Aminokiseline, peptidi i proteini

Aminokiseline su osnovne gradivne jedinice proteina. Svaka aminokiselina građena je od atoma ugljika na koji su vezani atom vodika, amino-skupina, karboksilna skupina te bočni ogranak po kojemu se aminokiseline međusobno razlikuju.

Dijele se na temelju sličnosti struktura bočnih ogranaka. Tako aminokiseline mogu biti neutralne, kisele i bazične. Najjednostavnije aminokiseline jesu glicin (Gly) i alanin (Ala).

U molekulama svih aminokiselina (osim glicina) α-ugljikov atom je kiralan. S obzirom na konfiguraciju α-ugljikovog atoma, sve prirodne aminokiseline koje ulaze u sastav proteina jesu L-relativne konfiguracije (poput L-gliceraldehida). D-aminokiseline ne ulaze u metabolizam sisavaca, a u staničnoj stijenci nekih bakterija nalazi se D-alanin.

U vodenim otopinama aminokiselina zbiva se kiselo-bazna reakcija. Prevladavajući oblik molekule aminokiseline ovisi o pH-vrijednosti otopine. Tako će u jako kiseloj vodenoj otopini amino-skupina molekule aminokiseline je protonirana i pozitivno nabijena, a u jako lužnatoj vodenoj otopini karboksilna skupina molekula aminokiseline negativno je nabijena. pH vrijednost vodene otopine aminokiselina odgovarat će vrijednosti izoelektrične točke. U toj točki molekula je prisutna u obliku dipolarnog iona koji se još naziva i zwitterion.

Amino-skupina svih aminokiselina reagira s ninhidrinom. Pri tome nastaje spoj koji otopini daje tipičnu plavoljubičastu boju. S druge strane, aminokiselina prolin ima sekundarnu α-amino-skupinu te će u reakciji s ninhidrinom dajti žutu boju. Ninhidrin-reakcija primjenjuje se za kvalitativnu ¡ kvantitativnu analizu aminokiselina.

Peptidi

Peptidi su kemijski spojevi građeni od dvije ili više aminokiselina. Unutar strukture peptida, aminokiseline povezuju se peptidnim vezama na način da prva aminokiselina s drugom ostvaruje vezu preko karboksilne skupine, a druga aminokiselina ostvaruje vezu s prvom preko amino-skupine.

Proteini

Proteini su linearni polimeri nastali povezivanjem velikog broja aminokiselina. Prva aminokiselina u aminokiselinskom slijedu proteina naziva se N-terminalna aminokiselina (amino-skupina joj je slobodna), dok se posljednja naziva C-terminalna (karboksilna skupina joj je slobodna).

Proteini se dijele na jednostavne i složene. Jednostavni su složeni isključivo od aminokiselina (inzulin), a složeni u svome sastavu sadrže i neke prostetičke skupine. Tako se u sklopu proteina hemoglobina nalaze i prostetičke skupine koje se nazivaju hem skupine.

Proteine je moguće dokazati korištenjem određenih reagensa.
U biuret-reakciji, proteini se dokazuju korištenjem bazične otopine bakrovih(II) iona pri čemu dolazi do promjene boje iz svjetlo-plave u tamno-plavo-ljubičastu boju.
U ksantoproteinskoj reakciji, proteini s aromatskim bočnim ograncima dokazuju se korištenjem dušične kiseline. U toj reakciji dolazi do pojave žutog obojenja.

Strukturu proteina moguće detaljno opisati primarnom, sekundarnom, tercijarnom i kvaternom strukturom.
Primarna struktura pokazuje slijed aminokiselina u proteinu.
Sekundarna struktura proteina definira prostorni raspored aminokiselina u polipeptidnom lancu. Ona je posljedica stvaranja vodikovih veza između kisikovih atoma u C=O skupini i vodikovih atoma u N−H skupini prostorno bliskih aminokiselina. Opisana je strukturnim motivima koji se nazivaju alfa-uzvojnicom i beta-pločom.
Tercijarna struktura proteina definira prostorni razmještaj svih atoma u molekuli proteina (smatanje polipeptidnog lanca). Prema njoj, proteini mogu biti globularni (kuglasti) i fibrilarni (vlaknasti). Tercijarnu strukturu stabiliziraju nekovalentne interakcije između bočnih ogranaka aminokiselina (vodikove veze, van der Waalsove sile i elektrostatske privlačne sile). Kovalentne disulfidne veze (S-S) nastale iz dviju tiolnih skupina (-SH) u bočnim ograncima cisteina. Definiraju se između udaljenijih dijelova molekule proteina dajući im svojstven oblik u prostoru (konformacija) o kome ovise funkcija i aktivnost proteina.
Kvaterna struktura tipična je za proteine koji se sastoje od dvaju ili više polipeptidnih lanaca. U njoj, svaki polipeptidni lanac jest jedna podjedinica, a podjedinice na okupu drže nekovalentna međudjelovanja. Primjer proteina, koji posjeduje kvaternu strukturu jest hemoglobin. Hemoglobin je izgrađen od dvaju alfa-lanaca (141 aminokiselina po lancu), dvaju beta-lanaca (146 aminokiselina po lancu) te četiriju molekula hema. On prenosi kisik od pluća do tkiva, gdje ga preuzima i skladišti protein mioglobin.

Nativna (prirodna) konformacija proteina jest konformacija u kojoj proteini očituju svoju biološku aktivnost. Denaturiranje je proces gubitka aktivnosti proteina promjenom uvjeta kao što su zagrijavanj te dodatkom nekih kemikalija (kiseline, lužine, organska otapala, ioni teških metala). Denaturacija uključuje cijepanje veza koje stabiliziraju tercijarnu strukturu proteina i njome se ne mijenja primarna struktura proteina. To je najčešće nepovratan proces, a u nekim je slučajevima denaturiranje povratno – renaturacija.

Enzimi

Enzimi su po strukturi najčešće proteini, a zbog svoje katalitičke moći nazivaju se biokatalizatori.

Imena enzima obično završavaju nastavkom -aza te su obično trivijalna.

Enzime je moguće podijeliti prema tipu reakcije koju kataliziraju.
Oksidaze kataliziraju oksido-redukcijske procese.
Transferaze prenose određene skupine atoma.
Hidrolaze kataliziraju cijepanje veza u prisutnosti vode.
Lijaze kataliziraju cijepanje kemijskih veza.
Izomeraze kataliziraju promjene unutar molekule.
Ligaze kataliziraju spajanje dviju molekula kovalentnim vezama.

Enzimi posjeduju visoku specifičnost i prema vrsti reakcije koju kataliziraju i prema vrsti supstrata. U biološkom sustavu obično reagiraju samo s jednim supstratom. Pa tako postoje stereospecifični enzimi koji su kiralni katalizator, prihvaćaju samo jedan enantiomer kao supstrat. To je iznimno važno u kemiji lijekova (često su kiralne molekule), gdje jedan jedan enatiomer ima ljekovita svojstva, a drugi je često štetan.

Enzim djeluje po principu "ključ-brava". Prema tom principu, supstrat se veže na enzim slabim interakcijama (rijetko kovalentnim vezama) u enzim-supstrat kompleks. Nakon djelovanja enzima, kompleks se raspada, pri čemu enzim ostaje nepromijenjen.

Inhibitori su specifične molekule ili ioni koji mogu usporiti enzimsku aktivnost.
Ireverzibilni inhibitori kovalentnim vezama vežu se za enzim te potpuno blokiraju enzimsku aktivnost (primjerice, živčani bojni otrovi).
Reverzibilni inhibitori za enzim se vežu slabijim vezama te enzim ne čine trajno katalitički neaktivnim. Nakon uklanjanja s enzima, enzimu se vraća aktivnost.
Konkurentski (kompeticijski) inhibitori su strukturno slični supstratu. Vežu se u aktivno mjesto enzima sprječavajući vezanje supstrata
Nekonkurentski (nekompeticijski) inhibitori vežu se za molekulu enzima izvan aktivnoga mjesta pa se supstrat može vezati u aktivno mjesto. Tada se enzimu narušava nativna konformacija i smanjuje mu se katalitička aktivnost.