Primárna štruktúra bielkovín

Primárna štruktúra bielkovín je lineárna sekvencia aminokyselín v peptide alebo bielkovine. Je to zoznam poradia aminokyselín, ktoré tvoria konkrétny polypeptid. Zapisuje sa vždy od N-konca po C-koniec, teda od aminoskupiny na jednej strane po karboxylovú skupinu na druhej strane. Biosyntéza bielkovín prebieha najčastejšie pomocou ribozómov v bunkách. Peptidy je možné pripraviť i v laboratóriu. Primárnu štruktúru bielkovín je možné priamo sekvenovať alebo určiť podľa príslušnej sekvencie DNA.
Vznik.
Biologický.
Aminokyseliny polymerizujú vďaka peptidovým väzbám, ktoré sú tvorené aminoskupinou jednej aminokyseliny a karboxylovou skupinou druhej aminokyseliny. Takto tvoria dlhý reťazec, z ktorého trčia do strán bočné reťazce aminokyselín. V biologických systémoch vznikajú bielkoviny v bunkách počas translácie na ribozómoch. Niektoré organizmy sú takisto schopné tvoriť krátke peptidy pomocou neribozomálnej syntézy peptidov, ktoré často využívajú iné aminokyseliny okrem štandardných 20 aminokyselín, a tieto peptidy môžu potom byť upravené, prepojené navzájom alebo uzavreté do cyklického reťazca.
Chemický.
Peptidy je možné syntetizovať chemicky pomocou mnohých laboratŕoynch metód. Chemické metódy typicky syntetizujú peptidu v opačnom poradí (od C-konca) oproti biologickej syntéze (ktorá prebieha od N-konca).
Zápis.
Sekvencia bielkovín je typicky zapisovaná ako zoznam písmen, z ktorých je bielkovina tvorená. Tento zápis začína N-koncom na ľavej strane a končí C-koncom na pravej strane. Buď sa používajú trojpísmenové skratky, alebo jednopísmenové skratky, ktoré predstavujú 20 bežných proteínogénnych aminokyselína niekedy sa používajú i špeciálne znaky, ktoré popisujú jednotlivé skupiny aminokyselín alebo nejednoznačné aminokyseliny (podobne, ako u zápisu nukleových kyselín).
Peptidy je možné sekvenovať priamo alebo je možné ich sekvenovať z príslušnej sekvencie DNA. Existujú veľké databáze sekvencií, zbierajú známe sekvencie bielkovín.
Okrem týchto aminokyselín sa ešte niekedy vyskytujú dve aminokyseliny, a to pyrolyzín a selenocysteín: 
Úpravy.
Všeobecne sú polypeptidy lineárne nevetvené reťazce, takže ich primárna štruktúra sa dá popísať sekvenciou aminokyselín v ich reťazci. Niektoré bielkoviny však môžu byť spojené dokopy, najčastejšie pomocou disulfidových väzieb, takže ich primárna štruktúra potom vyžaduje upresnenie atómov, ktoré tvoria túto väzbu medzi jednotlivými bielkovinami, teda napríklad to, ktoré cysteíny tvoria disulfidovú väzbu. Medzi ďalšie podobné prípady patrí napríklad dezmozín.
Izomerizácia.
Chirálne centrá polypeptidového reťazca môžu podliehať racemizácii. Aj keď sa tým nemení sekvencia, menia sa tým chemické vlastnosti tejto sekvencie. U bielkovín môžu spontánne izomerizovať -aminokyseliny na svojich Cα uhlíkoch, čím z nich vznikajú -aminokyseliny, ktoré väčšina proteáz nevie štiepiť. Okrem toho môže prolín tvoriť stabilné "trans"-izoméry peptidovej väzby.
Posttranslačné úpravy.
Okrem uvedených úprav môžu byť niektoré aminokyseliny posttranslačne upravené. Tieto úpravy sú v krátkosti popísané nižšie. 
N-koncová aminoskupina polypeptidu môže byť upravené kovalentne, môže tu prebehnúť napríklad
Podobne môže byť upravená C-koncová karboxylová skupina, kde môže prebehnúť napríklad
Okrem týchto úprav môžu byť upravené i bočné reťazce aminokyselín. Tú môže prebehnúť napríklad
Väčšina úprav polypeptidového reťazca uvedená vyššie prebieha posttranslačne, teda až po tom, čo sa bielkovina syntetizuje na ribozóme. Zvyčajne prebiehajú v endoplazmatickom retikule, bunkovej organele eukaryotickej bunky.
Mnohé ďalšie chemické reakcie (napríklad naviazanie kyanoskupiny) môžu byť aplikované chemicky, ale nie sú prítomné v živých systémoch.
Štiepenie a spájanie.
Okrem úprav popísaných vyššie je najdôležitejšou úpravou primárnej štruktúry štiepenie peptidov (chemickou hydrolýzou alebo proteázami). Bielkoviny sa často syntetizujú v neaktívnej prekurzorovej forme - typicky časť na N-konci alebo C-konci blokuje aktívne miesto bielkoviny, čím bráni jej funkcii. Takýto proteín sa potom aktivuje štiepením inhibitujúceho peptidu.
Niektoré proteíny majú dokonca schopnosť toto štiepenie vykonať sami. Typicky je to vďaka hydroxylovej skupine serínu (vzácne treonínu) alebo tiolovej skupine cysteínu, ktorá napadá karbonylový uhlík predchádzajúcej peptidovej väzby, čím vzniká tetraédrický intermediát (hydroxyoxazidolidín (Ser/Thr) alebo hydroxytiazolidín (Cys)). Tento intermediát sa zvykne vrátiť naspäť do pôvodného tvaru vypudením atakujúcej skupiny, keďže amid je preferovaný na základe voľnej energie (pravdepodobne kvôli silnej rezonančnej stabilizácii peptidovej skupiny). Ďalšie molekulárne interakcie však môžu spôsobiť, že amidová skupina nebude dostatočne stabilná - vtedy sa namiesto toho vypudí aminoskupina a vznikne ester (Ser/Thr) alebo tioester (Cys), ktorý nahradí pôvodnú peptidovú väzbu. Táto chemická reakcia sa nazýva N-O acylový posun.
Výsledná (tio)esterová väzba môže byť štiepená roznymi spôsobmi:
Komprimácia sekvencie.
Komprimácie aminokyselinovej sekvencie, teda zmenšenie objemu sekvencie, je pomerne náročná úloha. Existujúce špecializované nástroje na komprimáciu sekvencie majú nízku úroveň kompresie v porovnaní s nástrojmi na komprimáciu DNA sekvencií, hlavne kvôli povahe dát. Aktuálne najlepší kompresor, ktorý komprimuje dáta bez straty informácie, je AC2. AC2 využíva neurálnu sieť.
História.
Predstavu bielkovín ako lineárnych reťazcov α-aminokyselín zmienili takmer v ten istý moment dvaja vedci, na tej istej konferencii v roku 1902. Bolo to 74. stretnutie Spoločnosti nemeckých vedcov a doktorov, ktoré sa konalo v Karlových Varoch. Franz Hofmeister formuloval tento návrh ráno na základe poznatkov o biuretovej reakcii bielkovín. O niekoľko hodín neskôr ho nasledoval Emil Fischer, ktorý mal mnoho chemických detailov, ktoré podporovali model peptidovej väzby. Pred nimi tento návrh podal i francúzky chemik E. Grimaux, v roku 1882.
Napriek dátam a neskôr i dôkazom, že proteolytické trávenie bielkovín produkovalo len oligopeptidy, predstava toho, že bielkoviny sú len lineárne nevetvené polyméry aminokyselín nebola okamžite prijatá. Niektorí rešpektovaní vedci, napríklad William Astbury, pochybovali o tom, že kovalentné väzby sú dostatočne silné na to, aby držali tak veľké molekuly pokope. Obávali sa toho, že náhodný pohyb molekúl spôsobený teplotou by postupne rozložil tvar týchto molekúl. Hermann Staudinger čelil podobným názorom v 20. rokoch 20. storočia keď tvrdil, že guma sa skladá z makromolekúl.
Kvôli tomu vzniklo niekoľko alternatívnych hypotéz. Hypotéza koloidných bielkovín tvrdila, že bielkoviny sú koloidy zložené z menších molekúl. Táto hypotéza bola vyvrátená v 20. rokoch 20. storočia pomocou dvoch druhov meraní. Prvým z nich bola ultracentrifugácia, ktorú robil Theodor Svedberg, ktorý preukázal, že bielkoviny majú dobre definovaný a reprodukovateľnú molekulárnu hmotnosť: Druhými boli elektroforetické merania, ktoré robil Arne Tiselius, ktoré naznačovali, že bielkoviny sú zložené z jedinej molekuly. Druhá hypotéza bola cyklolová hypotéza rozvinutá Dorothy Wrinchovou, ktorá tvrdila, že lineárne polypeptidy podstupovali chemické cyklolové prešmyky C=O + HN formula_5 C(OH)-N, ktoré viedli k previazaniu reťazca amidových skupín a tak tvorili dvojdimenzionálny materiál. Ďalší vedci predstavili iné hypotézy primárnych štruktúr bielkovín, napríklad diketopiperazínový model Emila Abderhaldena alebo pyrol/piperidínový model Troensegaarda v roku 1942. Aj keď týmto hypotézam nebola venovaná veľká pozornosť, tieto modely boli konečne vyvrátené, keď Frederick Sanger úspešne sekvenoval inzulín v roku 1955 a keď John Kendrew a Max Perutz určili štruktúru myoglobínu a hemoglobínu pomocou röntgenovej kryštalografie v rokoch 1957 a 1959.
Primárna štruktúra iných molekúl.
Dá sa povedať, že každý heteropolymér s lineárnym reťazcov má primárnu štruktúru, analogicky k primárnej štruktúre bielkovín. Toto použitie je však vzácne v porovnaní s bielkovinami. U RNA, ktorá má širokú škálu sekundárnych štruktúr, sa väčšinou poradie nukleobáz označuje jednoducho ako „sekvencia“, podobne ako u DNA (ktorá zvyčajne tvorí dvojzávitnicu, ktorá má minimálnu sekundárnu štruktúru). Ostatné biologické polyméry, napríklad polysacharidy, majú takisto technicky primárnu štruktúru, ktorá je tvorená poradím podjednotiek, ale toto pomenovanie sa nepoužíva.
Vzťah k sekundárnej a terciárnej štruktúre.
Primárna štruktúra biologických polymérov do veľkej miery určuje trojdimenzionálny tvar (terciárnu štruktúru). Sekvencia aminokyselín v bielkovinách sa dá použiť na predpovedanie lokálnych vlastností, napríklad segmentov sekundárnej štruktúry, alebo transmembránových oblastí. Komplexita skladania bielkovín však aktuálne nepovoľuje určovanie terciárnej štruktúry bielkoviny len na základe jej primárnej štruktúry (poradia aminokyselín). Znalosť štruktúry podobných homológnych sekvencií (napríklad členov tej istej rodiny bielkovín) umožňuje vysokú presnosť predpovedí terciárnej štruktúry vďaka homológnemu modelovaniu. Ak je známa celá sekvencia bielkoviny, je možné odhadnúť jej biofyzikálne vlastnosti, napríklad izoelektrický bod.
Rodiny bielkovín s podobnými sekvenciami sú určované pomocou klastrovania sekvencií a projekty štruktúrnej genomiky majú za cieľ vytvoriť set reprezentatívnych štruktúr sekvenčného priestoru možných neredundantných sekvencií.