Protein

Proteinadalah kelompokbiomolekulberukuranbesaryang terbentuk dari satu rantai panjangasam aminoatau lebih. Protein memiliki banyak fungsi dalam makhluk hidup, di antaranyamempercepat reaksi-reaksi metabolisme,mereplikasi DNA,menanggapi rangsangan, memberibentuk seldan tubuh, danmemindahkan molekuldari satu lokasi ke lokasi lain. Perbedaan utama antara satu protein dan protein lainnya adalah urutan asam amino-asam aminonya, yang ditentukan olehurutan nukleotidadarigen-gennya, dan biasanya menyebabkanlipatan proteinmenjadistruktur tiga dimensi khususyang sesuai dengan fungsinya.
Sejumlah asam amino membentuk rantai lurus yang disebutpolipeptida. Suatu protein terdiri dari minimum satu polipeptida panjang. Polipeptida pendek (dengan kurang dari 20–30 asam amino) biasanya tidak dianggap sebagai protein, tetapi disebut molekulpeptidaatauoligopeptida. Masing-masing asam amino dalam protein terikat ke asam amino di dekatnya olehikatan peptida. Urutan asam amino dalam protein ditentukan oleh urutan gen yang disandi dalam kode genetik. Secara umum, kode genetik menghasilkan 20 asam amino standar, meskipun beberapa organisme memiliki asam amino tambahan. Tak lama setelah atau bahkan selamasintesis, residu dalam protein sering dimodifikasi secara kimiawi melalui prosesmodifikasi pascatranslasiyang mengubah sifat fisik dan kimia, lipatan, stabilitas, aktivitas, dan fungsi protein. Beberapa protein memiliki gugus nonpeptida (bukan asam amino), yang dapat disebutkofaktordangugus prostetik. Beberapa protein juga dapat bekerja sama untuk menjalankan fungsi tertentu, dan kelompok seperti ini sering membentukkompleks proteinyang stabil.
Begitu terbentuk, protein hanya ada untuk jangka waktu tertentu laludidegradasidan didaur ulang dalam sel melalui prosespergantian protein. Umur protein diukur berdasarkanwaktu paruhnyadan mencakup rentang yang panjang. Protein bisa berumur beberapa menit hingga beberapa tahun dengan umur rata-rata 1–2 hari dalam sel mamalia. Protein yang abnormal atau salah lipat akan terdegradasi lebih cepat, baik karena ditargetkan untuk dihancurkan atau karena tidak stabil.
Bersama dengan biomolekul raksasa lainnya sepertipolisakaridadanasam nukleat, protein merupakan bagian esensial dari organisme dan terlibat dalam hampir seluruh proses di dalamsel. Sebagian protein adalahenzimyang berfungsi sebagaikatalisdalam reaksi-reaksi biokimia dan bersifat vital untukmetabolisme. Sebagian protein memiliki fungsi pembentuk atau penguat, misalnya proteinaktindanmiosindalam otot dan protein-protein dalamsitoskeleton. Protein-protein lainnya memiliki peran penting dalampersinyalan sel,respons imun,adhesi sel, dansiklus sel. Hewan memerlukan protein dalam makanannya untuk memperolehasam amino esensialyang tidak bisadisintesisdi dalam tubuh.Sistem pencernaanmemecah protein dari makanan untuk dapat digunakan dalam metabolisme.
Protein dapatdimurnikandari komponen seluler lainnya menggunakan berbagai teknik sepertiultrasentrifugasi,presipitasi,elektroforesis, dankromatografi.Rekayasa genetikamemungkinkan sejumlah metode untuk memfasilitasi pemurnian ini. Metode yang biasa dipakai untuk mempelajari struktur dan fungsi protein yaituimunohistokimia,mutagenesis terarah-lokasi,kristalografi sinar-X,resonansi magnetik inti,danspektrometri massa.
Protein merupakan suatu zat makanan yang amat penting bagi tubuh, karena zat ini berfungsi sebagai bahan bakar, zat pembangun dan pengatur. Dan fungsi utama dari protein adalah membentuk jaringan baru dan mempertahankan jaringan yang telah ada. Mutu protein dalam bahan makanan yang di konsumsi manusia yang akan di serap oleh usus dalam bentuk asam amino
Protein dikenali sebagai kelompokbiomolekulpada abad kedelapan belas olehAntoine Fourcroydan lain-lain, yang dicirikan oleh kemampuannya untuk melakukankoagulasiatauflokulasidi bawah perlakuan dengan panas atau asam.Contoh yang tercatat pada saat itu adalah albumin dariputih telur,albumindalam serum darah,fibrin, danglutengandum.
Protein pertama kali dijelaskan oleh kimiawan BelandaGerardus Johannes Mulderdan dinamai oleh ahli kimia SwediaJöns Jacob Berzeliuspada tahun 1838.Mulder melakukan analisis unsur terhadap protein umum dan menemukan bahwa hampir semua protein memilikirumus empirisyang sama, yaitu C400H620N100O120P1S1.Ia sampai pada kesimpulan yang salah bahwa mereka mungkin terdiri dari satu jenis molekul (sangat besar). Istilah "protein" untuk menggambarkan molekul-molekul ini diajukan oleh rekan Mulder, Berzelius; protein berasal dari kataYunaniπρώτειος (proteios), yang berarti "primer","di depan", atau "berdiri di depan",ditambah akhiran-in. Mulder selanjutnya mengidentifikasi produk degradasi protein sepertiasam aminoleusinyang ia temukan dengan berat molekul (hampir benar) 131Da.Sebelum "protein", nama lainnya telah digunakan, seperti "albumin" atau "bahan albumin" (Eiweisskörper, dalam bahasa Jerman).
Ilmuwan nutrisi awal sepertiCarl von Voitdari Jerman percaya bahwa protein adalah nutrisi terpenting untuk menjaga struktur tubuh karena secara umum diyakini bahwa "daging membuat daging."Karl Heinrich Ritthausenmemperluas bentuk protein yang diketahui dengan mengidentifikasiasam glutamat. DiStasiun Percobaan Pertanian Connecticut, tinjauan terperinci tentang protein nabati dikumpulkan olehThomas Burr Osborne. Ia bekerja denganLafayette Mendeldan menerapkanhukum minimum Liebigdalam memberi makantikus laboratorium, sehingga adanyaasam amino esensialpun diketahui. Pekerjaan ini dilanjutkan dan dikomunikasikan olehWilliam Cumming Rose. Pemahaman tentang protein sebagaipolipeptidamuncul melalui karyaFranz HofmeisterdanHermann Emil Fischerpada tahun 1902.Peran sentral protein sebagaienzimdalam organisme hidup tidak sepenuhnya diapresiasi sampai tahun 1926 ketikaJames B. Sumnermenunjukkan bahwa enzimureasesebenarnya adalah protein.
Kesulitan dalam memurnikan protein dalam jumlah besar membuat para ahli biokimia protein awal sangat sulit mempelajarinya. Oleh karena itu, penelitian awal difokuskan pada protein yang dapat dimurnikan dalam jumlah besar, misalnya dari darah, putih telur, berbagai racun, dan enzim pencernaan/metabolik yang diperoleh dari rumah pemotongan hewan. Pada 1950-an,Armor Hot Dog Co.memurnikan 1 kgribonuklease Adari pankreas sapi murni dan menyediakannya secara gratis bagi para ilmuwan; gerakan ini membantu ribonuklease A menjadi target utama studi biokimia selama beberapa dekade berikutnya.
Linus Paulingdianggap sukses dalam memperkirakanstruktur sekunderprotein biasa berdasarkanikatan hidrogen, sebuah ide yang pertama kali dikemukakan olehWilliam Astburypada tahun 1933.Belakangan, karyaWalter Kauzmanntentangdenaturasi,yang sebagian didasarkan pada penelitian sebelumnya olehKaj Linderstrøm-Lang,memberi pemahaman tentangpelipatan proteindan struktur yang dimediasi olehinteraksi hidrofobik.
Protein pertama yangdiurutkanadalahinsulin, olehFrederick Sanger, pada 1949. Sanger dengan tepat menentukan urutan asam amino insulin sehingga secara meyakinkan menunjukkan bahwa protein terdiri dari polimer linier asam amino alih-alih rantai bercabang,koloid, atausiklol.Ia memenangkan Hadiah Nobel untuk pencapaian ini pada 1958.
Struktur proteinpertama yang diketahhui adalahhemoglobindanmioglobin, masing-masing olehMax PerutzdanSir John Cowdery Kendrew, pada tahun 1958.Hingga 2017,Bank Data Proteinmemiliki lebih dari 126.060 struktur protein dengan resolusi atomik.Baru-baru ini, mikroskop krio-elektron terhadapkumpulan makromolekulbesardanprediksi struktur proteinkomputasional terhadapdomainprotein keciladalah dua metode yang mendekati resolusi atomik.
Jumlah protein yang disandi dalamgenomsecara kasar sesuai dengan jumlahgen(walaupun mungkin ada sejumlah besar gen yang menyandiRNAprotein, misalnyaRNA ribosomal).Virusbiasanya menyandikan beberapa ratus protein,arkeadanbakteribeberapa ratus hingga beberapa ribu, sementaraeukariotabiasanya menyandikan beberapa ribu hingga puluhan ribu protein (lihatukuran genomuntuk daftar contoh).
Protein merupakanbiomolekulyang sangat besar atau makrobiopolimer yang tersusun darimonomerberupa asam amino. Ada 20 asam amino standar yang membentuk asam amino (disebutasam amino proteinogenik); masing-masing terdiri dari sebuahkarbon alfayang berikatan dengan sebuah gugusamino(–NH2), sebuah guguskarboksil(–COOH), sebuah atom hidrogen (H), dan rantai samping (disebut sebagai "R"). Gugus "R" inilah yang menjadikan setiap asam amino berbeda dan sifat rantai samping ini akan memengaruhi keseluruhan suatu protein. Hanyaprolinayang berbeda dari struktur dasar ini karena mengandung cincin yang tidak biasa pada gugus amina ujung-N, yang memaksa gugus amida CO–NH menjadi konformasi tetap.Rantai samping asam amino standar, yang dirinci dalamdaftar asam amino standar, memiliki beragam struktur dan sifat kimiawi. Struktur tiga dimensi dan reaktivitas kimia suatu protein ditentukan oleh efek gabungan dari semua rantai samping asam amino dalam protein tersebut.Semua asam amino dalam rantai polipeptida saling terhubung olehikatan peptidamelaluisintesis dehidrasi. Setelah terhubung dalam rantai protein, asam amino individual disebutresidu,sedangkan rangkaian atom karbon, nitrogen, dan oksigen yang terkait disebutrantai utamaatautulang punggung protein.
Istilahprotein,polipeptida,danpeptidaagak ambigu dan dapat tumpang tindih artinya.Proteinumumnya digunakan untuk merujuk pada molekul biologis lengkap dalamkonformasiyang stabil, sedangkanpeptidaumumnya merujuk pada oligomer asam amino pendek yang sering kali tidak memiliki struktur tiga dimensi yang stabil. Namun, batas antara keduanya tidak ditentukan dengan baik dan biasanya berkisar antara 20–30 residu.Polipeptidadapat merujuk pada rantai linier tunggal asam amino, biasanya berapa pun panjangnya, tetapi sering kali menyiratkan tidak memilikikonformasiyang tetap.
Protein dapat berinteraksi dengan banyak jenis molekul, termasuk dengan protein lain, dengan lipid, dengan karbohidrat, dan dengan DNA.
Diperkirakan bahwabakteriberukuran rata-rata mengandung sekitar dua juta protein per sel (misalnyaEscherichia colidanStaphylococcus aureus). Bakteri yang lebih kecil, sepertiMycoplasmaatauspiroketmengandung lebih sedikit protein, sekitar 50.000 hingga 1 juta. Seleukariotaberukuran lebih besar sehingga mengandung lebih banyak protein. Misalnya, selkhamirSaccharomyces cerevisiaediperkirakan mengandung sekitar 50 juta protein dan selmanusiasekitar 1 hingga 3 miliar.Konsentrasi salinan protein individual berkisar dari beberapa molekul per sel hingga 20 juta per sel.Tidak semua gen yang menyandi protein diekspresikan di sebagian besar sel dan jumlahnya bergantung pada beberapa hal, seperti jenis sel dan rangsangan eksternal. Misalnya, dari sekitar 20.000 protein yang disandi oleh genom manusia, hanya 6.000 yang terdeteksi dalam sellimfoblastoid.
Protein dirakit dari sejumlah asam amino menggunakan informasi yang disandi dalam gen. Setiap protein memiliki urutan asam amino uniknya sendiri yang ditentukan oleh urutannukleotidadari gen yang menyandi protein ini.Kode genetikadalah satu set berupa tiga nukleotida yang disebutkodondan setiap kombinasi tiga nukleotida menunjukkan asam amino, misalnya AUG (adenina–urasil–guanina) adalah kode untukmetionin. Karena DNA mengandung empat nukleotida, jumlah total kodon yang mungkin adalah 64; oleh karena itu, terdapat beberapa redundansi dalam kode genetik, dengan beberapa asam amino ditentukan oleh lebih dari satu kodon.Gen yang disandi dalam DNA pertama-tamaditranskripsikanmenjadi pra-RNA duta(mRNA) oleh protein sepertiRNA polimerase. Kebanyakan organisme kemudian memproses pra-mRNA (juga dikenal sebagaitranskrip primer) menggunakan berbagai bentukmodifikasi pascatranskripsiuntuk membentuk mRNA yang matang, yang kemudian digunakan sebagai templat untuk sintesis protein olehribosom. Padaprokariota, mRNA dapat digunakan segera setelah diproduksi atau diikat oleh ribosom setelah menjauh darinukleoid. Sebaliknya,eukariotamembuat mRNA diinti seldan kemudianmentranslokasikannyamelewatimembran intike dalamsitoplasma, tempatsintesis proteinkemudian terjadi. Tingkat sintesis protein pada prokariota lebih tinggi daripada eukariota dan dapat mencapai hingga 20 asam amino per detik.
Proses sintesis protein dari cetakan mRNA dikenal sebagaitranslasi. Selanjutnya, mRNA dimuat ke ribosom dan dibaca tiga nukleotida sekaligus dengan mencocokkan setiap kodon denganantikodonpasangan basayang terletak pada molekulRNA transfer(tRNA), yang membawa asam amino yang sesuai dengan kodon yang dikenalinya. Enzimsintetase tRNA-aminoasil"mengisi" molekul tRNA dengan asam amino yang benar. Polipeptida yang sedang terbentuk sering disebutrantai yang baru lahir. Protein selalu disintesis dariN-terminuskeC-terminus.
Ukuran protein yang disintesis dapat diukur dengan jumlah asam amino yang dikandungnya dan dengan totalmassa molekulnya, yang biasanya dilaporkan dalam satuandalton(identik dengansatuan massa atom), atau satuan turunan kilodalton (kDa). Ukuran rata-rata protein makin meningkat dari arkea, bakteri, dan eukariota (masing-masing 283, 311, 438 residu amino dan 31, 34, 49 kDa) karena lebih banyakdomain proteinyang menyusun protein dalam organisme yang lebih tinggi.Misalnya proteinkhamirrata-rata memiliki panjang 466 asam amino dan massa 53 kDa.  Protein terbesar yang diketahui adalahtitin, komponen darisarkomerotot, dengan massa molekul hampir 3.000 kDa dan panjang total hampir 27.000 asam amino.
Protein pendek juga dapat disintesis secara kimiawi dengan kelompok metode yang dikenal sebagaisintesis peptida, yang mengandalkan tekniksintesis organiksepertiligasi kimiawiuntuk menghasilkan peptida dalam jumlah besar.Sintesis kimia memungkinkan untuk memasukkan asam amino non-alami ke dalam rantai polipeptida, seperti pelekatanprobefluoresenske rantai samping asam amino.Metode ini berguna dalam laboratoriumbiokimiadanbiologi sel, meskipun umumnya tidak untuk aplikasi komersial. Sintesis kimiawi tidak efisien untuk polipeptida yang lebih panjang dari sekitar 300 asam amino, dan protein yang disintesis mungkin tidak siap mengambilstruktur tersieraslinya. Kebanyakan metode sintesis kimia berlanjut dari C-terminus ke N-terminus, berlawanan dengan reaksi biologis.
Sebagian besar proteinterlipatmenjadi struktur tiga dimensi yang unik. Bentuk alami suatu protein yang melipat dikenal dengan istilahkonformasi asli.Meskipun banyak protein dapat melipat tanpa bantuan dam hanya melalui sifat-sifat kimiawi asam amino mereka, sejumlah protein lain memerlukan bantuanprotein pendampinguntuk melipat menjadi kondisi aslinya.Ahli biokimia sering merujuk pada empat aspek berbeda dari struktur protein.
Struktur primer protein bisa ditentukan dengan beberapa metode: (1) hidrolisis protein dengan asam kuat (misalnya, 6N HCl), lalu komposisi asam amino ditentukan dengan instrumen penganalisis asam amino,(2) analisis urutan dari ujung-N dilakukan dengan degradasi Edman, (3) kombinasi dari digesti dengan tripsin dan spektrometri massa, dan (4) penentuan massa molekuler denganspektrometri massa.
Struktur sekunder bisa ditentukan dengan spektroskopidikroisme sirkuler(CD) danspektroskopi inframerah transformasi Fourier(FTIR).Spektrum CD dari uliran-alfa menunjukkan dua absorbans negatif pada 208 dan 220 nm dan lempeng-beta menunjukkan satu puncak negatif sekitar 210–216 nm. Estimasi dari komposisi struktur sekunder dari protein bisa dikalkulasi dari spektrum CD. Pada spektrum FTIR, pita amida-I dari uliran-alfa berbeda dibandingkan dengan pita amida-I dari lempeng-beta. Jadi, komposisi struktur sekunder dari protein juga bisa diestimasi dari spektrum inframerah.
Protein bukanlah molekul yang sepenuhnya kaku. Selain tingkat struktur ini, protein dapat berubah di antara beberapa struktur terkait saat mereka menjalankan fungsinya. Dalam konteks penataan ulang fungsional ini, struktur tersier atau kuaterner biasanya disebut sebagai "konformasi", dan transisi di antara keduanya disebutperubahan konformasi.Perubahan tersebut sering kali disebabkan oleh pengikatan molekulsubstratkesitus aktifenzim, atau wilayah fisik protein yang berpartisipasi dalam katalisis kimia. Dalam larutan, protein juga mengalami variasi struktur melalui getaran termal dan tumbukan dengan molekul lain.
Secara informal, protein dapat dibagi menjadi tiga kelas utama yang berkorelasi dengan struktur tersier yang khas:protein globular,protein berserat, danprotein membran. Hampir semua protein globular dapatlarutdan banyak di antaranya adalah enzim. Protein berserat sering kali bersifat struktural, sepertikolagen(komponen utama jaringan ikat) ataukeratin(komponen protein rambut dan kuku). Protein membran sering berfungsi sebagaireseptoratau menyediakan saluran untuk molekul polar atau bermuatan untuk melewatimembran sel.
Dehidron merupakan kasus khusus dari ikatan hidrogen intramolekul di dalam protein, yang terlindung dengan buruk dari serangan air dan karenanya meningkatkandehidrasinyasendiri.
Struktur protein lainnya yang juga dikenal adalahdomain,yaitu segmen protein yang melipat menjadi unit struktural yang berbeda. Struktur ini terdiri dari 40–350 asam amino. Protein sederhana umumnya hanya memiliki satu domain. Pada protein yang lebih kompleks, ada beberapadomainyang terlibat di dalamnya. Hubungan rantai polipeptida yang berperan di dalamnya akan menimbulkan sebuah fungsi baru berbeda dengan komponen penyusunnya. Bila struktur domain pada struktur kompleks ini berpisah, maka fungsi biologis masing-masing komponen domain penyusunnya tidak hilang. Inilah yang membedakan struktur domain dengan struktur kuartener. Pada struktur kuartener, setelah struktur kompleksnya berpisah, protein tersebut tidak fungsional. Domain biasanya memiliki fungsi spesifik, seperti aktivitasenzimatik(misalnyakinase) atau berfungsi sebagai modul pengikat (misalnyadomain SH3berikatan dengan urutan kaya prolin dalam protein lain).
Urutan asam amino pendek dalam protein sering bertindak sebagai situs pengenalan untuk protein lain.Misalnya,domain SH3biasanya mengikat motif PxxP pendek (yaitu 2prolin[P], yang dipisahkan oleh dua asam amino [x] yang tidak ditentukan, meskipun asam amino di sekitarnya dapat menentukan spesifisitas pengikatan yang tepat). Banyak motif semacam itu telah dikumpulkan dalam basis dataMotif Linear Eukariotik(ELM).
Protein adalah aktor utama di dalam sel, yang menjalankan tugas yang ditentukan oleh informasi yang disandi dalam gen.Dengan pengecualian jenisRNAtertentu, sebagian besar molekul biologis lainnya adalah elemen yang relatif lembam dan dijadikan tempat protein bekerja. Protein menyusun setengah dari berat kering selEscherichia coli, sedangkan makromolekul lain seperti DNA dan RNA masing-masing hanya berkontribusi sebesar 3% dan 20%.Kumpulan protein yang diekspresikan dalam sel atau jenis sel tertentu dikenal sebagaiproteoma.
Karakteristik utama protein yang juga memungkinkan beragam fungsi mereka adalah kemampuannya untuk mengikat molekul lain secara spesifik dan erat. Area protein yang bertanggung jawab untuk mengikat molekul lain dikenal sebagaisitus pengikatandan sering kali berupa cekungan atau "kantong" pada permukaan molekul. Kemampuan mengikat ini dimediasi oleh struktur tersier dari protein yang menentukan kantong situs pengikatan, dan oleh sifat kimiawi rantai samping asam amino di sekitarnya. Pengikatan protein bisa sangat ketat dan spesifik; sebagai contoh, proteinpenghambat ribonukleaseberikatan denganangiogeninmanusia dengankonstanta disosiasisubfemtomolar (<10M) tetapi tidak mengikat sama sekali dengan homolognya pada amfibi, yaituonkonase(>1 M). Perubahan kimiawi yang sangat kecil seperti penambahan satu gugus metil ke pasangan-ikatan terkadang cukup untuk hampir menghilangkan pengikatan; misalnya enzimsintetase aminoasil-tRNAyang spesifik untuk asam aminovalin, tidak mengikat rantai samping asam aminoisoleusinyang sangat mirip.
Protein dapat mengikat protein lain dan juga mengikat substratmolekul kecil. Ketika protein mengikat secara spesifik dengan salinan lain dari molekul yang sama, mereka dapat mengalamioligomerisasiuntuk membentuk fibril; proses ini sering terjadi pada protein struktural yang terdiri dari monomer globular yang berikatan-sendiri untuk membentuk serat yang kaku.Interaksi protein-proteinjuga mengatur aktivitas enzimatik, mengendalikan perkembangan melaluisiklus sel, dan memungkinkan perakitankompleks proteinbesar yang melakukan banyak reaksi-terkait-serupa dengan fungsi biologis yang sama. Protein juga dapat mengikat atau bahkan diintegrasikan ke dalam membran sel. Kemampuan pasangan-ikatan untuk menginduksi perubahan konformasi protein memungkinkan pembangunan jaringanpensinyalanyang sangat kompleks.Karena interaksi di antara protein bersifat reversibel dan sangat bergantung pada ketersediaan pasangan protein untuk membentuk agregat yang mampu melakukan rangkaian fungsi yang berbeda, studi tentang interaksi di antara protein tertentu adalah kunci untuk memahami aspek penting fungsi seluler, dan akhirnya sifat-sifat yang membedakan tipe sel tertentu.
Peran protein yang paling terkenal di dalam sel adalah sebagaienzim, yangmengkatalisasireaksi kimia. Enzim biasanya sangat spesifik dan hanya mempercepat satu atau beberapa reaksi kimia. Enzim melakukan sebagian besar reaksi yang terlibat dalammetabolisme, serta memanipulasi DNA dalam berbagai proses sepertireplikasiDNA,perbaikan DNA, dantranskripsi. Beberapa enzim bekerja pada protein lain untuk menambah atau menghilangkan gugus kimia dalam proses yang dikenal sebagai modifikasi pascatranslasi. Sekitar 4.000 reaksi dikatalisis oleh enzim.Percepatan laju yang diberikan oleh katalisis enzimatis sering kali sangat besar, hingga peningkatan laju 10kali lipat dibandingkan reaksi tanpa katalisis dalam kasusorotat dekarboksilase(78 juta tahun tanpa enzim, 18 milidetik dengan enzim).
Molekul yang terikat dan ditindaklanjuti oleh enzim disebutsubstrat. Meskipun enzim dapat terdiri dari ratusan asam amino, biasanya hanya sebagian kecil dari residu yang bersentuhan dengan substrat, dan fraksi yang lebih kecil lagi—rata-rata tiga hingga empat residu—yang terlibat langsung dalam katalisis. Area enzim yang mengikat substrat dan mengandung residu katalitik dikenal sebagaisitus aktif.
Protein dirigenadalah anggota kelompok protein yang menentukanstereokimiasenyawa yang disintesis oleh enzim lain.
Banyak protein terlibat dalam prosespensinyalan seldantransduksi sinyal. Beberapa protein, sepertiinsulin, merupakan protein ekstraseluler yang mengirimkan sinyal dari sel tempat mereka disintesis (yaitu sel pankreas) ke sel lain dijaringanyang jauh. Jenis lainnya adalahprotein membranyang bertindak sebagaireseptoryang fungsi utamanya adalah mengikat molekul pemberi sinyal dan menginduksi respons biokimia di dalam sel. Banyak reseptor memiliki situs pengikatan yang terekspos pada permukaan sel dan domain efektor di dalam sel, yang mungkin memiliki aktivitas enzimatik atau mungkin mengalamiperubahan konformasiyang dideteksi oleh protein lain di dalam sel.
Antibodiadalah protein yang menjadi komponen darisistem imun adaptifyang fungsi utamanya adalah mengikatantigen(zat asing di dalam tubuh) dan menargetkannya untuk dimusnahkan. Antibodi dapatdisekresikanke dalam lingkungan ekstraseluler atau berlabuh di membransel Bkhusus yang dikenal sebagaisel plasma. Ketika enzim dibatasi dalam afinitas pengikatan terhadap substratnya oleh kebutuhannya untuk melakukan reaksi, antibodi tidak memiliki batasan seperti itu. Afinitas pengikatan antibodi ke targetnya sangat tinggi.
Banyak protein transpor ligan mengikatbiomolekul keciltertentu dan membawanya ke lokasi lain di tubuh organisme multiseluler. Protein ini harus memiliki afinitas pengikatan yang tinggi jikaligannyaterdapat dalam konsentrasi tinggi, tetapi juga harus melepaskan ligan saat berada pada konsentrasi rendah di jaringan target. Contoh protein pengikat ligan adalahhemoglobin, yang mengangkutoksigendariparu-paruke organ dan jaringan lain di semuavertebratadan memiliki homolog serupa di setiapkerajaanbiologis.Lektinadalahprotein pengikat gulayang sangat spesifik untuk bagian gula mereka. Lektin biasanya berperan dalam fenomenapengenalanbiologis yang melibatkan sel dan protein.Reseptordanhormonadalah protein pengikat yang sangat spesifik.
Protein transmembranjuga dapat berfungsi sebagai protein transpor ligan yang mengubahpermeabilitasmembran sel menjadimolekuldan ion kecil. Membran sendiri memiliki pusat yanghidrofobiksehingga molekulpolaratau bermuatan tidak dapatberdifusi. Protein membran mengandung saluran internal yang memungkinkan molekul tersebut untuk masuk dan keluar sel. Banyak proteinsaluran iondikhususkan agar hanya memilih ion tertentu; misalnya, salurankaliumdannatriumsering kali hanya memfasilitasi ion yang spesifik.
Protein struktural memberikan kekerasan dan kekakuan pada komponen biologis yang cair. Sebagian besar protein struktural merupakanprotein berserat; misalnyakolagendanelastinadalah komponen penting darijaringan ikatsepertitulang rawan, sementarakeratinditemukan pada struktur keras atau berfilamen sepertirambut,kuku,bulu,tapak, dan beberapacangkang hewan.Beberapaprotein globularjuga dapat memiliki fungsi struktural, misalnyaaktindantubulinyang bersifat globular dan dapat larut sebagai monomer, tetapiberpolimerisasiuntuk membentuk serat kaku dan panjang yang membentuksitoskeleton, yang memungkinkan sel untuk mempertahankan bentuk dan ukurannya.
Protein lain yang berfungsi struktural adalahprotein motoriksepertimiosin,kinesin, dandinein, yang mampu menghasilkan gaya mekanis. Protein-protein ini sangat penting untukmotilitasseluler pada organisme bersel tunggal danspermapada banyak organisme multisel yang bereproduksisecara seksual. Mereka juga menghasilkan kekuatan yang digunakan dalam kontraksiotot,serta memainkan peran penting dalam transportasi intraseluler.
Aktivitas dan struktur protein dapat diperiksasecarain vitro,in vivo, danin silico. Studiin vitrotentang protein yang dimurnikan dalam lingkungan terkontrol berguna untuk mempelajari bagaimana protein menjalankan fungsinya. Misalnya, studikinetika enzimmengeksplorasimekanisme kimiawidari aktivitas katalitik enzim dan afinitas relatifnya terhadap berbagai kemungkinan molekul substrat. Sebaliknya, percobaanin vivodapat memberikan informasi tentang peran fisiologis protein dalam konteksselatau bahkanorganismesecara keseluruhan. Studi insilicomenggunakan metode komputasi untuk mempelajari protein.
Untuk melakukan analisisin vitro, protein harus dimurnikan dari komponen seluler lainnya. Proses ini biasanya dimulai denganlisis sel, ketika membran sel terganggu dan isi internalnya dilepaskan ke dalam larutan yang dikenal sebagailisat mentah. Campuran yang dihasilkan dapat dimurnikan menggunakanultrasentrifugasi, yang memfraksinasi berbagai komponen seluler menjadi fraksi yang mengandung protein yang dapat larut; membranlipiddan protein;organelseluler, danasam nukleat.Pengendapandengan metode yang dikenal sebagaipengendapan terinduksi-garamdapat memusatkan protein dari lisat ini. Berbagai jeniskromatografikemudian digunakan untuk mengisolasi protein yang diinginkan berdasarkan sifat-sifat seperti berat molekul, muatan bersih, dan afinitas pengikatan.Tingkat pemurnian dapat dipantau dengan menggunakan berbagai jeniselektroforesis geljika berat molekul dantitik isoelektrikprotein yang diinginkan diketahui, denganspektroskopijika protein memiliki fitur spektroskopi yang dapat dibedakan, atau denganuji enzimjika protein memiliki aktivitas enzimatik. Selain itu, protein dapat diisolasi sesuai dengan muatannya menggunakanpemfokusan listrik.
Untuk protein alamiah, serangkaian langkah pemurnian mungkin diperlukan untuk mendapatkan protein yang cukup murni untuk aplikasi laboratorium. Untuk menyederhanakan proses ini,rekayasa genetikasering digunakan untuk menambahkan sifat kimiawi pada protein yang membuatnya lebih mudah untuk dimurnikan tanpa memengaruhi struktur atau aktivitasnya. Di sini, sebuah "penanda" yang terdiri dari urutan asam amino tertentu, biasanya serangkaian residuhistidin(sebuah "penanda-His"), dilampirkan ke salah satu ujung protein. Akibatnya, ketika lisat dilewatkan ke kolom kromatografi yang mengandungnikel, residu histidin mengikat nikel dan menempel pada kolom, sementara komponen lisat yang tidak diberi tanda lewat tanpa hambatan. Sejumlah tag berbeda telah dikembangkan untuk membantu peneliti memurnikan protein tertentu dari campuran yang kompleks.
Studi tentang proteinin vivosering kali berkaitan dengan sintesis dan lokalisasi protein di dalam sel. Meskipun banyak protein intraseluler disintesis dalamsitoplasmadan protein-terikat-membran atau protein-tersekresi diretikulum endoplasma(RE), cara spesifik tentang bagaimana proteinditargetkanke organel atau struktur seluler tertentu sering kali tidak jelas. Teknik yang berguna untuk menilai lokalisasi seluler adalah menggunakan rekayasa genetika untuk mengekspresikan di dalam sel, suatuprotein fusiataukimerayang terdiri dari protein alami yang diinginkan yang dihubungkan dengan "pelapor" sepertiprotein berpendar hijau(GFP).Posisi protein yang menyatu di dalam sel dapat divisualisasikan dengan bersih dan efisien menggunakan mikroskop, seperti yang ditunjukkan pada gambar.
Metode lain untuk menjelaskan lokasi seluler dari protein memerlukan penggunaan penanda kompartemen untuk daerah seperti RE, badan Golgi, lisosom atau vakuola, mitokondria, kloroplas, membran plasma, dan lainnya. Dengan penggunaan penanda berpendar (fluoresen) atau antibodi terhadap penanda, identifikasi lokalisasi protein yang diinginkan akan menjadi lebih mudah. Misalnya,imunofluoresensi tidak langsungakan memungkinkan kolokalisasi fluoresensi dan demonstrasi lokasi. Pewarna fluoresen digunakan untuk memberi label pada kompartemen seluler untuk tujuan yang sama.
Kemungkinan lain juga ada. Misalnyaimunohistokimiabiasanya menggunakan antibodi terhadap satu protein yang diinginkan atau lebih, yang dikonjugasikan ke enzim yang menghasilkan sinyal bercahaya atau kromogenik yang dapat dibandingkan antarsampel, sehingga memungkinkan informasi lokalisasi. Teknik lain yang dapat diterapkan adalah kofraksionasi dalam gradien sukrosa (atau bahan lain) menggunakansentrifugasi isopiknik.Meskipun teknik ini tidak membuktikan kolokalisasi kompartemen dengan kepadatan yang diketahui dan protein yang diinginkan, teknik ini meningkatkan kemungkinan, dan lebih dapat diterima untuk penelitian skala besar.
Metode standar emas untuk lokalisasi seluler adalahmikroskop imunoelektron. Teknik ini juga menggunakan antibodi terhadap protein yang diinginkan, yang menggunakan teknik mikroskop elektron klasik. Sampel disiapkan untuk pemeriksaan mikroskopis elektron normal dan kemudian diberi antibodi terhadap protein yang diinginkan yang dikonjugasikan ke bahan yang sangat padat-elektro, biasanya emas. Hal ini memungkinkan untuk lokalisasi, baik detail ultrastruktur maupun protein yang diinginkan.
Melalui penerapan rekayasa genetika lain yang dikenal sebagaimutagenesis-terarah-situs, para peneliti dapat mengubah urutan protein dan strukturnya, lokalisasi seluler, serta kerentanannya terhadap regulasi. Teknik ini bahkan memungkinkan penggabungan asam amino yang tidak alami ke dalam protein menggunakan tRNA yang dimodifikasi,dan memungkinkandesainrasional protein baru dengan sifat baru.
Jumlah komplemen protein yang ada pada suatu waktu dalam sel atau jenis sel dikenal sebagaiproteoma, dan studi tentang kumpulan data berskala besar tersebut yaituproteomika, yang dinamai sesuai dengan analoginya dalam genom yaitugenomika. Teknik eksperimental utama dalam proteomika meliputielektroforesis 2Dyang memungkinkan pemisahan banyak protein,spektrometri massayang memungkinkan identifikasi protein dengan kecepatan tinggi dan pengurutan peptida dengan cepat (paling sering setelahpencernaan dalam gel),protein susunan-mikroyang memungkinkan deteksi jumlah berbagai protein yang ada dalam sel secara relatif, danpenapisan dua-hibridyang memungkinkan eksplorasi sistematisinteraksi protein-protein.Jumlah komplemen yang mungkin secara biologis dari interaksi-interaksi semacam itu dikenal sebagaiinteraksioma. Upaya sistematis untuk menentukan struktur protein yang mewakili setiap kemungkinan lipatan dikenal sebagaigenomika struktural.
Berbagai macam metode komputasi telah dikembangkan untuk menganalisis struktur, fungsi, dan evolusi protein. Perkembangan metode-metode tersebut didorong oleh sejumlah besar data genomik dan proteomik yang tersedia untuk berbagai organisme, termasukgenom manusia. Tidak mungkin mempelajari semua protein secara eksperimental sehingga hanya sedikit protein yang menjadi sasaran eksperimen laboratorium. Sementara itu, alat komputasi digunakan untuk mengekstrapolasi ke protein yang serupa.Protein homologdapat diidentifikasi secara efisien pada organisme yang berkerabat jauh melaluipenjajaran urutan. Urutan-urutan genom dan gen dapat dicari dengan berbagai alat untuk properti tertentu.Alat pembuat profil urutandapat menemukan situsenzim restriksi,rangka baca terbukadalam urutannukleotida, dan memprediksi struktur sekunder protein.Pohon filogenetikadapat dibuat dan hipotesisevolusidikembangkan menggunakan perangkat lunak khusus sepertiClustalWuntuk mengetahui nenek moyang organisme modern dan gen yang mereka ekspresikan. Bidangbioinformatikasangat diperlukan untuk analisis gen dan protein.
Penemuan struktur tersier dari suatu protein, atau struktur kuaterner dari kompleks protein, dapat memberikan petunjuk penting tentang bagaimana protein tersebut menjalankan fungsinya dan bagaimana fungsi ini dapat dipengaruhi, misalnya dalammendesain obat. Karena proteinterlalu kecil untuk dilihatdi bawahmikroskop cahaya, metode lain harus digunakan untuk menentukan strukturnya. Metode eksperimental yang umum meliputikristalografi sinar-Xdanspektroskopi NMR, keduanya dapat menghasilkan informasi struktural pada resolusiatomik. Eksperimen NMR mampu memberikan informasi dari mana subset jarak di antara pasangan atom dapat diperkirakan, dan kemungkinan konformasi akhir sebuah protein ditentukan dengan memecahkan masalahgeometri jarak.Interferometri polarisasi gandaadalah metode analitik kuantitatif untuk mengukurkonformasi proteinsecara keseluruhan danperubahan konformasiakibat interaksi atau rangsangan lainnya. Dikroisme sirkuler adalah teknik laboratorium lain untuk menentukan komposisi untiran-alfa atau lembaran-beta internal dari protein.Mikroskop krioelektrondigunakan untuk menghasilkan informasi struktural beresolusi rendah tentang kompleks protein yang sangat besar, termasukvirusyang telah dirakit;varian yang dikenal sebagaikristalografi elektronjuga dapat menghasilkan informasi resolusi tinggi dalam beberapa kasus, terutama untuk kristal protein membran dua dimensi.Struktur yang diselesaikan biasanya disimpan diBank Data Protein(PDB), sumber daya yang tersedia secara bebas mengenai data struktural dari ribuan protein yang dapat diperoleh dalam bentukkoordinat Cartesianuntuk setiap atom dalam protein.
Urutan gen lebih banyak diketahui dibandingkan struktur protein. Lebih jauh, himpunan struktur protein yang terselesaikan cenderung bias terhadap protein yang dapat dengan mudah mengalami kondisi yang diperlukan untukkristalografi sinar-X, salah satu metode utama penentuan struktur protein. Secara khusus, protein globular secara komparatif mudah untukmengkristalsebagai persiapan untuk kristalografi sinar-X. Sebaliknya, protein membran dan kompleks protein besar sulit untuk dikristalisasi dan kurang terwakili dalam PDB.Genomika strukturaltelah berusaha untuk memperbaiki kekurangan ini dengan secara sistematis memecahkan struktur perwakilan dari kelas-kelas lipatan utama. Metodeprediksi struktur proteinmencoba mencari cara untuk menghasilkan struktur yang masuk akal untuk protein yang strukturnya belum ditentukan secara eksperimental.
Untuk melengkapi bidang genomika struktural,prediksi struktur proteinmengembangkanmodel matematikaprotein yang efisien untuk memprediksi formasi molekul secara komputasi dalam teori, alih-alih mendeteksi struktur dengan observasi laboratorium.Jenis prediksi struktur yang paling berhasil, yang dikenal sebagaipemodelan homologi, bergantung pada keberadaan struktur "templat" dengan kemiripan urutan terhadap protein yang dimodelkan; tujuan genomika struktural adalah memberikan representasi yang memadai dari struktur yang terselesaikan untuk memodelkan sebagian besar struktur yang tersisa.Meskipun menghasilkan model yang akurat tetap menjadi tantangan ketika yang tersedia hanyalah struktur templat yang berkaitan jauh, disimpulkan bahwapenyelarasan urutanadalah penghambat dalam proses ini karena model yang cukup akurat dapat dihasilkan jika penyelarasan urutan yang "sempurna" diketahui.Banyak metode prediksi struktur telah menyediakan informasi bagi bidangrekayasa protein, yang baru-baru ini muncul, ketika lipatan protein yang baru telah dirancang.Masalah komputasi yang lebih kompleks yaitu prediksi interaksi antarmolekul, seperti dalamperkaitan molekulerdanprediksi interaksi protein-protein.
Model matematika untuk mensimulasikan proses dinamis daripelipatandan pengikatanproteinmelibatkanmekanika molekuler, khususnyadinamika molekuler. TeknikMonte Carlomemfasilitasi komputasi, yang memanfaatkan kemajuan dalam komputasi paralel danterdistribusi(misalnya proyekFolding@homeyang melakukan pemodelan molekuler padaGPU). Simulasiin silicomenemukan lipatandomain proteinuliran-alfa yang kecil seperti bagian-kepala proteinvilindan protein aksesoriHIV.Metode hibrida yang menggabungkan dinamika molekul standar dengan matematikamekanika kuantumtelah menjelajahi keadaan elektronikrhodopsin.
Banyak protein (pada eukariota ~33%) mengandung segmen besar yang tidak terstruktur tetapi berfungsi secara biologis dan dapat diklasifikasikan sebagaiprotein yang tidak teratur secara intrinsik.Oleh karena itu, memprediksi dan menganalisis kelainan protein merupakan bagian penting dari karakterisasi struktur protein.
Jumlah kandungan nitrogen dari bahan organik terutama dibentuk oleh gugus amino dalam protein. Total Kjeldahl Nitrogen (TKN) adalah ukuran nitrogen yang banyak digunakan dalam analisis air (limbah), tanah, makanan, pakan, dan bahan organik secara umum. Seperti namanya,metode Kjeldahlditerapkan untuk menganalisisnya. Meskipun demikian, metode lain yang lebih sensitif juga tersedia.
Kebanyakanmikroorganismedan tumbuhan dapat melakukan biosintesis untuk menghasilkan semua 20 asam amino standar, sedangkan hewan (termasuk manusia) harus memperoleh beberapa asam amino darimakanan.Asam amino-asam amino yang tidak dapat disintesis sendiri oleh organisme disebut sebagaiasam amino esensial. Enzim kunci yang menyintesis asam amino tertentu tidak terdapat pada hewan—sepertiaspartokinase, yang mengkatalisis langkah pertama dalam sintesislisin,metionin, dantreonindariaspartat. Jika asam amino ada di lingkungan, mikroorganisme dapat menghemat energi dengan mengambil asam amino dari lingkungannya danmenurunkanjalur biosintetiknya.
Pada hewan, asam amino diperoleh melalui konsumsi makanan yang mengandung protein. Protein yang tertelan kemudian dipecah menjadi asam amino melaluipencernaan, yang biasanya melibatkandenaturasiprotein melalui paparanasamdanhidrolisisoleh enzim yang disebutprotease. Beberapa asam amino yang dicerna digunakan untuk biosintesis protein, sementara yang lain diubah menjadiglukosamelaluiglukoneogenesis, atau dimasukkan ke dalamsiklus asam sitrat. Penggunaan protein sebagai bahan bakar sangat penting dalam kondisikelaparankarena memungkinkan protein tubuh digunakan untuk menyokong kehidupan, terutama protein yang ditemukan diotot.
Pada hewan seperti anjing dan kucing, protein menjaga kesehatan dan kualitas kulit dengan mendorong pertumbuhan folikel rambut dan keratinisasi sehingga mengurangi kemungkinan munculnya bau busuk pada kulit.Protein berkualitas buruk juga berperan dalam kesehatan saluran cerna dengan meningkatkan potensi perut kembung dan senyawa berbau pada anjing karena ketika protein mencapai usus besar dalam keadaan tidak tercerna, mereka difermentasi menghasilkan gas hidrogen sulfida, indol, dan skatol.Anjing dan kucing mencerna protein hewani lebih baik dibandingkan protein nabati, tetapi produk hewani berkualitas rendah dicerna dengan buruk, termasuk kulit, bulu, dan jaringan ikat.
Kekurangan protein bisa mengakibatkan kerontokan rambut (rambut terdiri dari 97-100% darikeratin) hinggabusung lapar, penyakit kekurangan protein.Kekurangan protein yang terus menerus menyebabkanmarasmusdan berkibat kematian.
Studi dari Biokimiawan USA Thomas OsborneLafayete Mendel, Profesor untuk biokimia di Yale, 1914, mengujicobakan protein konsumsi dari daging dan tumbuhan kepadakelinci. Satu grup kelinci-kelinci tersebut diberikan makananprotein hewani, sedangkan grup yang lain diberikanprotein nabati. Dari eksperimennya didapati bahwa kelinci yang memperoleh protein hewani lebih cepat bertambah beratnya dari kelinci yang memperoleh protein nabati. Kemudian studi selanjutnya, oleh McCay dariUniversitas Berkeleymenunjukkan bahwa kelinci yang memperoleh protein nabati, lebih sehat dan hidup dua kali lebih lama.