Protein
Tarih

Proteinlerin ayrı bir sınıf biyolojik molekül olduğu On sekizinci yüzyılda Antoine Fourcroy ve diğerleri tarafından fark edilmiştir. Bu sınıftaki maddeler ("albüminoid", Eiweisskörper veya matières albuminoides olarak adlandırılmışlardı) asit veya ısının etkisiyle pıhtılaşma veya topaklanma özellikleriyle tanınmışlardı. 19 yy. başlarında bunların iyi bilinen örnekleri yumurta beyazında bulunan albümen, serum albümini, fibrin ve buğday gluteniydi. Yumurta beyazının pişmesi ile sütün kesilmesi arasındaki benzerlik eski çağlarda da fark edilmişti, örneğin yumurta beyazı için albümen adı Yaşlı Plinius tarafından yumurta beyazı anlamına gelen Latince albus ovi 'den türetilmişti.
Jöns Jakob Berzelius'un tavsiyesi üzerine Hollandalı kimyager Gerhardus Johannes Mulder yaygın hayvan ve bitki proteinleri üzerinde element analizi yapmıştır. Herkesi şaşırtan bir sonuç, tüm proteinlerin yaklaşık aynı empirik formüle sahip olduklarıydı: birkaç fosfor ve kükürt atomunun yanı sıra yaklaşık olarak C400H620N100O120. Mulder sonuçlarını 1837 ve 1838 tarihlerinde iki makale olarak yayınladı ve "Grundstoff" olarak adlandırdığı bir temel protein maddesi olduğunu, bunun bitkiler tarafından sentezlendiği, hayvanların da onu sindirim yoluyla elde ettiğini hipotezledi. Berzelius bu teorinin ilk savunucularındandı ve 10 Temmuz 1838 tarihli bir mektupta bu madde için "protein" adını önerdi:
Mulder protein yıkımı sonucu ortaya çıkan amino asitleri tanımlamaya girişmiş, lösin için (yaklaşık olarak doğru) molekül ağırlığı olan 131 Da bulmuştur.
Mulder'in analizlerinden proteinler için ortaya çıkan en küçük molekül ağırlığı yaklaşık 9 kDa idi, bu rakam o zamanlar üzerinde çalışılan diğer moleküllerden yüzlerce kere daha büyüktü. Bu yüzden proteinlerin kimyasal yapısı (birincil yapıları) 1949'a kadar önemli bir araştırma konusuydu, o tarihte Fred Sanger insülinin dizisini çözdü. Proteinlerin peptit bağlarıyla bağlanmış amino asitlerin lineer polimerleri olduğu teorisi 1902'de bir konferansta Franz Hofmeister ve Emil Fischer tarafından aynı zamanda ve birbirlerinden bağımsız olarak sunuldu. Ancak, bazı bilim adamları bu kadar uzun makromoleküllerin çözelti halinde kararlı olabilecekleri konusunda şüpheciydiler. Bu yüzden protein birincil yapısına dair çeşitli alternatif teoriler de geliştirildi, örneğin proteinlerin küçük moleküllerden oluşan kümeler olduğunu öne süren kolloid hipotezi, Dorothy Wrinch'in siklol hipotezi, Emil Abderhalen'in diketopiperazin hipotezi ve Troensgard'ın pirrol/piperidin hipotezi (1942). Bu teorilerin çoğu, proteinlerin yıkımı sonucunda peptit ve amino asit oluşumunu açıklamakta zorlanıyordu. Nihayet Theodor Svedberg, analitik ultrasantrifüjleme tekniği ile proteinlerin tanımlı terkibi olan makromoleküller olduğunu, kolloid karışımlar olmadığını gösterdi. Bazı proteinlerin daha küçük proteinlerin kovalent olmayan birleşimleri olabileceği Gilbert Smithson Adair tarafından (hemoglobinin osmotik basıncını ölçerek), daha sonradan da Frederic M. Richards tarafından (Ribonükleaz S üzerindeki çalışmaları ile) gösterildi. Proteinlerde translasyon sonrası değişimlerin tanımlanmasında kullanılan faydalı bir teknik kütle spektrometrisi olmuştur, bu teknik yakın zamanda protein dizini çözmekte de kullanılmıştır.
Çoğu proteinin modern tekniklerle dahi milligram miktarlardan daha fazla saflaştırılması zordur. Bu yüzden ilk çalışmalar bol miktarda saflaştırılması kolay olan proteinler üzerine odaklanmıştı, bunlar örneğin kan proteinleri, yumurta beyazı ve mezbahalardan elde edilebilen çeşitli sindirim ve metabolizma enzimleriydi. İkinci Dünya Savaşı'nda Edwin Joseph Cohn tarafından başlatılan, amacı askerleri sağ tutacak kan proteinlerinin saflaştırılması olan, bir proje sırasında protein saflaştırılmasıyla ilgili pek çok teknik geliştirildi. 1950 sonlarında Armor Hot Dog Company adlı bir sosis imalatçısı, 1 kg pankreatik ribonükleaz A saflaştırıp bunu dünyadaki tüm bilim insanlarının hizmetine sundu. Bu cömertliğin sonucu olarak RNaz A, izleyen birkaç on yıl boyunca temel araştırmada kullanılan başlıca protein olmuş ve birkaç Nobel Ödülü'ne yol açmıştır.
Protein katlanmasının araştırılması 1910'da Henrietta Chick ve C.J. Martin tarafından yazılmış ünlü bir makale ile başlamıştır. Bu çalışmada topaklanma sürecinin iki adımdan oluştuğu, proteinin çökelmesinden evvel denatürasyon olarak adlandırılan bir adımın geldiğini göstermişlerdir. Denatürasyonda protein az çözünür hale gelir, enzim aktivitesin kaybeder ve kimyasal olarak daha etkin hale gelir. 1920 ortalarında Tim Anson ve Alfred Mirsky denatürasyonun tersinir olduğunu öne sürdüler; doğru olan bu hipotez baştan bazı bilimciler tarafından "yumurtanın pişmesini geri alınması" olarak alaya alındı. Anson ayrıca denaturasyonun iki halli ("ya var ya yok") bir süreç olduğunu, moleküler bir geçiş sonucunda çözünürlük, enzim etkinliği ve kimyasal etkinlikte büyük bir değişiklik meydana geldiğini de önermişti. 1929'da Hsien Wu denatürasyonun aslında bir protein katlanması olduğunu, bazı amino asit yan zincirlerinin çözücüye maruz kalmalarına neden olan bir konformasyon değişikliği olduğunu hipotezledi. Bu (doğru olan) hipoteze göre, alifatik ve reaktif yan zincirlerin suya maruz kalması proteini daha az çözünür ve daha reaktif hale getirmekteydi. Wu'nun hipotezi makul sayılmakla beraber hemen kabul görmedi çünkü o dönemde protein yapısı, enzimoloji ve gözlemlenen değişikliklere neden olabilecek diğer etmenler hakkında çok az şey biliniyordu. 1960'ların başlarında Chris Anfinsen ribonükleaz A'nın katlanmasının hiçbir dış faktöre gerektirmeden tamamen tersinir olduğunu göstererek protein katlanmasıyla ilgili "termodinamik hipotezi" doğruladı. Bu hipoteze göre proteinin katlanmış hali, protein serbest enerjisinin global minimum noktasına karşılık gelmektedir.
Protein katlanma hipotezinin ardından katlanmış proteini kararlı kılan fiziksel etkileşimler konusunda araştırmalar başladı. Hidrofobik etkileşimlerin son derece önemli olduğu Dorothy Wrinch ve Irving Langmuir tarafından siklol yapılarının stabilize edebilecek bir mekanizma olarak daha evvelden hipotezlenmişti. Siklol hipotezi 1930'larda Linus Pauling ve diğerleri tarafından çürütülünce bu (doğru olan) hipotez de onunla beraber kenara atılmıştı. Pauling protein yapısının hidrojen bağları tarafından stabilize olduğunu savunuyordu, bu fikir ilk William Astbury tarafından 1933'te öne sürülmüştü. İlginç bir şekilde, Pauling'in H-bağları hakkında hatalı olan teorisi protein ikincil yapı elemanları (alfa sarmal ve beta yaprak) konusunda onun doğru modeller oluşturmasını sağlamıştır. 1959'da Walter Kauzman tarafından denatürasyon hakkında yazılan, kısmen Kaj Linderstrom-Lang'ın çalışmalarına da dayalı olan, ünlü bir makale hidrofobik etkileşimi bilimdeki doğru konumuna getirdi. Proteinlerin iyonik yapısı Bjerrum, Weber ve Arne Tiselius tarafından kanıtlandı ama Linderstrom-Lang, 1949'da iyonik grupların genelde çözücü tarafından ulaşılabilir olduğunu ve birbirlerine bağlı olmadıklarını gösterdi.
Globüler proteinlerin ikincil ve düşük çözünürlüklü üçüncül yapıları önceleri analitik ultrasantrifügasyon ve akı çift kırılması (flow birefringence) gibi hidrodinamik yöntemlerle araştırıldı. Protein yapısını yoklamak için kullanılan sprektroskopik yöntemler (dairesel dikroizm (circular dichroism), flüoresans, yakın-morötesi ve kizilütesi soğurganlığı (absorpsiyonu)) 1950'lerde geliştirildi. Proteinlerin atom çözünürlüklü ilk yapıları X-ışını kristalografisi ile 1960'larda, NMR ile de 1980'lerde çözüldü. 2006 yılı itibarıyla Potein Data Bank'da yaklaşık 40.000 atom çözünürlüklü protein yapısı bulunmaktadır. Yakın zamanlarda kriyo-elektron mikroskopisi ve hesapsal protein yapı tahminleri de atomsal çözünürlüğe yaklaşan iki yöntem olmuştur.
Amino asitleri birleştiren peptit bağının rezonans yapısı.
Birbirine peptit bağıyla bağlanmış serin ve alanin birimlerini gösteren bir protein yapısı kesiti. Karbonlar beyaz renklidirve daha sade görünüm için hidrojenler çıkarılmıştır.
Trioz fosfat izomeraz enziminin üç boyutlu yapısının üç farklı gösterimi. Solda, atom tipine göre renklendirilmiş tüm-atomlu gösterim. Ortada, protein ikincil yapısı türlerine göre renklendirilmiş protein omurga şeklinin şematik gösterimi. Sağda, kalıntı tiplerine göre renklendirilmiş (asit kalıntılar kırmızı, bazik kalıntılar mavi, polar kalıntılar yeşil, nonpolar kalıntılar beyaz), çözücü tarafından erişilir yüzey gösterimi
Çeşitli proteinlerin birbirine göreceli boylarını gösteren moleküler yüzeyleri. Soldan sağa: Antikor (IgG), Hemoglobin, İnsülin (bir hormon), Adenilat kinaz (bir enzim) ve Glutamin sentetaz (bir enzim).
Heksokinaz enzimi top ve çubuk moleküler model gösterimi. Substratları olan ATP ve glikoz sağ yukarı köşede aynı ölçekte görülebilir.
Koleraya karşı bir fare antikorunun karbonhidrat antijenine bağlanmış hali. Antikorun ağır ve hafif zincirleri turuncu ve mavi renkte şematik olarak, tepedeki karbonhidrat ise van der Waals gösterimi ile görünmektedir, atom tipine göre renklendirilmiştir (karbon siyan, oksijen kırmızı, azot mavi)
Farklı hücre bölmeleri ve yapılarında yer alan, Yeşil Flüoresan Protein ile işaretlenmiş proteinler.