Tieto vláknité proteíny , známe tiež ako skleroproteiny, sú skupinou proteínov, ktoré sú dôležité konštrukčné prvky akékoľvek živé bunky. Kolagén, elastín, keratín alebo fibroín sú príkladmi tohto typu proteínov.
Plnia veľmi rozmanité a zložité funkcie. Najdôležitejšie sú ochrany (ako sú napríklad chrbtice ošípaných) alebo podpory (ako napríklad tá, ktorá pavúkom poskytuje pavučinu, ktorú sami tkajú a ktorá ich drží zavesenú).
Opakovaná štruktúra hodvábneho fibroínu, vláknitého proteínu (Zdroj: Sponk prostredníctvom Wikimedia Commons)
Vláknité proteíny sa skladajú z úplne predĺžených polypeptidových reťazcov, ktoré sú usporiadané do druhu „vlákna“ alebo „lana“ s vysokou rezistenciou. Tieto proteíny sú mechanicky veľmi silné a nerozpustné vo vode.
Zložky vláknitých proteínov sú väčšinou polyméry postupne sa opakujúcich aminokyselín.
Ľudstvo sa pokúsilo obnoviť vlastnosti vláknitých proteínov pomocou rôznych biotechnologických nástrojov, avšak objasnenie s takou presnosťou nie je ľahké usporiadať každú aminokyselinu v polypeptidovom reťazci.
štruktúra
Vláknité proteíny majú vo svojej štruktúre relatívne jednoduché zloženie. Spravidla sa skladajú z troch alebo štyroch aminokyselín spojených dohromady, ktoré sa mnohokrát opakujú.
To znamená, že ak je proteín tvorený aminokyselinami, ako je lyzín, arginín a tryptofán, ďalšou aminokyselinou, ktorá sa bude viazať na tryptofán, bude opäť lyzín, za ktorým nasleduje arginín a ďalšia molekula tryptofánu, atď.
Existujú vláknité proteíny, ktoré majú aminokyselinové motívy s odstupom dvoch alebo troch rôznych aminokyselín, s výnimkou opakujúcich sa motívov ich sekvencií, a v iných proteínoch môže byť aminokyselinová sekvencia vysoko variabilná, 10 alebo 15 rôznych aminokyselín.
Štruktúry mnohých vláknitých proteínov boli charakterizované rôntgenovou kryštalografiou a metódami nukleárnej magnetickej rezonancie. Vďaka tomu boli podrobne opísané vláknité proteíny, rúrkovité, laminárne, špirálové, tvarované ako "lievik" atď.
Každý jedinečný polypeptid s opakovaným vzorom tvorí vlákno a každé vlákno je jednou zo stoviek jednotiek, ktoré tvoria ultraštruktúru „vláknitého proteínu“. Všeobecne je každé vlákno usporiadané skrutkovo voči sebe.
Vlastnosti
Vzhľadom na sieť vlákien, ktoré tvoria vláknité proteíny, ich hlavné funkcie spočívajú v tom, že slúžia ako štrukturálny materiál na podporu, odolnosť a ochranu tkanív rôznych živých organizmov.
Ochranné štruktúry tvorené vláknitými proteínmi môžu chrániť životne dôležité orgány stavovcov pred mechanickými otrasmi, nepriaznivými poveternostnými podmienkami alebo útokom predátorov.
Úroveň špecializácie vláknitých proteínov je v živočíšnej ríši jedinečná. Napríklad pavučina je nevyhnutnou podpornou látkou pre spôsob života, ktorý pavúky vedú. Tento materiál má jedinečnú pevnosť a flexibilitu.
Toľko, že sa dnes mnoho syntetických materiálov pokúša obnoviť flexibilitu a odolnosť pavučiny, dokonca aj pomocou transgénnych organizmov na syntézu tohto materiálu pomocou biotechnologických nástrojov. Je však potrebné poznamenať, že očakávaný úspech sa ešte nedosiahol.
Dôležitou vlastnosťou vláknitých proteínov je to, že umožňujú spojenie medzi rôznymi tkanivami stavovcov.
Všestranné vlastnosti týchto proteínov navyše umožňujú živým organizmom vytvárať materiály, ktoré kombinujú silu a flexibilitu. To je v mnohých prípadoch to, čo tvorí základné zložky pre pohyb svalov stavovcov.
Príklad vláknitého proteínu
kolagén
Je to proteín živočíšneho pôvodu a je pravdepodobne jedným z najhojnejších v tele stavovcov, pretože tvorí väčšinu spojovacích tkanív. Kolagén vyniká svojimi silnými, roztiahnuteľnými, nerozpustnými a chemicky inertnými vlastnosťami.
Molekulárna štruktúra kolagénu, vláknitého proteínu živočíšneho pôvodu (Zdroj: Nevit Dilmen prostredníctvom Wikimedia Commons)
Väčšinou sa skladá z kože, rohovky, medzistavcových platničiek, šliach a krvných ciev. Kolagénové vlákno sa skladá z paralelnej trojitej špirály, ktorá je takmer jednou tretinou aminokyseliny glycínu.
Tento proteín tvorí štruktúry známe ako „kolagénové mikrofibrily“, ktoré pozostávajú zo spojenia niekoľkých kolagénových trojitých helixov dohromady.
elastín
Podobne ako kolagén, elastín je proteín, ktorý je súčasťou spojivového tkaniva. Na rozdiel od prvého však poskytuje tkanivám pružnosť namiesto odporu.
Elastínové vlákna sa skladajú z aminokyselín valínu, prolínu a glycínu. Tieto aminokyseliny sú vysoko hydrofóbne a zistilo sa, že elasticita tohto vláknitého proteínu je spôsobená elektrostatickými interakciami v jeho štruktúre.
Elastín je hojný v tkanivách, ktoré sú intenzívne vystavené predlžovacím a relaxačným cyklom. U stavovcov sa nachádza v tepnách, väzoch, pľúcach a koži.
keratín
Keratín je proteín nachádzajúci sa prevažne v ektodermálnej vrstve stavovcov. Tento proteín vytvára okrem iného dôležité štruktúry, ako sú vlasy, nechty, tŕne, perie, rohy.
Keratín môže pozostávať z a-keratínu alebo P-keratínu. Α-keratín je omnoho tuhší ako p-keratín. Je to tak preto, že a-keratín je tvorený a helixmi, ktoré sú bohaté na aminokyselinu cysteín, ktorý má schopnosť tvoriť disulfidové mostíky s inými rovnakými aminokyselinami.
Na druhej strane v p-keratíne je zložený z väčšej časti polárnych a nepolárnych aminokyselín, ktoré môžu tvoriť vodíkové väzby a ktoré sú usporiadané do zložených p listov. To znamená, že jeho štruktúra je menej odolná.
fibrín
Toto je proteín, ktorý tvorí pavučinu a vlákna vyrobené z priadky morušovej. Tieto vlákna pozostávajú väčšinou z aminokyselín glycín, serín a alanín.
Štruktúry týchto proteínov sú p-listy usporiadané antiparalelne s orientáciou vlákna. Táto vlastnosť mu dodáva odolnosť, flexibilitu a malú schopnosť napnúť sa.
Fibroín je slabo rozpustný vo vode a vďačí za svoju veľkú flexibilitu veľkej rigidite, ktorú mu dáva spojenie aminokyselín v jeho primárnej štruktúre, a mostíkom Vander Waals, ktoré sa tvoria medzi sekundárnymi skupinami aminokyselín.
Referencie
- Bailey, K. (1948). Vláknité bielkoviny ako zložky biologických systémov. Britský lekársky bulletin, 5 (4-5), 338-341.
- Huggins, ML (1943). Štruktúra vláknitých proteínov. Chemical Reviews, 32 (2), 195-218.
- Kaplan, DL (1998). Vláknité proteíny-hodváb ako modelový systém. Degradácia polyméru a stabilita, 59 (1-3), 25-32.
- Parry, DA, a Creamer, LK (1979). Vláknité bielkoviny, vedecké, priemyselné a lekárske aspekty. Na medzinárodnej konferencii o vláknitých proteínoch 1979: Massey University). Academic Press.
- Parry, DA, a Squire, JM (2005). Vláknité proteíny: odhalili sa nové štrukturálne a funkčné aspekty. In Advances in Chemistry of Chemistry (Vol. 70, str. 1-10). Academic Press.
- Schmitt, FO (1968). Vláknité bielkoviny - neurónové organely. Zborník Národnej akadémie vied Spojených štátov amerických, 60 (4), 1092.
- Wang, X., Kim, HJ, Wong, C., Vepari, C., Matsumoto, A., & Kaplan, DL (2006). Vláknité bielkoviny a tkanivové inžinierstvo. Materiály dnes, 9 (12), 44-53.