Proteiinin rakenne
Proteiinin rakenne määräytyy aminohappojen sitoutuessa kovalenttisesti toisiinsa amidi- eli peptidisidoksilla muodostaen molekyylejä, joita kutsutaan peptideiksi ja proteiineiksi. Aminohappoketjun järjestystä kutsutaan proteiinin "primaarirakenteeksi", proteiinin "sekundaarirakenne" muodostuu aminohappojen sivuketjujen liittyessä toisiinsa vetysidoksin. Proteiinin "tertiaarirakenteeksi" puolestaan kutsutaan yksittäisen proteiinimolekyylin kolmiulotteista järjestystä ja "kvaternaarirakenne" muodostuu yhteenliittyneistä eri aminohappoketjuista.
Proteiinit ovat isoja molekyylejä, jotka tavallisesti koostuvat vähintään viidestäkymmenestä aminohappotähteestä, mutta ne voivat koostua yli tuhannestakin aminohappotähteestä. Tärkein proteiinien rakenteellinen ominaispiirre on se, että niillä on määritelty kolmiulotteinen rakenne. Peptidit ovat pienempiä kuin proteiinit ja ne koostuvat tavallisesti alle viidestäkymmenestä aminohappotähteestä. Niillä ei ole yleensä määriteltyä kolmiulotteista rakennetta. Molekyylejä, jotka koostuvat 15–50 aminohappotähteestä, kutsutaan polypeptideiksi.
Oligopeptideiksi kutsutaan vielä pienempiä peptidirakenteisia aineita, joissa on esimerkiksi 3–14 aminohappotähdettä. Kahden aminohapon yhteenliittymän nimi on dipeptidi, kolmen tripeptidi jne.
Aminohapot, proteiinin rakenteen perusosat, ovat difunktionaalisia, sillä niillä on rakenteessaan sekä emäksinen aminoryhmä että hapan karboksyyliryhmä. Kaikki proteiinien ja peptidien biosynteesissä käytettävät kaksikymmentä geenien koodaamaa perusaminohappoa ovat α-aminohappoja, joissa aminoryhmä ja karbonyyliryhmä ovat kiinnittyneet α-hiiliatomiin. Perusaminohappojen lisäksi tunnetaan kaksi muuta proteiinisynteesissä käytettävää aminohappoa: muutamassa harvassa entsyymissä esiintyvä selenokysteiini ja eräässä arkkieliön proteiinissa esiintyvä pyrrolysiini.
Kaikki perusaminohapot, paitsi proliini, ovat primaarisia amiineja. Proliinin aminoryhmä on sekundaarinen sivuketjun syklisyydestä johtuen. Glysiiniä lukuun ottamatta kaikkien perusaminohappojen α-hiiliatomi on kiraliakeskus.
Proteiineissa ja peptideissä esiintyvät aminohapot ovat yleensä kaikki optiselta isomerialtaan L-muotoa, paitsi optisesti inaktiivinen glysiini. D-aminohappoja esiintyy lähinnä bakteerien seinämissä ja joissakin antibiooteissa.
Lisäksi eräistä eksoottisista merieliöistä on löydetty D-aminohappoja sisältäviä ribosomaalisia polypeptidejä.
L- ja D-kirjaimia käytetään nykyisin lähinnä triviaalinimissä. Orgaanisessa kemiassa optiset isomeerit nimetään joko "R"- tai "S"-isomeereiksi konfiguraationsa mukaan. Perusaminohappojen α-hiiliatomi, glysiiniä ja kysteiiniä lukuun ottamatta, on "S"-konfiguraatiossa Cahn–Ingold–Prelog-prioriteettisääntöjen mukaan. Glysiini on akiraalinen, joten sillä ei ole "S"- eikä "R"-muotoa, ja kysteiinillä on "R"-konfiguraatio johtuen sivuketjussa olevasta rikkiatomista, joka priorisoidaan karboksyyliryhmän happiatomeihin nähden.
Aminohappojen ominaisuudet määräytyvät niiden sivuketjujen mukaan. Sivuketju määrää muun muassa niiden kokoa, muotoa, reaktiivisuutta ja kykyä muodostaa vetysidoksia. Glysiini ja alaniini ovat pienikokoisia hydrofobisia aminohappoja. Leusiini, isoleusiini, proliini ja valiini ovat suurempia alifaattisia hydrofobisia aminohappoja. Hydrofobisilla aminohapoilla on taipumus hakeutua vesiliukoisten proteiinin sisäosiin ja vastaavasti membraaniproteiineissa vuorovaikukseen lipidien hydrofobisten osien kanssa. Fenyylialaniinilla, tyrosiinilla ja tryptofaanilla on aromaattinen rengas sivuketjussaan, mikä voi vuorovaikuttaa muiden pii-elektronien kanssa. Kysteiini ja metioniini ovat rikkiä sisältäviä aminohappoja. Seriini ja treoniini voivat muodostaa hydroksyyliryhmillään vetysidoksia. Happamia aminohappoja ovat asparagiini- ja glutamiinihappo. Niiden amidivastaparit ovat asparagiini ja glutamiini. Emäksisiä aminohappoja ovat arginiini, lysiini ja histidiini.
Proteiinien ja peptidien aminohappojärjestystä kutsutaan primaarirakenteeksi. Sekundaarirakenteeksi kutsutaan atomien järjestystä polypeptidiketjun selkärangassa. Proteiinin tertiaarirakenteeksi kutsutaan sen kaikkien atomien kolmiulotteista järjestystä huomioiden myös prosteettiset ryhmät eli atomiryhmät, jotka eivät koostu aminohapoista. Kvaternaarirakenne tarkoittaa proteiinin eri alayksiköiden eli monomeerien muodostamaa kokonaisuutta.
Primaarirakenne kertoo peptidien ja proteiinien sisäiset kovalenttiset sidokset. Näin ollen primaarirakenne kuvaa sekä aminohappojärjestyksen että muut peptidin ja proteiini sisäiset kovalenttiset sidokset, kuten muodostuneet rikkisillat. Primaarirakenne ei siis määrittele proteiinin kolmiulotteista rakennetta, mutta käytännössä se määrää proteiinin kolmiulotteisen rakenteen ja siten myös proteiinin ominaisuudet.
Peptidiketjun selkärangan sidosten luonne on tärkeässä asemassa peptidien ja proteiinien sekundaarirakenteen luomisessa. Peptidisidokset ovat tasomaisia, joka johtuu amidisidoksen resonanssistabiloinnista. Yleensä amidisidokset ovat "trans"-muotoa. Kussakin aminohappotähteessä on kaksi vapaasti pyörivää sidosta. Ne ovat α-hiilen ja aminotypen välinen fii-sidos (φ- tai phi-sidos) ja α-hiilen ja karboksyylihiilen välinen psii-sidos (ψ- tai psi-sidos). Peptidisidokset voidaan käsittää tasomaisiksi pelikorteiksi ja α-hiilet niitä yhdistäviksi kiertoniveliksi. φ- ja ψ-kulmia kutsutaan usein Ramachandranin kulmiksi Ramachandranin diagrammin kehittäjän G. Ramachandran mukaan. Ramachandranin diagrammi esittää mahdollisten φ- ja ψ-kulmaparien arvoja. Proteiinin ja peptidin selkärangan konformaatio voidaan kuvailla antamalla Ramachandranin kulmien arvot kullekin aminohappotähteelle. Aminoryhmään päättyvää peptidiketjun päätä kutsutaan N-terminaaliksi ja karboksyyliryhmään päättyvää päätä C-terminaaliksi.
Kun peptidiketjulla ei ole mitään erityistä konformaatiota, sitä kutsutaan ”satunnaiseksi vyyhdeksi”. Järjestäytyneet sekundaarirakenteet, joita stabiloidaan vetysidoksilla, jaotellaan kierteisiin eli helikseihin, levyihin eli laskoksiin, käännöksiin ja mutkiin. α-helikseiksi eli α-kierteiksi kutsutaan kierteitä, joissa on 3,6 aminohappotähdettä kussakin kierteessä ja joiden pituus on 5,4 ångströmiä. α-heliksi on tavallisesti stabiilein kierteistä, koska rakennetta tukevat vetysidokset ovat sopivan välimatkan päässä toisistaan ja tilaa vievät sivuketjut pidetään hyvin erillään. Toinen tärkeä sekundaarirakennetyyppi α-heliksin lisäksi on β-laskos eli β-levy. β-laskoksissa peptidiketjut ovat melkein täysin ojennettuina. β-laskoksissa vetysidoksia voi syntyä saman peptidiketjun tai eri peptidiketjujen aminohappotähteiden välille. Jos peptidiketjut kulkevat samaan suuntaan, muodostuu rinnakkaislevy, mutta jos ne kulkevat eri suuntiin, muodostuu vastakkaislevy. Koska glysiinin sivuketjussa on vain vetyatomi, tavataan glysiiniä usein peptidiketjujen käännöksissä ja mutkissa steerisistä syistä. Myös syklisen sivuketjun omaavaa proliinia on usein käännöksissä. β-käännös on tärkein peptideissä ja proteiineissa esiintyvä käännösrakenne.
Tertiaarirakenne on yksittäisen proteiinimolekyylin kolmiulotteinen järjestys, joka koostuu vuorovaikuttavista järjestyneistä ja järjestäytymättömistä sekundaarirakenteista. Peptidit voidaan erotella proteiineista myös sillä perusteella, että peptidien aminohapposekvenssien pituus ei riitä tuottamaan korkeampia tertiaari- ja kvaternaarirakenteen tasoja.
Aminohappotähteiden sivuketjujen väliset vuorovaikutukset ovat tärkeitä proteiinien muodon kannalta.
Proteiinien kolmiulotteista rakennetta stabiloivat erilaiset voimat. Sekundaarirakenteiden vetysidosten lisäksi vetysidoksia muodostuu aminohappojen välille. Poolittomat aminohapot vuorovaikuttavat toistensa kanssa hydrofobisin interaktioin. Elektrostaattista attraktiota on eri lailla varautuneiden sivuketjujen välillä. Sitä esiintyy proteiinien pinnoilla, sillä globulaaristen (pallomaisten) proteiinien sisäosat ovat hydrofobisia ja pinnat hydrofiilisia. Useat sivuketjut voivat olla kompleksoituneena prosteettisen ryhmän metalli-ionin kanssa. Näin on esimerkiksi hemo- ja myoglobiinissa. Myös van der Waalsin voimilla eli dispersiovoimilla on vaikutusta proteiinien rakenteiden ylläpidossa. Ei-kovalenttisten voimien lisäksi proteiineissa ja joissakin peptideissä voi esiintyä kovalenttisia rikkisiltoja eli disulfidisidoksia. Ne määräävät tertiaarirakenteen muodostumista rajoittamalla konformationaalisia muutoksia. Tertiaarisiin vuorovaikutuksiin voivat lisäksi vaikuttaa posttranslationaaliset muutokset kuten alkylaatio, asylaatio, hydroksylaatio, glykosylaatio, fosforylaatio ja ristisitoutuminen.
Jos proteiini koostuu ei-kovalenttisesti toisiinsa sitoutuneista polypeptidiketjuista, sen kokonaisrakennetta kutsutaan kvaternaarirakenteeksi. Monomeerien lukumäärän mukaan rakennetta kutsutaan kahden yhdistyneen monomeerin tapauksessa dimeeriksi, kolmen monomeerin tapauksessa trimeeriksi ja neljän tapauksessa tetrameeriksi ja niin edelleen. Yhteisnimitys useimmista monomeereista koostuville rakenteille on oligomeeri.