Protein

protein	protein	milk
nuts

โปรตีนเป็นสารประเภทพอลิเพปไทด์ที่มีโครงสร้างของโมเลกุลที่ซับซ้อน มีธาตุประกอบหลักซึ่งประกอบด้วย คาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน เป็นสารที่พบมากที่สุดในสิ่งมีชีวิต มากกว่าครึ่งหนึ่งของน้ำหนักแห้ง (dry weight) ของเซลล์ทั่วไป โปรตีนมีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางชีวเคมีทุกชนิด

Amino acid and Peptide bond

.เมื่อสลายโปรตีนด้วยกรดจะได้สารอินทรีย์ง่ายๆ เรียกว่า กรดอะมิโน (amino acid) ซึ่งมีสูตรโครงสร้าง เป็น NH2-CHR-COOH ในสูตรโครงสร้างนี้อะตอมคาร์บอนในตำแหน่งอัลฟาจะเป็นอะตอมคาร์บอนไม่สมมาตร (asymmetric carbon atom) ดังนั้นกรดอะมิโนทุกตัว นอกจากไกลซีน จะมีสเตริโอไอโซเมอร์ได้สองชนิดคือ D- และ L- โดยที่กรดอะมิโนในธรรมชาติส่วนใหญ่เป็นชนิด L-

ที่มา : www.myfirstbrain.com

เมื่อหมู่คาร์บอกซิลของกรดอะมิโนโมเลกุลหนึ่งทำปฏิกิริยากับหมู่อะมิโนอีกโมเลกุลหนึ่งจะมีการสร้างพันธะเอไมด์ขึ้นซึ่งเรียกกันว่า “พันธะเพปไทด์” (peptide bond) กรดอะมิโนทั้งหลายของโปรตีนจะจับกันด้วยพันธะเพปไทด์ทั้งสิ้น

(ที่มา : http://www.bio.miami.edu/~cmallery/255/255chem/gk2x24.gif)

..............

โปรตีนเป็นพอลิเมอร์ธรรมชาติที่เกิดจากการรวมตัวของกรดอะมิโนจำนวนมาก โปรตีนมีหลายชนิดโปรตีนนับหมื่นชนิดในร่างกายประกอบด้วยกรดอะมิโน 20 ชนิดเป็นโครงสร้างพื้นฐานกรดอะมิโนบางชนิดร่างกายสังเคราะห์ขึ้นเองได้ บางชนิดร่างกายสังเคราะห์ขึ้นเองไม่ได้เรียกกรดอะมิโนที่สังเคราะห์ขึ้นเองไม่ได้นี้ว่า กรดอะมิโนจำเป็น ซึ่งได้แก่ เมไทโอนีน ทรีโอนีน ไลซีน เวลีน ลิวซีน ไอโซลิวซีน ฟีนิวอะลานีน ทริปโตเฟน และฮีสติดีน (สำหรับเด็ก) เมื่อพิจารณากรดอะมิโนแต่ละชนิดจะมีองค์ประกอบพื้นฐานที่เหมือนกันคือ หมู่คาร์บอกซิลิกและ หมู่เอมีน ซึ่งหมู่อะมิโนเหล่านี้แตกต่างกันที่แขนง หรือ R group ซึ่งแบ่งออกเป็นแปดชนิด ตามลักษณะทางเคมี คือ aliphatic, aromatic, sulphur, acidic, basic, amide, hydroxyl และ imino

บทบาทของกรดอะมิโนแต่ละชนิดในการทำงานของโปรตีนขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของโซ่ข้าง 4 ประการ ได้แก่ ลักษณะ ความมีขั้ว คุณสมบัติการแตกตัว ความสามารถในการเกิดพันธะไฮโดรเจน และ คุณสมบัติเฉพาะตัวของสาร

โครงสร้างและชนิดของกรดอะมิโน

สมบัติและปฏิกิริยาของกรดอะมิโน

. เนื่องจากกรดอะมิโนมีหมู่อะมิโนและหมู่คาร์บอกซิลิกเป็นหมู่ฟังก์ชันจึงมีสมบัติดังนี้

การละลายน้ำ กรดอะมิโนเป็นผลึกของแข็งสีขาว ละลายน้ำได้และละลายในโมเลกุลที่มีขั้ว

จุดหลอมเหลว ของกรดอะมิโนค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับสารอินทรีย์อื่นๆ ที่มีมวลโมลเลกุลใกล้เคียงกัน เนื่องจากแรงยึดเหนี่ยวระหว่างโมเลกุลเป็นพันธะไฮโดรเจน

ความเป็นกรด-เบส ของกรดอะมิโนมีสมบัติเป็นทั้งกรดและเบส เนื่องจากมีองค์ประกอบเป็นหมู่ฟังก์ชันของ –COOH ซึ่งมีสมบัติเป็นกรด และหมู่ –NH2 ซึ่งมีสมบัติเป็นเบส

กรดอะมิโนจึงเป็นสาประเภทแอมโฟเทอริก ซึ่งแตกตัวเป็นไอออนในสารละลายได้คล้ายสารประกอบไอออนิกต่างกันที่โมเลกุลของกรดอะมิโนมีทั้งประจุบวกและประจุลบ จึงเกิดเป็นไอออน 2 ขั้วที่เรียกว่า zwiiter ion ทำให้ผลรวมของประจุไฟฟ้าในโมเลกุลเป็นศูนย์

ประจุไฟฟ้าในโมเลกุลของกรดอะมิโนเปลี่ยนแปลงได้เมื่อมีการเปลี่ยนสภาพความเป็นกรด-เบสของสารละลายดังนี้

กรดอะมิโนรับ H+ ในสารละลายกรด และให้ H+ ในสารละลายเบส กรดอะมิโนจึงสามารถทำปฏิกิริยากับสารละลายที่มีสมบัติเป็นกรดหรือเบสได้

เมื่อกรดอะมิโนทำปฏิกิริยากับสารละลายกรด

และเมื่อทำปฏิกิริยากับเบสจะได้

โครงสร้างของโปรตีน

สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่ใช้กรดอะมิโนเป็นสารตั้งต้นในการสังเคราะห์โปรตีน โดยกรดอะมิโนหลายโมเลกุลยึดเหนี่ยวกัน ด้วยพันธะเพปไทด์ ถ้ากรดอะมิโน 2 โมเลกุลเกิดปฏิกิริยารวมตัวกันจะได้สารประกอบที่เรียกว่า ไดเพปไทด์ กรดอะมิโน 3 โมเลกุลทำปฏิกิริยารวมตัวกันจะได้สารประกอบ ไตรเพปไทด์ และถ้ากรดอะมิโนหลายๆ โมเลกุล ทำปฏิกิริยากันจนเกิดเป็นสายยาวเรียกว่า พอลิเพปไทด์

เนื่องจากโปรตีนเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ซึ่งประกอบด้วยกรดอะมิโนจำนวนมากซึ่งยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะเพปไทด์และพันธะชนิดอื่นๆ ทำให้โปรตีนมีโครงสร้าง 4 ระดับคือ

Primary Structure : โครงสร้างปฐมภูมิ

เป็นโครงสร้างที่แสดงการจัดลำดับ ชนิด และจำนวนโมเลกุลของกรดอะมิโนในสายพอลิเมอร์โซ่ยาว ซึ่งโปรตีนแต่ละชนิดจะมีลำดับของชนิดและจำนวนโมเลกุลของกรดอะมิโนที่แน่นอนการจัดลำดับกรดอะมิโน โครงสร้างปฐมภูมิ กำหนดให้ปลาย หมู่อะมิโนอยู่ด้านซ้าย (N-terminal) และ ปลายคาร์บอกซิลิกอยู่ด้านขวา (C-terminal)

โครงสร้างปฐมภูมิของโปรตีน

(ที่มา http://www.msu.edu/course/isb/202/ebertmay/drivers/Protein-primary-structure.png)

(ที่มา: ปรับปรุงจากhttp://met.fzu.edu.cn/eduonline/protein%20chemistry%20net/english/bjkc/jawd3.html)

การเปลี่ยนแปลงลำดับ amino acid ในโปรตีนอาจมีผลให้รูปร่างของโปรตีนเปลี่ยนไป และอาจมีผลต่อการทำงานของโปรตีนชนิดนั้นๆ ตัวอย่างเช่น โรค sickle-cell anemia

(ที่มา: http://consensus.nih.gov/2008/SickleCellAbstractBookhtml/SickleCellAbstratBookHTMLformat.htm)

Secondary Structure : โครงสร้างทุติยภูมิ

เป็นโครงสร้างที่เกิดจากการขดหรือม้วนตัวของโครงสร้างปฐมภูมิ ถ้าเกิดจากการสร้างพันธะไฮโดรเจนระหว่าง C=O ของกรดอะมิโนหนึ่งกับ N-H ของกรดอะมิโนถัดไปอีก 4 หน่วยในสายพอลิเพปไทด์เดียวกันจะเกิดโครงสร้างในลักษณะบิดเป็นเกลียวซึ่งเรียกโครงสร้างทุติยภูมิชนิดนี้ว่า เกลียวแอลฟา (alpha helix) และถ้าเกิดจากการสร้างพันธะไฮโดรเจนระหว่าง C=O กับ N-H ของกรดอะมีโนระหว่างสายพอลิเพปไทด์ที่อยู่คู่กัน จะเกิดโครงสร้างแบบแผ่น เรียกว่า แผ่นพลีทบีต้า (Beta pleated sheet)

นอกจากจะเกิดพันธะไฮโดรเจนแล้วยังสามารถเกิดพันธะไดซัลไฟด์ พันธะไอออนิก เป็นต้น

โครงสร้างทุติยภูมิ

(ที่มา http://kvhs.nbed.nb.ca/gallant/biology/secondary_structure.jpg)

Tertiary Protein : โครงสร้างตติยภูมิ/ไตรภูมิ

โครงสร้างระดับนี้เกิดจากพันธะเคมีภายในหมู่ alkyl (R-group) ของกรดอะมิโนใน peptide chain พันธะเคมีที่เกิดขึ้นมีหลายชนิด

Disulfide bond

Hydrogen bond

Ionic bond

Hydrophobic interaction (Van der waal)

Sulfhydryl group

Hydroxyl, Carboxyl, Amino group

Amido group

Non-polar amico acid

พันธะเคมีเหล่านี้จะทำให้สายของโปรตีนมีการม้วนตัว (folding) เกิดเป็นโครงสร้าง 3 มิติ และรูปร่าง 3 มิตินี้ จะเป็นรูปร่างเฉพาะของโปรตีนแต่ละชนิด

โครงสร้างตติยภูมิ

(ที่มา http://bioweb.wku.edu/courses/biol22000/3AAprotein/images/F03-08C.GIF)

Quaternary Structure : โครงสร้างจตุรภูมิ

เกิดจากการรวมตัวของหน่วยย่อยชนิดเดียวกันหรือต่างชนิดกันของโครงสร้างตติยภูมิ โดยมีแรงยึดเหนี่ยวเหมือนกับในโครงสร้างทุติยภูมิและตติยภูมิ ลักษณะโครงสร้างใหม่ขึ้นอยู่กับโครงสร้างตติยภูมิซึ่งเป็นหน่วยย่อย โดยอาจรวมกันเป็นลักษณะเป็นก้อนกลม เช่น ฮีโมโกลบินหรือเป็นมัดเส้นใย เช่น คอลลาเจน

โครงสร้างจตุรภูมิ a) คอลลาเจน และ b) ฮีโมโกลบิน

(ที่มา http://kvhs.nbed.nb.ca/gallant/biology/quaternary_structure.jpg)

Hemoglobin ประกอบด้วย polypeptide 4 สายรวมกันกลายเป็นโปรตีนที่มีรูปร่างเป็นก้อน

(ที่มา: http://www.biology.lsu.edu/introbio/summer/Summer2004/1201/RF/Chapter%205%20review.htm)

ขั้นตอนการเกิดโครงสร้างที่ระดับต่างๆ ของโปรตีน

(ที่มา http://academic.brooklyn.cuny.edu/biology/bio4fv/page/prot_struct-4143.JPG)

ชนิดและหน้าที่ของโปรตีน

การจัดจำแนกโปรตีนตามตามลักษณะโครงสร้างของสายพอลิเมอร์จำแนกได้ 2 ประเภทดังนี้

โปรตีนเส้นใย (fiber protein)

เกิดจากสายพอลิเพปไทด์หลายเส้นเรียงขนานกัน และพันรอบกันเองคล้ายเส้นเชือก ละลายน้ำได้น้อยส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นโปรตีนโครงสร้าง เพราะมีความแข็งแรงและยืดหยุ่นสูง ตัวอย่างโปรตีนชนิดนี้ได้แก่ ไฟโบรอินในเส้นไหม อีลาสตินในเอ็น คอลลาเจนในเนิ้อเยื่อเกี่ยวพัน เคราตินในผม ขน เล็บ เป็นต้น

โปรตีนก้อนกลม (globular protein)

เกิดจากสายพอลิเพปไทด์ม้วนขดพันกันเป็นก้อนกลม ละลายน้ำได้ดี ส่วนใหญ่ทำหน้าที่เกี่ยวกับเมทาบอลิซึมต่างๆที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ ตัวอย่างของโปรตีนก้อนกลม เช่น เอนไซม์ ฮอร์โมนอินซูลิน ฮีโมโกลบินโกลบูลินในพลาสมา เป็นต้น

นอกจากจะแบ่งโปรตีนตามโครงสร้างแล้วยังสามารถแบ่งตามหน้าที่ได้ดังตาราง

ตารางแสดง ชนิด หน้าที่ และแหล่งที่พบของโปรตีน

การทดสอบโปรตีน

การทดสอบโปรตีนจะใช้ ปฏิกิริยาไบยูเร็ต (Biuret Reaction) โปรตีนทุกตัวจะให้สีกับปฏิกิริยาการทดลองนี้เป็นสีน้ำเงินปนม่วง โดยโปรตีนจะทำปฏิกิริยากับคอปเปอร์ซัลเฟต (CuSO4) ใน สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH)

ดังสมการ