STRUKTURĀLIE PROTEĪNI: FUNKCIJAS, PIEMĒRI UN RAKSTURLIELUMI - BIOLOĢIJA - 2025

The nestrukturālu proteīnu esam lielākie olbaltumvielas klāt visās eikariotu šūnās, ti šūnas ir gan dzīvnieku un augu. Tās ir daļa no ļoti atšķirīgām bioloģiskām struktūrām, piemēram, āda, mati, zirnekļa tīkls, zīds, saistaudi, augu šūnu sienas utt.

Kaut arī termins "strukturālais proteīns" parasti tiek izmantots, lai apzīmētu tādus proteīnus kā kolagēns, keratīns un elastīns, ir arī svarīgi starpšūnu strukturālie proteīni, kas veicina šūnu iekšējās struktūras uzturēšanu.

I tipa kolagēna šķiedru, strukturālo olbaltumvielu klases, fotoattēls (Avots: Louisa Howard caur Wikimedia Commons)

Šie proteīni, kas pieder citoskeletonam, kontrolē arī organellu subcelulāro atrašanās vietu un nodrošina transporta un sakaru mehānismus starp tiem.

Daži strukturālie proteīni ir izpētīti ļoti detalizēti, un tie ļāva labāk izprast vispārējo olbaltumvielu struktūru. To piemēri ir zīda fibroīns, kolagēns un citi.

Piemēram, no zīda fibroīna izpētes tika aprakstīta β-salocīto lokšņu sekundārā olbaltumvielu struktūra un no pirmajiem pētījumiem, kas veikti ar kolagēnu, tika secināta trīskāršās spirāles sekundārā struktūra.

Tāpēc strukturālie proteīni ir nepieciešami gan atsevišķās šūnās, gan audos, no kuriem tie veidojas.

Iespējas

Strukturālo olbaltumvielu funkcijas ir diezgan dažādas, un tās galvenokārt ir atkarīgas no attiecīgā olbaltumvielu veida. Tomēr varētu teikt, ka tā galvenā funkcija ir saglabāt šūnu strukturālo integritāti un plašākā nozīmē - ķermeņa uzbūvi.

Piemēram, kas attiecas uz ķermeņa strukturālajiem proteīniem, piemēram, keratīnam ir aizsardzība un pārklājums, aizsardzība, pārvietošanās.

Zīdītāju un citu dzīvnieku ādas epidermā ir liels skaits pavedienu, kas sastāv no keratīna. Šim slānim ir funkcijas ķermeņa aizsardzībā pret dažāda veida stresa izraisītājiem vai kaitīgiem faktoriem.

Ērkšķiem un spalīšiem, kā arī ragiem un knābjiem, spīlēm un nagiem, kas ir keratinizēti audi, ir funkcijas gan ķermeņa aizsardzībā, gan aizsardzībā.

Rūpnieciski daudzu dzīvnieku vilna un mati tiek izmantoti apģērbu un citu veidu apģērbu ražošanai, kuriem, antropocentriski runājot, tiem ir papildu nozīme.

Šūnu strukturālie proteīni

No šūnu viedokļa strukturālajiem proteīniem ir transcendentālas funkcijas, jo tie veido iekšējo struktūru, kas katrai šūnai piešķir tai raksturīgo formu: citoskeletu.

Kā daļu no citoskeleta strukturālie proteīni, piemēram, aktīns, tubulīns, miozīns un citi, arī piedalās transporta un iekšējās komunikācijas funkcijās, kā arī šūnu mobilitātes notikumos (šūnās, kas spēj kustēties).

Piemēram, cilia un flagella esamība ir ļoti atkarīga no strukturālajiem proteīniem, kas veido biezos un plānos pavedienus, kas sastāv no aktīna un tubulīna.

Strukturālo olbaltumvielu piemēri un to īpašības

Tā kā strukturālo olbaltumvielu daudzveidība ir liela, turpmāk tiks sniegti tikai vissvarīgāko un bagātīgāko eikariotu organismu piemēri.

Baktērijām un citiem prokariotiem, tāpat kā vīrusiem, šūnu ķermenī ir arī svarīgi strukturālie proteīni, tomēr lielākā uzmanība tiek pievērsta eikariotu šūnām.

-Aktīns

Aktīns ir olbaltumviela, kas veido pavedienus (aktīna pavedienus), kas pazīstami kā mikrofilamenti. Šie mikrofilamenti ir ļoti svarīgi visu eikariotu šūnu citoskeletonā.

Aktīna pavedieni ir divu ķēžu spirālveida polimēri. Šīs elastīgās struktūras ir no 5 līdz 9 nm diametrā un ir sakārtotas kā lineāras sijas, divdimensiju tīkli vai trīsdimensiju želejas.

Aktīns tiek izplatīts šūnā, tomēr tas ir īpaši koncentrēts slānī vai garozā, kas piestiprināts pie plazmas membrānas iekšējās virsmas, jo tas ir būtiska citoskeleta sastāvdaļa.

-Kollagēns

Kolagēns ir olbaltumviela, kas atrodas dzīvniekos, un tas ir īpaši bagātīgs zīdītājiem, kuriem ir vismaz 20 dažādi gēni, kas kodē dažādas šī proteīna formas, kuras var atrast viņu audos.

Tas galvenokārt atrodams kaulos, cīpslās un ādā, kur tas veido vairāk nekā 20% no kopējā zīdītāju olbaltumvielu masas (lielāks nekā jebkura cita proteīna procentuālais sastāvs).

Saistaudos, kur tas ir atrasts, kolagēns ir svarīga ārpusšūnu matricas (kas arī sastāv no pamatvielas) šķiedrainas daļas, kur tas veido elastīgas šķiedras, kas atbalsta lielus stiepes spēkus.

Kolagēna šķiedru struktūra

Kolagēna šķiedras sastāv no vienādām tropokolagēna molekulu apakšvienībām, kuru garums ir 280 nm un diametrs ir 1,5 nm. Katru tropokolagēna molekulu veido trīs polipeptīdu ķēdes, kas pazīstamas kā alfa ķēdes un kuras savstarpēji saista kā trīskāršā spirāle.

Katrā no alfa ķēdēm ir aptuveni 1000 aminoskābju atlikumu, kur ļoti bagātīgi ir glicīns, prolīns, hidroksiprolīns un hidroksilizīns (tas attiecas arī uz citiem strukturāliem proteīniem, piemēram, keratīnu).

Atkarībā no attiecīgā kolagēna šķiedras veida tie ir sastopami dažādās vietās, un tiem ir atšķirīgas īpašības un funkcijas. Daži no tiem ir raksturīgi kaulam un dentīnam, savukārt citi ir skrimšļa daļa utt.

-Keratīns

Keratīns ir vissvarīgākais keratinocītu strukturālais proteīns, viens no visbagātākajiem šūnu veidiem epidermā. Tas ir nešķīstošs šķiedru proteīns, kas atrodams arī daudzu dzīvnieku šūnās un veidojumos.

Pēc kolagēna keratīns ir otrs bagātīgākais olbaltumvielu daudzums zīdītāju ķermenī. Tas ir ne tikai būtiska ādas ārējā slāņa daļa, bet arī matu un vilnas, nagu, naglu un naglu, spalvu un ragu galvenais proteīns.

Dabā ir dažādu veidu keratīni (analogi dažādiem kolagēna veidiem), kuriem ir dažādas funkcijas. Alfa un beta keratīni ir vislabāk zināmie. Pirmie veido zīdītāju nagus, ragus, spalvas un epidermu, savukārt pēdējie ir bagātīgi rāpuļu un putnu knābjos, zvīņās un spalvās.

-Elastīns

Elastīns, vēl viens dzīvnieku izcelsmes proteīns, ir ārpusšūnu matricas galvenā sastāvdaļa, un tam ir liela nozīme mugurkaulnieku daudzu audu elastībā un noturībā.

Šie audi ietver artērijas, plaušas, saites un cīpslas, ādu un elastīgos skrimšļus.

Elastīns satur vairāk nekā 80% no ārpusšūnu matricā esošajām elastīgajām šķiedrām, un to ieskauj mikrofibrili, kas sastāv no dažādām makromolekulām. Matricu struktūra, ko veido šīs šķiedras, dažādiem audiem ir atšķirīga.

Artērijās šīs elastīgās šķiedras organizējas koncentriskos gredzenos ap artēriju lūmenu; Plaušās elastīna šķiedras visā ķermenī veido plānu tīklu, koncentrējoties tādās vietās kā alveolu atveres.

Cīpslās elastīna šķiedras ir orientētas paralēli audu organizācijai, un elastīgajā skrimšļā tās ir izkārtotas trīsdimensiju konfigurācijā, līdzīgi kā šūnveida.

-Extensines

Augu šūnu sienas galvenokārt sastāv no celulozes, tomēr dažiem proteīniem, kas saistīti ar šo struktūru, ir arī funkcionāla un strukturāla nozīme.

Extensīni ir viens no pazīstamākajiem sienas proteīniem, un to raksturo atkārtota pentapetid secība Ser- (Hyp) 4. Tie ir bagāti ar pamata atlikumiem, piemēram, lizīnu, kas veicina to mijiedarbību ar citiem šūnas sienas komponentiem.

Tā funkcija ir saistīta ar sienu sacietēšanu vai nostiprināšanu. Tāpat kā citos dzīvnieku proteīnos, arī augos ir dažāda veida ekstensīni, kurus ekspresē dažāda veida šūnas (ne visas šūnas ražo ekstensīnus).

Piemēram, sojas pupās ekstensīnus ražo sklerenīmas šūnas, savukārt tabakas augos ir pierādīts, ka sānu saknēm ir divi šūnu slāņi, kas šos proteīnus ekspresē.

-Lapa

Šūnu organellām ir arī savas strukturālās olbaltumvielas, kas ir atbildīgas par to formas, kustīgumu un daudzu citu tiem raksturīgo fizioloģisko un vielmaiņas procesu uzturēšanu.

Kodola membrānas iekšējais reģions ir saistīts ar struktūru, kas pazīstama kā kodola lamina, un abām tām ir ļoti īpašs olbaltumvielu sastāvs. Starp olbaltumvielām, kas veido kodola lamīnu, ir olbaltumvielas, ko sauc par lamīnām.

Lamīnas pieder V tipa starpposma pavedienu grupai, un ir vairāki veidi, no kuriem visizplatītākie ir A un B. Šie proteīni var mijiedarboties savā starpā vai ar citiem kodola iekšējiem elementiem, piemēram, matricas olbaltumvielām, hromatīns un iekšējā kodola membrāna.

Atsauces

1. Alberts, B., Deniss, B., Hopkins, K., Džonsons, A., Lūiss, J., Rafs, M., … Valters, P. (2004). Būtiskā šūnu bioloģija. Abingdons: Garland Science, Taylor & Francis grupa.
2. Gartner, L., & Hiatt, J. (2002). Histoloģijas teksta atlants (2. izdevums). Meksika DF: McGraw-Hill Interamericana Editores.
3. Gruenbaums, Y., Vilsons, KL, Harels, A., Goldbergs, M., un Koens, M. (2000). Pārskats: Kodollampas - strukturālie proteīni ar pamatfunkcijām. Journal of Structural Biology, 129., 313. – 323.
4. Kellers, B. (1993). Šūnu strukturālie sienas proteīni. Augu fizioloģija, 101, 1127-1130.
5. Mithieux, BSM un Weiss, AS (2006). Elastīns. Advances in Protein Chemistry, 70, 437-461.
6. Sun, T., Shih, C., & Green, H. (1979). Keratīna citoskeleti iekšējo orgānu epitēlija šūnās. Proc. Natl. Acad. Sci., 76 (6), 2813–2817.
7. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratīns: uzbūve, mehāniskās īpašības, sastopamība bioloģiskajos organismos un centieni veikt bioinspirāciju. Progress materiālu zinātnē.