Protein birincil yapısı

Peptit ve proteinlerin birincil yapısı, bu moleküllerin yapı birimleri olan amino asitlerin doğrusal sırası, veya daha genel olarak, bir proteini oluşturan atomlar arasındaki kovalent bağların spesifikasyonudur.

Tanım

Protein yapısını birincil, ikincil ve üçüncül olarak ayrılması 1951'de Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang tarafından önerilmiştir. Linderstrøm-Lang, proteinin katlanmamış yapısına birincil yapı, protein zincileri arasında iç bağlantılar oluşması sonucu oluşan sarmallara ikincil yapı, bu sarmallar arasında oluşan bağlantılar sonucu oluşan yapıya üçüncül yapı olarak değinmiştir. Bu tanımlama olduça genel olduğu için eleştirilmiş bu yüzden 1969'da  IUPAC-IUB Biyokimyasal Adlandırma Kuralı Komisyonu, Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang'ın tanımlamasının yeterince kesin olmadığını belirterek, birincil yapıyı "polipeptit zincirdeki amino asit dizisi" olarak tanımlanmasını önermiş ve bu tanımın "kovalent yapı" tanımından farklı olduğunu ve disülfür bağları kapsamadığını eklemiştir. Buna rağmen çoğu araştırmacı birincil yapıyı proteinin kovalent yapısı ile eş anlamlı saymaya devam etmiştir, ve günümüz ders kitaplarında birincil yapının amino asit diziden oluştuğunu ve disülfür bağlarını da kapsadığı belirtilemeye devam eder.
Tipik, disülfür bağları içermeyen, dallanmamış bir protein için onun kovalent yapısı, amino asit dizisine eşdeğerdir. Birincil yapının kovalent yapıya karşılık geldiği varsayılırsa, bir proteinin birincil yapısı onun atomik bileşiminin, ve bu atomları birleştiren bağların (sterokimyasal özellikleri de dahil olmak üzere) spesifikasyonudur.

İkinci ve üçüncül yapı ile ilişki

Bir proteinin birincil yapısı onun "üçüncül yapısı" olarak adlandırılan üç boyutlu yapısını büyük oranda belirler. Ancak, protein katlanması o kadar karmaşıktır ki, birincil yapıyı bilmek, proteinin ne şeklini, ne de yerel yapı elemanlarının yapılarını (sarmallar veya dönmeler gibi) öngörmeye yeter. Benzer diziye sahip olan başka proteinlerin (örneğin bir protein ailesinin diğer üyelerinin) yapısını bilmek, belli bir dizinin üç boyutlu yapısının oldukça güvenli şekilde hesaplanmasını mümkün kılar. Dizi aileleri dizi hizalaması yoluyla belirlenirler.

Kimyasal yapı

Proteinler genelde yirmi doğal amino asitin birbiriyle peptit bağları kurarak oluşturduğu polimerlerdir. Polimeri oluşturan birimlere amino asit kalıntısı (rezidü) denir. Proteinler "omurga" tabir edilen, düzenli tekrarlayan bir peptit "omurga" ve bu omurgaya bağlı farklı amino asit yan zincirlerinden oluşur. Bazı proteinlerde bu yan zincirler kimyasal değişime uğrayabilirler. Bazı yan zincirler arasında çapraz bağlar oluşabilir, bazılarına ise enzimler aracılığıyla farklı fonksiyonel gruplar eklenebilir (bakınız aşağıdaki #Kovalent değişimler bölümü).
Polipeptit zincirler yönlüdür, çünkü uçları farklıdır. Konvansiyon gereği, bir proteinin birincil yapısı onun amino (N) ucundan karboksi (C) ucuna doğru belirtilir.

Belirlenmesi

Proteinlerdeki amino asit dizisi DNA tarafından kodlandığı için, bir protein geninin dizisinin belirlenmesi o proteini oluşturan amino asit dizisinin belirlenmesini sağlar. Günümüzde çoğu proteinin birincil yapısı o proteinin gen dizisine dayalıdır. Ancak, DNA dizisinin genetik kod kullanılarak amino asit dizisine çevrilmesi, proteinin gerçek birincil yapısını sağlamaya yeterli değildir. Eğer proteinde disülfür bağları varsa bunların hangi sisteinler arasında olduğu DNA dizisinden anlaşılamaz. Keza, eğer proteinde çevrim sonrası bir kimyasal modifikasyon varsa (fosforilasyon veya glikozilasyon gibi), bunlar da DNA dizisinden anlaşılamaz. Bu yüzden bir proteinin birincil yapısının çözülmesi için onun doğrudan analiz edilmesi gerekir.
Bir proteinin birincil yapısının çözülmesinin ilk adımı onun amino asit bileşiminin belirlenmesidir. Edman yıkımı, proteinin N-ucundan bir amino asit kalıntısının çıkartılmasını sağlar. Bu işlem tekrar tekrar yapılarak proetinin dizisi N-uçtan içeri doğru teker teker okunabilir. Otomatik dizileme makinaları bir proteinin yaklaşık 50 amino asitlik bir kısmını okuyabilirler. Analizi kolaylaştırmak için, büyük proteinler kimyasal veya enzimatik yolla 50 kalıntıdan daha kısa parçalara bölünürler, bunlar ayrı ayrı dizilenmesinden tam proteinin dizisi elde edilebilir.
Bir proteinin birincil yapısının tam anlaşılması için disülfür bağlarının yerlerinin de belirlenmesi gerekir. Protein küçük peptitlere bölündükten sonra bu peptitler elektroforez veya kromatografik yöntemle ayrıştırılırlar. Numuneler, bir kere normal halleriyle, bir kere de disülfür bağlarının indirgenmesine yol açacak şartlar altında analiz edilir. Farklı hareket eden peptitlerin protein içinde disülfür bağı ile birbirine bağlı olduğu bu yolla anlaşılabilir.
Günümüzde kütle spektometresi, protein birincil yapısının çözülmesinde kullanılan önemli bir yöntem olmuştur. Bu yöntemle moleküllerin toplam kütlesi büyük hassasiyetle ölçülülebilir. Tripsin gibi bir proteaz kullanılarak bir proteindaha küçük parçalara bölünürse, parçaların gözlemlenen kütleleri ile DNA dizisinden beklenen kütleleri arasındaki fark, o peptit parçasında hangi kimyasal değişimin olduğuna belirlemeye yarar.

Kovalent değişimler

Genelde polipeptitler dallanmayan polimerlerdir, bu yüzden birincil yapıları genelde onları oluşturan amino asitlerin dizisi şeklinde ifade edilebilir. Ancak, proteinler çapraz bağlanabilirler. Bunun en sık görülen şekli disülfür bağları iledir, ve birincil yapıda çapraz bağlanan atomların (protein disülfür bağlarını meydana getiren sisteinlerin) da belirtilmesi de gerekebilir.
Polipeptit zincirdeki kiral merkezler rasemizasyona uğrayabilirler. Özelikle, proteinlerde bulunan L-amino asitler bazen spontan olarak  atomunda izomerize olup D-amino asitlere dönüşebilirler.
Ayrıca, proteinler çevrim sonrası değişimlere uğrayabilirler, bunlar aşağıda kısaca özetlenmiştir.

Protein birincil yapısının tarihi

Fransız kimyacı E. Grimaux proteinlerin amit bağları içerdiğini 1882'de öne sürmüştü. Proteinlerin α-amino asitlerden oluşan zincirler olduğu, 1902'de, nerdeyse aynı zamanda, Karlsbad'da düzenlenen Alman Bilim İnsanları ve Hekimler Derneğinin 74. toplantısında iki bilim insanı tarafından önerildi. Sabah, önce Franz Hofmeister, proteinlerdeki biuret reaksiyonu üzerindeki gözlemlerine dayanarak bu görüşü ortaya attı. Birkaç saat sonra, peptit bağı hakkında muazzam kimyasal bilgi biriktirmiş olan Emil Fischer onu izledi.
Bu verilere, ve proteolitik yıkıma uğrayan proteinlerin sadece oligopeptit ürün verdiğine dair kanıtlara rağmen, proteinlerin amino asitlerden meydan gelmiş, doğrusal, dalsız polimerler olduğu fikri hemen kabul görmedi. William Astbury gibi bazı saygın bilim insanları kovalent bağların bu kadar uzun molekülleri bir arada tutabilecek kadar güçlü olabileceğini şüpheyle karşılıyorlardı. Termal titreşimlerin proteinin dağılmasına yol açabileceğini düşünüyorlardı. 1920'lerde kauçuğun makromoleküllerden olşutuğunu öne süren Hermann Staudinger de benzeri ön yargılarla karşı kaşıya kalmıştı.
Bu şüpheler yüzünden alternatif hipotezler öne sürüldü. Kolloidal protein hipotezi proteinlerin daha küçük proteinlerden oluşan kolloid birleşimler olduğuydu. 1920'lerde Theodor Svedberg tarafından yapılan ultrasantrifügasyon ölçümleri proteinlerin kesin ve tekrarlanabilir bir molekül ağırlığına sahip olduğunu, ardından Arne Tiselius'un elektroforetik ölçümleri proteinlerin tekil moleküller olduğunu gösterince, bu hipotez çürütüldü. İkinci bir hipotez, Dorothy Wrinch tarafından öne sürülen siklol hipotezi idi. Bu hipoteze göre, doğrusal polipeptit, kimyasal bir siklol yeniden düzenlemesine (C=O + HN  C(OH)-N ) uğramakta ve omurga amit grupları çapraz bağlanmaktaydı, böylece iki boyutlu bir doku meydana gelmekteydi. Proteinler için başka  birinci yapılar da önerildi, örneğin, Emil Abderhalden'in diketopiperazin modeli ve Troensegaard'ın 1942'deki pirol/piperidin modeli.  Nihayet, Frederick Sanger'in insülin'in dizisini çözmesi; ve Max Perutz ve John Kendrew'ün miyoglobin ve hemoglobin'in kristalografik yapısını çözmesi ile, öne sürülen alternatif modellerin hepsi çürütülmüş oldu.
"Birincil yapı" terimi 1951'de Linderstrøm-Lang tarafından ilk defa kullanılmıştır.