Proteiner er en type store molekyler som finnes i alt som lever. Det er rundt én million forskjellige proteiner i menneskekroppen, og mange flere i andre arter.
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. 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. Et annet eksempel på proteiner med en spesiell oppgave er antistoffer, som beskytter mennesker og dyr ved å ødelegge virus og bakterier.
Et protein består av mindre bestanddeler som heter aminosyrer. Aminosyrene binder seg sammen til lange kjeder. Hvert protein 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.
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 tolv av aminosyrene som brukes til å lage kroppens egne proteiner. De åtte øvrige er vi avhengige av å få fra mat og drikke. Disse åtte 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.
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.
Typer av proteiner
Det er to hovedgrupper av proteiner: fiberproteiner og kuleformede proteiner.
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.
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 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), for det andre en aminogruppe (ett nitrogen- og to hydrogenatomer) og for det tredje ett enkelt hydrogenatom. Den fjerde plassen inneholder en såkalt sidekjede 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 (se figur 1).
Ved at peptidbindingen stadig gjentas, blir det en lang kjede som kalles polypeptidkjedens ryggrad. Til denne ryggraden er aminosyrenes sidekjeder festet (R1, R2, R3 i figur 2). 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 såkalte hjelpeproteiner, på engelsk kalt chaperones. Den tredimensjonale formen eller strukturen kalles også for proteinets konfigurasjon.
Proteiner har flere typer strukturer.
Primærstrukturen (eller primærsekvensen) er rekkefølgen av aminosyrene langsetter peptidkjeden.
Sekundærstrukturen skapes når deler av proteinet folder seg. Den blir til ved at det oppstår hydrogenbindinger mellom atomer som inngår i to forskjellige peptidbindinger. Sekundærstrukturen binder sammen atomer som ligger ganske nær hverandre langs peptidkjeden, og forekommer i to hovedtyper. Alfaheliks (α-heliks) ser ut som en spiral. Betaflak (engelsk: β-sheet) 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.
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 er bindingene mellom ulike polypeptidkjeder i proteiner som inneholder mer enn en 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 type polypeptidkjeder.
Strukturen til et protein kan i noen tilfeller forandre seg. Ett protein kan ha flere stabile konfigurasjoner.
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 en og en 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.
