brez detergenta v tem primeru rdeče obarvan protein ostane v raztopini hemoglobin je sam zase premajhen da bi se s centrifugiranjem zdruil v usedlino medtem ko se jedra zdruijo v belo usedlino na dnu epruvete topljiv hemoglobin lahko izlijemo do bele usedline jeder jedra lahko izpiramo kar nekajkrat da odpravimo sledi hemoglobina končno z dodatkom drugega detergenta doseemo da jedra počijo in se izloči dnk dnk molekule imajo izredno dolge polimere nukleotidov zaradi tega takoj ko jih ločimo iz jeder nastane zelo viskozna raztopina počenih jeder izredno dolge prepletene niti dnk postanejo vidne če se v testni epruveti preprosto dotaknemo raztopine s konico čiste pipete za podrobneja navodila za praktično izvedbo vaje priporočam povezavo the chicken red blood cell laboratory gor nazaj biofizika literatura n p o green g w stout d j taylor biological science second edition cambridge university press london christiaan sybesma biophysics kluwer academics publishers dordrecht boston london peter karlson biokemija dravna zaloba slovenije gor nazaj biofizika dodatne povezave predstavitev proteinov in aminokislin predstavitev s slikami school of pharmacy northeast luouisina university primarna in sekundarna struktura predstavitev s slikami school of pharmacy northeast luouisina university terciarrna in kvartarna struktura predstavitev s slikami school of pharmacy northeast luouisina university bioloka vloga proteinov predstavitev s slikami school of pharmacy northeast luouisina university primarna struktura primarna struktura univeza v tel avivu sekundarna struktura sekundarna struktura univeza v tel avivu terciarna struktura terciarna struktura univeza v tel avivu kvartarna struktura kvartarna struktura univeza v tel avivu model hemoglobinske molekule model hemoglobinske molekule university of virginia biol human biology hemoglobin dnk rnk proteini model poučevanja hemoglobina timothy m herman medical college of wisconsin science education resources for teachers hemoglobin podroben opis strukture hemoglobina s slikami univerza v nebraski university of nebraska lincoln chemistry struktura hemoglobina in mioglobina slika modela strukture hemoglobina in mioglobina irving geis funkcija hemoglobina univerza v kaliforniji santa barbara oddelek za molekularno celično in razvojno biologijo profesor duane w sears hemoglobin v enciklopediji opis hemoglobina v enciklopediji knowledge adventure encyclopedia struktura funkcije primer literatura povezave gor nazaj biofizika