Proteiner er en type store molekyler som finnes i alt som lever og i virus. Det er rundt én million forskjellige proteiner i menneskekroppen, og mange flere i andre arter. Proteiner har mange ulike funksjoner, for eksempel som byggesteiner i skjelett og muskler, som hormoner, som enzymer som katalyserer reaksjoner i cellen, som transportør av oksygen (hemoglobin), og som beskyttelse mot bakterier og virus i form av antistoffer.
Proteiner består av aminosyrer
Et protein består av mindre bestanddeler som heter aminosyrer. Aminosyrene binder seg sammen til lange kjeder. Mange proteiner består av flere kjeder med aminosyrer. Hver kjede har en unik rekkefølge av aminosyrer. Denne rekkefølgen bestemmer hvilke egenskaper proteinet har og hvordan det fungerer i kroppen. Det er om lag 20 forskjellige aminosyrer som danner de ulike proteinene.
Proteiner varierer veldig i størrelse. De største har over 80 000 aminosyrer, mens de minste består av ganske få. Kjeder med mindre enn 50 aminosyrer kalles vanligvis ikke proteiner, men peptider.
Variasjon
Proteiner utgjør et stort mangfold av ulike forbindelser. Noen proteiner er byggesteiner i kroppen til mennesker og andre dyr. De er blant annet nødvendige for å danne skjelett, organer, bindevev, muskler, hud og hår. Et annet eksempel på proteiner med en spesiell oppgave er antistoffer, som beskytter mennesker og andre dyr ved å ødelegge virus og bakterier.
Andre proteiner utfører spesielle oppgaver i og mellom cellene. For eksempel finnes det proteiner som gir signaler om at cellen skal vokse eller dele seg. Slike proteiner finnes i både dyr, planter, sopp og bakterier.
Planter har lagringsproteiner i frøene sine, sammen med andre næringsstoffer, som brytes ned til aminosyrer og brukes av planten som vokser ut av frøet til å bygge nye proteiner.
Spindelvevet til edderkoppper er laget av veldig sterk silke som består av proteiner.
Virus har en kapsel rundt arvestoffet sitt som består av proteiner, kalles proteinkapsel.
Protein som næringsstoff
Proteiner er en nødvendig del av kosten, og er kilde til aminosyrer og nitrogen. Mens planter selv kan lage de aminosyrene de trenger, kan menneskekroppen bare produsere elleve av aminosyrene som brukes til å lage kroppens egne proteiner. De ni øvrige er vi avhengige av å få fra mat og drikke. Disse ni kalles derfor essensielle eller livsviktige aminosyrer. På verdensbasis dør flere millioner barn hvert år av mangelsykdommer som skyldes for lite essensielle aminosyrer fra protein i kosten.
Når protein fra både mat og kroppens egne muskler og vev brytes ned, skilles overskuddet av nitrogenet ut i urinen som urea.
- Les mer om protein som næringsstoff
Proteinsyntesen
Dannelsen av nye proteiner i cellene kalles proteinsyntese. Arvestoffet DNA inneholder oppskriften på de forskjellige proteinene. Den genetiske koden i DNA bestemmer rekkefølgen på aminosyrene i hvert enkelt protein, og dermed proteinets egenskaper.
Først overføres den genetiske koden fra DNA i cellekjernen til et annet stoff som heter RNA. Denne overføringen kalles transkripsjon, etter det engelske ordet for å skrive ned. RNA som bærer med seg oppskriften på et protein kalles mRNA eller budbringer-RNA.
Deretter forflyttes mRNA til cellens ribosomer utenfor cellekjernen. Her styrer den genetiske koden i mRNA sammenkjedingen av aminosyrer til et protein. Overføringen fra mRNA til protein kalles translasjon etter det engelske ordet for oversettelse.
- Les mer om proteinsyntesen
Typer av proteiner
Det er to hovedgrupper av proteiner: fiberproteiner og kuleformede proteiner.
Fiberproteiner
Fiberproteinene er langstrakte og motstandsdyktige stoffer. Kollagen er det proteinet det finnes mest av i mennesker og andre virveldyr (dyr med ryggrad). I menneskekroppen utgjør kollagen rundt en tredjedel av proteinmengden. Der danner det lange fibre som er uløselige i vann og gjør kroppen fleksibel, men motstandsdyktig mot strekk. Kollagen finnes i huden og i bindevev som leddbånd, sener og brusk. Det gjør huden vannavstøtende og gir den stor strekkfasthet. Når kollagenproduksjonen i huden synker ved økende alder får vi rynker. Kollagen brukes også i plastisk kirurgi for å erstatte ødelagt hud ved brannskader. Andre viktige eksempler på fiberproteiner er keratin og elastin.
Kuleformede proteiner
Den største av de to hovedgruppene er de kuleformede eller globuære proteinene. Disse er mer kompakte og ikke fiberaktige. Til tross for navnet er formen veldig variabel: fra enkle kulelignende og avlange former til innviklede strukturer som likner mer på abstrakt kunst. Dette vet vi i dag, fordi teknikker som røntgenkrystallografi og kjernemagnetisk resonans (NMR-spektroskopi) siden 1950-tallet har gitt forskere muligheten til å studere formen til slike proteiner. Av mangel på et bedre navn fortsetter man å kalle dem kuleformede eller globulære.
En viktig type kuleformede proteiner kalles enzymer. Enzymer påvirker hastigheten til de fleste kjemiske reaksjoner som skjer i kroppen. Med andre ord er enzymene katalysatorer. Takket være enzymene kan kompliserte kjemiske reaksjoner gå raskt. Et eksempel er enzymet karbonsyreanhydrase som finnes i røde blodceller og som er med på å transportere karbondioksid (CO2) fra musklene og til lungene. Ett molekyl karbonsyreanhydrase kan spalte én million CO2-molekyler hvert sekund. Enzymer brukes også mye som verktøy i genteknologi. For eksempel finnes det enzymer som kan brukes til å klippe opp DNA-tråder fordi de gjenkjenner og kutter spesifikke DNA-sekvenser.
Et annet eksempel på kuleformede proteiner er hormonene som frakter beskjeder mellom de ulike organene i kroppen. I en frisk kropp gjør hormonene at hendelser skjer når de skal. Under puberteten produseres det for eksempel store mengder hormoner som gjør at kroppen forandrer seg.
Kuleformede proteiner spiller også en viktig rolle i kroppens immunforsvar. Antistoffer er nemlig spesialiserte proteiner som kjenner igjen og bindes til fremmede stoffer, for eksempel på overflaten av bakterier og virus.
Proteiner som transporterer stoffer rundt i kroppen er også kuleformet. Et eksempel er hemoglobin som finnes i røde blodceller og som frakter oksygen. Oksygenet binder seg ikke direkte til hemoglobinet, men til et jernatom som er bundet til det. Det er disse atomene som gjør at blodet er rødt. Hemoglobin er et eksempel på et konjugert protein, det vil si at det er bundet til en annen kjemisk gruppe.
Kjemisk sammensetning
Kjedene av aminosyrer som proteiner er bygget opp av, kalles polypeptider. Et protein kan bestå av én eller flere polypeptidkjeder.
Hver aminosyre består av et karbonatom som er kjemisk bundet til fire andre deler. Tre av disse delene er like for alle aminosyrene: For det første en karboksylgruppe (ett karbon-, to oksygen- og ett hydrogenatom, -COOH), for det andre en aminogruppe (ett nitrogen- og to hydrogenatomer, -NH2) og for det tredje ett enkelt hydrogenatom (-H). Den fjerde plassen inneholder en såkalt sidekjede (-R) som gir hver aminosyre sine spesielle egenskaper.
Bindingen mellom to aminosyrer kalles en peptidbinding. Den skjer ved at karboksylgruppen i en aminosyre bindes til aminogruppen i en annen. I reaksjonen frigis et vannmolekyl.
Ved at peptidbindingen stadig gjentas, blir det en lang kjede som kalles polypeptidkjedens ryggrad. Aminosyrenes sidekjeder (R1, R2, R3) er festet til denne ryggraden. Et eksempel på sidekjedenes betydning er keratin, et protein som finnes i hår hos mennesker og andre virveldyr. Keratin har mange sidekjeder med svovel som kan danne bindinger med hverandre og få håret til å krølle seg. Jo flere svovelmolekyler i sidekjedene, jo mer krøllete hår.
Enkelte arvelige sykdommer kan skyldes at den genetiske koden er forandret på ett enkelt sted, slik at en aminosyre byttes ut med en annen. Et eksempel på dette er blodsykdommen sigdcelleanemi. Personer med sigdcelleanemi har en liten genfeil som gjør at én enkelt aminosyre er byttet ut i proteinet hemoglobin. Dermed virker ikke proteinet slik det skal.
Proteinenes form
Proteinenes mangfoldige egenskaper henger sammen med at peptidkjedene folder seg til kompliserte tredimensjonale former (strukturer). Denne foldingen er avhengig av rekkefølgen på aminosyrene. Noen proteiner folder seg av seg selv. Andre trenger hjelp fra hjelpeproteiner kalt chaperoner. Den tredimensjonale formen eller strukturen kalles også for proteinets konfigurasjon.
Proteiners struktur deles gjerne i fire typer:
Primærstruktur
Primærstrukturen (eller primærsekvensen) er rekkefølgen av aminosyrene langsetter peptidkjeden.
Sekundærstruktur
Sekundærstrukturen skapes når deler av proteinet folder seg. Den blir til ved at det oppstår hydrogenbindinger mellom atomer i peptidkjedenes ryggrad. Sekundærstrukturen forekommer i to hovedtyper. Alfaheliks (α-heliks) ser ut som en spiral. Betaplater (β-plater) er flate former.
I fiberproteinene utgjør sekundærstrukturen hele den tredimensjonale strukturen. De danner lange fibre ved at peptidkjeder ligger ved siden av og i forlengelsen av hverandre, og har ikke noen tertiærstruktur.
Tertiærstruktur
Tertiærstrukturen gir blant annet de kuleformede proteinene sin form. De folder seg videre til en mer stabil tredimensjonal tertiærstruktur. Flere forskjellige typer bindinger mellom peptidkjedenes ryggrad og mellom sidekjeder skaper tertiærstrukturen. Bindingene omfatter blant annet hydrogenbindinger og hydrofobe bindinger mellom aminosyrer som frastøtes av vann.
Kvartærstruktur
Kvartærstruktur er bindingene mellom ulike polypeptidkjeder i proteiner som inneholder mer enn én slik kjede. Kvartærstrukturen holdes sammen av samme slags bindinger som tertiærstrukturen. Et eksempel er hemoglobin, som frakter oksygen i blodet til mennesker og andre virveldyr. Hemoglobin består av to typer polypeptidkjeder.
Strukturen til et protein kan i noen tilfeller forandre seg. Ett protein kan ha flere stabile konfigurasjoner.
Kartlegging av proteinenes 3D-struktur
I dag brukes kunstig intelligens til å forutsi den tredimensjonale strukturen til proteiner. Forskerne Demis Hassabis og John Jumper ble tildelt Nobelprisen i kjemi 2024 for denne forskningen. Å bruke kunstig intelligens har vært et stort og avgjørende framskritt på dette feltet, som man har forsket på siden 1950-tallet. I dag tar det minutter å finne 3D-strukturen til proteiner, noe som tok årevis tidligere, hvis man i det hele tatt klarte det.
Målet har vært å kunne forutsi strukturen til proteiner på grunnlag av rekkefølgen av aminosyrer på den eller de kjedene proteinet består av. Å kunne forutsi den tredimensjonale strukturen til proteiner er viktig fordi det gir informasjon som kan være nyttig og avgjørende. For eksempel ble strukturen av proteinet på membranen til SARS-CoV-2, som forårsaket covid-19, brukt til å forstå virusets virkemåte og utvikle vaksiner.
Den aller første tredimensjonale modellen for proteinstruktur ble publisert på slutten av 1950-tallet og brukte røntgenkrystallografi. Forskerne, John Kendrew and Max Perutz, fikk Nobelprisen i kjemi i 1962 for oppdagelsen.
Inaktivering
Når et kuleformet protein varmes til over 60–70 grader celsius eller utsettes for sterke syrer eller baser, vil det miste sin tredimensjonale struktur (form); vi sier at det denaturerer og mister sin biologiske aktivitet. Samtidig blir proteinet gjerne uløselig i vann; det koagulerer. Koagulering av eggehvite under koking av egg er et eksempel på varmedenaturering av proteiner. Under denatureringen vil bindinger mellom sidekjedene og/eller ryggraden av proteinet ødelegges, slik at polypeptidkjeden foldes ut og får en tilfeldig form.
Analyse av proteiner
Proteinsekvensering vil si å finne ut hvilken rekkefølge av aminosyrer som kjennetegner et bestemt protein. Tidligere bestemte man rekkefølgen ved hjelp av Edman-degradering, hvor én og én aminosyre ble fjernet fra enden og analysert. I dag bestemmes den gjerne ved å sekvensere den delen av DNA eller mRNA som koder for proteinet. Å sekvensere DNA eller mRNA vil si å lese av rekkefølgen av baser som utgjør den genetiske koden. Når man kjenner den genetiske koden for et protein kan man fastslå rekkefølgen av aminosyrene. Man kan også analysere et protein ved å dele det opp i biter (peptider) og bestemme vekten av disse bitene med massespektrometri, for så sette bitene sammen som i et puslespill. For denne teknikken er man avhengig av å kjenne til aminosyresekvensen til proteinet som blir analysert. Analyse av proteiner med massespektrometri kalles proteomikk.
Konstruksjon av nye proteiner
I naturen fins det millioner av ulike proteiner, men det går også an å lage helt nye proteiner i laboratoriet med nye strukturer og egenskaper. Dette kalles de novo design. Forskeren David Baker fikk Nobelprisen i kjemi 2024 for denne forskningen (han delte prisen med John Kendrew and Max Perutz som fikk den for å bruke kunstig intelligens til å forutsi 3D-strukturen til proteiner).
Nye proteiner har potensialet til å kunne brukes innen ulike felt. For eksempel kan man konstruere proteiner som angriper kreftceller og dermed forbedrer kreftbehandling, som kan bryte ned plastikk og andre forurensinger i naturen, som kan kombineres med andre stoffer og lage helt nye materialer.
