proteiner

Man skelner mellem proteiners primære, sekundære, tertiære og kvaternære struktur. Aminosyrernes rækkefølge i polypeptidkæden og den kemiske struktur af de enkelte aminosyrer bestemmer tilsammen proteinets fysiske og kemiske egenskaber. Rækkefølgen af aminosyrer i proteinet betegnes den primære struktur. Den bestemmes af nukleotidsekvensen i det DNA, som koder for proteinet.

Ved hydrogenbindinger mellem naboliggende aminosyrer foldes kæden til en stabil rumlig struktur, kaldet den sekundære struktur. Det drejer sig om spiralsnoede områder (α-helix), om båndformede strukturer (eng. β-sheets) og om slyngninger af kæden (eng. β-bends). Normalt optræder disse strukturformer på forskellige steder i samme proteinkæde. Proteinernes sekundære struktur blev først beskrevet af den amerikanske kemiker L. Pauling, som også beskrev peptidbindingens kemiske struktur omkring 1950.

De sekundære strukturområder kan yderligere foldes i større rumlige strukturer, som giver proteinets tertiære struktur. Lokalt kan proteinet være foldet i særlige domæner, som har direkte relation til proteinets funktion. Vandmolekyler indgår som et centralt element i proteinets struktur, idet de danner hydrogenbindinger med visse aminosyrer, mens andre aminosyrer har en mere vandskyende (hydrofob) karakter. Hos visse proteiner indgår, foruden hydrogenbindinger, covalente bindinger i den tertiære struktur gennem disulfidbindinger mellem cysteinenheder i polypeptidkæden. Den rumlige opbygning er normalt ansvarlig for proteinernes funktion, idet der i den tertiære struktur optræder lommer, som fx med stor specificitet kan binde de substratmolekyler, hvis omdannelse katalyseres af enzymerne.

Foldningen af peptidkæder til den rigtige rumlige struktur kan foregå spontant, men i forbindelse med den cellulære proteinsyntese medvirker en række proteiner, som sikrer, at der dannes de nødvendige covalente bindinger, og at foldningen foregår specifikt og med hensigtsmæssig hastighed. Proteiner med sådanne funktioner kaldes molekylære chaperoner eller chaperoniner. De medvirker også til, at proteiner, der skal indsættes i membraner eller transporteres ud af cellen, holdes i den rigtige rumlige struktur.

Flere proteinmolekyler af samme art eller forskellige proteinmolekyler danner yderligere en kvaternær struktur, som i cellerne normalt er proteinernes funktionelle form.

På basis af proteinernes kvaternære struktur er der to hovedgrupper, fiberproteiner og globulære proteiner. Fiberproteiner består af ofte endog meget lange kæder af proteinenheder, der fx danner de intracellulære strukturer i cytoskelettet, tubulin (se celle), danner kontraktile elementer såsom myosin i muskelceller, eller uden for cellerne danner fx kollagen i bindevæv og keratin i hår, hud og negle. De sfæriske globulære proteiner findes i cellernes og organismens vandfaser eller bundet i membraner. De fleste globulære proteiner har evne til at binde forskellige kemiske forbindelser som fx hormonreceptorer i cellemembraner, hæmoglobin, som binder ilt i de røde blodlegemer, enzymer samt serum-albumin, som binder en række hydrofobe forbindelser, fx fedtsyrer og lægemidler.

Ødelægges den sekundære, tertiære eller kvaternære struktur af et protein, siges proteinet at denaturere. Denaturering kan skyldes opvarmning, ekstreme pH-værdier, organiske opløsningsmidler eller detergenter og er ofte en irreversibel proces.

Organismens proteiner undergår en stadig nedbrydning og gendannelse, og et voksent menneske syntetiserer daglig adskillige hundrede gram protein. Proteinsyntesen, translationen, foregår hos alle levende celler på ribosomerne, der findes i cellens cytoplasma. Hos eukaryote celler er mange ribosomer knyttet til et system af indre membraner, det endoplasmatiske retikulum. Hos disse celler foregår der yderligere proteinsyntese på ribosomer i mitokondrierne.

Proteiner dannes altid fra den såkaldt N-terminale ende, dvs. at syntesen begynder med den aminosyre, der i det færdige protein har en fri aminogruppe. De følgende aminosyrer kobles derefter på en efter en. Aminosyrerne er under proteinsyntesen bundet til tRNA (transfer-RNA, se RNA). Rækkefølgen af aminosyrer bestemmes af mRNA (messenger-RNA), der er en oversættelse af nukleotidsekvensen i DNA, den genetiske kode, og indeholder koderne (codon) for aminosyrerne samt start- og stopkoder. Ribosomer har bindingssteder for mRNA og tRNA med bunden aminosyre. Proteinsyntesen indledes (initieres) med, at der dannes et kompleks mellem mRNA, ribosom og den tRNA, der har bundet den første aminosyre (i eukaryoter altid methionin). Dernæst bindes mRNA til ribosomet. Initieringen kræver medvirken af proteinfaktorer (initieringsfaktorer).

Næste trin i proteinsyntesen er forlængelse af peptidkæden med en aminosyre ad gangen. Aminosyrerne er også her bundet til tRNA, og hver forlængelse kræver medvirken af proteinfaktorer (elongeringsfaktorer). Under proteinsyntesen ledes mRNA gennem en fure dannet af de to enheder, ribosomet er sammensat af. Når et stykke peptidkæde er dannet, fæstnes et nyt ribosom til mRNA, og en ny peptidkæde dannes. Ribosomerne kommer således til at sidde på mRNA som perler på en snor.

Når proteinsyntesen når til en stopkode på mRNA, afsluttes (termineres) syntesen, ved at et protein (termineringsfaktor) bindes til ribosomet, hvorefter peptidkæden frigøres. I næsten alle proteiner fjernes den N-terminale methionin, før hele peptidkæden er færdig, og mange proteiner modificeres yderligere efter syntesen, fx ved fraspaltning af dele af peptidkæden, glykosylering (påsætning af kulhydrat), covalent binding af cofaktorer, fosfat, sulfat eller fedtsyrer samt ændringer af sidegrupper i bestemte aminosyrer i proteinet. I nogle tilfælde vil disse modifikationer målrette proteinet til bestemte steder i cellen, fx membraner eller mitokondrier, eller til udskillelse (sekretion). Se også celle (synteseapparat).

Proteinsyntesen i prokaryoter adskiller sig i detaljer fra syntesen i eukaryoter; en række antibiotika er således hæmmere af prokaryoters proteinsyntese uden at have effekt på eukaryoters. Vedr. industriel fremstilling af proteiner som insulin, væksthormon og enzymer vha. gensplejsede organismer, se bioteknologi.

Den rumlige struktur af proteinmolekyler kan bl.a. fastlægges vha. kernemagnetisk resonans-spektroskopi, ligesom røntgenkrystallografi kan give oplysninger om struktur og funktion.

Kendskabet til den primære struktur er af stor betydning for vores viden om proteinernes biologiske funktion. Dette er et eksperimentelt område, som er i rivende udvikling. De initiativer, der er i gang for at bestemme den totale DNA-sekvens af arvemassen hos talrige organismer, bevirker, at man kender opbygningen af mange i øvrigt ukendte proteiner.

Når et protein isoleres, er det således vigtigt hurtigt at kunne bestemme dets primære struktur. Dette kan med uhyre følsomhed gøres ved massespektrometri, gennem en metode kaldet MALDI-TOF (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization Time Of Flight). En ringe mængde oprenset protein (omkring 0,1 μg), som er spaltet i små peptider, fx af trypsin, tørres på en membran sammen med ca. 1 mg matrixmateriale. Membranen anbringes i MALDI-TOF-apparaturet, hvor det bestråles med laserlys, hvis fotoner absorberes af matrix. Ved den opståede energiudladning vil peptiderne blive slynget ud i det lufttomme apparat og samtidig få påkoblet en proton. I apparatets elektriske felt vil peptidet nu bevæge sig mod en detektor i et tempo, der bestemmes af peptidets størrelse, idet de små peptider bevæger sig hurtigst. Ved at måle flyvetiden kan størrelsen af de enkelte peptider bestemmes med en nøjagtighed større end 0,1 dalton, hvad der tillader en computer-identifikation af peptidets opbygning, som kan sammenlignes med opbygningen af de kendte proteiner i databankerne.

Immunologiske teknikker (se immunologi) kan ligeledes benyttes til at påvise og kvantificere proteiner. Mængden af et protein kan bestemmes spektrofotometrisk eller ved fluorimetri, efter at proteinet har reageret med specifikke farvestoffer.

En lang række forskere har fået nobelprisen for deres arbejde med proteiner. Blandt disse kan nævnes J.H. Northrop, som i 1946 modtog nobelprisen i kemi sammen med W.M. Stanley og J.B. Sumner for banebrydende undersøgelser af enzymer. I 1954 fik L. Pauling nobelprisen i kemi for sin karakteristik af de kemiske bindinger i proteiner, og i 1958 fik F. Sanger kemiprisen for bestemmelsen af aminosyresekvensen af proteiner. S. Moore modtog i 1972 nobelprisen i kemi sammen med C.B. Anfinsen og W. Stein for udvikling af metoder til opklaring af proteiners struktur og egenskaber, og også J.C. Kendrew og M.F. Perutz har modtaget nobelprisen i kemi i 1962 for opklaring af proteinstruktur. Ribosomernes tredimensionale struktur blev beskrevet i 2000.

Proteiner kan kategoriseres i typer efter funktion. Proteiner, der er strukturelementer eller har kontraktil funktion, er ofte fiberproteiner; proteiner i de øvrige grupper er globulære proteiner. Bemærk endvidere, at der er overlapning mellem grupperne; fx er thrombin, natrium-kalium-ATPase og insulinreceptoren også enzymer, og steroidhormonreceptoren er transkriptionsfaktor, når hormonet er bundet til receptoren.

• ernæringsmæssige aspekter af proteiner