STRUKTURPROTEINER: FUNKTIONER, EXEMPEL OCH EGENSKAPER - BIOLOGI - 2025

De strukturella proteinerna är ett viktigt protein som finns i alla eukaryota celler, dvs celler är både djur och växt. Dessa är en del av mycket olika biologiska strukturer som hud, hår, spindelväv, siden, bindväv, växtcellväggar etc.

Även om termen "strukturellt protein" ofta används för att hänvisa till proteiner såsom kollagen, keratin och elastin, finns det också viktiga intracellulära strukturella proteiner som bidrar till att upprätthålla den inre strukturen i cellerna.

Fotografi av kollagenfibrer av typ I, en klass av strukturellt protein (Källa: Louisa Howard via Wikimedia Commons)

Dessa proteiner, som tillhör cytoskelettet, styr också den subcellulära platsen för organellerna och tillhandahåller transport- och kommunikationsmaskineriet mellan dem.

Vissa strukturella proteiner har studerats i detalj och har möjliggjort en större förståelse för den allmänna proteinstrukturen. Exempel på dessa är sidenfibroin, kollagen och andra.

Från studien av sidenfibroin beskrevs till exempel den sekundära proteinstrukturen i de p-vikta arken och från de första studierna som utfördes med kollagen dras den sekundära strukturen av trippel spiral ut.

Därför är strukturella proteiner väsentliga både i enskilda celler och i vävnaderna som de utgör.

Funktioner

Funktionerna hos strukturella proteiner är ganska olika och beror framför allt på typen av protein i fråga. Det kan emellertid sägas att dess huvudsakliga funktion är att bibehålla den strukturella integriteten hos celler och, i en vidare bemärkelse, kroppsstrukturen.

När det gäller kroppsstrukturproteiner har till exempel keratin funktioner i skydd och täckning, i försvar, i rörelse, bland andra.

Epidermis i huden hos däggdjur och andra djur har ett stort antal filament bestående av keratin. Detta lager har funktioner för att skydda kroppen mot olika typer av stressfaktorer eller skadliga faktorer.

Tornar och pinnar, liksom horn och näbb, klor och naglar, som är keratinerade vävnader, har funktioner både i skydd och försvar av kroppen.

Industriellt utnyttjas många djurs ull och hår för tillverkning av kläder och andra typer av kläder, antropocentriskt sett har de en ytterligare betydelse.

Cellulära strukturella proteiner

Ur cellulär synvinkel har strukturella proteiner transcendentala funktioner, eftersom de utgör den inre ramen som ger varje cell sin karakteristiska form: cytoskeletten.

Som en del av cytoskeletten deltar strukturella proteiner som aktin, tubulin, myosin och andra också i transport- och interna kommunikationsfunktioner, såväl som i mobilitetshändelser (i celler som kan förflytta sig).

Förekomsten av cilia och flagella är till exempel mycket beroende av strukturella proteiner som utgör de tjocka och tunna filamenten, som består av aktin och tubulin.

Exempel på strukturella proteiner och deras egenskaper

Eftersom det finns en stor mångfald av strukturella proteiner kommer endast exempel på det viktigaste och rikaste bland eukaryota organismer att ges nedan.

Bakterier och andra prokaryoter, tillsammans med virus, har också viktiga strukturella proteiner i sina cellkroppar, men mest uppmärksamhet riktas mot eukaryota celler.

aktin

Actin är ett protein som bildar filament (aktinfilament) som kallas mikrofilament. Dessa mikrofilamenter är mycket viktiga i cytoskelettet för alla eukaryota celler.

Aktinfilament är två-kedjiga spiralformade polymerer. Dessa flexibla strukturer är 5 till 9 nm i diameter och är organiserade som linjära balkar, tvådimensionella nätverk eller tredimensionella geler.

Actin fördelas över hela cellen, men det är särskilt koncentrerat i ett lager eller cortex fäst vid den inre ytan av plasmamembranet eftersom det är en grundläggande del av cytoskeletten.

-Collagen

Kollagen är ett protein som finns i djur och är särskilt rikligt i däggdjur, som har minst 20 olika gener som kodar för de olika formerna av detta protein som finns i deras vävnader.

Det finns främst i ben, senor och hud, där det utgör mer än 20% av den totala proteinmassan hos däggdjur (högre än andelen annat protein).

I bindvävnaderna där det finns, utgör kollagen en viktig del av den fibrösa delen av den extracellulära matrisen (som också består av en grundläggande substans), där den bildar elastiska fibrer som stöder stora dragkrafter.

Struktur av kollagenfibrer

Kollagenfibrer består av enhetliga underenheter av tropokollagenmolekyler, som är 280 nm långa och 1,5 nm i diameter. Varje tropokollagenmolekyl består av tre polypeptidkedjor kända som alfakedjor, som associerar med varandra som en trippel spiral.

Var och en av alfakedjorna har cirka 1 000 aminosyrarester, där glycin, prolin, hydroxiprolin och hydroxyslysin är mycket rikligt (vilket också gäller för andra strukturella proteiner som keratin).

Beroende på vilken typ av kollagenfiber som beaktas finns de på olika platser och har olika egenskaper och funktioner. Vissa är specifika för ben och dentin, medan andra är en del av brosk och så vidare.

-Keratin

Keratin är det viktigaste strukturella proteinet hos keratinocyter, en av de vanligaste celltyperna i överhuden. Det är ett olösligt fibröst protein som också finns i celler och integument för många djur.

Efter kollagen är keratin det näst vanligaste proteinet i däggdjurkroppen. Förutom att vara en väsentlig del av hudens yttersta skikt, är detta det huvudsakliga strukturella proteinet för hår och ull, naglar, klor och hovar, fjädrar och horn.

I naturen finns det olika typer av keratiner (analogt med olika typer av kollagen), som har olika funktioner. Alfa- och beta-keratiner är de mest kända. De förstnämnda bildar naglar, horn, pinnar och epidermis hos däggdjur, medan de senare är rikliga i näbb, skalor och fjädrar hos reptiler och fåglar.

-Elastin

Elastin, ett annat protein av animaliskt ursprung, är en nyckelkomponent i den extracellulära matrisen och har viktiga roller i elasticiteten och elasticiteten hos många vävnader hos ryggradsdjur.

Dessa vävnader inkluderar artärer, lungor, ligament och senor, hud och elastisk brosk.

Elastin utgör mer än 80% av de elastiska fibrerna som finns i den extracellulära matrisen och omges av mikrofibriller bestående av olika makromolekyler. Strukturen för matriserna som består av dessa fibrer varierar mellan olika vävnader.

I artärerna organiserar dessa elastiska fibrer sig i koncentriska ringar runt artärlumen; I lungorna bildar elastinfibrerna ett tunt nätverk i hela organet och koncentrerar sig i områden som öppningarna i alveolerna.

I senor är elastinfibrer orienterade parallellt med vävnadsorganisationen, och i elastiskt brosk är de anordnade i en tredimensionell konfiguration liknande en honungskaka.

-Extensines

Växtcellväggar består huvudsakligen av cellulosa, men några av proteinerna som är associerade med denna struktur har också funktionell och strukturell relevans.

Extensiner är ett av de mest kända väggproteinerna och kännetecknas av den upprepade pentapetidsekvensen Ser- (Hyp) 4. De är rika på basrester såsom lysin, vilket bidrar till deras interaktion med de andra komponenterna i cellväggen.

Dess funktion har att göra med väggarnas härdning eller förstärkning. Liksom med andra strukturella proteiner i djur finns det i växter olika typer av extensiner, som uttrycks av olika typer av celler (inte alla celler producerar extensiner).

I sojabönor produceras till exempel extensiner av sclerenchyma-celler, medan det i tobaksplanter har visats att sidorötter har två lager av celler som uttrycker dessa proteiner.

-Ark

Cellulära organeller har också sina egna strukturella proteiner, som ansvarar för att bibehålla sin form, rörlighet och många andra inneboende fysiologiska och metaboliska processer.

Det inre området i kärnmembranet är förknippat med en struktur känd som kärnämnet och båda har en mycket speciell proteinkomposition. Bland de proteiner som utgör kärnlamina finns proteiner som kallas laminae.

Laminorna hör till gruppen mellanliggande filament av typ V och det finns flera typer, de mest kända är A och B. Dessa proteiner kan interagera med varandra eller med andra inre element i kärnan, såsom matrisproteiner, kromatin och det inre kärnmembranet.

referenser

1. Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., … Walter, P. (2004). Väsentlig cellbiologi. Abingdon: Garland Science, Taylor & Francis Group.
2. Gartner, L., & Hiatt, J. (2002). Text Atlas of Histology (2: a upplagan). Mexico DF: McGraw-Hill Interamericana Editores.
3. Gruenbaum, Y., Wilson, KL, Harel, A., Goldberg, M., & Cohen, M. (2000). Granskning: Kärnämnen - strukturella proteiner med grundläggande funktioner. Journal of Structural Biology, 129, 313–323.
4. Keller, B. (1993). Strukturella cellväggsproteiner. Växtfysiologi, 101, 1127-1130.
5. Mithieux, BSM, & Weiss, AS (2006). Elastin. Framsteg inom proteinkemi, 70, 437-461.
6. Sun, T., Shih, C., & Green, H. (1979). Keratins cytoskeletter i epitelceller i inre organ. Proc. Natl. Acad. Sci., 76 (6), 2813–2817.
7. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J., & Meyers, MA (2016). Keratin: Struktur, mekaniska egenskaper, förekomst i biologiska organismer och insatser för bioinspiration. Framsteg inom materialvetenskap.