Struktura proteina

right|350px|Struktura bjelančevina
thumb|350px|right| Struktura proteina: Projekt ljudskog genoma.
thumb|350px|Primarna, sekundarna, tercijarna i kvaternarna struktura proteine
**Struktura proteina** obuhvata svojstva rasporeda u prostoru molekula proteina koja proističu iz njihove aminokiselinske sekvence, fizičkih uvjeta u njihovoj okolini i prisustva jednostavnih ili složenih spojeva koji ih stabiliziraju i dovode do specifičnog presavijanja.

Proteini  su važna klasa bioloških makromolekula  u svim biološkim organizmima, a čine ih elementi kao što su ugljik, vodik, dušik, kisik i sumpor. Svi proteini su polimerni lanci aminokiselina. Takvi polimeri, koji se nazivaju i peptidi, koji mogu sadržavati specifični broj i raspored kombinacije   20 različitih L-α-aminokiselina, opće formule RHC(NH2)COOH, čije se bočne funkcijske grupe (R) često nazivaju aminokiselinskim ostacima. Za lance ispod 40 ostataka, umesto naziva protein, upotreblava i se termin polipeptid.  Za obavljanje  njihove biološke funkcije, novonastali proteini se savijaju u jednu, ili više, specifičnih prostornih konformacija, u zavisnosti od broja nekovalentnih interakcija kao što su vodikova veza, ionske interakcije i Van der Valsove sile. Da bi se spoznala funkcija proteina na molekulskoj razini, često je potrebno utvrditi njihovu trodimenzijsku strukturu. To je tema naučnog polja zvanog strukturna biologija, koja za utvrđivanje strukture proteina koristi tehnike kao što su rendgenska kristalografija  ili NMR sprektroskopija.
 
Za obavljanje određenje biohemijske funkcije, neophodan je određeni broj ostataka, aoko 40-50 ostataka je pretpostavljena donja granica veličine djelotvornog domena. Veličina proteina kreće se od pomenute donje granice pa do nekoliko hiljada ostataka, u višefunkcijskim ili strukturnim proteinima. Ipak, sadašnja procjena za prosečnu dužinu proteina je oko 300 ostataka. Od proteinskih podjedinica,  može se formirati  veliki broj cjelina, npr. više hiljada molekula aktina,  koji čine aktinska vlakna.

## Razine i oblici strukture  proteina 
[mini|300p|Razine i proteinske strukture, od [primarna struktura proteina|primarne do kvaternerne]]
U biohemiji, razlikuju se četiri različita aspekta strukture proteina:
* **Primarna struktura**: aminokiselinska sekvenca peptidnog lanca (broj, vrsta i redosllijed aminokiselina u proteinu)
* **Sekundarna struktura** veoma je pravilne podstrukture – alfa-heliks i beta-list. Sekundarne strukture su definirane lokalno, što znači da mogu imati različite sekundarne motive u jednoj molekuli proteina.
* **Tercijarna struktura** je  trodimenzijska struktura pojedinačnih molekula, kao prostorni raspored sekundarne strukture. Proces raskidanja tercijarne strukture može se pdvijati putem  denaturacije.
* **Kvaternerna struktura** uključuje kompleks od nekoliko molekula proteina ili polipeptidnih lanaca, obično zvanih proteinska podjedinica, koji funkcionira kao dio većeg skupa ili proteinskog kompleksa.

U obavljanju bioloških funkcija, protein se može mijenjati preko nekoliko sličnih struktura. U kontekstu ovih funkcijskih preuređenja, tercijarne i kvaternerne strukture se obično nazivaju „konformacije“, a prijelazi između njih konformacijske promjene.

Primarnu strukturu odlikuje strukurna povezanost kovalentnim peptidnim vezama (hemijski gledano, to su amidne [funkcijske grupe), koje nastaju tokom procesa [Translacija (genetika)|translacije. Dva kraja lanca aminokiseline nazivaju se karboksilni kraj (C-kraj) i amino kraj (N-kraj),  na osnovu prirode njihove slobodne grupe na svakom kraju. Označavaju se kao posttranslacijske modifikacije

## Sekundarna struktura 
Linus Pauling sa saradnicima je 1951.  predložio prve elemente sekundarne strukture, alfa-heliks i beta-konformaciju, pomoću modela peptida koje je napravio zahvaljujući poznatim informacijama o dužini veza i uglovima. I alfa-heliks i beta-konformacija predstavljaju način zasićenja svih donora i akceptora vodikovih veza u kičmi peptida. Ovi elementi sekundarne strukture zavise samo od svojstava koja su zajednička za sve ostatke, objašnjavajući time zašto se često pojavljuju u većini proteina. Od tada su otkriveni i drugi elementi sekundarne strukture, kao što su različite petlje i drugi oblici heliksa. Dio kičme koji predstavlja pravu sekundarnu strukturu naziva se *slučajna spirala*. Svaki od ova dva sekundarna strukturna elementa ima pravilna geometrijska obilježja, što znači da su ograničeni specifičnim vrijednostima uglova φ i Ψ. Zato mogu biti pronađeni u specifičnoj oblasti Ramachandranove ravni.

## Tercijarna struktura 
Elementi sekundarne strukture obično se savijaju u kompaktan oblik, pomoću različitih spirala i uvijanja. Formacija tercijarne strukture obično se postiže pomoću usidravanja hidrofobnih ostataka, ali i druge interakcije, kao što su vodikove veze, ionske interakcije i disulfidne veze, mogu dovesti do stabilizacije tercijarne strukture. Tercijarna struktura zaokružuje sve nekovalentne interakcije, koje ne ostvaruje sekundarna struktura, definirajući  sveukupno savijanje u proteinu i obično je nezamenjiva u funkciji proteina.

## Kvaternerna struktura 
Kvaternerna struktura jostvaruje se interakcijom između nekoliko lanaca peptidnih veza. Pojedinačni lanci se nazivaju podjedinice. Pojedinačne podjedinice ne moraju biti kovalentno vezane , ali mogu imati disulfidne veze. Ovu strukturu nemaju svi proteini, pošto mogu biti djelovati i kao monomeri. Kvaternerna struktura se stabilizira istim brojem interakcija kao i tercijarna. Kompleksi od dva ili više polimera nazivaju se multimeri. Ako sadrže dvije podjedinice, to su  dimeri, a trimeri ako sadrže tri  i tetrameri ako imaju četiri podjedinice. Multimeri  od indentičnih podjedinica u nazivu imaju prefiks *homo*, dok oni koji su  od različitih podjedinica imaju prefiks *hetero*.

## Konformacija bočnog lanca 
Atomi koji se nalaze duž bočnog lanca označavaju se slovima grčkog alfabeta,  po njegovom  redoslijedu: α, β, γ, δ i tako redom.  Atom Cα (ili α-C)  obično se smatra dijelom kičme. Diedarni uglovi oko međuatomskih veza nazivaju se π1, π2, π3 itd. Naprimjer, prvi i drugi ugljikov atom u bočnom lancu lizina su α i β, a diedarni uglovi oko α-β veze nazivaju se  π1. Bočni lanac može se nalaziti u različitim konformacijama,  označenim kao *cis(–), trans i cis(+)*. Bočni lanci općenito nastoje da uđu u stepeničastu konformaciju oko π2, vođeni minimalizacijom preklapanja između elektronskih orbitala vodikovih atoma.

## Motivi, domeni i savijanja proteinske strukture 
Mnogi proteini organizirani su u nekoliko jedinica. Strukturni domen je jedan od elemenata cjelokupne strukture proteina. To je je samostabilizirajuća struktura i često se savija nezavisno od ostatka proteinskog lanca. Mnogi domeni nisu jedinstveni proteinski proizvodi jednog gena ili porodice gena, već se mogu pojaviti u različitim proteinima. Domeni se često imenuju i izdvajaju  jer  imaju istaknutu ulogu u biološkoj funkciji proteina kojima pripadaju; naprimjer: kalcij-vezujući domen kalmudulina. Zato što su samostabilizirajući, domeni mogu biti zamenjeni postupcima genetičkog inženjerstva između dva proteina da bi se oformila himera. Pod *motivom* ovde se podrazumijeva mala specifična kombinacija sekundarnih elemenata strukture, koji  se često nazivaju supersekundarne strukture. Savijanje se odnosi na globalni oblik savijanja. Strukturni motivi se obično sastoje od malog broja elemenata, na primer „uvijeni-heliks“ ima samo tri. Primjetno je da dok je prostorna sekvenca elemenata  ista u svim slučajevima jednog motiva, ona može biti kodirana bilo kojom sekvencom osnovnovnog gena. Proteinski strukturni motivi često obuhvataju petlje različitih dužina i neočekivanih struktura, čiji je efekat da „popuste“ onoliko kolko je potrebno da bi se u prostoru spojila dva elementa koja nisu kodirana susjednim sekvencama DNK u genu. Takošer je uočeno da, iako dva gena istom sekvencom kodiraju sekundarne strukturalne elemente motiva, pored svega toga mogu specificirati nešto drugačiju sekvencu aminokiselina. U prilog ovome ide, ne samo kompliciran odnos između tercijalne i primarne strukture, već i to što veličina elemenata varira od jednog do drugog proteina. Uprkos tome što u eurokariotskim sistemima ima oko 100.000 različitih proteina, postoji mnogo manje različitih domena, strukturnih motiva i savijanja. To je djelimično posljedica evolucije, pošto geni ili njihovi dijelovi mogu biti duplirani ili „šetati“ unutar genoma. Ovo znači, naprimjer, da domen proteina može biti pomjeran od jednog do drugog proteina dajući proteinu novu funkciju. Zahvaljujući ovim putevima mehanizama, i sami mehanizmi teže da budu korišćeni u nekoliko različitih proteina.

### Superdomen
Superdomen  sastoji se od dvije ili više nominalno nepovezanih strukturnih domena koji se nasljeđuju kao jedna cjelina i javljaju u različitim proteinima. Primer su domen protein tirozin-fosfatazai C2 domenski par u PTEN-u, nekoliko tenzinskih proteina, auksilin i proteini kod biljaka i gljiva. Superdomen PTP-C2 očito je postojao prije divergencije gljiva, biljaka i životinja, pa je  vjerovatno star oko 1,5 milijardi godina.

## Dinamika proteina
[thumb|300px|[Ribosom je "biolpška mašina",  koja koristi dinamiku proteina na nanorazmjerima.]]

Proteini, međutim, nisu strogo statični objekti, već prije zauzimaju cjeline konformacijska stanja.

Prijelazi između ovih stanja obično se događaju na nanorazmjernoj skali s,
i povezani su s funkcijski relevantnim pojavama, kao što je alosterna signalizacija i enzimske katalize. Dinamiku proteina i konformacijske promjene dopuštaju proteini koji funkcioniraju kao nanorazmjer [unutar bioloških mašina], unutar ćelija, često u obliku multiproteinskih kompleksA. Primjeri uključuju motorne bjelančevine, kao što je miozin, koji je odgovoran za kontrakciju mišićA, kinezin, koji pomiče teret unutar ćelija dalje od [[Ćelijsko jedro]jedra]] duž mikrotubula i dineina, koji premješta teret unutar ćelija prema jedru i proizvodi aksonemano treperenje pokretnih treplji i bičeva. Učinak pokretnih treplji je nanomašina sastavljena od možda preko 600 proteina u molekulskim kompleksima, od kojih mnogi također funkcioniraju neovisno kao nanomašine. Fleksibilni linkeri omogućavaju mobilne proteinske domene koji su ih povezali, kako bi aktiviraliali svoje partnere za veanje i inducirali dugoročnu alostenost putem dinamika domena proteina.

## Savijanje  proteina
Proces kojim se stvaraju viši strukturni oblici naziva se proteinsko savijanje, a posljedica je primarne strukture. Jedinstveni polipeptid može imati više od jedne stabilne uvijene konformacije, koja može imati različitu biološku aktivnost, ali obično se samo jedna konformacija smatra aktivnom ili prirodnom konformacijom.

## Klasifikacija struktura
Razvijeno je nekoliko metoda za klasificiranje strukture proteina. Ova potraga teži i da klasifikuje podatke u Proteinskoj bazi podataka, po  strukturnom redosledu. Postoji nekoliko baza podataka koje klasificiraju proteine koristeći različite metode. Najveće su SCOP, CATH i FSSP. Korišteni metod su čisto ručunarski, manipulativne i automatizirane ili čisto automatizirane. U toku  su napori da bi se bolje razvrstali  dosadašnji podaci. Klasifikacija je ista za većinu proteina koji su uvršteni i baze SCOP, CATH i FSSP, ali i dalje postoje neka neslaganja i nedosljednosti.. Kada je strukturna sličnost velika, dva proteina su se možda odvojila od zajedničkog pretka, a zajednička struktura proteina smatra se dokazom homologijaijom. Tada se sličnost strukture može koristiti za grupiranje proteina u proteinske superporodice.. Ako je zajednička struktura značajna, ali dijeljena frakcija je mala, taj fragment može biti posljedica dramatičnijeg evolucijskog događaja kao što je vodoravni prijenos gena, a spajanje proteina koji dijele ove fragmente u proteinske superfamilije više nije opravdano.

## Računarsko predviđanje proteinske strukture 
Kreiranje proteinskih sekvenci je mnogo jednostavnije nego što je to za proteinske strukture. Ipak, proteinska struktura daje mnogo više podataka o unutrašnjoj funkciji proteina, nego  njegova sekvenca. Zbog toga je  predložen veći broj metoda za računarsko predviđanje proteinske strukture. *Ab initio* metode za predviđanje koriste samo sekvencu proteina. Metod računarske predikcije strukture proteina koristi postojeće proteinske strukture.

Distribuirani kompjuterski projekt Roseta@home pokušava da predvidi proteinske strukture pomoću masivnog probanja na hiljadama kućnih računara.

### Analiza proteinskih sekvenci
[[Datoteka:Schematic view of the two main ensemble modeling approaches.jpg|thumb|right|500px|Shema dva glavna ansambla pristupa modeliranju.

Pristup molekulske dinamike uzima više slučajnih konformacija odjednom i sve ih podvrgava poređenju sa eksperimentalnim podacima. Ovdje eksperimentalni podaci služe kao ograničenja na postavljanje konformacija (npr. poznata udaljenost između atoma). Prihvataju se samo konformacije koje uspiju ostati u granicama postavljenim eksperimentalnim podacima. Ovaj pristup često primjenjuje velike količine eksperimentalnih podataka za konformacije, što je vrlo računarski zahtjevan zadatak..

 (prema: image in "Computational approaches for inferring the functions of intrinsically disordered proteins")

## Također pogledajte
* Protein
* Struktura gena
* Nukleinske kiseline
* Z-matriks
* Trakasti dijagram

## Reference
## Dopunska literatura
*50 Years of Protein Structure Determination Timeline - HTML Version - National Institute of General Medical Sciences  at NIH

## Vanjski linkovi
*

*
Kategorija:Molekularna biologija
Kategorija:Biohemija
Kategorija:Proteini
Kategorija:Biofizička hemija
Kategorija:Biofizika