Biokimia
Biomolekul > Protein

Artikel utama: Protein
Lihat pula: Asam amino
Protein merupakan molekul yang sangat besar (biopolimer makro) yang tersusun dari monomer yang disebut asam amino. Ada 20 asam amino standar, yang masing-masing terdiri dari atom karbon alfa yang berikatan dengan empat gugus, yaitu gugus amino (-NH2), gugus asam karboksilat (-COOH; meskipun gugus ini juga ada sebagai -NH3+ dan -COO - dalam kondisi fisiologis), atom hidrogen sederhana, dan rantai samping (biasanya dilambangkan sebagai "-R").  Gugus "R" inilah yang menjadikan setiap asam amino berbeda, dan sifat rantai samping akan sangat memengaruhi bentuk tiga dimensi suatu protein. Beberapa asam amino memiliki fungsi sendiri-sendiri, misalnya glutamat berfungsi sebagai neurotransmiter. Sejumlah asam amino dapat digabungkan oleh ikatan peptida melalui sintesis dehidrasi. Dalam proses ini, molekul air akan dilepaskan dan ikatan peptida menghubungkan nitrogen dari satu gugus amino pada suatu asam amino ke karbon dari gugus asam karboksilat pada asam amino lainnya. Molekul yang dihasilkan disebut dipeptida. Rangkaian pendek asam amino (biasanya kurang dari tiga puluh) disebut peptida atau polipeptida. Rangkaian yang lebih panjang disebut protein. Sebagai contoh, protein albumin pada plasma darah terdiri dari 585 residu asam amino.
Protein memiliki peran struktural dan/atau fungsional. Contohnya, pergerakan dari protein aktin dan miosin sangat berperan dalam kontraksi otot rangka. Satu sifat yang dimiliki banyak protein adalah bahwa mereka mengikat molekul atau kelompok molekul tertentu secara khusus dan mungkin sangat selektif. Antibodi adalah contoh protein yang hanya dapat mengikat satu tipe molekul saja. Salah satu jenis protein yang paling penting adalah enzim. Molekul enzim hanya dapat mengenali satu jenis molekul reaktan saja, yang disebut sebagai substrat. Enzim akan mengkatalis reaksi sehingga energi aktivasi akan menurun dan kecepatan reaksi dapat berlangsung hingga 1011 kali lebih cepat atau lebih. Sebuah reaksi mungkin akan memakan waktu 3.000 tahun untuk betul-betul selesai, tetapi dengan enzim reaksinya mungkin menjadi kurang dari satu detik. Enzim sendiri tidak digunakan dalam proses reaksinya sehingga akan langsung mengkatalis substrat lainnya.
Struktur protein bisa dijelaskan melalui empat tingkatan. Struktur primer protein terdiri dari rangkaian linier asam amino, misalnya, "alanin-glisin-triptofan-serin-glutamat-asparagin-glisin-lisin-…". Struktur sekunder lebih berkaitan dengan morfologi lokal (morfologi adalah studi tentang struktur). Beberapa kombinasi asam amino akan cenderung membentuk gulungan yang disebut dengan uliran alfa (α-helix) atau menjadi lembaran yang disebut dengan lembaran beta (β-sheet). Struktur tersier merupakan bentuk tiga dimensi protein secara keseluruhan. Bentuk ini ditentukan oleh urutan asam amino. Jika ada satu perubahan saja, keseluruhan struktur dapat berubah. Sebagai contoh, rantai alfa pada hemoglobin terdiri dari 146 residu asam amino; jika residu glutamat di posisi ke-6 digantikan dengan valin, sifat hemoglobin akan berubah dan mengakibatkan penyakit anemia sel sabit. Terakhir, struktur kuartener berkaitan dengan struktur protein dengan beberapa subunit peptida, misalnya hemoglobin dengan keempat subunitnya. Tidak semua protein memiliki lebih dari satu subunit.
Protein yang masuk ke dalam tubuh akan dipecah menjadi asam amino atau dipeptida di dalam usus halus, baru kemudian bisa diserap oleh tubuh. Nantinya, asam amino ini dapat bergabung kembali untuk membentuk protein yang baru. Produk antara dari glikolisis, siklus asam sitrat, dan jalur fosfat pentosa dapat digunakan untuk membentuk kedua puluh macam asam amino. Sebagian besar bakteri dan tumbuhan memiliki semua enzim yang diperlukan untuk menyintesisnya. Manusia dan mamalia lainnya hanya dapat menyintesis sebagian dari ke-20 macam amino tersebut. Tubuh mereka tidak dapat menyintesis isoleusin, leusin, lisin, metionin, fenilalanin, treonin, triptofan, dan valin. Karena harus didapatkan dari luar tubuh, asam amino jenis ini merupakan asam amino esensial. Mamalia memiliki enzim untuk menyintesis asam amino nonesensial, yaitu alanin, asparagin, aspartat, sistein, glutamat, glutamin, glisin, prolin, serin, dan tirosin. Arginin dan histidin juga dapat disintesis oleh mamalia, tetapi hanya dapat diproduksi dalam jumlah terbatas sehingga terkadang juga disebut sebagai asam amino esensial.
Jika gugus amino dilepaskan dari sebuah asam amino, maka akan menyisakan kerangka karbon yang disebut asam keto-α. Enzim transaminase dapat dengan mudah memindahkan gugus amino dari satu asam amino (menjadikannya sebuah asam keto-α) ke asam keto-α lainnya (menjadikannya sebuah asam amino). Hal ini penting dalam biosintesis asam amino, seperti dalam banyak jalur, zat antara dari lintasan biokimia lainnya akan diubah menjadi kerangka asam keto-α, lalu sebuah gugus amino ditambahkan lewat transaminasi. Maka, asam amino dapat digabung-gabungkan untuk membentuk protein.
Proses yang mirip digunakan untuk memecah protein. Pertama-tama, protein akan dihidrolisis menjadi komponen-komponennya, yaitu asam amino. Amonia bebas (NH3) yang ada dalam bentuk ion amonium (NH4+) di dalam darah, akan berbahaya bagi tubuh sehingga harus dikeluarkan. Organisme uniseluler hanya tinggal melepaskan amonia ini keluar tubuh. Demikian pula ikan bertulang sejati yang dapat melepaskan amonia ke dalam air yang diencerkan dengan cepat. Secara umum, mamalia mengubah amonia menjadi urea, lewat siklus urea.
Untuk menentukan apakah dua protein saling terkait, atau dengan kata lain untuk memutuskan apakah mereka homolog atau tidak, para ilmuwan menggunakan metode perbandingan urutan. Metode seperti penjajaran urutan dan penjajaran struktural merupakan cara ampuh yang membantu ilmuwan mengidentifikasi homologi di antara molekul terkait. Selain untuk mengetahui pola evolusi keluarga protein, penemuan homologi protein juga untuk mengetahui kemiripan dua protein beserta struktur dan fungsinya.