Baltymai: apibrėžimas, struktūra, sintezė ir funkcijos

Baltymai: apibrėžimas, struktūra, sintezė ir funkcijos — nuo aminorūgščių sekos ir posttransliacinių modifikacijų iki vaidmens ląstelių procesuose ir organizmo veikloje.

Baltymai yra ilgos grandinės molekulės, sudarytos iš mažų vienetų, vadinamų aminorūgštimis. Jos sujungtos peptidinėmis jungtimis.

Tai biocheminiai junginiai, sudaryti iš vieno ar daugiau polipeptidų, sulankstytų į apvalią arba pluoštinę formą.

Polipeptidas yra viena linijinė polimerinė aminorūgščių grandinė. Polipeptido aminorūgščių seka gaunama iš geno DNR sekos. Genetinis kodas nurodo 20 standartinių aminorūgščių. Netrukus po sintezės kai kurios aminorūgštys yra chemiškai modifikuojamos. Tai pakeičia baltymo lankstymąsi, stabilumą, aktyvumą ir funkciją. Kartais prie baltymų prijungiamos nepeptidinės grupės - kofaktoriai.

Baltymai yra būtini visoms ląstelėms. Kaip ir kitos biologinės makromolekulės (polisacharidai ir nukleino rūgštys), baltymai dalyvauja beveik visuose ląstelių procesuose:

Struktūra ir lygmenys

Baltymų struktūra apibrėžiama keliais lygmenimis:

• Pirminė struktūra – tai aminorūgščių seka, susieta peptidinėmis jungtimis. Ji lemia visus tolimesnius struktūrinius pakitimus.
• Antrinė struktūra – reguliarūs vietiniai konformacijos elementai, tokie kaip alfa spiralė (α-spiralė) ir beta plokštelė (β-lankstinys), formuojami dėl vandenilinių ryšių tarp peptidinių jungčių.
• Trečinė struktūra – visas polipeptido trimačio sulankstymo modelis, palaikomas hidrofobinių sąveikų, disulfidinių tiltelių, vandenilinių ryšių ir joninių sąveikų.
• Ketvirtinė struktūra – kai baltymas susideda iš kelių polipeptidų grandinių (subvienetų), jų tarpusavio išsidėstymas ir sąveikos sudaro ketvirtinę struktūrą.

Aminorūgščių savybės

Yra 20 standartinių aminorūgščių, kiekviena turi unikalią šoninės grandinės (R grupės) savybę: polinė, nepolinė, rūgštinė arba bazinė. Šios savybės lemia, kaip aminorūgštys sąveikaudamos formuoja baltymo struktūrą ir funkcinę vietą. Kai kurios aminorūgštys gali vėliau būti modifikuotos (pvz., fosforilinimas, gliukozilinimas, acetilinimas), o tai dar labiau keičia baltymo funkcijas.

Baltymų sintezė

Baltymų sintezė vyksta dviem pagrindiniais etapais:

• Transkripcija – informacija iš DNR perrašoma į ribonukleorūgšties (RNR) molekulę (mRNR).
• Transliacija – mRNR informacija naudojama aminorūgščių sekai nustatyti ribosomose; tRNR pristato atitinkamas aminorūgštis pagal kodonus. Ribosomos, sintezės faktoriai ir energija (ATP/GTP) užtikrina polipeptido grandinės augimą.

Po sintezės baltymai gali būti nukreipti į įvairias ląstelės dalis (endoplazminį tinklą, mitochondrijas, lizosomas) arba išskirti į aplinką. Daugumai baltymų reikia chaperonų (surišančių baltymų), kad jie tinkamai susilankstytų ir išvengtų agregacijos.

Funkcijos

Baltymai atlieka labai įvairias funkcijas organizme. Pagrindinės:

• Enzimai: katalizuoja biochemines reakcijas, greitindami metabolizmą (pvz., fermentai).
• Transportas ir saugojimas: hemoglobinas perneša deguonį, kiti baltymai perneša jonus ir mažas molekules.
• Struktūrinė parama: kolagenas, keratinas ir aktinas suteikia audiniams formą ir stiprumą.
• Signalinės funkcijos: hormonus ir signalinius baltymus (pvz., insuliną) naudojant nervų ir endokrininės sistemos reguliavimui.
• Imuninė gynyba: antikūnai (imunoglobulinai) atpažįsta ir neutralizuoja antigenus.
• Judėjimas: miozinas ir aktinas dalyvauja raumenų susitraukimuose ir ląstelių judėjime.
• Receptoriai ir kanalai: membraniniai baltymai priima išorinius signalus arba reguliuoja molekulių pratekėjimą per membraną.

Reguliacija ir degradacija

Baltymų aktyvumas griežtai reguliuojamas genų raiška, posttransliacinėmis modifikacijomis ir sąveikomis su kitomis molekulėmis. Pažeisti arba nebereikalingi baltymai žymimi ubiquitinu ir degradacijos tikslui nukreipiami į proteasomą. Lizosomos taip pat dalyvauja didesnių baltymų ar organelių skaidyme.

Baltymų lankstymasis ir denatūravimas

Tinkamas baltymo sulankstymasis būtinas jo funkcijai. Netinkamai sulankstytos molekulės gali agreguotis ir sukelti ląstelių stresą — tai siejama su ligomis (pvz., Alzheimerio, Parkinsono). Aukšta temperatūra, kraštutinės pH sąlygos arba cheminės medžiagos gali denatūruoti baltymus — jie praranda antrinę/trečialę struktūrą ir funkciją.

Laboratoriniai metodai ir biotechnologijos

Baltymai tiriami naudojant:

• SDS-PAGE ir gelio elektroforezę baltymų dydžiui nustatyti;
• Masės spektrometriją baltymų identifikavimui ir modifikacijų aptikimui;
• Radinės struktūros tyrimus: X-spindulių kristalografiją, NMR ir kryo-elektroninę mikroskopiją (cryo-EM).

Biotechnologijos leidžia kurti rekombinantinius baltymus (pvz., vaistus), modifikuoti fermentus pramonei ir naudoti baltymus diagnostikoje.

Dietinė reikšmė ir medicininė svarba

Žmonės turi gauti aminorūgštis su maistu — keletas jų yra esminės (nesyntetinamos organizme). Baltymų trūkumas lemia raumenų nykimą, imuninės funkcijos susilpnėjimą ir augimo sutrikimus vaikams. Genetinės mutacijos, keičiančios baltymų sudėtį arba struktūrą, gali sukelti paveldimas ligas; kai kurios infekcinės ligos (pvz., prionų ligos) kyla dėl baltymų struktūros pakitimų.

Santrauka

Baltymai yra gyvybiškai svarbios makromolekulės, kurių struktūra ir cheminės savybės lemia platų funkcijų spektrą — nuo metabolizmo katalizės iki struktūrinės paramos ir signalų perdavimo. Supratimas apie jų sintezę, sulankstymą ir reguliavimą yra būtinas biologijos, medicinos ir biotechnologijų srityse.

Žmogaus baltymai

Priklausomai nuo formos, baltymai atlieka skirtingas funkcijas. Jų galima rasti mėsoje arba raumenyse. Jie naudojami augimui ir atstatymui, taip pat kaulų stiprinimui. Jie padeda susidaryti audiniams ir ląstelėms. Jų yra gyvūnų, augalų, grybų, bakterijų, taip pat žmogaus organizme.

Raumenyse yra daug baltymų. Virškinant baltymus, jie suskaidomi į aminorūgštis. Šios aminorūgštys vėliau gali būti panaudotos naujiems baltymams gaminti. Baltymai sudaro svarbią tokių maisto produktų kaip pienas, kiaušiniai, mėsa, žuvis, pupelės, špinatai ir riešutai dalį. Yra keturi veiksniai, kurie lemia, ką baltymai veiks. Pirmasis yra aminorūgščių eiliškumas. Yra 20 skirtingų aminorūgščių rūšių. Antrasis - maži grandinės vingiai. Trečiasis - tai, kaip visa struktūra yra sudėta. Ketvirta - ar ji sudaryta iš skirtingų subvienetų. Pavyzdžiui, hemoglobino molekulės sudarytos iš keturių subvienetų.

Žalingos mutacijos

Dauguma baltymų yra fermentai, o mutacijos gali sulėtinti arba sustabdyti jų veikimą. 50 % žmonių vėžio atvejų atsiranda dėl naviko slopintojo p53 mutacijų. p53 yra baltymas, reguliuojantis ląstelių dalijimąsi.

Nepakeičiamosios aminorūgštys

Gyvūnų maiste būtini baltymai, nes gyvūnai negali pasigaminti visų jiems reikalingų aminorūgščių (didžiąją jų dalį jie gali pasigaminti). Tam tikrų aminorūgščių jie turi gauti iš maisto. Jos vadinamos nepakeičiamosiomis aminorūgštimis. Virškindami gyvūnai suvirškintus baltymus suskaido į laisvąsias aminorūgštis. Tuomet aminorūgštys naudojamos medžiagų apykaitos procese, kad susidarytų organizmui reikalingi fermentai ir struktūros.

Yra devynios žmogui būtinos aminorūgštys, kurios gaunamos iš maisto. Devynios nepakeičiamosios aminorūgštys yra šios: histidinas, izoleucinas, leucinas, lizinas, metioninas, fenilalaninas, treoninas, triptofanas ir valinas. Mėsoje yra visų žmogui reikalingų nepakeičiamųjų aminorūgščių; daugumoje augalų jų nėra. Tačiau valgant augalų mišinį, pavyzdžiui, ir kviečius, ir žemės riešutų sviestą arba ryžius ir pupeles, gaunama visų reikalingų nepakeičiamųjų aminorūgščių. Sojos produktai, pavyzdžiui, tofu, taip pat turi visų nepakeičiamųjų aminorūgščių, tačiau tai nėra vienintelis būdas gauti žmogui reikalingų baltymų.

Baltymų pavadinimą davė mokslininkas Jonsas Jokūbas Berzelijus, tačiau baltymus tyrinėjo ir daugelis kitų mokslininkų.

Kiaušinių baltymuose yra daug baltymų

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra baltymai?

K: Kaip aminorūgštys sujungiamos?

K: Kas yra polipeptidas?

K: Iš kur atsiranda polipeptido aminorūgščių seka?

K: Kas atsitinka kai kurioms aminorūgštims netrukus po sintezės?

K: Kaip modifikuojamos aminorūgštys baltymuose?

K: Ar visi baltymai sudaryti tik iš aminorūgščių?

Paieška pagal raidę