Protein

Protein (nem. Proteins, prema grč. πρῶτος: prvi), veliki organski biomakromolekuli sastavljeni od amino kiselina, koje su poređane u linearne lance i spojene međusobno peptidnim vezama između ugljenikovog atoma i amino grupe dve aminokiseline; takođe bjelančevine (ijek.) ili belančevine (ek.). Sekvenca amino kiselina u proteinu definisana je u genima i sadržana u genetičkom kodu. Genetički kod određuju 20 „osnovnih“ amino kiselina. Proteini mogu da deluju zajedno da bi tako lakše dostigli određene funkcije i zato se vezuju u stabilne komplekse. Kao i svi biološki makromolekuli, kao što polisaharidi i amino kiseline, i proteini ulaze u sastav živih organizama i učestvuju u svim procesima među ćelijama. Mnogi proteini su enzimi koji katališu biohemijske reakcije i značajni su za metabolizam. Drugi imaju strukturne ili mehaničke funkcije kao proteini u citoskeletu, koji formiraju “kičmu” koja čini oblik ćelije. Značajni su u ćelijskom prenosu signala, adheziji ćelija, imunološkom sistemu i ćelijskom ciklusu. Neophodni su u našoj ishrani, jer životinje ne mogu da sintetišu sve amino kiseline, i moraju neke da uzimaju iz hrane. Reč protein potiče od Grčke reči πρώτα što znači “ najvažniji, prvi ”. Ove molekule je prvi opisao i imenovao Jakob Bercelijus 1838. Prvi protein koji je izdvojen je insulin od strane Fredericka Sangera, koji je dobio Nobelovu nagradu za ovo otkriće 1958. Među prvima su otkriveni i hemoglobin i mioglobin na osnovu kristalografje X-zračenja.

Protein je reč koja potiče iz grčkog jezika u kome ima značenje prvi, zauzimam prvo mesto. U prirodnim naukama označava najširu klasu bioloških makromolekula koji su uključeni u praktično sve biološke pojave.

Biohemija 

Proteini su linearni polimeri izgrađeni od 20 različitih L-α amino kiselina. Sve amino kiseline dele zajedničke strukturne karakteristike uključujući α-ugljenik za koji su amino grupa, COO- grupa i bočni lanac vezani. Samo se prolin razlikuje u bočnoj strukturi jer sadrži neuobičajen prsten na N-kraju amino grupe koji drži CO-NH polovinu u fiksnoj konformaciji. Bočni lanac amino kiselina, čiji su detalji dati u listu standardnih amino kiselina, imaju različite hemijske karakteristike koje reprodukuju 3D strukturu. Amino kiseline u polipeptidnom lancu su povezane peptidnim vezama. Peptidna veza je sačinjena od COO- i [NH3] + grupe. Peptidna veza je osnova peptidnog lanca. Formiranje peptidne veze rezultuje otpuštanjem H2O. NCC ponovljeni niz je “kičma” peptida dok sa strane stoje bočni lanci (R). Označavanje linearnog reda amino kiselinskih ostataka ide od N-terminusa ka C-terminusu. Delimično dvogubi karakter peptidne veze uzrokuje da lanac ima samo dva stepena slobode po amino kiselinama, tako da se kiseonik iz karbonilne grupe i amidni vodonik nalaze u istoj ravni kao i peptidna veza i jedino je moguća rotacija oko CO-Cα i N-Cα. Kiseonik iz karbonilne grupe i vodonik iz amidne grupe se zbog sternih interakcija nalaze u trans položaju koji je energetski najpovoljniji (trans je u odnosu na cis stabilniji za 8 KJ/mol). Kraj proteina sa slobodnom COO- grupom je označen kao C-terminus, a kraj [NH3] + kao N-terminus.

Sinteza 

Proteini su sklopljeni od amino kiselina čiji je raspored zapisan u genima. Svaki protein ima jedinstvenu amino kiselinsku sekvencu koja je određena sekvencom nukleotida u genu, a nju određuje protein. Genetički kod je set tri nukleotida koji se zovu kodoni. Sve tri nukleotidne kombinacije su svojstvene za jednu aminokiselinu, npr. AUG je kombinacija za metionin. DNK sadrži četiri različita nukleotida, što znači da je broj mogućih kombinacija kodona 64. Geni sadržani u DNK se prvo transkribuju u informacionu RNK preko (iRNK) pošiljaoca, kao što je RNK-polimeraza. Nakon toga ide u ribozome. U prokariotima iRNK može da se koristi kao sama ili da se veže za ribozome koji je odnose iz nukleotida. Eukarioti prave iRNK u ćelijskom jedru i onda se premeštaju kroz membranu jedra u citoplazmu gde dolazi do sinteze proteina. Proces sinteze proteina pomoću iRNK se zove translacija. iRNK se ubacuje u ribozome i pronalazi tri nukleotida koji joj odgovaraju. Enzimi aminoacil-tRNK sintetaza puni tRNK sa odgovarajućim amino kiselinama. Proteini se uvek sintetišu od N-terminusa do C-terminusa.

Hemijska sinteza 
Kratki proteini mogu da budu sintetisani grupom metoda poznatih kao “peptidne sinteze”, koje se oslanjaju na tehnike organske sinteze. Hemijska sinteza je uvod u neprirodne amino kiseline u polipeptidnim lancima, kao dodatak za fluorescenciju amino kiselinskim spoljašnjim lancima. Ove metode su veoma korisne u laboratorijama za biohemiju i mikro-ćelijsku biologiju, pa generalno nije za komercijalnu upotrebu. Hemijska sinteza je neupotrebljiva za polipeptidne lance duže od 300 amino kiselina. Proteini se uvek sintetišu od N-terminusa do C-terminusa, nakon hemijskih reakcija.

Struktura 

Proteini nastaju formiranjem lanaca u čiji sastav ulazi 20 aminokiselina koje se nazivaju proteinogenične ili standardne aminokiseline. Proteini su veliki molekuli čija masa može dostići i vrednosti od nekoliko miliona daltona a struktura može obuhvatiti i neproteinske molekule. U tom smislu razlikujemo proteine sastavljene od aminokiselina i tzv. heteroproteine sastavljene od čisto proteinskog dela koji se naziva apoprotein i prostetične grupe:

Heteroprotein = apoprotein + prostetična grupa

Ono što proteine čini posebnim jesu stadijumi više organizacije molekula koje nastaju specifičnim vezivanjem lanaca aminokiselina koja mogu biti:
 Primarna
 Sekundarna
 Tercijarna
 Kvarterna

Primarna struktura 

Primarna struktura proteina je njegova jedinstvena amino kiselinska sekvenca i raspored disulfidnih mostova. Broj i raspored amino kiselina varira od proteina do proteina.
Direktna informacija o rasporedu je sadržana u genima, a raspored disulfidnih mostova i 3D struktura zavisi i od drugih faktora. I najmanja promena u primarnoj strukturi može značajno uticati na ukupnu strukturu i funkcionisanje proteina.

Sekundarna struktura 

Ovo je lokalna konformacija polipeptidnog lanca zasnovana na vodoničnim vezama. Međutim veze koje stabilizuju sekundarnu strukturu su: disulfidni mostovi, polarne interakcije, vodonične veze.
Podrazumeva lokalnu 3D strukturu, zasnovanu na pravilno raspoređenim vodoničnim vezama. Osnovni oblici koji se podrazumevaju pod sekundarnom strukturom su α-heliks, β-nabrana struktura (β-ravan) i β-zavoj. Sekundarna struktura proteina nije nepromenjiva, te su moguće konformacione promene vezane za funkcionisanje proteina, promene u okolini.

Tercijarna struktura 

Ovo je ukupan oblik polipeptida, 3D raspored svih atoma u jednom polipeptidu. Tercijarna struktura je zasnovana na nizu različitih interakcija: 
 Između bočnih grupa i peptidnog okoline (vode)
 Bočnih grupa i bočnih grupa
 Bočnih grupa i kičme
Reč je o interakcijama između delova polipeptidnog lanca udaljenih u primarnoj strukturi.

Kvarterna struktura 

Kvaternarna struktura je prostorni raspored polipeptida u proteinima koji imaju više podjedinica. Prostorni raspored podjedinica u okviru proteina predstavlja njegovu kvaternarnu strukturu. Neki autori govore i o kvintarnoj stukturi u slučajevima kada polipeptidi prave komplekse sa drugim tipovima biomolekula (npr. sa RNK u ribozomima). Najčešće su kombinacije proteina i RNK ili DNK. Malo se zna o tim tipovima veze.

Kvarternu strukturu proteina srećemo, na primer, kod hemoglobina.

Podela proteina 

Proteini mogu biti svrstani u tri klase: globularni proteini, fibrilarni proteini, membranski proteini.

Skoro svi globularni proteini su rastvorljivi, a mnogi od njih su i enzimi. Prema tipu sekundarne strukture koja u njima dominira mogu se podeliti na:
 Antiparalelne α-heliks proteine
 Paralelne ili kombinovane β-ravan proteine
 Antiparalelne β-ravan proteine
 Male metalo-sulfidima bogate proteine

Unutrašnjost i spoljašnjost proteina su dobro definisane:
 ostaci nepolarnih aminokiselina usmereni su gotovo isključivo ka unutrašnjosti molekula proteina
 naelektrisani ostaci polarnih amino kiselina usmereni su gotovo isključivo ka površini
 nenaelektrisani ostaci polarnih amino kiselina sreću se i u unutrašnjosti, kao i na površini proteina
 gotovo sve grupe koje mogu da grade vodonične veze postavljene su tako da se te veze oforme

Fibrilarni proteini su veoma izduženi molekuli, čija sekundarna struktura čini dominantan strukturni motiv. Najčešće imaju strukturnu ili motornu funkciju. U njih spadaju α i β keratin, fibronektin, kolagen, elastin.

Membranski proteini se dele na integralne i periferne. Integralni su čvrsto ugrađeni u membranu za koju su vezani hidrofobnim vezama. Periferni se lako odvajaju od membrane, za koju su najčešće vezani preko integralnih proteina, elektrostatičkim interakcijama i vodoničnim vezama. Deo strukture membranskih proteina koji je u direktnom kontaktu sa membranom, uređen je suprotno delu u vodenom rastvoru. Hidrofobne bočne grupe i strukture su okrenute prema spolja, dok je jezgro relativno polarno. Membranski proteini nisu fiksirani već im je dozvoljeno transverzalno kretanje, a nekim i flip-flop. Nisu raspoređeni uniformno u membrani, već postoje delovi membrane sa više ili manje nekog proteina. Proteini koji grade jonske kanale ili akvaporini su posebno interesantni, jer deo koji prolazi kroz membranu mora da bude nepolaran ka lipidima, a polaran ili čak naelektrisan ka unutrašnjosti kanala.

Funkcija 

Proteini u zavisnosti od svoje građe, provode čitav niz različitih aktivnosti unutar organizma. Prvi i osnovni zadatak proteina je njihova neophodnost u procesu rasta i razvoja. Za bilo koji deo našeg tela koji prolazi kroz proces rasta ili regeneracije proteini su neophodni u svakodnevnici. U zavisnosti od pola i godina unos proteina treba korigovati. Proteini učestvuju praktično u svim procesima u jednom organizmu. Proteini su biomolekuli sa najraznovrsnijimfunkcijama:
 Strukturna (kolagen, keratin)
 Skladišna (albumin, kazein)
 Transportna (hemoglobin)
 Katalitička (enzimi)
 Kontraktilna (miozin)
 Odbrambena (antitela)
 Signalna (insulin)
 Modulaciona (PKA)
 Egzotična (van podele npr. lepak-proteini kod školjki)

Proteini zamenjuju izumrle ćelije. Ćelije koje traže ovakvu zamenu sa proteinima su obično: ćelije krvi, bubrega, jetre, mišića, kose, noktiju, zuba i kosti. Takođe proteini su potrebni telu kako bi mogao da stvori čitav niz enzima i hormona i antitela. Proteini grade velike molekule hemoglobina - materija koja prenosi kiseonik i omogućava nam odvijanje procesa disanja u svim mestima u kojima se taj proces odvija.

Enzimi 

Najveći posao proteina u ćelijama obavljaju enzimi, kada se radi o katalitičkim reakcijama unutar ćelije. Enzimi su katalizatori u katalitičkim reakcijama. Enzimski efekti reakcija učestvuju u velikom broju metabolitičkih i katabolitičkih procesa, kao što su DNK preslikavanje ili pak RNK sintetisanje. Neki enzimi pomažu proteinima da dodaju ili oduzmu neku hemijsku grupu u hemijskim reakcijama, proces poznat kao posttranslaciona modifikacija. Poznato je oko 4 000 reakcija koje katališu enzimi. Aktivno mesto je jedan mali deo proteina koji je direktno uključen u reakciju, ostatak služi za regulaciju, za druge reakcije, za specifične interakcije (sa inhibitorima, kofaktorima, membranom itd).

Ćelijska komunikacija 

Neki proteini kao što je insulin, su ekstracelularni proteini koji prenose signal iz ćelije u kojoj su se sintetisali do drugih ćelija.
Alosterna regulacija podrazumeva zavisnost vezivanja jednog liganda (molekul koga protein vezuje za sebe, da bi ga transportovao, hemijski obradio i sl) od vezivanja drugog liganda, koji se označava kao modulator. Ako se radi o istim ligandima (istim molekulima) – homotropni efekat, a ako su različiti – heterotropni. Efekti mogu biti pozitivni i negativni, u zavisnosti da li modulator povećava ili smanjuje afinitet proteina za sledeći ligand.
Antitela su proteini koji čuvaju imunološki sistem čoveka, tako što se bore protiv ćelija koje žele da ga razore.
Mnogi ligandni proteini su vezani za male biomolekule i transportovanje njih do neke druge lokacije u telu vrši se tako što ti proteini moraju imati veliki afinitet vezivanja kada su njihovi ligandi prisutni u velikim koncentracijama u meti-tkivu. Primer ligandno-vezujućih proteina je hemoglobin koji transportuje kiseonik svuda po organizmu.

Metode za određivanje strukture proteina 
Kombinacija X-kristalografije, NMR-a, kompjuterskih simulacija i proračuna je dobitna kombinacija u najaktuelnijoj disciplini savremene biofizike tj. određivanja strukture proteina. Poznatije metode za određivanje funkconisanja proteina su:
 X-kristalografija i 2D NMR: 
X-kristalografija je dala prvi direktan uvid u strukturu proteina; i danas je nezamenjiva. Problem je u tome što kristalizovan protein nije isto što i protein u rastvoru i dobijena struktura je prosečna struktura proteina. Ne daje podatke o mobilnost i fleksibilnosti proteina. Te podatke dobijamo NMR-om. Kombinacija X kristalografije, NMR-a i mnogo sati kompjuterskih simulacija i proračuna je dobitna kombinacija u najaktuelnijoj disciplini savremene biofizike – određivanju strukture/funkcionisanja proteina.
 Difrakcija: Higens-Fresnelov princip
 Jungova interferencija
 Bragov zakon
 Von Laueov uslov
 Akceleratori

Proteini u ishrani 

Proteini se nalaze u raznim vrstama prehrambenih namirnica. Može se gotovo reći da su u većim ili manjim količinama zastupljeni u svoj hrani osim u rafiniranim šećerima i mastima. Hrana životinjskog porekla poput mesa, riba, jaja, mleka, jogurta i sira dobar je izvor proteina u kvalitativnom i kvantitativnom smislu. Sadrže veliku količinu proteina, ali su i izvor svih esencijalnih aminokiselina. Mnogi mikroorganizmi i biljke mogu da biosintetišu svih 20 aminokiselina, dok životinje i čovek moraju da se podvrgnu određenoj vrsti dijete tj. ishrani. Mnogi enzimi koji imaju glavnu funkciju u ljudskom organizmu nisu stalno prisutni i moraju se unositi.

Količina proteina koju osoba treba dnevno unositi je sporna tema koju stručnjaci neprestano istražuju. Opća medicinska preporuka u konzumiranju proteina dnevno je u rasponu od 1-1.2 grama po kilogramu ukupne tjelesne težine za starije osobe i 1.2-1.5 grama po kilogramu ukupne tjelesne težine za aktivne osobe.

Vidite još 
 Predviđanje strukture proteina

Reference

Literatura 

 
 
 
 
 
 Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: Biochemie. 6. Auflage. Spektrum, Heidelberg 2007, .
 Friedrich Lottspeich, Haralabos Zorbas: Bioanalytik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1998, .
 Hubert Rehm, Thomas Letzel: Der Experimentator: Proteinbiochemie / Proteomics. 6. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2009, .
 E. Buxbaum: Fundamentals of Protein Structure and Function (Englisch), Springer, New York 2007. .
 P. Kaumaya: Protein Engineering, Intech Open, 2012. . (Online Version in Englisch)

Spoljašnje veze 

 Proteini, Prof. dr. Ivan Stanković 
The Protein Naming Utility 
Human Protein Atlas
NCBI Entrez Protein database
NCBI Protein Structure database
Human Protein Reference Database 
Human Proteinpedia 
Folding@Home (Stanford University) 
Comparative Toxicogenomics Database curates protein–chemical interactions, as well as gene/protein–disease relationships and chemical-disease relationships.
Bioinformatic Harvester A Meta search engine (29 databases) for gene and protein information.
Protein Databank in Europe (see also PDBeQuips, short articles and tutorials on interesting PDB structures)
Research Collaboratory for Structural Bioinformatics (see also Molecule of the Month , presenting short accounts on selected proteins from the PDB)
Proteopedia – Life in 3D: rotatable, zoomable 3D model with wiki annotations for every known protein molecular structure.
UniProt the Universal Protein Resource 
neXtProt – Exploring the universe of human proteins: human-centric protein knowledge resource
Multi-Omics Profiling Expression Database:  MOPED   human and model organism protein/gene knowledge and expression data

Molekularna biologija
Prehrana
Proteini
Polimeri