प्रोटीन संरचना

प्राथमिक संरचना

भिन्न अमीनो एसिड का अनुक्रम, प्रोटीन या पेप्टाइड की प्राथमिक संरचना कहलाता है। अवशेषों की गिनती हमेशा N-टर्मिनल छोर पर शुरू होती है (NH₂ समूह), वह छोर, जहां अमीनो समूह, पेप्टाइड बॉन्ड में शामिल है। एक प्रोटीन की प्राथमिक संरचना, उस जीन से निर्धारित होती है जो उस प्रोटीन के साथ मेल खाता है। DNA में न्युक्लियोटाइड का एक विशिष्ट अनुक्रम mRNA में प्रतिरूपित होता है, जिसे रूपांतरण कही जाने वाली एक प्रक्रिया में राइबोज़ोम द्वारा पढ़ा जाता है। एक प्रोटीन का अनुक्रम उस प्रोटीन के लिए अनोखा होता है और उस प्रोटीन की संरचना और क्रिया को परिभाषित करता है। एक प्रोटीन के अनुक्रम को एडमन डीग्रडेशन या टेन्डम मास स्पेक्ट्रोमेट्री जैसे तरीकों द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। लेकिन अक्सर, इसे उस जीन के अनुक्रम से सीधे पढ़ा जाता है जो आनुवंशिक कोड का उपयोग करता है। रूपांतरण-पश्चात के संशोधन, जैसे डीसल्फाइड निर्माण, फोस्फोरिलेशन और ग्लाइकोजाईलेशन को भी आम तौर पर प्राथमिक संरचना का एक हिस्सा माना जाता है और उसे जीन से नहीं पढ़ा जा सकता है।

माध्यमिक संरचना

बॉन्ड की लंबाई और कोण जैसी ज्ञात जानकारी का उपयोग करते हुए पेप्टाइड्स के मॉडल के निर्माण द्वारा, माध्यमिक संरचना के प्रथम तत्वों, अल्फा हेलिक्स और बीटा शीट को लिनस पौलिंग और सहकर्मियों द्वारा 1951 में सुझाया गया था। इन दो माध्यमिक संरचना तत्वों में प्रत्येक के पास एक नियमित ज्यामिति है, जिसका अर्थ है कि वे डीहाइड्रल कोण ψ और φ के विशिष्ट मूल्य से बंधे हैं। इस प्रकार, उन्हें रामचंद्रन प्लॉट के एक विशेष क्षेत्र में पाया जा सकता है। अल्फा हेलिक्स और बीटा शीट, दोनों ही पेप्टाइड रीढ़ में सभी हाइड्रोजन बॉन्ड दाताओं और स्वीकारकर्ताओं को तृप्त करने का एक तरीका प्रदर्शित करते हैं। ये माध्यमिक संरचना तत्व, केवल पॉलीपेप्टाइड मुख्य श्रृंखला के गुणों पर निर्भर करते हैं, यह समझाते हुए कि क्यों वे सभी प्रोटीन में मौजूद होते हैं। प्रोटीन का वह हिस्सा जो नियमित माध्यमिक संरचना में नहीं है, उसे एक "गैर-नियमित संरचना" कहा जाता है (यादृच्छिक कॉयल के साथ मिश्रित नहीं किया जाना चाहिए, एक खुली पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला जिसमें किसी भी त्रि-आयामी संरचना की कमी है). उसी हेलिक्स के कुछ और निरूपण को दाईं तरफ दिखाया गया है।

सुपरमाध्यमिक संरचना

माध्यमिक संरचना के तत्वों को आम तौर पर, विभिन्न किस्मों की गांठ और मोड़ों का उपयोग करते हुए एक ठोस आकार में मोड़ा जाता है। माध्यमिक संरचनाएं, सुपरमाध्यमिक संरचनाओं के गठन के लिए हाइड्रोजन बॉन्ड द्वारा बंध जाते हैं जैसे ग्रीक की. 
एक विस्तृत उदाहरण के लिए देखें सुपरमाध्यमिक संरचना.
यह भी कई वैज्ञानिकों द्वारा सुझाया गया है कि माध्यमिक संरचना केवल अमीनो एसिड अनुक्रम के द्वारा ही निर्धारित होती है।

तृतीयक संरचना

माध्यमिक संरचना के तत्वों को आम तौर पर, विभिन्न किस्मों की गांठ और मोड़ों का उपयोग करते हुए एक ठोस आकार में मोड़ा जाता है। तृतीयक संरचना का निर्माण आम तौर पर जलभीतिक अवशेष के दफन द्वारा प्रेरित होता है, लेकिन अन्य अंतर्क्रिया जैसे हाइड्रोजन बॉन्डिंग, आयनिक अंतर्क्रिया और डीसल्फाइड बॉन्ड भी तृतीयक संरचना को स्थिर कर सकते हैं। तृतीयक संरचना में ऐसी सभी गैर-सहसंयोजक अंतर्क्रिया शामिल हैं जिन्हें माध्यमिक संरचना नहीं माना जाता है और जो प्रोटीन के समग्र तह को परिभाषित करता है और आम तौर पर प्रोटीन की क्रियाओं के लिए अपरिहार्य है।

चतुर्धातुक संरचना

चतुर्धातुक संरचना, पेप्टाइड बॉन्ड की कई श्रृंखलाओं के बीच अंतर्क्रिया है। व्यक्तिगत श्रृंखला, उपइकाई कहलाती हैं। व्यक्तिगत उप-इकाई आम तौर पर सहसंयोजक तरीके से नहीं जुड़ी होती है, लेकिन एक डीसल्फाइड बॉन्ड से जुड़ी हो सकती है। सभी प्रोटीन में चतुर्धातुक संरचना नहीं होती है, क्योंकि वे मोनोमर्स की तरह कार्यात्मक हो सकते हैं। चतुर्धातुक संरचना को उसी श्रेणी की अंतर्क्रिया द्वारा स्थिर किया जाता है जिससे तृतीयक संरचना को किया जाता है। दो या दो से अधिक पॉलीपेप्टाइड के संकुल (यानी कई उपइकाई) को मल्टीमर कहा जाता है। विशेष रूप से यदि इसमें दो उपइकाई है तो इसे एक डाईमर कहा जाएगा, अगर तीन उपइकाई शामिल है तो ट्राईमर और चार उपइकाई के शामिल होने पर टेट्रामर कहा जाएगा. ये उपइकाईयां एक-दूसरे से आम तौर पर समरूपता धुरी द्वारा संबंधित हैं, जैसे डाईमर में एक 2-फोल्ड धुरी. समान उपइकाइयों से बने मल्टीमर को एक "होमो-" उपसर्ग के साथ संदर्भित किया जा सकता है (उदाहरण एक होमोटेट्रामर) और जो अलग-अलग उपइकाइयों से बने होते हैं उन्हें एक "हेट्रो-" उपसर्ग के साथ संदर्भित किया जा सकता है (जैसे एक हेट्रोटेट्रामर, जैसे हीमोग्लोबिन की दो अल्फा और दो बीटा श्रृंखला).

अमीनो एसिड की संरचना

एक α-एमिनो एसिड, एक ऐसे हिस्से से बना होता है जो सभी प्रकार के एमिनो एसिड में मौजूद होता है और एक पक्ष श्रृंखला से जो अवशेषों के प्रत्येक प्रकार के लिए अद्वितीय होता है। Cα परमाणु, 4 भिन्न परमाणुओं से बंधे होते हैं: एक हाइड्रोजन परमाणु (चित्र में H को छोड़ा गया है), एक एमिनो समूह नाइट्रोजन, एक कार्बोज़ाइल समूह कार्बन और इस प्रकार के अमीनो एसिड के लिए विशेष एक साइड चेन कार्बन. इस नियम का अपवाद है प्रोलाइन, जहां हाइड्रोजन परमाणु, पक्ष की श्रृंखला पर एक बॉन्ड द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। क्योंकि कार्बन परमाणु चार अलग-अलग समूहों के साथ बंधा होता है जिसके साथ वह काइरल है, लेकिन समावयव में से केवल एक ही जैविक प्रोटीन में मौजूद होता है। ग्लाईसीन हालांकि, काइरल नहीं है क्योंकि इसकी पक्ष श्रृंखला एक हाइड्रोजन परमाणु है। सही L-फॉर्म के लिए एक सरल स्मरक है "CORN": जब Cα परमाणु को सामने H के साथ देखा जाता है, तो अवशेष पर दक्षिणावर्त दिशा में लिखा होता है "CO-R-N".
पक्ष श्रृंखला, α-एमिनो एसिड के रासायनिक गुण को निर्धारित करता है और 20 विभिन्न पक्ष श्रृंखला के किसी भी एक को:
स्वाभाविक रूप से मौजूद होने वाले 20 अमीनो एसिड को उनके रासायनिक गुणों के आधार पर कई समूहों में विभाजित किया जा सकता है। महत्वपूर्ण कारकों में है चार्ज, हाइड्रोफोबिसिटी/हाइड्रोफिलीसिटी, आकार और कार्यात्मक समूह. जलीय पर्यावरण के साथ विभिन्न पक्ष श्रृंखला की अंतर्क्रिया की प्रकृति, प्रोटीन संरचना को ढालने में एक प्रमुख भूमिका निभाती है। हाइड्रोफोबिक पक्ष श्रृंखला, प्रोटीन के बीच में दबी होती है, जबकि हाइड्रोफिलिक पक्ष श्रृंखला विलायक के संपर्क में रहती है।
हाइड्रोफोबिक अवशेषों के उदाहरण हैं: ल्यूसीन, आइसोल्यूसीन, फेनिलएलनिन और वालीन और एक हद तक टाइरोसीन, एलानीन और ट्रिपटोफैन. पक्ष श्रृंखला का चार्ज प्रोटीन संरचनाओं में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, क्योंकि आयन बॉन्डिंग प्रोटीन संरचनाओं को स्थिर कर सकता है और प्रोटीन के बीच में एक गैर-युग्मित चार्ज संरचना को बाधित कर सकता है। चार्ज अवशेष, बहुत अधिक हाइड्रोफिलिक होते हैं और आम तौर पर प्रोटीन के बाहर की ओर पाए जाते हैं। धनात्मक रूप से चार्ज पक्ष श्रृंखला, लाइसीन और आर्गीनीन में पाई जाती है और कुछ मामलों में हिस्टीडीन में. ऋणात्मक चार्ज ग्लुटामेट और एस्परटेट में पाए जाते हैं। शेष अमीनो एसिड में आम तौर पर विभिन्न कार्यात्मक समूहों वाली छोटी हाइड्रोफिलिक पक्ष श्रृंखला होती है। सेरीन और थ्रेओनीन में हाइड्रोक्सील समूह होता है और एस्परगिन और ग्लुटामिन में अमाइड समूह होता है। कुछ अमीनो एसिड में विशेष गुण होते हैं, जैसे सिसटाइन, जो अन्य सिसटाइन, प्रोलाइन के साथ जो चक्रीय हैं कोवैलेन्ट डिसल्फाइड बॉन्ड बना सकता है और ग्लिसीन जो छोटा और अन्य एमिनो एसिड की तुलना में अधिक लचीला है।

पक्ष-श्रृंखला रचना और रोटामर्स

पक्ष श्रृंखला के साथ लगे हुए परमाणुओं को ग्रीक वर्णमाला क्रम में ग्रीक अक्षरों द्वारा नाम दिया जाता है: α, β, γ, δ, є और इसी तरह. Cα रीढ़ के उस कार्बन परमाणु को संदर्भित करता है जो उस अमीनो एसिड, Cβ के कार्बोनिल समूह के निकटतम है, दूसरा सबसे निकटतम और इसी तरह आगे. Cα रीढ़ का एक हिस्सा है, जबकि Cβ और बाहर के परमाणु, पक्ष श्रृंखला का निर्माण करते हैं। इन परमाणुओं के बीच बॉन्ड के आसपास के डिहेड्रल कोण को χ1, χ2, χ3 आदि नाम दिया गया है। पक्ष श्रृंखला के प्रथम गतिशील परमाणु का डिहेड्रल कोण, , जिसे परिभाषित किया गया है N-C-C- के रूप में, उसे नाम दिया है χ1. अधिकांश पक्ष श्रृंखला, भिन्न रचना में हो सकते हैं जिसे गौश (-), ट्रांस और गौश (+) कहा जाता है। पक्ष श्रृंखला, आम तौर पर कंपित रचना में χ2 के आसपास आने का एक प्रयास करती हैं, जो प्रतिस्थापन परमाणुओं के इलेक्ट्रॉन कक्षीय के बीच ओवरलैप के न्यूनीकरण द्वारा प्रेरित होती है।
पक्ष-श्रृंखला की रचना की विविधता अक्सर रोटामर लाइब्रेरी में व्यक्त की जाती है। एक रोटामर लाइब्रेरी, पक्ष-श्रृंखला स्वतंत्रता के स्तर वाले प्रोटीन में प्रत्येक प्रकार के अवशेष के लिए रोटामर्स का संग्रह है। रोटामर लाइब्रेरीयों में आम तौर पर रचना और एक निश्चित रचना की आवृत्ति, दोनों के बारे में जानकारी होती है। लाइब्रेरियों में अक्सर डिहेड्रल कोण तरीके या पद्धति के बारे में विचरण के बारे में जानकारी शामिल होती है, जिसे नमूनों में इस्तेमाल किया जा सकता है।
पक्ष-श्रृंखला डिहेड्रल कोण, समान रूप से वितरित नहीं हैं, लेकिन अधिकांश पक्ष-श्रृंखला प्रकार के लिए, कोण, किसी निश्चित मूल्यों के आसपास और तंग समूहों में मौजूद होते हैं। रोटामर लाइब्रेरियों को इसलिए आम तौर पर प्रोटीन की ज्ञात संरचनाओं में पक्ष-श्रृंखला रचना के सांख्यिकीय विश्लेषण से निकाला जाता है जिसके लिए पाई गई रचना को इकठ्ठा किया जाता है या डिहेड्रल कोण स्थान को बिन में विभाजित करके और फिर प्रत्येक बिन में एक औसत रचना का निर्धारण करके. यह विभाजन आम तौर पर भौतिक, रासायनिक आधार पर होता है, जैसा कि SP3-SP3 बॉन्ड के रोटेशन का 120° बिन में विभाजन जो प्रत्येक कम्पित रचना पर केन्द्रित होता है (60°, 180°,-60°).
रोटामर लाइब्रेरियां रीढ़-स्वतंत्र, माध्यमिक-संरचना पर निर्भर, या रीढ़-निर्भर हो सकती हैं। भेद को इस आधार पर किया जाता है कि क्या रोटामर के लिए डिहेड्रल कोण और/या उनकी आवृत्तियां स्थानीय रीढ़ रचना पर निर्भर करती हैं या नहीं। रीढ़-स्वतंत्र रोटामर लाइब्रेरियां, रीढ़ रचना को संदर्भित नहीं करती हैं और इनकी गणना एक निश्चित प्रकार की उपलब्ध पक्ष-श्रृंखला से की जाती है। माध्यमिक-संरचना पर निर्भर लाइब्रेरियां, भिन्न डिहेड्रल कोण और/या  -हेलिक्स, -शीट के लिए रोटामर आवृत्तियां या कॉयल माध्यमिक संरचनाओं को प्रस्तुत करती हैं। रीढ़-निर्भर रोटामर लाइब्रेरियां रचना और/या स्थानीय आवृत्तियों पर निर्भर रीढ़ रचना जैसा कि रीढ़ डिहेड्रल कोण  और  द्वारा परिभाषित है, माध्यमिक संरचना पर ध्यान दिए बिना. अंत में, रीढ़-निर्भर रोटामर लाइब्रेरी का भिन्न रूप, स्थिति विशेष रोटामर के रूप में मौजूद है, जो आम तौर पर 5 अमीनो एसिड की लंबाई वाले टुकड़े से परिभाषित होता है, जहां केंद्रीय अवशेष की पक्ष श्रृंखला रचना की जांच होती है।

प्रोटीन संरचना में डोमेन, रूपांकन और परत

कई प्रोटीन, कई इकाइयों में व्यवस्थित होते हैं। एक संरचनात्मक डोमेन, प्रोटीन की समग्र संरचना का तत्त्व है जो स्वयं-स्थिर है और शेष प्रोटीन श्रृंखला से अक्सर स्वतन्त्र रूप से मुड़ता है। कई डोमेन, एक जीन या जीन परिवार के प्रोटीन उत्पादों के लिए अनोखे नहीं होते हैं बल्कि विभिन्न प्रोटीन में दिखाई देते हैं। डोमेन को अक्सर नाम दिया जाता है और उन्हें बाहर किया जाता है क्योंकि वे उस प्रोटीन की जैविक क्रियाओं में प्रमुख रूप से उपस्थित होते हैं जिसके अंतर्गत वे आते हैं; उदाहरण के लिए "काल्मोडुलिन का कैल्शियम-बाइंडिंग डोमेन". क्योंकि वे स्वयं-स्थिर हैं, डोमेन को आनुवांशिक इंजीनियरिंग द्वारा, काइमेरा बनाने के लिए एक प्रोटीन से दूसरे प्रोटीन में "बदला" जा सकता है। इस अर्थ में एक रूपांकन, संरचनात्मक माध्यमिक तत्वों के एक छोटे विशिष्ट संयोजन को दर्शाता है (जैसे हेलिक्स-टर्न-हेलिक्स). इन तत्वों को अक्सर सुपरमाध्यमिक संरचना कहा जाता है। फोल्ड का तात्पर्य एक वैश्विक प्रकार की व्यवस्था से होता है, जैसे हेलिक्स बंडल या बीटा-बैरल. संरचना रूपांकन आम तौर पर, केवल कुछ तत्वों से मिलकर बने होते हैं, जैसे 'हेलिक्स-टर्न-हेलिक्स' में सिर्फ तीन हैं। ध्यान दें कि जबकि एक रूपांकन के सभी उदाहरणों में तत्वों के स्थानिक अनुक्रम समान हैं, अंतर्निहित जीन के भीतर उन्हें किसी भी क्रम में कूटित किया जा सकता है। संरचनात्मक प्रोटीन रूपांकनों में अक्सर चर लंबाई और अनिर्दिष्ट संरचना के लूप शामिल होते हैं, जो प्रभावस्वरूप "स्लैक" का निर्माण करता है जो उन दो तत्वों को स्थान में लाने के लिए आवश्यक है जो सबसे निकटवर्ती DNA अनुक्रम द्वारा कूटित नहीं होते हैं। यह भी ध्यान दें है कि यहां तक कि, जब दो जीन, एक ही क्रम में एक रूपांकन के माध्यमिक संरचनात्मक तत्वों को कूटित करते हैं, तब पर भी वे अमीनो एसिड के, कुछ हद तक भिन्न कनुक्रम को निर्दिष्ट कर सकते हैं। यह न केवल तृतीयक और प्राथमिक संरचना के बीच जटिल संबंधों की वजह से सच है, बल्कि इसलिए क्योंकि तत्वों का आकार एक प्रोटीन से दूसरे प्रोटीन में बदलता है। इस तथ्य के बावजूद कि युकैरीओटिक सिस्टम में करीब 100,000 प्रोटीन व्यक्त किए गए हैं, वहां अपेक्षाकृत कम भिन्न डोमेन, संरचनात्मक रूपांकन और मोड़ हैं। यह आंशिक रूप से विकास का एक परिणाम है, क्योंकि जीन और जीन के हिस्से दोगुने किए जा सकते हैं या जीनोम के भीतर चलाए जा सकते हैं। इसका मतलब है कि, उदाहरण के लिए, एक प्रोटीन डोमेन को एक प्रोटीन से दूसरे में ले जाया जा सकता है और इस प्रकार प्रोटीन को एक नया कार्य सौंपा जा सकता है। इन तंत्रों वजह से मार्गों और तंत्रों का कई अलग-अलग प्रोटीन में पुनः उपयोग किया जा सकता है।

प्रोटीन तह

एक बिना तह किया हुआ पॉलीपेप्टाइड, यादृच्छिक कॉयल से तीन-आयामी संरचना की अपनी विशेषता में फोल्ड होता है।

संरचना वर्गीकरण

प्रोटीन संरचनाओं को उनकी समानता या आम विकासवादी मूल के आधार पर वर्गीकृत किया जा सकता है। SCOP और CATH डेटाबेस, दो भिन्न संरचनात्मक वर्गीकरण प्रदान करते हैं।

प्रोटीन संरचना का अभिकलनात्मक पूर्वानुमान

प्रोटीन अनुक्रम का निर्माण प्रोटीन संरचना के निर्माण की तुलना में बहुत सरल है। हालांकि, प्रोटीन की संरचना, उसके अनुक्रम की तुलना में प्रोटीन की क्रियाओं की अधिक जानकारी देती है। इसलिए, प्रोटीन संरचना के उसके अनुक्रम से अभिकलनात्मक पूर्वानुमान के लिए कई तरीकों को प्रस्तावित किया गया है। प्रारंभिक पूर्वानुमान तरीके प्रोटीन के बस अनुक्रम का उपयोग करते हैं। थ्रेडिंग मौजूदा प्रोटीन संरचनाओं का उपयोग करता है। ज्ञात संरचना के एक या एक से अधिक प्रोटीन से अज्ञात संरचना के एक प्रोटीन के एक विश्वसनीय 3D मॉडल बनाने के लिए अनुरूपता मॉडलिंग. प्रोटीन संरचना पूर्वानुमान में हाल की प्रगति और चुनौतियों की जांग द्वारा समीक्षा की गई.

प्रोटीन संरचना से संबंधित सॉफ्टवेयर

प्रोटीन संरचना के विभिन्न पहलुओं पर, अक्सर अतिव्यापी, काम कर रहे शोधकर्ताओं की सहायता के लिए सॉफ्टवेयर मौजूद हैं। सबसे बुनियादी कार्यशीलता, संरचना कल्पना प्रदान करती है। प्रोटीन संरचना के विश्लेषण को ऐसे सॉफ्टवेयर द्वारा सरल किया जा सकता जो संरचना को पंक्तिबद्ध करता है। दिए गए प्रोटीन अनुक्रम के लिए एक मौजूदा संरचनाओं के अभाव में, ऐसे तरीके मौजूद हैं जिनसे ज्ञात प्रोटीन संरचना पर आधारित ऐसे अनुक्रम की संरचना को पूर्वानुमानित या स्वरूपित किया जा सकता है। और ज्ञात या पूर्वानुमानित संरचनाओं के दिए गए मॉडल से कोई व्यक्ति सॉफ्टवेयर का उपयोग 
त्रुटियों के लिए उनको सत्यापित करने हेतु, प्रोटीन रचना परिवर्तन के पूर्वानुमान के लिए, या अधःस्तरीय बाध्यकारी साइटों के पूर्वानुमान के लिए कर सकता है।