Metabolisme protein

**Metabolisme protein** menunjukkan pelbagai proses biokimia yang bertanggungjawab dalam sintesis protein dan asid amino (anabolisme), dan pemecahan protein oleh katabolisme.

Langkah-langkah sintesis protein termasuk transkripsi, terjemahan, dan pengubahsuaian pascaterjemahan. Semasa transkripsi, RNA polimerase menyalin kawasan pengekodan DNA dalam sel yang menghasilkan urutan RNA, khususnya RNA pengutus (mRNA). Urutan mRNA ini mengandungi kodon: 3 segmen panjang nukleotida yang mengekod untuk asid amino tertentu. Ribosom menterjemahkan kodon kepada asid amino masing-masing. Pada manusia, asid amino bukan penting disintesis daripada perantaraan dalam laluan metabolik utama seperti kitaran asid sitrik. Asid amino perlu mesti dimakan dan dihasilkan dalam organisma lain. Asid amino disatukan oleh ikatan peptida untuk membentuk rantai polipeptida. Rantai polipeptida ini kemudiannya melalui pengubahsuaian pascatranslasi, dan kadangkala dicantum dengan rantai polipeptida lain untuk membentuk protein yang berfungsi sepenuhnya.

Protein pemakanan mula-mula dipecahkan kepada asid amino individu oleh pelbagai enzim dan asid hidroklorik yang terdapat dalam saluran gastrousus. Asid amino ini diserap ke dalam aliran darah untuk diangkut ke hati dan seterusnya ke seluruh badan. Asid amino yang diserap biasanya digunakan untuk mencipta protein berfungsi, tetapi juga boleh digunakan untuk mencipta tenaga.  Ia juga boleh ditukar menjadi glukosa.  Glukosa ini kemudiannya boleh ditukar kepada trigliserida dan disimpan dalam sel lemak. 

Protein boleh dipecahkan oleh enzim yang dikenali sebagai peptidase atau boleh terurai akibat penyahaslian. Protein boleh menyahasli dalam keadaan persekitaran yang tidak sesuai dalam protein. 

## Sintesis protein
**Anabolisme protein** ialah proses di mana protein terbentuk daripada asid amino. Ia bergantung pada lima proses: sintesis asid amino, transkripsi, terjemahan, pengubahsuaian pascatranslasi dan lipatan protein. Protein diperbuat daripada asid amino. Pada manusia, beberapa asid amino boleh disintesis menggunakan perantaraan sedia ada. Asid amino ini dikenali sebagai asid amino bukan penting. Asid amino penting pula perlu memerlukan perantaraan yang tidak terdapat dalam tubuh manusia. Bahan perantaraan ini mesti diambil (dimakan/minum), kebanyakannya daripada organisma lain.

### Sintesis asid amino

### Sintesis polipeptida

#### Transkripsi

Dalam transkripsi, polimerase RNA membaca untaian DNA dan menghasilkan untaian mRNA yang boleh diterjemahkan lagi. Untuk memulakan transkripsi, segmen DNA yang akan ditranskripsi mesti boleh diakses (iaitu ia tidak boleh dibungkus dengan ketat). Sebaik sahaja segmen DNA boleh diakses, polimerase RNA boleh mula menyalin untaian DNA pengekodan dengan memasangkan nukleotida RNA kepada untaian DNA templat. Semasa fasa transkripsi awal, polimerase RNA mencari kawasan promoter pada untaian templat DNA. Sebaik sahaja polimerase RNA mengikat rantau ini, ia mula "membaca" untaian DNA templat dalam arah 3' hingga 5'. RNA polimerase melekatkan pangkalan RNA yang pelengkap kepada untaian DNA templat (urasil akan digunakan sebagai ganti timina). Bes nukleotida baru terikat antara satu sama lain secara kovalen. Bes baru akhirnya berpisah daripada pangkalan DNA tetapi kekal berkait antara satu sama lain lalu membentuk untaian mRNA baharu. Untai mRNA ini disintesis dalam arah 5' hingga 3'. Sebaik sahaja RNA mencapai jujukan penamat, ia berpisah daripada helai templat DNA serta menamatkan jujukan mRNA.

Transkripsi dikawal dalam sel melalui faktor transkripsi. Faktor transkripsi ialah protein yang mengikat kawasan jujukan kawal atur dalam untaian DNA seperti kawasan promoter atau operator. Protein yang terikat pada kawasan ini boleh sama ada secara langsung menghentikan atau membenarkan polimerase membaca untaian DNA atau boleh memberi isyarat kepada protein lain untuk menghentikan atau membenarkan bacaan 

#### Translasi

Semasa translasi, ribosom menukar urutan mRNA kepada urutan asid amino. Setiap segmen 3 bes pasangan panjang mRNA ialah kodon yang sepadan dengan satu asid amino atau isyarat hentian. Asid amino boleh mempunyai berbilang kodon yang sepadan dengannya. Ribosom secara tidak langsung melekatkan asid amino kepada kodon mRNA, dan memerlukan tRNA (RNA pemindah). RNA pemindah boleh mengikat asid amino, dan mengandungi antikodon yang boleh mengikat hidrogen kepada kodon mRNA. Proses mengikat asid amino kepada tRNA dikenali sebagai pengecasan tRNA. Di sini, enzim aminoasil tRNA sintetase memangkinkan dua tindak balas. Tindak balas pertama melibatkan pelekatan molekul AMP (dibelah daripada ATP) terhadap asid amino. Seterusnya, sintetase membelah aminoasil-AMP yang menghasilkan tenaga untuk bergabung dengan asid amino kepada molekul tRNA.

Ribosom mempunyai dua subunit: satu besar dan satu kecil. Subunit ini mengelilingi helaian mRNA. Subunit yang lebih besar mengandungi tiga tapak pengikat: A (aminoasil), P (peptidil) dan E (keluar). Selepas permulaan translasi (yang berbeza dalam prokariot dan eukariot), ribosom memasuki tempoh pemanjangan yang mengikuti kitaran berulang. Mula-mula, tRNA dengan asid amino yang betul memasuki tapak A. Ribosom memindahkan peptida dari tRNA di tapak P ke asid amino baru pada tRNA di tapak A. tRNA dari tapak P akan dialihkan ke tapak E di mana ia akan dikeluarkan. Ini berlaku secara berterusan sehingga ribosom mencapai kodon berhenti atau menerima isyarat untuk berhenti. Ikatan peptida terbentuk antara asid amino yang melekat pada tRNA di tapak P dan asid amino yang melekat pada tRNA di tapak A. Pembentukan ikatan peptida memerlukan input tenaga. Dua molekul yang bertindak balas ialah kumpulan alfa amino bagi satu asid amino, dan kumpulan alfa karboksil bagi asid amino yang lain. Hasil sampingan pembentukan ikatan ini ialah pembebasan molekul air (kumpulan amino mendermakan proton manakala kumpulan karboksil mendermakan hidroksil).

Translasi boleh dikurangkan oleh miRNA (mikroRNA). Untaian RNA ini boleh membelah helai mRNA yang saling melengkapi, dan dengan itu, akan menghentikan terjemahan. Terjemahan juga boleh dikawal melalui protein penolong. Sebagai contoh, protein yang dipanggil faktor permulaan eukariot 2 (eIF-2) boleh mengikat subunit ribosom kecil lalu memulakan translasi. Apabila elF-2 terfosforilasi, ia tidak boleh mengikat ribosom, menyebabkan terhentinya translasi.

#### Pengubahsuaian pascatranslasi

Sebaik sahaja rantai peptida terhasil, ia perlu diubah suai. Pengubahsuaian selepas terjemahan boleh berlaku sebelum atau selepas pelipatan. Kaedah biologi biasa untuk mengubah suai rantai peptida selepas terjemahan termasuk pemetilan, pemfosforilan dan pembentukan ikatan disulfida. Pemetilan sering berlaku kepada arginina atau lisina, dan melibatkan penambahan kumpulan metil kepada nitrogen (menggantikan hidrogen). Kumpulan R pada asid amino ini boleh dimetilkan beberapa kali selagi ikatan terhadap nitrogen tidak melebihi empat. Pemetilan mengurangkan keupayaan asid amino ini untuk membentuk ikatan hidrogen, menyebabkan arginina dan lisina dimetilasi mempunyai sifat yang berbeza daripada bentuk biasa. Pemfosforilan sering berlaku terhadap serina, treonina dan tirosina, dan melibatkan penggantian hidrogen pada kumpulan alkohol di hujung kumpulan R dengan kumpulan fosfat. Ini menambah cas negatif pada kumpulan R, dan dengan itu akan mengubah cara asid amino berkelakuan berbanding dengan molekul iasa. Pembentukan ikatan disulfida ialah penciptaan titian disulfida (ikatan kovalen) antara dua asid amino sisteina dalam rantai yang menambah kestabilan pada struktur terlipat.

#### Pelipatan protein
Rantai polipeptida dalam sel tidak perlu kekal linear; ia boleh menjadi bercabang atau berlipat pada dirinya sendiri. Rantai polipeptida berlipat dengan cara tertentu, bergantung pada larutan. Perihal sifat kumpulan R yang berbeza-beza bagi setiap asid amino ialah sebab utama lipatan protein. Dalam persekitaran hidrofilik seperti sitosol, asid amino hidrofobik akan tertumpu ke teras protein manakala asid amino hidrofilik pula akan berada di bahagian luar. Ini menuruti entropi kerana molekul air boleh bergerak lebih bebas di sekeliling asid amino hidrofilik daripada asid amino hidrofobik. Dalam persekitaran hidrofobik, asid amino hidrofilik akan tertumpu pada teras protein, manakala asid amino hidrofobik akan berada di bahagian luar. Oleh kerana interaksi baharu antara asid amino hidrofilik adalah lebih kuat daripada interaksi hidrofobik-hidrofilik, ini menuruti entalpi. Sebaik sahaja rantai polipeptida dilipat sepenuhnya, ia dipanggil protein. Selalunya, banyak subunit akan bergabung untuk membuat protein yang berfungsi sepenuhnya walaupun ada protein yang mengandungi hanya satu rantai polipeptida. Protein juga boleh menggabungkan molekul lain seperti kumpulan hem dalam hemoglobin, protein yang bertanggungjawab untuk membawa oksigen dalam darah.

## Penguraian protein
Katabolisme protein ialah proses di mana protein dipecahkan kepada asid aminonya. Ini juga dipanggil sebagai proteolisis, dan boleh diikuti dengan penguraian asid amino selanjutnya.

### Katabolisme melalui enzim

#### Protease
Pada asalnya dianggap hanya mengganggu tindak balas enzim, protease (juga dikenali sebagai peptidase) sebenarnya membantu mengkatabolisme protein melalui pembelahan, dan mencipta protein baharu yang tidak ada sebelum ini. Protease juga membantu mengawal laluan metabolisme. Satu cara mereka melakukan ini adalah dengan membelah enzim dalam laluan yang tidak perlu dilaksanakan (cth., glukoneogenesis apabila kepekatan glukosa darah tinggi). Ini membantu untuk menjimatkan tenaga sebanyak mungkin dan mengelakkan kitaran yang sia-sia. Kitaran sia-sia berlaku apabila laluan katabolik dan anabolik kedua-duanya berkuat kuasa pada masa yang sama, pada kadar yang sama. Oleh kerana molekul perantaraan yang dicipta diambil, badan tidak mendapat keuntungan bersih. Tenaga hilang melalui kitaran yang sia-sia. Protease menghalang kitaran ini daripada berlaku dengan mengubah kadar salah satu laluan, atau dengan membelah enzim utama, dan menghentikan salah satu laluan. Protease juga tidak spesifik apabila mengikat substrat, membolehkan kepelbagaian yang besar di dalam sel dan protein lain kerana ia boleh dibelah dengan lebih mudah dengan cara yang cekap tenaga.

Kerana banyak protease tidak spesifik, ia dikawal ketat dalam sel. Tanpa peraturan, protease akan memusnahkan banyak protein yang penting buat proses fisiologi. Satu cara badan mengawal protease adalah melalui perencat protease. Perencat protease termasuk protein lain, peptida kecil atau molekul. Terdapat dua jenis perencat protease: berbalik dan tidak berbalik. Perencat protease berbalik membentuk interaksi bukan kovalen dengan protease untuk mengehadkan fungsinya. Mereka boleh menjadi perencat berpersaingan, tidak berpersaingan dan tanpa persaingan. Perencat berpersaingan bersaing dengan peptida untuk mengikat tapak aktif protease. Perencat tak berpersaingan mengikat protease manakala peptida terikat tetapi tidak biarkan protease membelah ikatan peptida. Perencat tanpa persaingan pula boleh melakukan kedua-duanya. Perencat protease tak berbalik mengubah suai tapak aktif protease melalui ikatan kovalen supaya ia tidak boleh membelah peptida.

##### Eksopeptidase
Eksopeptidase ialah enzim yang boleh membelah hujung rantai sisi asid amino kebanyakannya melalui penambahan air. Enzim eksopeptidase wujud dalam usus kecil. Enzim ini mempunyai dua kelas: aminopeptidase ialah enzim "sempadan berus" dan karboksipeptidase yang berasal dari pankreas. Aminopeptidase ialah enzim yang mengeluarkan asid amino daripada terminal amino protein. Mereka hadir dalam semua bentuk hidupan, dan sangat penting untuk kelangsungan hidup kerana mereka melakukan banyak tugas selul untuk mengekalkan kestabilan. Bentuk peptidase ini ialah metaloenzim zink, dan direncat oleh analog keadaan peralihan. Analog ini adalah serupa dengan keadaan peralihan sebenar, jadi ia boleh membuat enzim mengikatnya berbanding keadaan peralihan sebenar lalu menghalang pengikatan substrat dan mengurangkan kadar tindak balas. Karboksipeptidase terbelah pada hujung karboksil protein. Walaupun ia boleh mengkatabolismekan protein, ia lebih kerap digunakan dalam pengubahsuaian pascatranskripsi.

##### Endopeptidase
Endopeptidase ialah enzim yang menambah air kepada ikatan peptida dalaman dalam rantai peptida lalu memecahkan ikatan tersebut. Tiga endopeptidase lazim dari pankreas ialah pepsin, tripsin, dan kimotripsin. Kimotripsin melakukan tindak balas hidrolisis yang membelah selepas sisa aromatik. Asid amino utama yang terlibat ialah serina, histidina dan asid aspartik. Mereka semua memainkan peranan dalam membelah ikatan peptida. Ketiga-tiga asid amino ini dikenali sebagai triad pemangkinan, bererti bahawa ketiga-tiga ini mesti ada bagi fungsi yang betul. Tripsin membelah selepas sisa bercas positif yang lama dan mempunyai poket pengikat bercas negatif di tapak aktif. Kedua-duanya dihasilkan sebagai zimogen, bermakna ia mula-mula dihasilkan dalam keadaan tidak aktif, dan diaktifkan melalui hidrolisis. Interaksi bukan kovalen seperti ikatan hidrogen antara tulang belakang peptida dan triad pemangkin membantu meningkatkan kadar tindak balas, membolehkan peptidase ini membelah banyak peptida dengan cekap.

### Katabolisme protein melalui perubahan persekitaran

#### pH
Protein selular dipegang dalam pH yang agak tetap untuk mengelakkan perubahan dalam keadaan protonasi asid amino. Jika pH menurun, beberapa asid amino dalam rantai polipeptida boleh menjadi terprotonasi jika pKa kumpulan R mereka lebih tinggi daripada pH baharu. Protonasi boleh mengubah cas kumpulan R ini. Jika pH meningkat, beberapa asid amino dalam rantai boleh ternyahproton jika pKa kumpulan R lebih rendah daripada pH baharu. Ini juga mengubah cas kumpulan R. Memandangkan banyak asid amino berinteraksi dengan asid amino lain berdasarkan tarikan elektrostatik, penukaran cas boleh memecahkan interaksi ini. Kehilangan interaksi ini mengubah struktur protein, dan mengubah fungsi protein sehingga membawa manfaat atau memudaratkan. Perubahan ketara dalam pH malah boleh mengganggu banyak interaksi yang dibuat oleh asid amino dan penyahaslian protein.

#### Suhu
Apabila suhu dalam persekitaran meningkat, molekul bergerak lebih cepat. Ikatan hidrogen dan interaksi hidrofobik merupakan daya penstabilan penting dalam protein. Jika suhu meningkat dan molekul yang mengandungi interaksi ini bergerak terlalu cepat, interaksi menjadi terjejas atau pecah. Pada suhu tinggi, interaksi ini tidak boleh terbentuk, dan protein berfungsi pula ternyahasli. Walau bagaimanapun, ia bergantung kepada dua faktor; jenis protein yang digunakan dan jumlah haba yang digunakan. Jumlah haba yang digunakan menentukan sama ada perubahan dalam protein ini kekal atau jika ia boleh diubah kembali kepada bentuk asalnya.

## Rujukan