Proteinski domen

thumb|280px|Piruvat-kinaza je protein sa tri domena

**Proteinski domen** je dio proteinske sekvence i strukture koji može evoluirati, funkcionirati i postoji nezavisno od ostatka proteinskog lanca. Svaki domen formira kompaktnu trodimenzijsku strukturu i često može biti samostalno stabilan i savijen. Mnogi proteini sadrže nekoliko strukturnih domena. Jedan domen se može javiti u nizu različitih proteina.

Molekulska evolucija koristi domene kao strukturne komponente koje se mogu kombinirati u različitim aranžmanima da bi se formirali proteine sa različitim funkcijama. Domeni variraju u dužini od oko 25 do 500 aminokiselina. Najkraći domeni kao što su cinkovi prsti stabilizirani su metalnim ionima ili disulfidnim mostovima. Domeni često formiraju funkcionalne jedinice, kao što je kalcij-vezujući domen EF-šaka kalmodulina. Budući da  su samostalno stabilni, domeni se mogu zamijeniti putem genetičkog inženjerstva između proteina, čime se formiraju himerni proteini.

## Osnovi 
Koncept **domen** prvi je predložio Vetlaufer 1973. na osnovu kristalografskih rengenskih studija  živinskog lizozima i papaina i ograničenih proteolitičkih ispitivanja imunoglobulina. Definirao je domene kao stabilne jedinice proteinske strukture koje se  mogu autonomno sklapati. U prošlosti su domeni bili opisani kao jedinice:

* kompaktne strukture,
* funkcije evolucije i
* sklapanja.

Sve te definicije su validne i često se preklapaju, naprimjer za kompaktni strukturni domen koji je nađen u nizu različitih proteina i  vjerovatno se samostalno sklapa i savija unutar svog strukturnog okruženja. Priroda često povezuje nekoliko domena čime se formiraju multidomeni i multifunkcionalni proteini sa velikim brojem mogućnosti. U multidomenskom proteinu, svaki domen može obavljati svoju funkciju neovisno ili organizirao sa svojim susjedima. Domeni mogu da služe bilo kao moduli za izgradnju velikih sklopova, kao što su virusne čestice ili mišićna vlakna ili do pruže specifična katalitska ili mjesta vezanja kod enzima ili regulatornih proteina.

Primjer proteina sa više domena je piruvat-kinaza, glikolitski enzim koji ima važnu ulogu u regulaciji fluksa od fruktoza-1,6-bifosfata do piruvata. Ovaj protein sadrži sve-β regulatorni domen, α/β-supstrat vezujući domen i α/β-nukleotid vezujući domen, koji su povezani s nekoliko polipeptidnih veza.. Svaki domen u ovom proteinu pojavljuje se u različitim grupama porodica proteina.

Centralni α/β-barelni domen, koji vezuje poslogu, je jedan od uobičajenih enzimskih sklopova. Prisutan je kod mnogih različitih enzimskih porodica koje katalizuju sasvim nevezane reakcije. Barel α/β se obično naziva TIM barelom. Ovo ime potiče od trioza-fosfatnih izomeraza, u čijoj strukturi je bio prvo uočen. On je trenutno klasifikovan u 26 homolognih familija u CATH bazi podataka domena. TIM barel formiran je od sekvence β-α-β motiva koji su zatvoreni vodoikovim vezama prvog i zadnjeg lanca, čime se formira barel sa osam lanaca. Postoje različita stanovišta o evolucijskom porujeklu ovog domena. Jedna od studija sugestira da se zajednički predački enzim raščlanio u nekoliko porodica, dok druga smatra da je stabilna struktura TIM-barela evoluirala putem konvergentne evolucije.

TIM-barel piruvat-kinaza je diskontinuiran, što znači da je više od jednog polipeptidnog segmenta neophodno da bi se formirao domen. To je vjerovatno posljedica insercije jednog domena u drugi tokom evolucije  ovog proteina. Bilo je pokazano da je među poznatim strukturama diskontinuirana jedna četvrtina strukturnih domena. Insertirani β-barelni regulatorni domen je kontinuiran, jer se sastoji od jednog neprekinutog segmenta polipeptida.

Kovalentna veza dva domena ima funkcionalnu i strukturnu prednost jer povećava stabilnost u poređenju sa istim strukturama bez kovalentne veze. Druge prednosti su zaštita intermedijara unutar inter-domenskog enzimskog otvora, koji bi inače bio nestabilan u vodenom okruženju, i ustaljeni stehiometrijski odnos enzimske aktivnosti koji je neophodan za sekvencijski niz reakcija.

## Domeni – jedinice  strukture proteina 
Primarna struktura proteina (lanac aminokiselina) prvenstveno kodira njegovu jedinstvenu  3D konformaciju savijanja. Najvažniji faktor sklapanja proteina u 3D strukturu je distribucija polarnih i nepolarnih bočnih lanaca. Sklapanje dovodi do sklanjanja hidrofobnih bočnih lanaca u unutrašnjost molekula da bi se izbegao kontakt sa vodenim okruženjem. Općenito, proteini imaju jezgro od hidrofobnih ostataka okruženo omotačem hidrofilnih ostataka. Pošto su same peptidne veze polarne,  neutraliziraju se međusobnim vodikovim vezama  u hidrofobnom okruženju. Time se stvaraju regije polipeptida koji formiraju regularne 3D strukturne motive koji se nazivaju sekundarnim strukturama. Postoje dva glavna tipa sekundarne strukture: α-heliksi i β-listovi.

## Domeni kao evolucijski moduli 
*Priroda je petljanac, a ne izumitelj*, jer  nove sekvence su prilagođene iz već postojećih sekvenci, a ne izmišljene. Domeni su uobičajeni materijal koji priroda koristi za stvaranje novih sekvenci; mogu se smatrati genetički pokretnim jedinicama, koje se nazivaju „moduli“. Često su C– i N-krajevi domena bliski zajedno u prostoru, što im omogućava da se lahko "ubace" u roditeljske strukture tokom procesa evolucije. Mnoge domenske porodice nalaze se u sva tri oblika života, Archaea, Bacteria i Eukarya. Proteinski moduli su podskupovi proteinskih domena koji se nalaze u nizu različitih proteina s posebno svestranom strukturom. Primjeri se mogu naći među vanćelijskim proteinima povezanim sa zgrušavanjem, fibrinolizom, komplementom, vanćelijskim matriksom, molekulama adhezije na ćelijskoj površini i receptorima citokina. Četiri konkretna primjera široko rasprostranjenih proteinskih modula su domeni: SH2, imunoglobulinski, fibronektinski tip 3 i kringle.

Molekulska evolucija stvara porodice srodnih proteina sa sličnom sekvencom i strukturom. Međutim, sličnosti sekvenci mogu biti izuzetno niske između proteina koji dijele istu strukturu. Proteinske strukture mogu biti slične jer su proteini odstupili od modela zajedničkog pretka. Alternativno, neki nabori mogu biti favoriziraniji od drugih jer predstavljaju stabilne aranžmane sekundarnih struktura, a neki proteini se tokom evolucije mogu konvergirati prema tim savijanjima. Postoji oko 110.000 eksperimentalno određenih 3D proteinskih struktura deponiranih u Banci podataka o proteinima (PDB). Međutim, ovaj skup sadrži mnoge identične ili vrlo slične strukture. Sve proteine treba klasificirati u strukturne porodice, kako bi se razumjeli njihovi evolucijski odnosi. Strukturna poređenja najbolje se postižu na nivou domena. Zato razvijeni su mnogi algoritmi za automatsko dodjeljivanje domena u proteinima poznate 3D strukture.

Baza podataka CATH, klasificira domene u približno 800 složenih porodica; deset od ovih nčina savijanja je visoko zastupljeno i naziva se „super-nabiranje“. Super-nabori su definirani kao nabori za koje postoje najmanje tri strukture bez značajne sličnosti sekvenci. Najnaseljeniji je supernabor α/β-barel, kako je ranije opisano.

## Multidomenski proteini 
Većina bjelančevina, dvije trećine među jednoćelijskim organizmima i više od 80% višećelijskih, su višedomenski proteini. Međutim, druga istraživanja zaključila su da se 40% prokariotskih proteina sastoji od više domena, dok eukarioti imaju približno 65% proteina s više domena.

Mnogi domeni u eukariotskim multidomenskim proteinima mogu se naći kao nezavisni proteini u prokariotima, sugerirajući da su domeni u višedominskim proteinima nekada postojali kao nezavisni proteini. Naprimjer, kičmenjaci imaju multienzimski polipeptid koji sadrži domene GAR-sintetaza, AIR-sintetaza i  domen GAR-transformacijaza (GARs-AIRs-GARt; GAR: glicinamid ribonukleotid/transferaza; AIR: aminoimidazol ribonukleotid sintetaza). Kod insekata, polipeptid se pojavljuje kao GAR-ovi (AIR-ovi) 2-GARt, u kvascima se GARs-AIRs kodira odvojeno od GARt, a kod bakterija svaki domen kodiran je zasebno.

### Porijeklo 
Multidomenski proteini vjerojatno su se pojavili zbog selekcijskog pritiska tokom evolucije, kako bi stvorili nove funkcije. Različiti proteini odstupili su od zajedničkih predaka različitim kombinacijama i asocijacijama domena. Modulne jedinice često se kreću, unutar i između bioloških sistema putem mehanizama genetičkog miješanja:

* transpozicija mobilnih elemenata, uključujući horizontalne transfere (između vrsta);
* gruba preuređivanje, kao što su inverzije, translokacije, delecije  i duplikacije;
* homologna rekombinacija;
* klizanje DNK-polimeraza tokom replikacije.

### Tipovi  organizacije 
[thumb|right|upright=1.5|Insercije slične [Pleckstrinska homologija domena|PH-domenu moduli (kestenasti) u dva različita proteina.]]
Najjednostavnija organizacija multidomena koja se vidi u proteinima je organizacija jednog domena  koji se ponavlja u tandemu. Domeni mogu međusobno komunicirati (interakcijama domen-domen) ili ostati izolirani, poput perlica na žici. Ogromni mišićni protein od 30.000 ostataka, titin sastoji se od oko 120 domena tipa fibronektina-III i Ig-tipa. U serinskim proteazama,  duplikacija gena dovela je do stvaranja enzimskih domena s dva β-barela. Ponavljanja su se toliko razlikovala da među njima nema očigledne sličnosti u sekvenci. Aktivno mjesto nalazi se na rascjepu između dva β-barelska domena, u koji iz svakog domensa doprinose funkcionalno važni ostaci. Pokazalo se da genetički modificirani mutanti himotripsina serin-proteazama imaju određenu aktivnost proteinaza, iako su njihovi ostaci na aktivnom mjestu ukinuti, pa je stoga pretostavljeno da je duplikacija povećala aktivnost enzima. ABC transporteri su građeni sa do četiri domena koji se sastoje od po dva nepovezana modula, ATP-vezujuće kasete i integralnog membranskog modula, raspoređenih u različitim kombinacijama.

Ne samo da se domeni rekombiniraju, već postoji mnogo primjera insercija domena u drugi. Sekvencna ili strukturne sličnosti s drugima domeni pokazuju tako da homolozi insefrtiranih i roditeljskih domena mogu postojati nezavisno. Primjer je  kod  'prstiju' umetnutih u 'dlan' domen unutar polimerazne porodice Pol I. Budući da se domen može umetnuti u drugi, uvijek bi trebao postojati barem jedan kontinuirani domen u multidomenskom proteinu. Ovo je glavna razlika između definicija strukturnih domena i evolucijskih/funkcionalnih domena. Evolucijski domen bit će ograničen na jednu ili dvije veze između domena, dok strukturni domeni mogu imati neograničene veze, unutar zadanog kriterija postojanja zajedničkog jezgra. Nekoliko strukturnih domena moglo bi se dodijeliti evolucijskom domenu.

Superdomen sastoji se od dva ili više konzerviranih domena nominalno nezavisnog porijekla, ali je kasnije naslijeđen kao jedna strukturna/funkcionalna jedinica. Ovaj kombimirani superdomen može se javiti u divergentnim proteinima koji nisu srodni samo po genskim duplikacijama. Primjeri superdomena su par proteinska tirozin-fosfataza – C2 domen par u PTEN-u, tenzin, auksilin i membranski protein TPTE2 . Ovaj superdomen nalazi se u proteinima životinja, biljaka i gljiva. Ključna karakteristika PTP-C2 superdomena je konzerviranost aminokiselinskih ostataka u interfejsu domena.

## Domeni nepoznate funkcije 
Veliki dio domena je nepoznate funkcije.&nbsp; domen nepoznate funkcije&nbsp; (DUF) je &nbsp; proteinski domen &nbsp; koji nema okarakteriziranu funkciju. Ove porodice su prikupljene zajedno u &nbsp;Pfam&nbsp;bazi podataka koristeći prefiks DUF iza kojeg slijedi broj, s primjerima koji su &nbsp;DUF2992&nbsp; i &nbsp;DUF1220. U bazi podataka Pfam sada postoji preko 3.000 DUF porodica koje predstavljaju preko 20% poznatih porodica. Iznenađujuće je da je  broj DUF-ova u Pfam-u povećan sa 20% (2010.) na 22% (2019.), uglavnom zbog sve većeg broja novih sekvenci genoma. Pfam izdanje 32.0 (2019) sadržavalo je 3.961 DUF-ova.

## Također pogledajte 
* Vezujući domen
* Kratki linearni motiv
* Pfam: baza proteinskih domena
* Protein
** Proteinska struktura
** Predviđanje strukture proteina
** Softver za predviđanje strukture proteina
** Proteinska superporodica
** Tandemska proteinska ponavljanja
** Porodica proteina
** Potporodica proteina
* Strukturna biologija
* Strukturna klasifikacija proteina (SCOP)
* CATH

## Reference 
## Ključni radovi 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 
* 

## Vanjski linkovi 
### Baze podataka o strukturnim domenima
*Conserved Domains at the National Center for Biotechnology website
*3Dee
*CATH
*DALI
*
*PFAM clan browser

### Baze podataka o sekvencama
*InterPro
*
*PROSITE
*ProDom
*SMART
*NCBI Conserved Domain Database
*SUPERFAMILY  Library of HMMs representing superfamilies and database of (superfamily and family) annotations for all completely sequenced organisms

### Baze podataka o funkcionalnim domrnima
*dcGO  A comprehensive database of domain-centric ontologies on functions, phenotypes and diseases.

Kategorija:Struktura proteina

Kategorija:Proteinske porodice
Kategorija:Proteinske natporodice