PROTEINE-REFERAT-

Biochimia este definită ca fiind ştiinţa ce se ocupă cu studiul structurii chimice a

organismelor vii, totalitatea reacţiilor şi transformărilor care au loc în celula vie, reglarea acestora şi

interdependenţa permanentă cu mediul înconjurător.

Proteinele sunt substanţe macromoleculare prezente în celulele tuturor organismelor vii unde

reprezintă peste 50% din masa uscată a acestora. Proteinele îndeplinesc în organismele vii mai multe

funcţii biochimice absolut indispensabile tuturor proceselor metabolice şi fiziologice.

a) Rolul plastic este jucat de proteinele structurale ce reprezintă constituenţi principali ai

membranei celulare, citoplasmei, organitelor subcelulare, umorilor şi fluidelor tuturor organismelor

vii.

b) Rolul energetic este asigurat prin faptul că în urma degradării lor catabolice se eliberează o

mare cantitate de energie ce se înmagazinează în legăturile macroergice ale moleculelor de ATP,

energie ce va fi utilizată în diferite procese vitale (efort fizic şi intelectual, procese de biosinteză etc.).

c) Rolul reglator este îndeplinit de o serie de hormoni cu structură polipeptidică (hormonii

reglatori ai hipotalamusului, ai hipofizei, hormonii pancreasului, hormonii paratiroidieni, ai timusului

şi cei gastrointestinali).

d) Rolul de apărare este îndeplinit de proteinele specifice din clasa imunoglobulinelor

(anticorpi) care prezintă proprietăţi speciale de a interacţiona cu proteinele străine (antigene) în

procesul complex de apărare a organismului faţă de agenţii patogeni din mediul extern.

e) Rolul de transport al proteinelor se referă atât la transportul activ prin membranele

biologice care se efectuează cu consum energetic, contra gradientului de concentraţie al metabolitului

transportat, cât şi la transportul specific al unor metaboliţi sau elemente absolut necesare vieţii. În

acest din urmă caz, un exemplu concludent îl reprezintă hemoglobina al cărui rol biologic constă în

transportul oxigenului de la plămâni la nivelul tuturor organelor şi ţesuturilor şi a dioxidului de

carbon pe calea inversă.

f) Rol în contracţia musculară. Procesul contracţiei musculare, care stă la baza efortului

fizic, este un proces fiziologic şi biochimic complex realizat prin consum energetic (când se

utilizează energia înmagazinată în legăturile macroergice ale moleculelor de ATP) de către o serie de

proteine specifice – actina şi miozina – ce formează un complex proteic cuaternar cunoscut sub

numele de complexul acto-miozinic.

g) Rolul catalitic este îndeplinit de către enzime care sunt, fără excepţie, substanţe proteice.

În afara funcţiilor enumerate mai sus, proteinele reprezintă instrumentul molecular al expresiei

informaţiei genetice conţinute în acidul deoxiribonucleic din cromozomi. De aceea, proteinele sunt

componente structurale şi funcţionale intim legate de procesele vieţii, procese ce nu pot şi concepute

în lipsa substanţelor proteice.

Clasificarea proteinelor

În funcţie de structura loc chimică, de rolul pe care îl îndeplinesc în organismele vii şi de

proprietăţile lor fizico-chimice, proteinele pot fi clasificate în mai multe moduri.

Delimitarea netă între proteine şi polipeptide este foarte dificilă deoarece există proteine

alcătuite numai din catene polipeptidice (aşa-numitele proteine simple sau holoproteine). Majoritatea

autorilor delimitează aceste două clase de biomolecule după masa lor moleculară considerând că

polipeptidele au o masă moleculară de până la 10.000 Da, iar proteinele au masa moleculară

superioară acestei valori. În funcţie de forma moleculelor, proteinele sunt de două tipuri:

– proteine fibrilare care au molecula filiformă şi sunt, în general, insolubile în apă. Din

această grupă fac parte de exemplu fibroina, keratinele, colagenul etc.

– proteine globulare a căror moleculă are formă sferică sau elipsoidală şi sunt uşor solubile în

apă. Din clasa proteinelor globulare fac parte toate enzimele, globulinele serice şi alte.

În funcţie de rolul biologic principal pe care îl îndeplinesc, proteinele se împarte în 6 clase

astfel:

– Proteine structurale. Acestea sunt reprezentate de proteinele ce joacă rol plastic, adică acele

proteine ce intră în structura membranelor biologice, a ţesuturilor şi organelor. Proteinele structurale

cele mai bine studiate sunt: colagenul întâlnit în ţesutul conjunctiv din cartilaje, tendoane, piele, oase

etc., elastina ce intră în structura ţesutului conjunctiv elastic din ligamente, fibroina din mătasea

produsă de Bombix mori, sclerotina întâlnită în exoscheletul insectelor, keratina ce se găseşte în

cantităţi mari în dermă, păr, pene etc., proteinele membranare ce intră în structura tuturor

membranelor biologice şi altele.

– Proteinele de rezervă au rolul principal de a constitui principala rezervă de aminoacizi a

organismelor vii. Din această grupă fac parte cazeina care este componenta proteică majoră a

laptelui, gliadina din cariopsele cerealelor, zeina ce reprezintă principala proteină de rezervă din

boabele de porumb, ovalbumina şi lactalbumina din ouă şi respectiv din lapte, feritina care

facilitează acumularea ionilor de fier în splină şi altele.

– Proteinele contractile au un rol important pentru mişcarea organismelor vii fiind implicate

în contracţia muşchilor, cililor, flagelilor etc. Cele mai bine studiate proteine contractile sunt actina

şi miozina implicate în contracţia miofibrilelor şi dineina care asigură mişcarea cililor şi flagelilor la

nevertebrate.

– Proteinele de transport sunt proteine cu o structură deseori complexă ce îndeplinesc un

important rol în transportul diferiţilor metaboliţi în organism. Cele mai bine studiate proteine de

transport sunt hemoglobina care asigură transportul oxigenului şi dioxidului de carbon, mioglobina

cu rol în transportul oxigenului la nivel muscular, albuminele serice care realizează transportul

acizilor graşi în circulaţia sanguină, -lipoproteinele serice care asigură transportul lipidelor în

sânge etc. Tot din această categorie fac parte şi transportorii membranari care realizează

transportul activ, contra gradientului de concentraţie, al diferiţilor metaboliţi prin membranele

biologice.

– Proteinele cu rol catalitic şi hormonal reprezintă o grupă extrem de importantă de proteine

funcţionale. Din această grupă fac parte enzimele (care sunt toate, fără nici o excepţie, proteine),

precum şi unii hormoni (hormonii reglatori ai hipotalamusului, hormonii hipofizei, cei pancreatici,

hormonii paratiroidieni, hormonii timusului etc.).

– Proteine cu rol de protecţie. Acestea sunt proteine implicate în diferite procese fiziologice

de protecţie şi apărare a organismului faţă de anumiţi factori externi. Cele mai bine studiate sunt

trombina (o proteină ce participă la procesul coagulării sanguine), fibrinogenul (care este

precursorul fibrinei, proteină implicată, de asemenea, în procesul coagulării sanguine),

imunoglobulinele sau anticorpii (proteine capabile să formeze complecşi anticorp – antigen cu

proteinele străine organismului respectiv şi altele.

În funcţie de structura lor chimică, proteinele se împart în două mari grupe: proteine simple şi

proteine complexe.

– Proteine simple (holoproteine). Acestea sunt proteine ale căror molecule sunt formate

numai din catene polipeptidice. Acest lucru a fost demonstrat prin faptul că prin hidroliză completă,

holoproteinele pun în libertate numai aminoacizi. Din această grupă fac parte o serie de proteine ce

îndeplinesc importante funcţii biochimice şi fiziologice: α, β şi γ-globulinele serice, anticorpii,

histonele, protaminele, fibrinogenul, miozina, actina, colagenul, fibroina, keratinele etc.

– Proteinele complexe (numite şi conjugate, sau heteroproteine) conţin în molecula lor, pe

lângă componenta proteică şi o componentă de altă natură numită grupare prostetică. La rândul lor,

heteroproteinele se împart în mai multe grupe în funcţie de natura chimică a grupărilor prostetice.

– Cromoproteinele conţin în molecula lor o grupare prostetică de natură protoporfirinică. Din

această categorie fac parte o serie de proteine ce îndeplinesc importante funcţii biochimice şi

fiziologice: hemoglobina, mioglobina, citocromii, catalaza, peroxidaza etc.

– Lipoproteinele conţin în molecula lor grupări prostetice de natură lipidică. Din această

grupă fac parte de exemplu lipoproteinele serice.

– Fosfoproteinele. Grupările prostetice ale hetero-proteinelor din această grupă sunt

reprezentate de resturi de serină esterificate cu acid fosforic. Cele mai cunoscute fosfoproteine sunt

cazeina, vitelina, vitelenina, fosvitina şi altele.

– Glicoproteinele conţin grupări prostetice de natură glucidică (galactoza, manoza, unele

hexozamine, acidul N-acetilneuraminic etc.). Din grupa glicoproteinelor sunt bine studiate γ-

globulinele, orosomucoidul plasmatic, ovalbumina, glucoproteinele serice ce determină grupele

sanguine şi altele.

– Metaloproteinele conţin unii ioni metalici (Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+) în calitate de grupare

prostetică. Din această grupă fac parte de exemplu alcooldehidrogenaza, enolaza, feritina,

conalbumina, ceruloplasmina şi altele. Trebuie menţionat faptul că la metaloproteine, ionul metalic

este legat direct de catenele polipeptidice ale componentei proteice şi nu este inclus într-o altă

structură (cum ar fi nucleul protoporfirinic la cromoproteine).

– Flavoproteinele conţin un flavinnucleotid în calitate de grupare prostetică. Din această

grupă fac parte flavoenzimele FMN- şi FAD-dependente (succinat-dehidrogenaza, aminoacid-

oxidazele etc.).

– Nucleoproteinele sunt poate cele mai importante proteine complexe datorită faptului că

gruparea lor prostetică este reprezentată de un acid nucleic. În funcţie de natura acidului nucleic ce

joacă rol de grupare prostetică ele se împarte în ribonucleoproteine (nucleoproteine ce conţin ARN)

şi deoxiribonucleoproteine (ce conţin ADN în calitate de grupare prostetică).

În moleculele proteinelor, resturile de aminoacizi sunt unite prin legături peptidice ca şi în

cazul peptidelor:

H2N – CH – C – N – CH – C – .......... – N – CH – COOHI

II

I I

II

I IR1

O

H R2

O

H Rn

Datorită efectelor electronice, şi în cazul proteinelor legătura peptidică prezintă un caracter

parţial de legătură dublă, împiedicând rotirea liberă a substituenţilor.

Structura proteinelor

Elucidarea structurii proteinelor a reprezentat şi continuă să reprezinte una din problemele

principale ale biochimiei aplicate. Fiecare proteină nativă reprezintă un edificiu tridimensional

complex a cărui conformaţie depinde de dispoziţia spaţială a catenelor polipeptidice din care este

formată. Orientarea în spaţiu a catenelor polipeptidice componente poartă denumirea de conformaţie.

Comparativ cu celelalte biomolecule, proteinele prezintă o structură chimică mult mai complexă de

care depind în mod direct funcţiile lor biologice şi care se caracterizează prin existenţa a patru nivele

de organizare numite structură primară, secundară, terţiară şi respectiv cuaternară.

1. Structura primară a proteinelor este dată de numărul, natura şi succesiunea resturilor de

aminoacizi în catenele polipeptidice ce intră în structura acestora.

În structura primară, resturile de aminoacizi sunt unite prin legături peptidice identice cu cele

întâlnite în structura peptidelor:

........–NH–CH–CO–NH–CH–CO–.......I IR R'

legãturã peptidicã

Studiul peptidelor sintetice cu ajutorul metodei difracţiei de raze X prin cristale pure a permis

determinarea distanţelor interatomice într-o catenă polipeptidică, precum şi a unghiurilor dintre

atomii componenţi. Aceste determinări au demonstrat existenţa unei perioade de identitate de 7,2Å

pentru fiecare două resturi de aminoacizi. Totodată s-a observat că distanţa interatomică C – N este

mai mică, iar distanţa C = O este mai mare decât cele normal întâlnite în alţi compuşi (fig. I.1.).

R'

H

R

H

OC

C

N

C

H

110°

121°

122°

117°

120°

110°

120°

120°

1,531,23

1,32

1,47

Fig. I.1. Reprezentarea schematică a distanţelor interatomice şi unghiurilor de valenţă în

catenele polipeptidice

Aceste rezultate indică prezenţa unei stări de rezonanţă a legăturii peptidice între două forme

limită din care cauză, legătura peptidică C – N nu este simplă ci parţial dublă, fiind astfel împiedicată

rotaţia liberă a substituenţilor. Acest caracter de legătură parţial dublă are o importanţă deosebită

pentru structurile de ordin superior ale proteinelor.

La nivelul legăturilor peptidice se întâlneşte izomeria de tip trans, iar rotaţia liberă este

permisă numai la nivelul celorlalte legături covalente. Orientarea spaţială a catenelor polipeptidice

este datorată, în principal, acestor rotaţii libere în jurul legăturilor menţionate:

C

O

N

H

R

O

NH

C

H

R'

I

I

I

IC

C

H

I•• •• • • • •

•

••••••••

•

-

-

+ +

2. Structura secundară a proteinelor.

Structura secundară este dată de orientarea spaţială a catenei polipeptidice, fără a lua în

calcul interrelaţiile dintre radicalii aminoacizilor. Posibilitatea de rotaţie a radicalilor de aminoacizi în

jurul axelor de legătură Cα-C şi Cα-N din lanţul polipeptidic favorizează apariţia unei structuri

spaţiale specifice a macromoleculelor de proteină, cunoscute sub numele de structură secundară.

Structura secundară este stabilizată de punţi de hidrogen care se formează intracatenar sau

intercatenar între grupele carbonilice şi iminice ale legăturilor peptidice. Legăturile de hidrogen sunt

dispuse aproape paralel cu axa α-helixului. Cea mai răspândită variantă a structurii secundare a

lanţurilor polipeptidice este α-helixul sau structura α-helicoidală (fig. I.2.).

Fig. I.2. Reprezentarea schematică a modelului α-helicoidal al structurii secundare a

proteinelor (după Buckow, 2006).

Fiecare tură (spiră) este alcătuită din 3,6 resturi de aminoacizi. Distanţa între ture de-a lungul

axei α-helixului este egală cu 0,541nm (Å). Diametrul α-helixului este de 0,101nm (Å). O altă

variantă a structurii secundare a proteinelor este structura β-pliată care este de două tipuri:

– modelul straturilor pliate antiparalele – format din lanţuri polipeptidice în formă de zig-zag,

ale căror grupe –NH2 terminală şi – COOH terminală sunt orientate în direcţii opuse;

– modelul straturilor pliate paralele alcătuit din lanţuri polipeptidice cu aceeaşi orientare (fig.

I.3).Ambele tipuri, existente în proporţii diferite, sunt stabilizate prin punţi de hidrogen intercatenare

între grupele carbonilice şi aminice ale legăturilor peptidice din lanţurile polipeptidice adiacente.

Fig. I.3. Reprezentarea schematică a modelului straturilor pliate ale structurii secundare a

proteinelor(după Buckow, 2006).

Structura terţiară. Structura terţiară reprezintă replierea şi înfăşurarea segmentelor α-

helicoidale şi β-pliate într-o organizare spaţială complexă sub formă de ghem sau globulă. Structura

terţiară a proteinelor se constituie într-un sistem stabil datorită interacţiunilor hidrofobe între radicalii

laterali ai aminoacizilor, legăturilor de hidrogen, legăturilor ionice şi legăturilor disulfidice.

Structura cuaternară. Structura cuaternară este specifică numai anumitor proteine şi

reprezintă nivelul de organizare structurală cel mai înalt. Este rezultatul asocierii a două sau mai

multe catene polipeptidice numite protomeri, fiecare cu structura sa primară, secundară şi terţiară

într-un conglomerat spaţial complex. Proteinele formate din mai multe lanţuri (catene) polipeptidice

se numesc proteine oligomere.

Proprietăţi specifice proteinelor

Masa moleculară a proteinelor este foarte mare şi diferită de la câteva mii până la sute de mii

şi chiar milioane de daltoni. De ex. insulina-5.700 D, hemoglobina-64.500 D, fibrinogenul 339.700

D. Solubilitatea proteinelor este diferită. Unele se dizolvă uşor în apă şi soluţii saline, altele numai în

soluţii de săruri sau în amestecul de apă şi alcool. Sunt insolubile în solvenţi organici. Precipitarea

proteinelor poate fi reversibilă sau ireversibilă. Precipitarea ireversibilă se mai numeşte denaturare

care poate fi cauzată de factori fizici (căldură, radiaţii, agitare) sau de diferiţi reactivi. Denaturarea

conduce la schimbarea proprietăţilor fizice şi reactivităţii moleculelor proteice. De cele mai multe ori

prin denaturare, proteinele pierd activitatea lor biologică.

Soluţiile de proteine au comportare de acid sau bază (amfoter) în funcţie de partenerul cu care

reacţionează, deoarece conţin grupe –NH2 şi -COOH libere, aparţinând aminoacizilor constituenţi.

Caracterul amfoter al proteinelor se află la baza funcţiei lor de sisteme tampon care asigură

menţinerea constantă a pH-ului lichidelor biologice în organismul animal şi vegetal. Starea de

ionizare a proteinelor determină migrarea lor în câmpul electric Pe această proprietate se bazează

separarea şi determinarea cantitativă a proteinelor cu ajutorul electroforezei. La un pH specific pentru

fiecare proteină denumit punct izoelectric (pI), moleculele ei sunt neutre din punct de vedere electric

şi nu se deplasează sub acţiunea curentului electric. Molecula proteică se încarcă pozitiv dacă pH-ul

mediului este mai mic decât pI şi negativ dacă pH-ul mediului este mai mare decât pI.

Bibliografie

1. Dumitru, I. F. – 1980, Biochimie, Ed. Did. şi Ped., Bucureşti.2. Artenie, Vl. – 1987, Biochimia şi organizarea moleculară a cromozomului eucariot, Ed.

Univ. „Al. I. Cuza” Iaşi.3. Artenie, Vl. – 1991, Biochimie, Ed. Univ. „Al. I. Cuza” Iaşi.4. Cojocaru, D.C., Mariana Sandu – 2004, Biochimia proteinelor şi acizilor nucleici, Ed. Pim,

Iaşi5. Gavril Ardelean – 2001, Biochimia si energetica contractiei musculare, Ed. Bion, Satul

Mare