4.4. Proteine

4.4.1. Caracterizare generală

Proteinele sunt compuşi macromoleculari a căror moleculă este constituită din resturi de -aminoacizi. Prin hidroliza proteinelor, de exemplu prin încălzirea lor cu acizi sau baze concentrate sau prin acţiunea asupra lor a enzimelor proteolitice, se obţine un amestec de -aminoacizi. Aceste elemente structurale - „cărămizi de construcţie” - conţin cel puţin o grupă carboxil şi o grupă - amino, dar diferă între ele prin natura radicalilor R. În mod obişnuit, la hidroliza proteinelor se formează 20 de aminoacizi diferiţi care se deosebesc între ei prin mărimea acestor radicali.

Pot fi radicali mai mici (ca –H la glicină sau –CH3 la alanină), sau mai mari (triptofan, leucină). Există atât radicali nepolari (la valină, leucină, fenilalanină etc.), cât şi polari neîncărcaţi (la tirozină, cisteină, serină) şi radicali polari încărcaţi (la lizină, arginină, acid glutamic etc.). Toate grupele funcţionale ale proteinelor se găsesc în lanţurile laterale (radicali), cu excepţia unei grupei aminice terminale şi respectiv, a unei grupe carboxilice terminale la capetele libere ale lanţului polipeptidic.

În funcţie de compoziţia lor, proteinele se împart în două clase principale: proteine simple şi proteine conjugate. Proteinele simple sunt cele care la hidroliză dau numai aminoacizi; proteinele conjugate sunt cele care la hidroliză dau, pe lângă aminoacizi şi alţi compuşi organici sau anorganici care alcătuiesc aşa numita „grupare prostetică”.

În moleculele proteice, resturile de aminoacizi sunt legate covalent formând lanţuri foarte lungi, neramificate. Ei sunt uniţi într-un aranjament cap-coadă prin legături peptidice.

Aceste lanţuri sunt de fapt polipeptide a căror lungime poate fi foarte variată, de la câteva zeci la mai multe sute de resturi de aminoacid. In general, într-un lanţ nu pot fi mai mult de 600 de resturi de aminoacid (coeficient de policondensare).

Sunt molecule de proteine care conţin un singur lanţ polipeptidic, altele sunt alcătuite din câteva astfel de lanţuri. Astfel, molecula de ribonuclează este formată dintr-un singur lanţ polipeptidic, constituit din 124 de resturi de aminoacizi, molecula insulinei conţine două lanţuri, unul cu 21 de aminoacizi, celălalt cu 30 de aminoacizi. Orice proteină care are o masă moleculară mai mare de 50.000-60.000 este alcătuită din două sau mai multe lanţuri polipeptidice.

Deşi tipul aminoacizilor din molecula proteică nu este foarte divers, posibilitatea diferitelor permutări este aproape fără limită şi greu de descifrat. Se cunoaşte, la ora actuală, succesiunea resturilor de aminoacizi pentru o serie întreagă de molecule de proteine: insulină, ribonuclează, lizozim, tripsinogen, pepsină, mioglobină, hemoglobină, papaină etc.

Pe lângă legătura peptidică , care constituie legătura de bază, în moleculele de proteine se mai întâlnesc legăturile disulfidice, de hidrogen, ionice şi nepolare. (Figura 4.3.)

Legătura disulfidică este o legătură covalentă, care se formează ca rezultat al separării hidrogenului din grupa –SH a două molecule de cisteină. Ea poate uni atât lanţurile izolate, cât şi puncte diferite ale aceluiaşi lanţ, ceea ce conduce la formarea de pliuri. Pentru multe proteine, asemenea legături disulfidice sunt factori structurali hotărâtori. Astfel, punţile disulfidice se formează între resturile de cisteină ale celor două lanţuri peptidice ale insulinei. Cu ajutorul acestor legături covalente se fixează în anumite locuri diferite segmente ale lanţului polipeptidic al ribonucleazei.

Un rol important în menţinerea structurii moleculei proteice îl au legăturile de hidrogen. În legătura peptidică, electronegativitatea grupei –CO- este mai mare decât a unei grupe cetonice obişnuite. În mod analog, grupa –NH- este puternic electropozitivă. De aceea, atomul de oxigen al unei legături peptidice este capabil de a concura la atomul de hidrogen care este legat la atomul de azot al altei legături peptidice. Acest atom de hidrogen este atras de atomul de oxigen al primei legături peptidice. În felul acesta, atomul de hidrogen, ca verigă de legătură, formează un gen de punte între atomii de oxigen şi azot, aşa-numita punte de hidrogen. Legăturile de hidrogen se pot forma şi între resturile aminoacizilor, de exemplu între restul de tirozină şi grupa carboxil, sau între restul imidazolic al histidinei şi grupa hidroxil.

Fig. 4.3. Tipurile de legături din moleculele proteice I- legătură ionică; II- legătură de hidrogen; III- legătură disulfidică;

IV- legătură hidrofobă

Grupele carboxil şi amino libere (terminale şi din radicali) ale resturilor de aminoacizi din lanţul polipeptidic, în condiţii fiziologice de pH, se găsesc în formă ionizată. Ca urmare, între ele iau naştere legături ionice.

În sfârşit, între radicalii hidrofobi ai diferiţilor aminoacizi acţionează forţe Van der Waals, care determină o slabă atracţie de natură electrostatică numai când grupele ce se întâlnesc se găsesc suficient de aproape una de alta. Aceste legături se pot întâlni, alături de altele, între grupele metil ale alaninei, resturile fenilalaninei şi triptofanului.

4.4.2. Structura proteinelor

Legăturile covalente şi necovalente din moleculele proteinelor determină configuraţia lanţului polipeptidic şi a întregii molecule proteice sau, cum se mai numeşte, conformaţia proteinelor, sau organizarea structurală a proteinelor. Conformaţia proteinelor determină proprietăţile lor fizico-chimice, chimice sau biologice.

În funcţie de conformaţia moleculelor proteice, se disting proteine globulare şi fibrilare. Proteinele fibrilare ale căror molecule sunt constituite din lanţuri polipeptidice paralele, relativ întinse, formează structurile filiforme sau în foaie pliată. Aceste proteine, în general nu sunt solubile în apă şi îndeplinesc în organism rol de elemente structurale (cheratina - proteina din păr etc.). Moleculele proteinelor globulare sunt constituite din lanţuri polipeptidice răsucite compact şi au o formă aproape sferică. Proteinele globulare sunt solubile în apă şi soluţii diluate de săruri şi îndeplinesc în organism funcţii dinamice (hemoglobina sângelui, pepsina – enzima din sucul gastric). Între proteinele globulare şi fibrilare există diferite forme de trecere: unele sunt fibrilare, dar se comportă ca cele globulare.

Analiza cu raze X a permis să se stabilească detaliat organizarea spaţială a moleculelor de proteine şi pe baza rezultatelor metodelor chimice obişnuite de investigaţii s-au definit patru nivele de organizare structurală a proteinelor. Între structuri există o multitudine de interdependenţe şi nu există delimitări precise, ele interacţionând în cadrul unei structuri generale unice. Interdependenţa dintre aceste structuri defineşte arhitectura de ansamblu a macromoleculelor proteice, care se manifestă prin existenţa unor particularităţi structurale şi proprietăţi funcţionale specifice fiecărei proteine.

Cele patru nivele de organizare care dau structura globală, de ansamblu, a moleculelor proteice sunt: primară, secundară, terţiară şi cuaternară.

4.4.2.1. Structura primară

Structura primară constă în structura chimică a proteinei respective, adică numărul total al aminoacizilor din care este formată, natura (tipul) acestora şi ordinea (secvenţa) în care sunt legaţi între ei prin legături peptidice .

Structura primară a moleculei proteice se caracterizează prin existenţa legăturilor peptidice puternic covalente şi prin succesiunea aminoacizilor care este specifică fiecărei proteine, adică toate moleculele ei sunt identice sub acest aspect. Această succesiune a aminoacizilor este precis determinată şi controlată genetic. (Figura 4.4.)

HHH

R2

NC

CN

CC

NC

CN

CC

NC

C

R1 R5

R4

R3

O O

O

O

O

H

H

H

H

HH

H

Fig. 4.4. Fragment din structura primară a unei proteine

Ca urmare, individualitatea structurală şi funcţională a fiecărei proteine este determinată de secvenţa aminoacizilor şi lungimea catenei polipeptidice.În structura primară, radicalii resturilor de aminoacizi (R1, R2, R3 etc.) aferenţi atomilor Cα sunt dispuşi alternativ, deasupra şi sub planurile legăturilor peptidice. Atomii de C şi N implicaţi în legăturile peptidice sunt coplanari şi nu se pot roti liber. Legătura care uneşte atomii α-carboxilic şi α-aminic posedă un caracter de dublă legătură parţială:

CN

O

H

CN

O

H

_

+

Stabilizarea prin rezonanţă a legăturii peptidice îi conferă un caracter de dublă legătură şi deci, o oarecare rigiditate a legăturii dintre atomii de C şi N.

Structura primară a proteinei determină, în mod decisiv, structurile de ordin superior şi mai ales structura secundară. În funcţie de natura radicalilor R, deci în funcţie de aminoacizii constituenţi şi de succesiunea acestora, depind interacţiunile care apar între diferitele elemente ale lanţului polipeptidic, adică punţile disulfidice, legăturile de hidrogen, ionice şi nepolare, care toate în ansamblu determină organizarea globală a structurii proteinelor.

4.4.2.2. Structura secundară

Reprezintă configuraţia spaţială regulată a lanţului polipeptidic sub formă „-helix” (elice ) sau „foaie pliată” (-structură) şi este determinată de dispunerea ordonată a lanţurilor prin formarea legăturilor de hidrogen între grupele –CO- şi –NH- ale aceluiaşi lanţ sau ale lanţurilor diferite. Formarea acestor legături de hidrogen intra şi intercatenare poate determina o serie de conformaţii (modificări ale formei) ale lanţului polipeptidic, care se pot subîmpărţi în două clase mari: structură spiralată (-helix) şi structură „foaie pliată”. Proteinele cu structură spiralată pot fi fie globulare (albumine şi globuline din proteinele oului, laptelui, pepsina etc.) fie fibrilare (miozina, elastina etc.). Structura „foaie pliată” este caracteristică proteinelor fibrilare de tipul keratinei (-keratina din păr, lână, unghii).

Conformaţia „-helix” (spiralată sau elicoidală) rezultă prin spiralarea catenei polipeptidice în spaţiu, cu o orientare spre dreapta sau spre stânga; predominantă este orientarea spre dreapta care este mai stabilă.

Conformaţia -helix reprezintă, de fapt, o catenă polipeptidică contractată care este menţinută prin legături de hidrogen intracatenare. Lanţurile peptidice capătă această configuraţie în mod spontan, deoarece este forma cu stabilitatea cea mai mare. (Figura 4.5.)

La o singură spiră a elicei se găsesc 3,6 resturi de aminoacizi, iar pasul elicei este 0,54 nm. Un rest de aminoacid ocupă 0,15 nm din înălţimea spiralei, iar unghiul de

înclinaţie al spiralei este de 26o. Perioada de identitate, adică lungimea unui segment al spiralei care se repetă în întregime pe parcursul ei, este de 2,7 nm şi

include 18 resturi de aminoacizi.

Fiecare atom de oxigen al grupei carbonil şi fiecare atom de azot din grupa imino participă la formarea legăturii de hidrogen. Oxigenul carbonilic al fiecărui rest este legat prin legătură de hidrogen cu azotul iminic al celui de al patrulea rest (socotind în lungul lanţului peptidic, înapoi). Aceasta se poate reprezenta în felul următor:

Deci, legăturile de hidrogen se stabilesc între elementele a două legături peptidice diferite, situate la o distanţă de trei secvenţe, adică la o distanţă de o tură din α-helix.

Legăturile de hidrogen dintre diferitele grupe Fig. 4.5. Conformaţie α-helix –CO- şi –NH- ale legăturilor peptidice sunt

dispuse paralel cu axa spiralei şi menţin lanţul în stare spiralată ordonată în jurul şi în lungul axei lui longitudinale. Radicalii R ai aminoacizilor ies din α-helix în afară şi pot interacţiona unul cu altul, creând condiţii prin care se rup legăturile de hidrogen şi se formează porţiuni liniare. De aceea, proteinele cu o spiralare deplină a lanţului peptidic se întâlnesc destul de rar. De obicei, spiralarea este parţială şi proteinele native conţin conformaţii α-helix regulate numai în anumite porţiuni, structura lor conţinând şi porţiuni nespiralate intercalate în regiuni elicoidale. Gradul de spiralare variază de la o proteină la alta şi, de exemplu, molecula de ribonuclează este spiralată în proporţie de 17%, iar a mioglobinei de 75%.

Unele proteine fibrilare sunt constituite numai din α-helixuri regulate. Astfel, α-keratinele constau din lanţuri polipeptidice dispuse în α-helix răsucit spre dreapta. În α-keratinele din păr şi lână, trei respectiv şapte asemenea α-helixuri pot fi răsucite unul în jurul altuia formând frânghii ale căror fibre componente sunt ţinute strâns de către legăturile disulfidice stabilite între ele. Această structură de frânghii răsucite (superhelix) o are şi colagenul – proteina fibrilară din oase, cartilagii, tendoane, piele. Superhelixul colagenului este format din trei catene α-helix cu răsucire de stânga. Fiecare catenă spiralată este înfăşurată în jurul axei proprii, precum şi în jurul unei axe comună celor trei catene.

Fibra de colagen se prezintă astfel ca o frânghie răsucită în care cele trei catene peptidice răsucite fiecare în parte şi toate trei împreună, sunt legate între ele prin legături de hidrogen intercatenare. O asemenea structură se caracterizează printr-o rigiditate foarte mare şi este determinată, în cazul colagenului, de proporţia mare de prolină, hidroxiprolină şi glicină.

Conformaţia „foaie pliată” reprezintă tot o conformaţie ordonată şi stabilizată prin legături de hidrogen, însă acestea se stabilesc intercatenar, între elementele legăturilor peptidice ce aparţin unor lanţuri diferite. Aceste legături de hidrogen intercatenare sunt dispuse aproape perpendicular pe axa catenei peptidice. Conformaţia „foaie pliată” este caracteristică multor proteine fibrilare, prototipul reprezentându-l β-keratina, proteina fibrilară din lână, păr, pene etc.

În această conformaţie, catenele polipeptidice pliate sunt dispuse antiparalel, între ele stabilindu-se legături de hidrogen intercatenare; se realizează astfel un aranjament spaţial de forma unei „foi pliate” (zig–zag) care este o conformaţie mai lejeră decât -helix. (Figura 4.6.)

La constituirea şi menţinerea unei asemenea conformaţii participă toate legăturile peptidice prin implicarea lor în formarea legăturilor de hidrogen. Ca urmare, structura în foaie pliată, denumită şi -conformaţie, se caracterizează printr-o mare stabilitate.

C

O

N

H

CH

R

C

O

N

3H

Radicalii R ai aminoacizilor se află repartizaţi alternativ, deasupra şi dedesubtul planurilor în zig-zag ale catenelor polipeptidice.

Fig. 4.6. Conformaţia în „foaie pliată”

Unii aminoacizi destabilizează structura de „foaie pliată”. Printre aceştia sunt, de exemplu, acidul glutamic, prolina, asparagina, histidina, serina şi lizina. Alţi aminoacizi, printre care metionina, valina şi izoleucina favorizează formarea β-structurii printr-o anumită distribuţie a lor în moleculă. Pentru a prognostica capacitatea de formare a „foii

pliate” sau a „α-helixului”, s-a propus regula care ţine seama de tendinţa unora sau altora din radicalii R ai aminoacizilor fie de a stabiliza, fie de a distruge aceste tipuri de structuri secundare.

4.4.2.3. Structura terţiară

Structura terţiară a proteinelor reprezintă împachetarea spaţială a lanţurilor polipeptidice care conţin porţiuni spiralate ce alternează cu porţiuni liniare. Această împachetare determină formarea unui corp compact. Cu alte cuvinte, structura terţiară indică în ce mod lanţul polipeptidic, răsucit total sau parţial, este aşezat în spaţiu. Aceasta este o structură tridimensională. La menţinerea structurii terţiare, ca şi la a celei secundare, iau parte legăturile de hidrogen dintre grupările peptidice, legăturile de hidrogen dintre lanţurile laterale ale resturilor de aminoacizi, legăturile ionice, legăturile disulfidice, nepolare sau hidrofobe.

Prin urmare, interacţiunile necovalente dintre zonele spiralate sau pliate ale lanţului polipeptidic, în asociaţie cu interacţiunile grupărilor radicalilor R şi ale grupărilor funcţionale ale scheletului moleculei, determină structura terţiară caracteristică pentru o anumită proteină. Momentul esenţial al formării structurii terţiare este prezenţa în molecula de proteină a zonelor hidrofobe care sunt formate de radicalii R nepolari.

Structura terţiară a proteinelor este determinată de succesiunea aminoacizilor în lanţul polipeptidic, de mărimea, forma şi polaritatea radicalilor resturilor de aminoacizi.

Configuraţia terţiară are o importanţă deosebită pentru proteinele globulare. Rezultatele analizelor cu raze X efectuate asupra proteinelor globulare demonstrează că lanţurile polipeptidice ale acestora sunt răsucite foarte compact. Toate sau aproape toate grupele R polare ale proteinelor globulare se găsesc la suprafaţa moleculei în stare hidratată, iar resturile hidrofobe sunt ascunse în interiorul globulei.

Deşi cea mai mare parte a resturilor hidrofobe este distribuită în interiorul globulei de proteină, iar pe suprafaţa sa exterioară, cu predilecţie se găsesc cele hidrofile, trebuie avut în vedere că situaţia nu este chiar aşa simplă.

Legarea proteinelor cu alte molecule, de exemplu legarea enzimei cu substratul său, se realizează, aproape întotdeauna, cu ajutorul puţinelor grupe hidrofobe existente la suprafaţa proteinei. Această zonă este de obicei nehidratată (sau puţin hidratată) pentru a se crea posibilitatea interacţiunii hidrofobe. Majoritatea lipidelor se formează sau se degradează prin interacţiunea cu enzimele. Această interacţiune trebuie să poarte un caracter hidrofob, ceea ce este valabil, de asemenea, pentru toate substraturile care conţin grupe R nepolare. În mod analog, multe enzime (sau alte proteine) prezente în biomembrane, sunt asociate solid cu diverse lipide. Interacţiunile de acest gen demonstrează structura „în mozaic” a suprafeţei proteinei, care în esenţă este hidrofilă, dar conţine şi puţine zone hidrofobe.

4.4.2.4. Structura cuaternară

Este prezentă numai la proteinele care posedă mai multe catene polipeptidice şi reprezintă aşezarea spaţială a subunităţilor legate prin legături necovalente într-o moleculă proteică unică ce are caracteristici specifice sub aspect structural şi funcţional.

Moleculele multor proteine sunt alcătuite din câteva lanţuri polipeptidice individuale legate unul de altul prin legături de hidrogen, ionice sau hidrofobe. În acelaşi timp, fiecare din lanţurile individuale poate avea structura sa primară, secundară şi terţiară proprie; aceste lanţuri polipeptidice ale aceleiaşi molecule se numesc subunităţi. Moleculele mari ale proteinelor sunt alcătuite, de regulă, din subunităţi cu masă moleculară relativ mică.

Moleculele proteinelor alcătuite din subunităţi se numesc oligomere, iar subunităţile poartă denumirea de protomeri. Aproape toate proteinele cu masă moleculară mai mare de 50.000 – 60.000 sunt oligomere. Din acest punct de vedere a fost studiată detaliat structura unor proteine şi cele mai complete date au fost obţinute pentru structura cuaternară a hemoglobinei, reprezentată de 4 protomeri uniţi prin legături necovalente, dispuşi în unghiurile unui tetraedru aproape regulat, alcătuind o moleculă aproape sferică.

Structura cuaternară a proteinelor are o importanţă deosebită în existenţa izoenzimelor (enzime care se întâlnesc la una şi aceeaşi specie biologică în diverse forme structurale). Astfel, dacă molecula de proteină – enzimă este alcătuită din patru protomeri de tip A şi B, atunci este posibilă existenţa a cinci compuşi: AAAA, AAAB, AABB, ABBB, BBBB, adică este posibilă existenţa a cinci izoenzime, care se deosebesc printr-o activitate catalitică mai mare sau mai mică. Astfel de forme s-au găsit pentru lactatdehidrogenaza şi alte enzime.

Cea mai mică modificare a structurii terţiare a protomerilor moleculei proteice face imposibilă unirea lor în molecula oligomerului, adică formarea structurii cuaternare a proteinei. Deoarece structura terţiară este determinată de structura primară şi depinde de o serie de alţi factori (pH-ul mediului, concentraţia de săruri etc), rezultă că, chiar o neînsemnată modificare a structurii primare sau a condiţiilor standard ale celulei determină o schimbare a activităţii funcţionale a proteinelor. În felul acesta, tocmai de structura primară a moleculei diferitelor proteine depind, în primul rând, proprietăţile lor specifice. Însă nivelul superior de organizare structurală a proteinelor este determinant pentru manifestarea proprietăţilor lor.

Proprietăţile specifice ale proteinelor se developează mai ales în specificitatea enzimatică. Enzimele, în majoritatea cazurilor, catalizează transformarea numai unei anumite substanţe sau numai o anumită reacţie. La această reacţie iau parte lanţurile laterale ale aminoacizilor care se găsesc într-o anumită zonă a moleculei proteice a enzimei (aşa-numitul centru activ). Pentru unele enzime s-a stabilit care grupă, care segment al lanţului polipeptidic condiţionează acţiunea enzimatică.

Astfel, pentru acţiunea chimotripsinei este necesară catena laterală a serinei care constituie al 195-lea rest de aminoacid al lanţului polipeptidic, şi catena laterală a histidinei, care se găseşte la al 57-lea loc în lanţul polipeptidic. Între resturile acestor doi aminoacizi nu există nici o legătură, însă datorită structurii terţiare care ia naştere, ele se apropie atât de mult încât împreună iau parte la acţiunea enzimei. Aceste observaţii demonstrează că structurile secundară şi terţiară ale proteinei sunt condiţii obligatorii pentru acţiunea sa catalitică specifică. O sinteză a tipurilor de structuri pe care le pot avea proteinele este redată în (Figura 4.7.).

Fig. 4.7. Tipuri de structuri ale proteinelor

Pentru funcţia proteinelor este esenţială structura sa cuaternară. Drept exemplu, se poate menţiona faptul că hemoglobina şi oxihemoglobina se deosebesc după structura lor cuaternară.

In concluzie, proteinele sunt alcătuite din resturi de aminoacizi legate între ele prin legături peptidice care formează lanţuri polipeptidice şi care, datorită legăturilor disulfidice, de hidrogen şi ionice, precum şi datorită interacţiunii hidrofobe, sunt dispuse în spaţiu într-o anumită formă, adică au, în condiţii date, o anumită conformaţie. Conformaţia nativă, ce ia naştere în condiţii fiziologice normale, este asigurată de legăturile covalente şi complementare care conferă structurii moleculei proteice rigiditate, compactitate şi regularitate.

4.4.3. Denaturarea proteinelor

Proprietăţile specifice proteinelor, legate de particularităţile conformaţiei moleculei lor, se modifică în mod considerabil prin dereglarea acestei configuraţii în procesul de denaturare a proteinelor.

Sub denumirea de „denaturare” se înţelege modificarea conformaţiei moleculei proteice native, fără distrugerea legăturilor peptidice. Denaturarea determină dereglarea structurilor terţiară şi mai ales, secundară a proteinei şi nu produce nici o modificare a structurii primare. Sunt desfăcute, în special, punţile disulfidice şi legăturile de hidrogen din molecula proteică.

Sub aspect general, denaturarea constă în desfăşurarea lanţului polipeptidic împachetat în spaţiu şi formarea unui ghem dezordonat (figura 4.8.).

Denaturarea proteinelor, în funcţie de gradul ei, cauzează, pe lângă modificări structurale şi modificări ale proprietăţilor optice sau modificări ale reactivităţii unor grupe funcţionale responsabile de proprietăţile catalitice ale enzimelor. Ca urmare, se produc pierderi mai mari sau mai mici ale activităţilor biologice, de exemplu, ale celor enzimatice şi ale proprietăţilor hidrofile cu dobândirea unor însuşiri hidrofobe.

Fig. 4.8. Schema denaturării moleculei proteice A – moleculă nativă; B – desfăşurarea lanţului polipeptidic; C – ghem dezordonat (la întâmplare)

Denaturarea proteinelor are loc sub acţiunea unor agenţi denaturanţi care pot fi de natură fizică sau chimică. Denaturanţii fizici sunt: încălzirea (la temperaturi mai mari de 50-60C), creşterea presiunii, congelarea, radiaţiile ionizante, ultrasunetele etc.; chimici: ionii H+ sau OH- (de obicei, la pH mai mic de 4 şi mai mare de 10 are loc denaturarea), solvenţii organici (acetonă, alcool), ureea, sărurile metalelor grele etc. Proteinele se denaturează şi sub influenţa detergenţilor, însă în acest caz, de cele mai multe ori proteina denaturată rămâne în stare solubilă.

Cea mai caracteristică modificare a proteinei la denaturare este pierderea solubilităţii ei în apă, în soluţii de săruri sau în soluţii alcoolice. Fenomenul se explică prin faptul că lanţul polipeptidic, desfăşurat din cauza denaturării, se transformă într-un ghem afânat până la formarea unui fir în care grupele de atomi se demască. În continuare, lanţul polipeptidic trece din ce în ce mai mult într-un ghem dezordonat, în care se formează legături întâmplătoare atât între elementele aceluiaşi lanţ, cât şi între diferite lanţuri, producându-se agregarea. În final apar agregate mari care se depun. Un exemplu tipic de denaturare este coagularea ovoalbuminei (proteina din albuşul oului) la încălzire şi pierderea solubilităţii ei în apă. Concomitent, scade şi capacitatea proteinei de a absorbi apa şi de a se îmbiba.

Viteza şi gradul de denaturare a proteinelor la încălzire depind de temperatura încălzirii şi de durata ei: denaturarea este cu atât mai profundă cu cât temperatura este mai ridicată şi cu cât durata încălzirii este mai mare. În afară de aceasta, gradul şi viteza denaturării proteinei depind şi de umiditatea ei: denaturarea soluţiei apoase a proteinei se produce mult mai repede decât denaturarea aceleiaşi proteine în stare uscată sau de gel

Împreună cu modificarea solubilităţii şi a capacităţii proteinei de a absorbi apa, la denaturare se mai produc o serie de alte transformări care se manifestă prin creşterea reactivităţii unor grupe (de exemplu, –SH), prin creşterea accesibilităţii proteinelor la enzime ca urmare a „afânării” structurilor moleculare şi a demascării legăturilor peptidice, prin variaţia vâscozităţii soluţiilor proteice, prin variaţia formei moleculei proteice.

Denaturarea poate fi superficială şi în anumite condiţii proteina denaturată poate reveni mai mult sau mai puţin la starea sa nativă. O astfel de proteină se numeşte renaturată, iar denaturarea ei este reversibilă. Astfel, după denaturarea termică a ribonucleazei, care determină ruperea a 4 punţi disulfidice, activitatea enzimei, după menţinerea ei în stare de repaus, se poate restabili deoarece, ca urmare a acţiunii oxigenului din aer are loc oxidarea,iar punţile disulfidice se refac.

Dacă denaturarea este profundă şi proprietăţile proteinelor nu mai revin, ea este ireversibilă.

În concluzie, denaturarea proteinelor consta în modificarea conformaţiei native a moleculei de proteină cauzată de distrugerea structurilor secundară, terţiară şi cuaternară ca urmare a ruperii legăturilor de hidrogen, ionice, disulfidice sau hidrofobe. Lanţurile polipeptidice desfăşurate pot intra în reacţii întâmplătoare ce duc la formarea unui ghem dezordonat ceea ce creează posibilitatea apariţiei unor agregate care se depun (proteina precipită). Având în vedere complexitatea şi lungimea lanţului polipeptidic, sunt posibile o multitudine de moduri de legare care determină pierderea însuşirilor fizice, fizico-chimice şi biologice ale proteinei native.

În procesarea alimentelor sunt o serie de operaţii care conduc la denaturarea proteinelor din produse: sterilizarea termică, uscarea, prăjirea, frigerea, coacerea etc.

4.4.4. Proprietăţile fizico-chimice ale proteinelor

Masa moleculară

Proteinele reprezintă în sine nişte compuşi macromoleculari. Masa moleculară relativă a lor variază de la câteva mii până la mai multe milioane. Limita inferioară a masei moleculare a proteinelor, în mod convenţional, a fost luată 6.000; compuşii cu structură asemănătoare dar cu masă moleculară mai mică fac parte din polipeptide. Masele moleculare ale diferitelor proteine variază în limite foarte largi:

Masă moleculară (daltoni)insulina (viţel) 5.733ribonucleaza (pancreas) 12.700lactoalbumina (lapte) 17.400mioglobina (muşchi) 16.900hemoglobina (umană) 64.500pepsina (umană) 35.500hordeina (orz) 27.500ovoalbumina (ou) 40.000hexokinaza (drojdii) 96.000glutamatdehidrogenaza 1.000.000sintetaza acizilor graşi 2.300.000virusul mozaicului tutunului 40.000.000

Pentru determinarea masei moleculare a proteinelor se folosesc diferite metode care au diverse grade de precizie:

Analitică. Determinarea conţinutului de ioni de metal (în metaloproteine) sau determinarea compoziţiei în aminoacizi a proteinei permite calcularea maselor moleculare minime ale proteinei, utilizând anumite formule de calcul. De exemplu, hemoglobina conţine 0,34% Fe (masa atomică a fierului este 55,8). Masa moleculară minimă se calculează cu formula:

Mmin. =

masaatomică×100continutul elementului %

Microscopie electronică. Cu ajutorul microscopiei electronice se pot observa direct şi fotografia diferite molecule proteice deoarece, în majoritatea cazurilor, dimensiunile lor minimale depăşesc 2,0 nm (capacitatea de rezoluţie a microscopului electronic se apropie de 2,0 nm). Calculul masei moleculare a proteinei se face cu o formulă în care intervine numărul de molecule proteice, volumul soluţiei şi masa uscată a proteinei soluţiei iniţiale.

Măsurarea presiunii osmotice a proteinei cu calcularea ulterioară a masei moleculare în funcţie de concentraţie.

Difuzie. Masa moleculară se determină pe baza vitezei de difuzie la dizolvarea proteinei.

Măsurarea vitezei de sedimentare a particulelor proteice sub influenţa forţei centrifuge în ultracentrifuge (>80.000 ture/min.), cu calcularea ulterioară a dimensiunilor lor şi a masei moleculare a proteinelor. Viteza de depunere a particulelor proteice se observă cu ajutorul unui dispozitiv optic special. Metoda este cea mai exactă.

Determinarea masei moleculare a proteinelor prin utilizarea acestor diverse metode dă rezultate care se corelează bine între ele.

Forma moleculelor proteice

Cu ajutorul metodelor fizice şi fizico-chimice (analiza cu raze X, studiul vâscozităţii soluţiilor proteice etc), s-a stabilit că proteinele se deosebesc şi după forma lor. Sub acest aspect există proteine fibrilare (filiforme) şi globulare (sferice). Din prima categorie fac parte, de exemplu, colagenul, elastinele, keratina din ţesuturile animalelor şi miozina muşchilor, fibrinogenul sângelui . Din a doua, fac parte majoritatea proteinelor existente în vegetale, animale şi microorganisme.

Proteinele globulare se deosebesc de cele fibrilare prin faptul că moleculele lor, prin formă se apropie de o sferă sau o elipsă răsucită. Chiar proteinele globulare se deosebesc între ele după forma moleculei lor. Unele dintre ele au o formă sferică, altele – o formă de elipsă alungită sau de bastonaş.

Forma moleculelor la proteinele globulare se exprimă prin raportul dintre axa mare şi axa mică: a/b. Pentru o serie de proteine, obţinute sub formă de cristale, acest raport este următorul:

a/b a/bzeina (porumb) 20,1 edestina (cânepă) 4,3gliadiana (grâu) 11,1 ureaza 4,3catalaza 5,8

Aceste date demonstrează că moleculele unor proteine globulare amintesc prin formă de un ac sau de un fir de aţă scurt.

Proprietăţile amfotere

Multe proprietăţi ale proteinelor se explică prin faptul că ele conţin un număr mare de grupe care formează cationi şi anioni şi ca urmare, aproape în toate condiţiile ele reprezintă nişte polielectroliţi (electroliţi amfoteri). Ca amfoliţi, proteinele leagă şi cationi şi anioni. Legarea specifică de către proteine a unor ioni, de exemplu a ionului Ca2+, joacă un rol deosebit în procesele fiziologice. Multe proteine native sunt metalproteine ; ele sunt legate specific de ioni de Cu2+, Zn2+, Fe2+; Fe3+ în complexe coordinative cu participarea diferitelor grupe ionizate. La ionizare participă, în special, lanţurile laterale (radicalii R) ai aminoacizilor ce intră în alcătuirea moleculei proteice şi care conţin un număr de grupe carboxilice şi aminice libere. Grupa carboxil, capabilă de a forma la ionizare ioni de H, conferă proteinei caracterul unui acid organic slab. Grupele aminice determină proprietăţile bazice ale proteinei deoarece la grupa aminică se poate uni un proton (H+) cu formarea ionului R-NH3

+.

Molecula proteică se poate reprezenta schematic astfel.

R(COOH)n

(NH2)nsau sub formă ionizată

(NH3+)n

(COO-)n

R

unde n este numărul de grupe funcţionale.

Particulele redate în felul acesta, denumite amfioni, poartă simultan sarcină pozitivă şi negativă şi practic reprezintă particulele electroneutre, deoarece suma sarcinilor lor este zero. Sub formă de amfioni particulele proteice sunt lipsite de unul din factorii de bază ai stabilităţii soluţiilor coloidale – sarcina şi de aceea ele se depun uşor.

În soluţie, particulele proteice pot însă să poarte sarcină electrică în funcţie de pH-ul mediului. Astfel, în mediu bazic, sunt incărcate negativ:

iar în mediu acid, pozitiv:

+H+

proteinãalcalinã

proteinãneutrã

proteinãacidã

+H+COOHR

COO-

NH3+

R

COO-

NH3+

COO- R COOH

COOH

NH3+

La apariţia sarcinii electrice, particulele proteice se pot deplasa într-un câmp electric în sens contrar sarcinii polului. În mediul acid proteina se deplasează spre catod, iar în mediu alcalin – spre anod. Această deplasare se numeşte electroforeză.

În procesul de titrare a proteinelor de la limita formei acide la limita formei bazice există o anumită valoare de pH a soluţiei la care sarcina medie a proteinei este nulă. Această valoare de pH poartă denumirea de punct izoelectric. La o valoare a pH-ului egală cu valoarea punctului izoelectric proteina respectivă nu se mai deplasează în câmpul electric. Sub punctul său izoelectric fiecare proteină este cation, peste acest punct –anion.

Poziţia punctului izoelectric pentru o anumită proteină depinde de natura şi numărul grupărilor ce le conţine, capabile de a se ioniza, adică de tipul radicalilor resturilor de aminoacizi. Punctul izoelectric al majorităţii proteinelor este aproape de 7, ceea ce e determinat de un conţinut aproape egal de resturi acide şi bazice

+OH-

-H2O

+OH-

-H2O

proteinãneutrã

proteinãacidã

proteinãalcalinã

R

COO-

NH3+

NH3+ R

COO-

NH3+

NH2 R

COO-

NH2

NH2

în molecula proteinei. Există şi unele proteine al căror punct izoelectric este complet diferit de 7. Astfel, pepsina are punctul izoelectric apropiat de 1, iar protamina – apropiat de 12.

La punctul izoelectric proteina are solubilitate minimă (precipită) iar proprietăţile sale fizico – chimice sunt profund modificate.Una dintre cele mai specifice caracteristici ale unei proteine individuale este sarcina totală (însumarea sarcinilor parţiale). Deoarece deplasarea electroforetică depinde puternic de sarcină, electroforeza reprezintă o metodă eficientă pentru studiul componenţei unui amestec de proteine şi pentru separarea lor. Viteza de migrare depinde în primul rând de sarcina electrică a particulelor şi de tensiunea aplicată. Pentru compararea rezultatelor privind deplasarea unei proteine sub acţiunea câmpului electric, se utilizează un parametru denumit mobilitate electroforetică (n) care reprezintă raportul dintre viteza de migrare V (cm.∙s-1) şi valoarea câmpului electric E (volţi∙cm-1):

n =

VE

Mobilitatea electroforetică a particulelor proteice în condiţii identice este cu atât mai mare cu cât este mai mare sarcina lor electrică. Deoarece sarcina se modifică în funcţie de valoarea pH-ului, de aceasta depinde şi mobilitatea electroforetică. La o anumită valoare a concentraţiei ionilor de hidrogen, cea mai mare mobilitatea o prezintă acele particule al căror punct izoelectric este departe de pH-ul soluţiei. În felul acesta, un amestec alcătuit din proteine cu diferite puncte izoelectrice se poate uşor separa în fracţiunile constitutive prin metoda electroforezei, la valori convenabile de pH.

Solubilitatea

Una dintre cele mai importante proprietăţi fizico–chimice ale proteinelor este solubilitatea lor. Deoarece majoritatea proteinelor au proprietăţi hidrofile conferite de grupele polare (-COOH, -NH2, - OH, -CO-, -NH-) existente la suprafaţa lor, ele se solubilizează uşor în apă. Solubilitatea proteinelor în apă depinde de hidratarea fiecărei molecule, adică de formarea în jurul particulei proteice a unui strat de molecule de apă fixate prin legături de hidrogen. Apa care intră în compoziţia stratului de hidratare posedă proprietăţi specifice şi se numeşte apă structurală.

Proteinele posedă o solubilitate diferită. Unele se solubilizează uşor în apă, altele în soluţii apoase de săruri de o anumită concentraţie, iar altele – în amestecuri de apă şi solvenţi polari. Dar sunt şi proteine insolubile în solvenţii obişnuiţi ai proteinelor. Solubilitatea majorităţii proteinelor depinde de putere ionică, concentraţia ionilor de hidrogen (adică pH), concentraţia solvenţilor polari, temperatură. La puteri ionice mici, solubilitatea proteinelor se măreşte, iar la înalte se micşorează. Dependenţa solubilităţii majorităţii proteinelor de pH la o anumită putere ionică se prezintă sub forma unei curbe în „U” cu o solubilitate minimă aproape de punctul izoelectric. (Figura 4.9.)

Fig. 4.9. Influenţa pH-ului Cu creştere temperaturii până la o anumită asupra solubilităţii (S) valoare, solubilitatea proteinelor se măreşte. proteinelor în funcţie de Cu creşterea concentraţiei componentuluiputerea ionică organic, solubilitatea proteinelor se micşorează.

De exemplu, prin creşterea concentraţiei de acetonă se micşorează capacitatea solvenţilor apoşi de a hidrata grupările încărcate ale proteinelor.

Orice factor care perturbă hidratarea moleculei proteice va micşora solubilitatea proteinei în apă şi va determina precipitarea sa. Astfel de deshidratanţi sunt solvenţii organici (alcoolul, acetona), soluţiile concentrate ale sărurilor neutre ale metalelor alcaline (sulfatul de amoniu, sulfatul de sodiu, clorura de sodiu) etc. Separarea proteinei din soluţie după adăugarea diferitelor săruri se numeşte salifiere. Procesul de salifiere, de multe ori, nu este legat de pierderea capacităţii proteinei de a se solubiliza din nou în apă după îndepărtarea substanţei (de

exemplu, prin dializă). Salifierea cea mai eficientă are loc la punctul izoelectric al proteinei.

Diferite proteine se salifiază la concentraţii inegale de săruri, ceea ce permite să se separe între ele. Astfel, pentru salifierea globulinelor din serul sanguin se introduce sulfat de amoniu până la semisaturare. Filtrând sau centrifugând globulinele, se precipită albuminele rămase solubile în ser, prin adăugare de sulfat de amoniu până la saturare completă.

Prin precipitarea cu sulfat de amoniu sau de sodiu, cu acetonă sau alţi deshidratanţi, se pot obţine din soluţii, diferite proteine sub formă cristalină (avoalbumină, oxihemoglobină).

Caracterul coloidal

În soluţii diluate, proteinele manifestă caracteristicile unor coloizi hidrofili, macromoleculele dispersate în soluţie având dimensiunile unor particule coloidale (1-100 nm).

Factorul principal de stabilizare a sistemelor coloidale ale proteinelor este sarcina particulelor lor. Particulele unui anumit sol (soluţie coloidală) proteic au sarcini electrice de un anumit gen (semn) şi de aceea ele nu se unesc în particule mai mari şi nu se depun.

De caracterul coloidal al soluţiilor proteice este legată capacitatea lor de a dispersa razele luminoase (fenomenul Tyndall) şi incapacitatea de a trece prin porii membranelor de natură vegetală sau animală. Această ultimă însuşire este utilizată pentru purificarea soluţiilor coloidale de proteine de substanţele cu masă moleculară mică ce le însoţesc. Metoda poartă denumirea de dializă.

Totodată, datorită caracterului lor hidrocoloidal, proteinele posedă o serie de proprietăţi funcţionale deosebit de importante: capacitate de gelifiere, de emulsionare, de spumare, de legare a apei etc. cu multiple aplicaţii în industria alimentară.

În condiţii determinate de concentraţie şi temperatură, soluţiile de proteine se transformă în sisteme coloidale denumite geluri, datorită formării unor asociaţii intermoleculare. În geluri, solventul şi proteina formează o masă în aparenţă omogenă, care posedă o serie de proprietăţi fizice caracteristice substanţelor solide (reţea tridimensională). Proprietăţile gelului depind de prezenţa în el a unui schelet specific alcătuit din molecule proteice. În geluri există apă de hidratare (legată) care înconjoară cu un strat gros particulele coloidale ale proteinei, precum şi apă reţinută în spaţiile capilare dintre ele (liberă).

Prin deshidratare, gelul pierde apa liberă.

Gelul uscat, introdus în apă, o absoarbe în cantităţi foarte mari. Această absorbţie a apei, denumită îmbibare a gelului este însoţită de creşterea volumului său şi de o presiune puternică ce atinge uneori valori deosebit de mari.

Îmbibarea gelului depinde de concentraţia ionilor de hidrogen şi de prezenţa sărurilor. La punctul izoelectric al proteinei îmbibarea este minimă.

Fenomenul contrar îmbibării – expulzarea apei din gel se numeşte sinereză.

Procesul de îmbibare are o deosebită importanţă pentru organismele vii. Astfel, conţinutul de lichide din ţesuturi, schimbul dintre ţesuturi şi sânge, volumul celulelor, grosimea pereţilor depind în special de îmbibarea proteinelor care le compun.

Îmbibarea proteinelor este importantă şi pentru industria alimentară. Astfel, îmbibarea proteinelor din făină la prepararea aluatului, îmbibarea grăuntelui la înmuierea orzului în fabricile de malţ sau la condiţionarea cerealelor, legarea apei de către carnea marunţită, formarea aspicului – toate aceste procese sunt strâns legate de îmbibarea proteinelor.

4.4.5.Proprietaţile imunologice ale proteinelor

Proteinele prezintă proprietăţi biochimice specifice care se manifestă prin funcţiile diferite pe care le pot exercita: enzimatice, hormonale, respiratorii, imunologice etc.

Diversitatea funcţională a proteinelor este o reflectare a unei proprietăţi generale a lor şi anume specificitatea.

Una din manifestările specificităţii proteinelor este reprezentată prin proprietăţile lor imunologice, la baza cărora stă reacţia antigen–anticorp, prin care organismul se apără de agresiunea unor factori externi: microorganisme, toxine. Proteinele străine pătrunse în organism determină formarea unor anticorpi foarte specifici, care reacţionează numai cu proteina respectivă, o precipită, favorizând eliminarea ei. Se numeşte antigen proteina care declanşează producerea de anticorpi, însă ca antigeni se comportă pe lângă proteinele ca atare şi asociaţii complexe între glucide, lipide, polipeptide, bacteriile, virusurile.

Conceptul de antigen prezintă o dublă semnificaţie: pe de o parte, desemnează o substanţă străină organismului care reacţionează cu anticorpii corespunzători, iar pe de altă parte reprezintă o substanţă imunogenă care provoacă reacţia imunitară prin formare de anticorpi.

Deci, anticorpii sau imunoglobulinele sunt substanţe de natură proteică cu rol de apărare, a căror biosinteză este declanşată de către antigen şi care posedă capacitatea specifică de a reacţiona cu antigenul care a provocat formarea lor.

Sinteza anticorpilor este determinată de un stimul antigenic şi constituie răspunsul imun în cadrul reacţiei de apărare a organismului împotriva unor agenţi nocivi care acţionează ca antigeni.

4.4.6. Extragerea şi purificarea proteinelor

Extragerea proteinelor dintr-un material biologic oarecare (ţesut, seminţe etc) constă în extracţia lor cu un anumit solvent după o prealabilă mărunţire a acestui material. În calitate de solvent se utilizează apă, soluţii de săruri, amestec apă – alcool, soluţii diluate de acizi sau baze. Soluţiile de proteine obţinute sunt apoi purificate şi fracţionate prin metode speciale.:

Precipitarea cu săruri. Cea mai comodă este precipitarea cu sulfat de amoniu, însă frecvent se utilizează şi sulfatul de sodiu.

Precipitarea izoelectrică. Deoarece solubilitatea majorităţii proteinelor în apropierea punctului lor izoelectric este aproape minimă, se poate ajusta astfel valoarea pH-ului încât proteina ce interesează să precipite, iar restul proteinelor încărcate cu sarcină să rămână în soluţie. Prin această metodă se obţin concentratele şi izolatele proteice din diferite materii prime.

Precipitarea cu solvenţi organici (acetonă, metanol,etanol etc.). În acest caz trebuie să se lucreze la temperaturi foarte joase pentru a proteja proteinele de denaturare.

Cromatografia de schimb ionic. Proteinele se fracţionează pe coloane cu schimbători de ioni (de regulă DEAE – celuloză). Capacitatea de separare a acestor coloane este deosebit de mare.

Cromatografia de adsorbţie constă în adsorbţia selectivă a proteinelor de către unele materiale (gel de fosfat de calciu, celit, amidon, hidrozil – apatită) atât pe coloane cât şi pe plăci, cu o ulterioară eluţie (extracţie) selectivă.

Electroforeza. Se foloseşte, de obicei, electroforeza amestecurilor de proteine cu utilizarea unui purtător sub formă de blocuri de amidon etc. Foarte eficientă este disc-electroforeza în gel de poliacrilamidă prin care amestecul de proteine este supus concomitent acţiunii câmpului electric şi gradientului de pH.

Gel-filtrarea este o metodă larg răspândită în ultimul timp în biochimie şi se bazează pe principiul sitelor moleculare. Purificarea proteinelor constă în trecerea lor prin coloane umplute cu granule de polimeri glucidici hidrataţi, îndeosebi sefadex (derivat al dextranului) sau de poliacrilamidă (biogel) cu pori de diferite dimensiuni. La această trecere, compuşii cu masă moleculară mică, pătrunzând prin porii granulelor, vor trece prin coloană mai încet, iar cei macromoleculari (proteinele), netrecând prin pori în granule, vor ieşi mai repede din coloană. Proteinele ies din coloană cu o viteză invers proporţională cu masa lor moleculară.

Cristalizarea. Cristalizarea repetată măreşte considerabil puritatea proteinei. Pentru aprecierea gradului de puritate (omogenitate) a proteinei izolate, una din cele mai sigure metode este forma curbelor de solubilitate. Pentru proteina pură,

dependenţa cantităţii de proteină introdusă este strâns liniară până la punctul de saturaţie; după acest punct, panta curbei este nulă.

4.4.7.Clasificarea proteinelor

Toate proteinele se împart în două grupe mari: proteine simple ( proteine) în compoziţia cărora intră numai resturi de aminoacizi şi proteine conjugate (proteide), care reprezintă o combinaţie dintre o proteină simplă cu un compus oarecare de natură neproteică denumit grup prostetic (glucide, acizi nucleici, lipide etc.). Proteinele simple şi cele conjugate se subîmpart în o serie de subgrupe în funcţie de solubilitatea şi caracterul slab acid, neutru sau alcalin determinat de reprezentarea cantitativă diferită a aminoacizilor constituenţi, precum li în funcţie de natura grupului prostetic ce-l conţin.

Proteine simple

Pe baza comportării în prezenţa diferiţilor solvenţi şi a compoziţiei în aminoacizi, proteinele simple se subîmpart în următoarele grupe: protamine, histone, albumine, globuline, prolamine, gluteline, proteinoide.

Protamine - sunt proteine cu masă moleculară mică care nu depăşesc 10.000 şi au un puternic caracter alcalin deoarece până la 80% din aminoacizii ce intră în structura lor sunt aminoacizi bazici (lizină, histidină, arginină). Protaminele nu conţin sulf. Se găsesc în cantităţi mari în nucleul celular şi lapţii peştilor. Reprezentantul tipic al protaminelor este clupeina din lapţii scrumbiilor.

Histone- reprezintă o grupă intermediară între protamine şi proteinele adevărate. Sunt, de asemenea, proteine alcaline, însă alcalinitatea lor este mai slabă de cât a protaminelor, deoarece conţin mai puţini aminoacizi bazici (aproape 20 – 30% din total). Sunt solubile în apă.

Histonele se găsesc ca proteine libere în leucocite şi lapţii peştilor, dar mai ales sub formă de proteine conjugate în cromozomi, având un rol important în structura cromatinei şi în eritrocite.

Reprezentantul tipic al histonelor este globina care intră în constituţia hemoglobinei.

Albumine- sunt proteine ce se întâlnesc în toate ţesuturile animale şi vegetale; împreună cu globulinele reprezintă principalele proteine ale sângelui şi altor lichide biologice. Sunt proteine globulare cu caracter slab acid sau neutru. Sunt solubile în apă (M = 35.000–70.000), posedă o mobilitate electroforetică mai mare decât a globulinelor, iau parte la transportul diferitelor substanţe. Din soluţiile lor apoase, albuminele precipită uşor cu o soluţie saturată de sulfat de amoniu, iar prin încălzire (60-70oC) coagulează. Spuma albă care apare la fierberea legumelor şi fructelor sau care se formează la suprafaţa laptelui fiert, sunt albumine coagulate datorită temperaturii ridicate.

Reprezentantul tipic al albuminelor este proteina din albuşul de ou denumită ovoalbumină; în plasma sângelui se găsesc serumalbumine, în lapte – lactoalbumina, în ţesutul muscular – mioalbumina.

O serie de albumine sunt de origine vegetală, fiind răspândite în seminţe, legume, fructe etc. Reprezentanţii albuminelor vegetale sunt leucozina care se găseşte în seminţele de cereale (grâu, ovăz etc.), legumelina (mazăre, soia, linte etc.) sau ricina ( seminţele de ricin).

Globuline- sunt proteine insolubile în apă, dar solubile în soluţii saline diluate. Pentru extracţia lor din diferite materii biologice se utilizează frecvent, în calitate de solvent, o soluţie caldă 10% de clorură de sodiu. Pentru separarea globulinelor din soluţia lor salină, aceasta se diluează cu cantităţi mari de apă sau se dializează folosind o membrană semipermeabilă.

Globulinele (M = 150.000), în comparaţie cu albuminele, precipită la concentraţii mai mici (50%) de sulfat de amoniu şi în felul acesta se pot separa de albuminele cu care, de regulă, coexistă.

Globulinele sunt cele mai răspândite proteine din organismul animal. Astfel, în plasma sanguină se găsesc serumglobuline, în lapte – lactoglobulina, în ou – ovoglobulina, în muşchi – proteina contractilă care se numeşte miozină şi reprezintă suportul biochimic al contracţiei musculare.

În stările infecţioase se înregistrează o creştere a cantităţii de globuline din sânge ca urmare a formării compuşilor de apărare (răspunsul imun) – anticorpi – în compoziţia cărora intră (imunoglobuline - Ig).

Totodată, globulinele reprezintă cea mai mare parte a proteinelor multor seminţe şi în special a celor de leguminoase şi oleaginoase. Astfel, în seminţele de mazăre se găseşte o cantitate importantă de globulină care se numeşte legumină, în seminţele de fasole – faseolină, în cele de cânepă – edestină, de soia – glicinină.

Prolamine- sunt proteine de natură vegetală caracteristice exclusiv pentru cereale. Nu sunt solubile în apă, nici în soluţii saline, însă, spre deosebire de celelalte proteine, se solubilizează în alcool etilic 70%. Denumirea de „prolamine” se explică prin faptul că la hidroliza lor se formează o cantitate mai mare de prolină şi azot amoniacal, precum şi mult acid glutamic. Prolaminele nu conţin lizină sau o conţin în cantităţi extrem de mici. Se cunosc următoarele prolamine: gliadina – în seminţele de grâu şi de secară; hordeina – în seminţele de orz, zeina – în seminţele de porumb; avenina – în ovăz.

Gluteline -se găsesc în seminţele cerealelor şi în părţile verzi ale plantelor. Sunt solubile numai în soluţii diluate de alcalii (0,2%) din care precipită prin acidulare slabă. Cele mai studiate gluteline sunt: glutenina din boabele de grâu şi orizenina din orez.

Amestecul format din glutenină (25-40%) şi gliadină (40–50%) care se izolează din făina de grâu poartă denumirea de gluten. Proteinele din gluten, prin punţile lor –S-S-, conferă făinii de grâu proprietatea de a da cu apa un aluat elastic care reţine într-un mod caracteristic dioxidul de carbon format în timpul fermentării, dând pâinii o structură poroasă şi un volum corespunzător.

Proteinoide (scleroproteine)- sunt proteine de tip fibrilar care exercită în organismul animal un rol de susţinere, protecţie şi rezistenţă mecanică. În general, ele intră în constituţia ţesuturilor conjunctive, de susţinere şi epidermice. Proprietăţile mecanice caracteristice ale scleroproteinelor se datorează formei fibrilare alungite a moleculelor lor, precum şi faptului că în organism se află în stare solidă. Particularitatea deosebită a acestor proteine o constituie totala lor insolubilitate în apă, în soluţii saline, acizi şi baze diluate şi nedigestibilitatea lor sub acţiunea enzimelor din tractul digestiv. Conţin o cantitate mare de glicocol şi de cisteină. De fapt, conţinutul ridicat de sulf este o caracteristică a proteinoidelor.

Dintre diferiţii reprezentanţi ai acestor grupe de proteine trebuie menţionat colagenul, keratinele, elastinele.

Colagenul este componentul principal al proteinelor din ţesutul conjunctiv, ligamente, tendoane, cartilagii, piele; reprezintă aproximativ 95% din materia organică a oaselor şi cartilagiilor. Are un conţinut ridicat de glicocol, prolină şi hidroxiprolină.

Prin fierberea cu apă, moleculele fibrilare de colagen suferă modificări structurale profunde, cu desfacerea legăturilor intercatenare şi transformarea în gelatină care este o proteină solubilă şi hidrolizabilă de către enzimele proteolitice; prin răcire, gelatinele astfel obţinute se transformă în gel.

Keratine- sunt proteine constituente ale epidermei, părului, penelor şi formaţiunilor cornoase (unghii, copite, coarne). Îndeplinesc un rol de protecţie şi se disting printr-o proporţie ridicată de sulf; conţinutul ridicat de cisteină şi respectiv multiplele legături –S-S- intra şi intercatenare le conferă insolubilitate, rezistenţă mecanică şi elasticitate.

Elastine –sunt proteine care participă la structura fibrelor elastice din artere şi tendoane, manifestând proprietăţi elastice şi termoelastice. Elastinele prezintă analogii cu colagenul, se deosebesc însă de acesta prin incapacitatea de a fi convertite în gelatine şi printr-o proporţie mai mică de prolină şi hidroxiprolină.

Proteine conjugate (proteide)

Proteinele sunt apte de a lega o varietate de compuşi chimici cu masă moleculară foarte diferită, formând ansambluri moleculare eterogene ca structură. Proteinele conjugate reflectă un asemenea principiu de organizare structurală şi reprezintă asocierea unei componente proteice şi a unei componente neproteice, de natură chimică diversă, prin legături covalente şi necovalente.

Proteinele conjugate, la rândul lor, se subîmpart în funcţie de natura componentei prostetice în: cromoproteide, glicoproteide sau mucoproteide, fosfoproteide, lipoproteide, metalproteide, nucleoproteide.

Cromoproteide (chroma = culoare). Sunt compuşi constituiţi dintr-o proteină simplă şi un pigment ce poate aparţine unor clase diferite de substanţe organice. Particularitatea deosebit de importantă a cromoproteidelor o reprezintă activitatea lor biologică foarte mare. Ele joacă un rol esenţial în procesele vitale, deoarece în general sunt biocatalizatori care intensifică în organism unele procese biochimice importante, cum sunt fotosinteza şi reacţiile de oxido-reducere.

În calitate de grupare prostetică, în moleculele cromoproteidelor pot fi derivaţi ai porfirinei, izoaloxazinei şi carotenului.

R1 R4

R5R8NH

HNN

N

R2 R3

R6R7

V

N

N

N

N1

2

345

67

8 9

10

O

O

H

H

Izoaloxazinã

Porfirina

CH3

H3C CH3CH3CH3

CH3CH3

CH3

H3C

H3C

caroten

Izoaloxazina reprezintă compusul de bază pentru sinteza grupărilor flavinice care formează împreună cu proteinele specifice o serie de flavinproteide, enzime ce participă la reacţiile de oxido-reducere din organism.

Derivaţii carotenului dau cromoproteidele purpurei vizuale (rodopsina din retină).

Derivaţii porfirinei cu magneziul formează clorofila, al cărui complex cu proteinele – cloroplastina - asigură activitatea fotosintetică a plantelor. În organele verzi ale plantelor, clorofila este localizată sub formă de cloroplastină în formaţiunile din citosol numite cloroplaste.

Clorofila din plantele superioare şi din algele verzi reprezintă un amestec format din două clorofile, a şi b al căror raport, în majoritatea plantelor, este 3:1.

Clorofila a este un complex cu Mg al unei porfirine. În ciclul IV al acesteia există substituit un rest de acid propionic esterificat cu un alcool superior nesaturat numit fitol. Fitolul este un derivat al izoprenului, iar prezenţa sa în structura clorofilei îi conferă acesteia proprietăţi lipofile manifestate prin solubilitatea ei în grăsimi şi solvenţi ai acestora.

Clorofila b are o structură foarte asemănătoare cu cea a clorofilei a, deosebindu-se de aceasta numai prin prezenţa unei grupe formil O=C-H în ciclul pirolic II, în locul grupei metil.

O enzimă care se găseşte în frunzele verzi alături de clorofilă, clorofilaza, descompune legătura esterică dintre grupa carboxilică a moleculei de clorofilă şi restul de fitol, pe care-l înlocuieşte cu un rest de alcool etilic. Compusul rezultat se numeşte etilclorofilidă. Prin încălzire, clorofila pierde magneziul din molecula sa trecând în feofitină, un compus de culoare cenuşie, caracteristică pentru ţesuturile verzi (legume, fructe) tratate termic.

Derivatul porfirinei cu fierul reprezintă pigmentul hem care este compusul de bază în complexul cu proteinele pentru formarea hemoglobinei, mioglobinei şi a o serie de enzime din clasa oxido-reductazelor (citocromi, catalaze, peroxidaze). Fiecare hem conţine patru cicluri pirolice legate între ele prin punţi metinice. Prezenţa a patru grupe metil şi a două grupe vinil, precum şi a două resturi de acid propionic, transformă porfirina în protoporfirină. Introducerea unui atom de fier bivalent conferă compusului aspectul final al hemului.

Cel mai studiat reprezentant al cromoproteidelor este hemoglobina din sângele animalelor vertebrate şi al omului şi care este concentrată în eritrocite. Este alcătuită dintr-o componentă proteică denumită globină şi una prostetică, colorată, care este hemul.

Structura hemoglobinei

Globinele hemoglobinelor din sângele diferitelor animale se deosebesc sub aspectul compoziţiei şi distribuţiei aminoacizilor. Prin conţinutul lor în aminoacizi diamino-monocarboxilici aparţin histonelor. Sunt alcătuite din patru lanţuri polipeptidice (două α şi două β). În lanţul α se găsesc 141 de aminoacizi, în β – 146 de aminoacizi.

H3C

H3C

H

CH3

CH3

CH3CH2

CH2

CH2

C O

C OHC

CO

OCH3OC20H39

Mg

CH

CH2

N

NN

N

Clorofila a

Fe

CH CH2

OOH

H3C

H3C

CH3

CH3

CH2

CH2

C

CH

CH2

N

NN

N

CH2

CH2

COOH

Structura hemului

CH3

CHO

CH3

CH2

(CH2)3

CH CH

CHCHH2C

CH3

CH3CH3

(CH2)3

CH2

CH2

Fitolul

H

CH2N

CO

CH3II

Ciclul pirolic IIal clorofilei b

Molecula de hemoglobină conţine patru molecule de hem care la rândul lor au câte un atom de Fe bivalent.

Unirea hemului cu globina se realizează prin legătură coordinativă între fierul hemului şi histidina globinei.

Cea mai interesantă particularitate biologică a hemului constă în capacitatea de a se combina cu gazele (oxigen, oxid de carbon, oxizi ai azotului etc).

Prin legarea oxigenului de hemoglobină (Hb) se formează oxihemoglobina (HbO2). Legarea O2 se face printr-o legătură coordinativă, fără modificarea stării de valenţă a Fe, care rămâne bivalent. În felul acesta, hemoglobina transportă oxigenul molecular de la plămâni la ţesuturi. Oxihemoglobina este atât de nestabilă încât prin micşorarea presiunii parţiale a O2 - la nivelul vaselor capilare din ţesuturi - se disociază eliberând O2 necesar oxigenării ţesuturilor şi deci reacţiilor biochimice ce se petrec cu participarea oxigenului.

La fierul hemoglobinei se leagă uşor oxidul de carbon cu formarea carboxihemoglobinei (HbCO). Prin inspirarea unui aer ce conţine CO, acesta formează cu hemoglobina un compus mult mai stabil decât oxihemoglobina şi ca urmare scoate O2 din HbO2, determinând o dereglare a aportului de oxigen de la plămâni la ţesuturi. În felul acesta, HbCO este un compus toxic, care blochează funcţia respiratorie a Hb, producând intoxicaţii şi asfixie.

Prin fixarea CO2 la grupa aminică liberă a globinei se formează carbhemoglobina, un produs disociabil ce rezultă în ţesuturi – unde presiunea parţială a CO2 este mare şi de unde este transportat CO2 la plămâni pentru a fi expirat.

R-NH2 + CO2 ↔ R-NH-COO- + H+

(hemoglobina) (carbhemoglobina)

Un derivat important al hemoglobinei este methemoglobina (MetHb), în molecula căreia atomul de fier este trivalent. Methemoglobina se formează din HbO2 sub acţiunea unor oxidanţi (oxizi ai azotului, albastru de metilen etc.); fierul trece în stare trivalentă prin legarea unei grupe –OH şi pierde astfel capacitatea de a mai lega O2.

În cantităţi mari, MetHb poate apărea în sânge datorită unor cauze diverse: inhalarea prelungită a unor oxizi ai azotului, intoxicaţii cu pesticide, cu compuşi chimici oxidanţi etc.. Formarea methemoglobinei, inerte din punct de vedere biologic, micşorează cantitatea de HbO2, dereglează aportul O2 la ţesuturi şi conduce la instalarea unei grave stări patologice.

Mioglobina (Mb) este o cromoproteidă din muşchi, asemănătoare cu hemoglobina sub aspectul compoziţiei elementare; formează aceiaşi derivaţi ca şi hemoglobina (oximioglobina, carboximioglobina, metmioglobina). Deosebirea este la componenta proteică, constituită numai dintr-o singură catenă polipeptidică şi prin urmare conţine numai o singură moleculă de hem. Mioglobina reprezintă un pigment respirator care asigură, în muşchi, o rezervă de oxigen pentru un scurt timp. Afinitatea pentru oxigen a mioglobinei este mult mai mare decât a hemoglobinei. Este denumită şi pigmentul respirator al muşchilor. Colorează în roşu muşchii striaţi.

globina

N N

N N

Hemoglobina (Hb)

Fe2+

O2

Oxihemoglobina (HbO2)

globina

N N

N N

Fe2+

CO

Carboxihemoglobina (HbCO)

globina

N N

N N

Fe2+

3+Fe OH

Methemoglobina (MetHb)

globina

N N

N N

Cromoproteide cu hem sunt şi citocromii care sunt sisteme enzimatice ce participă la reacţiile biologice de oxidoreducere prin transfer de electroni datorită Fe din hem care are capacitatea de a se oxida şi reduce reversibil.

În ţesuturile animale şi la unele bacterii se găseşte enzima catalaza (M = 22.500) care are în compoziţia sa patru molecule de hem. În organismele vegetale este foarte larg răspândită o altă enzimă ce conţine o moleculă de hem: peroxidaza (M = 44.000). Această enzimă se întâlneşte şi în ţesuturile animale.

Glicoproteide - sunt proteine conjugate a căror grupă prostetică o constituie zaharurile şi derivaţii lor, ce se leagă covalent cu resturile de asparagină, treonină, serină sau oxiprolină ale moleculei de proteină. Glicoproteidele se găsesc în organismele animale, în plante şi microorganisme.

În majoritatea cazurilor, gruparea prostetică este reprezentată de una sau mai multe catene glucidice care prin hidroliză dau manoză, galactoză, hexozamine (glucozamină şi galactozamină), acizi glucuronic, acetic şi sulfuric.

Cei mai răspândiţi compuşi macromoleculari care intră în structura glicoproteidelor sunt acidul hialuronic, acidul condroitinic, polizaharidele bacteriene şi heparina. În stare liberă, aceste substanţe poartă denumirea de mucopolizaharide sau glicozaminoglicani şi de aceea glicoproteidele au căpătat denumirea de mucoproteide.

Glicoproteidele au o largă răspândire în organismul animal, fiind distribuite în diverse ţesuturi, în plasmă, în secreţia mucoaselor, în salivă. Se găsesc, de asemenea, asociate cu unele enzime şi hormoni.

O glicoproteidă importantă a plasmei este fibrinogenul, alcătuit din şase lanţuri peptidice, grupate câte două şi ale cărui componente glucidice sunt reprezentate de galactoză, manoză, aminozaharuri şi acid sialic. Fibrinogenul se mai numeşte factorul I de coagulare, fiind implicat în sistarea fenomenului de sângerare ca urmare a transformării sale într-o proteină insolubilă numită fibrină.

Mucinele protejează mucoasele tractului gastro-intestinal de acţiunea nocivă a unor compuşi chimici sau agenţi mecanici; mucoidele intră în constituţia cartilagiilor, oaselor (osteomucoidele), a tendoanelor şi ligamentelor.

În albuşul oului se găsesc ovomucoidul şi avidina. Avidina din albuşul crud are o deosebită reactivitate şi leagă uşor o vitamină, numită biotina, sub forma unui complex inactiv din care organismul nu poate utiliza vitamina.

Glicoproteide se găsesc şi în plante. Astfel, în fasolea uscată se găseşte o proteină de rezervă – vicilina, care conţine manoză şi N-acetilglucozamină legate printr-o legătură glicozidică cu un rest de asparagină.

În seminţe şi alte organe vegetale se găsesc proteide care produc aglutinarea eritrocitelor. Aceste proteine se numesc fitohemaglutinine sau lectine şi reprezintă nişte glicoproteide cu masă moleculară de aproximativ 120.000. Cantităţi mari de lectine se găsesc în leguminoase (soia, fasole, mazăre) şi în seminţele de ricin. Sunt toxice când sunt injectate animalelor şi devin inhibitori ai creşterii când sunt introduse în hrană.

Fosfoproteide - sunt proteine conjugate care la hidroliză, pe lângă aminoacizi, formează şi acid fosforic. În molecula de fosfoproteidă, resturile de acid fosforic se leagă prin legături esterice cu grupele hidroxilice ale oxiaminoacizilor care intră în structura lanţului polipeptidic al proteinei:

O

POH OH

H NH CH CO

xR CH2

NH CH CO

y

NH CH CO

R CH3CH

O

P

NH CH CO NH CH COOH

R

OHOHO O

Rest de fosforilserinã(acid serinfosforic)

Rest de fosforiltreoninã(acid treoninfosforic)

Mai frecvent, resturile de acid fosforic sunt legate în fosfoproteide cu resturi de serină. De aceea, după hidroliza fosfoproteidelor se formează, de regulă, o cantitate considerabil mai mare de acid serinfosforic decât de acid treoninfosforic.

Din punct de vedere biologic, fosfoproteidele reprezintă un material nutritiv deosebit de valoros pentru organismul în creştere. Pe lângă aminoacizii necesari dezvoltării organismelor tinere, fosfoproteidele furnizează de asemenea, şi acid fosforic necesar pentru dezvoltarea scheletului.

Cazeina este reprezentantul tipic al acestor proteine conjugate. Este componenta majoră (80% din totalul proteinelor) a proteinelor laptelui, are o masă moleculară în limitele 75.000–100.000 şi există sub câteva forme care se deosebesc între ele prin conţinutul în fosfor şi compoziţia în aminoacizi. Fracţiunile cazeinei se numesc generic α, β, k şi δ – cazeine. Cazeinele nu coagulează prin fierberea laptelui şi exercită totodată un rol de coloid protector asupra albuminelor din lapte pe care le menţin în soluţie. Cazeinele sunt însă coagulate şi parţial hidrolizate de unele enzime proteolitice precum chimozina – existentă în stomacul animalelor tinere – şi pepsina. În procesul de coagulare care necesită şi prezenţa ionilor Ca2+ se formează paracazeinatul de calciu ce rezultă prin clivarea enzimatică a cazeinei. Paracazeinatul de calciu este insolubil,ramâne un timp în stomac şi este digerat ulterior sub acţiunea enzimelor proteolitice până la stadiul de aminoacizi.

Coagularea laptelui în stomac este un proces biochimic de mare importanţă întrucât permite utilizarea eficientă de către organism a proteinelor conţinute în lapte. În absenţa coagulării, tranzitul laptelui sub formă lichidă ar fi prea rapid şi proteinele nu ar putea fi utilizate prin descompunerea lor la aminoacizii necesari organismului.

Paracazeinatul de calciu este şi componenta principală a brânzeturilor. Cazeinele sunt insolubile în mediu acid, fapt care explică precipitarea lor şi separarea zerului din laptele fermentat lactic sau acidulat.

Ovoviteline - sunt fosfoproteide din gălbenuşul de ou şi sunt, de regulă, asociate cu lecitinele Rolul fiziologic al ovovitelinelor este de a furniza fosforul şi aminoacizii necesari dezvoltării embrionului şi animalelor tinere.

Fosfoviteline - se găsesc tot în gălbenuşul de ou, se caracterizează printr-un conţinut mai ridicat de fosfor decât ovovitelinele şi printr-o proporţie mai mare a serinei.

Pepsina – enzima proteolitică existentă în sucul gastric ce conţine un rest de acid fosforic la o moleculă de proteină. Şi în acest caz, grupa fosfat este legată de radicalul de serină ce se găseşte în lanţul peptidic lângă acidul glutamic. Fosfoproteide mai sunt, de asemenea, enzimele fosfoglucomutaza şi fosforilaza.

Lipoproteide - sunt proteine conjugate în care componenta prostetică este de natură lipidică şi anume: colesterol, fosfolipide, acilgliceroli. Spre deosebire de lipide, lipoproteidele sunt solubile în apă şi insolubile în solvenţi organici.

Stabilitatea legăturii dintre proteine şi lipide în lipoproteide este diferită. În funcţie de existenţa în molecula lipidei a unor grupe ionizabile (ca în lipidele polare – fosfatide) sau nu (ca în triacilgliceroli), între componenta proteică şi lipidică iau naştere diferite tipuri de legături. În primul caz, între cele două componente se formează legături necovalente labile. În al doilea caz, proteina înveleşte prin interacţiuni hidrofobe partea lipidică ce devine astfel centrul unui miceliu.

Lipoproteidele au o largă distribuţie, fiind componente structurale ale celulelor, biomembranelor, mitocondriilor, reticulului endoplasmatic, nucleului, tecilor de mielină ale neuronilor etc.. Se găsesc în ţesutul nervos, plasma sângelui, lapte, gălbenuş de ou.

Cele mai studiate sunt lipoproteidele circulante prezente în plasma sanguină şi limfă. Aceste proteine conjugate conţin, de regulă, atât lipide polare cât şi neutre, precum şi colesterol sau esterii acestuia. Ele intervin în transportul lipidelor din intestinul subţire, prin sânge în ficat şi mai departe în ţesutul adipos. Lipoproteidele plasmei se clasifică în patru grupe, în funcţie de densitatea lor:

- chilomicroni, formaţi în proporţie de 99% din lipide şi 1% proteine;

- lipoproteide cu densitate foarte mică (very low density lipoproteins – VLDL) care reprezintă compuşi stabili ce conţin o cantitate mare (80%) de triacilgliceroli, fosfolipide (7%), colesterol (8%) şi proteine puţine (2%);

- lipoproteide cu densitatea mică (LDL) sau β – lipoproteide care conţin drept component proncipal colesterol (43%) alături de fosfolipide (22%) şi triacilgliceroli (10%);

- lipoproteide cu densitatea mare (HDL) sau α – lipoproteide, ce conţin aproximativ 45-50% proteine, iar componentul lipidic este reprezentat de o cantitate mare de fosfolipide (30%) şi mai mică de colesterol (18%).

Datorită conţinutului ridicat în colesterol, β – lipoproteidele (LDL) sunt compuşi implicaţi în patogeneza aterosclerozei. Efecte negative au şi VLDL datorită proporţiei lor mari de trigliceride. Dimpotrivă, α – lipoproteidele (HDL), bogate în fosfolipide, au un rol de protecţie prevenind dezvoltarea acestei maladii. Aceste implicaţii ale lipoproteidelor cu diferite densităţi în apariţia şi dezvoltarea afecţiunilor cardiovasculare sunt legate de rolul deosebit al acestor compuşi în structura membranelor celulare.

Metaloproteidele sunt proteine conjugate care au drept grupă prostetică un metal (Fe, Cu, Mg, Zn, Mn, Co etc.) fixat prin legături complexe direct de componenta proteică, fără existenţa unor anumite grupe speciale de atomi. Metalul se leagă coordinativ de grupele polare libere existente în catenele laterale R ale aminoacizilor din lanţul polipeptidic. (Figura 4.10.)

Aceste grupe care fixează metalul poartă denumirea de liganzi (A şi B); în această interacţiune, grupa cedează electroni metalului şi se stabilesc astfel legături covalente coordinative iar metalul devine coordinat.Metalul astfel fixat prin componenta proteică (în metalenzime, de exemplu) are rolul de a stabililegăturile proteinei şi cu alţi liganzi reprezentând

Fig.4.10.Legarea metalului molecule mai mici, cu formarea unui complex intern în metalproteidă numit chelat.

Asemenea structuri cu caracter de chelat sunt posibile în metalenzime şi explică mecanismul funcţional al unor enzime în reacţiile biochimice pe care le catalizează. Astfel, polifenoloxidaza şi citocromoxidaza conţin Cu2+, carbonicanhidraza, alcooldehidrogenaza, carboxipeptidaza - Zn2+.

Unele metalproteide îndeplinesc în organism funcţia de proteine transportoare de metal, cum este transferina plasmatică sau lactotransferina din lapte care transportă fier şi ceruloplasmina din plasmă care transportă cupru. Altele reprezintă rezerve de fier pentru organism, cum este cazul feritinei sau hemosiderinei. La proteinele transportoare conţinutul de metal reprezintă 1%, la cele de depozit acest procent este mult mai mare (în feritină ajunge la 20%).

Nucleoproteide - reprezintă o grupă de proteine conjugate deosebit de importantă. Ele intră în compoziţia fiecărei celule deoarece constituie componentul indispensabil al nucleului şi citoplasmei. Unele nucleoproteide există în natură sub formă de particule deosebite care posedă activitate patogenă şi poartă denumirea de virusuri.

Nucleoproteidele joacă un mare rol biologic. Ele constituie nu numai elemente structurale ale celulei, nucleului şi citoplasmei sale, dar îndeplinesc şi cele mai importante funcţii specifice în organismul viu. Diviziunea celulelor, biosinteza proteinelor, transmiterea caracterelor ereditare şi diversele funcţii coenzimatice sunt strâns legate de nucleoproteide şi elementele lor constituente – acizii nucleici şi nucleotidele.

Nucleoproteidele au o masă moleculară mare, de la câteva mii până la zeci şi sute de milioane. Soluţiile lor posedă o viscozitate ridicată; forma moleculelor lor variază foarte mult, de la globulare la fibrilare.

Prin hidroliza incompletă a unei nucleoproteide, de exemplu sub acţiunea unei enzime sau prin dializă şi agitare cu cloroform, nucleoproteida se descompune într-o proteină şi acid nucleic. Proteina se poate îndepărta prin precipitare cu săruri sau prin denaturare termică.

Raportul dintre proteină şi acid nucleic este diferit (frecvent de la 30% până la 60% pentru ambii componenţi).

Legătura dintre proteină şi acidul nucleic este de tip ionic, deoarece proteinele nucleoproteidelor conţin multe grupe cationice iar acizii nucleici posedă un număr mare de grupe anionice. La majoritatea organismelor proteina din constituţia

Me2+

A

B

proteina

proteina

nucleoproteidelor este o histonă sau protamină. Însă, nucleoproteidele din ţesuturile vegetale, din bacterii, virusuri precum şi din unele ţesuturi animale conţin şi alte proteine simple (albumină sau globulină).În funcţie de acizii nucleici pe care-l conţin, nucleoproteidele pot fi cu dezoxiribonucleotide şi ribonucleotide. Acestea reprezintă nişte agregate complexe constituite din una sau două molecule de acizi nucleici şi un număr mare de subunităţi proteice fixate de ele. Exemplul clasic de ribonucleoproteidă îl constituie virusul mozaicului tutunului care conţine o moleculă de acid ribonucleic (ARN) cu masa moleculară de două milioane şi aproximativ 2.000 de subunităţi proteice. Din ribonucleoproteide sunt alcătuiţi ribozomii – organitele celulare unde are loc sinteza proteinelor. În cazul dezoxiribonucleoproteidelor, un rol deosebit în interacţiunea dintre acidul dezoxiribonucleic (ADN) şi protamină sau histonă i se atribuie restului de acid fosforic al ADN şi radicalului restului de arginină din lanţul polipeptidic al moleculei proteice. În acest caz, se formează un număr mare de legături electrovalente între grupele fosfatice şi guanidinice ionizate, după următorul tip:

O

O

O

O-P + H2N C

NH

NH2

(CH2)3 CHNH

CO

+

lant de ADN lant polipeptidic

Acidul nucleic şi proteina din nucleoproteide se stabilizează reciproc.

Este important de menţionat că cea mai mare parte a acizilor nucleici există în celulă sub formă de nucleoproteide. Legarea unei molecule de acid nucleic cu un număr mare de subunităţi proteice conduce la apariţia unor proprietăţi funcţionale unice ale acestui tip de compuşi. În particular, ribonucleoproteidele joacă un rol determinant în biosinteza proteinelor, iar dezoxiribonucleoproteidele în formarea şi în funcţionarea aparatului cromozomial al celulei. Importanţă deosebită în aceste procese o au acizii nucleici.