V vlaknatih proteini , znan tudi kot skleroproteinov, so razred proteinov, ki so pomembne strukturne sestavni del vsakega živi celici. Kolagen, elastin, keratin ali fibroin so primeri te vrste beljakovin.
Izpolnjujejo zelo raznolike in zapletene funkcije. Najpomembnejše so zaščitne naprave (na primer bodice divjega prahu) ali opore (kot je tista, ki pajkom nudi mrežo, ki jo sami pletejo in ki jih zadržuje).
Ponavljajoča se struktura svilene fibroine, vlaknaste beljakovine (Vir: Sponk prek Wikimedia Commons)
Vlakne beljakovine so sestavljene iz popolnoma podaljšanih polipeptidnih verig, ki so organizirane v nekakšno "vlakno" ali "vrv" velike odpornosti. Ti proteini so mehansko zelo močni in netopni v vodi.
Sestavni deli vlaknastih beljakovin so večinoma polimeri zaporedno ponavljajočih se aminokislin.
Človeštvo je poskušalo ponovno ustvariti lastnosti vlaknastih beljakovin z različnimi biotehnološkimi orodji, vendar razjasniti s tako natančnostjo razporeditve vsake aminokisline v polipeptidni verigi ni lahka naloga.
Struktura
Vlakneni proteini imajo v svoji strukturi sorazmerno preprosto sestavo. Na splošno so sestavljene iz treh ali štirih povezanih aminokislin, ki se ponavljajo večkrat.
To pomeni, da če beljakovine sestavljajo aminokisline, kot so lizin, arginin in triptofan, bo naslednja aminokislina, ki se bo na triptofan vezala, spet lizin, nato arginin in druga molekula triptofana in tako naprej.
Obstajajo vlaknasti proteini, ki imajo motive aminokislin, razporejene po dveh ali treh različnih aminokislin, razen ponavljajočih se motivov njihovih zaporedij, pri drugih proteinih pa je lahko zaporedje aminokislin zelo spremenljivo, 10 ali 15 različnih aminokislin.
Za strukture mnogih vlaknastih beljakovin so bile značilne rentgenske kristalografije in metode jedrsko magnetne resonance. Zahvaljujoč temu so podrobno opisani proteini v obliki vlaknin, cevasti, laminarni, spiralni, oblikovani kot "lijak" itd.
Vsak edinstven ponavljajoči se polipeptid tvori pramen, vsak pramen pa je ena od sto enot, ki sestavljajo ultrastrukturo "vlaknastega proteina". Na splošno so vsaka nitka razporejena v vijačnem položaju drug glede drugega.
Lastnosti
Zaradi mreže vlaken, ki sestavljajo vlaknaste beljakovine, so njihove glavne funkcije, ki služijo kot strukturni material za podporo, odpornost in zaščito tkiv različnih živih organizmov.
Zaščitne strukture, sestavljene iz vlaknastih beljakovin, lahko zaščitijo vitalne organe vretenčarjev pred mehanskimi sunki, neugodnimi vremenskimi razmerami ali napadom plenilcev.
Stopnja specializacije vlaknastih beljakovin je edinstvena v živalskem kraljestvu. Pajkova mreža je na primer bistvena podporna tkanina za življenjsko pot pajkov. Ta material ima edinstveno moč in prožnost.
Toliko, da dandanes mnogi sintetični materiali poskušajo ponovno ustvariti prožnost in odpornost pajkove mreže, tudi če uporabljajo transgene organizme za sintezo tega materiala z uporabo biotehnoloških orodij. Vendar je treba opozoriti, da pričakovani uspeh še ni dosežen.
Pomembna lastnost vlaknastih beljakovin je, da omogočajo povezavo med različnimi tkivi vretenčarjev.
Poleg tega vsestranske lastnosti teh proteinov omogočajo živim organizmom, da ustvarijo materiale, ki združujejo moč in prožnost. To je v mnogih primerih bistveno sestavni del za gibanje mišic pri vretenčarjih.
Primer vlaknastih beljakovin
Kolagen
Je beljakovina živalskega izvora in je morda ena najbolj obilnih v telesu vretenčarjev, saj sestavlja večino vezivnih tkiv. Kolagen izstopa po močnih, razširljivih, netopnih in kemijsko inertnih lastnostih.
Molekularna struktura kolagena, vlaknaste beljakovine živalskega izvora (Vir: Nevit Dilmen prek Wikimedia Commons)
Večinoma ga sestavljajo koža, roženica, medvretenčni diski, kite in krvne žile. Kolagena vlakna sestavljajo vzporedna trojna vijačnica, ki je skoraj tretjina le aminokislinskih glicina.
Ta protein tvori strukture, znane kot "mikrofibrili kolagena", ki so sestavljeni iz združenja več trojnih kolobarjev kolagena skupaj.
Elastin
Tako kot kolagen je tudi elastin, ki je del vezivnega tkiva. Vendar, za razliko od prvega, daje elastičnost tkivom, namesto odpornosti.
Elastinska vlakna sestavljajo aminokisline valin, prolin in glicin. Te aminokisline so zelo hidrofobne in ugotovljeno je bilo, da je elastičnost tega vlaknastega proteina posledica elektrostatičnih interakcij znotraj njegove strukture.
Elastin je bogat v tkivih, ki se intenzivno podvržejo podaljševalnim in sprostitvenim ciklom. Pri vretenčarjih ga najdemo v arterijah, ligamentih, pljučih in koži.
Keratin
Keratin je protein, ki ga najdemo pretežno v ektodermalni plasti vretenčarjev. Ta protein med drugim tvori pomembne strukture, kot so lasje, nohti, trnje, perje, rogovi.
Keratin je lahko sestavljen iz α-keratina ali β-keratina. Α-keratin je veliko trdnejši od β-keratina. To je zato, ker α-keratin sestavljajo α-helike, ki so bogate z aminokislino cistein, ki ima sposobnost tvorjenja disulfidnih mostov z drugimi enakimi aminokislinami.
Po drugi strani je v β-keratinu sestavljen v večjem deležu polarnih in apolarnih aminokislin, ki lahko tvorijo vodikove vezi in so organizirane v zloženih β listih. To pomeni, da je njegova struktura manj odporna.
Fibroin
To je beljakovina, ki tvori pajkovo mrežo in niti, ki jih proizvajajo sviloprejke. Te niti so sestavljene večinoma iz aminokislin glicin, serin in alanin.
Strukture teh proteinov so β-listi, organizirani protiparalno glede na orientacijo nitk. Ta lastnost mu daje odpornost, prožnost in malo sposobnosti raztezanja.
Fibroin ni zelo topen v vodi in zaradi svoje prožnosti dolguje veliki togosti, ki jo združuje aminokisline v svoji primarni strukturi, in mostovom Vander Waalsa, ki se tvorijo med sekundarnimi skupinami aminokislin.
Reference
- Bailey, K. (1948). Vlakne beljakovine kot komponente bioloških sistemov. Britanski medicinski bilten, 5 (4-5), 338–341.
- Huggins, ML (1943). Struktura vlaknastih beljakovin. Kemični pregledi, 32 (2), 195-218.
- Kaplan, DL (1998). Vlaknasta beljakovina-svila kot modelni sistem. Degradacija in stabilnost polimerov, 59 (1-3), 25-32.
- Parry, DA, & Creamer, LK (1979). Vlakne beljakovine, znanstveni, industrijski in medicinski vidiki. Mednarodna konferenca o vlaknastih beljakovinah 1979: Univerza Massey). Akademski tisk.
- Parry, DA in Squire, JM (2005). Vlakneni proteini: odkriti novi strukturni in funkcionalni vidiki. V napredku kemije beljakovin (Vol. 70, str. 1-10). Akademski tisk.
- Schmitt, FO (1968). Vlakne beljakovine - nevronske organele. Zbornik Nacionalne akademije znanosti Združenih držav Amerike, 60 (4), 1092.
- Wang, X., Kim, HJ, Wong, C., Vepari, C., Matsumoto, A., in Kaplan, DL (2006). Vlakne beljakovine in tkivni inženiring. Gradivo danes, 9 (12), 44–53.