โปรตีน

โปรตีน () เป็นสารประกอบชีวเคมี ซึ่งประกอบด้วยพอลิเพปไทด์หนึ่งสายหรือมากกว่า ที่พับกันเป็นรูปทรงกลมหรือเส้นใย โดยทำหน้าที่อำนวยกระบวนการทางชีววิทยา พอลิเพปไทด์เป็นพอลิเมอร์สายเดี่ยวที่เป็นเส้นตรงของกรดอะมิโนที่เชื่อมเข้ากันด้วยพันธะเพปไทด์ระหว่างหมู่คาร์บอกซิลและหมู่อะมิโนของกรดอะมิโนเหลือค้าง (residue) ที่อยู่ติดกัน ลำดับกรดอะมิโนในโปรตีนกำหนดโดยลำดับของยีน ซึ่งเข้ารหัสในรหัสพันธุกรรม โดยทั่วไป รหัสพันธุกรรมประกอบด้วยกรดอะมิโนมาตรฐาน 20 ชนิด อย่างไรก็ดี สิ่งมีชีวิตบางชนิดอาจมีซีลีโนซิสตีอีน และไพร์โรไลซีนในกรณีของสิ่งมีชีวิตโดเมนอาร์เคียบางชนิด ในรหัสพันธุกรรมด้วย ไม่นานหรือระหว่างการสังเคราะห์ สารเหลือค้างในโปรตีนมักมีขั้นปรับแต่งทางเคมีโดยกระบวนการการปรับแต่งหลังทรานสเลชัน (posttranslational modification) ซึ่งเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี การจัดเรียง ความเสถียร กิจกรรม และที่สำคัญที่สุด หน้าที่ของโปรตีนนั้น บางครั้งโปรตีนมีกลุ่มที่มิใช่เพปไทด์ติดอยู่ด้วย ซึ่งสามารถเรียกว่า โปรสทีติกกรุป (prosthetic group) หรือโคแฟกเตอร์ โปรตีนยังสามารถทำงานร่วมกันเพื่อบรรลุหน้าที่บางอย่าง และบ่อยครั้งที่โปรตีนมากกว่าหนึ่งชนิดรวมกันเพื่อสร้างโปรตีนเชิงซ้อนที่มีความเสถียร 

หนึ่งในลักษณะอันโดดเด่นที่สุดของพอลิเพปไทด์คือความสามารถจัดเรียงเป็นขั้นก้อนกลมได้ ขอบเขตซึ่งโปรตีนพับเข้าไปเป็นโครงสร้างตามนิยามนั้น แตกต่างกันไปมาก โปรตีนบางชนิดพับตัวไปเป็นโครงสร้างแข็งอย่างยิ่งโดยมีการผันแปรเล็กน้อย เป็นแบบที่เรียกว่า โครงสร้างปฐมภูมิ ส่วนโปรตีนชนิดอื่นนั้นมีการจัดเรียงใหม่ขนานใหญ่จากโครงสร้างหนึ่งไปยังอีกโครงสร้างหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างนี้มักเกี่ยวข้องกับการส่งต่อสัญญาณ ดังนั้น โครงสร้างโปรตีนจึงเป็นสื่อกลางซึ่งกำหนดหน้าที่ของโปรตีนหรือกิจกรรมของเอนไซม์ โปรตีนทุกชนิดไม่จำเป็นต้องอาศัยกระบวนการจัดเรียงก่อนทำหน้าที่ เพราะยังมีโปรตีนบางชนิดทำงานในสภาพที่ยังไม่ได้จัดเรียง

เช่นเดียวกับโมเลกุลใหญ่ (macromolecules) อื่น ดังเช่น พอลิแซกคาไรด์และกรดนิวคลีอิก โปรตีนเป็นส่วนสำคัญของสิ่งมีชีวิตและมีส่วนเกี่ยวข้องในแทบทุกกระบวนการในเซลล์ โปรตีนจำนวนมากเป็นเอนไซม์ซึ่งเร่งปฏิกิริยาทางชีวเคมี และสำคัญต่อกระบวนการเมตาบอลิซึม โปรตีนยังมีหน้าที่ด้านโครงสร้างหรือเชิงกล อาทิ แอกตินและไมโอซินในกล้ามเนื้อและโปรตีนในไซโทสเกเลตอน ซึ่งสร้างเป็นระบบโครงสร้างค้ำจุนรูปร่างของเซลล์ โปรตีนอื่นสำคัญในการส่งสัญญาณของเซลล์ การตอบสนองของภูมิคุ้มกัน การยึดติดกันของเซลล์ และวัฏจักรเซลล์ โปรตีนยังจำเป็นในการกินอาหารของสัตว์ เพราะสัตว์ไม่สามารถสังเคราะห์กรดอะมิโนทั้งหมดตามที่ต้องการได้ และต้องได้รับกรดอะมิโนที่สำคัญจากอาหาร ผ่านกระบวนการย่อยอาหาร สัตว์จะแตกโปรตีนที่ถูกย่อยเป็นกรดอะมิโนอิสระซึ่งจะถูกใช้ในเมตาบอลิซึมต่อไป 

โปรตีนอธิบายเป็นครั้งแรกโดยนักเคมีชาวดัตช์ Gerardus Johannes Mulder และถูกตั้งชื่อโดยนักเคมีชาวสวีเดน Jöns Jacob Berzelius ใน ค.ศ. 1838 นักวิทยาศาสตร์ด้านอาหารยุคแรกอย่าง Carl von Voit ชาวเยอรมัน เชื่อว่าโปรตีนเป็นสารอาหารที่สำคัญที่สุดในการคงโครงสร้างของร่างกาย เพราะมีการเชื่อกันทั่วไปว่า "เนื้อสร้างเนื้อ" บทบาทศูนย์กลางของโปรตีนในฐานะเอนไซม์ในสิ่งมีชีวิตยังไม่ได้รับการยอมรับจนกระทั่ง ค.ศ. 1926 เมื่อเจมส์ บี. ซัมเนอร์ แสดงให้เห็นว่าเอนไซม์ยูรีเอสแท้จริงแล้วเป็นโปรตีน โปรตีนชนิดแรกที่ถูกจัดลำดับคือ อินซูลิน โดยเฟรเดอริก แซงเจอร์ ผู้ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลจากความสำเร็จนี้ใน ค.ศ. 1958 โครงสร้างโปรตีนแบบแรกที่สามารถอธิบายได้คือ ฮีโมโกลบินและไมโอโกลบิน โดย Max Perutz และเซอร์ John Cowdery Kendrew ตามลำดับ ใน ค.ศ. 1958 โครงสร้างสามมิติของโปรตีนทั้งสองเดิมพิจารณาโดยการวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ Perutz และ Kendrew ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำ ค.ศ. 1962 ร่วมกันสำหรับการค้นพบเหล่านี้

หน้าที่ 
 โปรตีนหลายชนิดทำหน้าที่เป็นเอนไซม์หรือหน่วยย่อยของเอนไซม์
 โปรตีนทำหน้าที่ทางด้านโครงสร้าง เช่น ระบบเส้นใยของเซลล์ (cytoskeleton) ผม เส้นไหม
 โปรตีนที่ควบคุมการเคลื่อนไหว เช่น แอกติน ไมโอซิน
 เป็นภูมิคุ้มกันคอยปกป้องร่างกายจากสิ่งแวดล้อม เช่น แอนติบอดี
 ขนส่งสารภายในระบบร่างกาย เช่น ฮีโมโกลบิน
 เป็นแหล่งสำรองพลังงานยามขาดแคลน เช่นโปรตีนในเมล็ดข้าวและน้ำนม
 โปรตีนที่เป็นฮอร์โมน 
 โปรตีนให้ความหวานในพืช
 โปรตีนป้องกันการแข็งตัวของเลือดในปลาที่อยู่ในแถบขั้วโลก
 โปรตีนช่วยสร้างเซลล์เนื้อเยื่อใหม่

โครงสร้างของโปรตีน 
ลำดับของกรดอะมิโนจะเป็นตัวกำหนดโครงสร้างและการทำงานของโปรตีนนั้นๆ โดยทั่วไป โปรตีนมีโครงสร้างสามมิติสี่ระดับด้วยกันคือ
 โครงสร้างปฐมภูมิ เป็นโครงสร้างที่แสดงพันธะระหว่างกรดอะมิโนแต่ละตัว
 โครงสร้างทุติยภูมิ เป็นโครงสร้างที่แสดงการจัดเรียงตัวของกรดอะมิโนที่อยู่ใกล้กัน โปรตีนทุกชนิดจะมีโครงสร้างระดับนี้ โดยทั่วไปมีสองแบบคือ แบบ อัลฟาเฮลิก สายเพปไทด์ขดเป็นเกลียว กับแบบเบตา สายเพปไทด์อยู่ในรูปซิกแซก
 โครงสร้างตติยภูมิ แสดงการจัดตัวของกรดอะมิโนตลอดทั้งสาย พบในโปรตีนที่เป็นก้อน การจับตัวเป็นกลุ่มก้อนของสายโพลีเพปไทด์นั้นขึ้นกับลำดับกรดอะมิโนและสารอื่นๆที่เข้ามาจับ
 โครงสร้างจตุตถภูมิ แสดงการจับตัวระหว่างสายโพลีเพปไทด์ พบในโปรตีนที่ประกอบด้วยหน่วยย่อย (subunit) โดยแต่ละหน่วยย่อยคือสายโพลีเพปไทด์หนึ่งเส้น การจัดตัวขึ้นกับลำดับกรดอะมิโนและสารอื่นๆที่เข้ามาจับเช่นเดียวกัน

โปรตีนคอนจูเกต 

โปรตีนบางชนิดจะมีหมู่อื่นๆนอกจากกรดอะมิโนเข้ามาจับ โปรตีนนี้เรียกว่าโปรตีนคอนจูเกต (conjugated protein) ส่วนหมู่ที่มาจับเรียกว่าหมู่พรอสทีติก (prosthetic group) ตัวอย่างโปรตีนเหล่านี้ได้แก่
 ไลโปโปรตีน โปรตีนจับกับไขมัน 
 ไกลโคโปรตีน โปรตีนจับกับคาร์โบไฮเดรต
 ฟอสโฟโปรตีน โปรตีนจับกับหมู่ฟอสเฟต
 ฮีโมโปรตีน โปรตีนจับกับฮีม (heme)
 ฟลาโวโปรตีน โปรตีนจับกับฟลาวิน นิวคลีโอไทด์ (Flavin nucleotide) เช่น ซักซิเนต ดีไฮโดรจีเนส (succinate dehydrogenase)
 เมทัลโลโปรตีน โปรตีนจับกับโลหะเช่น เฟอร์ริทิน (จับกับ Fe) อัลกอฮอล์ ดีไฮโดรจีเนส (จับกับ Zn) เป็นต้น

อ้างอิง 
 Lehninger, A.L., Nelson, D.L., and Cox, M.M. 1993. Principle of Biochemistry. 2nd ed. New York.: Worth

แหล่งข้อมูลอื่น 
 Protein Songs (Stuart Mitchell - DNA Music Project), 'When a "tape" of mRNA passes through the "playing head" of a ribosome, the "notes" produced are amino acids and the pieces of music they make up are proteins.'

ฐานข้อมูลและโครงการ 
 Comparative Toxicogenomics Database curates protein-chemical interactions, as well as gene/protein-disease relationships and chemical-disease relationships.
 Bioinformatic Harvester A Meta search engine (29 databases) for gene and protein information.
 The Protein Databank (see also PDB Molecule of the Month , presenting short accounts on selected proteins from the PDB)
 Proteopedia - Life in 3D: rotatable, zoomable 3D model with wiki annotations for every known protein molecular structure.
 UniProt the Universal Protein Resource 
 Human Protein Atlas
 NCBI Entrez Protein database
 NCBI Protein Structure database
 Human Protein Reference Database 
 Human Proteinpedia 
 Folding@Home (Stanford University)

เว็บไซต์ทางการศึกษา 
 UC Berkeley video lecture  on proteins
 Proteins: Biogenesis to Degradation - The Virtual Library of Biochemistry and Cell Biology

ดูเพิ่ม 
 ชีวเคมี
 กรดอะมิโน
 เอนไซม์

โภชนาการ
 
โมเลกุลชีวภาพ
ชีวเคมี
สารอาหาร
อณูชีววิทยา