Protein -Protein

Reprezentace 3D struktury proteinového myoglobinu ukazující tyrkysové a-helixy . Tento protein byl první, jehož struktura byla vyřešena rentgenovou krystalografií . Směrem k pravému středu mezi závity je protetická skupina nazývaná hemová skupina (zobrazená šedě) s navázanou molekulou kyslíku (červená).

Proteiny jsou velké biomolekuly a makromolekuly , které obsahují jeden nebo více dlouhých řetězců aminokyselinových zbytků . Proteiny vykonávají v organismech širokou škálu funkcí, včetně katalýzy metabolických reakcí , replikace DNA , reakce na podněty , poskytování struktury buňkám a organismům a transportu molekul z jednoho místa na druhé. Proteiny se od sebe liší především svou sekvencí aminokyselin, která je dána nukleotidovou sekvencí jejich genů a která obvykle vede kskládání proteinu do specifické 3D struktury , která určuje jeho aktivitu.

Lineární řetězec aminokyselinových zbytků se nazývá polypeptid . Protein obsahuje alespoň jeden dlouhý polypeptid. Krátké polypeptidy obsahující méně než 20–30 zbytků jsou zřídka považovány za proteiny a běžně se nazývají peptidy nebo někdy oligopeptidy . Jednotlivé aminokyselinové zbytky jsou spolu spojeny peptidovými vazbami a sousedními aminokyselinovými zbytky. Sekvence aminokyselinových zbytků v proteinu je definována sekvencí genu, který je zakódován v genetickém kódu . Obecně genetický kód specifikuje 20 standardních aminokyselin; ale u určitých organismů může genetický kód zahrnovat selenocystein a – u některých archaeapyrrolysin . Krátce po syntéze nebo dokonce během syntézy jsou zbytky v proteinu často chemicky modifikovány posttranslační modifikací , která mění fyzikální a chemické vlastnosti, skládání, stabilitu, aktivitu a nakonec i funkci proteinů. Některé proteiny mají připojené nepeptidové skupiny, které lze nazvat protetické skupiny nebo kofaktory . Proteiny mohou také spolupracovat, aby dosáhly určité funkce, a často se spojují a vytvářejí stabilní proteinové komplexy .

Jakmile se proteiny vytvoří, existují pouze po určitou dobu a poté jsou degradovány a recyklovány buněčným aparátem prostřednictvím procesu přeměny proteinů . Životnost proteinu se měří podle jeho poločasu rozpadu a pokrývá široký rozsah. Mohou existovat minuty nebo roky s průměrnou délkou života 1–2 dny v savčích buňkách. Abnormální nebo špatně poskládané proteiny jsou degradovány rychleji buď kvůli tomu, že jsou cíleny pro destrukci, nebo kvůli tomu, že jsou nestabilní.

Stejně jako jiné biologické makromolekuly, jako jsou polysacharidy a nukleové kyseliny , jsou proteiny základní součástí organismů a účastní se prakticky všech procesů v buňkách . Mnoho proteinů jsou enzymy , které katalyzují biochemické reakce a jsou životně důležité pro metabolismus . Proteiny mají také strukturální nebo mechanické funkce, jako je aktin a myosin ve svalu a proteiny v cytoskeletu , které tvoří systém lešení , který udržuje tvar buňky. Jiné proteiny jsou důležité v buněčné signalizaci, imunitních reakcích , buněčné adhezi a buněčném cyklu . U zvířat jsou bílkoviny potřebné ve stravě , aby poskytly esenciální aminokyseliny, které nemohou být syntetizovány . Trávení rozkládá proteiny pro metabolické využití.

Proteiny mohou být purifikovány z jiných buněčných složek pomocí různých technik, jako je ultracentrifugace , precipitace , elektroforéza a chromatografie ; příchod genetického inženýrství umožnil řadu metod usnadňujících čištění. Metody běžně používané ke studiu struktury a funkce proteinu zahrnují imunohistochemii , místně řízenou mutagenezi , rentgenovou krystalografii , nukleární magnetickou rezonanci a hmotnostní spektrometrii .

Historie a etymologie

Proteiny byly uznány jako odlišná třída biologických molekul v 18. století Antoinem Fourcroyem a dalšími, kteří se vyznačovali schopností molekul koagulovat nebo flokulovat při ošetření teplem nebo kyselinou. Mezi známé příklady v té době patřil albumin z vaječných bílků , albumin krevního séra , fibrin a pšeničný lepek .

Proteiny poprvé popsal holandský chemik Gerardus Johannes Mulder a pojmenoval je švédský chemik Jöns Jacob Berzelius v roce 1838. Mulder provedl elementární analýzu běžných proteinů a zjistil, že téměř všechny proteiny mají stejný empirický vzorec , C 400 H 620 N 100 O 120 P 1 S 1 . Došel k mylnému závěru, že mohou být složeny z jediného typu (velmi velké) molekuly. Termín "protein" pro popis těchto molekul navrhl Mulderův spolupracovník Berzelius; protein je odvozen z řeckého slova πρώτειος ( proteios ), což znamená „primární“, „v čele“ nebo „stát vpředu“, + -in . Mulder pokračoval v identifikaci produktů degradace proteinů, jako je aminokyselina leucin , pro kterou našel (téměř správnou) molekulovou hmotnost 131 Da . Před „proteinem“ se používaly jiné názvy, jako „albuminy“ nebo „albuminové materiály“ ( Eiweisskörper , německy).

Raní nutriční vědci jako Němec Carl von Voit věřili, že bílkoviny jsou nejdůležitější živinou pro udržení struktury těla, protože se obecně věřilo, že „maso dělá maso“. Karl Heinrich Ritthausen rozšířil známé proteinové formy o identifikaci kyseliny glutamové . Na zemědělské experimentální stanici Connecticut sestavil podrobný přehled rostlinných proteinů Thomas Burr Osborne . Ve spolupráci s Lafayette Mendel a aplikací Liebigova zákona minima při krmení laboratorních potkanů ​​byly stanoveny nutričně esenciální aminokyseliny . V práci pokračoval a sdělil ji William Cumming Rose . Pochopení proteinů jako polypeptidů přišlo díky práci Franze Hofmeistera a Hermanna Emila Fischera v roce 1902. Ústřední role proteinů jako enzymů v živých organismech byla plně doceněna až v roce 1926, kdy James B. Sumner ukázal, že enzym ureáza byl ve skutečnosti protein.

Obtížnost čištění proteinů ve velkých množstvích ztěžovala jejich studium raným biochemikům proteinů. První studie se proto zaměřily na proteiny, které by mohly být purifikovány ve velkém množství, např. ty z krve, vaječného bílku, různých toxinů a trávicích/metabolických enzymů získaných z jatek. V 50. letech 20. století společnost Armor Hot Dog Co. vyčistila 1 kg čisté hovězí pankreatické ribonukleázy A a dala ji volně k dispozici vědcům; toto gesto pomohlo ribonukleáze A stát se hlavním cílem biochemických studií v následujících desetiletích.

Linus Pauling je připočítán s úspěšnou predikcí pravidelných proteinových sekundárních struktur založených na vodíkových můstcích , což byla myšlenka, kterou poprvé předložil William Astbury v roce 1933. Pozdější práce Waltera Kauzmanna o denaturaci , založená částečně na předchozích studiích Kaj Linderstrøm-Lang , přispěla k pochopení skládání a struktury proteinů zprostředkovaných hydrofobními interakcemi .

První protein, který byl sekvenován , byl inzulín Fredericka Sangera v roce 1949. Sanger správně určil aminokyselinovou sekvenci inzulínu, čímž přesvědčivě demonstroval, že proteiny sestávaly z lineárních polymerů aminokyselin spíše než z rozvětvených řetězců, koloidů nebo cyklů . Za tento úspěch získal v roce 1958 Nobelovu cenu.

John Kendrew s modelem myoglobinu v procesu

S rozvojem rentgenové krystalografie bylo možné sekvenovat proteinové struktury. První proteinové struktury , které byly vyřešeny, byly hemoglobin od Maxe Perutze a myoglobin od sira Johna Cowderyho Kendrewa v roce 1958. Použití počítačů a zvyšující se výpočetní výkon také podpořilo sekvenování komplexních proteinů. V roce 1999 se Rogeru Kornbergovi podařilo sekvenovat vysoce komplexní strukturu RNA polymerázy pomocí vysoce intenzivního rentgenového záření ze synchrotronů .

Od té doby byla vyvinuta kryo-elektronová mikroskopie velkých makromolekulárních celků . Cryo-EM používá vzorky proteinů, které jsou zmrazené spíše než krystaly, a paprsky elektronů spíše než rentgenové záření. Způsobuje menší poškození vzorku, což umožňuje vědcům získat více informací a analyzovat větší struktury. Výpočetní predikce proteinové struktury malých proteinových domén také pomohla výzkumníkům přiblížit se rozlišení proteinových struktur na atomární úrovni. Od roku 2017 má Proteinová databanka více než 126 060 struktur proteinů s atomárním rozlišením.

Počet proteinů kódovaných v genomech

Počet proteinů kódovaných v genomu zhruba odpovídá počtu genů (ačkoli může existovat významný počet genů, které kódují RNA proteinu, např . ribozomální RNA ). Viry typicky kódují několik až několik set proteinů, archaea a bakterie několik set až několik tisíc, zatímco eukaryota obvykle kódují několik tisíc až desítky tisíc proteinů ( seznam příkladů viz velikost genomu ).

Biochemie

Chemická struktura peptidové vazby (dole) a trojrozměrná struktura peptidové vazby mezi alaninem a sousední aminokyselinou (nahoře/vložka). Vlastní vazba je tvořena prvky CHON .
Rezonanční struktury peptidové vazby , která spojuje jednotlivé aminokyseliny za vzniku proteinového polymeru

Většina proteinů se skládá z lineárních polymerů sestavených ze sérií až 20 různých L -α- aminokyselin. Všechny proteinogenní aminokyseliny mají společné strukturní rysy, včetně a-uhlíku , na který je navázána aminoskupina , karboxylová skupina a variabilní postranní řetězec . Od této základní struktury se liší pouze prolin , protože obsahuje neobvyklý kruh na N-koncové aminové skupině, který nutí CO–NH amidovou skupinu do pevné konformace. Postranní řetězce standardních aminokyselin, podrobně popsané v seznamu standardních aminokyselin , mají velké množství chemických struktur a vlastností; je to kombinovaný účinek všech postranních řetězců aminokyselin v proteinu, který nakonec určuje jeho trojrozměrnou strukturu a jeho chemickou reaktivitu. Aminokyseliny v polypeptidovém řetězci jsou spojeny peptidovými vazbami . Po spojení v proteinovém řetězci se jednotlivá aminokyselina nazývá zbytek a spojené řady atomů uhlíku, dusíku a kyslíku jsou známé jako hlavní řetězec nebo proteinová páteř.

Peptidová vazba má dvě rezonanční formy, které přispívají k charakteru dvojné vazby a inhibují rotaci kolem své osy, takže alfa uhlíky jsou zhruba koplanární . Další dva dihedrální úhly v peptidové vazbě určují místní tvar zaujatý proteinovou páteří. Konec s volnou aminoskupinou je znám jako N-konec nebo amino konec, zatímco konec proteinu s volnou karboxylovou skupinou je znám jako C-konec nebo karboxy konec (sekvence proteinu je zapsána od N- z konce na C-konec, zleva doprava).

Slova protein , polypeptid a peptid jsou trochu nejednoznačná a mohou se významově překrývat. Protein se obecně používá k označení kompletní biologické molekuly ve stabilní konformaci , zatímco peptid je obecně vyhrazen pro krátké aminokyselinové oligomery, kterým často chybí stabilní 3D struktura. Hranice mezi nimi však není dobře definována a obvykle leží v blízkosti 20–30 zbytků. Polypeptid může odkazovat na jakýkoli jednoduchý lineární řetězec aminokyselin, obvykle bez ohledu na délku, ale často implikuje nepřítomnost definované konformace .

Interakce

Proteiny mohou interagovat s mnoha typy molekul, včetně jiných proteinů , s lipidy , sacharidy a DNA .

Hojnost v buňkách

Odhaduje se, že průměrně velké bakterie obsahují asi 2 miliony proteinů na buňku (např . E. coli a Staphylococcus aureus ). Menší bakterie, jako jsou Mycoplasma nebo spirochety , obsahují méně molekul, řádově 50 000 až 1 milion. Naproti tomu eukaryotické buňky jsou větší a obsahují tedy mnohem více bílkovin. Například se odhaduje, že kvasinkové buňky obsahují asi 50 milionů proteinů a lidské buňky řádově 1 až 3 miliardy. Koncentrace jednotlivých kopií proteinu se pohybuje od několika molekul na buňku až po 20 milionů. Ne všechny geny kódující proteiny jsou exprimovány ve většině buněk a jejich počet závisí například na typu buňky a vnějších podnětech. Například z přibližně 20 000 proteinů kódovaných lidským genomem je pouze 6 000 detekováno v lymfoblastoidních buňkách.

Syntéza

Biosyntéza

Ribozom produkuje protein pomocí mRNA jako templátu
DNA sekvence genu kóduje aminokyselinovou sekvenci proteinu

Proteiny se skládají z aminokyselin pomocí informace zakódované v genech. Každý protein má svou vlastní unikátní aminokyselinovou sekvenci, která je specifikována nukleotidovou sekvencí genu kódujícího tento protein. Genetický kód je soubor třínukleotidových sad zvaných kodony a každá třínukleotidová kombinace označuje aminokyselinu, např. AUG ( adeninuracilguanin ) je kód pro methionin . Protože DNA obsahuje čtyři nukleotidy, celkový počet možných kodonů je 64; proto existuje určitá redundance v genetickém kódu, přičemž některé aminokyseliny jsou specifikovány více než jedním kodonem. Geny kódované v DNA jsou nejprve transkribovány do pre- messenger RNA (mRNA) pomocí proteinů, jako je RNA polymeráza . Většina organismů poté zpracuje pre-mRNA (také známou jako primární transkript ) pomocí různých forem Post-transkripční modifikace za vzniku zralé mRNA, která se pak používá jako šablona pro syntézu proteinů ribozomem . U prokaryot může být mRNA buď použita, jakmile je produkována, nebo může být vázána ribozomem poté, co se vzdálila od nukleoidu . Naproti tomu eukaryota tvoří mRNA v buněčném jádře a poté ji přemístí přes jadernou membránu do cytoplazmy , kde pak probíhá syntéza proteinů . Rychlost syntézy bílkovin je u prokaryot vyšší než u eukaryot a může dosáhnout až 20 aminokyselin za sekundu.

Proces syntézy proteinu z templátu mRNA je známý jako translace . mRNA je načtena na ribozom a je čtena po třech nukleotidech přirovnáváním každého kodonu k jeho antikodonu pro párování bází umístěnému na molekule transferové RNA , která nese aminokyselinu odpovídající kodonu, který rozpoznává. Enzym aminoacyl tRNA syntetáza „nabíjí“ molekuly tRNA správnými aminokyselinami. Rostoucí polypeptid se často nazývá vznikající řetězec . Proteiny jsou vždy biosyntetizovány od N-konce k C-konci .

Velikost syntetizovaného proteinu může být měřena počtem aminokyselin, které obsahuje, a jeho celkovou molekulovou hmotností , která se normálně uvádí v jednotkách daltonů (synonymum s atomovými hmotnostními jednotkami ), nebo v odvozené jednotce kilodalton (kDa). Průměrná velikost proteinu se zvyšuje od Archaea přes Bakterie po Eukaryoty (283, 311, 438 zbytků a 31, 34, 49 kDa v daném pořadí) díky většímu počtu proteinových domén tvořících proteiny ve vyšších organismech. Například kvasinkové proteiny jsou v průměru dlouhé 466 aminokyselin a mají hmotnost 53 kDa. Největšími známými proteiny jsou titiny , součást svalové sarkomery , s molekulovou hmotností téměř 3 000 kDa a celkovou délkou téměř 27 000 aminokyselin.

Chemická syntéza

Krátké proteiny lze také syntetizovat chemicky řadou metod známých jako syntéza peptidů , které se spoléhají na techniky organické syntézy , jako je chemická ligace , aby produkovaly peptidy s vysokým výtěžkem. Chemická syntéza umožňuje zavedení přirozeně se nevyskytujících aminokyselin do polypeptidových řetězců, jako je připojení fluorescenčních sond k postranním řetězcům aminokyselin. Tyto metody jsou užitečné v laboratorní biochemii a buněčné biologii , i když obecně ne pro komerční aplikace. Chemická syntéza je neefektivní pro polypeptidy delší než přibližně 300 aminokyselin a syntetizované proteiny nemusí snadno převzít svou nativní terciární strukturu . Většina metod chemické syntézy postupuje od C-konce k N-konci, naproti biologické reakci.

Struktura

Krystalová struktura chaperoninu , obrovského proteinového komplexu. Je zvýrazněna jedna proteinová podjednotka. Chaperoniny napomáhají skládání bílkovin.
Tři možné reprezentace trojrozměrné struktury protein triosa fosfát izomerázy . Vlevo : Reprezentace celého atomu obarvená podle typu atomu. Střední: Zjednodušené znázornění znázorňující konformaci páteře, obarvené sekundární strukturou. Vpravo : Znázornění povrchu dostupného rozpouštědlu obarvené podle typu rezidua (kyselé zbytky červeně, bazické zbytky modře, polární zbytky zeleně, nepolární zbytky bíle).

Většina proteinů se skládá do jedinečných 3D struktur. Tvar, do kterého se protein přirozeně skládá, je známý jako jeho nativní konformace . Ačkoli se mnoho proteinů může skládat bez pomoci, jednoduše díky chemickým vlastnostem jejich aminokyselin, jiné vyžadují pomoc molekulárních chaperonů , aby se sbalily do svých nativních stavů. Biochemici často odkazují na čtyři různé aspekty struktury proteinu:

Proteiny nejsou zcela tuhé molekuly. Kromě těchto úrovní struktury se proteiny mohou posouvat mezi několika souvisejícími strukturami, zatímco plní své funkce. V kontextu těchto funkčních přestaveb se tyto terciární nebo kvartérní struktury obvykle označují jako " konformace " a přechody mezi nimi se nazývají konformační změny. Takové změny jsou často vyvolány vazbou molekuly substrátu na aktivní místo enzymu nebo fyzikální oblast proteinu, která se účastní chemické katalýzy. V roztoku proteiny také podléhají změnám ve struktuře prostřednictvím tepelné vibrace a srážky s jinými molekulami.

Molekulární povrch několika proteinů ukazující jejich srovnatelné velikosti. Zleva doprava jsou: imunoglobulin G (IgG, protilátka ), hemoglobin , inzulín (hormon), adenylátkináza (enzym) a glutaminsyntetáza (enzym).

Proteiny lze neformálně rozdělit do tří hlavních tříd, které korelují s typickými terciárními strukturami: globulární proteiny , vláknité proteiny a membránové proteiny . Téměř všechny globulární proteiny jsou rozpustné a mnohé z nich jsou enzymy. Vláknité proteiny jsou často strukturální, jako je kolagen , hlavní složka pojivové tkáně, nebo keratin , proteinová složka vlasů a nehtů. Membránové proteiny často slouží jako receptory nebo poskytují kanály pro průchod polárních nebo nabitých molekul buněčnou membránou .

Zvláštní případ intramolekulárních vodíkových vazeb v proteinech, které jsou špatně chráněny před útokem vody, a proto podporují jejich vlastní dehydrataci , se nazývají dehydrony .

Proteinové domény

Mnoho proteinů se skládá z několika proteinových domén , tj. segmentů proteinu, které se skládají do odlišných strukturních jednotek. Domény mají obvykle také specifické funkce, jako jsou enzymatické aktivity (např . kináza ) nebo slouží jako vazebné moduly (např. doména SH3 se váže na sekvence bohaté na prolin v jiných proteinech).

Sekvenční motiv

Krátké aminokyselinové sekvence v proteinech často fungují jako rozpoznávací místa pro jiné proteiny. Například domény SH3 se typicky vážou na krátké motivy PxxP (tj. 2 proliny [ P], oddělené dvěma nespecifikovanými aminokyselinami [x], ačkoliv okolní aminokyseliny mohou určit přesnou vazebnou specificitu). Mnoho takových motivů bylo shromážděno v databázi Eukaryotic Linear Motif (ELM).

Buněčné funkce

Proteiny jsou hlavními aktéry v buňce, o nichž se říká, že plní povinnosti specifikované informacemi zakódovanými v genech. S výjimkou určitých typů RNA je většina ostatních biologických molekul relativně inertními prvky, na které působí proteiny. Proteiny tvoří polovinu suché hmotnosti buňky Escherichia coli , zatímco jiné makromolekuly jako DNA a RNA tvoří pouze 3 % a 20 %. Sada proteinů exprimovaných v konkrétní buňce nebo typu buňky je známá jako její proteom .

Enzym hexokináza je ukázán jako konvenční molekulární model s kuličkou a hůlkou. Na stupnici v pravém horním rohu jsou dva jeho substráty, ATP a glukóza .

Hlavní charakteristikou proteinů, která také umožňuje jejich různorodou sadu funkcí, je jejich schopnost specificky a pevně vázat jiné molekuly. Oblast proteinu zodpovědná za vazbu jiné molekuly je známá jako vazebné místo a je často prohlubní nebo "kapsou" na povrchu molekuly. Tato vazebná schopnost je zprostředkována terciární strukturou proteinu, která definuje kapsu vazebného místa, a chemickými vlastnostmi postranních řetězců okolních aminokyselin. Vazba na protein může být mimořádně těsná a specifická; například protein inhibitoru ribonukleázy se váže na lidský angiogenin se subfemtomolární disociační konstantou (<10 -15 M), ale vůbec se neváže na svou homologní onkonázu obojživelníků (>1 M). Extrémně malé chemické změny, jako je přidání jedné methylové skupiny k vazebnému partnerovi, mohou někdy stačit k téměř eliminaci vazby; například aminoacyl tRNA syntetáza specifická pro aminokyselinu valin diskriminuje velmi podobný postranní řetězec aminokyseliny isoleucin .

Proteiny se mohou vázat na jiné proteiny i na substráty s malými molekulami . Když se proteiny specificky vážou na jiné kopie stejné molekuly, mohou oligomerizovat za vzniku fibril; tento proces se často vyskytuje ve strukturálních proteinech, které se skládají z globulárních monomerů, které se samy spojují za vzniku tuhých vláken. Interakce protein-protein také regulují enzymatickou aktivitu, řídí progresi buněčným cyklem a umožňují sestavení velkých proteinových komplexů , které provádějí mnoho úzce souvisejících reakcí se společnou biologickou funkcí. Proteiny se také mohou vázat na buněčné membrány nebo se do nich dokonce integrovat. Schopnost vazebných partnerů vyvolat konformační změny v proteinech umožňuje konstrukci enormně složitých signálních sítí. Vzhledem k tomu, že interakce mezi proteiny jsou reverzibilní a silně závisí na dostupnosti různých skupin partnerských proteinů za účelem vytvoření agregátů, které jsou schopny vykonávat jednotlivé sady funkcí, studium interakcí mezi specifickými proteiny je klíčem k pochopení důležitých aspektů buněčné funkce. a nakonec vlastnosti, které odlišují konkrétní typy buněk.

Enzymy

Nejznámější role proteinů v buňce je jako enzymy , které katalyzují chemické reakce. Enzymy jsou obvykle vysoce specifické a urychlují pouze jednu nebo několik chemických reakcí. Enzymy provádějí většinu reakcí zapojených do metabolismu a také manipulují s DNA v procesech, jako je replikace DNA , oprava DNA a transkripce . Některé enzymy působí na jiné proteiny a přidávají nebo odstraňují chemické skupiny v procesu známém jako posttranslační modifikace. Je známo asi 4 000 reakcí, které jsou katalyzovány enzymy. Zrychlení rychlosti způsobené enzymatickou katalýzou je často enormní – až 10 17násobné zvýšení rychlosti oproti nekatalyzované reakci v případě orotát dekarboxylázy (78 milionů let bez enzymu, 18 milisekund s enzymem).

Molekuly vázané a působící na enzymy se nazývají substráty . Ačkoli se enzymy mohou skládat ze stovek aminokyselin, je to obvykle jen malá část zbytků, které přicházejí do kontaktu se substrátem, a ještě menší část – v průměru tři až čtyři zbytky – které se přímo účastní katalýzy. Oblast enzymu, která váže substrát a obsahuje katalytické zbytky, je známá jako aktivní místo .

Dirigentní proteiny jsou členy třídy proteinů, které určují stereochemii sloučeniny syntetizované jinými enzymy.

Buněčná signalizace a vazba ligandu

Pásový diagram myší protilátky proti choleře , která váže sacharidový antigen

Mnoho proteinů se účastní procesu buněčné signalizace a přenosu signálu . Některé proteiny, jako je inzulín , jsou extracelulární proteiny, které přenášejí signál z buňky, ve které byly syntetizovány, do jiných buněk ve vzdálených tkáních . Jiné jsou membránové proteiny , které fungují jako receptory, jejichž hlavní funkcí je vázat signální molekulu a vyvolat v buňce biochemickou odpověď. Mnoho receptorů má vazebné místo exponované na buněčném povrchu a efektorovou doménu v buňce, která může mít enzymatickou aktivitu nebo může podléhat konformační změně detekované jinými proteiny v buňce.

Protilátky jsou proteinové složky adaptivního imunitního systému, jehož hlavní funkcí je vázat antigeny nebo cizorodé látky v těle a zaměřovat je na zničení. Protilátky mohou být vylučovány do extracelulárního prostředí nebo ukotveny v membránách specializovaných B buněk známých jako plazmatické buňky . Zatímco enzymy jsou omezeny ve své vazebné afinitě ke svým substrátům nutností provést svou reakci, protilátky nemají žádná taková omezení. Vazebná afinita protilátky k jejímu cíli je mimořádně vysoká.

Mnoho proteinů transportujících ligandy váže konkrétní malé biomolekuly a transportuje je na jiná místa v těle mnohobuněčného organismu. Tyto proteiny musí mít vysokou vazebnou afinitu, když je jejich ligand přítomen ve vysokých koncentracích, ale musí také uvolňovat ligand, když je přítomen v cílových tkáních v nízkých koncentracích. Kanonickým příkladem proteinu vázajícího ligand je hemoglobin , který přenáší kyslík z plic do jiných orgánů a tkání u všech obratlovců a má blízké homology v každé biologické říši . Lektiny jsou proteiny vázající cukr, které jsou vysoce specifické pro své cukerné části. Lektiny typicky hrají roli v jevech biologického rozpoznávání zahrnujících buňky a proteiny. Receptory a hormony jsou vysoce specifické vazebné proteiny.

Transmembránové proteiny mohou také sloužit jako proteiny transportující ligandy, které mění permeabilitu buněčné membrány pro malé molekuly a ionty. Samotná membrána má hydrofobní jádro, přes které polární nebo nabité molekuly nemohou difundovat . Membránové proteiny obsahují vnitřní kanály, které takovým molekulám umožňují vstup a výstup z buňky. Mnoho proteinů iontových kanálů je specializovaných na výběr pouze pro určitý iont; například draslíkové a sodíkové kanály často rozlišují pouze jeden ze dvou iontů.

Strukturní proteiny

Strukturní proteiny propůjčují jinak tekutým biologickým komponentům tuhost a tuhost. Většina strukturálních proteinů jsou vláknité proteiny ; například kolagen a elastin jsou kritickými složkami pojivové tkáně , jako je chrupavka , a keratin se nachází v tvrdých nebo vláknitých strukturách, jako jsou vlasy , nehty , peří , kopyta a některé skořápky zvířat . Některé globulární proteiny mohou také hrát strukturální funkce, například aktin a tubulin jsou globulární a rozpustné jako monomery, ale polymerizují za vzniku dlouhých tuhých vláken, která tvoří cytoskelet , což buňce umožňuje zachovat si svůj tvar a velikost.

Další proteiny, které slouží strukturálním funkcím, jsou motorické proteiny , jako je myosin , kinesin a dynein , které jsou schopné generovat mechanické síly. Tyto proteiny jsou klíčové pro buněčnou motilitu jednobuněčných organismů a spermií mnoha mnohobuněčných organismů, které se pohlavně rozmnožují . Také generují síly vyvíjené kontrakcí svalů a hrají zásadní roli v intracelulárním transportu.

Evoluce bílkovin

Klíčovou otázkou v molekulární biologii je, jak se proteiny vyvíjejí, tj. jak mohou mutace (nebo spíše změny v sekvenci aminokyselin ) vést k novým strukturám a funkcím? Většina aminokyselin v proteinu může být změněna bez narušení aktivity nebo funkce, jak lze vidět z mnoha homologních proteinů napříč druhy (jak je shromážděno ve specializovaných databázích pro rodiny proteinů , např . PFAM ). Aby se předešlo dramatickým následkům mutací, může být gen zdvojen , než bude moci volně mutovat. To však také může vést k úplné ztrátě funkce genu a tím i pseudogenů . Častěji mají změny jedné aminokyseliny omezené důsledky, ačkoli některé mohou podstatně změnit funkci proteinu, zejména v enzymech . Například mnoho enzymů může změnit svou substrátovou specifitu jednou nebo několika mutacemi. Změny substrátové specifity jsou usnadněny substrátovou promiskuitou , tj. schopností mnoha enzymů vázat a zpracovávat více substrátů . Při výskytu mutací se může zvýšit (nebo snížit) specifičnost enzymu a tím i jeho enzymatická aktivita. Bakterie (nebo jiné organismy) se tak mohou přizpůsobit různým zdrojům potravy, včetně nepřirozených substrátů, jako je plast.

Metody studia

Aktivity a struktury proteinů lze zkoumat in vitro , in vivo a in silico . In vitro studie purifikovaných proteinů v kontrolovaných prostředích jsou užitečné pro učení, jak protein plní svou funkci: například studie kinetiky enzymů zkoumají chemický mechanismus katalytické aktivity enzymu a jeho relativní afinitu k různým možným molekulám substrátu. Naproti tomu experimenty in vivo mohou poskytnout informace o fyziologické úloze proteinu v kontextu buňky nebo dokonce celého organismu . Studie in silico využívají ke studiu proteinů výpočetní metody.

Čištění bílkovin

Pro provedení in vitro analýzy musí být protein purifikován od ostatních buněčných složek. Tento proces obvykle začíná lýzou buňky , při které je buněčná membrána narušena a její vnitřní obsah se uvolňuje do roztoku známého jako surový lyzát . Výsledná směs může být purifikována pomocí ultracentrifugace , která frakcionuje různé buněčné složky do frakcí obsahujících rozpustné proteiny; membránové lipidy a proteiny; buněčné organely a nukleové kyseliny . Srážení metodou známou jako vysolování může koncentrovat proteiny z tohoto lyzátu. Různé typy chromatografie se pak používají k izolaci požadovaného proteinu nebo proteinů na základě vlastností, jako je molekulová hmotnost, čistý náboj a vazebná afinita. Úroveň purifikace lze monitorovat pomocí různých typů gelové elektroforézy , pokud je známa molekulová hmotnost a izoelektrický bod požadovaného proteinu , spektroskopií , pokud má protein rozlišitelné spektroskopické vlastnosti, nebo enzymovými testy , pokud má protein enzymatickou aktivitu. Kromě toho mohou být proteiny izolovány podle jejich náboje pomocí elektrofokusace .

U přírodních proteinů může být nezbytná řada purifikačních kroků k získání proteinu dostatečně čistého pro laboratorní aplikace. Pro zjednodušení tohoto procesu se genetické inženýrství často používá k přidání chemických vlastností do proteinů, které usnadňují jejich čištění bez ovlivnění jejich struktury nebo aktivity. Zde je k jednomu konci proteinu připojen "tag" sestávající ze specifické aminokyselinové sekvence, často série histidinových zbytků (" His-tag "). Výsledkem je, že když lyzát prochází přes chromatografickou kolonu obsahující nikl , histidinové zbytky ligují nikl a připojují se ke koloně, zatímco neznačené složky lyzátu procházejí bez překážek. Byla vyvinuta řada různých značek, které výzkumníkům pomáhají čistit specifické proteiny z komplexních směsí.

Buněčná lokalizace

Proteiny v různých buněčných kompartmentech a strukturách označených zeleným fluorescenčním proteinem (zde bílý)

Studium proteinů in vivo se často zabývá syntézou a lokalizací proteinu v buňce. Ačkoli je mnoho intracelulárních proteinů syntetizováno v cytoplazmě a membránově vázaných nebo vylučovaných proteinů v endoplazmatickém retikulu , specifika toho, jak jsou proteiny zacíleny na specifické organely nebo buněčné struktury, jsou často nejasné. Užitečná technika pro hodnocení buněčné lokalizace využívá genetické inženýrství k expresi v buňce fúzního proteinu nebo chiméry sestávající z přirozeného zájmového proteinu spojeného s " reportérem ", jako je zelený fluorescenční protein (GFP). Poloha fúzovaného proteinu v buňce může být čistě a efektivně vizualizována pomocí mikroskopie , jak je znázorněno na obrázku protější.

Jiné metody pro objasnění buněčného umístění proteinů vyžadují použití známých kompartmentálních markerů pro oblasti, jako jsou ER, Golgi, lysozomy nebo vakuoly, mitochondrie, chloroplasty, plazmatická membrána atd. S použitím fluorescenčně značených verzí těchto markerů resp. Protilátek proti známým markerům se stává mnohem jednodušším identifikovat lokalizaci zájmového proteinu. Například nepřímá imunofluorescence umožní fluorescenční kolokalizaci a demonstraci umístění. Fluorescenční barviva se používají k označení buněčných kompartmentů pro podobný účel.

Existují i ​​další možnosti. Například imunohistochemie obvykle využívá protilátku k jednomu nebo více proteinům zájmu, které jsou konjugovány s enzymy poskytujícími buď luminiscenční nebo chromogenní signály, které lze porovnávat mezi vzorky, což umožňuje lokalizační informace. Další použitelnou technikou je kofrakcionace v sacharózových (nebo jiných materiálových) gradientech pomocí izopyknické centrifugace . I když tato technika neprokazuje kolokalizaci kompartmentu známé hustoty a sledovaného proteinu, zvyšuje pravděpodobnost a je přístupnější pro rozsáhlé studie.

Konečně zlatým standardem metody buněčné lokalizace je imunoelektronová mikroskopie . Tato technika také používá protilátku k proteinu zájmu, spolu s klasickými technikami elektronové mikroskopie. Vzorek je připraven pro normální elektronové mikroskopické vyšetření a poté ošetřen protilátkou proti proteinu zájmu, který je konjugován s extrémně elektrohustým materiálem, obvykle zlatem. To umožňuje lokalizaci jak ultrastrukturálních detailů, tak i sledovaného proteinu.

Prostřednictvím další aplikace genetického inženýrství známé jako místně řízená mutageneze mohou výzkumníci změnit proteinovou sekvenci a tím i její strukturu, buněčnou lokalizaci a náchylnost k regulaci. Tato technika dokonce umožňuje začlenění nepřirozených aminokyselin do proteinů pomocí modifikovaných tRNA a může umožnit racionální návrh nových proteinů s novými vlastnostmi.

Proteomika

Úplný komplement proteinů přítomných v určitém čase v buňce nebo typu buňky je znám jako její proteom a studium takových rozsáhlých souborů dat definuje oblast proteomiky , pojmenovanou analogicky k příbuzné oblasti genomiky . Mezi klíčové experimentální techniky v proteomice patří 2D elektroforéza , která umožňuje separaci mnoha proteinů, hmotnostní spektrometrie , která umožňuje rychlou vysoce výkonnou identifikaci proteinů a sekvenování peptidů (nejčastěji po digesci v gelu ), proteinové mikročipy , které umožňují detekci relativních hladin různých proteinů přítomných v buňce a dvouhybridní screening , který umožňuje systematické zkoumání interakcí protein-protein . Úplný doplněk biologicky možných takových interakcí je známý jako interactom . Systematický pokus určit struktury proteinů reprezentujících každý možný záhyb je známý jako strukturální genomika .

Určení struktury

Objev terciární struktury proteinu nebo kvartérní struktury jeho komplexů může poskytnout důležitá vodítka o tom, jak protein plní svou funkci a jak může být ovlivněn, tj. při navrhování léků . Protože jsou proteiny příliš malé na to, aby je bylo možné pozorovat pod světelným mikroskopem , je třeba k určení jejich struktury použít jiné metody. Běžné experimentální metody zahrnují rentgenovou krystalografii a NMR spektroskopii , které obě mohou produkovat strukturní informace při atomovém rozlišení. Experimenty NMR jsou však schopny poskytnout informace, ze kterých lze odhadnout podmnožinu vzdáleností mezi páry atomů a konečné možné konformace pro protein jsou určeny řešením problému geometrie vzdálenosti . Duální polarizační interferometrie je kvantitativní analytická metoda pro měření celkové konformace proteinu a konformačních změn v důsledku interakcí nebo jiných podnětů. Cirkulární dichroismus je další laboratorní technikou pro stanovení vnitřního β-listu / α-helikálního složení proteinů. Kryoelektronová mikroskopie se používá k produkci strukturních informací s nižším rozlišením o velmi velkých proteinových komplexech, včetně sestavených virů ; varianta známá jako elektronová krystalografie může také v některých případech produkovat informace s vysokým rozlišením, zejména pro dvourozměrné krystaly membránových proteinů. Řešené struktury jsou obvykle uloženy v Protein Data Bank (PDB), volně dostupném zdroji, ze kterého lze získat strukturní data o tisících proteinů ve formě kartézských souřadnic pro každý atom v proteinu.

Je známo mnohem více genových sekvencí než proteinových struktur. Dále je sada vyřešených struktur zaměřena na proteiny, které lze snadno podrobit podmínkám požadovaným v rentgenové krystalografii , jedné z hlavních metod určování struktury. Konkrétně globulární proteiny lze poměrně snadno krystalizovat při přípravě pro rentgenovou krystalografii. Membránové proteiny a velké proteinové komplexy se naopak obtížně krystalizují a jsou v PDB nedostatečně zastoupeny. Iniciativy strukturální genomiky se pokusily napravit tyto nedostatky systematickým řešením reprezentativních struktur hlavních tříd vrásnění. Metody predikce struktury proteinů se pokoušejí poskytnout prostředky pro generování věrohodné struktury pro proteiny, jejichž struktury nebyly experimentálně stanoveny.

Predikce struktury

Konstituční aminokyseliny lze analyzovat za účelem predikce sekundární, terciární a kvartérní proteinové struktury, v tomto případě hemových jednotek obsahujících hemoglobin.

Doplňkově k oblasti strukturní genomiky, predikce struktury proteinů vyvíjí účinné matematické modely proteinů pro výpočetní předpovědi molekulárních formací v teorii, namísto detekce struktur pomocí laboratorního pozorování. Nejúspěšnější typ předpovědi struktury, známý jako homologní modelování , se opírá o existenci „šablonové“ struktury se sekvenční podobností s modelovaným proteinem; Cílem strukturální genomiky je poskytnout dostatečné zastoupení v řešených strukturách, aby bylo možné modelovat většinu těch, které zůstaly. Ačkoli výroba přesných modelů zůstává výzvou, když jsou k dispozici pouze vzdáleně příbuzné templátové struktury, bylo navrženo, že sekvenční zarovnání je úzkým hrdlem v tomto procesu, protože lze vytvořit docela přesné modely, pokud je známo "dokonalé" zarovnání sekvencí. Mnoho metod predikce struktury posloužilo k informování vznikajícího oboru proteinového inženýrství , ve kterém již byly navrženy nové proteinové záhyby. Také proteiny (u eukaryot ~33%) obsahují velké nestrukturované, ale biologicky funkční segmenty a lze je klasifikovat jako vnitřně neuspořádané proteiny . Předvídání a analýza proteinové poruchy je proto důležitou součástí charakterizace proteinové struktury.

Bioinformatika

Pro analýzu struktury, funkce a evoluce proteinů bylo vyvinuto velké množství výpočetních metod. Vývoj takových nástrojů byl řízen velkým množstvím genomických a proteomických dat dostupných pro různé organismy, včetně lidského genomu . Je prostě nemožné experimentálně studovat všechny proteiny, a proto je pouze několik podrobeno laboratorním experimentům, zatímco výpočetní nástroje se používají k extrapolaci na podobné proteiny. Takové homologní proteiny mohou být účinně identifikovány ve vzdáleně příbuzných organismech sekvenčním zarovnáním . Genom a genové sekvence mohou být prohledávány různými nástroji pro určité vlastnosti. Nástroje pro profilování sekvencí mohou najít místa pro restrikční enzymy , otevřít čtecí rámce v nukleotidových sekvencích a předpovědět sekundární struktury . Fylogenetické stromy lze konstruovat a vyvíjet evoluční hypotézy pomocí speciálního softwaru, jako je ClustalW , týkající se původu moderních organismů a genů, které vyjadřují. Oblast bioinformatiky je dnes nepostradatelná pro analýzu genů a proteinů.

In silico simulace dynamických procesů

Složitějším výpočetním problémem je predikce intermolekulárních interakcí, jako je molekulární dokování , skládání proteinů , interakce protein-protein a chemická reaktivita. Matematické modely pro simulaci těchto dynamických procesů zahrnují molekulární mechaniku , zejména molekulární dynamiku . V tomto ohledu in silico simulace objevily skládání malých α-helikálních proteinových domén , jako je villin headpiece, doplňkový protein HIV a hybridní metody kombinující standardní molekulární dynamiku s kvantově mechanickou matematikou prozkoumaly elektronické stavy rodopsinů .

Kromě klasické molekulární dynamiky umožňují metody kvantové dynamiky simulaci proteinů v atomistických detailech s přesným popisem kvantově mechanických efektů. Příklady zahrnují vícevrstvou multi-konfigurační časově závislou Hartreeovu metodu (MCTDH) a přístup s hierarchickými pohybovými rovnicemi (HEOM), které byly aplikovány na rostlinné kryptochromy a komplexy sklízející světlo bakterií. Kvantové i klasické mechanické simulace systémů biologického měřítka jsou extrémně výpočetně náročné, takže iniciativy distribuovaných počítačů (například projekt Folding@home ) usnadňují molekulární modelování využitím pokroků v paralelním zpracování GPU a technikách Monte Carlo .

Chemický rozbor

Celkový obsah dusíku v organické hmotě je tvořen především aminoskupinami v bílkovinách. Celkový Kjeldahlův dusík ( TKN ) je míra dusíku široce používaná při analýze (odpadní) vody, půdy, potravin, krmiv a organické hmoty obecně. Jak název napovídá, používá se Kjeldahlova metoda . K dispozici jsou citlivější metody.

Výživa

Většina mikroorganismů a rostlin dokáže biosyntetizovat všech 20 standardních aminokyselin , zatímco zvířata (včetně lidí) musí některé aminokyseliny získávat ze stravy . Aminokyseliny, které si organismus nedokáže sám syntetizovat, se označují jako esenciální aminokyseliny . Klíčové enzymy, které syntetizují určité aminokyseliny, se u zvířat nevyskytují – jako je aspartokináza , která katalyzuje první krok syntézy lysinu , methioninu a threoninu z aspartátu . Pokud jsou v prostředí přítomny aminokyseliny, mohou mikroorganismy šetřit energii tím, že přijímají aminokyseliny ze svého okolí a snižují regulaci jejich biosyntetických drah.

U zvířat se aminokyseliny získávají konzumací potravin obsahujících bílkoviny. Požité bílkoviny jsou pak rozloženy na aminokyseliny trávením , které typicky zahrnuje denaturaci bílkoviny vystavením kyselině a hydrolýzu enzymy nazývanými proteázy . Některé požité aminokyseliny se používají pro biosyntézu bílkovin, zatímco jiné se přeměňují na glukózu prostřednictvím glukoneogeneze nebo se přidávají do cyklu kyseliny citrónové . Toto použití bílkovin jako paliva je zvláště důležité za podmínek hladovění , protože umožňuje využít tělu vlastní bílkoviny k podpoře života, zejména ty, které se nacházejí ve svalech .

U zvířat, jako jsou psi a kočky, protein udržuje zdraví a kvalitu pokožky tím, že podporuje růst vlasových folikulů a keratinizaci, a tím snižuje pravděpodobnost kožních problémů způsobujících zápach. Nekvalitní proteiny mají také roli, pokud jde o gastrointestinální zdraví, zvyšují potenciál plynatosti a pachových sloučenin u psů, protože když se proteiny dostanou do tlustého střeva v nestráveném stavu, jsou fermentovány za vzniku plynného sirovodíku, indolu a skatolu. Psi a kočky tráví živočišné bílkoviny lépe než ty z rostlin, ale špatně se tráví produkty nekvalitního živočišného původu, včetně kůže, peří a pojivové tkáně.

Viz také

Reference

Další čtení

Učebnice
  • Branden C, Tooze J (1999). Úvod do struktury bílkovin . New York: Garland Pub. ISBN 978-0-8153-2305-1.
  • Murray RF, Harper HW, Granner DK, Mayes PA, Rodwell VW (2006). Harper's Illustrated Biochemistry . New York: Lange Medical Books/McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-146197-9.
  • Van Holde KE, Mathews CK (1996). Biochemie . Menlo Park, Kalifornie: Benjamin/Cummings Pub. Co., Inc. ISBN 978-0-8053-3931-4.

externí odkazy

Databáze a projekty

Návody a vzdělávací webové stránky