ŠTRUKTURÁLNE PROTEÍNY: FUNKCIE, PRÍKLADY A CHARAKTERISTIKY - BIOLÓGIE - 2025

Tieto štruktúrne proteíny sú hlavné proteíny prítomné vo všetkých eukaryotických bunkách, teda bunky, tak zvierat a rastlín. Sú súčasťou vysoko rozmanitých biologických štruktúr, ako sú pokožka, vlasy, pavučina, hodváb, spojivové tkanivo, bunkové steny rastlín atď.

Aj keď sa výraz „štrukturálny proteín“ bežne používa na označenie proteínov, ako je napríklad kolagén, keratín a elastín, existujú aj dôležité intracelulárne štrukturálne proteíny, ktoré prispievajú k udržiavaniu vnútornej štruktúry buniek.

Fotografia kolagénových vlákien typu I, triedy štruktúrneho proteínu (Zdroj: Louisa Howard cez Wikimedia Commons)

Tieto proteíny, ktoré patria do cytoskeletu, tiež kontrolujú subcelulárne umiestnenie organel a poskytujú transportné a komunikačné mechanizmy medzi nimi.

Niektoré štrukturálne proteíny boli študované podrobne a umožnili lepšie porozumieť všeobecnej proteínovej štruktúre. Príkladmi sú hodvábny fibroín, kolagén a ďalšie.

Napríklad zo štúdie hodvábneho fibroínu bola opísaná sekundárna proteínová štruktúra ß-skladaných listov a z prvých štúdií uskutočnených s kolagénom bola odvodená sekundárna štruktúra trojzávitnicového systému.

Preto sú štrukturálne proteíny nevyhnutné tak v rámci jednotlivých buniek, ako aj v tkanivách, ktoré tvoria.

Vlastnosti

Funkcie štrukturálnych proteínov sú dosť rozdielne a závisia predovšetkým od typu daného proteínu. Dalo by sa však povedať, že jeho hlavnou funkciou je udržiavanie štruktúrnej integrity buniek a v širšom zmysle štruktúry tela.

Pokiaľ ide o telesné štrukturálne proteíny, má napríklad keratín okrem iného funkcie v ochrane a pokrytí, v obrane, pohybe.

Epiderma kože cicavcov a iných zvierat obsahuje veľké množstvo vlákien vyrobených z keratínu. Táto vrstva má funkciu pri ochrane tela pred rôznymi typmi stresových faktorov alebo škodlivými faktormi.

Trny a brky, ako aj rohy a zobáky, pazúry a nechty, ktoré sú keratinizovanými tkanivami, majú funkciu pri ochrane a obrane tela.

Vlna a srsť mnohých zvierat sa priemyselne využívajú na výrobu odevov a iných druhov odevov, pre ktoré majú ďalší význam, antropocentricky.

Bunkové štrukturálne proteíny

Z hľadiska buniek majú štrukturálne proteíny transcendentálne funkcie, pretože vytvárajú vnútornú štruktúru, ktorá dáva každej bunke jej charakteristický tvar: cytoskelet.

V rámci cytoskeletu sa štrukturálne proteíny, ako aktín, tubulín, myozín a ďalšie, podieľajú aj na transportných a interných komunikačných funkciách, ako aj na udalostiach bunkovej mobility (v bunkách schopných pohybu).

Napríklad existencia rias a bičíkov je vysoko závislá od štrukturálnych proteínov, ktoré tvoria silné a tenké vlákna zložené z aktínu a tubulínu.

Príklady štruktúrnych proteínov a ich vlastnosti

Pretože existuje veľká rozmanitosť štrukturálnych proteínov, nižšie sú uvedené iba príklady najdôležitejších a hojných eukaryotických organizmov.

Baktérie a iné prokaryoty, spolu s vírusmi, tiež obsahujú dôležité štruktúrne proteíny vo svojich bunkových telách, najväčšia pozornosť je však zameraná na eukaryotické bunky.

aktínu

Actin je proteín, ktorý vytvára vlákna (aktínové vlákna) známe ako mikrofilúty. Tieto mikrovlákna sú veľmi dôležité v cytoskelete všetkých eukaryotických buniek.

Aktínové vlákna sú dvojreťazcové špirálové polyméry. Tieto flexibilné štruktúry majú priemer 5 až 9 nm a sú usporiadané ako lineárne lúče, dvojrozmerné siete alebo trojrozmerné gély.

Aktín je distribuovaný v bunke, je však zvlášť koncentrovaný vo vrstve alebo kôre pripojenej k vnútornej strane plazmovej membrány, pretože je základnou súčasťou cytoskeletu.

-Collagen

Kolagén je proteín prítomný u zvierat a je zvlášť hojný u cicavcov, ktorí majú najmenej 20 rôznych génov kódujúcich rôzne formy tohto proteínu, ktoré sa nachádzajú v ich tkanivách.

Nachádza sa predovšetkým v kostiach, šliach a koži, kde predstavuje viac ako 20% z celkovej bielkovinovej hmotnosti cicavcov (viac ako percento akéhokoľvek iného proteínu).

V spojivových tkanivách, kde sa nachádza, je kolagén dôležitou súčasťou vláknitej časti extracelulárnej matrice (ktorá je tiež zložená zo základnej látky), kde vytvára elastické vlákna, ktoré podporujú veľké ťahové sily.

Štruktúra kolagénových vlákien

Kolagénové vlákna sa skladajú z jednotných podjednotiek molekúl tropokolagénu, ktoré sú dlhé 280 nm a priemery 1,5 nm. Každá molekula tropokolagénu je vytvorená z troch polypeptidových reťazcov známych ako alfa reťazce, ktoré sa navzájom asociujú ako trojitá špirála.

Každý z alfa reťazcov má okolo 1 000 aminokyselinových zvyškov, v ktorých sú veľmi bohaté glycín, prolín, hydroxyprolín a hydroxylyzín (čo platí aj pre iné štrukturálne proteíny, ako je keratín).

V závislosti od typu uvažovaného kolagénového vlákna sa nachádzajú na rôznych miestach a majú odlišné vlastnosti a funkcie. Niektoré sú špecifické pre kosti a dentín, zatiaľ čo iné sú súčasťou chrupavky a tak ďalej.

-Keratin

Keratín je najdôležitejší štruktúrny proteín keratinocytov, jeden z najhojnejších typov buniek v epiderme. Je to nerozpustný vláknitý proteín, ktorý sa tiež nachádza v bunkách a celých skupinách mnohých zvierat.

Po kolagéne je keratín druhým najhojnejším proteínom v tele cicavcov. Okrem toho, že je podstatnou časťou vonkajšej vrstvy pokožky, je to hlavný štrukturálny proteín vlasov a vlny, nechtov, pazúrov a paznechtov, peria a rohov.

V prírode existujú rôzne typy keratínov (analogické rôznym typom kolagénu), ktoré majú rôzne funkcie. Alfa a beta keratíny sú najznámejšie. Prvý z nich tvorí nechty, rohy, brky a epidermu cicavcov, zatiaľ čo druhý z nich je bohatý na zobáky, šupiny a perie plazov a vtákov.

-Elastin

Elastín, ďalší proteín živočíšneho pôvodu, je kľúčovou zložkou extracelulárnej matrice a má dôležitú úlohu v elasticite a odolnosti mnohých tkanív stavovcov.

Tieto tkanivá zahŕňajú tepny, pľúca, väzivo a šľachy, kožu a elastickú chrupavku.

Elastín obsahuje viac ako 80% elastických vlákien prítomných v extracelulárnej matrici a je obklopený mikrofibrílami zloženými z rôznych makromolekúl. Štruktúra matríc vytvorených z týchto vlákien sa medzi rôznymi tkanivami líši.

V artériách sa tieto elastické vlákna usporiadajú do sústredných prstencov okolo arteriálneho lúmenu; V pľúcach tvoria elastínové vlákna tenkú sieť v celom orgáne a sústreďujú sa v oblastiach, ako sú napríklad otvory alveolov.

V šľachách sú elastínové vlákna orientované rovnobežne s tkanivovou organizáciou a v elastickej chrupavke sú usporiadané v trojrozmernej konfigurácii podobnej voštine.

-Extensines

Rastlinné bunkové steny sa skladajú hlavne z celulózy, avšak niektoré proteíny, ktoré sú spojené s touto štruktúrou, majú funkčný a štrukturálny význam.

Extensíny sú jedným z najznámejších proteínov steny a vyznačujú sa opakovanou pentapetidovou sekvenciou Ser- (Hyp) 4. Sú bohaté na základné zvyšky, ako je lyzín, ktorý prispieva k ich interakcii s ostatnými zložkami bunkovej steny.

Jeho funkcia súvisí s kalením alebo spevnením stien. Podobne ako iné štrukturálne proteíny u zvierat, aj v rastlinách existujú rôzne typy extenzínov, ktoré sú exprimované rôznymi typmi buniek (nie všetky bunky produkujú extenzíny).

Napríklad u sójových bôbov extensíny produkujú bunky sklerenchýmu, zatiaľ čo v tabakových rastlinách sa ukázalo, že bočné korene majú dve vrstvy buniek, ktoré tieto proteíny exprimujú.

-list

Bunkové organely majú tiež svoje vlastné štruktúrne proteíny, ktoré sú zodpovedné za udržiavanie ich tvaru, pohyblivosti a mnohých ďalších fyziologických a metabolických procesov, ktoré sú s nimi vlastné.

Vnútorná oblasť jadrovej membrány je spojená so štruktúrou známou ako jadrová vrstva a obe majú veľmi špeciálne proteínové zloženie. Medzi proteíny, ktoré tvoria jadrovú laminu, patria proteíny nazývané laminae.

Laminy patria do skupiny medziproduktov typu V a existuje niekoľko typov, najznámejšie sú A a B. Tieto proteíny môžu interagovať navzájom alebo s inými vnútornými prvkami jadra, ako sú matricové proteíny, chromatín a vnútorná jadrová membrána.

Referencie

1. Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., … Walter, P. (2004). Esenciálna bunková biológia. Abingdon: Garland Science, Taylor & Francis Group.
2. Gartner, L., & Hiatt, J. (2002). Textový atlas histológie (2. vydanie). Mexico DF: McGraw-Hill Interamericana Editors.
3. Gruenbaum, Y., Wilson, KL, Harel, A., Goldberg, M., & Cohen, M. (2000). Recenzia: Jadrové lamíny - štrukturálne bielkoviny so základnými funkciami. Journal of Structural Biology, 129, 313 - 323.
4. Keller, B. (1993). Proteíny štruktúrnej bunkovej steny. Plant Physiology, 101, 1127-1130.
5. Mithieux, BSM, & Weiss, AS (2006). Elastín. Advances in Protein Chemistry, 70, 437-461.
6. Sun, T., Shih, C., & Green, H. (1979). Keratínové cytoskeletóny v epitelových bunkách vnútorných orgánov. Proc. Natl. Acad. Sci., 76 (6), 2813 - 2817.
7. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratín: Štruktúra, mechanické vlastnosti, výskyt v biologických organizmoch a snaha o bioinspiráciu. Pokrok v materiálovej vede.