Proteiner, tidligere kalt eggehvitestoffer, er en fellesbetegnelse for en stor gruppe biologiske stoffer som blant annet er en av byggestenene i alt liv. Proteiner består av en lang rekke aminosyrer, og denne kjeden folder seg romlig til å gi det endelige proteinet.
Oppgaver og virkemåte
Proteinene står i en særstilling fordi de ivaretar en rekke livsviktige oppgaver. De katalyserer enzymatisk de fleste kjemiske reaksjoner som foregår i cellene. De er virksomme ved transport og lagring av metallioner og småmolekyler, som f.eks. transport av oksygen ved hjelp av hemoglobinet i de røde blodceller.
Proteinene muliggjør bevegelse. Når muskler trekkes sammen, skyldes det at to typer proteintråder glir i forhold til hverandre. Noen proteiner som kollagen og elastin, som danner sterke fibre, skaper mekanisk støtte ved å gi styrke i hud, sener og knokler.
Andre proteiner deltar i forsvaret mot infeksjoner. Antistoffene er nemlig spesifikke proteiner som kjenner igjen og bindes til fremmede stoffer, f.eks. på overflaten av virus og bakterier.
Noen proteiner deltar i sansning og overføring av nerveimpulser ved å binde til seg bestemte småmolekyler. Proteinet opsin i netthinnens stavceller binder til seg et omdannelsesprodukt av vitamin A. Under påvirkning av lys gjennomgår molekylet en strukturendring, som forårsaker et nervesignal.
Koordinering av kroppens prosesser skjer ved at hormoner sørger for godt samspill mellom kroppens forskjellige organer og vev. Mange av disse hormonene er proteiner, og spesifikke proteiner bidrar videre til å aktivere deler av arvestoffet, deler som varierer fra vev til vev.
Cellene i kroppen bygger selv opp proteiner, men cellene er avhengige av tilførsel utenfra av noen av byggesteinene, de såkalte essensielle aminosyrer. Proteinene i maten sikrer denne tilførselen. De ikke-essensielle aminosyrene kan cellene i kroppen lage selv.
Kjemisk sammensetning
Proteiner er bygd opp av en kjede aminosyrer. α-karboksylgruppen i en aminosyre er koblet sammen med α-aminogruppen i den neste aminosyren, slik at det dannes en uforgrenet kjede, kalt en polypeptidkjede. Antall aminosyrer, og hvilke aminosyrer som kommer i hvilken rekkefølge kan variere sterkt mellom ulike proteiner.
Bindingen mellom to aminosyrer kalles peptidbinding. Når den dannes, avspaltes det et molekyl vann, slik som ved denne reaksjonen mellom glysin og alanin:
Ved at peptidbindingen stadig gjentas, får en polypeptidkjede en repeterende del som ofte kalles polypeptidkjedens ryggrad. Til denne ryggraden er aminosyrenes sidekjeder festet (R1, R2, R3 i fig.).
I 1953 viste den britiske biokjemikeren F. Sanger at proteinhormonet insulin hadde en helt bestemt aminosyrerekkefølge. Senere har man fastlagt aminosyrerekkefølgen, også kalt primærstrukturen, i flere tusen proteiner. Hvert protein har sin spesielle primærstruktur. Senere undersøkelser har vist at rekkefølgen av aminosyrene bestemmes av genene. Det er også oppklart hvordan dette skjer (se under Dannelse). Aminosyrerekkefølgen bestemmes nå oftest ut fra kunnskap om genstrukturen.
Det er viktig av flere grunner å kjenne aminosyrerekkefølgen i et protein. Da kan man begynne å forstå hvorfor polypeptidkjeden folder seg slik den gjør når det aktive proteinet dannes. Det er nemlig spillet mellom de forskjellige sidekjedene som styrer prosessen, sammen med miljøet polypeptidkjeden befinner seg i. Dessuten kan likheter mellom forskjellige polypeptidkjeder si noe om slektskap og felles evolusjonsmessig opphav. Endelig kan utskifting av aminosyrer i proteiner påvises i forbindelse med arvelige sykdommer. F.eks. kan blodsykdommen sigdcelleanemi skyldes en mutasjon som forårsaker utskiftning av én eneste aminosyre i hemoglobinmolekylet.
Dannelse
Syntesen av proteiner er en komplisert celleprosess med mer enn 100 forskjellige makromolekyler involvert i mekanismen. Oppskriftene for den korrekte sammenkobling av proteinenes byggesteiner, de 20 aminosyrene, ligger nedlagt i genene, i DNA-molekylers nukleotidrekkefølge (se nukleinsyrer). En RNA (ribonukleinsyre)-kopi av genet kalt mRNA (messenger-RNA) bringer informasjonen til ribosomene, der aminosyrene båret på hvert sitt tRNA (transfer-RNA)-molekyl, kobles sammen. En gruppe på tre nabonukleotider, en triplett, i mRNA svarer til én aminosyre, den neste triplett svarer til neste aminosyre i proteinet.
Et enzym katalyserer så dannelsen av en peptidbinding mellom de to aminosyrene. Peptidet, sittende på tRNA nummer 2, forskyves nå sammen med mRNA en avstand på én triplett mot venstre, slik at neste triplett på mRNA kommer inn til avlesning på ribosomet. Prosessen gjentar seg så, mens ribosomet flytter seg langs mRNA med sin voksende polypeptidkjede. Nye ribosomer starter sin vandring langs mRNA-tråden, slik at vi får en mRNA med mange ribosomer, som alle er i ferd med å lage samme slags protein. Dette kalles et polyribosom (polysom).
Anbringelsen av aminosyrene på hvert sitt tRNA er nødvendig for interaksjonen med mRNA, og dermed for korrekt plassering i polypeptidkjeden. Dessuten foreligger aminosyrene her i en aktivert tilstand, noe som er nødvendig for at peptidbindingen skal kunne dannes. Aktiveringen finner sted ved forbruk av et molekyl kalt adenosintrifosfat (ATP). Ved senere trinn i proteinsyntesen brukes cellulær energi i form av molekylet guanosintrifosfat (GTP).
En triplett av de fire nukleotidene (adenin (A), cytosin (C), guanin (G), uracil, (U)) i mRNA kan settes sammen på 43=64 forskjellige måter. Av disse viser det seg at 61 koder for en eller annen aminosyre. At så mange av triplettene tjener som kodoner, har vært gunstig i evolusjonen. Relativt få mutasjoner, utskifting av ett nukleotid med det andre, vil da føre til stopp i proteinsyntesen. Sammenhengen mellom kodoner og tilhørende aminosyrer kalles den genetiske kode.
Kodonet for metionin, AUG, er samtidig startsignal. All proteinsyntese starter derfor med metionin. Oppstartingen krever videre en rekke initieringsfaktorer. De tre ledige triplettene UAA, UAG og UGA er koder for stoppsignaler. Når ribosomet kommer til denne tripletten vil peptidkjeden bli spaltet av. Proteiner som skal sendes fra cellene (hormoner, serumproteiner), syntetiseres som preproteiner, med en spesiell sekvens, rekkefølge, av aminosyrer først i kjeden. Presekvensen fører til at ribosomene festes på det endoplasmatiske retikulum og sender produktet inn i kanalsystemet (se celle). Der spaltes presekvensen av før proteinet transporteres videre.
Stopp-tripletten UGA koder i visse tilfeller for en sjelden aminosyre, selenocystein. Selenocystein bygges inn i enzymene glutationperoksidase, maursyredehydrogenase og visse andre enzymer dirigert av kodonet UGA.
Inaktivering
Når globulære proteiner varmes til over 60–70 °C, eller utsettes for sterke syrer og baser, eller stoffer som urea i høy konsentrasjon, foregår det en denaturering. Samtidig med at den biologiske aktivitet forsvinner, blir gjerne proteinet uløselig. Vi sier at det koagulerer. Koaguleringen av eggehvite under koking av egg er et eksempel på varmedenaturering av proteiner. Under denatureringen vil ikke-kovalente bindinger brytes, slik at polypeptidkjeden foldes ut og inntar en tilfeldig konformasjon. Urea bryter ned tertiærstrukturen ved å bryte hydrogenbindinger i proteinene. For noen proteiner har man lykkes i å få peptidkjeden til å finne tilbake til den opprinnelige konformasjonen ved å fjerne urea langsomt.
Proteiner kan inaktiveres også uten slike store konformasjonsendringer, f.eks. ved at tungmetaller som kvikksølv, kadmium og bly reagerer med svovel-grupper på visse aminosyrer som befinner seg i de områdene av proteinet som er viktig for dets funksjon, og slik ødelegge aktiviteten til proteinet. Giftige stoffer i vårt miljø vil ofte reagere med et eller annet protein i organismen.
Nedbrytning
Gjennom fordøyelsen skjer en hydrolytisk spaltning av proteinene (proteolyse). Proteinene spaltes under opptak av vann først til enklere proteiner, så videre til polypeptider og enkle peptider, og til slutt, ved fullstendig proteolyse, til frie aminosyrer. En slik prosess kan utføres i laboratoriet ved oppvarming av proteiner med mineralsyrer. Det dannes da et proteinhydrolysat. I cellene katalyseres proteolysen av enzymer (se proteolytiske enzymer).
