Proteiny, o jejichž biologické roli dnes budeme uvažovat, jsou makromolekulární sloučeniny postavené z aminokyselin. Mezi všemi ostatními organickými sloučeninami patří ve své struktuře k nejsložitějším. Podle elementárního složení se bílkoviny liší od tuků a sacharidů: kromě kyslíku, vodíku a uhlíku obsahují také dusík. Kromě toho je síra nepostradatelnou součástí nejdůležitějších bílkovin a některé obsahují jód, železo a fosfor.
Biologická role bílkovin je velmi vysoká. Právě tyto sloučeniny tvoří většinu hmoty protoplazmy, stejně jako jádra živých buněk. Bílkoviny se nacházejí ve všech živočišných a rostlinných organismech.
Jedna nebo více funkcí
Biologická role a funkce jejich různých sloučenin jsou různé. Jako látka se specifickou chemickou strukturou plní každý protein vysoce specializovanou funkci. Pouze v některých případech může provádět několik vzájemně propojených najednou. Například adrenalin, který se vyrábí v dřeninadledvinek, vstupujících do krevního oběhu, zvyšuje krevní tlak a spotřebu kyslíku, krevního cukru. Kromě toho je stimulantem metabolismu a u chladnokrevných živočichů je také mediátorem nervové soustavy. Jak vidíte, provádí mnoho funkcí najednou.
Enzymatická (katalytická) funkce
Různé biochemické reakce probíhající v živých organismech probíhají v mírných podmínkách, kdy se teplota blíží 40°C a hodnoty pH jsou téměř neutrální. Za těchto podmínek jsou průtoky mnoha z nich zanedbatelné. Proto, aby mohly být realizovány, jsou potřeba enzymy – speciální biologické katalyzátory. Téměř všechny reakce, kromě fotolýzy vody, jsou v živých organismech katalyzovány enzymy. Tyto prvky jsou buď proteiny, nebo komplexy proteinů s kofaktorem (organická molekula nebo kovový iont). Enzymy působí velmi selektivně a zahajují nezbytný proces. Katalytická funkce diskutovaná výše je tedy jednou z funkcí, kterou vykonávají proteiny. Biologická role těchto sloučenin však není omezena na její implementaci. Existuje mnoho dalších funkcí, na které se podíváme níže.
Přepravní funkce
Pro existenci buňky je nutné, aby do ní vstoupilo mnoho látek, které jí dodávají energii a stavební materiál. Všechny biologické membrány jsou postaveny ve společnézásada. Jedná se o dvojitou vrstvu lipidů, jsou v ní ponořeny bílkoviny. Na povrchu membrán se zároveň koncentrují hydrofilní oblasti makromolekul a v jejich tloušťce se koncentrují hydrofobní „ocásky“. Tato struktura zůstává nepropustná pro důležité složky: aminokyseliny, cukry, ionty alkalických kovů. K průniku těchto prvků do buňky dochází pomocí transportních proteinů, které jsou zabudovány v buněčné membráně. Bakterie mají například speciální protein, který transportuje laktózu (mléčný cukr) přes vnější membránu.
Mnohobuněčné organismy mají systém pro transport různých látek z jednoho orgánu do druhého. Mluvíme především o hemoglobinu (na obrázku výše). Kromě toho je v krevní plazmě neustále přítomen sérový albumin (transportní protein). Má schopnost tvořit silné komplexy s mastnými kyselinami vznikajícími při trávení tuků, dále s řadou hydrofobních aminokyselin (například s tryptofanem) a s mnoha léky (některé peniciliny, sulfonamidy, aspirin). Dalším příkladem je transferin, který zprostředkovává transport iontů železa v těle. Dále můžeme zmínit ceruplasmin, který nese ionty mědi. Uvažovali jsme tedy o transportní funkci, kterou proteiny plní. Jejich biologická role je z tohoto pohledu také velmi významná.
Funkce receptoru
Receptorové proteiny mají velký význam zejména pro podporu života mnohobuněčných organismů. Jsou zabudoványdo plazmatické buněčné membrány a slouží k vnímání a další transformaci signálů, které vstupují do buňky. V tomto případě mohou být signály jak z jiných buněk, tak z prostředí. Acetylcholinové receptory jsou v současnosti nejvíce prozkoumané. Jsou umístěny v řadě interneuronálních kontaktů na buněčné membráně, včetně neuromuskulárních spojení, v mozkové kůře. Tyto proteiny interagují s acetylcholinem a přenášejí signál do buňky.
Neurotransmiter pro příjem signálu a jeho přeměnu musí být odstraněn, aby se buňka měla možnost připravit na vnímání dalších signálů. K tomu se používá acetylcholinesteráza – speciální enzym, který katalyzuje hydrolýzu acetylcholinu na cholin a acetát. Není pravda, že funkce receptoru, kterou proteiny plní, je také velmi důležitá? Biologická role další, ochranné funkce pro tělo je obrovská. S tím se prostě nedá nesouhlasit.
Ochranná funkce
Imunitní systém v těle reaguje na výskyt cizích částic v těle produkcí velkého počtu lymfocytů. Jsou schopny selektivně poškozovat prvky. Takovými cizorodými částicemi mohou být rakovinné buňky, patogenní bakterie, supramolekulární částice (makromolekuly, viry atd.). B-lymfocyty jsou skupinou lymfocytů, které produkují speciální proteiny. Tyto proteiny se uvolňují do oběhového systému. Rozpoznají cizí částice a ve fázi destrukce tvoří vysoce specifický komplex. Tyto proteiny se nazývají imunoglobuliny. Cizí látky se nazývají antigeny.které spouštějí reakci imunitního systému.
Strukturální funkce
Kromě proteinů, které plní vysoce specializované funkce, existují i takové, jejichž význam je především strukturální. Díky nim je zajištěna mechanická pevnost, ale i další vlastnosti tkání živých organismů. Mezi tyto proteiny patří především kolagen. Kolagen (na obrázku níže) u savců tvoří asi čtvrtinu hmotnosti bílkovin. Je syntetizován v hlavních buňkách, které tvoří pojivovou tkáň (nazývané fibroblasty).
Zpočátku se kolagen tvoří jako prokolagen – jeho prekurzor, který prochází chemickým zpracováním ve fibroblastech. Poté vzniká ve formě tří polypeptidových řetězců stočených do spirály. Slučují se již mimo fibroblasty do kolagenových fibril o průměru několika stovek nanometrů. Ty tvoří kolagenová vlákna, která jsou již vidět pod mikroskopem. V elastických tkáních (stěny plic, cévy, kůže) obsahuje extracelulární matrix kromě kolagenu také protein elastin. Dokáže se natáhnout v poměrně širokém rozsahu a poté se vrátit do původního stavu. Dalším příkladem strukturálního proteinu, který zde může být uveden, je hedvábný fibroin. Je izolován při tvorbě kukly housenky bource morušového. Je hlavní složkou hedvábných nití. Přejděme k popisu motorických proteinů.
Motorové proteiny
A při realizaci motorických procesů je biologická role proteinů skvělá. Pojďme si krátce o této funkci říci. Svalová kontrakce je proces, během kterého se chemická energie přeměňuje na mechanickou práci. Jeho přímými účastníky jsou dva proteiny – myosin a aktin. Myosin má velmi neobvyklou strukturu. Tvoří ho dvě kulovité hlavy a ocas (dlouhá vláknitá část). Asi 1600 nm je délka jedné molekuly. Hlavy tvoří přibližně 200 nm.
Aktin (na obrázku výše) je globulární protein s molekulovou hmotností 42 000. Může polymerovat za vzniku dlouhé struktury a interagovat v této formě s myosinovou hlavou. Důležitým rysem tohoto procesu je jeho závislost na přítomnosti ATP. Je-li jeho koncentrace dostatečně vysoká, komplex tvořený myosinem a aktinem je zničen a poté je znovu obnoven poté, co dojde k hydrolýze ATP v důsledku působení myosin ATPázy. Tento proces lze pozorovat například v roztoku, ve kterém jsou přítomny oba proteiny. Stává se viskózním v důsledku tvorby komplexu s vysokou molekulovou hmotností v nepřítomnosti ATP. Při jeho přidání dochází k prudkému poklesu viskozity v důsledku destrukce vytvořeného komplexu, načež se postupně začíná zotavovat v důsledku hydrolýzy ATP. V procesu svalové kontrakce hrají tyto interakce velmi důležitou roli.
Antibiotika
Pokračujeme v odhalování tématu "Biologická role bílkovin v těle." Velmi velká a velmi důležitá skupinapřírodní sloučeniny tvoří látky zvané antibiotika. Jsou mikrobiálního původu. Tyto látky jsou vylučovány speciálními druhy mikroorganismů. Biologická role aminokyselin a bílkovin je neoddiskutovatelná, ale antibiotika plní zvláštní, velmi důležitou funkci. Inhibují růst mikroorganismů, které jim konkurují. Ve 40. letech 20. století přinesl objev a používání antibiotik revoluci v léčbě infekčních chorob způsobených bakteriemi. Je třeba poznamenat, že ve většině případů antibiotika na viry neúčinkují, takže jejich použití jako antivirotik je neúčinné.
Příklady antibiotik
Penicilinová skupina byla první, která byla uvedena do praxe. Příklady této skupiny jsou ampicilin a benzylpenicilin. Antibiotika se liší mechanismem účinku a chemickou povahou. Některé z těch, které jsou dnes široce používány, interagují s lidskými ribozomy, zatímco syntéza proteinů je inhibována v bakteriálních ribozomech. Přitom s eukaryotickými ribozomy téměř neinteragují. Proto jsou destruktivní pro bakteriální buňky a mírně toxické pro zvířata a lidi. Tato antibiotika zahrnují streptomycin a levomycetin (chloramfenikol).
Biologická role biosyntézy bílkovin je velmi důležitá a tento proces sám o sobě má několik fází. Budeme o tom mluvit pouze obecně.
Proces a biologická úloha biosyntézy bílkovin
Tento proces je vícestupňový a velmi složitý. Vyskytuje se v ribozomech -speciální organely. Buňka obsahuje mnoho ribozomů. Například E. coli jich má asi 20 tisíc.
„Popište proces biosyntézy bílkovin a její biologickou roli“– takový úkol mnozí z nás dostali ve škole. A pro mnohé to bylo těžké. No, zkusme na to společně přijít.
Proteinové molekuly jsou polypeptidové řetězce. Skládají se, jak již víte, z jednotlivých aminokyselin. Ty však nejsou dostatečně aktivní. Aby se spojily a vytvořily molekulu proteinu, vyžadují aktivaci. Vzniká v důsledku působení speciálních enzymů. Každá aminokyselina má svůj vlastní enzym, který je na ni specificky naladěn. Zdrojem energie pro tento proces je ATP (adenosintrifosfát). V důsledku aktivace se aminokyselina stává labilnější a působením tohoto enzymu se váže na t-RNA, která ji přenáší na ribozom (proto se tato RNA nazývá transport). Do ribozomu tak vstupují aktivované aminokyseliny spojené s tRNA. Ribozom je druh dopravníku pro sestavení proteinových řetězců z příchozích aminokyselin.
Úlohu syntézy proteinů je těžké přeceňovat, protože syntetizované sloučeniny plní velmi důležité funkce. Skládají se z nich téměř všechny buněčné struktury.
Popsali jsme tedy obecně proces biosyntézy bílkovin a její biologickou roli. Tím náš úvod k proteinům končí. Doufáme, že máte chuť v tom pokračovat.
