Protein - Protein
Proteiner er store biomolekyler eller makromolekyler , som består av ett eller flere lange kjeder av aminosyrerester . Proteiner utfører en lang rekke funksjoner i organismer , inkludert katalysering av metabolske reaksjoner , DNA-replikasjon , reaksjon på stimuli , tilveiebringelse av celler til celler og organismer , og transport av molekyler fra et sted til et annet. Proteiner skiller seg fra hverandre først og fremst i deres sekvens av aminosyrer, som er diktert av nukleotidsekvensen til genene deres , og som vanligvis resulterer i at protein foldes inn i en spesifikk tredimensjonal struktur som bestemmer dens aktivitet.
En lineær kjede av aminosyrerester kalles et polypeptid . Et protein inneholder minst ett langt polypeptid. Korte polypeptider, som inneholder mindre enn 20-30 rester, anses sjelden å være proteiner og kalles ofte peptider , eller noen ganger oligopeptider . De individuelle aminosyrerestene er bundet sammen av peptidbindinger og tilstøtende aminosyrerester. Den sekvens av aminosyrerester i et protein er definert av sekvensen av et gen , som er kodet i det genetiske koden . Generelt spesifiserer den genetiske koden 20 standardaminosyrer; Imidlertid kan den genetiske koden i visse organismer omfatte selenocystein og - i visse archaea - pyrrolysine . Rett etter eller til og med under syntese blir restene i et protein ofte kjemisk modifisert ved post-translationell modifisering , noe som endrer de fysiske og kjemiske egenskapene, folding, stabilitet, aktivitet og til slutt proteinenes funksjon. Noen ganger er proteiner knyttet til ikke-peptidgrupper, som kan kalles protetiske grupper eller kofaktorer . Proteiner kan også samarbeide for å oppnå en bestemt funksjon, og de forbinder ofte for å danne stabile proteinkomplekser .
Når de er dannet, eksisterer proteiner bare i en viss periode og blir deretter nedbrutt og resirkulert av cellens maskineri gjennom prosessen med proteinomsetning . Levetiden til et protein måles med tanke på halveringstiden og dekker et bredt spekter. De kan eksistere i minutter eller år med en gjennomsnittlig levetid på 1-2 dager i pattedyrceller. Unormale eller feilfoldede proteiner brytes ned raskere, enten på grunn av å være målrettet mot ødeleggelse eller på grunn av å være ustabile.
I likhet med andre biologiske makromolekyler som polysakkarider og nukleinsyrer , er proteiner viktige deler av organismer og deltar i praktisk talt alle prosesser i celler . Mange proteiner er enzymer som katalyserer biokjemiske reaksjoner og er avgjørende for metabolisme . Proteiner har også strukturelle eller mekaniske funksjoner, som aktin og myosin i muskler og proteinene i cytoskjelettet , som danner et system med stillaser som opprettholder celleformen. Andre proteiner er viktige i cellesignalering , immunrespons , celleadhesjon og cellesyklusen . Hos dyr er proteiner nødvendig i kostholdet for å gi de essensielle aminosyrene som ikke kan syntetiseres . Fordøyelse bryter proteinene ned for bruk i stoffskiftet.
Proteiner kan renses fra andre cellulære komponenter ved å bruke en rekke teknikker, så som ultrasentrifugering , utfelling , elektroforese og kromatografi ; fremveksten av genteknologi har muliggjort en rekke metoder for å lette rensing. Metoder som vanligvis brukes for å studere proteinstruktur og funksjon inkluderer immunhistokjemi , stedsrettet mutagenese , røntgenkrystallografi , kjernemagnetisk resonans og massespektrometri .
Historie og etymologi
Proteiner ble anerkjent som en distinkt klasse av biologiske molekyler i det attende århundre av Antoine Fourcroy og andre, og ble utpreget av molekylenes evne til å koagulere eller flokkulere under behandlinger med varme eller syre. Noterte eksempler den gang inkluderte albumin fra eggehviter , blodserumalbumin , fibrin og hvetegluten .
Proteiner ble først beskrevet av den nederlandske kjemikeren Gerardus Johannes Mulder og navngitt av den svenske kjemikeren Jöns Jacob Berzelius i 1838. Mulder gjennomførte elementæranalyse av vanlige proteiner og fant ut at nesten alle proteiner hadde den samme empiriske formelen , C 400 H 620 N 100 O 120 P 1 S 1 . Han kom til den feilaktige konklusjonen at de kan være sammensatt av en enkelt type (veldig stort) molekyl. Begrepet "protein" for å beskrive disse molekylene ble foreslått av Mulders kollega Berzelius; protein er avledet fra det greske ordet πρώτειος ( proteios ), som betyr "primær", "i spissen", eller "stående foran", + -in . Mulder fortsatte å identifisere produktene av proteinnedbrytning som aminosyren leucin som han fant en (nesten riktig) molekylvekt på 131 Da . Før "protein" ble andre navn brukt, for eksempel "albuminer" eller "albuminøse materialer" ( Eiweisskörper , på tysk).
Tidlige ernæringsforskere som den tyske Carl von Voit mente at protein var det viktigste næringsstoffet for å opprettholde kroppens struktur, fordi det generelt ble antatt at "kjøtt lager kjøtt." Karl Heinrich Ritthausen utvidet kjente proteinformer med identifisering av glutaminsyre . På Connecticut Agricultural Experiment Station ble en detaljert gjennomgang av vegetabilske proteiner samlet av Thomas Burr Osborne . De ernæringsmessige essensielle aminosyrene ble etablert i samarbeid med Lafayette Mendel og anvendt Liebigs lov om minimum i fôring av laboratorierotter . Arbeidet ble videreført og formidlet av William Cumming Rose . Forståelsen av proteiner som polypeptider kom gjennom arbeidet til Franz Hofmeister og Hermann Emil Fischer i 1902. Proteinenes sentrale rolle som enzymer i levende organismer ble ikke helt verdsatt før i 1926, da James B. Sumner viste at enzymet urease faktisk var et protein.
Vanskeligheten med å rense proteiner i store mengder gjorde dem veldig vanskelige for tidlige proteinbiokjemikere å studere. Derfor fokuserte tidlige studier på proteiner som kunne renses i store mengder, for eksempel de av blod , eggehvite , forskjellige giftstoffer og fordøyelses / metabolske enzymer oppnådd fra slakteriene . På 1950-tallet renset Armour Hot Dog Co. 1 kg ren bukspyttkjertelen ribonuklease A og gjorde den fritt tilgjengelig for forskere; denne gesten hjalp ribonuklease A til å bli et viktig mål for biokjemisk studie i de neste tiårene.
Linus Pauling får godkjent den vellykkede forutsigelsen av vanlige proteinsekundære strukturer basert på hydrogenbinding , en idé som ble først lagt fram av William Astbury i 1933. Senere arbeid av Walter Kauzmann om denaturering , delvis basert på tidligere studier av Kaj Linderstrøm-Lang , bidro med forståelse av proteinfolding og struktur formidlet av hydrofobe interaksjoner .
Det første proteinet som ble sekvensert var insulin , av Frederick Sanger , i 1949. Sanger bestemte aminosyresekvensen til insulin riktig , og demonstrerte dermed endelig at proteiner besto av lineære polymerer av aminosyrer i stedet for forgrenede kjeder, kolloider eller sykloler . Han vant Nobelprisen for denne bragden i 1958.
De første proteinstrukturene som ble løst var hemoglobin og myoglobin av henholdsvis Max Perutz og Sir John Cowdery Kendrew i 1958. Protein Data Bank har i 2017 over 126.060 atomoppløsningsstrukturer av proteiner. I nyere tid, Cryo-elektronmikroskopi av store makromolekylære sammenstillinger og beregnings proteinstrukturprediksjon av små proteindomener er to metoder som nærmer atom oppløsning.
biokjemi
De fleste proteiner som består av lineære polymerer inne fra serie på opp til 20 forskjellige L -α- aminosyrer . Alle proteinogene aminosyrer har felles strukturelle trekk, inkludert et a-karbon som en aminogruppe , en karboksylgruppe og en variabel sidekjede er bundet til . Bare prolin skiller seg fra denne grunnleggende strukturen, da den inneholder en uvanlig ring til N-end-amingruppen, som tvinger CO – NH-amiddelen til en fast konformasjon. Sidekjedene til standard aminosyrer, som er detaljert i listen over standard aminosyrer , har et stort utvalg av kjemiske strukturer og egenskaper; det er den samlede effekten av alle aminosyresidekjedene i et protein som til slutt bestemmer dens tredimensjonale struktur og dens kjemiske reaktivitet. De aminosyrer i en polypeptidkjede er koblet sammen med peptidbindinger . Når den er koblet i proteinkjeden, kalles en individuell aminosyre en rest, og den koblede serien med karbon, nitrogen og oksygenatomer er kjent som hovedkjeden eller proteinryggraden.
Peptidbindingen har to resonansformer som bidrar til en viss dobbeltbindingskarakter og hemmer rotasjon rundt dens akse, slik at alfakarbonene er omtrent koplanære . De to andre dihedrale vinklene i peptidbindingen bestemmer den lokale formen antatt av proteinryggraden. Enden med en fri aminogruppe er kjent som N-terminalen eller aminoterminalen, mens enden av proteinet med en fri karboksylgruppe er kjent som C-terminalen eller karboksyterminalen (proteinets sekvens er skrevet fra N- terminus til C-terminus, fra venstre til høyre).
Ordene protein , polypeptid og peptid er litt tvetydige og kan overlappe betydning. Protein brukes vanligvis for å referere til det komplette biologiske molekylet i en stabil konformasjon , mens peptid generelt er forbeholdt korte aminosyreoligomerer som ofte mangler en stabil tredimensjonal struktur. Grensen mellom de to er imidlertid ikke godt definert og ligger vanligvis i nærheten av 20–30 rester. Polypeptid kan referere til en hvilken som helst enkelt lineær kjede av aminosyrer, vanligvis uansett lengde, men innebærer ofte et fravær av en definert konformasjon .
interaksjoner
Proteiner kan samhandle med mange typer molekyler, inkludert med andre proteiner , med lipider , med karbohydrater og med DNA .
Overflod i celler
Det er anslått at bakterier i gjennomsnittstørrelse inneholder omtrent 2 millioner proteiner per celle (f.eks. E. coli og Staphylococcus aureus ). Mindre bakterier, som Mycoplasma eller spirochetes, inneholder færre molekyler i størrelsesorden 50 000 til 1 million. Derimot er eukaryote celler større og inneholder dermed mye mer protein. For eksempel har gjærceller blitt anslått å inneholde omtrent 50 millioner proteiner og humane celler i størrelsesorden 1 til 3 milliarder. Konsentrasjonen av individuelle proteinkopier varierer fra noen få molekyler per celle opp til 20 millioner. Ikke alle gener som koder for proteiner blir uttrykt i de fleste celler, og antallet avhenger av for eksempel celletype og ytre stimuli. For eksempel av de 20 000 proteiner som er kodet av det humane genom, blir bare 6 000 påvist i lymfoblastoidceller . Dessuten korrelerer antall proteiner genomet koder godt med organismenes kompleksitet. Eukaryoter har 15 000, bakterier har 3200, archaea har 2400, og virus har i gjennomsnitt 42 proteiner kodet i sine respektive genomer.
syntese
biosyntesen
Proteiner settes sammen fra aminosyrer ved hjelp av informasjon kodet i gener . Hvert protein har sin egen unike aminosyresekvens som er spesifisert av nukleotidsekvensen til genet som koder for dette proteinet. Den genetiske koden er et sett med tre-nukleotidsett kalt kodoner, og hver tre-nukleotidkombinasjon betegner en aminosyre, for eksempel AUG ( adenin - uracil - guanin ) er koden for metionin . Fordi DNA inneholder fire nukleotider, er det totale antall mulige kodoner 64; derfor er det noe redundans i den genetiske koden, med noen aminosyrer spesifisert av mer enn ett kodon. Gener kodet i DNA blir først transkribert til pre- messenger RNA (mRNA) av proteiner som RNA-polymerase . De fleste organismer behandler deretter pre-mRNA (også kjent som et primært transkript ) ved bruk av forskjellige former for post-transkripsjonell modifisering for å danne det modne mRNA, som deretter blir brukt som en mal for proteinsyntese av ribosomet . I prokaryoter kan mRNA enten brukes så snart det er produsert, eller være bundet av et ribosom etter å ha beveget seg bort fra nukleoidet . I motsetning til dette, eukaryoter lager mRNA i cellekjernen og translokerer det over kjernemembranen til cytoplasma , der proteinsyntese deretter finner sted. Proteinsyntesen er høyere i prokaryoter enn eukaryoter og kan nå opp til 20 aminosyrer per sekund.
Prosessen med å syntetisere et protein fra en mRNA-mal er kjent som translasjon . MRNA er lastet på ribosomet og leses tre nukleotider på en gang ved å tilpasse hver enkelt kodon til sin baseparing antikodon plassert på en overføring RNA -molekyl, som bærer den aminosyren som tilsvarer den kodonet det gjenkjenner. Enzymet aminoacyl tRNA synthetase "lader" tRNA-molekylene med riktige aminosyrer. Det voksende polypeptidet betegnes ofte som den begynnende kjeden . Proteiner biosynteses alltid fra N-terminus til C-terminus .
Størrelsen på et syntetisert protein kan måles med antall aminosyrer det inneholder og av dets totale molekylmasse , som normalt rapporteres i enheter av dalton (synonymt med atommasseenheter ), eller den deriverte enheten kilodalton (kDa). Den gjennomsnittlige størrelsen på et protein øker fra Archaea til bakterier til eukaryote (283, 311, 438 rester og 31, 34, 49 kDa respektivt) på grunn av et større antall proteindomener som utgjør proteiner i høyere organismer. For eksempel er gjærproteiner i gjennomsnitt 466 aminosyrer lange og 53 kDa i masse. De største kjente proteiner er de titins , en komponent av muskelen sarcomere , med en molekylvekt på omtrent 3000 kDa og en total lengde på nesten 27 000 aminosyrer.
Kjemisk syntese
Korte proteiner kan også syntetiseres kjemisk ved en familie av metoder kjent som peptidsyntese , som er avhengige av organiske synteseteknikker som kjemisk ligering for å produsere peptider med høyt utbytte. Kjemisk syntese muliggjør introduksjon av ikke-naturlige aminosyrer i polypeptidkjeder, slik som feste av lysstoffrør til aminosyresidekjeder. Disse metodene er nyttige i laboratoriet biokjemi og cellebiologi , selv om det vanligvis ikke for kommersielle anvendelser. Kjemisk syntese er ineffektiv for polypeptider som er lengre enn 300 aminosyrer, og de syntetiserte proteiner antar ikke lett deres naturlige tertiære struktur . De fleste kjemiske syntesemetoder fortsetter fra C-terminus til N-terminus, overfor den biologiske reaksjonen.
Struktur
De fleste proteiner brettes inn i unike tredimensjonale strukturer. Formen som et protein naturlig brettes inn er kjent som dens naturlige konformasjon . Selv om mange proteiner kan brette uassistert, ganske enkelt gjennom de kjemiske egenskapene til aminosyrene, krever andre hjelp av molekylære chaperoner for å brette seg inn i deres hjemlige tilstander. Biokjemikere refererer ofte til fire distinkte aspekter av proteinets struktur:
- Primær struktur : aminosyresekvensen . Et protein er et polyamid .
- Sekundær struktur : Gjenta regelmessige lokale strukturer stabilisert med hydrogenbindinger . De vanligste eksemplene er α-helix , β-ark og svinger . Fordi sekundære strukturer er lokale, kan mange regioner med forskjellig sekundærstruktur være til stede i det samme proteinmolekylet.
- Tertiær struktur : den generelle formen til et enkelt proteinmolekyl; det romlige forholdet mellom sekundære strukturer til hverandre. Tertiær struktur stabiliseres generelt ved ikke-lokale interaksjoner, vanligvis dannelse av en hydrofob kjerne , men også gjennom saltbroer , hydrogenbindinger, disulfidbindinger og til og med posttranslasjonelle modifikasjoner . Begrepet "tertiær struktur" brukes ofte som synonymt med begrepet fold . Den tertiære strukturen er det som styrer den grunnleggende funksjonen til proteinet.
- Kvaternær struktur : strukturen som dannes av flere proteinmolekyler (polypeptidkjeder), vanligvis kalt proteinsubenheter i denne sammenhengen, som fungerer som et enkelt proteinkompleks .
- Kinesisk struktur : signaturene på proteinoverflaten som organiserer det overfylte cellulære interiøret. Kinesisk struktur er avhengig av forbigående, men likevel essensielle, makromolekylære interaksjoner som oppstår i levende celler.
Proteiner er ikke helt stive molekyler. I tillegg til disse strukturnivåene, kan proteiner skifte mellom flere beslektede strukturer mens de utfører sine funksjoner. I sammenheng med disse funksjonelle omorganiseringene blir disse tertiære eller kvartære strukturer vanligvis referert til som " konformasjoner ", og overganger mellom dem kalles konformasjonsendringer. Slike forandringer induseres ofte av binding av et substratmolekyl til et enzyms aktive sted , eller den fysiske regionen av proteinet som deltar i kjemisk katalyse. I oppløsningen gjennomgår proteiner også variasjon i struktur gjennom termisk vibrasjon og kollisjon med andre molekyler.
Proteiner kan deles uformelt i tre hovedklasser, som korrelerer med typiske tertiære strukturer: kuleproteiner , fibrøse proteiner og membranproteiner . Nesten alle kuleproteiner er oppløselige, og mange er enzymer. Fiberholdige proteiner er ofte strukturelle, for eksempel kollagen , hovedkomponenten i bindevevet, eller keratin , proteinkomponenten i hår og negler. Membranproteiner fungerer ofte som reseptorer eller gir kanaler for polare eller ladede molekyler å passere gjennom cellemembranen .
Et spesielt tilfelle av intramolekylære hydrogenbindinger i proteiner, dårlig skjermet for vannangrep og dermed fremmer egen dehydrering , kalles dehydroner .
Proteindominer
Mange proteiner er sammensatt av flere proteindomener , dvs. segmenter av et protein som brettes inn i forskjellige strukturelle enheter. Domener har vanligvis også spesifikke funksjoner, for eksempel enzymatiske aktiviteter (f.eks. Kinase ), eller de fungerer som bindingsmoduler (f.eks. SH3-domenet binder seg til prolinerike sekvenser i andre proteiner).
Sekvensmotiv
Korte aminosyresekvenser i proteiner fungerer ofte som gjenkjennelsessteder for andre proteiner. For eksempel binder SH3-domener typisk til korte PxxP-motiv (dvs. 2 prolines [P], atskilt med to uspesifiserte aminosyrer [x], selv om de omkringliggende aminosyrene kan bestemme den eksakte bindingsspesifisiteten). Mange slike motiver er samlet i Eukaryotic Linear Motif (ELM) -databasen.
Mobilfunksjoner
Proteiner er hovedaktørene i cellen, som sies å utføre oppgavene spesifisert av informasjonen som er kodet i gener. Med unntak av visse typer RNA er de fleste andre biologiske molekyler relativt inerte elementer som proteiner virker på. Proteiner utgjør halvparten av tørrvekten til en Escherichia coli- celle, mens andre makromolekyler som DNA og RNA bare utgjør henholdsvis 3% og 20%. Settet proteiner uttrykt i en bestemt celle eller celletype er kjent som dets proteom .
Det viktigste kjennetegn ved proteiner som også tillater deres forskjellige sett med funksjoner er deres evne til å binde andre molekyler spesifikt og tett. Regionen av proteinet som er ansvarlig for å binde et annet molekyl er kjent som bindingsstedet og er ofte en depresjon eller "lomme" på molekyloverflaten. Denne bindingsevnen formidles av den tertiære strukturen til proteinet, som definerer bindingsstedets lomme, og av de kjemiske egenskapene til de omliggende aminosyrenes sidekjeder. Proteinbinding kan være ekstra tett og spesifikk; for eksempel binder ribonukleaseinhibitorproteinet seg til humant angiogenin med en sub-femtomolar dissosiasjonskonstant (<10 −15 M), men binder ikke i det hele tatt til amfibien homolog onconase (> 1 M). Ekstremt små kjemiske forandringer som tilsetning av en enkelt metylgruppe til en bindingspartner kan noen ganger være tilstrekkelig til å nesten eliminere binding; for eksempel diskriminerer aminoacyl-tRNA-syntetasen spesifikk for aminosyren valin mot den meget like sidekjeden til aminosyren isoleucin .
Proteiner kan binde seg til andre proteiner så vel som til småmolekylsubstrater . Når proteiner binder seg spesifikt til andre kopier av det samme molekylet, kan de oligomerisere for å danne fibriller; denne prosessen forekommer ofte i strukturelle proteiner som består av kuleformede monomerer som selv assosierer seg for å danne stive fibre. Protein-protein-interaksjoner regulerer også enzymatisk aktivitet, kontrollerer progresjon gjennom cellesyklusen , og tillater montering av store proteinkomplekser som utfører mange nært beslektede reaksjoner med en felles biologisk funksjon. Proteiner kan også binde seg til, eller til og med integreres i, cellemembraner. Evnen til bindingspartnere til å indusere konformasjonsendringer i proteiner tillater bygging av enormt komplekse signalnettverk . Ettersom interaksjoner mellom proteiner er reversible, og avhenger sterkt av tilgjengeligheten av forskjellige grupper av partnerproteiner for å danne aggregater som er i stand til å utføre diskrete funksjoner, er undersøkelse av interaksjonene mellom spesifikke proteiner en nøkkel til å forstå viktige aspekter ved cellulær funksjon , og til slutt egenskapene som skiller bestemte celletyper.
enzymer
Den mest kjente rollen til proteiner i cellen er som enzymer , som katalyserer kjemiske reaksjoner. Enzymer er vanligvis svært spesifikke og akselererer bare en eller noen få kjemiske reaksjoner. Enzymer utfører de fleste av reaksjonene som er involvert i stoffskifte , samt manipulerer DNA i prosesser som DNA-replikasjon , DNA-reparasjon og transkripsjon . Noen enzymer virker på andre proteiner for å tilsette eller fjerne kjemiske grupper i en prosess som kalles posttranslasjonell modifisering. Cirka 4000 reaksjoner er kjent for å være katalysert av enzymer. Hastighetsakselerasjonen som er gitt ved enzymatisk katalyse er ofte enorm - så mye som 10 17 ganger økning i hastighet over den ukatalyserte reaksjonen i tilfelle av orotatdekarboksylase (78 millioner år uten enzymet, 18 millisekunder med enzymet).
Molekylene bundet og påvirket av enzymer kalles substrater . Selv om enzymer kan bestå av hundrevis av aminosyrer, er det vanligvis bare en liten fraksjon av restene som kommer i kontakt med underlaget, og en enda mindre fraksjon - gjennomsnittlig tre til fire rester - som er direkte involvert i katalyse. Området til enzymet som binder underlaget og inneholder de katalytiske restene er kjent som det aktive stedet .
Dirigente proteiner er medlemmer av en klasse proteiner som dikterer stereokjemien til en forbindelse syntetisert av andre enzymer.
Celle signalering og ligandbinding
Mange proteiner er involvert i prosessen med cellesignalisering og signaloverføring . Noen proteiner, for eksempel insulin , er ekstracellulære proteiner som overfører et signal fra cellen der de ble syntetisert til andre celler i fjerne vev . Andre er membranproteiner som fungerer som reseptorer hvis viktigste funksjon er å binde et signalmolekyl og indusere en biokjemisk respons i cellen. Mange reseptorer har et bindingssted eksponert på celleoverflaten og et effektordomen i cellen, som kan ha enzymatisk aktivitet eller kan gjennomgå en konformasjonsendring detektert av andre proteiner i cellen.
Antistoffer er proteinkomponenter i et adaptivt immunsystem som har som hovedfunksjon å binde antigener , eller fremmedstoffer i kroppen, og målrette dem mot ødeleggelse. Antistoffer kan skilles ut i det ekstracellulære miljøet eller forankres i membranene til spesialiserte B-celler kjent som plasmaceller . Mens enzymer er begrenset i sin bindingsaffinitet for deres underlag av nødvendigheten av å utføre deres reaksjon, har antistoffer ingen slike begrensninger. Et antistoffs bindingsaffinitet til målet er ekstraordinært høyt.
Mange ligandtransportproteiner binder bestemte små biomolekyler og transporterer dem til andre steder i kroppen til en flercellet organisme. Disse proteinene må ha en høy bindingsaffinitet når deres ligand er til stede i høye konsentrasjoner, men må også frigjøre liganden når den er til stede i lave konsentrasjoner i målvevet. Det kanoniske eksemplet på et ligandbindende protein er hemoglobin , som transporterer oksygen fra lungene til andre organer og vev i alle virveldyr og har nære homologer i hvert biologisk rike . Lektiner er sukkerbindende proteiner som er svært spesifikke for sukkerdelene deres. Lektiner spiller vanligvis en rolle i biologiske gjenkjennelsesfenomener som involverer celler og proteiner. Reseptorer og hormoner er høyspesifikke bindingsproteiner.
Transmembranproteiner kan også tjene som ligandtransportproteiner som endrer cellemembranens permeabilitet til små molekyler og ioner. Membranen alene har en hydrofob kjerne som polare eller ladede molekyler ikke kan diffundere gjennom . Membranproteiner inneholder interne kanaler som lar slike molekyler komme inn og ut av cellen. Mange ionekanalproteiner er spesialiserte for kun å velge et bestemt ion; for eksempel skiller kalium- og natriumkanaler ofte bare den ene av de to ionene.
Strukturelle proteiner
Strukturelle proteiner gir stivhet og stivhet til ellers flytende biologiske komponenter. De fleste strukturelle proteiner er fibrøse proteiner ; for eksempel er kollagen og elastin kritiske komponenter i bindevev slik som brusk , og keratin finnes i harde eller filamentøse strukturer som hår , negler , fjær , høve og noen dyreskall . Noen kuleproteiner kan også spille strukturelle funksjoner, for eksempel er actin og tubulin kuleformige og løselige som monomerer, men polymeriserer for å danne lange, stive fibre som utgjør cytoskjelettet , noe som gjør det mulig for cellen å opprettholde sin form og størrelse.
Andre proteiner som tjener strukturelle funksjoner er motoriske proteiner som myosin , kinesin og dynein , som er i stand til å generere mekaniske krefter. Disse proteinene er avgjørende for cellular motilitet av encellede organismer og sperm av mange flercellede organismer som reproduserer seksuelt . De genererer også kreftene som utøves av sammentrekning av muskler og spiller viktige roller i intracellulær transport.
Metoder for å studere
Aktiviteten og strukturen til proteiner kan undersøkes in vitro , in vivo og in silico . In vitro- studier av rensede proteiner i kontrollerte omgivelser er nyttige for å lære hvordan et protein utfører sin funksjon: for eksempel undersøkelser av enzymkinetikk den kjemiske mekanismen til et enzyms katalytiske aktivitet og dets relative affinitet for forskjellige mulige substratmolekyler. Derimot kan in vivo- eksperimenter gi informasjon om den fysiologiske rollen til et protein i sammenheng med en celle eller til og med en hel organisme . I silico- studier bruker beregningsmetoder for å studere proteiner.
Proteinrensing
For å utføre in vitro- analyse, må et protein renses bort fra andre cellulære komponenter. Denne prosessen begynner vanligvis med cellelysering , der en celles membran forstyrres og dens indre innhold frigjøres til en løsning kjent som et rått lysat . Den resulterende blanding kan renses ved bruk av ultrasentrifugering , som fraksjonerer de forskjellige cellulære komponenter til fraksjoner som inneholder oppløselige proteiner; membranlipider og proteiner; cellulære organeller og nukleinsyrer . Utfelling ved en metode som kalles salting kan konsentrere proteinene fra dette lysatet. Ulike typer kromatografi blir deretter brukt for å isolere proteinet eller proteiner av interesse basert på egenskaper som molekylvekt, nettoladning og bindingsaffinitet. Rengjøringsnivået kan overvåkes ved bruk av forskjellige typer gelelektroforese hvis det ønskede proteins molekylvekt og isoelektriske punkt er kjent, ved spektroskopi hvis proteinet har utmerkbare spektroskopiske trekk, eller ved enzymanalyser hvis proteinet har enzymatisk aktivitet. I tillegg kan proteiner isoleres i henhold til ladningen ved bruk av elektrofokusering .
For naturlige proteiner kan en serie rensetrinn være nødvendig for å oppnå protein som er tilstrekkelig rent for laboratoriebruk. For å forenkle denne prosessen brukes genteknologi ofte for å tilsette kjemiske funksjoner til proteiner som gjør dem lettere å rense uten å påvirke deres struktur eller aktivitet. Her er en "tag" bestående av en spesifikk aminosyresekvens, ofte en serie histidinrester (en " His-tag "), festet til en ende av proteinet. Som et resultat, når lysatet føres over en kromatografikolonne som inneholder nikkel , ligerer histidinrestene nikkelen og festes til kolonnen mens de ikke-merkede komponentene i lysatet passerer uhindret. Det er utviklet en rekke forskjellige tagger for å hjelpe forskere med å rense spesifikke proteiner fra komplekse blandinger.
Mobil lokalisering
Studien av proteiner in vivo er ofte opptatt av syntese og lokalisering av proteinet i cellen. Selv om mange intracellulære proteiner er syntetisert i cytoplasma og membranbundne eller utskilte proteiner i endoplasmatisk retikulum , er spesifikkene for hvordan proteiner er målrettet mot spesifikke organeller eller cellulære strukturer ofte uklare. En nyttig teknikk for å vurdere cellulær lokalisering bruker genteknologi for å uttrykke i en celle et fusjonsprotein eller kimær bestående av det naturlige proteinet av interesse knyttet til en " reporter " slik som grønt fluorescerende protein (GFP). Det smeltede proteinets plassering i cellen kan visualiseres rent og effektivt ved bruk av mikroskopi , som vist i figuren motsatt.
Andre metoder for å belyse den cellulære plasseringen av proteiner krever bruk av kjente avdelingsmarkører for regioner som ER, Golgi, lysosomer eller vakuoler, mitokondrier, kloroplaster, plasmamembran, etc. Med bruk av fluorescerende taggede versjoner av disse markørene eller av antistoffer mot kjente markører, blir det mye enklere å identifisere lokaliseringen av et protein av interesse. For eksempel vil indirekte immunofluorescens muliggjøre fluorescenskolokalisering og demonstrasjon av lokalisering. Fluorescerende fargestoffer brukes til å merke cellulære rom for et lignende formål.
Andre muligheter finnes også. For eksempel bruker immunhistokjemi vanligvis et antistoff mot ett eller flere proteiner av interesse som er konjugert til enzymer som gir enten luminescerende eller kromogene signaler som kan sammenlignes mellom prøver, noe som muliggjør lokaliseringsinformasjon. En annen anvendbar teknikk er kofraksjon i sukrose (eller annet materiale) gradienter ved bruk av isopycnic sentrifugering . Selv om denne teknikken ikke beviser kolokalisering av et rom med kjent tetthet og proteinet av interesse, øker det sannsynligheten, og er mer mottagelig for studier i stor skala.
Til slutt er gullstandardmetoden for cellulær lokalisering immunoelektronmikroskopi . Denne teknikken bruker også et antistoff mot proteinet av interesse, sammen med klassiske elektronmikroskopiteknikker. Prøven forberedes for normal elektronmikroskopisk undersøkelse og behandles deretter med et antistoff mot proteinet av interesse som er konjugert til et ekstremt elektro-tett materiale, vanligvis gull. Dette gir mulighet for lokalisering av både ultrastrukturelle detaljer så vel som proteinet av interesse.
Gjennom en annen genteknisk applikasjon kjent som stedsrettet mutagenese , kan forskere endre proteinsekvensen og derav dens struktur, cellulær lokalisering og mottakelighet for regulering. Denne teknikken tillater til og med inkorporering av unaturlige aminosyrer i proteiner ved bruk av modifiserte tRNA, og kan muliggjøre en rasjonell utforming av nye proteiner med nye egenskaper.
proteomikk
Det totale komplementet av proteiner som er til stede på en gang i en celle eller celletype er kjent som dets proteom , og studiet av slike storskala datasett definerer feltet for proteomikk , ved navn analogt med det relaterte feltet for genomikk . Viktige eksperimentelle teknikker innen proteomikk inkluderer 2D-elektroforese , som gjør det mulig å separere mange proteiner, massespektrometri , som muliggjør rask identifisering av proteiner og sekvensering av peptider (oftest etter fordøyelse i gelen ), proteinmikroarrayer , som tillater påvisning av de relative nivåene av de forskjellige proteinene som er til stede i en celle, og to-hybrid screening , som tillater systematisk utforskning av protein-protein-interaksjoner . Det totale komplementet av biologisk mulige slike interaksjoner er kjent som interaktomet . Et systematisk forsøk på å bestemme strukturene til proteiner som representerer enhver mulig fold, er kjent som strukturell genomikk .
bioinformatikk
Et stort utvalg av beregningsmetoder er utviklet for å analysere strukturen, funksjonen og utviklingen av proteiner.
Utviklingen av slike verktøy har vært drevet av den store mengden genomiske og proteomiske data som er tilgjengelige for en rekke organismer, inkludert det humane genomet . Det er rett og slett umulig å studere alle proteiner eksperimentelt, og derfor blir bare noen få utsatt for laboratorieeksperimenter mens beregningsverktøy brukes til å ekstrapolere til lignende proteiner. Slike homologe proteiner kan identifiseres effektivt i fjernt beslektede organismer ved sekvensjustering . Genom- og gensekvenser kan søkes av en rekke verktøy for visse egenskaper. Sekvensprofilverktøy kan finne restriksjonsenzymsteder , åpne leserammer i nukleotidsekvenser og forutsi sekundære strukturer . Filogenetiske trær kan konstrueres og evolusjonære hypoteser utvikles ved hjelp av spesiell programvare som ClustalW angående aner av organismer og genene de uttrykker. Feltet med bioinformatikk er nå uunnværlig for analyse av gener og proteiner.
Strukturbestemmelse
Å oppdage den tertiære strukturen til et protein, eller den kvartærstrukturen til kompleksene, kan gi viktige ledetråder om hvordan proteinet utfører sin funksjon og hvordan det kan påvirkes, det vil si i legemiddeldesign . Ettersom proteiner er for små til å bli sett under et lysmikroskop , må andre metoder anvendes for å bestemme strukturen. Vanlige eksperimentelle metoder inkluderer røntgenkrystallografi og NMR-spektroskopi , som begge kan produsere strukturell informasjon ved atomoppløsning . Imidlertid er NMR-eksperimenter i stand til å gi informasjon hvorfra en delmengde av avstander mellom par par kan estimeres, og de endelige mulige konformasjoner for et protein bestemmes ved å løse et avstandsgeometriproblem . Dual polarisasjonsinterferometri er en kvantitativ analytisk metode for å måle den totale proteinkonformasjon og konformasjonsendringer på grunn av interaksjoner eller annen stimulans. Sirkulær dikroisme er en annen laboratorieteknikk for å bestemme indre β-ark / a-helisk sammensetning av proteiner. Kryoelektronmikroskopi brukes til å produsere strukturell informasjon med lavere oppløsning om veldig store proteinkomplekser, inkludert sammensatte virus ; en variant kjent som elektronkrystallografi kan også produsere informasjon med høy oppløsning i noen tilfeller, spesielt for todimensjonale krystaller av membranproteiner. Løse strukturer blir vanligvis avsatt i Protein Data Bank (PDB), en fritt tilgjengelig ressurs hvorfra strukturelle data om tusenvis av proteiner kan fås i form av kartesiske koordinater for hvert atom i proteinet.
Mange flere gensekvenser er kjent enn proteinstrukturer. Videre er settet av løste strukturer partisk mot proteiner som lett kan underkastes betingelsene som kreves i røntgenkrystallografi , en av hovedstrukturbestemmelsesmetodene. Spesielt er kuleproteiner relativt enkle å krystallisere som forberedelse til røntgenkrystallografi. Membranproteiner og store proteinkomplekser er derimot vanskelig å krystallisere og er underrepresentert i PDB. Strukturelle genomiske initiativer har forsøkt å avhjelpe disse manglene ved systematisk å løse representative strukturer for store brettklasser. Prosedyremetoder for proteinstruktur forsøker å tilveiebringe et middel for å generere en sannsynlig struktur for proteiner hvis strukturer ikke er eksperimentelt bestemt.
Struktur prediksjon og simulering
Som komplement til feltet strukturell genomikk, utvikler proteinstruktur prediksjon effektive matematiske modeller av proteiner for beregningsmessig å forutsi molekylformasjoner i teorien, i stedet for å oppdage strukturer med laboratorieobservasjon. Den mest vellykkede typen strukturforutsigelse, kjent som homologimodellering , er avhengig av eksistensen av en "mal" -struktur med sekvenslikhet til proteinet som modelleres; strukturell genomikk har som mål å gi tilstrekkelig representasjon i løste strukturer for å modellere de fleste av de som gjenstår. Selv om det å produsere nøyaktige modeller forblir en utfordring når bare fjernt beslektede malstrukturer er tilgjengelige, har det blitt antydet at sekvensjustering er flaskehalsen i denne prosessen, da ganske nøyaktige modeller kan produseres hvis en "perfekt" sekvensjustering er kjent. Mange struktureringspredikasjonsmetoder har tjent til å informere det nye feltet innen proteinteknikk , der nye proteinfoldinger allerede er designet. Et mer komplekst beregningsproblem er prediksjonen av intermolekylære interaksjoner, for eksempel i molekylær dokking og protein-protein interaksjon prediksjon .
Matematiske modeller for å simulere dynamiske prosesser for proteinfolding og binding involverer molekylær mekanikk , spesielt molekylær dynamikk . Monte Carlo- teknikker letter beregningene som utnytter fremskritt i parallell og distribuert databehandling (for eksempel Folding @ home- prosjektet som utfører molekylær modellering på GPU-er ). I silikosimuleringer oppdaget folding av små α-spiralformede proteindomener som skurphovedstykket og HIV- tilbehørsproteinet. Hybride metoder som kombinerer standard molekylær dynamikk med kvantemekanisk matematikk utforsket de elektroniske tilstandene til rhodopsins .
Proteinforstyrrelse og unstruktur prediksjon
Mange proteiner (i Eucaryota ~ 33%) inneholder store ustrukturerte, men biologisk funksjonelle segmenter og kan klassifiseres som egensikre forstyrrede proteiner . Å forutsi og analysere proteinlidelse er derfor en viktig del av proteinstruktureringen.
Ernæring
De fleste mikroorganismer og planter kan biosyntetisere alle 20 vanlige aminosyrer , mens dyr (inkludert mennesker) må skaffe noen av aminosyrene fra dietten . Aminosyrene som en organisme ikke selv kan syntetisere omtales som essensielle aminosyrer . Sentrale enzymer som syntetiserer visse aminosyrer er ikke til stede i dyr - for eksempel aspartokinase , som katalyserer det første trinnet i syntesen av lysin , metionin og treonin fra aspartat . Hvis aminosyrer er til stede i miljøet, kan mikroorganismer spare energi ved å ta opp aminosyrene fra omgivelsene og nedregulere deres biosyntetiske veier.
Hos dyr oppnås aminosyrer gjennom inntak av matvarer som inneholder protein. Innlagte proteiner blir deretter brutt ned til aminosyrer gjennom fordøyelse , som typisk innebærer denaturering av proteinet gjennom eksponering for syre og hydrolyse av enzymer kalt proteaser . Noen inntatte aminosyrer brukes til proteinbiosyntese, mens andre blir omdannet til glukose gjennom glukoneogenese , eller matet inn i sitronsyresyklusen . Denne bruken av protein som drivstoff er spesielt viktig under sultingsforhold , da det gjør at kroppens egne proteiner kan brukes til å støtte liv, spesielt de som finnes i muskler .
Hos dyr som hunder og katter opprettholder protein helsen og kvaliteten på huden ved å fremme hårsekkvekst og keratinisering, og dermed redusere sannsynligheten for hudproblemer som produserer malodurer. Proteiner av dårlig kvalitet har også en rolle når det gjelder helse i mage-tarmkanalen, og øker potensialet for flatulens og luktholdige forbindelser hos hunder, fordi når proteiner når tykktarmen i ufordøyd tilstand, blir de gjæret og produserer hydrogensulfidgass, indol og skatol. Hunder og katter fordøyer dyre proteiner bedre enn de fra planter, men produkter av lav kvalitet av animalsk opprinnelse blir dårlig fordøyd, inkludert hud, fjær og bindevev.
Se også
referanser
lærebøker
Eksterne linker
Databaser og prosjekter
- NCBI Entrez Protein database
- NCBI Protein Structure database
- Human Protein Reference Database
- Human Proteinpedia
- Folding @ Home (Stanford University)
- Proteindatabank i Europa (se også PDBeQuips , korte artikler og veiledninger om interessante PDB-strukturer)
- Research Collaboratory for Structureural Bioinformatics (se også Månedens molekyl , med korte rapporter om utvalgte proteiner fra PDB)
- Proteopedia - Life in 3D : roterbar, zoombar 3D-modell med wiki-merknader for alle kjente proteinmolekylære strukturer.
- UniProt den universelle proteinressursen
Veiledninger og pedagogiske nettsteder
- "En introduksjon til proteiner" fra HOPES (Huntingtons Disease Outreach Project for Education at Stanford)
- Proteiner: Biogenese to Degradation - Det virtuelle biblioteket for biokjemi og cellebiologi
- Protein på britannica.com