Proteinstruktur – primær, sekundær, tertiær og kvaternær

Et enzym, der spalter stivelse, og hæmoglobin, der transporterer ilt, er begge proteiner. Men hvordan kan den samme type molekyle løse så forskellige opgaver? Svaret ligger i aminosyrernes rækkefølge og den form, kæderne får, når de foldes.

I videoen nedenfor tegner og forklarer jeg proteiners opbygning. Bagefter følger vi aminosyrerne fra en kæde til lokale foldninger, en samlet tredimensionel struktur og eventuelt et kompleks med flere kæder.

Aminosyrer er proteinernes byggesten

Proteiner opbygges af aminosyrer. De almindelige aminosyrer har et centralt carbonatom (kulstofatom). Her sidder et hydrogenatom (brintatom), en aminogruppe, en carboxylgruppe og en sidekæde, R-gruppen. Aminogruppen er en gruppe atomer med nitrogen (kvælstof), mens carboxylgruppen indeholder carbon og oxygen (ilt). De to grupper bliver vigtige, når aminosyrerne bindes sammen.

Det er sidekæden, der især adskiller aminosyrerne kemisk: Upolære sidekæder har dårlig kontakt med vand. Polære sidekæder har områder med forskellig elektrisk ladning og kan have god kontakt med vand. Andre sidekæder har en samlet positiv eller negativ ladning. De forskelle får senere betydning for foldningen. Der bruges normalt 20 standardaminosyrer i proteiner. Ni kaldes essentielle for mennesker: Kroppen kan ikke selv danne nok af dem, så vi skal have dem gennem kosten.

En enkelt aminosyre er ikke et peptid. Et peptid er en kæde af aminosyrer, som er koblet sammen. I proteinsyntesen bruges en kopi af genets information, kaldet mRNA, som opskrift på rækkefølgen.

Peptidbindinger kobler aminosyrerne sammen

En peptidbinding forbinder carboxylgruppen i én aminosyre med aminogruppen i den næste. Kædens gentagne del kaldes rygraden, mens R-grupperne stikker ud som sidekæder. En længere kæde kaldes et polypeptid.

På en enkel tegning kan sammenkoblingen vises ved, at to aminosyrer bindes sammen, mens et vandmolekyle fraspaltes. Det kaldes en kondensationsreaktion. I cellen foregår sammenkoblingen på ribosomet, cellens proteinværksted. Figuren viser forbindelsen mellem byggestenene.

Primær struktur: aminosyrernes rækkefølge

Den primære struktur er aminosyrernes rækkefølge i kæden. Det er udgangspunktet for de næste strukturniveauer, fordi rækkefølgen bestemmer, hvor de forskellige sidekæder befinder sig.

En ændring i rækkefølgen kan ændre foldning eller funktion, men gør det ikke nødvendigvis. Virkningen afhænger af, hvilken aminosyre der ændres, og hvor i proteinet den sidder. Her er forbindelsen til mutationer i DNA og protein.

Sekundær struktur: lokale spiraler og plader

Dele af kæden kan danne regelmæssige lokale strukturer, især α-helix, som er spiralformet, og β-sheet, hvor kædesegmenter ligger ved siden af hinanden i en foldet plade.

Hydrogenbindinger er forholdsvis svage tiltrækninger mellem bestemte atomgrupper. De er med til at holde disse strukturer på plads og dannes mellem grupper i polypeptidets rygrad, ikke direkte mellem R-grupperne. Vendinger og løkker forbinder de regelmæssige dele og gør det muligt for kæden at ændre retning.

Tertiær struktur: én kædes samlede form

Når vi ser på én polypeptidkædes samlede tredimensionelle opbygning, beskriver vi den tertiære struktur. Lokale spiraler, plader og løkker placeres i forhold til hinanden.

Sidekædernes kemiske egenskaber er vigtige her. I et vandopløseligt protein vender mange upolære sidekæder ind mod proteinets indre, mens mange polære og ladede grupper har kontakt med vand. Hydrogenbindinger, elektriske tiltrækninger og andre vekselvirkninger bidrager til stabiliteten. Nogle proteiner har også stærke svovlbroer mellem sidekæder i aminosyren cystein. Broerne kaldes disulfidbindinger og hjælper med at holde foldningen på plads.

Membranproteiner sidder i cellemembranens lag af fedtlignende molekyler, lipider. De dele, der vender mod dette lag, er derfor ofte upolære. Det forbinder proteinstruktur med cellemembranens opbygning.

Kvaternær struktur: flere kæder arbejder sammen

Nogle proteiner består af flere polypeptidkæder, som samles til en funktionel enhed. Deres indbyrdes opbygning kaldes kvaternær struktur. Proteiner med én kæde har ikke dette strukturniveau.

Voksnes almindelige hæmoglobin, HbA, består af to alfa- og to betakæder. Hver kæde har en hæmgruppe, en særlig gruppe med et jernatom, som kan binde ét oxygenmolekyle, O₂. Samspillet mellem kæderne gør, at binding af ilt påvirker de andre bindingssteder.

Myoglobin i muskler består derimod af én polypeptidkæde med en hæmgruppe. Det har tertiær struktur, men ingen kvaternær struktur. Sammenligningen viser, hvorfor det er nyttigt at skelne mellem én kædes foldning og samlingen af flere kæder.

De fire niveauer samlet

Niveauerne beskriver den samme opbygning med forskellig detaljeringsgrad. Et protein med flere kæder indeholder stadig primær, sekundær og tertiær struktur i de enkelte kæder.

Hvorfor er formen afgørende for funktionen?

Et enzym hjælper en bestemt kemisk reaktion med at gå hurtigere. Det stof, enzymet virker på, kaldes substratet. Enzymets form gør, at substratet kan bindes på et bestemt sted, det aktive sted. Proteinets foldning skaber derfor de lokale egenskaber i det aktive sted. Læs videre om hvordan enzymer virker.

Varme eller ændret pH, som er et mål for surhedsgrad, kan forstyrre strukturen. Ved denaturering mister proteinet sin normale rumlige opbygning og ofte sin funktion. Peptidbindingerne brydes normalt ikke ved almindelig denaturering; det er især de højere strukturniveauer, der ændres.

Tegn kæden fra rækkefølge til funktion

Tegn en aminosyrekæde, markér en spiral og en plade, og vis derefter hele kædens foldning. Tegn til sidst flere kæder samlet. Forklar med dine egne ord, hvad hvert strukturniveau fortæller.

• Hvordan adskiller en aminosyre sig fra et peptid?
• Hvilke dele danner hydrogenbindingerne i en α-helix?
• Hvorfor har myoglobin ikke kvaternær struktur?
• Hvordan kan denaturering ændre et enzyms aktivitet?

Følg sidekæderne gennem din tegning. Det er netop forbindelsen mellem rækkefølge, kemiske egenskaber og form, der forklarer proteinets funktion.