Ilustracija prostorne strukture proteina (Midwest Center for Structural Genomics)3D strukturaproteina mioglobina pokazuje tirkizne alfa helikse. Ovo je prvi protein čija je struktura razjašnjena putemX-kristalografije. Desno od centra među namotajima je proteinskahem grupa (prikazano u sivoj boji) s molekulom vezanogkisika (crvena).
Bjelančevine iliproteini sumakromolekule (macro=mnogo, više;moliculis=sićušan, mali;) koje su nastale međusobnim spajanjemaminokiselina. Dogovoreno je da se spojevi koji broje manje od 50 aminokiselina u niz nazivajupolipeptidi, a da se makromolekule sa preko 50 aminokiselina nazivaju proteini. Bjelančevine su vrlo važni sastavni dijelovi svakogorganizma, jer čine neke strukture i supstance koje su neophodne zaživot. Bjelančevine se dijele na proste (proteine) i složene bjelančevine (proteide). Složene bjelančevine (proteidi), osim proteinskog dijela imaju i prostetičku grupu. Prema hemijskom sastavu prostetičke grupe izvršena je podjela složenih bjelančevina na : nukleoproteide, hromoproteide, glikoproteide, fosfoproteide i lipoproteide.[1][2]
Sinteza bjelančevina se dešava u ćelijama živih organizama, na specifičnim tjelašcima u ćeliji nazvanimribosomi. Svakiprotein ima svoj tačan nizaminokiselina, a informacija o njegovoj sintezi i osobenostima se nalazi unutarDNK organizma koji se posmatra. UDNK se nalazi specifičan kod koji definiše raspored i brojaminokiselina koje čine jedan protein. Promjenom redoslijeda samo jedne karike u lancu nastaće nova bjelančevina, potpuno novih osobina.[3]
Dakle, za neku specifičnu vrstu živog bića, osnovno je odabrati redosljed karika (aminokiselina) u lancubjelančevina, kao i pravu smjesu za tu vrstu specifičnih bjelančevina. Tu zadaću imaDNK. Proteini, poredaminokiselina, mogu sadržavati i neke druge organske i neorganske materije npr. šećere – glikoproiteini, fosforne derivate – fosfoproteini, masti-lipoproteini. Svaka aminokiselina ima svoj amino i karboksilni dio, pa u spoju dvije ili više aminokiselina vežu se amino (-NH2) grupa jedne sa karboksilnom -(COOH) grupom druge aminokiseline i time nastajehemijska veza nazvanapeptidna veza -CO-NH-.
Sinteza proteina se odvija u kontinuiranom procesu koji ima nekoliko faza.
Inicijacija je početna faza sinteze proteina, u kojoj počinje transkripcijagenetičke informacije, uz katalitičko posredovanje odgovarajućihenzima. Tada enzim specifičniantikodon iRNK prepoznaje komplementarnikodon na informacijskoj RNK i ugrađuje prvu aminokiselinu u buduči polipeptidni lanac.
Elongacija je faza u kojoj se produžava lanac ugrađenih aminokiselina, zahvaljujući očitavanjem narednihtripleta uiRNK. Elongacija traje sve dotle dok se ne realizira kompletni redoslijed aminokiselina koje su kodiranegenetičkom informacijom specifične iRNk, kao komplementarnom kopijom jednog polulanca odgovarajućeglokusa.
Terminacija molekule proteina nastaje nakon što iRNK ne realizira kodiranje posljednje aminokiseline u specifičnom polipeptidnom lancu (proteinu).
Kod mnogih proteina dolazi do interakcija raznih funkcionalnih grupa u ostacima aminokiselina. To vodi do daljeg uvijanja, savijanja i zbijanja lanaca i takva trodimenzionalna struktura se zove tercijarna struktura. Zavisno odtercijarne strukture, proteini se dijele nafibrilarne iglobularne.
Fibrilarni proteini imaju vlaknastu strukturu i teško se otapaju u vodi.
Globularni proteini imaju zbijenu strukturu loptastog oblika. Otapaju se u vodi i, zbog veličine molekula, formirajukoloide.
Udruživanjem više proteina u veće agregate nastaje proteinski kompleks koji predstavlja kvaternernu strukturu.
Kao posebnu klasu bioloških molekula, proteine su prepoznaliAntoine Fourcroy i drugi, u osamnaestom stoljeću, koji su ih razlikovali po sposobnosti molekula dakoaguliraju iliflokuliraju pod tretmanima toplotom ili kiselinom.[4] Najpoznatiji primjeri toga vremena uključivali sualbumin izbjelanjka, krvniserumski albumin,fibrin i pšeničnigluten.
Proteine je prvi opisao holandski hemičarGerardus Johannes Mulder, a imenovao ih je švedski hemičarJöns Jacob Berzelius 1838.[5][6] Mulder je izvršioelementarnu analizu uobičajenih proteina i otkrio da skoro svi proteini imaju istuempirijsku formulu,C400H620N100O120P1S1.[7] Došao je do pogrešnog zaključka da bi oni mogli biti sastavljeni od jednog tipa (veoma velikih) molekula. Terminprotein za opis ovih molekula predložio je Mulderov saradnik Berzelius; izveden je izgrčke riječi πρώτειος –proteios, što znači primarni,[8] "na čelu" ili "stoji ispred",[9] +sufiks-in. Mulder je nastavio da identifikuje proizvode razgradnje proteina kao što jeaminokiselinaleucin za koji je pronašao (skoro tačnu) molekulsku težinu od 131Da.[7] Prije termina "protein", korišteni su drugi nazivi, poput "albumini" ili "albuminski materijali" ("Eiweisskörper", na njemačkom).[10]
Poteškoće u pročišćavanju proteina u velikim količinama učinile su ih veoma teškim za proučavanje ranim proteinskim biohemičarima. Stoga su se rane studije fokusirale na proteine koji se mogu pročistiti u velikim količinama, naprimjer,krv, bjelance, raznitoksini i probavne/metabolički enzimi dobiveni iz klaonica. Tokom 1950-ih,Armour Hot Dog Co. je pročistio 1 kg čiste goveđepankreasneribonukleaze A i učinio je slobodno dostupnom naučnicima; ovaj gest pomogao je da ribonukleaza A postane glavna meta biohemijskih studija u narednim decenijama.[7]
Broj proteina kodiranih ugenomu otprilike odgovara brojugena (iako može postojati značajan broj gena koji kodirajuRNK proteina, npr.ribosomske RNK).Virusi tipski kodiraju nekoliko do nekoliko stotina proteina,Archaea ibakterije nekoliko stotina do nekoliko hiljada, dokeukarioti tipski kodiraju nekoliko hiljada do desetina hiljada proteina (pogledajteveličina genoma za listu primjera).
Hemijska struktura peptidne veze (dolje) i trodimenzijska struktura peptidne veze izmeđualanina i susjedne aminokiseline (vrh/umetak). Sama veza je napravljena odCHON elemenata.Rezonantne strukturepeptidne veze koja povezuje pojedinačne aminokiseline u proteinskipolimer
Većina proteina sastoji se od linearnihpolimera, izgrađenih od niza do 20 različitihL-α- aminokiselina. Sveproteinogene aminokiseline imaju zajedničke strukturne karakteristike, uključujućiα-ugljik na koji suvezaneamino grupa,karboksil grupa i varijabilnibočni lanac. Samoprolin se razlikuje od ove osnovne strukture jer sadrži neobičan prsten za aminsku grupuN-kraja, koji tjera CO–NH amidni dio u fiksnu konformaciju.[25] Bočni lanci standardne aminokiseline, detaljno navedene ulisti standardnih aminokiselina, imaju veliki izbor hemijskih struktura i svojstava; to je kombinovani efekat svih bočnih lanaca aminokiselina u proteinu koji na kraju određuje njegovu trodimenzijsku strukturu i njegovu hemijsku reaktivnost.[26]
Aminokiseline u polipeptidnom lancu povezane supeptidnom vezom. Kada se jednom poveže u proteinski lanac, pojedinačna aminokiselina naziva se „ostatak“, a povezani niz atomaugljika,dušika ikisika poznati su kao „glavni lanac“ ili „proteinska kičma“.[27]:19
Peptidna veza ima dvarezonantna oblika koji doprinose nekom karakterudvostruke veze i inhibiraju rotaciju oko svoje ose, tako da su alfa-ugljici otprilikekomplanarni. Druga dvadiedarna ugla u peptidnoj vezi određuju lokalni oblik koji preuzima proteinska kičma.[27]:31 Kraj sa slobodnom amino grupom poznat je kaoN-kraj ili amino terminus, dok je kraj proteina sa slobodnom karboksilnom grupom poznat kaoC-kraj ili karboksi kraj (sekvenca proteina je napisana od N-terminusa do C-terminus, s lijeva na desno).
Riječiprotein,polipeptid ipeptid su malo dvosmislene i mogu se preklapati u značenju. "Protein" se općenito koristi za označavanje kompletne biološke molekule u stabilnojkonformaciji, dok je "peptid" općenito rezerviran za kratke oligomere aminokiselina kojima često nedostaje stabilna 3D struktura. Ali granica između njih dvoje nije dobro definirana i obično je blizu 20-30 ostataka.[28]Polipeptid se može odnositi na bilo koji pojedinačni linearni lanac aminokiselina, obično bez obzira na dužinu, ali često implicira odsustvo definiranekonformacije.
Procijenjeno je da prosječnebakterije sadrže oko dva miliona proteina po ćeliji (npr.Escherichia coli iStaphylococcus aureus). Manje bakterije, kao što suMycoplasma iliSpirochaeta sadrže manje molekula, reda veličine od 50.000 do jedan milion. Nasuprot tome,eukariotske ćelije su veće i stoga sadrže mnogo više proteina. Naprimjer, procjenjuje se da ćelije kvascaSaccharomyces cerevisiae sadrže oko 50 miliona proteina iljudske ćelije reda veličine 1–3 milijarde.[32] Koncentracija pojedinačnih kopija proteina kreće se od nekoliko molekula do 20 miliona po ćeliji.[33] Nisu svi geni koji kodiraju proteine izraženi u većini ćelija i njihov broj zavisi od, naprimer, tipa ćelije i spoljašnjih podražaja. Naprimjer, od oko 20.000 proteina koje kodira ljudskigenom, samo 6.000 je otkriveno ulimfoblastoidnim ćelijama.[34]
Proteini se sastavljaju od aminokiselina, koristeći informacije kodirane u genima. Svaki protein ima svoju jedinstvenu sekvencu aminokiselina koja je specificirananukleotidnom sekvencom gena koji kodira ovaj protein.Genetički kod je skup skupova od tri nukleotida koji se nazivajukodoni i svaka kombinacija od tri nukleotida označava aminokiselinu, na primjer AUG (adenin–uracil–guanin) je šifra zametionin. PoštoDNK sadrži četiri nukleotida, ukupan broj mogućih kodona je 64; dakle, postoji određena redundantnost u genetičkom kodu, sa nekim aminokiselinama specificiranim sa više od jednog kodona.[31]:1002–42 Geni kodirani u DNK su prvitranskribovani u preiRNK (iRNK) proteinima kao što jeRNK polimeraza. Većina organizama zatim obrađuje pre-iRNK (također poznatu kaoprimarni transkript) koristeći različite oblikeposttranslacijskih modifikacija kako bi formirali zrelu iRNK, koja se zatim koristi kao šablon za sintezu proteina uribosomima. Kodprokariota, iRNK može se koristiti ili čim se proizvede, ili može biti vezana ribosomom nakon što se udalji odnukleoida. Nasuprot tome,eukarioti stvaraju iRNK ućelijskom jedru, a zatimtranslociraju je prekojedarne membrane ucitoplazmu, gdje se tada odvijasinteza proteina. Brzina sinteze proteina je veća kod prokariota nego kod eukariota i može doseći do 20 aminokiselina u sekundi.[35] Proces sintetizacije proteina iz iRNK šablona poznat je kaotranslacija. iRNK se učitava na ribosom i čita tri nukleotida u isto vrijeme, tako što se svakikodon uparuje s njegovimbaznim paromantikodona koji se nalazi na molekulitRNK, koja nosi odgovarajuću aminokiselinu na kodon koji prepoznaje.Enzimaminoacil tRNK sintetaza "puni" molekule tRNK ispravnim aminokiselinama. Polipeptid koji raste često se naziva "nastajući lanac". Proteini se uvijek biosintetiziraju odN-kraja doC-kraja.[31]:1002–42
Veličina sintetiziranog proteina može se mjeriti brojem aminokiselina koje sadrži i njegovom ukupnommolekulskom masom, koja se obično iskazuje u jedinicamadaltona (sinonim zajedinica atomske mase), ili jedinica derivata kilodalton (kDa). Prosječna veličina proteina raste od arheja preko bakterija do eukariota (283, 311, 438, odnosno 31, 34, 49 kDa ostataka) zbog većeg brojaproteinskih domena koji čine proteine u višim organizmima.[36] Naprimjer,kvaščevi proteini su u prosjeku dugi 466 aminokiselina i 53 kDa u masi.[28] Najveći poznati proteini sutitini, komponentamišićnesarkomere, sa molekulskom masom od skoro 3.000 kDa i ukupnom dužinom od skoro 27.000 aminokiselina.[37]
Kratki proteini se takođe mogu sintetizirati hemijski pomoću porodice metoda poznatih kaosinteza peptida, koje se oslanjaju naorgansku sintezu, tehnike kao što jehemijska ligacija za proizvodnju peptida u velikom prinosu.[38] Hemijska sinteza omogućava uvođenje neprirodnih aminokiselina u polipeptidne lance, kao što je vezivanjefluorescentnih sondi na bočne lance aminokiselina.[39] Ovi metodi su korisni ubiohemijskim icitološkoj aboratoriji, iako općenito nisu za komercijalne primjene. Hemijska sinteza je neefikasna za polipeptide duže od oko 300 aminokiselina, a sintetirani proteini možda neće lakko preuzeti svoju nativnutercijarnu strukturu. Većina metoda hemijske sinteze ide od C– doN-kraja, suprotno biološkoj reakciji.[40]
Kristalna strukturašaperonina, ogromnog proteinskog kompleksa. Istaknuta je jedna proteinska podjedinica. Šaperonini pomažu savijanju proteina. Tri moguća prikaza trodimenzijske strukture proteina triozafosfat-izomeraza. Lijevo: Reprezentacija svih atoma obojena tipom atoma. Sredina: Pojednostavljeni prikaz koji ilustruje konformaciju okosnice, obojen sekundarnom strukturom. Desno: Prikaz površine pristupačne rastvaraču obojen tipom ostatka (kiseli ostaci crveni, osnovni ostaci plavi, polarni ostaci zeleni, nepolarni ostaci bijeli).
Većina proteinasavija se u jedinstvene 3D strukture. Oblik u koji se protein prirodno savija poznat je kao njegovanativna konformacija.[27]:36 Iako se mnogi proteini mogu savijati bez pomoći, jednostavno po hemijskim svojstvima njihovih aminokiselina, druge zahtijevaju pomoć molekulskihšaperona da se preklope u svoja nativna stanja.[27]:37 Biohemičari često govore o četiri različita aspekta struktura proteina:[27]:30–34
Sekundarna struktura: lokalne strukture koje se redovno ponavljaju stabilizovanevodikovim vezama. Najčešći primjeri suα-heliks,β-list iokretanje. Budući da su sekundarne strukture lokalne, mnoge regije različite sekundarne strukture mogu biti prisutne u istoj proteinskoj molekuli.
Tercijarna struktura: ukupni oblik jedne proteinske molekule; prostorni odnos sekundarnih struktura jedne prema drugoj. Tercijarna struktura se općenito stabilizuje nelokalnim interakcijama, najčešće formiranjemhidrofobnog jezgra, ali i prekoslanih mostova, vodikove veze,disulfidne veze i čak iposttranslacijskih modifikacija. Termin "tercijarna struktura" koristi se često kao sinonim za termin "nabor". Tercijarna struktura je ono što kontrolira osnovnu funkciju proteina.
Kvinarna struktura: potpisi površine proteina koji organizuju pretrpanu ćelijsku unutrašnjost. Kvinarna struktura ovisi o prolaznim, ali bitnim, makromolekulskim interakcijama koje se javljaju unutar živih ćelija.
Proteini nisu u potpunosti krute molekule. Pored ovih nivoa strukture, proteini se mogu prebacivati između nekoliko povezanih struktura dok obavljaju svoje funkcije. U kontekstu ovih funkcionalnih preuređivanja, ove tercijarne ili kvartarnarne strukture se obično nazivajukonformacije, a prijelazi između njih se nazivaju "konformacijske promjene". Takve promjene često su izazvane vezivanjem molekulasupstrata doaktivnog mjesta enzima, ili fizičkog regiona proteina koji učestvuje u hemijskoj katalizi. U rastvoru, proteini takođe prolaze kroz varijacije u strukturi usljed termičkih vibracija i sudara sa drugim molekulama.[31]:368–75
Poseban slučaj intramolekulskih vodikovih veza unutar proteina, koji su slabo zaštićeni od napada vode i stoga promovišu vlastitudehidraciju, nazivaju sedehidroni.[41]
Mnogi proteini sastoje se od nekolikoproteinskih domena, tj. segmenata proteina koji se savijaju u različite strukturne jedinice. Domeni obično također imaju specifične funkcije, kao što suenzimske aktivnosti (npr.kinaza) ili služe kao moduli vezivanja (npr.SH3-domen vezuje se za sekvence bogateprolinom u drugim proteinima) .
Kratke sekvence aminokiselina unutar proteina često djeluju kao mjesta prepoznavanja za druge proteine.[42] Naprimjer,SH3 domen se obično vezuje za kratke PxxP motive (tj. dvaprolina [P], odvojena sa dvije nespecificiraneaminokiseline [x], iako okolne aminokiseline mogu odrediti tačnu specifičnost vezivanja). Mnogi takvi motivi prikupljeni su u bazi podatakaEukaryotic Linear Motif (ELM).
Proteini su glavni akteri unutar ćelije, za koje se kaže da izvršavaju funkcije određene informacijama kodiranim u genima.[28] Sa izuzetkom određenih tipovaRNK, većina drugih bioloških molekula je relativno inertnih elemenata na koje djeluju proteini. Proteini čine polovinu suhe težine ćelijeEscherichia coli, dok druge makromolekule kao što suDNK iRNK čine samo 3% odnosno 20%.[43] Skup proteina izraženih u određenoj ćeliji ili tipu ćelije poznat je kao njegovproteom.
Enzimheksokinaza je prikazan kao konvencionalni molekulski model kuglice i štapa. Za skaliranje u gornjem desnom uglu su dva njegova supstrata,ATP iglukoza.
Glavna karakteristika proteina koja također omogućava njihov raznolik skup funkcija je njihova sposobnost da specifično i čvrsto vežu druge molekule. Područje proteina odgovornog za vezivanje drugog molekula poznato je kaomjesto vezivanja i često je udubljenje ili "džep" na površini molekula. Ova sposobnost vezivanja je posredovana tercijarnom strukturom proteina, koja definira džep za mjesto vezivanja, i hemijskim svojstvima bočnih lanaca okolnih aminokiselina. Vezivanje za proteine može biti izuzetno čvrsto i specifično; naprimjer, proteininhibitor ribonukleaze veže se za ljudskiangiogenin sa subfemtomolarnomkonstantom disocijacije (<10−15 M) ali uopće ne veže na njegov homologonkonazavodozemaca (>1 M). Ekstremno male hemijske promene, kao što je dodavanje jedne metil grupe vezujućem partneru ponekad mogu biti dovoljne da se skoro eliminiše vezivanje; naprimjer,aminoacil tRNK sintetaza specifična za aminokiselinuvalin diskriminira vrlo sličanbočni lanac aminokiselineizoleucin.[44]
Proteini se mogu vezati za druge proteine kao i zamalomolekulske supstrate. Kada se proteini specifično vežu za druge kopije iste molekule, mogu seoligomerizirati i formirati ufibrile; ovaj proces se često dešava u strukturnim proteinima koji se sastoje od globulastih monomera koji se samopovezuju i formiraju kruta vlakna.Interakcije protein-protein također reguliraju enzimsku aktivnost, kontroliraju napredovanje krozćelijski ciklus i omogućavaju sklapanje velikihproteinskih kompleksa koji izvode mnoge blisko povezane reakcije sa zajedničkom biološkom funkcijom . Proteini se također mogu vezati ili čak integrirati u ćelijske membrane. Sposobnost partnera u vezivanju da izazovu konformacijske promjene u proteinima omogućava izgradnju enormno složenih mrežasignalizacija.[31]:830–49
Kako su interakcije između proteina reverzibilne i u velikoj mjeri zavise od dostupnosti različitih grupa proteina partnera za formiranje agregata koji su sposobni da obavljaju diskretne skupove funkcija, proučavanje interakcija između specifičnih proteina je ključ za razumijevanje važnih aspekata ćelijske funkcije, i konačno svojstava koja razlikuju određene tipove ćelija.
Najpoznatija uloga proteina u ćeliji je kaoenzima, kojikatalizuju hemijske reakcije. Enzimi su obično vrlo specifični i ubrzavaju samo jednu ili nekoliko hemijskih reakcija. Enzimi izvode većinu reakcija uključenih umetabolizam, kao i manipulišu DNK u procesima kao što suDNK replikacija,popravka DNK itranskripcija. Neki enzimi djeluju na druge proteine kako bi dodali ili uklonili hemijske grupe u procesu poznatom kaoposttranslacijska modifikacija. Poznato je da oko 4.000 reakcija kataliziraju enzimi.[45] Ubrzanje brzine enzimske katalize je često enormno – čak 1017-puta povećanje brzine u odnosu na nekataliziranu reakciju u slučajuorotat-dekarboksilaza (78 miliona godina bez enzima, 18 milisekundi sa enzimom).[46]
Vezane molekule i na koje djeluju enzimi nazivaju sesupstrati. Iako se enzimi mogu sastojati od stotina aminokiselina, obično je samo mali dio ostataka koji dolazi u kontakt sa supstratom, a još manji dio – u prosjeku tri do četiri ostatka – koji su direktno uključeni u katalizu.[47] Područje enzima koji veže supstrat i sadrži katalitske ostatke poznato je kaoaktivno mjesto.Dirigentni proteini su članovi klase proteina koji diktirajustereohemijska svojstva spojeva sintetiziranih drugim enzimima.[48]
Mnogi proteini uključeni su u procesćelijske signalizacije itransdukcije signala. Neki proteini, kao što jeinsulin, su vanćelijskii proteini koji prenose signal iz ćelije u kojoj su sintetizovani do drugih ćelija u udaljenim biološkimtkivima. Drugi sumembranski proteini koji djeluju kaoreceptori. čija je glavna funkcija vezati signalnu molekulu i izazvati biohemijski odgovor u ćeliji. Mnogi receptori imajumjesto vezivanja izloženo na površini ćelije i efektorski domen unutar ćelije, koji može imati enzimsku aktivnost ili može biti podvrgnutkonformacijskoj promjeni koju detektuju drugi proteini unutar ćelije.[30]:251–81
Antitijela su proteinske komponenteprilagodljivog imunskog sistema čija je glavna funkcija da vežuantigene ili strane supstance u tijelu, i ciljaju ih za uništenje. Antitijela se moguizlučiti u vanćelijsko okruženje ili usidriti u membranama specijalizovanihB-ćelija poznatih kaoplazmaćelije. Dok su enzimi ograničeni u svom afinitetu vezivanja za svoje supstrate neophodnošću sprovođenja njihove reakcije, antitijela nemaju takva ograničenja. Afinitet vezivanja antitijela za njegovu metu je izuzetno visok.[31]:275–50
Mnogi transportni proteiniliganda vezuju određenemale biomolekule i transportuju ih na druge lokacije u tijelu višećelijskog organizma. Ovi proteini moraju imati visok afinitet vezivanja kada je njihovligand prisutan u visokim koncentracijama, ali također moraju oslobađati ligand kada je prisutan u niskim koncentracijama u ciljnom tkivu. Kanonski primjer proteina koji veže ligand jehemoglobin, koji prenosikisik izpluća u druge organe i tkiva u svimkičmenjacima i ima bliskehomologe u svakom biološkomcarstvu.[31]:222–29Lektini suproteini koji vezuju šećer, vrlo specifični po svojim šećernim dijelovima.Lektini obično imaju ulogu u biološkim fenomenimaprepoznavanja koji uključuju ćelije i proteine.[49]Receptori ihormoni su visoko specifičnih vezujući proteini.
Transmembranski proteini također mogu poslužiti kao transportni proteini liganda koji mijenjajupropusnostćelijske membrane zamale molekule i ione. Sama membrana imahidrofob nojezgro kroz kojepolarne ili nabijene molekule ne mogudifundirati. Membranski proteini sadrže unutrašnje kanale koji omogućavaju takvim molekulima da uđu i izađu iz ćelije. Mnogiionski kanalni proteini su specijalizovani za odabir samo za određeni ion; naprimjer,kalijski inatrijski kanali često diskriminiraju samo jedan od dva jona.[30]:232–34
Strukturni proteini daju krutost i čvrstoću inače tekućim biološkim komponentama. Većina strukturnih proteina suvlaknasti proteini; naprimjer,kolagen ielastin su kritične komponentevezivnog tkiva kao što jehrskavica, akeratin se nalazi u tvrdim ili filamentnim strukturama kao što sudlaka,nokti,perje,papci i neke životinjske školjke.[31]:178–81 Nekiglobulasti proteini također mogu imati strukturne funkcije, naprimjer,aktin itubulin su globulasti i rastvorljivi kao monomeri, alipolimeri se formiraju u duga, čvrsta vlakna koja činecitoskelet, što omogućava ćeliji da zadrži svoj oblik i veličinu.
Ostali proteini koji služe strukturnim funkcijama sumotorni protein kao što sumiozin,kinezin idinein, koji su sposobni da generišu mehaničke sile. Ovi proteini su ključni za ćelijskimotilitet jednoćelijskih organizama ispermatozoida mnogih višećelijskih organizama koji se razmnožavajuseksualno. Oni također stvaraju sile koje se stvaraju kontrakcijommišića[31]:258–64, 272 i imaju bitnu ulogu u unutarćelijskom transportu.
Ključno pitanje u molekulskoj biologiji je kako proteini evoluiraju, tj. kakomutacije (ili bolje rečeno promjene uaminokiselinskoj sekvenci) mogu dovesti do novih struktura i funkcija? Većina aminokiselina u proteinu može se promijeniti bez ometanja aktivnosti ili funkcije, kao što se može vidjeti iz brojnihhomolognih proteina u različitim vrstama (sakupljenih u specijalizovanim bazama podataka zaporodice proteina, npr.PFAM).[50] Kako bi se spriječile dramatične posljedice mutacija,gen može biti dupliciran prije nego što može slobodno mutirati. Međutim, ovo također može dovesti do potpunog gubitka funkcije gena, a time ipseudogena.[51] Češće, promjene jedne aminokiseline (tačkasta mutacija) imaju ograničene posljedice, iako neke mogu značajno promijeniti funkciju proteina, posebno uenzimima. Naprimjer, mnogi enzimi mogu promijeniti svojuspecifičnost supstrata jednom ili nekoliko mutacija.[52] Promjene u specifičnosti supstrata su olakšanepromiskuitetom supstrata, tj. sposobnošću mnogih enzima da vežu i obrađuju višesupstrata. Kada se pojave mutacije, specifičnost enzima može se povećati (ili smanjiti), a time i njegova enzimska aktivnost.[52] Tako se bakterije (ili drugi organizmi) mogu prilagoditi različitim izvorima hrane, uključujući neprirodne supstrate kao što suplastični.[53]
Aktivnosti i strukture proteina mogu se ispitatiin vitro,in vivo, iin silico.In vitro studije pročišćenih proteina u kontroliranim sredinama korisne su za spoznaju kako protein obavlja svoju funkciju: naprimjer, studijekinetike enzima istražujuhemijski mehanizam katalitske aktivnosti enzima i njegovog relativnog afiniteta za različite moguće molekule supstrata. Nasuprot tome, 'in vivo' eksperimenti mogu pružiti informacije o fiziološkoj ulozi proteina u kontekstućelije ili čak cijelogorganizma. 'In silico' studije koriste računarske metode za proučavanje proteina.
Da bi se izvršilain vitro analiza, protein mora biti prečišćen od drugih ćelijskih komponenti. Ovaj proces obično počinjelizom ćelija, pri čemu sećelijska membrana poremeti i njen unutrašnji sadržaj se oslobađa u rastvor poznat kaosirovi lizat. Rezultirajuća smjesa se može pročistiti pomoćuultracentrifugacije, koja frakcioniše različite ćelijske komponente u frakcije koje sadrže rastvorljive proteine; membranskilipidi i proteini, ćelijskeorganele inukleinske kiseline.Precipitacija metodom poznatim kaosoljenje može koncentrirati proteine iz ovog lizata. Različiti tipovihromatografija se zatim koriste za izolaciju proteina ili proteina od interesa, na osnovu svojstava kao što su molekulskaa težina, neto naboj i afinitet vezivanja.[27]:21–24 Nivo pročišćavanja može se pratiti korištenjem različitih tipovagel elektroforeza, ako su poznatimolekulska težina željenog proteina iizoelektrična tačka,spektroskopijom ako protein ima prepoznatljive spektroskopske karakteristike, ili pomoćuenzimskih testova ako protein ima enzimsku aktivnost. Dodatno, proteini se mogu izolovati prema njihovom naboju pomoćuelektrofokusiranje.[54] Za prirodne proteine može biti potreban niz koraka prečišćavanja kako bi se dobio protein dovoljno čist za laboratorijske primjene. Da bi se pojednostavio ovaj proces, se često koristigenetičko inženjerstvo, za dodavanje hemijskih karakteristika proteinima koje ih čine lakšim za pročišćavanje bez uticaja na njihovu strukturu ili aktivnost. Ovdje je "oznaka" koja se sastoji od specifične aminokiselinske sekvence, često nizahistidinskih ostataka ("His-tag"), vezana za jedan kraj proteina. Kao rezultat toga, kada se lizat prođe preko hromatografske kolone koja sadržinikl, ostaci histidina povezuju nikl i vezuju se za kolonu, dok neoznačene komponente lizata prolaze nesmetano. Razvijeno je više različitih oznaka koje pomažu istraživačima da pročiste specifične proteine iz složenih mješavina.[55]
Proučavanje proteina "in vivo" često se bavi sintezom i lokalizacijom proteina unutar ćelije. Iako se mnogi unutarćelijski proteini sintetiziraju ucitoplazmi postoje i proteini vezani za membranu ili se izlučuju uendoplazmatskom retikulumu, specifičnosti načina na koji su proteiniciljani na određene organele ili ćelijske strukture su često nejasne. Korisna tehnika za procjenu ćelijske lokalizacije koristi genetičko enjerstvo za ekspresiju u ćelijifuzijskih proteina ilihimera, koja se sastoji od prirodnog proteina od interesa povezanog sa "reporterrom" kao što jezeleni fluorescentni protein (GFP).[56] Položaj spojenog proteina unutar ćelije može se jasno i efikasno vizualizirati pomoćumikroskopije,[57] kao što je prikazano na suprotnoj slici.
Ostali metodi za razjašnjavanje ćelijske lokacije proteina zahtijevaju korištenje poznatih kompartmentnih markera za regije kao što suER,Golgijev aparat,lizosomi ilivakuole,mitohondrije,hloroplasti,plazmamembrana, itd. Uz upotrebu fluorescentno označenih verzija ovih markera iliantitijela na poznate markere, postaje mnogo jednostavnije identificirati lokalizaciju proteina od interesa. Naprimjer,indirektna imunofluorescencija će omogućiti kolokalizaciju fluorescencije i demonstraciju lokacije. Za označavanje ćelijskih odjeljaka za sličnu svrhu koriste se fluorescentne boje.[58]
Postoje i druge mogućnosti. Naprimjer,imunohistohemija obično koristi antitijelo na jedan ili više proteina od interesa koji su konjugirani sa enzimima dajući ili luminiscentne ili hromogene signale koji se mogu porediti između uzoraka, omogućavajući informacije o lokalizaciji. Druga primjenjiva tehnika je kofrakcioniranje u gradijentimasaharoze (ili drugog materijala), korištenjemizopikničkog centrifugiranja.[59] Iako ova tehnika ne dokazuje kolokalizaciju odjeljka poznate gustine i proteina od interesa, povećava se vjerovatnoća, i podložniji je studijama velikih razmjera.
Konačno, zlatni standard metoda ćelijske lokalizacije jeimunoelektronska mikroskopija. Ova tehnika također koristiantitijelo na protein od interesa, zajedno sa klasičnim tehnikama elektronske mikroskopije. Uzorak se priprema za uobičajeno elektronsko mikroskopsko ispitivanje, a zatim se tretira antitijelom na protein od interesa, koje je konjugirano s izuzetno elektro-gustim materijalom, običnozlatom. Ovo omogućava lokalizaciju i ultrastrukturnih detalja kao i proteina od interesa.[60]
Kroz drugu primjenu genetičkog inženjerstva poznatu kao mjesno usmjerenamutageneza, istraživači mogu promijeniti sekvencu proteina, a time i njegovu strukturu, ćelijsku lokalizaciju i podložnost regulaciji. Ova tehnika čak dozvoljava inkorporaciju neprirodnih aminokiselina u proteine, koristeći modifikovane tRNK,[61] i može omogućiti racionalandizajn novih proteina sa novim svojstvima.[62]
Ukupni komplement proteina prisutnih u jednom trenutku u ćeliji ili tipu ćelije poznat je kao njenproteom, a proučavanje takvih velikih skupova podataka definiše poljeproteomika, nazvano po analogiji sa srodnaom oblastigenomika. Ključne eksperimentalne tehnike u proteomici uključuju2D elektroforezu,[63] koja omogućava odvajanje mnogih proteina,masenu spektometriju,[64] koja omogućava brzu identifikaciju proteina visoke propusnosti i sekvenciranje peptida (najčešće nakondigestija u gelu),proteinske mikromreže, koji omogućavaju detekciju relativnih nivoa različitih proteina prisutnih u ćeliji, idvo-hibridni skrining, koji omogućava sistematsko istraživanjeinterakcija protein-protein.[65] Ukupni komplement biološki mogućih takvih interakcija poznat je kaointeraktom.[66] Sistematski pokušaj određivanja struktura proteina koji predstavljaju svaki mogući nabor poznat je kaostrukturna genomika.[67]
Poznato je mnogo višegenskih sekvenci od proteinskih struktura. Nadalje, skup riješenih struktura je pristrasan prema proteinima koji se lahko mogu podvrgnuti uvjetima potrebnim uX-zračnoj kristalografiji, jednom od glavnih metoda određivanja strukture. Konkretno, globulaste proteine je relativno lahkokristalizirati u pripremi za rendgensku kristalografiju. Membranske proteine i velike proteinske komplekse je, nasuprot tome, teško kristalizirati i nedovoljno su zastupljeni u PDB-u.[70]Strukturnogenomičke inicijative pokušale su ispraviti ove nedostatke sistematskim rješavanjem reprezentativnih struktura glavnih klasa nabora. Metodipredviđanja strukture proteina pokušavaju da obezbede sredstvo za generiranje verodostojne strukture za proteine čije strukture nisu eksperimentalno određene.[71]
Konstitutivne aminokiseline mogu se analizirati kako bi se predvidjela sekundarna, tercijarna i kvarterna struktura proteina, u ovom slučajuhemoglobin koji sadržihemne jedinice
Komplementarno polju strukturne genomike,predikcija strukture proteina razvija efikasnematematičke modele proteina za kompjutersko predviđanje molekulskih formacija u teoriji, umjesto otkrivanja struktura uz laboratorijsko posmatranje.[72] Najuspješniji tip predviđanja strukture, poznat kaohomološko modeliranje, oslanja se na postojanje strukture "šablona" sa sličnošću sekvence sa proteinom koji se modelira. Cilj strukturne genomike je osigurati dovoljnu zastupljenost u riješenim strukturama za modeliranje većine preostalih.[73] Iako proizvodnja tačnih modela ostaje izazov kada su dostupne samo udaljene strukture šablona, sugerirano je da jeporavnavanje sekvence usko grlo u ovom procesu, jer se mogu proizvesti prilično precizni modeli ako je poznato "savršeno" poravnanje sekvence.[74] Mnogi metodi predviđanja strukture poslužili su da informišu novonastajuće poljeproteinsko inženjerstvo, u kojem su već dizajnirani novi proteinski nabori.[75] Također proteini (kodeukariota ~33%) sadrže velike nestrukturirane, ali biološki funkcionalne segmente i mogu se klasifikovati kaointrinzično poremećeni proteini.[76] Predviđanje i analiza poremećaja proteina je, stoga, važan dio karakterizacije strukture proteina.[77]
Razvijen je širok spektar računarskih metoda za analizu strukture, funkcije i evolucije proteina. Razvoj takvih alata podstaknut je velikom količinomgenomskih iproteomskih podataka dostupnih za razne organizme, uključujućiljudski genom. Prosto je nemoguće eksperimentalno proučiti sve proteine, pa se samo nekoliko podvrgava laboratorijskim eksperimentima dok se računarski alati koriste za ekstrapolaciju na slične proteine. Takvihomologni proteini mogu se efikasno identifikovati u udaljenim organizmima pomoćuusklađivanja sekvenci. Genom i sekvence gena mogu se pretraživati raznim alatima za određena svojstva.Alat za profilisanje sekvenci mogu pronaćirestrikcijski enzimi mesta,otvoreni okvir čitanja unukleotidnim sekvencama i predvidjetisekundarne strukture. Mogu se konstruiratifilogenetska stabla i razvijatievolucijske hipoteze pomoću specijalnog softvera kao što jeClustalW u vezi sa porijeklom modernih organizama i genima koje oni izražavaju. Za analizu gena i proteina, sada je neophodna oblastbioinformatike.
Ukupan sadržaj dušika u organskoj materiji uglavnom formiraju amino grupe u proteinima. Ukupni Kjeldahlov azot (TKN) je mjera dušika koja se široko koristi u analizi (otpadne) vode, tla, hrane, hrane za životinje i organske tvari općenito. Kao što naziv govori, primjenjuje seKjeldahlova metoda. Dostupne su osjetljivije metode.[85][86]
Većinamikroorganizama i biljaka može biosintetizirati svih 20 standardnihaminokiselina, dok životinje (uključujući i ljude) moraju dobiti neke od aminokiselina izishrane.[43] Aminokiseline koje organizam ne može sam sintetizirati nazivaju seesencijalne aminokiseline. Ključni enzimi koji sintetiziraju određene aminokiseline nisu prisutni kod životinja – kao što jeaspartokinaza, koja katalizira prvi korak u sintezilizina,metionina itreonina izaspartata. Ako su aminokiseline prisutne u okolini, mikroorganizmi mogu sačuvati energiju tako što preuzimaju aminokiseline iz svog okruženja ipodreguliraju svoje biosintetske puteve.
Kod životinja se aminokiseline dobijaju konzumiranjem hrane koja sadrži proteine. Progutani proteini se zatim razlažu na aminokiseline putemprobave, što obično uključujedenaturaciju proteina izlaganjemkiselinama ihidrolizi enzimima zvanimproteaze. Neke unesene aminokiseline koriste se za biosintezu proteina, dok se druge pretvaraju uglukozu putemglukoneogeneze, ili se unose uciklus limunske kiseline. Ova upotreba proteina kao goriva je posebno važna u uslovimagladovanja jer omogućava da se sopstveni tjelesni proteini koriste za održavanje života, posebno oni koji se nalaze umišićima.[87]
Kod životinja kao što supsi imačke, proteini održavaju zdravlje i kvalitet kože podstičući rastfolikula dlake ikeratinizaciju i na taj način smanjujući vjerojatnost problema s kožom koji izazivaju neugodne mirise.[88] Proteini lošeg kvaliteta također imaju ulogu u zdravlju gastrointestinalnog trakta, povećavajući potencijal za nadimanje i neugodne spojeve kod pasa, jer kada proteini stignu do debelog crijeva u nesvarenom stanju, fermentiraju se proizvodeći plinsumporovodik,indol i skatol.[89] Psi i mačke bolje probavljaju životinjske proteine nego one iz biljaka, ali proizvodi životinjskog porijekla lošeg kvaliteta probavljaju se loše, uključujućikožu,perje ivezivno tkivo.[89]
Bjelančevine se nalaze u raznim vrstama prehrambenih namirnica. Može se gotovo reći da su u većim ili manjim količinama zastupljeni u svoj hrani osim u rafiniranimšećerima imastima. Hrana životinjskog porijekla poputmesa,riba,jaja,mlijeka,jogurta isira dobar su izvor proteina u kvalitativnom i kvantitativnom smislu. Osim što sadrže mnogo proteina te su namirnice izvor svih esencijalnih aminokiselina.
^Hadžiselimović R., Pojskić N. (2005): Uvod u humanu imunogenetiku. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo,ISBN9958-9344-3-4.
^Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo,ISBN978-9958-9344-8-3.
^Kornberg A. (1989): For the love of enzymes – The Odyssay of a biochemist. Harvard University Press, Cambridge (Mass.), London,ISBN0-674-30775-5,ISBN0-674-30776-3.
^Bischoff TL, Voit C (1860).Die Gesetze der Ernaehrung des Pflanzenfressers durch neue Untersuchungen festgestellt (jezik: njemački). Leipzig, Heidelberg.
^Kauzmann W (maj 1956). "Structural factors in protein denaturation".Journal of Cellular Physiology.47 (Suppl 1): 113–31.doi:10.1002/jcp.1030470410.PMID13332017.
^abcdKalman SM, Linderstrøm-Lang K, Ottesen M, Richards FM (februar 1955). "Degradation of ribonuclease by subtilisin".Biochimica et Biophysica Acta.16 (2): 297–99.doi:10.1016/0006-3002(55)90224-9.PMID14363272.
^abcLodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipurksy SL, Darnell J (2004).Molecular Cell Biology (5th izd.). New York, New York: WH Freeman and Company.
^Bruckdorfer T, Marder O, Albericio F (februar 2004). "From production of peptides in milligram amounts for research to multi-tons quantities for drugs of the future".Current Pharmaceutical Biotechnology.5 (1): 29–43.doi:10.2174/1389201043489620.PMID14965208.
^Schwarzer D, Cole PA (decembar 2005). "Protein semisynthesis and expressed protein ligation: chasing a protein's tail".Current Opinion in Chemical Biology.9 (6): 561–69.doi:10.1016/j.cbpa.2005.09.018.PMID16226484.
^Pickel B, Schaller A (oktobar 2013). "Dirigent proteins: molecular characteristics and potential biotechnological applications".Applied Microbiology and Biotechnology.97 (19): 8427–38.doi:10.1007/s00253-013-5167-4.PMID23989917.S2CID1896003.
^Rüdiger H, Siebert HC, Solís D, Jiménez-Barbero J, Romero A, von der Lieth CW, Diaz-Mariño T, Gabius HJ (april 2000). "Medicinal chemistry based on the sugar code: fundamentals of lectinology and experimental strategies with lectins as targets".Current Medicinal Chemistry.7 (4): 389–416.doi:10.2174/0929867003375164.PMID10702616.
^Terpe K (januar 2003). "Overview of tag protein fusions: from molecular and biochemical fundamentals to commercial systems".Applied Microbiology and Biotechnology.60 (5): 523–33.doi:10.1007/s00253-002-1158-6.PMID12536251.S2CID206934268.
^Margolin W (januar 2000). "Green fluorescent protein as a reporter for macromolecular localization in bacterial cells".Methods.20 (1): 62–72.doi:10.1006/meth.1999.0906.PMID10610805.
^Hohsaka T, Sisido M (decembar 2002). "Incorporation of non-natural amino acids into proteins".Current Opinion in Chemical Biology.6 (6): 809–15.doi:10.1016/S1367-5931(02)00376-9.PMID12470735.
^Ward JJ, Sodhi JS, McGuffin LJ, Buxton BF, Jones DT (mart 2004). "Prediction and functional analysis of native disorder in proteins from the three kingdoms of life".Journal of Molecular Biology.337 (3): 635–45.doi:10.1016/j.jmb.2004.02.002.PMID15019783.
^Zagrovic B, Snow CD, Shirts MR, Pande VS (novembar 2002). "Simulation of folding of a small alpha-helical protein in atomistic detail using worldwide-distributed computing".Journal of Molecular Biology.323 (5): 927–37.CiteSeerX10.1.1.142.8664.doi:10.1016/S0022-2836(02)00997-X.PMID12417204.
^Hoffmann M, Wanko M, Strodel P, König PH, Frauenheim T, Schulten K, Thiel W, Tajkhorshid E, Elstner M (august 2006). "Color tuning in rhodopsins: the mechanism for the spectral shift between bacteriorhodopsin and sensory rhodopsin II".Journal of the American Chemical Society.128 (33): 10808–18.doi:10.1021/ja062082i.PMID16910676.
^Mendive-Tapia D, Mangaud E, Firmino T, de la Lande A, Desouter-Lecomte M, Meyer HD, Gatti F (2018). "Multidimensional Quantum Mechanical Modeling of Electron Transfer and Electronic Coherence in Plant Cryptochromes: The Role of Initial Bath Conditions".J. Phys. Chem. B.122 (1): 126–136.doi:10.1021/acs.jpcb.7b10412.PMID29216421.
