Protein

Proteinler, amino asitlerin zincir halinde birbirlerine bağlanması sonucu oluşan büyük organik bileşiklerdir. Proteinler, açlık anında en son tüketilirler. Kimyasal sindirimleri midede başlar.
Proteinler, amino asitlerin yapıtaşlarından oluşan polimerlerdir. Her proteinin kendisine has özelliklerinin olmasını sağlayan özel amino asit dizilimleri vardır. Proteinlerin işlevlerinin çoğu, kendisini oluşturan amino asitlerin özelliklerinin tayin edilmesiyle anlaşılabilir. İnsandan virüse proteinlerin oluşumunda en çok kullanılan 20 çeşit amino asit vardır.
Bu zincirde bir amino asitin karboksil grubunun bir diğerinin amino grubuna bağlanmasıyla oluşan bağ peptit bağı olarak adlandırılır. Her proteindeki amino asit dizisinin sırası bir gen tarafından tanımlanır ve genetik kod ile kodlanmıştır. Genetik kod 22 "standart" amino asit tanımlasa da proteinlerdeki amino asitler çevrim sonrası değişimle kimyasal olarak değişikliğe uğrar. Bu değişimler ya proteinin işlev görmeye başlamasından önce gerçekleşir ya da kontrol mekanizmalarının parçası olarak, proteinin işlevini değiştirmek için olur. Proteinler belli işlevleri yerine getirmek için beraberce de çalışabilirler ve bazıları bir araya gelip kararlı kompleksler oluşturabilir.
Polisakkaritler, nükleik asitler ve yağlar gibi biyolojik makromoleküllere benzer şekilde, proteinler de canlı organizmaların temel bileşenlerindendir ve hücrelerin içindeki her süreçte yer alırlar. Çoğu protein, biyokimyasal tepkimelerde katalizör işlevi olan enzimlerdir ve metabolizma için yaşamsal bir role sahiptir. Başka proteinlerin ise yapısal veya mekanik işlevleri vardır: örneğin hücre iskeletindeki proteinler, hücrenin şeklini koruması için bir iskele görevi yaparlar. Proteinler hücre haberleşmesi, bağışıklık yanıtı, hücre tutunması ve hücre bölünme döngüsünde yer alır.
Protein, beslenmemizin önemli bir parçasıdır. Hayvanlar her amino asiti sentezleyemediklerinden, temel (esansiyel) aminoasitleri gıda yoluyla almak zorundadırlar. Sindirimde hayvanlar yedikleri proteini serbest amino asitlere parçalayıp bunlarla yeni proteinler sentezler.
"Protein" sözcüğünün kaynağı, Yunanca'nın "birincil öneme sahip" anlamını taşıyan πρώτα (prota) sözcüğüdür. Bu isim, proteinleri 1838'de ilk tanımlayan Jöns Jakob Berzelius tarafından verilmiştir. 1926'da James B. Sumner'in üreaz enziminin bir protein olduğunu göstermesine kadar, proteinlerin canlılar için ne derece önemli olduğu tam anlaşılmamıştır. Yapısı çözülen ilk proteinler arasında insülin ve miyoglobin bulunur ki, insülin için Sir Frederick Sanger 1958'de, miyoglobin için de Max Perutz ve Sir John Cowdery Kendrew 1962'de Nobel Kimya Ödülü kazanmıştır. Her iki protein de kırınım analizi ile üç boyutlu yapıları çözümlenen ilk proteinlerdendir.

Kimyasal sentez

Kısa proteinler laboratuvarda kimyasal yolla da sentezlenebilir. Peptit sentezi olarak adlandırılan yöntemler, kimyasal bağlama (ligation) gibi organik sentez tekniklerine dayandırılmıştır. Kimyasal sentez yoluyla polipeptit zincirlerine doğal olmayan aminoasitlerin de dahil edilmesi mümkündür, örneğin amino asit yan zincirlerine floresan işaretler takılabilir. Bu yöntemler laboratuvar biyokimyası ve hücre biyolojisi araştırmalarında faydalıdır ama genelde ticari uygulamalarda kullanılmazlar. 300 amino asitten uzun polipeptitler için kimyasal sentez verimsizdir ve sentezlenmiş protein kendiliğinden doğadaki üç boyutlu şeklini kazanmayabilir. Çoğu kimyasal sentez yöntemi, biyolojik reaksiyonun tersi yönde, yani C-uçtan N-uca doğru ilerler.

Yapı belirlemesi

Bir proteinin üçüncül yapısının veya onun parçası olduğu komplekslerin dördüncül yapısının keşfi, onun işlevi hakkında önemli ipuçları verebilir. Yapı belirlemek için kullanılan en yaygın deneysel teknikler X ışını kristalografisi ve NMR spektroskopisidir, her ikisi de atomik çözünürlükte bilgi sağlarlar. Kriyoelektron mikroskopisi, çok büyük protein kompleksleri ve virüsler hakkında daha düşük çözünürlüklü yapısal bilgi üretmekte kullanılır; bunun bir çeşitlemesi sayılan elektron kristalografisi de bazı durumlarda, özellikle membran proteinlerinin iki boyutlarının kristalleri için, yüksek çözünürlüklü bilgi üretebilir. Çözülmüş yapılar genelde Protein Data Bank, (PDB) adlı veri tabanına kaydedilir, bu ücretsiz kaynaktan binlerce proteinin yapısal verileri proteindeki her atomun Kartezyen koordinatları olarak elde edilebilir.
Yapısı çözülmüş protein sayısından çok daha fazla sayıda gen vardır. Ayrıca, yapısı çözülmüş proteinler, yapı çözmede kullanılan başlıca deneysel tekniklere kolayca tabi tutulabilenlere ağırlıklıdır. Özellikle, globüler proteinlerin X-ışını kristlografisi için kristalleştirilmeleri nispeten kolaydır. Buna karşın membran proteinlerinin kristalleştirilmesi zordur ve PDB'de az sayıda temsil edilirler. Yapısal genomik girişimleri bu yetersizliklerin üstesinden gelmek amacıyla belli katlama sınıflarına ait yapıları sistematik olarak çözmektedirler. Protein yapı tahminleme yöntemleri, deneysel olarak yapısı belirlenmemiş proteinler hakkında makul yapıları üretmeyi amaçlar.

Hücresel işlevler

Proteinler genlerde kodlanmış bilgiler tarafından belirlenmiş görevleri yerine getirirler. Bazı RNA tipleri dışında hücrede bulunan çoğu diğer molekül, proteinlerin etki ettiği nispeten asıl elemanlardır. Proteinler bir E. coli hücresininin kuru ağırlığının yarısını oluştururlar, DNA ve RNA ise %3 ve %20'sini oluştururlar. Belli bir hücre veya hücre tipinde bulunan proteinlerin tamamı onun proteomu olarak adlandırılır.
Proteinlerin çeşitli hücresel işlevlerini yürütmelerini sağlayan başlıca özellikleri başka moleküllere spesifik ve sıkı bir şekilde bağlanabilemeleridir. Proteinin başka bir moleküle bağlanmasından sorumlu bölgesi bağlanma yeri (İngilizce binding site) olarak bilinir ve genelde proteinin yüzeyinde bir çukur veya cep şeklindedir. Proteinin üçüncül yapısı bağlanma yerindeki cep ve etrafındaki amino asite yan zincirlerinin kimyasal özelliklerini belirler, bağlanma yeteneği onun tarafından oluşturulur. Protein bağlanması son derece sıkı ve spesifik olabilir; örneğin ribonükleaz inhibitör proteini insan anjiogenin'ine femtomolardan düşük bir ayrışma katsayısı ile bağlanır (<10⁻¹⁵) ama onun amfibi homoloğu olan onkonaz'a bağlanmaz (>1 M). Bağlanan molekülde çok ufak bir değişiklik, tek bir metil grubunun eklenmesi gibi, bağlanmayı neredeyse tamamen ortadan kaldırabilir; örneğin valin amino asidine spesifik olan aminoasil tRNA sentetaz ona çok benzeyen izolösin amino asidini ayırdedebilir.
Proteinler küçük moleküllere bağlanmanın yanı sıra başka proteinlere de bağlanabilirler. Proteinler kendilerinin diğer kopyalarına bağlandıkları zaman oligomerleşip ipliksi yapılar oluştururlar; bu süreç globüler monomerlerden oluşan, kendi kendisiyle birleşip bükülmez lifler meydana getiren yapısal proteinlerde sıkça görülür. Protein-protein etkileşimleri enzim etkinliğine de düzenler, hücre döngüsünde ilerlemeyi kontrol eder ve birbiriyle ilişkili pek çok reaksiyonu yürüten büyük protein komplekslerinin birleşmesini sağlar. Proteinler hücre zarına bağlanabilir veya ona entegre olabilir. Bağlanan bir proteinin konformasyon değişikliğine neden olma yeteneği karmaşık sinyalleşme ağlarının inşasına olanak sağlar.

Hücre sinyallemesi ve ligand taşıması

Çoğu protein hücre sinyallemesi ve sinyal aktarımı süreçlerinde yer alırlar. İnsülin gibi bazı proteinler, hücre dışı proteinler olup sentezlendikleri hücreden uzaktaki dokulardaki hücrelere bir sinyal taşırlar. Diğerleri reseptör olarak çalışan membran proteinleridir, ana işlevleribir sinyal molekülüne bağlanmak ve hücre içinde bir biyokimyasal tepkiye yol açmaktır. Çoğu reseptör, bağlanma yeri hücre yüzeyinde bulunan ve hücre içinde bir etki bölgesi olan membran proteinidir. Etki bölgesinin bir enzim etkinliği olabilir veya hücredeki başka proteinlerce algılanabilen bir konformasyon değişimine uğrayabilir.
Antikorlar, adaptif bağışıklık sisteminin protein bileşkeleridir, ana işlevleri antijenlere, yani vücuda yabancı olan maddelere, bağlanıp onların imha edilmeleri için işaretlemektir. Antikorlar hücre dışı ortama salgılanabilirler veya plazma hücresi olarak adlandırılan özelleşmiş B lenfositlerinin membranlarına takılabilirler. Enzimlerin substratlarına bağlanma gücü (afinitesi) onun reaksiyonunu yürütme gereğinden dolayı sınırlı olmasına karşın, antikorların böyle bir sınırlaması yoktur. Bir antikorun hedefine bağlanma afinitesi olağanüstü yüksektir.
Çoğu ligand taşıma proteini küçük moleküllere bağlanıp onları çok hücreli bir canlının vücudunda başka bir yere taşırlar. Bu proteinler ligandları yüksek konsantrasyonda olduğu zaman yüksek bir afiniteye sahip olmalı ama konsantrasyonun düşük olduğu hedef dokuda ligandı salmalıdır. Ligand-bağlayıcı proteinin klasik örneği hemoglobindir, omurgalılarda oksijeni akciğerlerden diğer organ ve dokulara taşır ve her biyolojik alemde yakın homologları vardır.
Transmembran proteinler hücre membranının küçük molekil ve iyonlara olan geçirgenliğini değiştirerek ligand taşıyıcı protein olarak görev yapabilirler. Membranın hidrofobik olan içi polar ve yüklü moleküllerin difüzyonuna elvermez. Membran proteinlerinde bulunan kanallar bu küçük moleküllerin hücreye girip çıkmalarını sağlar. Çoğu iyon kanalı belli bir iyon için özelleşmiştir; örneğin potasyum ve sodyum kanalları bu iki iyondan yalnızca birini geçirirler.

Yapısal proteinler

Yapısal proteinler akışkan biyolojik yapılara bükülmezlik ve peklik sağlarlar. Çoğu yapısal protein fibröz proteindir, örneğin aktin ve tübülin monomerleri globüler ve çözülgen proteinler olmalarına rağmen polimerleştikleri zaman hücre iskeletinin parçası olan, uzun ve bükülmez lifler oluştururlar. Hücre iskeleti hücrenin şeklini ve büyüklüğünü korumasını sağlar. Kollajen ve elastin bağ dokunun önemli bileşkeleridir; keratin ise saç, tırnak, tüy ve bazı hayvanlarda kabuk gibi sert veya lifli dokularda yer alır.
Yapısal görev yapan diğer proteinler arasında miyozin, kinesin ve dinein gibi motor proteinler vardır, bunlar mekanik kuvvet yaratırlar. Bu proteinler eşeyli çoğalan çok hücreli canlılarda sperm hücrelerinin ve tek hücreli canlıların hareket yeteneği (motilitesi) için çok önemlidir.  Kasların kasılmasında oluşan kuvvet de bu proteinler tarafından meydana gelir.

Hücrede yerleşimi

Proteinlerin in vivo araştırılmalarında hücre içinde sentez ve yerleşimine (lokalizasyonuna) bakılır. Çoğu hücre içi protein sitoplamada sentezlenir, çoğu membran proteini veya salgılanan protein protein isie endoplazmik retikulumda sentezlenir.  Ancak, proteinlerin sentezlendikten sonra  belli organellere veya hücre içi yapılara nasıl yollandıklarının ayrıntıları çoğu zaman bir araştırma konusu olur. Hücresel yerleşimi belirlemek için kullanılan faydalı bir teknik, genetik mühendislikle ilgilenilen protein flüoresan bir protein (Green Fluorescent Protein, GFP) ile birleştirerek bir füzyon protein oluşturulmasıdır.  Füzyon proteinin hücre içindeki yeri, mikroskop kullanarak kolayca ve açık bir şekilde görüntülenebilir, bunun örnekleri yandaki şekilde görülebilir.
Yönlendirilmiş mutagenez (site-directed mutagenesis) olarak bilinen bir diğer genetik mühendislik yöntemi ile proteinin dizisi ve dolayısıyla onun yapısı, hücresel yerleşimi ve düzenlenmesi değiştirilebilir. Değiştirilmiş protein in vivo olarak GFP işaretlemesi ile, in vitro ise enzim kinetik ve bağlanma ölçümleri ile izlenebilir.

Yapı tahmini ve simülasyon

Yapısal genomik sahasını tamamlayıcı bir yaklaşım olarak protein yapı tahmini, yapısı çözülmemiş proteinler için makul modeller geliştirmeyi amaçlar. Yapı tahmininin en başarılı tipi olan homoloji modellemesi, modellenecek proteine dizin benzerliği olan "şablon" bir yapıya dayanır. Yapısal genomiğin amacı çözülmüş yapılar arasında yeterince çeşitlilik elde edip geri kalanları modellemektir. Mevcut şablon yapılar modelenecek proteine uzaktan ilişkili olduğu durumlarda güvenilir modeller üretmek zordur. Bu sorunun çüzümü dizin hızalamasının en doğru şekilde yapılmasından geçmesi gerektiği öne sürülmüştür. Yapı tahmin yöntemleri yeni bir saha olarak gelişmekte olan protein mühendisliğine yol göstermektedir, bu yolla yeni protein katlamaları tasarlanabilmiştir. Moleküler yanaşma (molecular docking) ve protein protein etkileşimleri gibi moleküller arası etkileşimlerin tahmini bu sahada çözülmeye çalışılan daha karmaşık bir problemlerdendir.
Protein katlanması ve bağlanma süreci moleküler dinamik teknikleri ile simüle edilebilir. Moleküler dinamik yöntemlerle kuantum mekanik hesaplamalarının birleştirilmesi yoluyla da proteinlerin elektronik yapıları incelenmektedir.