Εισαγωγή

Από τα λεγόμενα βιοπολυμερή, τρεις είναι οι κύριες ομάδες: οι πολυσακχαρίτες, οι πρωτεΐνες και τα πυρηνικά ή νουκλεϊνικά οξέα. Από αυτές, όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο των υδατανθράκων, οι πολυσακχαρίτες δρουν κατά κύριο λόγο ως «αποθήκες» ενέργειας (άμυλο και γλυκογόνο) και στα φυτά ως δομικό υλικό (κυτταρίνη). Τα νουκλεϊνικά οξέα έχουν ως κύρια αποστολή την αποθήκευση και μεταφορά πληροφοριών. Οι πρωτεΐνες έχουν, όμως, ποικίλες αποστολές. Ως ένζυμα και ορμόνες οι πρωτεΐνες καταλύουν και ρυθμίζουν τις αντιδράσεις οι οποίες γίνονται στο ανθρώπινο σώμα. Ως μύες και τένοντες προμηθεύουν στο σώμα τα μέσα για την κίνησή του. Ως δέρμα και μαλλί του δίνουν την εξωτερική κάλυψη και προστασία. Ως αιμοσφαιρίνη μεταφέρουν όλο το απαραίτητο Ο2 και στις πιο απομακρυσμένες «γωνιές» του σώματος. Σαν αντισώματα προμηθεύουν στον οργανισμό τα μέσα προστασίας από διάφορες ασθένειες. Σε συνδυασμό δε με άλλες ουσίες στα οστά, του παρέχουν ένα σκελετικό σύστημα στήριξης.

Με μία τόσο μεγάλη ποικιλία αρμοδιοτήτων που έχουν οι πρωτεΐνες δεν πρέπει να εκπλήσσεται κανείς από το γεγονός ότι υπάρχουν πολλές πρωτεΐνες οι όποιες διαφέρουν σε σχήμα και σε μέγεθος. Με μέτρο σύγκρισης τα περισσότερα από τα μόρια τα οποία έχουν αναφερθεί, ακόμη και οι πλέον μικρές πρωτεΐνες έχουν μεγάλες σχετικές μοριακές μάζες. Η λυσοζύμη, ένα ένζυμο, είναι μία σχετικά μικρή πρωτεΐνη η οποία όμως έχει σχετική μοριακή μάζα 14 600. Οι περισσότερες πρωτεΐνες έχουν σχετικές μοριακές μάζες κατά πολύ μεγαλύτερες από αυτό. Όσον αφορά το σχήμα τους, αυτό καλύπτει μία ευρεία γκάμα που ξεκινά από τις σφαιροειδείς πρωτεΐνες, όπως η αιμοσφαιρίνη, μέχρι τα ελικοειδή νημάτια της α-κερατίνης (τρίχα, νύχι, μαλλί) και τις φυλλοειδείς επιστρώσεις του μεταξιού.

Παρόλα αυτά και τις διαφορές μεγέθους, σχήματος, αποστολής, όλες οι πρωτεΐνες έχουν κάποια κοινά χαρακτηριστικά μέσω των οποίων αποκαλύπτεται η δομή τους και αιτιολογούνται οι ιδιότητές τους.

Αμινοξέα - Πρωτεΐνες

Τα διάφορα πολυμερή, συνθετικά ή βιολογικά, από την άποψη του τρόπου δημιουργίας τους κατατάσσονται σε δύο ομάδες. Στην πρώτη ομάδα ανήκουν τα πολυμερή προσθήκης, τα οποία παράγονται

με βάση αντιδράσεις προσθήκης π.χ. το πολυαιθυλένιο από το αιθυλένιο (βλέπε πλαστικά). Στη δεύτερη ομάδα ανήκουν τα πολυμερή συμπύκνωσης. Αυτά τα πολυμερή, όπως δηλώνει και το όνομά τους, προκύπτουν από αντιδράσεις συμπύκνωσης. Αυτές είναι αντιδράσεις όπου τα μόρια της μονομερούς ουσίας ενώνονται μεταξύ τους μέσω διαμοριακών αποσπάσεων μικρών μορίων, όπως νερού ή αλκοόλης. Μεταξύ των πλέον σημαντικών πολυμερών συμπύκνωσης είναι και τα πολυαμίδια. Σ' αυτά τα μονομερή είναι α-αμινοξέα τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με ταυτόχρονη απόσπαση Η₂Ο και δημιουργία του αμιδικού ή πεπτιδικού δεσμού.

αμοδικός δεσμός

α- αμινοξύ τμήμα πρωτεΐνης

Οι πρωτεΐνες λοιπόν είναι τα σημαντικότερα βιολογικά πολυαμίδια και οι μονομερείς τους μονάδες είναι περίπου 20 διαφορετικά αμινοξέα. Ο ανθρώπινος οργανισμός προσλαμβάνει πρωτεΐνες από κάποιες τροφές και μέσω υδρόλυσης τις διασπά στις αρχικές τους μονάδες, τα αμινοξέα. Στη συνέχεια στα κύτταρά του και σε ιστούς επανασυνθέτει «ανθρώπινες» αυτήν τη φορά πρωτεΐνες.

Η ακριβής αλληλουχία των διαφόρων αμινοξέων κατά μήκος της πρωτεϊνικής αλυσίδας ονομάζεται πρωτογενής δομή της πρωτεΐνης και είναι ιδιαίτερης σημασίας για το ρόλο που αυτή θα διαδραματίσει. Για να μπορεί μία πρωτεΐνη να εκτελέσει την αποστολή της, πρέπει η πρωτογενής αυτή δομή της να είναι «ορθή». Αν αυτή είναι ορθή, τότε είναι δυνατό η πολυαμιδική αλυσίδα να κάμπτεται σε κάποιες ιδιαίτερες θέσεις ώστε να της δίνεται το σχήμα το οποίο απαιτείται για την εκτέλεση αυτή. Αυτή η κάμψη της αλυσίδας οδηγεί σε πολύ ψηλότερα επίπεδα πολυπλοκότητας, η οποία καλείται δευτερογενής και τριτογενής δομή της πρωτεΐνης.

Υδρόλυση των πρωτεϊνών με οξέα ή βάσεις δίνει ένα μίγμα των διαφόρων αμινοξέων που τις συνιστούν. Από τις φυσικές πρωτεΐνες μπορούν να προκύψουν 22 διαφορετικά αμινοξέα. Το πλέον κοινό χαρακτηριστικό αυτών είναι ότι όλα διαθέτουν την L - στερεοχημική απεικόνιση στο αάτομο του C (πλην της γλυκίνης NΗ₂CH₂COOH).

Τα 22 αμινοξέα τα οποία προκύπτουν από την υδρόλυση των φυσικών πρωτεϊνών μπορούν να ταξινομηθούν σε 5 υποομάδες, ανάλογα με την φύση του R στο γενικό τους τύπο NΗ₂CH(R)COOH. Αυτά δίνονται στον πίνακα 4.3 στο τέλος της παραγράφου Μόνον 20 από τα 22 αμινοξέα χρησιμοποιούνται πρακτικά από τα κύτταρα, όταν αυτά συνθέτουν πρωτεΐνες. Δύο από τα αμινοξέα συντίθενται

δευτερογενώς, αφού δημιουργηθεί η πεπτιδική αλυσίδα. Η υδρόξυπρολίνη (παρούσα κυρίως στο κολλαγόνο) συντίθεται από την προλίνη και η κυστίνη (παρούσα στις περισσότερες των πρωτεϊνών) από την κυστεΐνη.

Τα αμινοξέα μπορούν να συντίθενται από όλους τους ζωντανούς οργανισμούς, ζώα και φυτά. Παρόλα αυτά, πολλά ανώτερα ζώα παρουσιάζουν αδυναμία στο να συνθέτουν όλα τα απαραίτητα αμινοξέα για τη σύνθεση των πρωτεϊνών τους. Ως εκ τούτου αυτά τα «ανώτερα» ζώα απαιτούν κάποια αμινοξέα ως μέρος της καθημερινής τους διατροφής. Για τον ενήλικα άνθρωπο υπάρχουν 8 τέτοια απαραίτητα αμινοξέα τα οποία και υποσημειώνονται στον πίνακα με την ένδειξη (α).

Πολλά αμινοξέα αντιδρούν με νιτρώδες οξύ , ΗΝΟ₂ ή καλύτερα ΗΟΝΟ, και δίνουν ποσοτικά αέριο Ν₂ (μέθοδος Van Slyke για τον ποσοτικό προσδιορισμό αμινοξέων). Βασική προϋπόθεση για θετική αντίδραση είναι να περιέχει στο μόριό του μία πρωτοταγή αμινομάδα. Έτσι το β-αμινοξύ Η₂Ν-CH₂-CH₂ -COOH θα δίνει:

Η₂Ν-CH₂-CH₂ -COOH +ΗΟΝΟ → CH₂ = CH-COOH + N₂ + 2H₂O

-H	Γλυκίνη	Gly
- CH3	Αλανίνη	Ala
-CH(CH3)2	Βαλίνη (Α)	Val
-CH2CH(CH3)2	Λευκίνη	Leu
	Ισολευκίνη (Α)	Ile
--CH2--	Φαινυλαλανίνη (Α)	Phe
-CH2CONH2	Ασπαριγίνη	Asn

Ο βιοχημικός ρόλος των πρωτεϊνών.

Οι πρωτεΐνες είναι βασικά συστατικά όλων των ζωντανών κυττάρων. Διακρίνονται , από χημική σκοπιά ,από τους υδατάνθρακες και τα λίπη, μια και περιέχουν ≈16% Ν πέρα από τα C,H και Ο. Οι πρωτεΐνες έχουν ως γενική αποστολή να κατασκευάζουν και να συντηρούν ιστούς. Επίσης σχηματίζουν ένζυμα, αντισώματα και κάποιες ορμόνες. Ρυθμίζουν ορισμένες σωματικές λειτουργίες, όπως την κίνηση των υγρών, την ισορροπία οξέων-βάσεων κ.λ.π.

Οι πρωτεΐνες υδρολύονται στον οργανισμό με την επίδραση ενζύμων γνωστών ως πρωτεολυτικά ένζυμα ή πρωτεάσες. Τα προϊόντα της υδρόλυσης αυτής ποικίλλουν ανάλογα με το είδος του ενζύμου. Έτσι οι πρωτεϊνάσες (π.χ. πεψίνη) δίνουν πεπτίδια, ενώ οι πεπτιδάσες αμινοξέα.

Αν το ενεργειακό ισοζύγιο ενός οργανισμού είναι αρνητικό, αυτός μπορεί να χρησιμοποιήσει και πρωτεΐνες για την παραγωγή ενέργειας πέρα από τις βασικές του "αποθήκες", που είναι οι υδατάνθρακες και τα λίπη. Η μέση ενεργειακή απόδοση των πρωτεϊνών είναι της τάξεως των 4 Kcal g^-1, μικρότερη δηλαδή εκείνης των λιπών και των σακχάρων. Οι πρωτεΐνες κατά το μεταβολισμό τους δεν οξειδώνονται προς CO₂ και Η₂Ο ( όπως οι υδατάνθρακες και τα λίπη) αλλά μεταπίπτουν σε ουρία, CO(NH₂)₂. Αυτό εξηγεί και τη σχετικά χαμηλή τους θερμιδομετρική απόδοση.