Valgud: definitsioon, struktuur, süntees ja funktsioon rakkudes

Avasta valgud: aminohapete struktuur, süntees, rakuline funktsioon ja tähtsus eluprotsessides. Selged selgitused, näited ja molekulaarsed mehhanismid.

Valgud on pika ahelaga molekulid, mis koosnevad väikestest ühikutest, mida nimetatakse aminohapeteks. Need on omavahel ühendatud peptiidsidemete abil.

Need on biokeemilised ühendid, mis koosnevad ühest või mitmest polüpeptiidist, mis on kokku volditud ümmarguseks või kiuliseks.

Polüpeptiid on üks lineaarne aminohapete polümeeri ahel. Polüpeptiidi aminohapete järjestus pärineb geeni DNA järjestusest. Geneetiline kood määrab 20 standardset aminohapet. Varsti pärast sünteesi modifitseeritakse mõned aminohapped keemiliselt. See muudab valgu voldimist, stabiilsust, aktiivsust ja funktsiooni. Mõnikord on valkudesse lisatud mittepeptiidrühmi, mis on kofaktorid.

Valgud on kõigi rakkude jaoks hädavajalikud. Nagu teisedki bioloogilised makromolekulid (polüsahhariidid ja nukleiinhapped), osalevad valgud peaaegu kõigis rakkude protsessides:

Struktuuri tasemed

Valgude struktuur kirjeldatakse tavaliselt nelja tasemega:

• Primaarstruktuur – aminohapete järjestus polüpeptiidahelas (peptiidsidemed kinnitavad järjestuse).
• Sekundaarstruktuur – piirkondlikud voldid nagu α-heeliksid ja β-lestad, mida stabiliseerivad vesiniksidemed.
• Tertsiaarstruktuur – ühe polüpeptiidiahela kolmemõõtmeline kokkupakkimine, hoitud vesiniksidemete, hüdrofoobsete interaktsioonide, iooniliste sidemete ja disulfiidsildadega.
• Kvaternaarstruktuur – mitme alamühiku (polüpeptiidi) kooslus, mis moodustab funktsionaalse valgu kompleksi.

Aminohapped ja keemilised omadused

Aminohapped erinevad oma R-rühmade poolest (hüdrofoobsus, laeng, polaarsus ja võimalikud keemilised rühmad). Need omadused mõjutavad, kuidas valk voldib ja milliseid interaktsioone ta teiste molekulidega loob. Peptiidsideme moodustumisel eraldub vee molekul (kondensatsioonireaktsioon), ja aminohapete järjestus määrab valgu struktuuri ja funktsiooni.

Süntees (transkriptsioon ja translatsioon)

Valkude süntees rakus toimub kahes peamises etapis:

• Transkriptsioon – geenilt kirjutatakse DNA järjestuse alusel mRNA järjestus.
• Translatsioon – mRNA kood loetakse ribosoomis ja vastavad aminohapped liidetakse järjestikku tRNA-de abil, moodustades polüpeptiidi.

Mõned valgud sünteesitakse vabadel ribosoomidel tsütoplasmas, teised ribosoomidel, mis kinnituvad endoplasmaatilise retiikulumi (ER) külge ning suunatakse sekretsiooni või organellidesse signaalpeptiidide abil.

Voldimine ja stabiilsus

Pärast sünteesi tuleb polüpeptiidil õigesti voltuda. Seda protsessi abistavad spetsiaalsed valgud, nn šaperonid (chaperones), mis takistavad mittespetsiifilist kokkukleepumist ja aitavad saavutada õige tertsiaarstruktuuri. Vale voldimine võib viia rakkude kahjustuseni ja haigusteni (nt prionhaigused, Alzheimeri tõbi).

Valgu stabiilsust mõjutavad temperatuur, pH, ioonne tugevus ja olemasolevad ligandid või kofaktorid. Ekstreemsete tingimuste mõju võib valku denatureerida (kaotada kõrgetasemeline struktuur) — mõnel juhul saab valgu taasaktiveerida (renatureerumine), kuid sageli on denaturatsioon pöördumatu.

Post-translatsioonilised modifikatsioonid ja kofaktorid

Pärast sünteesi võib valkude keemilist koostist muuta mitmeti:

• fosforüülimine (regulatsioon),
• glykosüülimine (eriti sekreteeritud ja membraanivalkudes),
• atsetüülimine, metüülimine, ubiquitinatsioon (märk lagundamiseks) jt.

Mõnedel valkudel on mittepeptiidseid ühendeid ehk kofaktoreid (näiteks metalliioone, vitamiine), mis on vajalikud katalüütiliseks aktiivsuseks.

Funktsioonid rakkudes

Valgud täidavad väga erinevaid ja hädavajalikke rolle. Peamised funktsioonikategooriad on:

• Enzüümid – kiirendavad keemilisi reaktsioone (näiteks seedimisensüümid, metaboolsed ensüümid).
• Struktuursed valgud – annavad rakkudele ja kudedele tugevuse ja kuju (näiteks keratiin, kollageen).
• Transportvalkud – kannavad molekule üle rakumembraani või veres (näiteks hemoglobiin, membraanikanalid).
• Retseptorid ja signaalmolekulid – vahendavad rakkudevahelisi signaale ja vastuseid keskkonnale.
• Liikumisvalgud – tagavad raku motoorseid funktsioone (aktin, müosiin).
• Immunfunktsioonid – antikehad ja komplemendisüsteemi valgud osalevad patogeenide vastases kaitses.
• Hoidla- ja transpordifunktsioonid – mõned valgud hoiustavad aminohappeid või mineraale.
• Regulatoorsed valgud – mõjutavad geenide avaldumist, rakkude tsüklit ja ainevahetust.

Valkude lagundamine ja regulatsioon

Rakk kontrollib valkude hulka ja eluea kaudu degradatsiooni mehhanismidega, näiteks ubiquitin-proteasoomisüsteemi ja autofaagia teel. Ubiquitinatsioon märgistab valku proteaasi jaoks. Valgud on sageli reguleeritud allosteerse muutuse või keemilise modifikatsiooni abil, mis lülitab nende aktiivsuse sisse või välja vastavalt raku vajadustele.

Struktuuri määramine ja uurimismeetodid

Valgustruktuure uuritakse mitmete meetoditega:

• röntgenkristallograafia,
• NMR-spektroskoopia,
• krüo-elektronmikroskoopia (cryo-EM),
• mass-spektromeetria (valgu identifitseerimine ja modifikatsioonide määramine),
• elektroforees ja eri biokeemilised katsetehnikad.

Tähendus tervisele ja rakendused

Valgud on meditsiini ja biotehnoloogia keskne uurimisobjekt: neist sõltuvad ravimid (näiteks monoklonaalsed antikehad), diagnostika ja biotehnoloogilised protsessid (ensüümide tootmine, geneetiliselt muundatud valgud). Valkude vale toimimine on seotud paljude haigustega, mistõttu nende mõistmine on oluline nii põhi- kui rakendusuuringute jaoks.

Kokkuvõte

Valgud on mitmekülgsed ja keerukad biomolekulid, mille põhiomadused tulenevad aminohapete järjestusest ning mitmetasandilisest struktuurist. Nad osalevad raku ehituses, ainevahetuses, signaalide edastamises, kaitses ja paljudes teistes protsessides. Valkude süntees, voldimine, modifikatsioon ja lagundamine on täpselt reguleeritud protsessid, mis tagavad raku normaalse talitluse.

Valgud inimeste jaoks

Valgud täidavad sõltuvalt oma kujust erinevaid funktsioone. Neid võib leida lihast või lihast. Neid kasutatakse nii kasvuks ja taastamiseks kui ka luude tugevdamiseks. Nad aitavad luua kudesid ja rakke. Neid on loomades, taimedes, seentes, bakterites ja ka inimkehas.

Lihased sisaldavad palju valku. Kui valk seeditakse, laguneb see aminohapeteks. Neid aminohappeid saab seejärel kasutada uue valgu ehitamiseks. Valgud moodustavad olulise osa sellistes toiduainetes nagu piim, munad, liha, kala, oad, spinat ja pähklid. On neli tegurit, mis määravad, mida valk teeb. Esimene neist on aminohapete järjestus. On olemas 20 erinevat tüüpi aminohapet. Teine on väikesed keerdkäigud ahelas. Kolmas on see, kuidas kogu struktuur on kokku volditud. Neljas on see, kas see koosneb erinevatest allüksustest. Näiteks hemoglobiini molekulid koosnevad neljast allüksusest.

Kahjustavad mutatsioonid

Enamik valke on ensüümid ja mutatsioonid võivad neid aeglustada või peatada nende töö. 50% inimese vähktõvest on põhjustatud mutatsioonidest kasvajasupressoris p53. p53 on valk, mis reguleerib rakkude jagunemist.

Olulised aminohapped

Valgud on loomade toidulauas vajalikud, sest loomad ei suuda kõiki vajalikke aminohappeid ise toota (enamikku neist suudavad nad ise valmistada). Nad peavad saama teatud aminohappeid toidust. Neid nimetatakse asendamatuteks aminohapeteks. Loomad lagundavad söödud valgu seedimise teel vabadeks aminohapeteks. Seejärel kasutatakse aminohappeid ainevahetuses keha jaoks vajalike ensüümide ja struktuuride valmistamiseks.

Inimese jaoks on üheksa asendamatut aminohapet, mis saadakse toiduga. Need üheksa asendamatut aminohapet on: histidiin, isoleutsiin, leutsiin, lüsiin, metioniin, fenüülalaniin, treoniin, trüptofaan ja valiin. Liha sisaldab kõiki inimesele vajalikke asendamatuid aminohappeid; enamik taimi neid ei sisalda. Kuid taimede segu, näiteks nisu ja maapähklivõi või riisi ja ubade söömine annab kõik vajalikud asendamatud aminohapped. Sojatooted, nagu tofu, pakuvad kõiki vajalikke aminohappeid - nagu ka kinoa -, kuid need ei ole ainus viis saada inimesele vajalikku valku.

Teadlane Jöns Jacob Berzelius andis valkudele oma nime, kuid valke on uurinud ka paljud teised teadlased.

Munavalged sisaldavad palju valku

Küsimused ja vastused

K: Mis on valgud?

K: Kuidas ühendatakse aminohappeid?

K: Mis on polüpeptiid?

K: Kust pärineb aminohapete järjestus polüpeptiidis?

K: Mis juhtub vahetult pärast sünteesi mõne aminohappega?

K: Mida teeb valkudes olevate aminohapete modifitseerimine?

K: Kas kõik valgud koosnevad ainult aminohapetest?

Otsing