Baltymai ir fermentai: gyvybės katalizatoriai

Jei DNR yra gyvybės instrukcijų knyga, tai baltymai yra darbininkai, kurie tas instrukcijas įgyvendina. Tai pačios universaliausios ir funkciškai įvairiapusiškiausios organinės molekulės, sudarančios daugiau nei 50% sausos ląstelės masės. Beveik viską, ką matome ir kas vyksta gyvame organizme – nuo plaukų struktūros iki minčių smegenyse – vienaip ar kitaip lemia baltymai.

Baltymai yra polimerai, sudaryti iš aminorūgščių monomerų. Genetinė informacija, užkoduota DNR, nurodo, kokia tvarka turi būti sujungtos aminorūgštys, kad susidarytų specifinis baltymas. Būtent ši unikali aminorūgščių seka lemia baltymo trimatę struktūrą, o struktūra – jo unikalią funkciją. Šis principas „seka -> struktūra -> funkcija“ yra vienas svarbiausių visoje biochemijoje.

Šioje pamokoje detaliai išnagrinėsime, kaip iš 20 paprastų aminorūgščių blokelių susidaro stulbinančios įvairovės ir sudėtingumo baltymai, kokia yra jų struktūra ir funkcijos. Ypatingą dėmesį skirsime specifinei baltymų grupei – fermentams, kurie veikia kaip biocheminių reakcijų katalizatoriai.

Visų baltymų statybinis blokas yra aminorūgštis. Gamtoje randama daugybė aminorūgščių, tačiau baltymų sintezei naudojama tik 20 standartinių tipų. Jos yra tarsi abėcėlė, iš kurios raidžių galima sudaryti begalę skirtingų „žodžių“ – baltymų.

Visos 20 aminorūgščių turi bendrą struktūrą:

1. Centrinis (alfa) anglies atomas (α-C).
2. Amino grupė (-NH₂): Bazinė grupė.
3. Karboksilo grupė (-COOH): Rūgštinė grupė.
4. Vandenilio atomas (-H).
5. Šoninė grandinė (R grupė): Tai unikali kiekvienos aminorūgšties dalis, kuri skiriasi savo dydžiu, forma, krūviu ir chemine prigimtimi. Būtent R grupės savybės lemia aminorūgšties elgesį ir vaidmenį baltymo struktūroje.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Bendra aminorūgšties struktūros formulė. Alfa anglis centre, aplink ją aiškiai pažymėta amino grupė, karboksilo grupė, vandenilis ir bendrinė R grupė.

R grupių įvairovė

Pagal R grupės savybes aminorūgštis galima suskirstyti į kelias grupes:

• Nepolinės (hidrofobinės): Jų R grupės vengia vandens ir baltymui lankstantis linksta į molekulės vidų.
• Polinės (hidrofilinės): Jų R grupės linksta į vandenį ir dažniausiai būna baltymo paviršiuje.
• Rūgštinės (neigiamo krūvio): Turi papildomą karboksilo grupę.
• Bazinės (teigiamo krūvio): Turi papildomą amino grupę.

Ši cheminių savybių įvairovė yra raktas į sudėtingą baltymų lankstymąsi ir funkcijų įvairovę.

Baltymo funkcija priklauso nuo jo unikalios trimatės formos. Ši sudėtinga forma susidaro per kelis hierarchinius lygmenis.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Vienas didelis infografikas, kuriame nuosekliai vaizduojami visi keturi baltymo struktūros lygmenys: 1) karoliukų vėrinys (pirminė), 2) susisukusi spirale ir klostėmis (antrinė), 3) susilankstęs trimatis gniutulas (tretinė), 4) kelių gniutulų junginys (ketvirtinė).

1. Pirminė struktūra

Tai unikali aminorūgščių seka polipeptidinėje grandinėje, sujungtų peptidiniais ryšiais. Ji yra tarsi žodžio raidės arba sakinio žodžiai, išdėstyti tam tikra tvarka. Ši seka yra užkoduota gene (DNR) ir lemia visus aukštesnius struktūros lygmenis. Net vienos aminorūgšties pakeitimas gali dramatiškai pakeisti baltymo struktūrą ir funkciją (pvz., pjautuvinė anemija).

2. Antrinė struktūra

Tai polipeptidinės grandinės lokalus susilankstymas į stabilias, pasikartojančias struktūras. Šią struktūrą stabilizuoja vandeniliniai ryšiai, susidarantys tarp polipeptidinės grandinės karkaso atomų (ne R grupių).

• Alfa (α) spiralė: Grandinė susisuka į dešiniojo sūkio spiralę, panašią į telefono laidą.
• Beta (β) klostyta struktūra: Grandinės segmentai išsidėsto greta vienas kito, sudarydami klostytą lakštą.

3. Tretinė struktūra

Tai bendra, unikali trimatė vienos polipeptidinės grandinės forma, primenanti sudėtingą gniutulą. Ji susidaro dėl įvairių sąveikų tarp aminorūgščių R grupių:

• Hidrofobinės sąveikos: Nepolinės R grupės slepiasi nuo vandens molekulės viduje.
• Vandeniliniai ryšiai: Tarp polinių R grupių.
• Joniniai ryšiai: Tarp teigiamą ir neigiamą krūvį turinčių R grupių.
• Disulfidiniai tilteliai: Stiprūs kovalentiniai ryšiai tarp dviejų cisteino aminorūgščių sieros atomų. Jie tvirtai „užrakina“ baltymo struktūrą. Būtent tretinė struktūra suteikia baltymui jo specifinę funkciją (pvz., fermento aktyvųjį centrą).

4. Ketvirtinė struktūra

Šį lygmenį turi tik baltymai, sudaryti iš dviejų ar daugiau polipeptidinių grandinių (subvienetų). Ketvirtinė struktūra apibūdina, kaip šie subvienetai yra išsidėstę ir sąveikauja tarpusavyje, sudarydami vieną funkcinį kompleksą.

• Pavyzdžiai: Hemoglobinas yra sudarytas iš keturių subvienetų (dviejų alfa ir dviejų beta), kolagenas – iš trijų susivijusių spiralių.

Denatūracija – tai procesas, kurio metu baltymas praranda savo tretinę ir antrinę struktūrą (išsivynioja) ir dėl to praranda savo biologinę funkciją. Svarbu pabrėžti, kad denatūracijos metu pirminė struktūra (aminorūgščių seka) dažniausiai išlieka nepakitusi, tačiau be taisyklingos erdvinės formos baltymas tampa neveiksnus.

Denatūracija dažniausiai yra negrįžtamas procesas.

Kas sukelia denatūraciją?

• Aukšta temperatūra: Didina atomų kinetinę energiją, kuri suardo silpnuosius ryšius (ypač vandenilinius), palaikančius baltymo struktūrą. Pavyzdys: verdant kiaušinį, skystas ir permatomas baltymas albuminas denatūruoja ir tampa kietu bei baltu.
• Ekstremalūs pH pokyčiai: Rūgštinė ar šarminė aplinka pakeičia R grupių jonizaciją, suardydama joninius ir vandenilinius ryšius.
• Didelė druskų koncentracija.
• Organiniai tirpikliai.

Kiekvienas baltymas turi optimalias sąlygas (temperatūrą, pH), kuriomis jo struktūra yra stabiliausia ir funkcija aktyviausia.

Fermentai – tai specifiniai baltymai (rečiau RNR molekulės, vadinamos ribozimais), kurie veikia kaip biologiniai katalizatoriai. Katalizatorius – tai medžiaga, kuri pagreitina cheminę reakciją, bet pati reakcijos metu nėra sunaudojama.

Ląstelėse nuolat vyksta tūkstančiai cheminių reakcijų. Be fermentų šios reakcijos vyktų milijonus kartų lėčiau arba apskritai nevyktų esant organizmo temperatūrai.

Kaip veikia fermentai? Aktyvacijos energija

Kad cheminė reakcija prasidėtų, reaguojančios molekulės (substratai) turi įgauti tam tikrą minimalų energijos kiekį, reikalingą ryšiams nutraukti. Šis energijos barjeras vadinamas aktyvacijos energija (Ea).

Fermentai veikia sumažindami aktyvacijos energijos barjerą. Jie tai daro sudarydami laikiną fermento-substrato kompleksą, kuriame substratas (-ai) yra orientuojamas (-i) taip, kad ryšius būtų lengviau nutraukti ir suformuoti naujus.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Aktyvacijos energijos grafikas. Y ašis – Laisvoji energija, X ašis – Reakcijos eiga. Parodyti du kelius: aukštą energijos kalną (reakcija be fermento) ir žymiai žemesnį kalną (reakcija su fermentu). Pažymėti substratų ir produktų energijos lygmenis bei aktyvacijos energijas (Ea) abiem atvejais.

Fermento ir substrato sąveika

• Substratas: Molekulė, kurią veikia fermentas.
• Aktyvusis centras: Unikali, nedidelė fermento tretinės struktūros dalis (įduba arba plyšys), prie kurios specifiškai jungiasi substratas.
• Specifiškumas: Dauguma fermentų yra labai specifiški – jie veikia tik vieną arba kelis labai panašius substratus. Tai lemia aktyviojo centro forma ir cheminės savybės, kurios turi atitikti substratą.
• Indukuoto atitikmens modelis: Tai šiuolaikinis modelis, teigiantis, kad aktyvusis centras nėra standus. Substratui prisijungus, fermentas šiek tiek pakeičia savo formą, kad glaudžiau apgaubtų substratą ir optimaliai jį paveiktų. Tai panašu į rankos ir pirštinės sąveiką.

Fermentų veikimo greitį (aktyvumą) veikia keli pagrindiniai aplinkos veiksniai.

Temperatūra

Didinant temperatūrą, substrato ir fermento molekulių kinetinė energija didėja, jos dažniau susiduria, todėl reakcijos greitis auga. Tačiau kiekvienas fermentas turi savo optimalią temperatūrą, kuriai esant jo aktyvumas yra didžiausias (žmogaus fermentams tai apie 37°C). Viršijus optimalią temperatūrą, fermentas pradeda denatūruoti, jo aktyvusis centras suyra, ir reakcijos greitis staigiai krenta.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Grafikas: Y ašis – Reakcijos greitis, X ašis – Temperatūra. Kreivė kyla iki maksimumo (optimumo) ir staigiai krenta žemyn.

pH

Kiekvienas fermentas taip pat turi optimalų pH, kuriame veikia efektyviausiai. Pavyzdžiui, skrandžio fermento pepsino optimumas yra apie pH 2, o plonosios žarnos fermento tripsino – apie pH 8. Nukrypus nuo optimalaus pH, keičiasi aktyviojo centro aminorūgščių krūviai, sutrinka fermento-substrato sąveika, o esant ekstremalioms pH vertėms, fermentas denatūruoja.

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Grafikas: Y ašis – Reakcijos greitis, X ašis – pH. Parodyti varpo formos kreivę su aiškiai pažymėtu optimumu.

Substrato koncentracija

Didinant substrato koncentraciją (kai fermento kiekis pastovus), reakcijos greitis didėja, nes yra daugiau substrato molekulių, galinčių susijungti su fermento aktyviaisiais centrais. Tačiau pasiekus tam tikrą ribą, visi fermento aktyvieji centrai būna užimti (fermentas įsotinamas), ir tolesnis substrato koncentracijos didinimas reakcijos greičio nebedidina. Greitis pasiekia maksimalią vertę (Vmax).

📸 Iliustracija per Google Vaizdus: Grafikas: Y ašis – Reakcijos greitis, X ašis – Substrato koncentracija. Kreivė kyla ir pasiekia plokštumą (plato).

Fermentų inhibitoriai

Inhibitoriai – tai molekulės, kurios prisijungia prie fermento ir sumažina jo aktyvumą.

• Konkurencinė inhibicija: Inhibitorius yra panašios formos kaip substratas ir konkuruoja dėl tos pačios vietos fermento aktyviajame centre. Šios inhibicijos poveikį galima sumažinti didinant substrato koncentraciją.
• Nekonkurencinė inhibicija: Inhibitorius jungiasi prie kitos fermento vietos (ne aktyviojo centro). Tai pakeičia fermento formą taip, kad aktyvusis centras nebegali efektyviai prisijungti substrato. Substrato koncentracijos didinimas šiuo atveju nepadeda. Inhibitoriai yra labai svarbūs medicinoje, nes daugelis vaistų (pvz., penicilinas) veikia kaip specifiniai fermentų inhibitoriai.

Baltymų struktūrų įvairovė leidžia jiems atlikti beveik visas įmanomas funkcijas ląstelėje. Štai keletas svarbiausių.