Proteiini

Proteiini eli valkuaisaine on aminohappoketjusta koostuva orgaaninen yhdiste tai usein monen toisiinsa liittyneen aminohappoketjun muodostama kompleksi. Proteiinit kuuluvat perusravintoaineisiin rasvojen ja hiilihydraattien kanssa. Lähes kaikilla tunnetuilla eliöillä proteiineja muodostavat samat 20 aminohappoa. Aminohapot ovat sitoutuneet toisiinsa peptidisidoksin. Aminohappoketjuja kutsutaan myös polypeptideiksi. Muutaman aminohapon ketju on oligopeptidi. Aminohappoketjujen katsotaan aina alkavan siitä päästä, jossa on vapaa aminoryhmä (nk. N-pää tai N-terminaali) ja loppuvan päähän, jossa on vapaa karboksyyliryhmä (nk. C-pää tai C-terminaali).

Proteiinien tehtäviä

Proteiinit ovat kaikkien solujen rakennusaineita. Niitä on useimpien solujen kuivamassasta yli 50 %. Rakennusaineina olemisen lisäksi proteiinit suorittavat lähes kaikki solun toiminnot ja ovat siten välttämättömiä elintoiminnoille. Proteiineja tarvitaan elimistössä sen typen, nesteen, hapon, emäksen sekä kaliumin ja natriumin tasapainon ylläpitämiseen. Proteiinit mahdollistavat solujen liikkumisen, yhteenliittämisen, signaalivälityksen ja immuunipuolustuksen. Ne myös säätelevät geenejä eli toimivat transkriptiotekijöinä. Jotkin proteiinit toimivat entsyymeinä.
Solukalvoissa sijaitsevat proteiinit toimivat kanavina ja pumppuina, joiden avulla säädellään pienten molekyylien kulkua solusta ulos ja sisään soluun, sekä reseptoreina, jotka välittävät viestejä solun ulkopuolelta solun sisälle. Proteiinit voivat olla ikään kuin molekulaarisia koneita: Solunsisäiset moottoriproteiinit, esimerkiksi kinesiini, huolehtivat molekyylien kuljetuksesta sytoplasmassa ja topoisomeraasit kykenevät muuttamaan DNA:n rakennetta. Proteiinit voivat erikoistua moniin vaihteleviin tehtäviin: Vasta-aineiksi mahdollistamaan elimistölle vieraiden kappaleiden ja solujen, esimerkiksi bakteerien ja virusten, tuhoamisen, toksiineiksi, hormoneiksi, kuten insuliini ja glukagoni, jäätymisenestoproteiineiksi, soluväliaineen elastisiksi säikeiksi tai luminesenssin lähteiksi. Proteiineja muodostuu elimistössä DNA:n koodaamina aminohapoista translaatiossa.

Luokittelu

Proteiineja voidaan luokitella eri tavoin, ja monet proteiinit kuuluvat useampaan kuin yhteen alla esitellyistä luokista. Näille luokille voi olla myös omat alaluokkansa.

Muut

Proteiineja luokitellaan monin eri tavoin niiden kolmiulotteisen muodon eli laskostumistavan mukaan. Nämä luokittelumenetelmät ovat osin subjektiivisia. Yksi tällainen hyvin yleinen menetelmä on SCOP-tietokannan (eng. Structural Classification of Proteins) käyttämä tapa, jossa luokittelu suoritetaan osin manuaalisesti ja se vaatii asiantuntijuutta. SCOP-luokittelussa proteiinit jaetaan "taksoneihin" rakenteen perusteella. Taksonit ovat ylimmästä alimpaan: luokka, laskos, superperhe ja perhe. Luokka-taksonin luokkia ovat mm. vain α-kierteitä sisältävät proteiinit ja vain β-levyjä sisältävät proteiinit.
Entsyymien kohdalla yleinen ja yleispätevä luokittelutapa ovat niiden katalysoiman reaktion tyyppiin perustuvat EC-numerot.
Proteiineja luokitellaan myös niiden evoluutiohistorian perusteella. Tätä kehityshistoriaa tutkii fylogenetiikka, jossa eräs proteiinien kehityshistorian esitystapa ovat proteiinien "sukupuut" eli fylogeneettiset puut.

Tarve ja saanti

Proteiinien tarve vaihtelee yksilöllisesti, esimerkiksi iän ja liikuntatottumusten mukaan. Suomalaisten ravitsemussuositusten mukaan proteiinin osuus energiansaannista tulisi olla noin 10–20 E%. Työikäiseen väestöön kuuluvan keskimääräiset 1888 kilokaloria nauttivan henkilön pitäisi siten saada päivittäin 47–93 grammaa proteiinia. Proteiinien osuus työikäisten suomalaisten energiansaannista on nykyisin 17 prosenttia. Naiset saavat ravinnosta proteiinia keskimäärin 67 grammaa päivässä ja miehet 89 grammaa. Vanhukset tarvitsevat keski-ikäisiä enemmän proteiineja eli 80–100 grammaa päivässä. Suomalaiset saavat proteiinin suurimmaksi osaksi liharuoista, maitovalmisteista sekä vilja- ja leivontatuotteista.

Puute

Proteiinien liian vähäisestä saannista voi olla vakavia seurauksia. Esimerkiksi kehitysmaissa yleinen kvašiorkor on pienillä lapsilla esiintyvä proteiinin puutteellisesta saannista aiheutuva vakava sairaus. Toinen tunnettu proteiininpuutostauti marasmi johtuu riittämättömästä energian ja proteiinin saannista. Oireina ovat lihasten heikkeneminen, kasvun pysähtyminen sekä kehon kyvyttömyys säilyttää lämpöä.
Japanilaisen tutkimuksen mukaan vanhoilla miehillä liian vähäinen eläinproteiinin saanti yhdistyy selvästi heikentyneeseen kykyyn toimia älyllisesti, sosiaalisesti ja arkipäivän askareissa, tutkimus ei kuitenkaan tee eroa kasviproteiinien ja eläinproteiinien välillä.

Liikasaanti

Runsaalla proteiinien saannilla ei ole terveyttä edistäviä vaikutuksia, koska tarvetta suuremmat proteiinimäärät käytetään lähinnä energian tuotantoon. Liiallinen proteiinien syönti lisää janontunnetta ja virtsaneritystä, mikä saattaa rasittaa munuaisia, suolistoa ja aiheuttaa kehon kuivumista. Lisäksi runsas proteiinien saanti lisää jonkin verran kalsiumin eritystä virtsaan.

Proteiinisynteesi

Proteiinisynteesi käynnistyy kun jokin geeni aktivoituu sen säätelyalueeseen kiinnittyneiden proteiinimolekyylien avulla. RNA-polymeraasientsyymi rakentaa lähetti-RNA:n tumassa transkriptiossa (RNA-synteesissä). Eli entsyymit aukaisevat DNA:n kaksoiskierteen ja nukleotidien vetysidokset katkeavat hetkellisesti. Geenin luenta alkaa, kun RNA-polymeraasientsyymi kiinnittyy geenin promoottoriosaan. RNA-polymeraasi etenee emäspariperiaatteen mukaisesti nukleotidi kerrallaan. Lähetti-RNA:n valmistuessa DNA sulkeutuu taas kaksoiskierteeksi. Näin valmistuu esiaste-RNA, jossa ovat mukana myöskin geenin intronialueet.
Silmukoinnissa esiaste-RNA:sta tehdään lähetti-RNA:ta. Intronialueet ”silmukoidaan” pois entsyymeillä ja valmis lähetti-RNA (yleensä 1 000–1 500 nukleotidia) lähetetään tumahuokosten kautta solulimaan. 
Solulimassa lähetti-RNA kulkeutuu ribosomin pinnalle ja kulkeutuu sen pinnalla kunnes kohtaa aloituskolmikon, joka on AUG. Lähetin sisältämä ohje tulkitaan 3 emäksen joukkoina emäspariperiaatteen mukaisesti. DNA:ssa on neljä erilaista aminohappoa, joten emäskolmikkoja on mahdollista rakentua 64 erilaista. Aloituskolmikon jälkeen: järjestyksessä jokaista kolmikkoa vastaava siirtäjä-RNA (toisessa päässä vastinemäskolmikko ja toisessa sitä vastaava aminohappo) kiinnittyy kolmikkoon ja alkaa näin rakentamaan aminohappojen järjestystä. Oikea aminohappo kiinnittyy peptidisidoksella aminohappoketjuun. Lähetti-RNA liikkuu ribosomia pitkin kunnes saavuttaa lopetuskolmikon ja irtoaa ribosomista. Aminohappoketju eli polypeptidi on noin 100–1000 aminohappoa. Lopuksi entsyymit pilkkovat lähetti RNA:n nukleotideiksi ja aminohappoketju saa sen primaari- ,sekundaari- ,tertiaari- ja kvartaarirakenteensa.

Denaturaatio

Proteiinit menettävät rakenteensa eli denaturoituvat, jos ne joutuvat niille epäsuotuisiin oloihin, esimerkiksi kuumaan lämpötilaan tai hyvin happamiin tai emäksisiin olosuhteisiin. Myös alkoholit ja suuri suolapitoisuus voivat denaturoida proteiineja. Proteiinien denaturoituessa ne menettävät funktionsa ja toimintakykynsä. Denaturaatio voi olla pysyvää tai väliaikaista. Ihmisen proteiinit voivat denaturoitua, jos elimistön lämpötila nousee yli 42 asteeseen. Denaturaation vastareaktio on renaturaatio, jossa proteiinit saavat takaisin rakenteensa. Yli 42 asteen kuume aiheuttaa ihmiskehon proteiinien denaturoitumista, kuume harvoin kohoaa näin korkeaksi, mutta sellaisessa tapauksessa potilasta täytyy jäähdyttää esimerkiksi asettamalla hänet kylmävetiseen kylpyammeeseen. Aivojen proteiinien denaturoituminen vaikuttaa pysyvästi ihmisen aivotoimintaan.
Denaturaatiota käytetään hyväksi ruoan, muun muassa juustojen, lihan ja kananmunien, valmistuksessa.

Löytö- ja tutkimushistoria

Nykyisin proteiineina tunnettuja aineita tutkivat jo 1700-luvulla muun muassa Beccari, Parmentier, Berthollet ja Antoine Fourcroy. He pitivät nämä aineet muista erottavana tuntomerkkinä erityisesti sitä, että ne koaguloituvat tai saostuvat kuumassa tai happojen vaikutuksesta. Heidän tutkimiaan proteiineja olivat muun muassa munanvalkuainen, veren seerumialbumiini, fibriini ja vehnän gluteeni.
Tarkemmin proteiineja tutki 1800-luvulla hollantilainen kemisti Gerardus Mulder Hän selvitti monien yleisten proteiinien alkuainekoostumuksen ja totesi, että melkein kaikilla proteiineilla oli sama empiirinen kaava, C₄₀₀H₆₂₀N₁₀₀O₁₂₀P₁S₁. Tästä hän päätteli, että kaikki proteiinit koostuisivat samanlaisista, hyvin suurista molekyyleistä. Mulder tunnisti myös joukon proteiinien hajotessa syntyviä aineita kuten aminohappo leusiinin, jolle hän esitti lähes oikean molekyylipainon 131 atomimassayksikköä.
Nimen proteiini näille aineille antoi Mulderin työtoverina toiminut ruotsalainen kemisti Jöns Jacob Berzelius vuonna 1838. Sana on johdettu kreikan kielen sanasta πρώτειος (proteios), joka merkitsee "ensisijaista", "johtavaa" tai "edellä seisovaa". Aikaisemmin näistä aineista oli käytetty muun muassa nimiä "albumiinit" tai "alnumiiniset materiaalit", saksaksi Eiweisskörper ("munanvalkuaisaineet"), mistä myös suomenkielinen nimitys valkuaisaineet on peräisin.
Varhaiset ravitsemustieteilijät kuten saksalainen Carl von Voit pitivät proteiinia kaikkein tärkeimpänä ravintoaineena ruumiinrakenteen ylläpitämiseksi, sillä yleisesti uskottiin, että "liha tekee lihaa.". Karl Heinrich Ritthausen laajensi tunnettujen proteiinilaatujen joukkoja tunnistaessaan glutamiinihapon. Thomas Burr Osborne laati Connectitutin maatalouden koeasemalla yksityiskohtaisen yhteenvedon kasviproteiineista. Yhdessä Lafayette Mendelin kanssa ja soveltaen Liebigin minimilakia laboratoriorottien ruokintaan hän tunnisti ravitsemuksen kannalta välttämättömät aminohapot. Työtä jatkoi ja sen tuloksia julkaisi William Cumming Rose. Vuonna 1902 Franz Hofmeister ja Hermann Emil Fischer osoittivat tutkimuksillaan, että proteiinit ovat rakenteeltaan aminohapoista koostuvia polypeptideja Proteiinien keskeinen merkitys elävien olentojen entsyymeinä kävi selväksi vasta, kun James B. Sumner vuonna 1926 osoitti, että ureaasi-entsyymi on proteiini.
Useimpia proteiineja on vaikea eristää puhtaina suuria määriä, minkä vuoksi varhaisten biokemistien oli vaikea tutkia niitä. Siksi varhainen tutkimus keskittyikin niihin proteiineihin, joita on muita helpompi eristää puhtaina ja joita on muun muassa veressä, munanvalkuaisessa, erilaisissa toksiineissa ja ruoansulatusentsyymeissä, joita oli saatavissa teurastamoista. Armour Hot Dog Co. eristi 1950-luvulla kilogramman verran puhdasta naudan haimasta saatua ribonukleaasi A:ta ja tarjosi sitä tiedemiehille vapaasti saatavaksi. Tämän vuoksi ribonukleaasi A:sta tulikin seuraaviksi vuosikymmeniksi keskeinen biokemiallisten tutkimusten kohde.
Linus Pauling esitti ensimmäisenä, että tavallisten proteiinien sekundaarirakenne perustuu vetysidoksiin, mitä ajatusta William Astbury vuonna 1933 kehitti edelleen. Walter Kauzmannin myöhemmät denaturoitumista koskevat tutkimukset, jotka osittain perustuivat Kaj Linderstrøm-Langin aikaisempiin tutkimuksiin, selvittivät proteiinien laskostumisen ja hydrofobisten vuorovaikutusten välittämät rakenteet.
Ensimmäinen proteiini, jonka aminohappojärjestys selvitettiin, oli insuliini, jonka osalta asian selvitti Frederick Sanger vuonna 1949. Selvittäessään aminohappojen järjestyksen hän osoitti myös lopullisesti, että proteiinimolekyylit ovat aminohappojen lineaarisia polymeerejä, eivät haarautuneita ketjuja, kolloideja tai sykloleja Tästä saavutuksestaan hän sai vuonna 1958 Nobelin kemianpalkinnon.
Ensimmäiset proteiinit, joiden kolmiulotteinen rakenne selvitettiin, olivat hemoglobiini ja myoglobiini, joista edellisen rakenteen selvitti Max Perutz, jälkimmäisen John Kendrew, molemmat vuonna 1958. 2018 loppuun mennessä Protein Data Bankiin on kerätty 136 896 proteiinin atomirakenteet. Viime aikoina atomien sijainteja toistensa suhteen molekyyleissä on tutkittu kryoelektronimikroskopialla, ja pienten proteiinien osalta niitä on voitu myös laskennallisesti ennustaa.