Sifat penting dari protein adalah kemampuannya untuk mendenaturasi. Konsep ini mengacu pada fenomena yang terkait dengan perubahan ireversibel dalam struktur sekunder, tersier dan kuaterner protein di bawah pengaruh panas, asam, alkali, sinar UV, radiasi pengion, ultrasound, dll. Dengan kata lain, denaturasi adalah pelanggaran yang tidak dapat diubah. konfigurasi spasial asli dari molekul protein, disertai dengan perubahan signifikan dalam sifat biologis dan fisiko-kimia protein.

Karena ikatan yang relatif lemah sebagian terlibat dalam pembentukan struktur sekunder dan tersier, keadaan fisik protein sangat bergantung pada suhu, pH, keberadaan garam, dan faktor lainnya. Pemanasan, misalnya, menyebabkan rantai polipeptida dari molekul protein menjadi lurus; beberapa bahan kimia memutuskan ikatan hidrogen. Perubahan pH juga menyebabkan pemutusan ikatan, dan ketidakstabilan elektrostatik dimanifestasikan dalam kasus ini.

Protein di bawah pengaruh berbagai faktor fisik dan kimia kehilangan sifat aslinya (asli). Secara lahiriah, ini dinyatakan dalam koagulasi dan presipitasinya. Contoh dari fenomena tersebut adalah koagulasi albumin susu selama perebusan. Pelanggaran ireversibel non-hidrolitik terhadap struktur asli protein disebut denaturasi. Dalam hal ini, sebagian besar ikatan hidrogen terputus, struktur spasial protein berubah, tetapi pemutusan ikatan kovalen dalam molekul protein tidak terjadi.

Denaturasi menyebabkan terbukanya molekul protein, dan itu berubah menjadi keadaan yang kurang lebih tidak teratur (tidak lagi memiliki heliks, tidak ada lapisan, atau jenis pengepakan rantai reguler lainnya). Dalam keadaan terdenaturasi, gugus amida dari rantai peptida membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air di sekitarnya; ada lebih banyak ikatan hidrogen seperti itu daripada ikatan intramolekul.

Mengocok putih telur, krim mengubahnya menjadi busa yang terdiri dari gelembung udara yang dikelilingi oleh film protein tipis, yang pembentukannya disertai dengan penyebaran rantai polipeptida sebagai akibat dari pemutusan ikatan selama aksi mekanis. Jadi, selama pembentukan film, denaturasi protein sebagian atau seluruhnya terjadi. Jenis denaturasi ini disebut denaturasi protein permukaan.

Untuk proses kuliner, denaturasi termal protein sangat penting. Mekanisme denaturasi termal protein dapat dipertimbangkan dengan menggunakan contoh protein globular.

Molekul protein globular utama terdiri dari satu atau lebih rantai polipeptida, terlipat dan membentuk gulungan. Struktur seperti itu distabilkan oleh ikatan lemah, di antaranya ikatan hidrogen memainkan peran penting, membentuk jembatan melintang antara rantai peptida paralel atau lipatannya.

Ketika protein dipanaskan, peningkatan pergerakan rantai atau lipatan polipeptida dimulai, yang mengarah pada pemutusan ikatan rapuh di antara mereka. Protein membuka dan memperoleh bentuk yang tidak biasa, tidak alami, hidrogen dan ikatan lainnya didirikan di tempat yang tidak biasa untuk molekul ini, dan konfigurasi molekul berubah. Akibatnya, lipatan terbuka dan tersusun ulang, disertai dengan redistribusi gugus polar dan nonpolar, dan radikal nonpolar terkonsentrasi pada permukaan globul, mengurangi hidrofilisitasnya. Selama denaturasi, protein menjadi tidak larut dan, pada tingkat yang lebih besar atau lebih kecil, kehilangan kemampuannya untuk membengkak.

Selama denaturasi termal protein, peran aktif adalah air, yang terlibat dalam pembentukan struktur konformasi baru dari protein terdenaturasi. Protein yang benar-benar terdehidrasi tidak berubah sifat bahkan ketika dipanaskan untuk waktu yang lama. Efek denaturasi dari pengaruh eksternal semakin kuat, semakin tinggi hidrasi protein dan semakin rendah konsentrasinya dalam larutan.

Pada nilai pH yang mendekati IEP protein, dehidrasi maksimum protein terjadi. Denaturasi paling lengkap dilakukan di IEP protein. Pergeseran pH ke satu arah atau lainnya dari IEP protein berkontribusi pada peningkatan stabilitas termal dan melemahnya proses denaturasi.

Suhu denaturasi protein meningkat dengan adanya protein termostabil lainnya dan zat tertentu yang bersifat non-protein, seperti sukrosa. Sifat protein ini digunakan ketika, selama perlakuan panas, perlu untuk meningkatkan suhu campuran (misalnya, ketika mempasteurisasi es krim, membuat krim mentega telur), mencegah pemisahan atau pembentukan struktur dalam sistem koloid protein.

Penampakan pada permukaan molekul protein setelah denaturasi radikal atau gugus fungsi yang sebelumnya tersembunyi mengubah sifat fisikokimia dan biologi protein. Sebagai akibat dari denaturasi, sifat-sifat protein berubah secara ireversibel.

Tidak mungkin membuat adonan dari tepung yang dipanaskan, dan irisan daging dari daging rebus, karena protein yang didenaturasi tidak memiliki kemampuan untuk menghidrasi dan membentuk massa plastik elastis kental yang cocok untuk mencetak produk setengah jadi.

Hilangnya kemampuan untuk menghidrasi dijelaskan oleh hilangnya sifat asli protein, yang paling penting adalah hidrofilisitas (afinitas tinggi untuk air), dan dikaitkan dengan perubahan konformasi rantai polipeptida dalam molekul protein sebagai akibat denaturasi.

Pembengkakan dan kelarutan protein dalam air disebabkan oleh adanya pada permukaan molekul protein sejumlah besar gugus hidrofilik (COOH, OH, NH 2) yang mampu mengikat sejumlah besar air.

Seperti yang telah dicatat, kemampuan berbagai protein makanan asli untuk larut dalam pelarut apa pun (air, larutan garam netral, larutan alkali lemah, alkohol, dll.) digunakan untuk memisahkan atau mengisolasi fraksi protein tertentu (untuk keperluan penelitian atau makanan). Protein terdenaturasi tidak memiliki perbedaan seperti itu, mereka semua sama-sama tidak larut dan tidak dapat membengkak dalam air. Pengecualian untuk aturan umum ini adalah kolagen fibrilar daging dan ikan, yang, setelah denaturasi termal dan penghancuran glutin, dapat larut dalam air panas.

Sebagai akibat dari denaturasi, protein kehilangan aktivitas biologisnya. Dalam bahan baku tumbuhan dan hewan yang digunakan di perusahaan katering umum, aktivitas sebagian besar zat protein diawetkan. Jadi, sebagai hasil dari aktivitas enzim, buah-buahan matang selama penyimpanan (dan terkadang terlalu matang), kentang dan tanaman umbi-umbian berkecambah. Aktivitas enzim terutama terlihat pada umbi kentang ketika disimpan dalam cahaya: permukaan umbi memperoleh warna hijau dan rasa pahit, masing-masing, sebagai hasil dari sintesis klorofil dan pembentukan glikosida solanin yang beracun.

Dalam daging mentah, enzim jaringan juga dalam keadaan aktif, berpartisipasi dalam autolisis daging (pematangan pasca pemotongan). Properti ini digunakan untuk tujuan praktis. Inaktivasi lengkap asam fosfatase terjadi ketika suhu di pusat geometris produk daging mencapai 80 °C, yang sesuai dengan suhu pasteurisasi (kematian bentuk vegetatif bakteri).

Dalam protein asli, kelompok peptida dilindungi oleh cangkang hidrasi luar atau terletak di dalam globul protein dan dengan demikian dilindungi dari pengaruh eksternal. Selama denaturasi, protein kehilangan cangkang hidrasinya, yang memfasilitasi akses enzim pencernaan dari saluran pencernaan ke kelompok fungsional. Protein dicerna lebih cepat.

Selain itu, terkadang fungsi penghambatan protein menghilang setelah denaturasi. Jadi, beberapa protein telur secara negatif mempengaruhi proses pencernaan: avidin di usus mengikat biotin (vitamin H), yang terlibat dalam pengaturan sistem saraf dan aktivitas neuro-refleks; Ovomukoid menghambat aksi tripsin (enzim pankreas). Itulah sebabnya protein telur mentah tidak hanya dicerna dengan buruk, tetapi juga sebagian diserap dalam bentuk yang tidak tercerna, yang dapat menyebabkan alergi, mengurangi daya cerna komponen makanan lain, dan mengganggu penyerapan senyawa kalsium. Setelah denaturasi, protein ini kehilangan sifat antienzimatiknya.

Selama denaturasi, protein kehilangan cangkang hidrasinya, akibatnya banyak gugus fungsi dan ikatan peptida dari molekul protein muncul di permukaan dan protein menjadi lebih reaktif.

Sebagai akibat dari denaturasi termal protein, terjadi agregasi molekul protein. Karena kulit hidrasi di sekitar molekul protein rusak, molekul protein individu bergabung untuk membentuk partikel yang lebih besar dan tidak bisa lagi berada dalam larutan. Proses pelipatan protein dimulai, akibatnya ikatan molekul baru terbentuk.

Interaksi molekul protein terdenaturasi dalam larutan dan gel berlangsung secara berbeda. Dalam larutan protein yang terkonsentrasi lemah selama denaturasi termal, agregasi molekul protein terjadi melalui pembentukan ikatan antarmolekul, baik yang kuat, misalnya, disulfida, dan ikatan hidrogen yang lemah (tetapi banyak). Akibatnya, partikel besar terbentuk. Agregasi partikel lebih lanjut mengarah pada stratifikasi sistem koloid, pembentukan serpihan protein yang mengendap atau mengapung ke permukaan cairan, seringkali dengan pembentukan busa (misalnya, pengendapan serpihan laktalbumin yang terdenaturasi selama susu mendidih; pembentukan serpihan dan busa dari denaturasi protein pada permukaan daging dan kaldu ikan). Konsentrasi protein dalam larutan tersebut tidak melebihi 1%.

Dalam larutan protein yang lebih pekat, denaturasi protein membentuk gel kontinu yang menahan semua air yang terkandung dalam sistem koloid. Sebagai hasil dari agregasi molekul protein terdenaturasi, sistem protein terstruktur terbentuk. Denaturasi protein dalam larutan pekat dengan pembentukan gel kontinu terjadi selama perlakuan panas terhadap daging, ikan (protein sarkoplasma), telur ayam dan berbagai campuran berdasarkan mereka. Konsentrasi yang tepat dari protein di mana solusi mereka membentuk gel terus menerus sebagai akibat dari pemanasan tidak diketahui. Mengingat bahwa kemampuan protein untuk membentuk gel bergantung pada konfigurasi (asimetri) molekul dan sifat ikatan antarmolekul yang terbentuk dalam kasus ini, harus diasumsikan bahwa konsentrasi ini berbeda untuk protein yang berbeda.

Misalnya, untuk menyiapkan telur dadar, 38 ... 75% susu ditambahkan ke melange telur. Batas bawah mengacu pada omelet goreng, batas atas omelet kukus. Untuk persiapan telur dadar putih telur yang digunakan dalam nutrisi makanan, susu ditambahkan dalam jumlah 40%, terlepas dari metode perlakuan panas, karena konsentrasi protein dalam putih telur jauh lebih rendah daripada di kuning telur.

Beberapa protein, yang lebih atau kurang gel berair, mengalami denaturasi selama denaturasi, akibatnya mereka mengalami dehidrasi dengan pemisahan cairan ke lingkungan. Gel protein yang mengalami pemanasan, sebagai suatu peraturan, dicirikan oleh volume, massa, plastisitas yang lebih kecil, peningkatan kekuatan mekanik dan elastisitas yang lebih besar dibandingkan dengan gel asli dari protein asli. Perubahan serupa dalam protein diamati selama perlakuan panas daging, ikan (protein miofibril), sereal memasak, kacang-kacangan, pasta, dan produk adonan kue.

Gel dan jeli adalah sistem terstruktur non-cairan padat yang terbentuk sebagai akibat dari aksi gaya kohesif molekuler antara partikel koloid atau makromolekul polimer. Sel-sel kisi spasial gel dan jeli biasanya diisi dengan pelarut.

Dengan demikian, gel adalah sistem koloid atau larutan senyawa makromolekul (HMC) yang kehilangan fluiditasnya karena munculnya struktur internal tertentu di dalamnya dalam bentuk kerangka mesh spasial, yang sel-selnya diisi dengan media dispersi. Karena media pendispersi yang terkandung dalam sel kehilangan mobilitasnya, maka disebut tidak bergerak.

Gel sangat tersebar luas di alam: mengandung banyak bahan bangunan (beton, semen, suspensi tanah liat), tanah, beberapa mineral (batu akik, opal), berbagai produk makanan (tepung, adonan, roti, jeli, selai jeruk, jeli), agar-agar , karet, jaringan organisme hidup dan banyak bahan lain dari alam hidup dan mati.

Tergantung pada konsentrasi media dispersi, gel biasanya dibagi lagi menjadi liogel, koagel, dan xerogel (aerogel).

Gel kaya cairan yang mengandung sedikit bahan kering (hingga 1 ... 2%) disebut diogel. Diogel khas termasuk jeli, jeli (jeli), susu kental, larutan sabun, dll.

Endapan gelatin yang diperoleh selama koagulasi beberapa sol hidrofobik, serta endapan flokulan yang dibentuk dengan penggaraman larutan HMS, disebut koagel. Kandungan bahan kering dalam koagel mencapai 80%. Namun, serpihan yang sangat miskin cairan dan bubuk mikrokristalin yang terbentuk selama koagulasi koloid hidrofobik tipikal (hidrosol emas, perak, platinum, sulfida) tidak termasuk dalam koagel.

Gel yang miskin cairan atau benar-benar kering disebut xero-gel. Contoh xerogel adalah lembaran gelatin kering, lem kayu di ubin, kanji, karet. Xerogel kompleks mencakup banyak produk makanan (tepung, biskuit, biskuit). Xerogel yang sangat berpori juga disebut aerogel, karena udara berfungsi sebagai media dispersi di dalamnya. Aerogel mencakup banyak sorben (silika gel), katalis padat untuk reaksi kimia.

Tergantung pada sifat fase terdispersi dan kemampuannya untuk mengembang, biasanya dibedakan antara gel getas dan gel elastik. Gel elastis yang akan kita sebut jeli.

Pada penyakit keturunan fenilketonuria, tubuh kekurangan fenilalanin hidroksilase (EC 1.14.3.1). Akibatnya, katabolisme fenilalanin tidak masuk ke produk akhir melalui tirosin, tetapi memasuki jalur samping deaminasi dengan pembentukan asam fenilpiruvat. Akumulasi yang terakhir, bersama dengan fenilalanin, menyebabkan penyakit serius pada anak-anak, disertai dengan demensia. Dengan albinisme, ada cacat pada difenol oksidase (EC 1.10.3.1.), dengan alkaptonuria - homogentisinate oksidase (EC 17.1.5.), dengan xanthonuria - xanthine oksidase (EC

1.2.3.2.), dll.

1.5. Denaturasi protein

Sifat inheren protein yang terkait dengan fitur konformasi molekulnya berubah secara signifikan jika konformasi ini terganggu selama denaturasi protein.

Yang dimaksud dengan denaturasi adalah transformasi suatu protein yang aktif secara biologis, yang disebut protein asli3 menjadi suatu bentuk di mana sifat-sifat alaminya seperti kelarutan, aktivitas elektroforesis, aktivitas enzimatik, dll. dipertahankan. tersesat.

Denaturasi adalah ciri khas protein dan tidak diamati pada asam amino dan peptida dengan berat molekul rendah. Denaturasi, sebagai suatu peraturan, dikaitkan dengan pelanggaran struktur tersier dan sebagian sekunder dari molekul protein dan tidak disertai dengan perubahan apa pun pada struktur primer. Oleh karena itu, wajar bahwa selama denaturasi protein, terutama ikatan hidrogen dan jembatan disulfida dalam molekul protein dihancurkan.

Agen denaturasi dibagi menjadi fisik dan kimia. Faktor fisik termasuk pemanasan (lebih dari 50-60 ° C), tekanan tinggi, ultrasound, dll., Faktor kimia - ion H + dan OH - (biasanya pada pH di bawah 4 dan di atas 10 - denaturasi), pelarut organik (aseton , alkohol) , urea, garam logam berat, dll. Protein juga didenaturasi di bawah pengaruh deterjen (dari bahasa Latin Detergeo - hancurkan, hancurkan, bersihkan), yang memiliki efek seperti sabun, meskipun dalam banyak kasus protein yang didenaturasi tetap dalam bentuk larut membentuk. Dehidrasi, pengeringan protein pada suhu kamar biasanya memerlukan denaturasi lengkap. Semua ini menunjukkan berbagai macam agen denaturasi dan mekanisme kerjanya.

3 Konformasi asli suatu protein adalah struktur tiga dimensi yang khas dari suatu protein, di mana ia stabil dan menunjukkan aktivitas biologis dalam kondisi fisik tertentu (suhu, pH, dll.).

Struktur tersier protein adalah cara rantai polipeptida dilipat dalam tiga dimensi. Konformasi ini muncul karena pembentukan ikatan kimia antara radikal asam amino yang saling berjauhan. Proses ini dilakukan dengan partisipasi mekanisme molekuler sel dan memainkan peran besar dalam memberikan aktivitas fungsional protein.

Fitur struktur tersier

Jenis interaksi kimia berikut adalah karakteristik dari struktur tersier protein:

• ionik;
• hidrogen;
• hidrofobik;
• van der Waals;
• disulfida.

Semua ikatan ini (kecuali ikatan kovalen disulfida) sangat lemah, tetapi karena jumlah mereka menstabilkan bentuk spasial molekul.

Faktanya, tingkat ketiga pelipatan rantai polipeptida adalah kombinasi dari berbagai elemen struktur sekunder (-heliks; lapisan dan loop terlipat ), yang berorientasi dalam ruang karena interaksi kimia antara radikal asam amino samping. Untuk representasi skematis dari struktur tersier protein, -heliks ditunjukkan oleh silinder atau garis heliks, lapisan terlipat oleh panah, dan loop dengan garis sederhana.

Sifat konformasi tersier ditentukan oleh urutan asam amino dalam rantai, oleh karena itu, dalam kondisi yang sama, dua molekul dengan struktur primer yang sama akan sesuai dengan pengaturan spasial yang sama. Konformasi ini memastikan aktivitas fungsional protein dan disebut asli.

Dalam proses pelipatan molekul protein, komponen-komponen pusat aktif saling mendekat, yang dalam struktur primer dapat dihilangkan satu sama lain secara signifikan.

Untuk protein beruntai tunggal, struktur tersier adalah bentuk fungsional akhir. Protein multi-subunit kompleks membentuk struktur kuartener yang mencirikan susunan beberapa rantai dalam hubungannya satu sama lain.

Karakterisasi ikatan kimia dalam struktur tersier protein

Sebagian besar, pelipatan rantai polipeptida disebabkan oleh rasio radikal hidrofilik dan hidrofobik. Yang pertama cenderung berinteraksi dengan hidrogen (elemen penyusun air) dan karena itu berada di permukaan, sedangkan daerah hidrofobik, sebaliknya, bergegas ke pusat molekul. Konformasi ini secara energetik adalah yang paling menguntungkan. Akibatnya, bola dengan inti hidrofobik terbentuk.

Radikal hidrofilik, yang bagaimanapun jatuh ke pusat molekul, berinteraksi satu sama lain untuk membentuk ikatan ionik atau hidrogen. Ikatan ion dapat terjadi antara radikal asam amino yang bermuatan berlawanan, yaitu:

• kelompok kationik arginin, lisin atau histidin (memiliki muatan positif);
• gugus karboksil dari radikal glutamat dan asam aspartat (bermuatan negatif).

Ikatan hidrogen terbentuk oleh interaksi gugus hidrofilik yang tidak bermuatan (OH, SH, CONH 2) dan bermuatan. Ikatan kovalen (yang terkuat dalam konformasi tersier) muncul antara gugus SH dari residu sistein, membentuk apa yang disebut jembatan disulfida. Biasanya, kelompok-kelompok ini dipisahkan dalam rantai linier dan saling mendekati hanya selama proses penumpukan. Ikatan disulfida bukanlah karakteristik sebagian besar protein intraseluler.

labilitas konformasi

Karena ikatan yang membentuk struktur tersier protein sangat lemah, pergerakan Brown dari atom dalam rantai asam amino dapat menyebabkannya putus dan terbentuk di tempat baru. Ini mengarah pada sedikit perubahan dalam bentuk spasial dari bagian individu molekul, tetapi tidak melanggar konformasi asli protein. Fenomena ini disebut labilitas konformasi. Yang terakhir memainkan peran besar dalam fisiologi proses seluler.

Konformasi protein dipengaruhi oleh interaksinya dengan molekul lain atau perubahan parameter fisikokimia lingkungan.

Bagaimana struktur tersier protein terbentuk?

Proses melipat protein menjadi bentuk aslinya disebut folding. Fenomena ini didasarkan pada keinginan molekul untuk mengadopsi konformasi dengan nilai energi bebas minimum.

Tidak ada protein yang membutuhkan instruktur perantara yang akan menentukan struktur tersier. Skema susun awalnya "direkam" dalam urutan asam amino.

Namun, dalam kondisi normal, agar molekul protein besar mengadopsi konformasi asli yang sesuai dengan struktur primer, dibutuhkan lebih dari satu triliun tahun. Namun demikian, dalam sel hidup, proses ini hanya berlangsung beberapa puluh menit. Pengurangan waktu yang begitu signifikan disediakan oleh partisipasi dalam pelipatan protein tambahan khusus - lipatan dan pendamping.

Pelipatan molekul protein kecil (hingga 100 asam amino dalam satu rantai) terjadi cukup cepat dan tanpa partisipasi perantara, yang ditunjukkan oleh eksperimen in vitro.

Faktor lipat

Protein aksesori yang terlibat dalam pelipatan dibagi menjadi dua kelompok:

• lipatan - memiliki aktivitas katalitik, diperlukan dalam jumlah yang jauh lebih rendah daripada konsentrasi substrat (seperti enzim lain);
• pendamping adalah protein dengan berbagai mekanisme aksi; mereka dibutuhkan pada konsentrasi yang sebanding dengan jumlah substrat yang terlipat.

Kedua jenis faktor tersebut terlibat dalam pelipatan, tetapi bukan merupakan bagian dari produk akhir.

Kelompok foldase diwakili oleh 2 enzim:

• Protein disulfide isomerase (PDI) - mengontrol pembentukan ikatan disulfida yang benar dalam protein dengan sejumlah besar residu sistein. Fungsi ini sangat penting, karena interaksi kovalen sangat kuat, dan dalam hal koneksi yang salah, protein tidak akan dapat mengatur ulang dirinya sendiri dan mengadopsi konformasi asli.
• Peptidyl-prolyl-cis-trans-isomerase - memberikan perubahan konfigurasi radikal yang terletak di sisi prolin, yang mengubah sifat tikungan rantai polipeptida di area ini.

Dengan demikian, lipatan memainkan peran korektif dalam pembentukan konformasi tersier dari molekul protein.

pendamping

Chaperone sebaliknya disebut atau stres. Ini disebabkan oleh peningkatan yang signifikan dalam sekresi mereka dengan efek negatif pada sel (suhu, radiasi, logam berat, dll.).

Chaperones milik tiga keluarga protein: hsp60, hsp70 dan hsp90. Protein ini melakukan banyak fungsi, termasuk:

• perlindungan protein dari denaturasi;
• pengecualian interaksi protein yang baru disintesis satu sama lain;
• pencegahan pembentukan ikatan lemah yang salah antara radikal dan labialisasinya (koreksi).

Dengan demikian, pendamping berkontribusi pada perolehan cepat konformasi yang benar secara energetik, menghilangkan penghitungan acak banyak varian dan melindungi molekul protein yang masih belum matang dari interaksi yang tidak perlu satu sama lain. Selain itu, pendamping menyediakan:

• beberapa jenis transportasi protein;
• kontrol pelipatan ulang (pemulihan struktur tersier setelah kehilangannya);
• mempertahankan keadaan lipatan yang belum selesai (untuk beberapa protein).

Dalam kasus terakhir, molekul pendamping tetap terikat pada protein setelah proses pelipatan selesai.

Denaturasi

Pelanggaran struktur tersier protein di bawah pengaruh faktor apa pun disebut denaturasi. Hilangnya konformasi asli terjadi ketika sejumlah besar ikatan lemah yang menstabilkan molekul terputus. Dalam hal ini, protein kehilangan fungsi spesifiknya, tetapi mempertahankan struktur utamanya (ikatan peptida tidak rusak selama denaturasi).

Selama denaturasi, terjadi peningkatan spasial dalam molekul protein, dan daerah hidrofobik kembali muncul ke permukaan. Rantai polipeptida memperoleh konformasi kumparan acak, yang bentuknya tergantung pada ikatan struktur tersier protein mana yang telah diputus. Dalam bentuk ini, molekul lebih rentan terhadap efek enzim proteolitik.

Faktor-faktor yang melanggar struktur tersier

Ada sejumlah pengaruh fisik dan kimia yang dapat menyebabkan denaturasi. Ini termasuk:

• suhu di atas 50 derajat;
• radiasi;
• perubahan pH medium;
• garam logam berat;
• beberapa senyawa organik;
• deterjen.

Setelah penghentian efek denaturasi, protein dapat mengembalikan struktur tersier. Proses ini disebut renaturasi atau refolding. Dalam kondisi in vitro, ini hanya mungkin untuk protein kecil. Dalam sel hidup, refolding disediakan oleh pendamping.

tupai- senyawa organik bermolekul tinggi, terdiri dari residu asam -amino.

PADA komposisi protein termasuk karbon, hidrogen, nitrogen, oksigen, belerang. Beberapa protein membentuk kompleks dengan molekul lain yang mengandung fosfor, besi, seng dan tembaga.

Protein memiliki berat molekul besar: albumin telur - 36.000, hemoglobin - 152.000, miosin - 500.000 Sebagai perbandingan: berat molekul alkohol adalah 46, asam asetat - 60, benzena - 78.

Komposisi asam amino protein

tupai- polimer non-periodik, monomernya adalah -asam amino. Biasanya, 20 jenis asam -amino disebut monomer protein, meskipun lebih dari 170 di antaranya telah ditemukan di sel dan jaringan.

Tergantung pada apakah asam amino dapat disintesis dalam tubuh manusia dan hewan lain, ada: asam amino non esensial- dapat disintesis asam amino esensial- tidak dapat disintesis. Asam amino esensial harus dicerna dengan makanan. Tumbuhan mensintesis semua jenis asam amino.

Tergantung pada komposisi asam amino, protein adalah: lengkap- mengandung seluruh rangkaian asam amino; cacat- beberapa asam amino tidak ada dalam komposisinya. Jika protein hanya terdiri dari asam amino, mereka disebut sederhana. Jika protein mengandung, selain asam amino, juga komponen non-asam amino (gugus prostetik), mereka disebut kompleks. Gugus prostetik dapat diwakili oleh logam (metalloprotein), karbohidrat (glikoprotein), lipid (lipoprotein), asam nukleat (nukleoprotein).

Semua asam amino mengandung: 1) gugus karboksil (-COOH), 2) gugus amino (-NH 2), 3) radikal atau gugus R (sisa molekul). Struktur radikal pada berbagai jenis asam amino berbeda. Tergantung pada jumlah gugus amino dan gugus karboksil yang membentuk asam amino, ada: asam amino netral memiliki satu gugus karboksil dan satu gugus amino; asam amino dasar memiliki lebih dari satu gugus amino; asam amino asam memiliki lebih dari satu gugus karboksil.

Asam amino adalah senyawa amfoter, karena dalam larutan mereka dapat bertindak sebagai asam dan basa. Dalam larutan berair, asam amino ada dalam bentuk ion yang berbeda.

Ikatan peptida

Peptida- zat organik yang terdiri dari residu asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida.

Pembentukan peptida terjadi sebagai akibat dari reaksi kondensasi asam amino. Ketika gugus amino dari satu asam amino berinteraksi dengan gugus karboksil lain, ikatan nitrogen-karbon kovalen muncul di antara mereka, yang disebut peptida. Tergantung pada jumlah residu asam amino yang membentuk peptida, ada: dipeptida, tripeptida, tetrapeptida dll. Pembentukan ikatan peptida dapat diulang berkali-kali. Ini mengarah pada pembentukan polipeptida. Di salah satu ujung peptida terdapat gugus amino bebas (disebut N-terminus), dan di ujung lain ada gugus karboksil bebas (disebut C-terminus).

Organisasi spasial molekul protein

Kinerja fungsi spesifik tertentu oleh protein tergantung pada konfigurasi spasial molekulnya, di samping itu, sel secara energetik tidak menguntungkan untuk menyimpan protein dalam bentuk yang diperluas, dalam bentuk rantai, oleh karena itu, rantai polipeptida mengalami pelipatan, memperoleh struktur tiga dimensi tertentu, atau konformasi. Alokasikan 4 level organisasi spasial protein.

Struktur primer protein- urutan residu asam amino dalam rantai polipeptida yang membentuk molekul protein. Ikatan antara asam amino adalah peptida.

Jika sebuah molekul protein hanya terdiri dari 10 residu asam amino, maka jumlah kemungkinan varian molekul protein yang berbeda dalam urutan pergantian asam amino adalah 10 20 . Dengan 20 asam amino, Anda dapat membuat kombinasi yang lebih beragam. Sekitar sepuluh ribu protein berbeda telah ditemukan dalam tubuh manusia, yang berbeda satu sama lain dan dari protein organisme lain.

Ini adalah struktur utama dari molekul protein yang menentukan sifat-sifat molekul protein dan konfigurasi spasialnya. Penggantian hanya satu asam amino untuk yang lain dalam rantai polipeptida menyebabkan perubahan sifat dan fungsi protein. Misalnya, penggantian asam amino glutamin keenam dalam subunit hemoglobin dengan valin mengarah pada fakta bahwa molekul hemoglobin secara keseluruhan tidak dapat melakukan fungsi utamanya - transportasi oksigen; dalam kasus seperti itu, seseorang mengembangkan penyakit - anemia sel sabit.

struktur sekunder- pelipatan rantai polipeptida menjadi spiral (terlihat seperti pegas yang diregangkan). Kumparan heliks diperkuat oleh ikatan hidrogen antara gugus karboksil dan gugus amino. Hampir semua gugus CO dan NH mengambil bagian dalam pembentukan ikatan hidrogen. Mereka lebih lemah dari yang peptida, tetapi, berulang kali, mereka memberikan stabilitas dan kekakuan pada konfigurasi ini. Pada tingkat struktur sekunder, ada protein: fibroin (sutra, jaring), keratin (rambut, kuku), kolagen (tendon).

Struktur tersier- pengepakan rantai polipeptida menjadi globul, akibat terjadinya ikatan kimia (hidrogen, ionik, disulfida) dan pembentukan interaksi hidrofobik antara radikal residu asam amino. Peran utama dalam pembentukan struktur tersier dimainkan oleh interaksi hidrofilik-hidrofobik. Dalam larutan berair, radikal hidrofobik cenderung bersembunyi dari air, mengelompok di dalam globul, sedangkan radikal hidrofilik cenderung muncul di permukaan molekul sebagai akibat hidrasi (interaksi dengan dipol air). Pada beberapa protein, struktur tersier distabilkan oleh ikatan kovalen disulfida yang terbentuk antara atom sulfur dari dua residu sistein. Pada tingkat struktur tersier, ada enzim, antibodi, beberapa hormon.

Struktur Kuarter karakteristik protein kompleks, yang molekulnya dibentuk oleh dua atau lebih globul. Subunit diadakan dalam molekul oleh interaksi ionik, hidrofobik, dan elektrostatik. Kadang-kadang, selama pembentukan struktur kuaterner, ikatan disulfida terjadi antara subunit. Protein yang paling banyak dipelajari dengan struktur kuartener adalah hemoglobin. Ini dibentuk oleh dua subunit (141 residu asam amino) dan dua subunit (146 residu asam amino). Setiap subunit terkait dengan molekul heme yang mengandung besi.

Jika karena alasan tertentu konformasi spasial protein menyimpang dari normal, protein tidak dapat menjalankan fungsinya. Misalnya, penyebab "penyakit sapi gila" (ensefalopati spongiformis) adalah konformasi abnormal prion, protein permukaan sel saraf.

Sifat protein

Komposisi asam amino, struktur molekul protein menentukan properti. Protein menggabungkan sifat dasar dan asam yang ditentukan oleh radikal asam amino: semakin asam amino dalam protein, semakin jelas sifat asamnya. Kemampuan memberi dan melampirkan H + menentukan sifat penyangga protein; salah satu buffer paling kuat adalah hemoglobin dalam eritrosit, yang menjaga pH darah pada tingkat yang konstan. Ada protein larut (fibrinogen), ada protein tidak larut yang melakukan fungsi mekanis (fibroin, keratin, kolagen). Ada protein yang aktif secara kimiawi (enzim), ada yang tidak aktif secara kimiawi, tahan terhadap berbagai kondisi lingkungan dan sangat tidak stabil.

Faktor eksternal (panas, radiasi ultraviolet, logam berat dan garamnya, perubahan pH, radiasi, dehidrasi)

dapat menyebabkan pelanggaran organisasi struktural molekul protein. Proses hilangnya konformasi tiga dimensi yang melekat pada molekul protein tertentu disebut denaturasi. Penyebab denaturasi adalah putusnya ikatan yang menstabilkan struktur protein tertentu. Awalnya, ikatan yang paling lemah terputus, dan ketika kondisinya menjadi lebih sulit, ikatan yang lebih kuat pun terjadi. Oleh karena itu, pertama kuartener, kemudian struktur tersier dan sekunder hilang. Perubahan konfigurasi spasial menyebabkan perubahan sifat protein dan, akibatnya, membuat protein tidak mungkin melakukan fungsi biologisnya. Jika denaturasi tidak disertai dengan penghancuran struktur primer, maka dapat terjadi reversibel, dalam hal ini, penyembuhan diri dari karakteristik konformasi protein terjadi. Denaturasi tersebut dikenakan, misalnya, protein reseptor membran. Proses pemulihan struktur protein setelah denaturasi disebut renaturasi. Jika pemulihan konfigurasi spasial protein tidak mungkin, maka denaturasi disebut ireversibel.

Fungsi protein

Fungsi	Contoh dan penjelasannya
Konstruksi	Protein terlibat dalam pembentukan struktur seluler dan ekstraseluler: mereka adalah bagian dari membran sel (lipoprotein, glikoprotein), rambut (keratin), tendon (kolagen), dll.
Mengangkut	Protein darah hemoglobin mengikat oksigen dan mengangkutnya dari paru-paru ke semua jaringan dan organ, dan dari mereka mentransfer karbon dioksida ke paru-paru; Komposisi membran sel termasuk protein khusus yang menyediakan transfer aktif dan selektif zat dan ion tertentu dari sel ke lingkungan eksternal dan sebaliknya.
Peraturan	Hormon protein terlibat dalam pengaturan proses metabolisme. Misalnya, hormon insulin mengatur kadar glukosa darah, meningkatkan sintesis glikogen, dan meningkatkan pembentukan lemak dari karbohidrat.
pelindung	Menanggapi penetrasi protein atau mikroorganisme asing (antigen) ke dalam tubuh, protein khusus terbentuk - antibodi yang dapat mengikat dan menetralisirnya. Fibrin, terbentuk dari fibrinogen, membantu menghentikan pendarahan.
Motor	Protein kontraktil aktin dan miosin memberikan kontraksi otot pada hewan multiseluler.
Sinyal	Molekul protein tertanam di membran permukaan sel, mampu mengubah struktur tersiernya sebagai respons terhadap aksi faktor lingkungan, sehingga menerima sinyal dari lingkungan eksternal dan mengirimkan perintah ke sel.
Menyimpan	Dalam tubuh hewan, protein, sebagai suatu peraturan, tidak disimpan, kecuali albumin telur, kasein susu. Namun berkat protein dalam tubuh, beberapa zat dapat disimpan sebagai cadangan, misalnya, selama pemecahan hemoglobin, zat besi tidak dikeluarkan dari tubuh, tetapi disimpan, membentuk kompleks dengan protein feritin.
Energi	Dengan pemecahan 1 g protein menjadi produk akhir, 17,6 kJ dilepaskan. Pertama, protein dipecah menjadi asam amino, dan kemudian menjadi produk akhir - air, karbon dioksida, dan amonia. Namun, protein digunakan sebagai sumber energi hanya ketika sumber lain (karbohidrat dan lemak) digunakan.
katalis	Salah satu fungsi terpenting dari protein. Dilengkapi dengan protein – enzim yang mempercepat reaksi biokimia yang terjadi di dalam sel. Misalnya, ribulosa bifosfat karboksilase mengkatalisis fiksasi CO2 selama fotosintesis.

Enzim

Enzim, atau enzim, adalah kelas khusus protein yang merupakan katalis biologis. Berkat enzim, reaksi biokimia berlangsung dengan kecepatan yang luar biasa. Laju reaksi enzimatik adalah puluhan ribu kali (dan kadang-kadang jutaan) lebih tinggi daripada laju reaksi yang melibatkan katalis anorganik. Zat tempat enzim bekerja disebut substrat.

Enzim adalah protein globular fitur struktural Enzim dapat dibagi menjadi dua kelompok: sederhana dan kompleks. enzim sederhana adalah protein sederhana, yaitu hanya terdiri dari asam amino. Enzim kompleks adalah protein kompleks, yaitu selain bagian protein, mereka termasuk kelompok yang bersifat non-protein - kofaktor. Untuk beberapa enzim, vitamin bertindak sebagai kofaktor. Dalam molekul enzim, bagian khusus diisolasi, yang disebut pusat aktif. pusat aktif- bagian kecil enzim (dari tiga hingga dua belas residu asam amino), di mana pengikatan substrat atau substrat terjadi dengan pembentukan kompleks enzim-substrat. Setelah reaksi selesai, kompleks enzim-substrat terurai menjadi enzim dan produk reaksi. Beberapa enzim memiliki (selain aktif) pusat alosterik- situs tempat pengatur laju kerja enzim terpasang ( enzim alosterik).

Reaksi katalisis enzimatik dicirikan oleh: 1) efisiensi tinggi, 2) selektivitas dan arah kerja yang ketat, 3) spesifisitas substrat, 4) regulasi yang baik dan tepat. Kekhususan substrat dan reaksi dari reaksi katalisis enzimatik dijelaskan oleh hipotesis E. Fischer (1890) dan D. Koshland (1959).

E. Fisher (hipotesis kunci-kunci) menyarankan bahwa konfigurasi spasial situs aktif enzim dan substrat harus sesuai satu sama lain. Substrat dibandingkan dengan "kunci", enzim - dengan "kunci".

D. Koshland (hipotesis "sarung tangan") menyarankan bahwa korespondensi spasial antara struktur substrat dan pusat aktif enzim dibuat hanya pada saat interaksi mereka satu sama lain. Hipotesis ini disebut juga hipotesis kecocokan yang diinduksi.

Laju reaksi enzimatik tergantung pada: 1) suhu, 2) konsentrasi enzim, 3) konsentrasi substrat, 4) pH. Harus ditekankan bahwa karena enzim adalah protein, aktivitasnya paling tinggi dalam kondisi fisiologis normal.

Sebagian besar enzim hanya dapat bekerja pada suhu antara 0 dan 40 °C. Dalam batas-batas ini, laju reaksi meningkat sekitar 2 kali lipat untuk setiap kenaikan suhu 10 °C. Pada suhu di atas 40 °C, protein mengalami denaturasi dan aktivitas enzim menurun. Pada suhu mendekati titik beku, enzim menjadi tidak aktif.

Dengan bertambahnya jumlah substrat, laju reaksi enzimatik meningkat hingga jumlah molekul substrat menjadi sama dengan jumlah molekul enzim. Dengan peningkatan lebih lanjut dalam jumlah substrat, laju tidak akan meningkat, karena situs aktif enzim menjadi jenuh. Peningkatan konsentrasi enzim menyebabkan peningkatan aktivitas katalitik, karena sejumlah besar molekul substrat mengalami transformasi per satuan waktu.

Untuk setiap enzim, ada nilai pH optimal di mana ia menunjukkan aktivitas maksimum (pepsin - 2.0, amilase saliva - 6.8, lipase pankreas - 9.0). Pada nilai pH yang lebih tinggi atau lebih rendah, aktivitas enzim menurun. Dengan perubahan pH yang tajam, enzim mengalami denaturasi.

Kecepatan enzim alosterik diatur oleh zat yang menempel pada pusat alosterik. Jika zat-zat ini mempercepat reaksi, mereka disebut aktivator jika mereka melambat - penghambat.

Klasifikasi enzim

Menurut jenis transformasi kimia yang dikatalisis, enzim dibagi menjadi 6 kelas:

1. oksidoreduktase(transfer atom hidrogen, oksigen atau elektron dari satu zat ke zat lain - dehidrogenase),
2. transferase(transfer gugus metil, asil, fosfat atau amino dari satu zat ke zat lain - transaminase),
3. hidrolase(reaksi hidrolisis di mana dua produk terbentuk dari substrat - amilase, lipase),
4. liase(penambahan non-hidrolitik ke substrat atau penghapusan sekelompok atom darinya, sedangkan ikatan C-C, C-N, C-O, C-S dapat diputus - dekarboksilase),
5. isomerase(penataan ulang intramolekul - isomerase),
6. ligase(hubungan dua molekul sebagai hasil dari pembentukan ikatan C-C, C-N, C-O, C-S - sintetase).

Kelas pada gilirannya dibagi lagi menjadi subclass dan subsubclass. Dalam klasifikasi internasional saat ini, setiap enzim memiliki kode spesifik, terdiri dari empat angka yang dipisahkan oleh titik. Angka pertama adalah kelas, yang kedua adalah subclass, yang ketiga adalah subclass, yang keempat adalah nomor urut enzim dalam subclass ini, misalnya kode arginase adalah 3.5.3.1.

Pergi ke kuliah nomor 2"Struktur dan Fungsi Karbohidrat dan Lipid"

Pergi ke kuliah 4"Struktur dan fungsi asam nukleat ATP"

1. Apa nama proses pelanggaran struktur alami protein, di mana struktur utamanya dipertahankan? Tindakan faktor apa yang dapat menyebabkan pelanggaran struktur molekul protein?

Proses pelanggaran struktur alami protein di bawah pengaruh faktor apa pun tanpa merusak struktur primer disebut denaturasi. Denaturasi terjadi karena pemutusan ikatan hidrogen, ion, disulfida dan lainnya. Dalam hal ini, struktur kuartener, tersier, dan bahkan sekundernya dapat hilang.

2. Bagaimana protein fibrilar berbeda dari yang globular? Berikan contoh protein fibrilar dan globular!

Protein ini berbeda dalam bentuk molekul. Molekul protein globular memiliki bentuk bulat, protein fibrilar dicirikan oleh bentuk molekul yang memanjang dan berserabut. Jadi, protein globular adalah globulin dan albumin darah, fibrinogen, hemoglobin. Protein fibrilar - keratin, kolagen, miosin, elastin, dll.

3. Sebutkan fungsi biologis utama protein, berikan contoh yang relevan.

fungsi struktural. Protein adalah bagian dari semua sel dan jaringan organisme hidup. Elemen sitoskeleton, elemen kontraktil serat otot dibangun dari protein. Tulang rawan dan tendon sebagian besar terdiri dari protein. Mereka mengandung protein kolagen. Komponen struktural terpenting dari bulu, rambut, kuku, cakar, tanduk, kuku pada hewan adalah protein keratin.

Fungsi enzimatik (katalitik). Enzim adalah katalis biologis, yaitu zat yang mempercepat aliran reaksi kimia dalam organisme hidup. Enzim terlibat dalam sintesis dan pemecahan berbagai zat. Mereka menyediakan fiksasi karbon selama fotosintesis, pemecahan nutrisi dalam saluran pencernaan, dll.

fungsi transportasi. Banyak protein yang mampu mengikat dan membawa berbagai zat. Hemoglobin mengikat dan mengangkut oksigen dan karbon dioksida.

Fungsi kontraktil (motorik). Protein kontraktil memberikan kemampuan sel, jaringan, organ dan seluruh organisme untuk berubah bentuk dan bergerak. Jadi, aktin dan miosin memberikan kerja otot dan kontraksi intraseluler non-otot.

fungsi regulasi. Beberapa peptida dan protein adalah hormon. Mereka mempengaruhi berbagai proses fisiologis. Misalnya, insulin dan glukagon mengatur glukosa darah, dan somatotropin (hormon pertumbuhan) mengatur pertumbuhan dan perkembangan fisik.

Fungsi sinyal. Beberapa protein membran sel dapat mengubah strukturnya sebagai respons terhadap faktor eksternal. Dengan bantuan protein ini, sinyal dari lingkungan eksternal diterima dan informasi ditransmisikan ke sel.

fungsi pelindung. Protein melindungi tubuh dari invasi organisme asing dan dari kerusakan.

fungsi beracun. Banyak organisme hidup mengeluarkan protein-toksin, yang merupakan racun bagi organisme lain. Racun disintesis dalam tubuh sejumlah hewan, jamur, tumbuhan, mikroorganisme.

Fungsi energi. Setelah dipecah menjadi asam amino, protein dapat berfungsi sebagai sumber energi di dalam sel. Dengan oksidasi lengkap 1 g protein, 17,6 kJ energi dilepaskan.

fungsi penyimpanan. Protein cadangan disimpan dalam benih tanaman, yang digunakan selama perkecambahan oleh embrio, dan kemudian oleh benih sebagai sumber nitrogen.

4. Apa itu enzim? Mengapa sebagian besar proses biokimia dalam sel tidak mungkin terjadi tanpa partisipasi mereka?

Enzim adalah katalis biologis, yaitu zat yang mempercepat aliran reaksi kimia dalam organisme hidup. Tidak seperti katalis kimia konvensional, enzim bersifat spesifik, yaitu setiap enzim hanya mempercepat satu reaksi tertentu atau hanya bekerja pada jenis ikatan tertentu.

5. Apa kekhususan enzim? Apa alasannya? Mengapa enzim hanya berfungsi aktif pada kisaran suhu, pH, dan faktor lain tertentu?

Enzim mempercepat reaksi kimia karena interaksi yang erat dengan molekul substrat - reaktan awal. Tidak seluruh molekul enzim berinteraksi dengan substrat, tetapi hanya sebagian kecil darinya - pusat aktif. Paling sering dibentuk oleh beberapa residu asam amino. Bentuk dan struktur kimia pusat aktif sedemikian rupa sehingga hanya substrat tertentu yang dapat mengikatnya karena korespondensi struktur spasialnya. Enzim adalah protein, oleh karena itu, mereka secara aktif bekerja hanya dalam kisaran pH, suhu, dan faktor lain tertentu.

6. Mengapa protein, sebagai suatu peraturan, digunakan sebagai sumber energi hanya dalam kasus-kasus ekstrim, ketika karbohidrat dan lemak habis di dalam sel?

Protein digunakan sebagai upaya terakhir, karena mereka adalah bagian dari semua sel dan jaringan organisme hidup. Elemen sitoskeleton, elemen kontraktil serat otot dibangun dari protein.

7. Pada banyak bakteri, asam para-aminobenzoat (PABA) terlibat dalam proses sintesis zat yang diperlukan untuk pertumbuhan dan reproduksi normal. Pada saat yang sama, sulfonamida, zat yang strukturnya mirip dengan PABA, digunakan dalam pengobatan untuk mengobati sejumlah infeksi bakteri. Menurut Anda, berdasarkan apa efek terapeutik sulfonamid?

PABA diperlukan untuk pembentukan faktor pertumbuhan dalam sel mikroba - asam folat dan basa purin yang terlibat dalam pembangunan asam nukleat, yang tanpanya pertumbuhan dan reproduksi mikroba tidak mungkin dilakukan. Menurut struktur PABA, ia menyerupai sulfonamida, oleh karena itu, dengan kelebihan yang terakhir, aktivitasnya ditekan. Mikroba yang kehilangan PABA berhenti membelah dan tumbuh, dan kemudian mereka dicapai oleh kekuatan pelindung dari makroorganisme.