Lastnosti in funkcije beljakovin

Ikona poučevalne enote Kaj se boste naučili v tem poglavju?

Spoznali boste, zakaj so beljakovine oz. proteini izrednega pomena za življenje.

Spoznali boste eno od pomembnih lastnosti beljakovin – koagulacijo.

Podrobneje boste spoznali funkcije štirih skupin beljakovin: strukturne, transportne in obrambne beljakovine ter encime.


Ikona poučevalne enote Topnost beljakovin

V vodi so nekatere beljakovine (predvsem nitaste) netopne in tvorijo gel. A tudi topne beljakovine (kroglaste beljakovine) se v vodi ne topijo tako kot kuhinjska sol ali sladkor. Za razliko od sladkorja, ki se v vodi razgradi na posamezne molekule, ali natrijevega klorida, ki se v vodi loči na posamezne ione, beljakovine vežejo na svojo površino ione z enakim nabojem. Ti ioni povzročijo, da se beljakovine med seboj odbijajo ali privlačijo – odvisno od naboja, ki je vezan na površini posamezne molekule beljakovine. Odboj oz. privlak med beljakovinami pa omogoča, da se beljakovine, kljub svoji velikosti, ne usedajo na dno. Vodotopne beljakovine tvorijo koloidno raztopino.

Površina molekule beljakovine, na katero so vezani anioni.
 		Površina molekule beljakovine, na katero so vezani kationi.

Gel: heterogena zmes snovi, v katerem delci snovi niso prosto gibljivi in imajo zato precej stalno obliko.

Koloidna raztopina: heterogena zmes snovi, v katerih je ena snov fino razpršena v drugi snovi. Razpršeni delci so tako majhni, da jih s svetlobnim mikroskopom ne moremo videti, prav tako jih ne moremo ločiti iz zmesi s filtrirnim papirjem, saj jih ta ne zadrži.


Ikona poučevalne enote Preverjanje znanja
Dopolnite spodnje stavke.
Vodotopne beljakovine tvorijo v vodi . Netopne beljakovine tvorijo v vodi . Vodotopne beljakovine vežejo na površino svojih molekul ione, z istim . oz. privlak med tako naelektrenimi površinami beljakovin, preprečujejo usedanje beljakovin na dno.
  

Ikona poučevalne enote Spremembe beljakovin – koagulacija
Beljakovine niso odporne na segrevanje, saj se jih večina spremeni že temperaturi 50 °C, nekatere pa celo pri 42 °C. Odporne vzdržijo do 70 °C.

 


Jajčni beljak pri segrevanju zakrkne.

Ikona poučevalne enote Preverjanje znanja
Pozorno opazujte spremembe jajčnega beljaka in dopolnite spodnji stavek.
Jajčni beljak vsebuje beljakovine, ki na segrevanje odporne.
  

Kakšno temperaturo bodo beljakovine zdržale, je odvisno od njihove zgradbe. Dovajanje energije pri segrevanju povzroči prekinitev vezi v beljakovinskih molekulah. Šibke vezi razpadejo že pri temperaturi okrog 50 °C, močnejše pa pri daljšem segrevanju nad 50 °C.

 

 


Slika desno: Tudi ko se opečemo, pride do poškodb beljakovin - za to zadostuje tudi že pretirano sončenje. Vir slike: Wikipedia.

Ko se beljakovina pri segrevanju spremeni, rečemo, da zakrkne (se sesiri, se skepi) ali koagulira. To je pojav, da se beljakovina izloči (obori) iz raztopine. Koagulacijo beljakovin lahko dosežemo tudi na druge načine, npr. s kislinami in bazami (ki nevtralizirajo naboj na površini beljakovin), s solmi težkih kovin, drugimi beljakovinami (npr. belajkovine v kačjem strupu, sirilo) in z vrsto organskih spojin (alkoholi, alkaloidi). Spremembo lastnosti beljakovin pri koagulacij imenujemo denaturiranje beljakovin.

Do denaturacije beljakovin lahko pride tudi pri mešanju beljakovin, npr. pri stepanju jajčnih beljakov:

 


Prirejeno po originalu How to Whip Egg Whites.
Vir: YouTube.

 

Pomemben dejavnik za obstojnost beljakovin je oblika beljakovin: nitaste so odpornejše kot kroglaste beljakovine.

Strupene kače so znane po izredno močnem strupu, ki ga vbrizgajo v plen, vendar so beljakovine v strupu tako občutljive, da postane strup neučinkovit že ob močnejšem stresanju raztopine. Vir slike: Barry Rogge (licenca: Priznanje avtorstva 2.0).
 		Parklji, kopita, rogovi, nohti, kremplji, dlaka in perje so zgrajeni iz izredno odporne beljakovine keratin. Vir slike: Wikipedia.

Kot veste iz svojih vsakdanjih izkušenj, spreminjanje beljakovin pod vplivom segrevanja ni vedno nezaželeno. Trdo surovo meso se zmehča, tekoč jajčni beljak postane trden, obenem pa s kuhanjem in pečenjem hrano steriliziramo, saj spremenimo beljakovine bakterij v hrani ter jih tako uničimo ali preprečimo njihovo razmnoževanje. V medicini s segretim električnim nožem povzročijo spremembe lastnosti beljakovin v žilah in s tem preprečijo krvavitve.

Ikona vprašanja poučevalne enote Preverjanje znanja - koagulacija
Izberite pravilno trditev.
  
Koagulirane beljakovine ohranijo svoje lastnosti in obliko.
Koagulacija je sprememba strukture beljakovin.
Do koagulacije pride le pri močnem segrevanju beljakovin.

Preverjanje znanja - vzroki koagulacije
Katere od navedenih snovi lahko povzročijo koagulacijo beljakovin?
Sladkor.
Natrijev hidroksid.
Žveplova kislina.
Natrijev klorid.
Kobaltov sulfat.



Ikona vprašanja poučevalne enote Preverjanje znanja
Zakaj ne sme človekova telesna temperatura narasti preko 42 °C?
  
Ker pride do povečanega izločanja vode iz telesa, kar lahko povzroči dehidracijo.
Ker se v krvi pojavijo mehurčki hlapnih snovi, kar vodi v moten pretok kisika do celic.
Ker lahko pride pri tako visoki temperaturi do spremembe zgradbe beljakovin.

Ikona poučevalne enote Strukturne, transportne in obrambne beljakovine
Strukturne beljakovine omogočajo trdnost in togost različnih struktur v organizmih. Večina strukturnih beljakovin je nitastih. Kolagen je najbolj pogosta beljakovina pri sesalcih, saj predstavlja 25 % vseh beljakovin v telesu. Sestavlja kožo, kite, mišična vlakna, kosti.


Model molekule kolagena. Molekula je sestavljena iz treh polipeptdinih vlaken. Vir: Wikipedia.

Keratin je eden izmed najtrši materialov, iz katerih so zgrajeni organizmi. Gradi nohte, kremplje, perje, kopita, parklje. Keratin vsebuje veliko žvepla in je odporen na encime, ki razgrajujejo beljakovine.

Slika levo: mikroskopski posnetek nitastih struktur keratina v celici (rdeča barva). Vir: Wikipedia.

Nitaste in zelo odporne strukture lahko nastanejo tudi iz globularnih beljakovin. Aktin in tubulin sta globularni vodotopni beljakovini, vendar pri polimerizaciji tvorita dolge, toge nitaste strukture.

Slika levo: mikroskopski posnetek celic. Rdeče obarvane so nitaste strukture iz aktina. Vir: Wikipedia.


Beljakovine imajo pomembno vlogo pri prenosu snovi po organizmu. Najbolj znan primer je hemoglobin, ki prenaša kisik iz pljuč v druge dele telesa. Najdemo ga pri vseh vretenčarjih. Beljakovine, ki imajo podobno nalogo kot hemoglobin, najdemo v skoraj vseh bioloških kraljestvih. Prenos snovi v in iz celice uravnavajo beljakovine v membranah celic. Te beljakovine so zgrajeni tako, da imajo notranje kanalčke, skozi katere prehajajo le določene snovi (npr. kanalčki za kalijeve ione prepuščajo le kalijeve ione in nič drugega).

Slika desno: model človeškega hemoglobina. Modri in rdeči deli predstavljajo beljakovinski del hemoglobina. Zeleno obravani deli vsebujejo atome železa. Vir: Wikipedia.

Za konec omenimo še obrambne beljakovine. Najznačilnejša so antitelesa iz skupine imunoproteinov. To so globularne beljakovine, s katerimi se organizem brani pred napadi bakterij in virusov. Antitelesa se vežejo na različne snovi, ki se nahajajo na površini bakterij in virusov (te snovi se imenujejo antigeni) ter preprečijo, da bi škodovali organizmu.

Slika desno: Mišje antitelo proti koleri. Antitelo je predstavljeno z modrimi in rumenimi trakovi. Kalotni model predstavlja antigen. Vir: Wikipedia.



Kroglični model hemoglobina. Vir: Margareta Vrtačnik.

Ikona poučevalne enote Preverjanje znanja - beljakovine
Dopolnite spodnje stavke.
Najpogostejša beljakovina pri sestalcih je . Ena izmed najtrših snovi, ki sestavlja lase, nohte, kremplje, je beljakovina . prenaša kisik od pljuč v vse dele telesa. Pred virusi in bakterijami se naše telo brani tudi z .
  

Ikona poučevalne enote Preverjanje znanja - skupine beljakovin glede na njihovo funkcijo v organizmu
V prazne prostore vpišite, v katero skupino, glede na svojo funkcijo, sodijo naštete beljakovine. Za strukturne beljakovine vpiši kratico SB, za transportne beljakovine TB, za obrambne beljakovine pa OB.

Keratin:

Hemoglobin:

Kolagen:

Polimeriziran tubulin:

Imunuproteini:

  

Ikona poučevalne enote Encimi
Eno najpomembnejših vlog med beljakovinami imajo encimi. Njihova naloga je, da uravnavajo (katalizirajo) kemijske reakcije v organizmih, zato jih uvrščamo med biokatalizatorje. Biokatalizatorji so katalizatorji, ki delujejo v telesu in vplivajo ne le na začetek kemijskih reakcij in na njihovo hitrost – tako kot običajni katalizatorji – temveč tudi na sam potek reakcije (običajno velja ta oznaka le za encime, a širšem pomenu zajema tudi hormone, vitamine in rastne snovi). Spojina, na katero deluje encim, se imenuje substrat. Za reakcije katalizirane z encimi velja, da so izredno hitre. Reakcija, ki jo katalizira encim OMP dekarboksilaza, steče v zgolj 18 milisekundah. Brez pomoči tega encima bi reakcija potrebovala kar 78 milijonov let. Ob pristnosti encimov stečejo reakcije hitreje kot bi sicer in pri nižji temperaturi, ker encimi znižajo energijo, ki je potrebna, da se reakcija sproži (t. i. aktivacijska energija).
Vpliv encima na kemijsko reakcijo. Slika prirejena po originalu iz Wikipedije.

 

Ime encima je sestavljeno iz imena substrata, na katerega encim deluje oz. reakcije, ki jo katalizira ter končnice -aza:

  • laktaza - encim, ki razgrajuje laktozo.
  • DNK polimeraza - encim, ki katalizira polimerizacijo vijačnice DNK.

V telesu potekajo skoraj vse reakcije pod vplivom encimov (doslej je poznanih okrog 4000 reakcij, ki jih katalizirajo encimi). Delovanje encimov je specifično; to pomeni, da vsak encim katalizira le nekaj reakcij ali le eno samo. Nazoren primer za specifično delovanje encimov je presnova škroba in celuloze v organizmih. Čeprav sta tako škrob in celuloza zgrajena iz tisočev molekul glukoze, so te med seboj povezane na drugačen način, zato se encim za razgradnjo celuloze razlikuje od encima za razgradnjo škroba. Encima za razgradnjo celuloze ljudje nimamo, zato ne moremo prebaviti celuloze.

Način delovanja encimov lahko pojasnimo z modelom imenovanim „rokavica – roka“. Po tem modelu so encimi sposobni, da se do določene mere prilagajajo različnim velikostim in oblikam molekul, podobno kot se rokavice prilagajajo različnim rokam, seveda do določene mere. En del molekule encima se lahko delno razteguje, zato se nanj vežejo različne molekule, med drugim tudi tiste, ki ovirajo delovanje encima.

 

Nekateri encim lahko razgradijo molekulo v manjši molekuli ali povežejo dve molekuli v eno. Slika
priprejena po originalu iz Wikipedije.

Encimi imajo precej zapleteno zgradbo. Skoraj vsi so globularne beljakovine. Nekateri encimi potrebujejo za delovanje še dodatne snovi – kofaktorje, ki so anorganske (npr. kovinski ion) ali organske snovi.


Kroglični model encima v primerjavi z modeloma molekul ATP in glukoze (zgoraj levo). Vir: Wikipedia.

Encimi so v organizmih zastopani v izredno majhnih količinah, vendar so te majhne količine dovolj za normalno delovanje organizmov, saj encim ostane po poteku reakcije nespremenjen in lahko takoj nato sproži drugo enako reakcijo. Encimi so izredno občutljivi, ker so zgrajeni iz globularnih molekul in ne trajajo večno. Encimi v telesu neprenehoma razpadajo, telo jih nadomešča tako, da izdela nove.

 

 

 


Slika desno: v nekaterih primerih organizem izgubi sposobnosti proizvajanja določenega encima. Encim laktaza, ki razgrajuje mlečni sladkor laktozo, imajo vsi dojenčki. Z odraščanjem pa se količine tega encima v telesu močno zmanjšajo. Pri nekaterih odrasli je tega encima tako malo ali sploh nič, da ne smejo piti mleka, ker jim postane slabo.

In kaj se zgodi, če se encimi uničijo ali izgubijo sposobnost kataliziranja reakcij, telo pa jih ne more nadomestiti? Živi organizmi so v celoti odvisni od delovanja encimov. Če karkoli ovira njihovo delovanje, to lahko pomeni smrt za organizem. Običajno mora biti uničenih veliko encimov v daljšem časovnem obdobju, da do tega sploh pride, vendar obstajajo tudi encimi, ki so za življenje organizma tako ključnega pomena, da že nekajminutno oviranje njihovega delovanja pomeni za organizem pogubo. In nekateri strupi že v zelo majhnih količinah (npr. vodikov cianid) povzročajo prav to.

Encimi niso pomembni zgolj za delovanje organizmov. Pomembni so tudi v biotehnologiji. Že od antičnih časov jih človeštvo uporablja pri pridobivanju vina, piva in kruha (spomnite se na encime kvasovk) ter sira. Dandanes se poleg uporabe v živilski tehnologiji, uporabljajo še pri proizvodnji zdravil, energije, najdemo pa jih tudi v pralnih praških in zobnih pastah.


Ikona vprašanja poučevalne enote Preverjanje znanja - katalizatorji
Izberite pravilno trditev.
  
Katalizator katalizira veliko različnih kemijskih reakcij.
Katalizatorji zvišajo energijo, ki je potrebna, da se reakcija sproži.
Katalizator je snov, ki omogoča, da reakcija hitreje in lažje steče, sam pa se pri reakciji ne porablja.
Encimi so zelo obstojni, njihove količine v telesu so majhne.

Ikona poučevalne enote Preverjanje znanja - encimi
Dopolnite spodnje stavke.
Encimi so . Večinoma so zgrajeni iz beljakovin. Molekula, na katero deluje encim, se imenuje . Encimi reakcijo pospešijo tako, da energijo, ki je potrebna, da se reakcija sproži.
  

Ikona poučevalne enote Preverjanje znanja - imena encimov
Na podlagi imena substrata oz. imena kemijske reakcije, tvorite ime encima in ga zapišite v prazne prostore:

A laktoza:

B amiloza (in amilopektin; oba sta sestavini škroba):

C polimerizacija DNK vijačnice: