Luento 2: Tuomas Haltia, Proteiinit

“Geenit koodaavat kemiaa!” toteaa dosentti Tuomas Haltia proteiineista kertovan luentonsa kalvoissa. Totta, geenit todella koodaavat elämää, mutta mitä tässä koodissa lukee? Genomimme on pitkälti ohje proteiinien valmistukselle. Proteiineilla on moninaisia tehtäviä: ne toimivat mm. rakennusaineina, entsyymeinä (eli biologisina katalyytteinä), immuunijärjestelmässä ja geenien säätelijöinä. Proteiinit ovat siis maapallon elämän kannalta erittäin tärkeitä molekyylejä.

Luennolla käsittelimme erityisesti proteiinien kemiallista rakennetta. Lukiosta tuttua asiaa oli se, että proteiinit rakentuvat aminohappoyksiköistä peptidisidosten avulla. Tätä aminohappojärjestystä kutsutaan primäärirakenteeksi.

Primäärirakenne

Peptidisidoksestakin tuli kuitenkin kaksi uutta asiaa: sen 2-sidosluonne ja kiertymiskulmat. Aminohappo ei voi kiertyä peptidisidoksen ympäri 2-sidosluonteen takia, jolloin kiertymiskulmat voivat saada vain tiettyjä arvoja (Ramachandranin periaate). Tämä rajoittaa merkitsevästi proteiinin laskostumista.

Lukiosta nimeltä tuttua asiaa olivat myös sekundääri-, tertiääri- ja kvaternäärirakenteet, mutta niiden merkitystä ei ollut painotettu. Sekundäärirakenne tarkoittaa α-heliksiä ja β-laskoksia, eli aminohappoketjuun vetysidosten avulla muodostuvia rakenteita. Tertiäärirakenne kuitenkin nousi mielestäni luennon tärkeimmäksi asiaksi. Teritäärirakenne on koko polypeptidiketjun kolmiulotteinen rakenne. Tertiäärirakenne muodostuu muunmuassa rikkisltojen, dispersiovoimien ja ionisidosten eli sivuketjujen vuorovaikutusten avulla. Tertiäärirakenteeksi laskostuminen tapahtuu usein vesiympäristössä, jolloin hydrofobiset molekyylin osat jäävät proteiinin “sisäpuolelle”, ja hydrofiiliset ulkopuolelle. Tätä laskostumista ei ihminen pysty synteettisesti matkimaan, vaikka proteiinien primäärirakenne osataankin jo syntetisoida. Laskostuminen voi kuitenkin tapahtua koeputkessa itsestään sopivissa oloissa, joten johtopäätös on, että tertiäärirakenne on koodattuna primäärirakenteeseen jollain tapaa. Sitä ei kuitenkaan vielä tarkasti tiedetä, millä tapaa. On mielenkiintoista huomata aukkoja tietämyksessämme, jotain mitä voi tutkia.

Tertiäärirakennetta pohtiessa oppi ajattelemaan proteiinimolekyylejä eri tavalla. Lukiossa painotettu asia oli primäärirakenteen aminohappojen järjestys, joka muodostuu translaatiossa proteiinisynteesin aikana. Proteiinia oli ajatellut lähinnä ketjuna joka koostuu ihmisen käytössä olevista 20 eri aminohaposta. Haltia kuitenkin painotti juurikin kolmiulotteisia rakenteita, jotka mahdollistavat esimerkiksi entsyymin tarkan toiminnan substraattinsa kanssa (ja joka virheellisessä laskostumisessa voi aiheuttaa merkittäviä ongelmia ihmisen terveydelle esimerkiksi AGU-taudissa). Toinen laskostumisvirheiden aiheuttama huono seuraus on prionien muuttuminen vaarallisiksi, mikä johtuu α-heliksien muuttumisesta β-laskoksiksi. Prionit ovat siitä mielenkiintoisia molekyylejä, että ne muistuttavat proteiineja mutta eivät käyttäydy kuin ne, ne esimerkiksi eivät pilkkoudu normaalisti proteiineja hajottavilla entsyymeillä. Prionit ovat syypäitä esimerkiksi Creutzfeldt-Jakobin tautiin eli hullun lehmän tautiin. Hoitoa näille taudeille ei vielä ole, eikä ihmisen immuunisysteemikään ole tehokas niitä vastaan, sillä se ei tunnista prioneja vieraiksi molekyyleiksi. Prionien tuntemuksessamme on vielä merkittäviä aukkoja.

Jos tertiäärirakenne ei vielä kummastuttanut, niin tarjolla oli vielä kvaternäärirakenne. Se muodostuu, kun eri proteiinit liittyvät toisiinsa. Tästä hyvänä esimerkkinä hemoglobiini:
Hemoglobiini
Tuota ei oikein enää primäärirakenteella kuvata.
Olen huomannut, että enää ei riitä ajatella molekyylejä vain pötköinä eri osia, vaan 3d-rakenteina. Tämä on tärkeää erityisesti siksi, että primääri- ja sekundäärirakenteilla ei ole biologista aktiivisuutta.