Proteiini

Myoglobiinin 3D-rakenne, jossa on eri väreillä kuvattu α-heliksit. Tämän proteiinin rakenne saatiin selville röntgenkristallografian avulla.

Proteiini eli valkuaisaine on aminohappoketjusta koostuva orgaaninen yhdiste tai usein monen toisiinsa liittyneen aminohappoketjun muodostama kompleksi. Proteiinit kuuluvat perusravintoaineisiin rasvojen ja hiilihydraattien kanssa. Lähes kaikilla tunnetuilla eliöillä proteiineja muodostavat samat 20 aminohappoa. Aminohapot ovat sitoutuneet toisiinsa peptidisidoksin. Aminohappoketjuja kutsutaan myös polypeptideiksi. Muutaman aminohapon ketju on oligopeptidi. Aminohappoketjujen katsotaan aina alkavan siitä päästä, jossa on vapaa aminoryhmä (nk. N-pää tai N-terminus) ja loppuvan päähän, jossa on vapaa karboksyyliryhmä (nk. C-pää tai C-terminus). Proteiinit löysi Jöns Jacob Berzelius vuonna 1838.

Proteiinien tehtäviä

Proteiinit ovat kaikkien solujen rakennusainetta. Suurin osa solun kuivamassasta koostuu proteiineista. Rakennusaineina olemisen lisäksi proteiinit suorittavat lähes kaikki solun toiminnot ja ovat siten välttämättömiä elintoiminnoille. Proteiineja tarvitaan elimistössä sen typpi-, neste-, happo-, emäs- sekä kaliumin ja natriumin tasapainon ylläpitämiseen. Proteiinit mahdollistavat solujen liikkumisen, yhteenliittämisen, signaalivälityksen ja immuunipuolustuksen. Ne myös säätelevät geenejä eli toimivat transkriptiotekijöinä. Jotkin proteiinit toimivat entsyymeinä.

Solukalvoissa sijaitsevat proteiinit toimivat kanavina ja pumppuina, joiden avulla kontrolloidaan pienten molekyylien kulkua solusta ulos ja sisään soluun, sekä reseptoreina, jotka välittävät viestejä solun ulkopuolelta solun sisälle. Proteiinit voivat olla ikään kuin molekulaarisia koneita: Solunsisäiset moottoriproteiinit, esimerkiksi kinesiini, huolehtivat molekyylien kuljetuksesta sytoplasmassa ja topoisomeraasit kykenevät muuttamaan DNA:n rakennetta. Proteiinit voivat erikoistua moniin vaihteleviin tehtäviin: Vasta-aineiksi mahdollistamaan elimistölle vieraiden kappaleiden ja solujen, esimerkiksi bakteerien ja virusten, tuhoamisen, toksiineiksi, hormoneiksi, kuten insuliini ja glukagoni, jäätymisenestoproteiineiksi, soluväliaineen elastisiksi säikeiksi tai luminesenssin lähteiksi. Proteiineja muodostuu elimistössä DNA:n koodaamina aminohapoista translaatiossa.

Proteiinit ravinnossa

Proteiinit ovat myös tärkeitä ravintoaineita. Eniten proteiineja sisältävät juusto, kala, palkokasvit, liha, kana, kananmunat ja pähkinät. Myös maito ja maitotuotteet ovat tärkeitä proteiininlähteitä. Proteiinien ravitsemuksellinen laatu määritellään niiden sisältämien aminohappojen mukaan.

Proteiinien liian vähäisestä saannista voi olla vakavia seurauksia. Esimerkiksi kehitysmaissa yleinen kvasiorkor on pienillä lapsilla esiintyvä proteiinin puutteellisesta saannista aiheutuva vakava sairaus. Toinen tunnettu proteiinin puutostauti marasmi johtuu riittämättömästä energian ja proteiinin saannista. Oireina ovat lihasten heikkeneminen, kasvun pysähtyminen sekä kehon kyvyttömyys säilyttää lämpöä.

Liiallinen proteiinien syönti lisää janontunnetta ja virtsaneritystä, mikä saattaa rasittaa munuaisia ja aiheuttaa kehon kuivumista.

Proteiinien tarve vaihtelee yksilöllisesti, esimerkiksi iän ja liikuntatottumusten mukaan. Kehonrakentajat ja urheilijat joutuvat syömään proteiinia normaalia enemmän, sillä rasittuneet lihakset eivät kehity ilman proteiinia. Valtion ravitsemusneuvottelukunnan suositusten mukaan proteiinin osuus energiansaannista tulisi olla noin 10–20 E%. Työikäiseen väestöön kuuluvan keskimääräiset 1888 kilokaloria nauttivan henkilön pitäisi siten saada päivittäin 47-93 grammaa proteiinia. Proteiinien osuus työikäisten suomalaisten energiansaannista on nykyisin 17 prosenttia. Naiset saavat ravinnosta proteiinia keskimäärin 67 grammaa päivässä ja miehet 89 grammaa. Vanhukset tarvitsevat keski-ikäisiä enemmän proteiineja eli 80–100 grammaa päivässä. Suomalaiset saavat proteiinin suurimmaksi osaksi liharuoista, maitovalmisteista sekä vilja- ja leivontatuotteista.

Rakenne

Pääartikkeli: proteiinin rakenne

Proteiinien rakennetta luokitellaan neljästä näkökulmasta:

• Primaarirakenne on aminohappojen järjestys polypeptidiketjussa. Aminohapot liittyvät toisiinsa peptidisidoksin.
• Sekundaarirakenteella viitataan muun muassa proteiinin muotoon vaikuttaviin rikkisiltoihin ja vetysidoksiin, joilla on vaikutusta atomien järjestykseen polypeptidiketjun selkärangassa. Tunnetuimmat sekundaarirakenteet ovat α-kierteet eli α-heliksit ja β-laskokset eli β-levyt (lamellit). α-heliksi on yleinen rakenne pallomaisilla eli globulaarisilla proteiineilla.
• Tertiaarirakenne tarkoittaa proteiinin avaruudellista rakennetta kokonaisuudessaan. Tertiaarirakenteen muodostumiselle tärkeitä ovat etenkin vetysidokset ja rikkisillat. Proteiinin denaturoituessa lämpötilan tai kemikaalin vaikutuksesta sen tertiaarirakenne hajoaa.
• Kvaternaarirakenne tarkoittaa usean aminohappoketjun ryhmittymää. Esimerkiksi hemoglobiini on neljän yhteenliittyneen proteiinin muodostama tetrameeri.

Edellä mainittujen rakenteiden lisäksi löyhempänä rakenteena voidaan pitää erilaisia proteiinien muodostamia toiminnallisia komplekseja, kuten DNA:n replikaatiosta vastaava kompleksi. Kompleksin osat ovat erillisiä proteiineja.

Proteiinit ovat niin pieniä, ettei niiden rakennetta voida tutkia tavallisella valomikroskoopilla. Proteiinien tai proteiinikompleksien karkea rakenne voidaan selvittää elektronikryomikroskopialla. Proteiinien atomitason rakenne saadaan selville röntgenkristallografialla tai ydinmagneettisella resonanssispektroskopialla (NMR-spektroskopia). Proteiinien röntgenkristallografista tutkimusta varten proteiini on kiteytettävä, mikä on usein työlästä ja vaikeaa. Kiteytetyn proteiinin muoto voi lisäksi olla erilainen kuin luonnollisessa tilassa. NMR-tekniikassa proteiinit ovat vapaita liikkumaan toisin kuin kiteessä, mutta sillä saadaan selville vain pienten proteiinien tai peptidien rakenne tarkasti. Rakennetta voidaan myös estimoida erilaisten ohjelmien avulla, kun aminohapposekvenssi tunnetaan.

Proteiinien kolmiulotteiset rakenteet tallennetaan Protein Data Bank -tietokantaan.

Valkuaisaineiden rakennemuutokset

Ruoka-aineissa voidaan havaitu muutoksia, kun valmistetaan juustoa, paistetaan pihvejä tai kanunmunia. Tällöin valkuaisaineet joko saostuvat, juoksettuvat tai hyytyvät. Muutoksen saavat aikaan korkea lämpötila, happamuuden muutos, alkoholi, suola, ravistelu tai entsyymit. Luonnossa raskasmetallit, kuten lyijy, elohopea ja kadnium, aiheuttavat pysysyvia muutoksia valkuaisaineiden rakenteeseen.

Joskus nämä muutokset ovat hyödyllisiä. Lihaa kuumennettaessa sen sitkeys vähenee. Maidon valkuaisaineet voidaan saostaa juustoksi juoksutteen ja lämmityksen avulla, kasviksien kypsentäminen muuttaa hieman niiden makua ja tekee niistä helpommin hajoavaa ravintoa. Valkuaisaineiden ravinsisält' ei kuitenkaan muutu.

Myös ihmiselimistössä olevat valkuaisaineet saattavat muuttua yllä kuvatulla tavalla. Jos elimistön lämpötila nousee yli 42 asteen. osa valkuaisaineista muuttuu ihmiselle toimintakyvyttömiksi, mikä voi aiheuttaa kuoleman. Raju alkoholin käyttö on myös haitallista elimistön valkuaisaineille. Raskasmetallit reagoivat valkuaisaineiden kanssa ja muodostavat myrkyllisiä yhdisteitä, jotka kertyvät elimistään ja saattavat aiheuttaa myrkytystilan.

Aiheesta muualla

• Protein Data Bank (englanniksi)
• Fineli: Proteiinin lähteet ruoka-aineissa

Biomolekyylit

Proteiinit • Peptidit • Aminohapot • Nukleiinihapot • Hiilihydraatit • Lipidit • Terpenoidi • Karotenoidit • Tetrapyrrolit • Koentsyymit • Steroidit • Flavonoidit • Alkaloidit • Polyketidit