Proteinska struktura

Proteini predstavljaju važnu klasu bioloških makromolekula koji su prisutni u svim biološkim organizmima, a čine ih elementi kao što su ugljenik, vodonik, azot, kiseonik i sumpor. Svi proteini su polimeri aminokiselina. Takvi polimeri, koji se nazivaju i peptidi sastoje se od niza 20 različitih L-α-aminokiselina, opšte formule RHC(NH₂)COOH, čije se bočne funkcionalne grupe (R) često nazivaju ostacima. Za lance ispod 40 ostataka koristi se termin polipeptid umesto protein. Da bi bili u stanju da obavljaju svoju biološku funkciju, proteini se savijaju u jednu, ili više, specifičnih prostornih konformacija, u zavisnosti od broja nekovalentnih interakcija kao što su vodonična veza, jonske interakcije i Van der Valsove sile. Da bi se razumela funkcija proteina na molekularnom nivou, često je potrebno utvrditi trodimenzionalnu strukturu proteina. To je tema naučnog polja strukturne biologije, koja za utvrđivanje strukture proteina koristi tehnike kao što su kristalografija X zracima ili NMR sprektroskopija.

Određen broj ostataka je neophodan za vršenje određenje biohemijske funkcije, i oko 40-50 ostataka čini se kao donja granica za funkcionalnu veličinu domena. Veličina proteina kreće se od pomenute donje granice pa do nekoliko hiljada ostataka u višefunkcionalnim ili strukturnim proteinima. Ipak, trenutna procena za prosečnu dužinu proteina je oko 300 ostataka. Veliki broj celina može biti formiran od proteinskih podjedinica, npr. više hiljada molekula aktina koji čine aktinska vlakna.

Nivoi proteinske strukture

Nivoi proteinske strukture, od primarne do kvaternerne

Biohemičari upućuju na četiri različita aspekta strukture proteina:

• Primarna struktura: aminokiselinska sekvenca peptidnog lanca (broj, vrsta i redosled aminokiselina u proteinu)
• Sekundarna struktura: veoma pravilne podstrukture – alfa heliks i beta ravan. Sekundarne strukture su definisane lokalno, što znači da mogu postojati različiti sekundarni motivi u jednom molekulu proteina.
• Tercijarna struktura: trodimenzionalna struktura pojedinačnog molekula proteina; prostorni raspored sekundarne strukture. Proces raskidanja tercijarne strukture - denaturacija.
• Kvaternerna struktura: kompleks nekoliko molekula proteina ili polipeptidnih lanaca, obično nazivan proteinska podjedinica, koji funkcioniše kao deo većeg skupa ili proteinskog kompleksa.

Protein se može menjati kroz nekoliko sličnih struktura u obavljanju svojih bioloških funkcija. U kontekstu ovih funkcionalnih preuređenja, tercijarne i kvaternerne strukture se obično nazivaju „konformacije“, a prelazi između njih konformacione promene.

Primarnu strukturu odlikuje strukurna povezanost kovalentnim peptidnim vezama (hemijski gledano, to su amidne funkcionalne grupe), koje su nastale tokom procesa translacije. Dva kraja lanca amino kiseline se nazivaju karboksilni kraj (C-terminus) i amino kraj (N-terminus) na osnovu prirode njihove slobodne grupe na svakom kraju.

Različiti tipovi sekundarne strukture su određeni različitim šablonima vodoničnih veza između glavnih lanaca peptidnih grupa. Ipak, ove vodonične veze generalno nisu stabilne u njima, pošto je voda-amid vodonična veza povoljnija nego amid-amid vodonična veza. Tačnije, sekundarna struktura je stabilna samo kad je lokalna koncentracija vode dovoljno velika, na primer, u potpuno savijenom stanju.

Slično, poredak globularnih proteina i tercijarne strukture je određen uglavnom strukturnim nespecifičnim interakcijama, kao što su burne sklonosti amino kiselina i hidrofobnih interakcija. Ipak, tercijarna struktura je određena samo onda kada su delovi proteinskog domena fiksirani na mestu pomoću specifičnih strukturnih interakcija, kao što su jonske interakcije, vodonične veze i čvrsto pakovanje na bočnim lancima. Tercijarna struktura vanćelijskih proteina može takođe biti stabilizovana pomoću disulfidnih veza, koje smanjuju entropiju opruženih oblika; disulfidni mostovi su izuzetno retki u citoplazmatičnim proteinima, pošto je citoplazma generalno redukciono okruženje.

Struktura amino kiselina

α-aminokiselina

CO-R-N pravilo

Jedna α-aminokiselina sadrži deo, koji je zajednički za sve tipove aminokiselina, i bočni lanac (ostatak), koji je jedinstven za svaki tip aminokiseline. α-C atom (C_α) je vezan za četiri različite grupe, jednu amino grupu, karboksilnu grupu, vodonik i bočni lanac, koje je specifičan za ovaj tip aminokiseline. Zato što je ugljenikov atom vezan za četiri različite grupe, on je hiralan, ipak samo jedan od stereoizomera se nalazi u biološkim proteinima, predominantno L- oblik. Glicin ipak, nije hiralan pošto je njegov bočni lanac vodonikov atom. Jednostavni mnemonik za pravilan L- oblik je „CORN“: kada α-C atom posmatramo tako da je H atom ispred njega, ostaci se mogu pročitati kao „CORN“ u pravcu kazaljke na satu.

Bočni lanac utiče na hemijske osobine α-aminokiselina i može biti jedan od 20 različitih bočnih lanaca, kod proteinogenih aminokiselina.

20 aminokiselina koje učestvuju u izgradnji proteina mogu biti podeljenje u nekoliko grupa na osnovu njihovih hemijskih osobina. Važni faktori su naelektrisanje, hidrofobnost/hidrofilnost, veličina i funkcionalne grupe. Priroda interakcija različitih bočnih lacana sa vodenom okolinom igra glavnu ulogu u globularnoj proteinskoj strukturi. Hidrofobna strana lanca teži da bude ukopana u sredini proteina, dok je hidrofilna strana lanca izložena rastvaranju. Primeri za hidrofobne ostatke su: leucin, izoleucin, fenilalanin i valin, i u manjoj meri tirozin, alanin i triptofan. Naelektrisanje bočnog lanca igra važnu ulogu u proteinskoj strukturi, pošto jonsko vezivanje može stabilizovati proteinsku strukturu, dok neupareno naelektrisanje u sredini proteina može promeniti strukturu. Naelektrisani ostaci su jako hidrofilni, i obično se nalaze sa spoljne strane proteina. Pozitivno naelektrisani bočni lanci su prisutni u lizinu i u argininu, i u nekim slučajevima u histidinu. Negativna naelektrisanja se nalaze u glutaminu i u asparaginskoj kiselini. Ostatak amino kiselina ima manje hidrofilične bočne lance sa različitim funkcionalnim grupama. Serin i treonin imaju hidroksilne grupe, a asparagin i glutamin imaju amidne grupe. Neke amino kiseline imaju specijalne osobine kao što je cistein, koji može kovalentno disulfidnom vezom da se veže sa drugim cisteinima, prolin koji je cikličan, glicin koji je mali i fleksibilniji od ostalih amino kiselina...

Peptidna veza

Pojednostavljen prikaz reakcije kondenzacije između dve aminokiseline

Uglovi između atoma u peptidnoj vezi

Dve amino kiseline mogu se kombinovati u reakcijama kondenzacije. Ponavljajući ovu reakciju, dugi lanci u ostacima (amino kiseline u pepditnim vezama) mogu biti stvoreni. Ova reakcija je katalizovana pomoću ribozoma u procesu poznatom kao translacija. Peptidna veza je u suštini planarna zahvaljujući delokalizaciji elektrona iz dvostruke veze. Za razliku od veoma krutog ugla peptidne veze gde je omega (veza između C1 i N) uvek blizu 180 stepeni, uglovi φ (veza između N i α-C) i Ψ (veza između α-C i C1) mogu imati određen domet mogućih vrednosti. Ovi uglovi su stepeni slobode proteina, i oni kontrolišu trodimenzionalnu strukturu proteina. Ograničeni su geometrijom da bi omogućili domete tipične za određene elemente sekundarne strukture i predstavljeni su u Ramačandranovom nacrtu. Nekoliko važnih dužina veza prikazane su u sledećoj tabeli.

Peptidna veza	Prosečna dužina	Jednostruka veza	Prosečna dužina	Vodonična veza	Prosečno (±30)
Ca - C	153 pm	C - C	154 pm	O-H --- O-H	280 pm
C - N	133 pm	C - N	148 pm	N-H --- O=C	290 pm
N - Ca	146 pm	C - O	143 pm	O-H --- O=C	280 pm

Primarna struktura

Niz različitih aminokiselina naziva se primarna struktura peptida ili proteina. Brojanje ostataka uvek počinje na N-terminalnom završetku (-NH₂ grupa), koja je kraj gde amino grupa susedna α-C atomu nije uključena u peptidnu vezu. Primarna struktura proteina je određena genom koji odgovara proteinu. Specifičan niz nukleotida u DNK je prepisan na iRNK, koji „čitaju“ ribozomi u procesu translacije - biosinteze proteina. Niz aminokiselina je jedinstven za taj protein i definiše njegovu strukturu i funkciju. Određivanje primarne strukture proteina može se izvršiti metodama kao što su Edmanova degradacija i masena spektroskopija. Često pak, može biti pročitana direktno sa gena koristeći genetički kod. Modifikacije nastale posle transkripcije kao što su disulfidna formacija, fosforilacija i vezivanje šećera su obično uzete u obzir u delu primarne strukture i ne mogu biti pročitane sa gena.

Sekundarna struktura

Linus Pauling je sa saradnicima 1951. godine predložio prve elemente sekundarne strukture, alfa heliks i beta konformaciju, pomoću modela peptida koje je napravio zahvaljujući poznatim informacijama o dužini veza i uglovima. I alfa heliks i beta konformacija predstavljaju način zasićenja svih donora i akceptora vodoničnih veza u kičmi peptida. Ovi elementi sekundarne strukture zavise samo od osobina koje su zajedničke za sve ostatke, objašnjavajući zašto se oni često pojavljuju u većini proteina. Od tada su otkriveni i drugi elementi sekundarne strukture kao što su različite petlje i drugi oblici heliksa. Deo kičme koji predstavlja regularnu sekundarnu strukturu naziva se slučajna spirala. Svaki od ova dva sekundarna strukturna elementa ima pravilnu geometriju, što znači da su ograničeni specifičnim vrednostima uglova φ i Ψ. Zato oni mogu biti pronađeni u specifičnoj oblasti Ramačandranovog plana.

Tercijarna struktura

Elementi sekundarne strukture se obično savijaju u kompaktan oblik pomoću različitih spirala i uvijanja. Formacija tercijarne strukture se obično postiže pomoću ukopavanja hidrofobnih ostataka, ali i druge interakcije kao što su vodonično vezivanje, jonske interakcije i disulfidne veze mogu dovesti do stabilizacije tercijarne strukture. Tercijarna struktura zaokružuje sve nekovalentne interakcije koje ne razmatra sekundarna struktura, definiše sveukupno savijanje u proteinu i obično je nezamenjiva u funkciji proteina.

Kvaternerna struktura

Kvaternerna struktura je interakcija između nekoliko lanaca peptidnih veza. Pojedinačni lanci se nazivaju podjedinice. Pojedinačne podjedinice ne moraju biti kovalentno vezane, ali mogu biti povezane disulfidnom vezom. Nemaju svi proteini kvaternernu strukturu, pošto mogu biti funkcionalni i kao monomeri. Kvaternerna struktura je stabilizovna istim brojem interakcija kao i tercijarna struktura. Kompleksi od dva ili više polimera nazivaju se multimeri. Ako sadrži dve podjedinice nazivamo ga dimer, trimer ako sadrži tri podjedinice i tetramer ako sadrži četiri podjedinice. Multimeri koji su sačinjeni od indentičnih podjedinica u nazivi imaju prefiks homo, dok oni koji su sačinjeni od različitih podjedinica imaju prefiks hetero.

Konformacija bočnog lanca

Atomi koji se nalaze duž bočnog lanca označavaju se slovima grčkog alfabeta po redosledu tog alfabeta: α, β, γ, δ i tako redom. C_α (ili α-C) atom se obično smatra delom kičme. Dijedarni uglovi oko veza između atoma nazivaju se π₁, π₂, π₃ itd. Na primer, prvi i drugi ugljenikov atom u bočnom lancu lizina su α i β, a dijedarni uglovi oko α-β veze se naziva π₁. Bočni lanac se može nalaziti u različitim konformacijama koje nazivamo cis(-), trans i cis(+). Bočni lanci generalno pokušavaju da uđu u stepeničastu konformaciju oko π₂, vođeni minimalizacijom preklapanja između elektronskih orbitala vodonikovih atoma.

Motivi, domeni i savijanja u proteinskoj strukturi

Mnogo proteina je organizovano u nekoliko jedinica. Strukturni domen je jedan od elemenata celokupne strukture proteina koji je samostabilišujući i često se savija nezavisno od ostatka proteinskog lanca. Mnogi domeni nisu jedinstveni proteinski proizvodi jednog gena ili porodice gena, već se mogu pojaviti u različitim proteinima. Domeni često dobijaju imena i izdvajaje se jer i oni istaknuto figurišu u biološkoj funkciji proteina kojima pripadaju; na primer: „kalcijum-vezujući domen kalmudulina“. Zato što su samostabilišući, domeni mogu biti zamenjeni genetičkim inženjeringom između dva proteina da bi se oformila himera. Pod motivom ovde se podrazumeva mala specifična kombinacija sekundarnih elemenata strukture. Ovi elementi se često nazivaju supersekundarne strukture. Savijanje se odnosi na globalni oblik savijanja. Strukturni motivi se obično sastoje od malog broja elemenata, na primer „heliks-okret-heliks“ ima samo tri. Primetno je da dok je prostorna sekvenca elemenata ista u svim slučajevima jednog motiva, ona može biti kodirana bilo kojim redosledom u osnovnovnom genu. Proteinski strukturni motivi često obuhvataju petlje različitih dužina i neočekivanih struktura, čiji je efekat da „popuste“ onoliko kolko je potrebno da bi se u prostoru spojila dva elementa koja nisu kodirana susednim sekvencama DNK u genu. Primetno je takođe da iako dva gena istim redosledom kodiraju sekundarne strukturalne elemente motiva, pored svega toga oni mogu specifikovati malo drugačiju sekvencu amino kiselina. U prilog ovome govori ne samo komplikovan odnos između tercijalne i primarne strukture već i to što veličina elemenata varira od jednog do drugog proteina. Uprkos tome što postoji oko 100.000 različitih proteina u eurokariotskim sistemima, postoji mnogo manje različitih domena, strukturnih motiva i savijanja. To je delimično posledica evolucije, pošto geni ili delovi gena mogu biti duplirani ili šetati unutar genoma. Ovo znači, na primeru, da domen proteina može biti pomeran od jednog do drugog proteina dajući proteinu novu funkciju. Zahvaljujući ovim putevima mehanizama, i sami mehanizmi teže da budu korišćeni u nekoliko različitih proteina.

Proteinsko savijanje

Proces kojim se obrazuju viši strukturni oblici naziva se proteinsko savijanje i predstavlja posledicu primarne strukture. Jedinstveni polipeptid može imati više od jedne stabilne uvijene konformacije, koja može imati različitu biološku aktivnost, ali obično se samo jedna konformacija smatra aktivnom ili prirodnom konformacijom.

Strukturna klasifikacija

Nekoliko metoda je razvijeno u cilju strukturne klasifikacije proteina. Ova potraga teži i da klasifikuje podatke u Proteinskoj bazi podataka strukturnim redosledom. Postoji nekoliko baza podataka koje klasifikuju proteine koristeći različite metode. SCOP, CATH i FSSP predstavljaju najveće. Korišćene metode su čisto manuelne, manuelne i automatizovane ili čisto automatizovane. Vrše se napori da bi se bolje raspodelili sadašnji podaci. Klasifikacija je ista za većinu proteina koji su klasifikovani kod SCOP, CATH i FSSP baze, ali i dalje postoje neka neslaganja i nedoslednosti.

Određivanje strukture proteina

Oko 90% struktura proteina koje su dostupne u proteinskoj bazi podataka su određene pomoću kristalografije rendgenskim zračenjem. Ova metoda omogućava merenje 3D gustine distribucije elektrona u proteinu na osnovu čega se izvode zaključci o 3D koordinatama svih atoma sa određenom sigurnošću. Grubo procenjeno, oko 9% poznatih proteinskih struktura su dobijene pomoću tehnika nuklearno magnetne rezonance, koje takođe mogu biti korišćene da bi se odredila i sekundarna struktura. Potrebno je naglasiti da aspekti sekundarne strukture mogu biti u celini određeni i pomoću drugih biohemijskih tehnika kao što su cirkularni dihroizam. Sekundarna struktura takođe može biti predviđena sa visokom stopom preciznosti. Krio-elektron mikroskopija je u skorije vreme postala način određivanja proteinske strukture niske rezolucije ali se predviđa da će postati oruđe za određivanje u visokoj rezoluciji u sledećoj deceniji. Ova tehnika je još uvek dragocen izvor za istraživački rad sa veoma velikim proteinskim kompleksima kao što su protein virusne opne i amiloidna vlakna.

Računsko predviđanje proteinske strukture

Stvaranje proteinskih sekvenci je mnogo jednostavnije nego stvaranje proteinske strukture. Ipak, proteinska struktura daje mnogo više podataka o unutrašnjoj funkciji proteina od njegove sekvence. Zbog toga, predložen je veći broj metoda za računarsko predviđanje proteinske strukture. Ab initio metode za predviđanje koriste samo sekvencu proteina. Metod računarske predikcije strukture proteina koristi postojeće proteinske strukture.

Roseta@home je distribuirani kompjuterski projekat koji pokušava da predvidi proteinske strukture pomoću masivnog probanja na hiljadama kućnih računara.