The šķiedru olbaltumvielas , kas pazīstams arī kā scleroproteins, ir klasi proteīnu, kas ir svarīgas struktūras komponenti jebkura dzīvā šūnā. Kolagēns, elastīns, keratīns vai fibroīns ir šāda veida olbaltumvielu piemēri.
Viņi pilda ļoti dažādas un sarežģītas funkcijas. Vissvarīgākie ir aizsardzības (piemēram, cūciņas muguriņas) vai atbalsta (piemēram, tie, kas zirnekļiem nodrošina tīkliņu, kuru viņi paši austu, un kas tur tos piekaramus).
Zīda fibroīna, šķiedrveida olbaltumvielu atkārtota struktūra (Avots: Sponk caur Wikimedia Commons)
Šķiedru olbaltumvielas sastāv no pilnībā pagarinātām polipeptīdu ķēdēm, kuras ir sakārtotas sava veida “šķiedrās” vai “virvēs” ar lielu pretestību. Šie proteīni ir mehāniski ļoti spēcīgi un nešķīst ūdenī.
Lielākoties šķiedru olbaltumvielu komponenti ir secīgi atkārtotu aminoskābju polimēri.
Cilvēce ir mēģinājusi atjaunot šķiedru olbaltumvielu īpašības, izmantojot dažādus biotehnoloģiskos rīkus, tomēr ar šādu precizitāti noskaidrot katras aminoskābes izvietojumu polipeptīdu ķēdē nav viegls uzdevums.
Uzbūve
Šķiedru olbaltumvielu struktūra ir salīdzinoši vienkārša. Parasti tās sastāv no trim vai četrām aminoskābēm, kas ir savienotas kopā un kuras tiek atkārtotas daudzas reizes.
Tas ir, ja olbaltumvielu sastāvā ir tādas aminoskābes kā lizīns, arginīns un triptofāns, nākamā aminoskābe, kas saistīsies ar triptofānu, atkal būs lizīns, kam seko arginīns un cita triptofāna molekula utt.
Ir šķiedraini proteīni, kuru aminoskābju motīvi ir izvietoti divās vai trīs dažādās aminoskābēs, izņemot to sekvenču atkārtojošos motīvus, un citos proteīnos aminoskābju secība var būt ļoti mainīga, 10 vai 15 dažādas aminoskābes.
Daudzu šķiedru olbaltumvielu struktūras ir raksturotas ar rentgenstaru kristalogrāfijas metodēm un ar kodolmagnētiskās rezonanses metodēm. Pateicoties tam, sīki izstrādāti šķiedru formas proteīni, cauruļveida, laminārās, spirālveida, formas kā “piltuve” utt.
Katrs unikālais atkārtotā modeļa polipeptīds veido šķiedru un katra virkne ir viena no simtiem vienību, kas veido "šķiedru olbaltumvielu" ultrastruktūru. Parasti katrs kvēldiegs ir izvietots spirālveidīgi attiecībā pret otru.
Iespējas
Sakarā ar šķiedru tīklu, kas veido šķiedru olbaltumvielas, to galvenās funkcijas ir kalpošana kā strukturāls materiāls dažādu dzīvo organismu audu atbalstam, pretestībai un aizsardzībai.
Aizsargkonstrukcijas, kas sastāv no šķiedru olbaltumvielām, var aizsargāt mugurkaulnieku dzīvībai svarīgos orgānus pret mehāniskiem triecieniem, nelabvēlīgiem laika apstākļiem vai plēsoņu uzbrukumiem.
Šķiedru olbaltumvielu specializācijas līmenis dzīvnieku valstī ir unikāls. Piemēram, zirnekļa tīkls ir būtisks atbalsta audums, kā zirnekļi ved. Šim materiālam ir unikāla izturība un elastība.
Tik daudz, ka mūsdienās daudzi sintētiskie materiāli mēģina atjaunot zirnekļa tīkla elastību un izturību, pat izmantojot transgēnus organismus, lai sintezētu šo materiālu, izmantojot biotehnoloģiskos instrumentus. Tomēr jāatzīmē, ka gaidītie panākumi vēl nav sasniegti.
Svarīga šķiedru olbaltumvielu īpašība ir tā, ka tie ļauj savienot dažādus mugurkaulnieku audus.
Turklāt šo olbaltumvielu daudzpusīgās īpašības ļauj dzīvajiem organismiem radīt materiālus, kas apvieno izturību un elastību. Tas daudzos gadījumos ir tas, kas veido būtiskus komponentus mugurkaulnieku muskuļu kustībai.
Šķiedru olbaltumvielu piemērs
Kolagēns
Tas ir dzīvnieku izcelsmes proteīns un, iespējams, ir viens no visbagātākajiem mugurkaulnieku ķermenī, jo tas veido lielāko daļu saistaudu. Kolagēns izceļas ar spēcīgām, pagarināmām, nešķīstošām un ķīmiski inertajām īpašībām.
Dzīvnieku izcelsmes šķiedrvielu proteīna kolagēna molekulārā struktūra (Avots: Nevit Dilmen, izmantojot Wikimedia Commons)
To galvenokārt veido āda, radzene, starpskriemeļu diski, cīpslas un asinsvadi. Kolagēna šķiedru veido paralēla trīskāršā spirāle, kas ir gandrīz viena trešdaļa no tikai aminoskābes glicīna.
Šis proteīns veido struktūras, kas pazīstamas kā "kolagēna mikrofibrilas", kuras sastāv no vairāku kolagēna trīskāršu helikļu savienības kopā.
Elastīns
Tāpat kā kolagēns, elastīns ir olbaltumviela, kas ir saistaudu daļa. Tomēr atšķirībā no pirmā tas nodrošina audiem elastību, nevis pretestību.
Elastīna šķiedras sastāv no aminoskābēm valīna, prolīna un glicīna. Šīs aminoskābes ir ļoti hidrofobas, un ir noteikts, ka šī šķiedrainā proteīna elastība ir saistīta ar elektrostatisko mijiedarbību tā struktūrā.
Elastīna ir daudz audos, kas intensīvi pakļauti pagarināšanas un relaksācijas cikliem. Mugurkaulniekiem tas ir atrodams artērijās, saitēs, plaušās un ādā.
Keratīns
Keratīns ir proteīns, kas galvenokārt atrodams mugurkaulnieku ektodermālajā slānī. Šis proteīns cita starpā veido tikpat svarīgas struktūras kā matus, nagus, ērkšķus, spalvas, ragus.
Keratīns var sastāvēt no α-keratīna vai β-keratīna. Α-keratīns ir daudz stingrāks nekā β-keratīns. Tas notiek tāpēc, ka α-keratīnu veido α-heikli, kas ir bagāti ar aminoskābi cisteīnu, kurai ir spēja veidot disulfīdu tiltus ar citām vienādām aminoskābēm.
No otras puses, β-keratīnā tas sastāv vairāk no polārajām un apolārajām aminoskābēm, kas var veidot ūdeņraža saites un ir sakārtotas salocītās β loksnēs. Tas nozīmē, ka tā struktūra ir mazāk izturīga.
Fibroin
Tas ir proteīns, kas veido zirnekļa tīklu un pavedienus, ko ražo zīdtārpiņi. Šie pavedieni sastāv galvenokārt no aminoskābēm glicīna, serīna un alanīna.
Šo olbaltumvielu struktūras ir β-loksnes, kas organizētas antiparalēli kvēldiega orientācijai. Šī īpašība piešķir tai pretestību, elastību un nelielu spēju izstiepties.
Fibroīns nav ļoti labi šķīstošs ūdenī, un tā lielā elastība ir parādā lielajai stingrībai, ko aminoskābju savienība piešķir tai sākotnējā struktūrā, un Vander Waals tiltiem, kas veidojas starp aminoskābju sekundārajām grupām.
Atsauces
- Beilijs, K. (1948). Šķiedru olbaltumvielas kā bioloģisko sistēmu sastāvdaļas. Lielbritānijas medicīnas biļetens, 5 (4-5), 338-341.
- Huggins, ML (1943). Šķiedru olbaltumvielu struktūra. Chemical Reviews, 32 (2), 195–218.
- Kaplans, DL (1998). Šķiedru olbaltumvielas-zīds kā parauga sistēma. Polimēru noārdīšanās un stabilitāte, 59 (1-3), 25-32.
- Parry, DA, & Creamer, LK (1979). Šķiedru olbaltumvielas, zinātniskie, rūpnieciskie un medicīniskie aspekti. Starptautiskajā konferencē par šķiedru olbaltumvielām 1979. gadā: Massey University). Akadēmiskā prese.
- Parry, DA, & Squire, JM (2005). Šķiedru olbaltumvielas: atklāti jauni strukturālie un funkcionālie aspekti. In Advances in protein protein (70 sēj., 1.-10. Lpp.). Akadēmiskā prese.
- Šmits, FO (1968). Šķiedraini proteīni - neironu organelli. Amerikas Savienoto Valstu Nacionālās zinātņu akadēmijas raksti, 60 (4), 1092.
- Wang, X., Kim, HJ, Wong, C., Vepari, C., Matsumoto, A., & Kaplan, DL (2006). Šķiedru olbaltumvielas un audu inženierija. Materiāli šodien, 9 (12), 44-53.