Proteiinin rakenne

Proteiinien rakenne on kolmiulotteinen. Aminohapot, joista proteiinit vähintään koostuvat, ovat niissä yhdistyneet peptidisidoksin pitkiksi polymeeriketjuiksi eli polypeptideiksi. Ketjut järjestäytyvät kullekin proteiinille ominaiseen kolmiulotteiseen muotoon. Järjestymistä sanotaan laskostumiseksi ja lopullista muotoa proteiinin natiiviksi rakenteeksi. Laskostuminen eliöissä tapahtuu itsenäisesti, mutta sitä voivat joskus avustaa eri chaperoniini-proteiinit, joiden päätehtävä on estää proteiineiksi vielä kehittymättömien peptidiketjujen sakkautumista yhteen eli aggregraatiota. Natiivin rakenteen hajoamisessa proteiini menettää toimintonsa. Tätä sanotaan denaturaatioksi, joka tapahtuu vaikkapa korkeissa lämpötiloissa tai hyvin happamissa tai emäksissä oloissa.
Kaikkia proteiinirakenteita voidaan käsitellä 4:llä käsitteellisellä tasolla. Alin taso eli "primäärirakenne" on pepidiketjun aminohappojen järjestys ja muiden kovalenttisidosten sijainti peptidiketjussa. "Sekundäärirakenne" on peptidiketjun lyhyiden pätkien järjestyminen kolmiulotteisiin muotoihin, kuten α-kierteiksi ja β-levyiksi. "Tertiäärirakenne" koko proteiinin kolmiulotteinen rakenne, joka koostuu polypeptidiketjusta ja muista siihen kovalenttisesti liittyneistä molekyyleistä – se on pienien proteiinien ylin rakennetaso. Jotkin yksittäisistä peptidiketjuista koostuvat proteiinit voivat liittyä toisiinsa tuottaen useiden peptidiketjujen proteiiniryhmiä – kahdesta tai useasta peptidiketjusta koostuvalla proteiinilla on "kvaternäärirakenne".
Kolmiulotteisen muotonsa perusteella proteiineja voidaan luokitella lisäksi karkeasti globulaarisiin eli pallomaisiin ja kuitumaisiin proteiineihin, joista esimerkkejä ovat vastaavasti hemoglobiinit ja kollageenit. Tarkempia rakenneluokittelussa käytettyjä käsitteitä ovat useista sekundäärirakenteista koostuvat motiivit ja domeenit.
Tietyt proteiinit muovautuvat eri tavoin translaation jälkeen eli post-translationaalisesti. Translaatiossa syntyneet peptidiketjut alkavat aitotumaisilla metioniinilla (syy tähän on geneettinen koodi) ja monilla bakteereilla N-formyylimetioniinilla, jotka usein poistuvat translaation jälkeen. Aminohappojen välille voi myös muodostua vaikkapa disulfidisidoksia; aminohapot voivat fosforyloitua (esim. kaseiinit), karboksyloitua (esim. protrombiini) tai muuntua muulla tavoin; niihin voi liittyä prosteettisia ryhmiä, kuten biotiini (esim. asetyyli-CoA-karboksylaasi) tai hemi (esim. hemoglobiinit); niihin voi liittyä isoprenyyleitä, hiilihydraatteja tai muita molekyylejä. Näiden perusteella proteiinirakenteita voidaan luokitella esimerkiksi sokereita sitoviin glykoproteiineihin; lipidejä sitoviin lipoproteiineihin ja nukleiinihappoja sitoviin nukleoproteiineihin.
Röntgenkristallografia on tyypillinen proteiinirakenteen selvittämiseen käytetty menetelmä. Muita vähemmän käytettyjä menetelmiä ovat muun muassa NMR-spektroskopia ja kryoelektronimikroskopia.
Peptidit ovat lyhyitä proteiineja.
Primäärirakenne.
Proteiinit koostuvat vähintään aminohapoista. Aminohapot ovat toisissaan perättäin kiinni peptidisidoksin tuottaen ketjun eli "peptidiketjun". Proteiineissa on usein enintään 20 erilaista aminohappoa, mutta joissain proteiineissa on harvinaisempiakin aminohappoja.
Esitystapaa aminohappojen järjestyksestä ketjussa sanotaan "aminohapposekvenssiksi". Järjestystä ja muita ketjussa mahdollisesti olevia aminohappojen välisiä sidoksia sanotaan "primäärirakenteeksi". Näitä muita proteiineissa yleisiä sidoksia ovat kysteiinien disulfidisidokset. Primäärirakenne kuvaa siis proteiinin kovalenttisidoksia, muttei proteiinin kolmiulotteista rakennetta.
Ketjun aminohappoja sanotaan "aminohappotähteiksi" (eng. "residue"), sillä ne eivät ole peptidisidoksen muodostumisen jälkeen enää kokonaisia aminohappoja. Useimmissa eliöiden kudoksissa vallitsee pH-arvo, joka on noin 7. Poolisen sivuketjun omaavat aminohapot ovat näissä oloissa ionisoituneet, jonka takia tähteistä puhutaan joskus niiden ionimuotojen nimillä. Esimerkiksi glutamiinihappotähteen sijaan saatetaan puhua glutamaattitähteestä.
Peptidiketjun toisessa päässä on vapaana aminoryhmä (NH3). Tätä sanotaan "N-terminaaliksi". Toisessa päässä on vapaana karboksyylihapporyhmä (COOH) eli "C-terminaali". Yleisen käytännön mukaan kirjoitetussa muodossa sekvenssit ja primäärirakenteet esitetään vasemmalta N-terminaalista lukien oikealle C-terminaaliin. Sekvenssin aminohapot esitetään usein aminohapoista käytetyin kirjainsymbolein. Esimerkiksi Met-Val-Phe eli MVF on peptidi (lyhyt "proteiini"), jossa metioniinitähde (Met, M) omaa vapaan aminoryhmän, valiinitähde (Val, V) on keskellä ja fenyylialaniinitähde (Phe, F) omaa vapaan karboksyylihapporyhmän.
Sekundäärirakenne.
Peptidiketjuissa aminohappotähteillä, paitsi glysiinillä, on sivuketju. Jätettäessä sivuketjujen kolmiulotteiset järjestäytymiset eli konformaatiot huomiotta, voidaan puhua peptidirungon konformaatiosta.
Rungon sidokset voivat kiertyä, jolloin runko tuottaa verrattain vakaita kolmiulotteisia rakenteita, joita löytyy periaatteessa kaikista proteiineista. Näitä sanotaan "sekundäärirakenteiksi". Esimerkkejä proteiineissa erittäin yleisistä sekundäärirakenteista ovat α-kierteet ja β-levyt. Näitä kierteitä ja levyjä esitetään yleensä vastaavasti kolmiulotteisin kiertein ja nuolin proteiinien kolmiulotteisissa rakennekaavoissa. Kokonaisen proteiinin peptidiketjusta eristettynä jonkin sekundäärirakenteen muodostava peptidipätkä ei silti usein pysty tuottamaan vakaata rakennetta, vaan kiertyilee liuoksissa likimain satunnaisesti.
Sekundäärirakenteiden lisäksi proteiineissa on niitä toisiinsa yhdistäviä kierroksia tai silmukoita (eng. "turns, loops"). Nämä ovat usein lyhyitä – niissä on vain muutama aminohappo, eikä niillä ole välttämättä tiettyä kolmiulotteista muotoa. Kuitenkin esimerkiksi β-levyistä koostuvissa hiusneularakenteissa on tunnistettavissa kierroksia, jotka toistuvat eri proteiineissa.
Kiertokulmat.
Rungon aminohapon sivuketjua sitovaa hiiltä sanotaan alfahiileksi Cα. Peptidisidoksen karbonyylihiilen lyhenne on C ja typen N. Sidokset voivat kiertyä ja "kierto-, dihedraali-" eli "torsiokulmille" on symbolit:
C–N väliset peptidisidokset omaavat kaksoissidosluonnetta resonanssin takia. Siten ne eivät kierry helposti, sillä tämä edellyttää kaksoissidoksen rikkoutumista. Siksi ne ilmentävät cis-trans-isomeriaa. Kukin ω kiertokulma voi siis olla noin 0° ("cis") tai 180° ("trans"). "cis"-sidokset ovat proteiineissa harvinaisia, sillä niissä sivuketjut ovat lähellä toisiaan vieden toisiltaan tilaa. Ne tuottavat toisilleen steerisen esteen ollen siis energiallisesti epäedullisia. Poikkeuksena kuitenkin eritoten 2 perättäistä proliinia voivat sivuketjun rakenteensa takia tuottaa verrattain edullisia "cis"-sidoksia.
Kulmat φ ja ψ voivat olla välillä -180–180°. Aste on 0°, jos rungon atomit ovat kohdakkain. Kulma on positiivinen, jos se kiertyy oikean käden säännön mukaiseen suuntaan, ja negatiivinen jos päinvastaiseen suuntaan (kuva). φ ja ψ kiertyminen on sivuketjujen takia kuitenkin rajoittunutta. Mahdolliset kulmat riippuvat sekundäärirakenteesta ja jonkin proteiinin kaikkia mahdollisia rungon kiertokulmia voidaan esittää Ramachandran-kuvaajassa, jollaisesta ilmenee hyvin myös mahdollisten kiertokulmien riippuvuus sekundäärirakenteesta.
Tertiäärinen rakenne.
Tertiäärinen rakenne tarkoittaa yhdestä peptidiketjusta koostuvan proteiinin kolmiulotteista rakennetta kokonaisuudessaan. Se koostuu sekundäärirakenteista. Joissain proteiineissa on tosin vielä alemmassa kappaleessa käsitelty kvaternäärirakenne. Tertiäärirakenteessa voi olla myös translaation jälkeen liittyneitä molekyylejä. Proteiinien pinnassa on myös sen ympäristöstä tulleita vetysidoksin kiinni olevia vesimolekyylejä, ns. hydraatteeina, joiden sijainnit samanlaisten proteiinien välillä ovat likimain samat, jonka takia niiden ominaisuudet poikkeavat vapaana olevista vesistä. Pinnan vedet ovat usein tärkeitä proteiinien rakenteen ja toiminnan kannalta ollen siis erottamaton osa niiden ominaisuuksia, vaikkei niitä luetakaan tertiäärirakenteeseen.
Tertiäärirakenteen muodostumista sanotaan "laskostumiseksi". Laskostuminen tapahtuu kohti vakainta eli pienimmän energian omaavaa rakennetta. Vesiliuoksissa rakenteen rasvaliukoisen sivuketjun omaavat aminohapot pyrkivät proteiinin sisälle ja vesiliukoisen sivuketjun omaavat ulkopinnalle kosketuksiin vesimolekyylien kanssa. Tämä ns. hydrofobinen vaikutus on pääasiallinen proteiinien laskostumista ohjaava vaikutus. Vähemmässä määrin tiettyyn muotoon laskostumista ajavia vaikutuksia ovat van der Waalsin voimat ja ioniset vuorovaikutukset muun muassa positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiden ionisoituneiden aminohappotähteiden sivuketjujen välillä. Vahvat vetysidokset osallistuvat myös laskostumiseen. Niitä on proteiinissa paljon, mutta niiden vaikutus laskostumisessa ei usein ole erityisen merkittävää, sillä laskostumisessa vetysidokset vesimolekyylien ja proteiinin välillä rikkoutuvat ja korvautuvat proteiinin sisäisillä sidoksilla. Rikkoutuvat ja muodostuvat vetysidokset siis kumoavat toisiaan.
Kvaternäärinen rakenne.
Jotkin proteiinit koostuvat useista erillisistä proteiineiksi muotoutuneista peptidiketjuista eli proteiiniyksiköistä. Useiden yksiköiden kokonaisuutta sanotaan "kvaternäärirakenteeksi". Yksiköt voivat olla toisissaan kiinni ei-kovalenttisesti tai kovalenttisesti esimerkiksi disulfidisidoksin. Vain yhden proteiiniyksikön omaavilla proteiineilla ei ole kvaternäärirakennetta. Esimerkiksi hemoglobiini A koostuu 4:stä erillisestä proteiinista, jotka tuottavat sille kvaternäärirakenteen. Myoglobiinissa taas on 1 yksikkö, eli sillä ei ole kvaternäärirakennetta. Kvaternäärirakenne voi olla keskeinen proteiinin toiminnan kannalta, eivätkä tällaisen proteiinin yksittäiset yksiköt toimi kunnolla erikseen.
Motiivit.
Kaksi tai useampi sekundäärirakenne voi tuottaa yhdistelmän, jota sanotaan "motiiviksi". Niitä on monia ja ne toistuvat eri proteiineissa kyllin usein, jolloin ne voidaan luokitella motiiveiksi. Motiivilla voi olla jokin biologinen toiminto, muttei aina. Motiivit voivat myös koostua erillisistä proteiineista.
Esimerkkejä motiiveista ovat (motiivien suomenkielisistä käännöksistä osa on vakiintumattomia nimiä)
Domeenit.
Yksi tai useampi motiivi voivat tuottaa "domeenin". Sitä voidaan pitää proteiinin osana, joka muodostaa selkeärajaisen rakenteen proteiinissa. Domeeni voi esimerkiksi liikkua kokonaisuutena muusta proteiinista riippumattomasti kolmiulotteista rakennettaan menettämättä tai olla itsessään vakaa irrotettaessa domeeni muusta proteiinista. Pienissä proteiineissa domeeneita on vain yksi. Domeeneilla voi joskus olla myös jokin tietty toiminto – ne voivat vaikkapa vuorovaikuttaa toisten proteiinien kanssa tai sitoa pieniä molekyylejä. Jonkin entsyymin domeeneista voi esimerkiksi olla aktiivinen kohta, mutta ne voivat olla myös kahden domeenin välissä. Domeeneissa on selkeä hydrofobinen ydin ja ne voivat kehittyä proteiinien evoluution myötä itsenäisesti ja eri domeenien yhdistelmät voivat tuottaa uusia proteiineja. Tyypillisesti domeenissa on 50–100 aminohappoa.
Esimerkkejä domeeneista ovat