Proteiner, enzymer och nukleotider
Proteiner och nukleinsyror behandlades i Biologi nivå 1. Här repeterar vi deras uppbyggnad kort, men lägger framför allt fokus på varför ett proteins form är avgörande för dess funktion. Det blir särskilt tydligt hos enzymer, som återkommer i nästan alla delar av cellbiologin.
Från aminosyra till protein
Proteiner är uppbyggda av aminosyror. Som vi såg i Biologi nivå 1 har varje aminosyra en aminogrupp, en karboxylgrupp och en sidokedja. Sidokedjan skiljer aminosyrorna åt och kan exempelvis vara polär, opolär eller elektriskt laddad.
Alla aminosyror har samma grundstruktur, men sidokedjan, R, varierar och ger aminosyran dess särskilda egenskaper.
När två aminosyror binds samman reagerar aminogruppen hos den ena med karboxylgruppen hos den andra. Ett H och en OH-grupp bildar vatten, samtidigt som aminosyrorna kopplas samman med en peptidbindning. Det är en kondensationsreaktion.
När två aminosyror kopplas samman avges vatten och en peptidbindning bildas.
En kort kedja av aminosyror kallas peptid, medan en längre kedja kallas polypeptid. När polypeptiden veckas till en bestämd form kan den bli ett fungerande protein.
Från en kort peptid till en längre polypeptid och ett veckat protein med en bestämd form.
Gränsen mellan en peptid och ett protein är inte skarp. Ungefär 50 aminosyror används ibland som en praktisk tumregel, kortare kedjor kallas då peptider och längre kedjor proteiner. Det är dock ingen kemisk naturlag. Molekylens form och funktion påverkar också vilket ord som används.
Insulin visar varför gränsen blir oskarp. Mänskligt insulin består av totalt 51 aminosyror, fördelade på två kedjor som hålls samman av disulfidbryggor. Det beskrivs därför både som ett peptidhormon och som ett litet protein.1
Proteinets form bestämmer dess funktion
Ordningen av aminosyror i polypeptidkedjan kallas proteinets primärstruktur. Delar av kedjan kan sedan bilda spiraler eller veckade flak, proteinets sekundärstruktur. Dessa nivåer känner vi igen från Biologi nivå 1.
Strukturnivåerna beskriver hur en kedja av aminosyror kan veckas till ett protein. Vissa proteiner består av flera polypeptidkedjor.
För att proteinet ska fungera behöver kedjan veckas till en bestämd tredimensionell form, proteinets tertiärstruktur. Aminosyrornas ordning påverkar hur kedjan veckas och därmed vilken form proteinet får.
Vissa proteiner består av flera veckade polypeptidkedjor. Hur kedjorna sitter tillsammans kallas proteinets kvartärstruktur.
Hemoglobin är ett exempel. Proteinet består av fyra polypeptidkedjor som tillsammans bildar en kvartärstruktur. Varje kedja har en hemgrupp med en järnatom som kan binda en syremolekyl. Ett hemoglobin kan därför bära upp till fyra syremolekyler.
Hemoglobinets kvartärstruktur består av fyra veckade polypeptidkedjor. Syre kan bindas till järnet i kedjornas hemgrupper.
Formen avgör vilka molekyler proteinet kan binda till och hur det kan samverka med andra delar av cellen. Om formen förändras kan därför även funktionen förändras eller försvinna.
Proteinets form påverkar vilka molekyler det kan binda till. Receptorproteinet sitter i cellmembranet med bindningsfickan utanför cellen, och bara det ena signalproteinet passar i fickan.
Proteiner kan ha många olika funktioner. De kan exempelvis transportera ämnen, ta emot signaler, bygga upp strukturer eller påskynda kemiska reaktioner. I den här kursen kommer vi framför allt att återkomma till den sista gruppen, enzymerna.
Sedan 1970-talet hade forskare försökt förutsäga hur en aminosyrasekvens veckas till en tredimensionell form, men problemet var notoriskt svårt. År 2020 kom ett genombrott med AI-modellen AlphaFold2, som förutsäger proteiners form utifrån aminosyrornas ordning. Med modellens hjälp har strukturen hos i stort sett alla de omkring 200 miljoner proteiner som forskare känner till förutsagts. Forskare använder resultaten bland annat för att förstå antibiotikaresistens och för att ta fram bilder av enzymer som kan bryta ner plast.
Ett veckat protein i 3D. Spiralerna och de breda pilarna, som visar veckade flak, är proteinets sekundärstruktur. AlphaFolds förutsägelse (blå) och den experimentellt bestämda strukturen (grön) överlappar nästan helt.
Demis Hassabis och John Jumper fick halva Nobelpriset i kemi 2024 för AlphaFold. Den andra halvan gick till David Baker, som använder datorer för att konstruera helt nya proteiner med former som inte finns i naturen. Priset visar hur central kopplingen mellan primärstruktur, form och funktion är, både för att förstå livet och för att utveckla exempelvis nya läkemedel och vacciner.2
Enzymer
I cellen sker ständigt kemiska reaktioner, men många av dem skulle gå alldeles för långsamt utan hjälp. Enzymer fungerar som biologiska katalysatorer. De sänker den aktiveringsenergi som krävs för att en reaktion ska kunna ske och kan därför öka reaktionens hastighet utan att själva förbrukas.
De flesta enzymer är proteiner. En del av enzymet bildar ett aktivt säte, där en eller flera reaktanter kan bindas. En molekyl som binds till och omvandlas av ett enzym kallas substrat.
Det aktiva sätets form och kemiska egenskaper passar bara vissa substrat. När substratet binder kan enzymet ändra form något, vilket hjälper reaktionen att ske. Denna specificitet innebär att ett visst enzym bara katalyserar en bestämd reaktion eller en grupp närbesläktade reaktioner.
Substratet binder till enzymets aktiva säte och omvandlas till produkter. Produkterna lämnar, medan enzymet kan användas igen.
Laktas och amylas som exempel
I den föregående lektionen mötte vi enzymet laktas. Dess aktiva säte kan binda laktos och underlätta en hydrolys där laktosen delas till glukos och galaktos. Produkterna passar inte längre i det aktiva sätet och lämnar enzymet, som därefter kan användas igen.
I saliven finns enzymet amylas, som börjar bryta ned stärkelse till kortare kolhydrater, bland annat maltos. Laktas och amylas verkar alltså på olika substrat. Det visar varför formen hos enzymets aktiva säte är viktig.
Laktas och amylas katalyserar hydrolys av olika substrat. Enzymets aktiva säte avgör vilka molekyler det kan binda och omvandla.
När proteinets form förändras
Bindningarna och interaktionerna som håller ihop ett proteins tredimensionella form kan påverkas av omgivningen. Vid exempelvis hög temperatur eller kraftigt förändrat pH kan proteinet förlora sin form. Det kallas denaturering.
När ett enzym denaturerar förändras även det aktiva sätet. Substratet passar då sämre eller inte alls och enzymets aktivitet minskar. Olika enzymer fungerar därför bäst inom olika intervall för temperatur och pH.
Låg temperatur leder vanligtvis inte till denaturering, men molekylerna rör sig långsammare och krockar mer sällan. Reaktionerna går då långsammare. Vid stigande temperatur ökar reaktionshastigheten fram till en viss gräns. Därefter kan enzymets struktur börja förstöras och aktiviteten minska snabbt.
Aktiviteten ökar vanligen med temperaturen fram till ett optimum. Vid högre temperatur kan enzymets form förändras och aktiviteten minska snabbt.
Nukleotider, nukleinsyror och ATP
Nukleinsyror är den fjärde huvudgruppen av biomolekyler, efter kolhydrater, lipider och proteiner. Deras byggstenar kallas nukleotider. Nukleotider kan sättas samman till långa kedjor, men kan också användas som fristående molekyler med andra uppgifter.
År 1869 isolerade Friedrich Miescher ett fosforrikt ämne ur cellkärnor och kallade det nuklein. Ämnet fick senare namnet nukleinsyra, på engelska nucleic acid. Därifrån kommer bokstäverna NA i DNA och RNA. Namnet betyder dock inte att nukleinsyror bara finns i cellkärnan.3
Nukleinsyror är kedjor av nukleotider. Varje nukleotid består av en kvävebas, ett socker och en eller flera fosfatgrupper. Hur DNA och RNA är uppbyggda och används i cellen behandlades i Biologi nivå 1 och repeteras inte närmare här.
Nukleotider är byggstenar i DNA och RNA, men kan också bilda molekyler med andra uppgifter. ATP används för att överföra energi mellan cellens reaktioner.
Av nukleotidernas andra roller är ATP viktigast i den här kursen. ATP överför energi mellan cellens reaktioner och kopplingen till ADP återkommer därför i nästa kapitel när vi arbetar med metabolism, cellandning, fotosyntes och aktiv transport.
Sammanfattning
Proteiner och nukleinsyror byggs av mindre byggstenar. Hur byggstenarna sätts samman avgör molekylens form och funktion.
| Molekyl eller struktur | Uppbyggnad | Viktiga funktioner |
|---|---|---|
| Aminosyra | aminogrupp, karboxylgrupp och varierande sidokedja | byggsten i proteiner |
| Protein | en eller flera veckade polypeptidkedjor | struktur, transport, signalering och katalys |
| Enzym | oftast ett protein med ett aktivt säte | katalyserar bestämda kemiska reaktioner |
| Nukleotid | kvävebas, socker och en eller flera fosfatgrupper | byggsten i nukleinsyror och del av exempelvis ATP |
| Nukleinsyra | en kedja av nukleotider | DNA och RNA hanterar genetisk information |
| ATP | adenin, ribos och tre fosfatgrupper | överför energi mellan cellens reaktioner |
Proteinets form och enzymets aktivitet kan påverkas av omgivningen, exempelvis av temperatur och pH. Enzymer och ATP återkommer när vi arbetar vidare med cellens ämnesomsättning i nästa kapitel.
Footnotes
-
IUPAC, ”peptide”, Gold Book; NCBI, ”Insulin”, MeSH; Mathieu med flera; Wang med flera. ↩
-
Kungliga Vetenskapsakademien, The Nobel Prize in Chemistry 2024, 9 oktober 2024. ↩
-
National Human Genome Research Institute, 1869: DNA First Isolated, uppdaterad 22 april 2013. ↩