STRUKTURÁLNÍ PROTEINY: FUNKCE, PŘÍKLADY A VLASTNOSTI - BIOLOGIE - 2025

Tyto strukturní proteiny jsou hlavní proteiny přítomné ve všech eukaryotických buňkách, tedy buňky, tak zvířat a rostlin. Jedná se o součást velmi rozmanitých biologických struktur, jako je kůže, vlasy, pavučina, hedvábí, pojivová tkáň, buněčné stěny rostlin atd.

Ačkoli termín "strukturální protein" se běžně používá k označení proteinů, jako je kolagen, keratin a elastin, existují také důležité intracelulární strukturní proteiny, které přispívají k udržování vnitřní struktury buněk.

Fotografie kolagenových vláken typu I, třídy strukturních proteinů (Zdroj: Louisa Howard přes Wikimedia Commons)

Tyto proteiny, které patří do cytoskeletu, také řídí subcelulární umístění organel a zajišťují transportní a komunikační mechanismus mezi nimi.

Některé strukturální proteiny byly studovány velmi podrobně a umožnily lepší porozumění obecné proteinové struktuře. Jejich příklady jsou hedvábný fibroin, kolagen a další.

Například ze studie hedvábného fibroinu byla popsána sekundární proteinová struktura listů složených z P a z prvních studií provedených s kolagenem byla odvozena sekundární struktura trojité šroubovice.

Strukturální proteiny jsou proto nezbytné jak v jednotlivých buňkách, tak ve tkáních, které tvoří.

Funkce

Funkce strukturálních proteinů jsou velmi rozmanité a závisí především na typu dotyčného proteinu. Dalo by se však říci, že jeho hlavní funkcí je udržování strukturální integrity buněk a v širším smyslu struktury těla.

Co se týče strukturních bílkovin v těle, má například keratin mimo jiné funkce v ochraně a pokrytí, v obraně, v pohybu.

Epiderma kůže savců a jiných zvířat obsahuje velké množství vláken vyrobených z keratinu. Tato vrstva má funkci při ochraně těla před různými typy stresorů nebo škodlivými faktory.

Trny a ostny, jakož i rohy a zobáky, drápy a nehty, které jsou keratinizovanými tkáněmi, mají funkci jak při ochraně, tak při obraně těla.

Vlna a srst mnoha zvířat se průmyslově využívají k výrobě oděvů a jiných typů oděvů, pro které mají další význam, antropocentricky.

Buněčné strukturní proteiny

Z buněčného hlediska mají strukturální proteiny transcendentální funkce, protože vytvářejí vnitřní strukturu, která dává každé buňce její charakteristický tvar: cytoskelet.

V rámci cytoskeletu se strukturální proteiny jako aktin, tubulin, myosin a další podílejí také na transportních a interních komunikačních funkcích, jakož i na událostech buněčné mobility (v buňkách schopných pohybu).

Například existence řasinek a bičíků je vysoce závislá na strukturálních proteinech, které tvoří silná a tenká vlákna, složená z aktinu a tubulinu.

Příklady strukturálních proteinů a jejich vlastnosti

Protože existuje velká rozmanitost strukturálních proteinů, níže budou uvedeny pouze příklady nejdůležitějších a hojných eukaryotických organismů.

Bakterie a další prokaryoty, spolu s viry, mají v buněčných tělech také důležité strukturální proteiny, největší pozornost je však věnována eukaryotickým buňkám.

-Akto

Actin je protein, který tvoří vlákna (aktinová vlákna) známá jako mikrofilamenty. Tato mikrovlákna jsou velmi důležitá v cytoskeletu všech eukaryotických buněk.

Aktinová vlákna jsou dvouřetězcové spirálové polymery. Tyto flexibilní struktury mají průměr 5 až 9 nm a jsou uspořádány jako lineární paprsky, dvourozměrné sítě nebo trojrozměrné gely.

Aktin je distribuován v buňce, je však zvláště koncentrován ve vrstvě nebo kůře připojené k vnitřní stěně plazmatické membrány, protože je základní součástí cytoskeletu.

- Kolagen

Kolagen je protein přítomný u zvířat a je zvláště hojný u savců, kteří mají alespoň 20 různých genů, které kódují různé formy tohoto proteinu, které lze nalézt v jejich tkáních.

Nachází se především v kostech, šlachách a kůži, kde tvoří více než 20% celkové hmotnosti bílkovin savců (vyšší než procento jakéhokoli jiného proteinu).

V pojivových tkáních, kde se nachází, kolagen představuje důležitou část vláknité části extracelulární matrice (která je rovněž složena ze základní látky), kde tvoří elastická vlákna, která podporují velké tahové síly.

Struktura kolagenových vláken

Kolagenová vlákna jsou složena z jednotných podjednotek molekul tropokolagenu, které jsou dlouhé 280 nm a průměru 1,5 nm. Každá molekula tropokolagenu je tvořena třemi polypeptidovými řetězci známými jako alfa řetězce, které se vzájemně asociují jako trojitá spirála.

Každý z alfa řetězců má kolem 1 000 aminokyselinových zbytků, kde glycin, prolin, hydroxyprolin a hydroxylysin jsou velmi hojné (což platí také pro další strukturální proteiny, jako je keratin).

V závislosti na typu uvažovaného kolagenového vlákna se nacházejí na různých místech a mají různé vlastnosti a funkce. Některé jsou specifické pro kosti a dentin, zatímco jiné jsou součástí chrupavky a tak dále.

-Keratin

Keratin je nejdůležitější strukturální protein keratinocytů, jeden z nejhojnějších typů buněk v epidermis. Je to nerozpustný vláknitý protein, který se také nachází v buňkách a v celcích mnoha zvířat.

Po kolagenu je keratin druhým nejhojnějším proteinem v těle savců. Kromě toho, že je podstatnou součástí vnější vrstvy kůže, je to hlavní strukturní protein vlasů a vlny, hřebíků, drápů a kopyt, peří a rohů.

V přírodě existují různé typy keratinů (analogické různým typům kolagenu), které mají různé funkce. Alfa a beta keratiny jsou nejznámější. První z nich tvoří nehty, rohy, ostny a epidermis savců, zatímco ty druhé jsou bohaté na zobáky, šupiny a peří plazů a ptáků.

- Elastine

Elastin, další protein živočišného původu, je klíčovou složkou extracelulární matrice a má důležité role v pružnosti a odolnosti mnoha tkání u obratlovců.

Tyto tkáně zahrnují tepny, plíce, vazy a šlachy, kůži a elastickou chrupavku.

Elastin obsahuje více než 80% elastických vláken přítomných v extracelulární matrici a je obklopen mikrofibrilemi složenými z různých makromolekul. Struktura matric z těchto vláken se liší mezi různými tkáněmi.

V tepnách se tato elastická vlákna organizují v soustředných prstencích kolem arteriálního lumenu; V plicích tvoří elastinová vlákna tenkou síť v celém orgánu a koncentrují se v oblastech, jako jsou otvory alveol.

V šlachách jsou elastinová vlákna orientována rovnoběžně s tkáňovou organizací a v elastické chrupavce jsou uspořádána v trojrozměrném uspořádání podobném voštinové.

-Extensiny

Rostlinné buněčné stěny jsou složeny hlavně z celulózy, avšak některé proteiny, které jsou spojeny s touto strukturou, mají také funkční a strukturální význam.

Extensiny jsou jedním z nejznámějších proteinů na stěně a vyznačují se opakovanou pentapetidovou sekvencí Ser- (Hyp) 4. Jsou bohaté na základní zbytky, jako je lysin, což přispívá k jejich interakci s ostatními složkami buněčné stěny.

Jeho funkce souvisí s kalením nebo zpevněním stěn. Stejně jako u jiných strukturálních proteinů u zvířat existují v rostlinách různé typy extensinů, které jsou exprimovány různými typy buněk (ne všechny buňky produkují extensiny).

Například v sóji jsou extensiny produkovány sklerenchymovými buňkami, zatímco u tabákových rostlin bylo prokázáno, že boční kořeny mají dvě vrstvy buněk, které tyto proteiny exprimují.

-Prostěradlo

Buněčné organely mají také své vlastní strukturální proteiny, které jsou zodpovědné za udržování jejich tvaru, pohyblivosti a mnoha dalších fyziologických a metabolických procesů, které jsou jim vlastní.

Vnitřní oblast jaderné membrány je spojena se strukturou známou jako jaderná vrstva a obě mají velmi speciální proteinové složení. Mezi proteiny, které tvoří jadernou laminu, patří proteiny nazývané laminae.

Laminy patří do skupiny intermediárních filamentů typu V a existuje několik typů, nejznámější jsou A a B. Tyto proteiny mohou interagovat mezi sebou nebo s jinými vnitřními prvky jádra, jako jsou matricové proteiny, chromatin a vnitřní jaderná membrána.

Reference

1. Alberts, B., Dennis, B., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M.,… Walter, P. (2004). Základní buněčná biologie. Abingdon: Garland Science, Taylor & Francis Group.
2. Gartner, L., & Hiatt, J. (2002). Textový atlas histologie (2. vydání). Mexico DF: McGraw-Hill Interamericana Editors.
3. Gruenbaum, Y., Wilson, KL, Harel, A., Goldberg, M., & Cohen, M. (2000). Recenze: Jaderné laminy - strukturální proteiny se základními funkcemi. Journal of Structural Biology, 129, 313–323.
4. Keller, B. (1993). Proteiny strukturální buněčné stěny. Plant Physiology, 101, 1127-1130.
5. Mithieux, BSM, & Weiss, AS (2006). Elastin. Advances in Protein Chemistry, 70, 437-461.
6. Sun, T., Shih, C., & Green, H. (1979). Keratinové cytoskeletony v epiteliálních buňkách vnitřních orgánů. Proc. Natl. Acad. Sci., 76 (6), 2813 - 2817.
7. Wang, B., Yang, W., McKittrick, J. a Meyers, MA (2016). Keratin: Struktura, mechanické vlastnosti, výskyt v biologických organismech a snaha o bioinspiraci. Pokrok ve vědě o materiálech.