10.3 Lipider og nukleinsyrer

Tjue bokstaver, uendelig mange ord

Musklene dine, enzymene som fordøyer maten, antistoffene som forsvarer deg, håret på hodet ditt -- alt sammen er proteiner. De er livets arbeidshester, biologiske makromolekyler som gjør nesten alt arbeidet i en celle. Og det mest forbløffende er at hele dette mangfoldet bygges fra bare tjue byggesteiner: aminosyrene.

Tenk på det som et alfabet. Med tjue bokstaver kan du skrive et nær uendelig antall ord, og rekkefølgen avgjør betydningen. På samme måte bestemmer rekkefølgen av aminosyrer hva et protein blir og gjør. Alle aminosyrene deler samme grunnoppskrift: et sentralt α-karbon med en aminogruppe ($-\text{NH}_2$), en karboksylgruppe ($-\text{COOH}$) og en sidegruppe vi kaller R. Det er R-gruppen som gjør hver aminosyre unik. Noen R-grupper er upolare og hydrofobe (som glycin og alanin), noen er polare (serin, treonin), noen er sure og negativt ladet (asparaginsyre, glutaminsyre), noen basiske og positivt ladet (lysin, arginin), og noen aromatiske med ringstruktur (fenylalanin, tyrosin). Disse forskjellene styrer hvordan proteinet til slutt folder seg.

Når aminosyrer kjeder seg sammen

For å bygge et protein må aminosyrene bindes sammen. Det skjer ved en kondensasjonsreaksjon der karboksylgruppen til den ene møter aminogruppen til den neste, og det frigjøres vann:

$$\text{-CO-OH} + \text{H-NH-} \rightarrow \text{-CO-NH-} + \text{H}_2\text{O}$$

Bindingen som dannes -- $-\text{CO-NH}-$ -- kalles en peptidbinding. Den har noen spesielle egenskaper: den er plan, det er ingen fri rotasjon rundt C-N-bindingen, trans-konfigurasjonen er mest stabil, og bindingen har en delvis dobbeltbindingskarakter. Disse detaljene er ikke tilfeldige -- de er med på å gi proteinet en velordnet struktur.

Nå kan vi telle. To aminosyrer gir et dipeptid, tre gir et tripeptid, og mange gir et polypeptid. Et protein er ett eller flere polypeptider som har en biologisk funksjon. Akkurat som med karbohydratene, frigjøres ett vannmolekyl per binding -- så et polypeptid av $n$ aminosyrer har gitt fra seg $n-1$ vannmolekyler underveis.

Fire nivåer av form

Et proteins funksjon avhenger fullstendig av formen, og den formen bygges opp i fire nivåer. Primærstrukturen er selve rekkefølgen av aminosyrer i kjeden -- alfabetets ord. Endrer du én bokstav, kan hele meningen forsvinne.

Sekundærstrukturen er lokale foldemønstre som stabiliseres av hydrogenbindinger. De to vanligste er α-helix, en spiralform med hydrogenbindinger innen kjeden, og β-sheet, flate ark med hydrogenbindinger mellom kjeder. Mellom disse ligger svinger og løkker.

Tertiærstrukturen er hele den tredimensjonale formen til polypeptidet -- hvordan helikser og ark bretter seg sammen til en kompakt klump. Den holdes på plass av flere krefter samtidig: hydrogenbindinger, ionebindinger (saltbroer), disulfidbroer ($-\text{S-S}-$) og hydrofobe interaksjoner, der de vannskyende sidegruppene trekker seg inn mot midten, bort fra vannet.

Kvarternærstrukturen finnes når flere polypeptidkjeder, kalt underenheter, settes sammen til ett funksjonelt protein. Hemoglobinet i blodet ditt er et klassisk eksempel, bygget av fire underenheter som samarbeider om å frakte oksygen.

Når strukturen faller fra hverandre

Siden proteinets funksjon henger så tett sammen med formen, kan det få dramatiske følger hvis formen ødelegges. Dette kalles denaturering -- tap av proteinets naturlige struktur.

Mange ting kan utløse det. Varme bryter hydrogenbindinger. pH-endring endrer ladningen på sidekjedene, slik at saltbroer brytes. Organiske løsemidler forstyrrer de hydrofobe interaksjonene. Tunge metaller binder seg til sidekjeder, og rent mekanisk stress kan rive strukturen i stykker. Felles for dem alle er at de svake bindingene som holder formen, gir etter.

Resultatet er tap av biologisk aktivitet, og ofte er det irreversibelt. Det beste hverdagseksempelet finner du på kjøkkenet: når du koker et egg, denaturerer eggproteinet albumin. Den klare, flytende eggehviten blir hvit og fast fordi proteinene har mistet sin opprinnelige folding og klumpet seg sammen -- og du kan ikke koke egget tilbake til rå tilstand.

Når proteinene derimot er hele og velfoldede, gjør de et utall jobber: enzymer er katalysatorer, strukturproteiner som kollagen og keratin bygger kropp, transportproteiner som hemoglobin frakter stoffer, antistoffer forsvarer oss, og hormoner som insulin styrer prosesser.

Oppsummering

Vi har sett at proteiner bygges av 20 aminosyrer, der hver har en aminogruppe, en karboksylgruppe og en unik sidegruppe R som bestemmer egenskapene. Aminosyrene bindes sammen ved kondensasjon til peptidbindinger under frigjøring av vann, og danner kjeder fra dipeptid til polypeptid.

Formen bygges i fire nivåer: primær (rekkefølgen), sekundær (α-helix og β-sheet stabilisert av hydrogenbindinger), tertiær (hele 3D-formen, holdt sammen av mange krefter) og kvarternær (flere underenheter, som i hemoglobin). Fordi funksjonen avhenger av formen, fører denaturering -- ved varme, pH, løsemidler eller tunge metaller -- til at proteinet mister både struktur og funksjon, slik vi ser når et egg koker. Velfoldede proteiner gjør alt fra katalyse til transport, forsvar og signalering.