Protein

In diesem Artikel handelt es sich um eine Klasse von Molekülen. Für Protein als Nährstoff siehe Protein (Nährstoff). Für andere Verwendungen siehe Protein (Disambiguierung).
Eine Darstellung der 3D -Struktur des Proteins Myoglobin Türkis zeigen α-Helices. Dieses Protein war das erste, in dem seine Struktur durch gelöst wurde Röntgenkristallographie. Nach rechts unter den Spulen, a Prothesengruppe genannt Hem -Gruppe (grau gezeigt) mit einem gebundenen Sauerstoffmolekül (rot).

Proteine sind groß Biomoleküle und Makromoleküle das umfasst eine oder mehrere lange Ketten von Aminosäure Rückstände. Proteine ​​führen eine Vielzahl von Funktionen in Organismen aus, einschließlich Katalyserie Stoffwechselreaktionen, DNA Replikation, Reaktion auf ReizeBereitstellung Struktur zu Zellen und Organismen, und Transportmoleküle von einem Ort zum anderen. Proteine ​​unterscheiden Nukleotidsequenz ihrer Geneund was normalerweise dazu führt Proteinfaltung in eine bestimmte 3D -Struktur Das bestimmt seine Aktivität.

Eine lineare Kette von Aminosäureresten heißt a Polypeptid. Ein Protein enthält mindestens ein langes Polypeptid. Kurzpolypeptide, die weniger als 20–30 Reste enthalten, werden selten als Proteine ​​angesehen und üblicherweise genannt Peptide, oder manchmal Oligopeptide. Die einzelnen Aminosäurereste werden durch miteinander verbunden von Peptidbindungen und benachbarte Aminosäurereste. Das Reihenfolge von Aminosäureresten in einem Protein wird durch die definiert Reihenfolge eines Gens, das in der codiert ist genetischer Code. Im Allgemeinen gibt der genetische Code 20 Standard -Aminosäuren an; Aber in bestimmten Organismen kann der genetische Code einschließen Selenocystein und - in sicher Archaea—Pyrrolysin. Kurz darauf oder sogar während der Synthese werden die Reste in einem Protein oft chemisch modifiziert durch posttranslationale Modifikation, was die physikalischen und chemischen Eigenschaften, Faltung, Stabilität, Aktivität und letztendlich die Funktion der Proteine ​​verändert. Einige Proteine ​​haben nicht-Peptidgruppen angehängt, was genannt werden kann prothetische Gruppen oder Cofaktoren. Proteine ​​können auch zusammenarbeiten, um eine bestimmte Funktion zu erreichen, und sie assoziieren häufig stabil Proteinkomplexe.

Einmal gebildet, existieren Proteine ​​nur für einen bestimmten Zeitraum und sind dann verschlechtert und durch die Maschinerie der Zelle durch den Prozess von recycelt Proteinumsatz. Die Lebensdauer eines Proteins wird anhand seiner gemessen Halbwertszeit und deckt eine große Reichweite ab. Sie können Minuten oder Jahre mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von 1–2 Tagen in Säugetierzellen existieren. Abnormale oder fehlgefaltete Proteine ​​werden entweder aufgrund der Zerstörung oder aufgrund von instabilen Diensten schneller abgebaut.

Wie andere biologische Makromoleküle wie z. Polysaccharide und Nukleinsäuren, Proteine ​​sind wesentliche Teile von Organismen und beteiligen sich an praktisch jedem Prozess innerhalb Zellen. Viele Proteine ​​sind Enzyme das Katalyse biochemische Reaktionen und sind von entscheidender Bedeutung für Stoffwechsel. Proteine ​​haben auch strukturelle oder mechanische Funktionen, wie z. Aktin und Myosin im Muskel und den Proteinen in der Zytoskelett, die ein System von bilden Gerüst Das hält die Zellform. Andere Proteine ​​sind wichtig bei der Zellsignalisierung, Immunantworten, Zelladhäsion, und die Zellzyklus. Bei Tieren werden Proteine ​​in der benötigt Diät um das zu liefern essentielle Aminosäuren das kann nicht sein synthetisiert. Verdauung Bricht die Proteine ​​für den Stoffwechselgebrauch nach unten.

Proteine ​​können sein gereinigt von anderen zellulären Komponenten mit einer Vielzahl von Techniken wie z. Ultrazentrifugation, Niederschlag, Elektrophorese, und Chromatographie; das Aufkommen von Gentechnik hat eine Reihe von Methoden ermöglicht, um die Reinigung zu erleichtern. Methoden, die üblicherweise zur Untersuchung der Proteinstruktur und -funktion verwendet werden Immunhistochemie, Stättengesteuerte Mutagenese, Röntgenkristallographie, Kernspinresonanz und Massenspektrometer.

Geschichte und Etymologie

Weitere Informationen: Geschichte der Molekularbiologie

Proteine ​​wurden im achtzehnten Jahrhundert als eine bestimmte Klasse von biologischen Molekülen durch erkannt Antoine Fourcroy und andere, unterschieden durch die Fähigkeit der Moleküle zu koagulieren oder flockig unter Behandlungen mit Wärme oder Säure.[1] Bezeichnete Beispiele, die zu dieser Zeit Albumin von gehörten Eiweiß, Blut Serumalbumin, Fibrinund Weizen Gluten.

Proteine ​​wurden zuerst vom niederländischen Chemiker beschrieben Gerardus Johannes Mulder und vom schwedischen Chemiker benannt Jöns Jacob Berzelius 1838.[2][3] Mulder durchgeführt elementare Analyse von gemeinsamen Proteinen und fanden heraus, dass fast alle Proteine ​​das gleiche hatten empirische Formel, C400H620N100O120P1S1.[4] Er kam zu der fehlerhaften Schlussfolgerung, dass sie aus einer einzigen Art von (sehr großem) Molekül bestehen könnten. Der Begriff "Protein" zur Beschreibung dieser Moleküle wurde von Mulders Associate Berzelius vorgeschlagen; Protein wird aus dem abgeleitet griechisch Wort πρώτειος (proteios), bedeutet "primär",[5] "an der Spitze" oder "vorne stehen",[6] + -in. Mulder fuhr fort, die Produkte des Proteinabbaus wie die zu identifizieren Aminosäure Leucin für das er ein (fast korrektes) Molekulargewicht von 131 fand Da.[4] Vor "Protein" wurden andere Namen verwendet, wie "Albumine" oder "Albuminous Materials" (Eiweisskörper, auf Deutsch).[7]

Frühe Ernährungswissenschaftler wie das Deutsche Carl von Voit glaubte, dass Protein der wichtigste Nährstoff für die Aufrechterhaltung der Körperstruktur war, weil allgemein angenommen wurde, dass "Fleisch Fleisch macht".[8] Karl Heinrich Rittthhausen erweiterte bekannte Proteinformen mit Identifizierung von Glutaminsäure. Bei der Connecticut Agricultural Experiment Station Eine detaillierte Überprüfung der Gemüseproteine ​​wurde von zusammengestellt von Thomas Burr Osborne. Arbeiten mit Lafayette Mendel und Bewerbung Liebigs Gesetz des Minimums in der Fütterung Laborratten, die Ernährung essentielle Aminosäuren wurden Eingeführt. Die Arbeit wurde fortgesetzt und kommuniziert von William Cumming Rose. Das Verständnis von Proteinen als Polypeptide kam durch die Arbeit von Franz Hofmeister und Hermann Emil Fischer im Jahr 1902.[9][10] Die zentrale Rolle von Proteinen als Enzyme in lebenden Organismen wurde erst 1926 vollständig geschätzt, wann James B. Sumner zeigte, dass das Enzym urease war tatsächlich ein Protein.[11]

Die Schwierigkeit bei der Reinigung von Proteinen in großen Mengen machte sie für frühe Protein -Biochemiker sehr schwierig zu studieren. Daher konzentrierten sich frühe Studien auf Proteine, die in großen Mengen gereinigt werden konnten, z. B. die von Blut, Eiweiß, verschiedene Toxine und Verdauung/metabolische Enzyme, die aus Schlachthöfen erhalten wurden. In den 1950er Jahren die Rüstung Hot Dog Co. gereinigt 1 kg reines Rinderpankreas Ribonuklease a und machte es den Wissenschaftlern frei zur Verfügung; Diese Geste half Ribonuklease, ein Hauptziel für die biochemische Studie in den folgenden Jahrzehnten zu werden.[4]

Linus Pauling wird der erfolgreichen Vorhersage von regulärem Protein zugeschrieben Sekundärstrukturen bezogen auf Wasserstoffbindung, eine Idee, die zuerst von vorgebracht wurde William Astbury 1933.[12] Später Arbeit von Walter Kauzmann an Denaturierung,[13][14] Teilweise basierend auf früheren Studien von Kaj Linderstrøm-Lang,[15] trug ein Verständnis von bei Proteinfaltung und Struktur vermittelt durch Hydrophobe Wechselwirkungen.

Das erste Protein, das er ist sequenziert war Insulin, durch Frederick Sanger1949. Sanger bestimmte die Aminosäuresequenz von Insulin korrekt und zeigt so eindeutig, dass Proteine ​​eher aus linearen Polymeren von Aminosäuren als aus verzweigten Ketten bestanden. Kolloide, oder Zyklolen.[16] Er gewann 1958 den Nobelpreis für diese Leistung.[17]

John Kendrew Mit dem Modell von Myoglobin im Gange

Mit der Entwicklung von RöntgenkristallographieEs wurde möglich, Proteinstrukturen zu sequenzieren.[18] Der Erste Proteinstrukturen gelöst zu werden waren Hämoglobin durch Max Perutz und Myoglobin durch Sir John Cowdery Kendrew1958.[19][20] Die Verwendung von Computern und die Erhöhung der Rechenleistung unterstützten auch die Sequenzierung komplexer Proteine. Im Jahr 1999, Roger Kornberg gelang es, die hochkomplexe Struktur von zu sequenzieren RNA -Polymerase Verwenden von Röntgenstrahlen mit hoher Intensität von Synchbrons.[18]

Seit damals, Kryo-Elektronenmikroskopie of large Makromolekulare Baugruppen[21] Es wurde entwickelt. Cryo-EM verwendet Proteinproben, die eher gefroren als Kristalle sind, und Elektronenstrahlen eher als Röntgenstrahlen. Es verursacht weniger Schäden an der Stichprobe und ermöglicht es Wissenschaftlern, weitere Informationen zu erhalten und größere Strukturen zu analysieren.[18] Computer Proteinstrukturvorhersage von kleinem Protein Domänen[22] hat Forschern auch geholfen, die Auflösung von Proteinstrukturen auf Atomebene zu nähern. Ab 2017, das Proteindatenbank hat über 126.060 Atomauflösungsstrukturen von Proteinen.[23]

Anzahl der in Genomen codierten Proteine

Die Anzahl der in a codierten Proteine Genom entspricht ungefähr der Anzahl von Gene (Obwohl es eine signifikante Anzahl von Genen geben kann, die codieren RNA von Protein, z. Ribosomale RNAs). Viren Normalerweise ein paar bis ein paar hundert Proteine ​​codieren, Archaea und Bakterien ein paar hundert bis ein paar tausend während Eukaryoten Normalerweise ein paar tausend bis Zehntausende von Proteinen codieren (siehe Genomgröße für eine Liste von Beispielen).

Biochemie

Chemische Struktur der Peptidbindung (unten) und der dreidimensionalen Struktur einer Peptidbindung zwischen einem Alanine und eine angrenzende Aminosäure (Top/Inset). Die Bindung selbst besteht aus der Chon Elemente.
Resonanz Strukturen der Peptidbindung Das verbindet einzelne Aminosäuren mit einer Protein Polymer
Hauptartikel: Biochemie, Aminosäure, und Peptidbindung

Die meisten Proteine ​​bestehen aus linear Polymere gebaut aus Serien von bis zu 20 verschiedenen L-α- Aminosäuren. Alle Proteinogene Aminosäuren besitzen gemeinsame strukturelle Merkmale, einschließlich eines α-Kohlenstoff zu welchem ​​an Amino Gruppe A Carboxyl Gruppe und eine Variable Seitenkette sind gebunden. Nur Prolin Unterscheidet sich von dieser Grundstruktur, da sie einen ungewöhnlichen Ring für die N-End-Amingruppe enthält, die die CO-NH-Amideinheit in eine feste Konformation erzwingt.[24] Die Seitenketten der Standard -Aminosäuren, die in der detailliert sind Liste der Standard -Aminosäuren, haben eine große Vielfalt an chemischen Strukturen und Eigenschaften; Es ist die kombinierte Wirkung aller Aminosäureseitenketten in einem Protein, das letztendlich seine dreidimensionale Struktur und seine chemische Reaktivität bestimmt.[25] Die Aminosäuren in einer Polypeptidkette sind durch verbunden von Peptidbindungen. Einmal in der Proteinkette verbunden, wird eine einzelne Aminosäure genannt Rückstand, und die verknüpfte Reihe von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffatomen sind als die bekannt Hauptkette oder Protein Rückgrat.[26]: 19

Die Peptidbindung hat zwei Resonanz Formen, die einige beitragen Doppelbindung Charakter und Hemmung der Rotation um seine Achse, so dass die Alpha -Kohlenstoffe ungefähr sind Coplanar. Die anderen zwei Diedralwinkel In der Peptidbindung bestimmen die lokale Form, die vom Protein -Rückgrat angenommen wird.[26]: 31 Das Ende mit einer freien Amino -Gruppe ist als die bekannt N-Terminus oder Amino -Terminus, während das Ende des Proteins mit einer freien Carboxylgruppe als die bekannt ist C-Terminus oder Carboxy-Terminus (die Sequenz des Proteins wird von N-Terminus nach C-Terminus von links nach rechts geschrieben).

Die Wörter Protein, Polypeptid, und Peptid sind etwas mehrdeutig und können sich in der Bedeutung überlappen. Protein wird im Allgemeinen verwendet, um das vollständige biologische Molekül in einem Stall zu beziehen Konformation, wohingegen Peptid ist im Allgemeinen eine kurze Aminosäuroligomere vorbehalten, der häufig eine stabile 3D -Struktur fehlt. Die Grenze zwischen beiden ist jedoch nicht gut definiert und liegt normalerweise in der Nähe von 20 bis 30 Resten.[27] Polypeptid kann sich auf eine einzelne lineare Kette von Aminosäuren beziehen, normalerweise unabhängig von der Länge, impliziert jedoch häufig ein Fehlen eines definierten Konformation.

Interaktionen

Proteine ​​können mit vielen Arten von Molekülen interagieren, einschließlich mit anderen Proteinen, mit Lipiden, mit Kohlenhydraten, und mit DNA.[28][29][26][30]

Häufigkeit in Zellen

Es wurde geschätzt, dass durchschnittliche Größe Bakterien enthalten etwa 2 Millionen Proteine ​​pro Zelle (z. E coli und Staphylococcus aureus). Kleinere Bakterien wie z. Mycoplasma oder Spirochöte enthalten weniger Moleküle in der Größenordnung von 50.000 bis 1 Million. Im Gegensatz, eukaryotisch Zellen sind größer und enthalten daher viel mehr Protein. Zum Beispiel, Hefe Es wurde geschätzt, dass Zellen etwa 50 Millionen Proteine ​​enthalten und Mensch Zellen in der Größenordnung von 1 bis 3 Milliarden.[31] Die Konzentration einzelner Proteinkopien reicht von wenigen Molekülen pro Zelle bis zu 20 Millionen.[32] Nicht alle Gene, die Proteine ​​kodieren, werden in den meisten Zellen exprimiert, und ihre Anzahl hängt von z. B. Zelltyp und externen Stimuli ab. Zum Beispiel werden von den rund 20.000 Proteinen, die vom menschlichen Genom kodiert werden, nur 6.000 in nachgewiesen Lymphoblastoid Zellen.[33]

Synthese

Biosynthese

Ein Ribosom produziert ein Protein mit mRNA als Vorlage
Das DNA Sequenz eines Gens codiert die Aminosäuresequenz eines Proteins
Hauptartikel: Proteinbiosynthese

Proteine ​​werden aus Aminosäuren unter Verwendung von in Genen codierten Informationen zusammengestellt. Jedes Protein hat eine eigene einzigartige Aminosäuresequenz, die durch die angegeben ist Nukleotid Sequenz des Gens, das dieses Protein kodiert. Das genetischer Code wird ein Satz von Drei-Nukleotid-Sets genannt Codons und jede Drei-Nukleotid-Kombination bezeichnet eine Aminosäure beispielsweise Aug (AUG (Adenin–Uracil–Guanine) ist der Code für Methionin. Da DNA Enthält vier Nukleotide, die Gesamtzahl der möglichen Codons beträgt 64; Daher gibt es eine gewisse Redundanz im genetischen Code, wobei einige Aminosäuren von mehr als einem Codon angegeben sind.[30]: 1002–42 Gene, die in DNA codiert sind, sind zuerst transkribiert in vor-Messenger -RNA (mRNA) durch Proteine ​​wie z. RNA -Polymerase. Die meisten Organismen verarbeiten dann die prä-mRNA (auch bekannt als a Primäres Transkript) Verwenden verschiedener Formen von Posttranskriptionale Modifikation Um die reife mRNA zu bilden, die dann als Vorlage für die Proteinsynthese von der verwendet wird Ribosom. Im Prokaryoten Die mRNA kann entweder verwendet werden, sobald sie produziert wird, oder an ein Ribosom gebunden werden Nukleoid. Im Gegensatz, Eukaryoten mRNA in der machen Zellkern und dann Übersetzer es über die Kernmembran in die Zytoplasma, wo Proteinsynthese dann findet statt. Die Rate der Proteinsynthese ist in Prokaryoten höher als Eukaryoten und kann bis zu 20 Aminosäuren pro Sekunde erreichen.[34]

Der Prozess der Synthese eines Proteins aus einer mRNA -Vorlage ist bekannt als Übersetzung. Die mRNA wird auf das Ribosom geladen und wird jeweils drei Nukleotide gelesen Basispaarung Antikodon befindet sich auf einem RNA übertragen Molekül, das die Aminosäure trägt, die dem von ihm erkannten Codon entspricht. Das Enzym Aminoacyl -TRNA -Synthetase "Ladung" die tRNA -Moleküle mit den richtigen Aminosäuren. Das wachsende Polypeptid wird oft als als als bezeichnet aufstrebende Kette. Proteine ​​werden immer biosynthetisiert N-Terminus zu C-Terminus.[30]: 1002–42

Die Größe eines synthetisierten Proteins kann anhand der Anzahl der enthälten Aminosäuren gemessen werden und anhand seiner Gesamtsumme molekulare Masse, was normalerweise in Einheiten von angegeben wird Daltons (Synonym zu Atommasseneinheiten) oder die Derivateinheit Kilodalton (KDA). Die durchschnittliche Größe eines Proteins steigt von Archaea zu Bakterien nach Eukaryote (283, 311, 438 Reste und 31, 34, 49 kDa) aufgrund einer größeren Anzahl von Proteindomänen Proteine ​​in höheren Organismen bestehen.[35] Zum Beispiel, Hefe Proteine ​​sind durchschnittlich 466 Aminosäuren lang und 53 kDa in Masse.[27] Die größten bekannten Proteine ​​sind die Titine, eine Komponente der Muskel Sarkomermit einer molekularen Masse von fast 3.000 kDa und einer Gesamtlänge von fast 27.000 Aminosäuren.[36]

Chemische Synthese

Hauptartikel: Peptidsynthese

Kurze Proteine ​​können auch chemisch durch eine Familie von Methoden synthetisiert werden Peptidsynthese, auf die sich verlassen auf organische Synthese Techniken wie Chemische Ligation Peptide in hoher Ausbeute produzieren.[37] Die chemische Synthese ermöglicht die Einführung nicht naturaler Aminosäuren in Polypeptidketten, wie z. B. die Bindung von fluoreszierend Sonden zu Aminosäureseitenketten.[38] Diese Methoden sind im Labor nützlich Biochemie und Zellen-Biologie, wenn auch nicht für kommerzielle Anwendungen. Die chemische Synthese ist für Polypeptide länger als etwa 300 Aminosäuren ineffizient, und die synthetisierten Proteine ​​nehmen möglicherweise nicht ohne weiteres ihre Native an Tertiärstruktur. Die meisten Methoden der chemischen Synthese gehen von C-Terminus zum N-Terminus gegenüber, gegenüber der biologischen Reaktion.[39]

Struktur

Die Kristallstruktur der Chaperonin, ein riesiger Proteinkomplex. Eine einzelne Proteinuntereinheit wird hervorgehoben. Chaperonine unterstützen die Proteinfaltung.
Drei mögliche Darstellungen der dreidimensionalen Struktur des Proteins Triosephosphatisomerase. Links: All-Atom-Darstellung, gefärbt vom Atomtyp. Mitte: Vereinfachte Darstellung, die die Rückgrat -Konformation darstellt, gefärbt durch Sekundärstruktur. Recht: Lösungsmittel zugängliche Oberflächenrepräsentation, gefärbt durch den Rückstände (saure Reste rot, Grundreste blau, polare Reste grün, unpolare Reste weiß).
Hauptartikel: Proteinstruktur
Weitere Informationen: Proteinstrukturvorhersage

Die meisten Proteine falten in einzigartige 3D -Strukturen. Die Form, in die ein Protein natürlich faltet Native Konformation.[26]: 36 Obwohl viele Proteine ​​ohne Unterstützung durch die chemischen Eigenschaften ihrer Aminosäuren ohne Unterstützung falten können, benötigen andere die Hilfe von Molekular Chaperone in ihre Heimatstaaten falten.[26]: 37 Biochemiker beziehen sich häufig auf vier verschiedene Aspekte der Struktur eines Proteins:[26]: 30–34

  • Primärstruktur: das Aminosäuresequenz. Ein Protein ist a Polyamid.
  • Sekundärstruktur: regelmäßig wiederholten lokalen Strukturen durch stabilisiert durch Wasserstoffbrücken. Die häufigsten Beispiele sind die α-Helix, β-Faltblatt und wendet sich. Da Sekundärstrukturen lokal sind, können in demselben Proteinmolekül viele Regionen unterschiedlicher Sekundärstruktur vorhanden sein.
  • Tertiärstruktur: die Gesamtform eines einzelnen Proteinmoleküls; die räumliche Beziehung der sekundären Strukturen zueinander. Tertiärstruktur wird im Allgemeinen durch nichtlokale Wechselwirkungen stabilisiert, am häufigsten der Bildung von a Hydrophober Kern, aber auch durch Salzbrücken, Wasserstoffbrücken, Disulfidbindungen, und sogar Posttranslationale Modifikationen. Der Begriff "Tertiärstruktur" wird häufig als Synonym für den Begriff verwendet falten. Die Tertiärstruktur steuert die Grundfunktion des Proteins.
  • Quartärstruktur: Die Struktur, die durch mehrere Proteinmoleküle (Polypeptidketten) gebildet wird, normalerweise genannt Proteinuntereinheiten In diesem Zusammenhang, welche als einzelne fungieren Proteinkomplex.
  • Quinarische Struktur: Die Signaturen der Proteinoberfläche, die das überfüllte zelluläre Innenraum organisieren. Die Quoly -Struktur hängt von transienten, dennoch wesentlichen makromolekularen Wechselwirkungen ab, die in lebenden Zellen auftreten.

Proteine ​​sind nicht völlig starre Moleküle. Zusätzlich zu diesen Strukturniveaus können Proteine ​​zwischen mehreren verwandten Strukturen verändern, während sie ihre Funktionen ausführen. Im Kontext dieser funktionellen Umlagerungen werden diese tertiären oder quaternären Strukturen normalerweise als "bezeichnet"Konformationen", und Übergänge zwischen ihnen werden genannt Konformationsänderungen. Solche Veränderungen werden häufig durch die Bindung von a induziert Substrat Molekül zu einem Enzym aktive Seite, oder die physikalische Region des Proteins, die an der chemischen Katalyse beteiligt ist. In Lösung werden Proteine ​​auch durch thermische Schwingung und Kollision mit anderen Molekülen variiert.[30]: 368–75

Molekulare Oberfläche mehrerer Proteine, die ihre Vergleichsgrößen zeigen. Von links nach rechts sind: Immunglobulin g (IgG, an Antikörper), Hämoglobin, Insulin (ein Hormon), Adenylatkinase (ein Enzym) und glutamine synthetase (ein Enzym).

Proteine ​​können informell in drei Hauptklassen unterteilt werden, die mit typischen tertiären Strukturen korrelieren: Kugelproteine, Faserproteine, und Membranproteine. Fast alle globulären Proteine ​​sind löslich und viele sind Enzyme. Faserproteine ​​sind oft strukturell, wie z. Kollagen, die Hauptkomponente des Bindegewebes oder Keratin, die Proteinkomponente von Haaren und Nägeln. Membranproteine ​​dienen oft als als Rezeptoren oder Kanäle für polare oder geladene Moleküle zur Verfügung stellen Zellmembran.[30]: 165–85

Ein besonderer Fall von intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen in Proteinen, schlecht vor Wasserangriffen geschützt und somit ihre eigenen fördert Dehydration, werden genannt Dehydronen.[40]

Proteindomänen

Hauptartikel: Proteindomäne

Viele Proteine ​​bestehen aus mehreren Proteindomänen, d.h. Segmente eines Proteins, das sich in unterschiedliche Struktureinheiten faltet. Domänen haben normalerweise auch spezifische Funktionen, wie z. enzymatisch Aktivitäten (z. Kinase) oder sie dienen als Bindungsmodule (z. B. die SH3 -Domäne bindet an prolinreiche Sequenzen in anderen Proteinen).

Sequenzmotiv

Kurze Aminosäuresequenzen in Proteinen wirken häufig als Erkennungsstellen für andere Proteine.[41] Zum Beispiel, SH3 -Domänen Typisch an kurze PXXP -Motive binden (d. H. 2 Prolinen [P], getrennt durch zwei nicht spezifizierte Aminosäuren [x], obwohl die umgebenden Aminosäuren die genaue Bindungsspezifität bestimmen können). Viele solcher Motive wurden in der gesammelt Eukaryotisches lineares Motiv (ELM) Datenbank.

Zelluläre Funktionen

Proteine ​​sind die Hauptakteure in der Zelle, die angeblich die in Genen codierten Informationen erfüllen.[27] Mit Ausnahme bestimmter Arten von RNADie meisten anderen biologischen Moleküle sind relativ inerte Elemente, auf die Proteine ​​wirken. Proteine ​​machen die Hälfte des Trockengewichts von a Escherichia coli Zelle, während andere Makromoleküle wie DNA und RNA nur 3% bzw. 20% ausmachen.[42] Der in einer bestimmten Zell- oder Zelltyp exprimierende Proteine ​​wird als IES bezeichnet Proteom.

Das Enzym hexokinase wird als herkömmliches molekulares Ball-and-Stick-Modell gezeigt. Um in der oberen rechten Ecke zu skalieren, sind zwei seiner Substrate, ATP und Glucose.

Das Hauptmerkmal von Proteinen, das auch ihre vielfältigen Funktionen ermöglicht, ist ihre Fähigkeit, andere Moleküle spezifisch und dicht zu binden. Die Region des Proteins, das für die Bindung eines anderen Moleküls verantwortlich ist Bindungsstelle und ist oft eine Depression oder "Tasche" auf der molekularen Oberfläche. Diese Bindungsfähigkeit wird durch die Tertiärstruktur des Proteins vermittelt, die die Bindungsstelle Tasche definiert, und durch die chemischen Eigenschaften der Seitenketten der umgebenden Aminosäuren. Die Proteinbindung kann außerordentlich eng und spezifisch sein; Zum Beispiel die Ribonuklease -Inhibitor Protein bindet an Mensch Angiogenin mit einem subfemtomolaren Dissoziationskonstante (<10–15 M), aber nicht an seinem Amphibienhomolog bindet Onkonase (> 1 m). Extrem geringe chemische Veränderungen wie die Zugabe einer einzelnen Methylgruppe zu einem Bindungspartner können manchmal ausreichen, um die Bindung nahezu zu beseitigen. Zum Beispiel die Aminoacyl -TRNA -Synthetase spezifisch für die Aminosäure Valine diskriminiert die sehr ähnliche Seitenkette der Aminosäure Isoleucin.[43]

Proteine ​​können sowohl an andere Proteine ​​als auch an an Bindung gebunden werden kleiner Molekül Substrate. Wenn Proteine ​​spezifisch an andere Kopien desselben Moleküls binden, können sie oligomerisieren Fibrillen bilden; Dieser Prozess tritt häufig in strukturellen Proteinen auf, die aus kugelförmigen Monomeren bestehen, die sich selbst assoziieren, um starre Fasern zu bilden. Protein -Protein -Wechselwirkungen Regulieren Sie auch die enzymatische Aktivität, Kontrollprogression durch die Zellzyklusund erlauben die Montage von großer Proteinkomplexe Das führt viele eng verwandte Reaktionen mit einer gemeinsamen biologischen Funktion durch. Proteine ​​können auch Zellmembranen an Zellmembranen binden oder sogar in integriert werden. Die Fähigkeit von Bindungspartnern, Konformationsänderungen in Proteinen zu induzieren, ermöglicht die Konstruktion von enorm komplexer Signalisierung Netzwerke.[30]: 830–49 Da die Wechselwirkungen zwischen Proteinen reversibel sind und stark von der Verfügbarkeit verschiedener Gruppen von Partnerproteinen abhängen, um Aggregate zu bilden, die in der Lage sind, diskrete Funktionssätze auszuführen, ist die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen spezifischen Proteinen ein Schlüssel zum Verständnis wichtiger Aspekte der Zellfunktion und letztendlich die Eigenschaften, die bestimmte Zelltypen unterscheiden.[44][45]

Enzyme

Hauptartikel: Enzym

Die bekannteste Rolle von Proteinen in der Zelle ist wie Enzyme, die Katalyse chemische Reaktionen. Enzyme sind normalerweise hochspezifisch und beschleunigen nur eine oder wenige chemische Reaktionen. Enzyme führen die meisten Reaktionen durch Stoffwechselund manipuliert auch DNA in Prozessen wie z. DNA Replikation, DNA -Reparatur, und Transkription. Einige Enzyme wirken auf andere Proteine, um chemische Gruppen in einem als posttranslationalen Modifikation bezeichneten Prozess hinzuzufügen oder zu entfernen. Es ist bekannt, dass etwa 4.000 Reaktionen durch Enzyme katalysiert werden.[46] Die durch enzymatische Katalyse verleihte Geschwindigkeitsbeschleunigung ist oft enorm - wie bis zu 1017-Facher Anstieg der Geschwindigkeit gegenüber der unkatalysierten Reaktion bei Fall von Orotate Decarboxylase (78 Millionen Jahre ohne das Enzym, 18 Millisekunden mit dem Enzym).[47]

Die von Enzymen gebundenen und von Enzymen gebundenen Molekülen werden genannt Substrate. Obwohl Enzyme aus Hunderten von Aminosäuren bestehen können, ist es normalerweise nur ein kleiner Teil der Reste, die mit dem Substrat in Kontakt kommen, und eine noch kleinere Fraktion - drei bis vier Reste im Durchschnitt -, die direkt an der Katalyse beteiligt sind.[48] Die Region des Enzyms, das das Substrat bindet und die katalytischen Reste enthält aktive Seite.

Dirigent -Proteine sind Mitglieder einer Klasse von Proteinen, die die diktieren Stereochemie einer Verbindung, die durch andere Enzyme synthetisiert wurde.[49]

Zellsignalisierung und Ligandenbindung

Siehe auch: Glycan-Protein-Interaktionen
Banddiagramm eines Maus -Antikörpers gegen Cholera das bindet a Kohlenhydrat Antigen

Viele Proteine ​​sind am Prozess von beteiligt Zellsignalisierung und Signaltransduktion. Einige Proteine, wie z. Insulin, sind extrazelluläre Proteine, die ein Signal aus der Zelle übertragen, in der sie in entfernten Zellen in entfernten Zellen synthetisiert wurden Gewebe. Andere sind Membranproteine das handelt als Rezeptoren deren Hauptfunktion besteht darin, ein Signalmolekül zu binden und eine biochemische Reaktion in der Zelle zu induzieren. Viele Rezeptoren haben eine Bindungsstelle, die auf der Zelloberfläche und einer Effektordomäne in der Zelle ausgesetzt ist, die möglicherweise enzymatische Aktivität aufweisen oder sich einem unterziehen kann Konformationsänderung von anderen Proteinen in der Zelle erkannt.[29]: 251–81

Antikörper sind Proteinkomponenten eines Adaptives Immunsystem deren Hauptfunktion ist zu binden Antigeneoder fremde Substanzen im Körper und zielen auf sie auf die Zerstörung ab. Antikörper können sein sekretiert in die extrazelluläre Umgebung oder verankert in den Membranen von Specialized B -Zellen bekannt als Plasma Zellen. Während Enzyme in ihrer Bindungsaffinität zu ihren Substraten durch die Notwendigkeit der Durchführung ihrer Reaktion begrenzt sind, haben Antikörper keine solchen Einschränkungen. Die Bindungsaffinität eines Antikörpers zu seinem Ziel ist außerordentlich hoch.[30]: 275–50

Viele Ligandentransportproteine ​​binden speziell Kleine Biomoleküle und transportieren sie an andere Orte im Körper eines mehrzelligen Organismus. Diese Proteine ​​müssen eine hohe Bindungsaffinität haben, wenn ihre Ligand ist in hohen Konzentrationen vorhanden, muss aber auch den Liganden freisetzen, wenn er in niedrigen Konzentrationen in den Zielgeweben vorhanden ist. Das kanonische Beispiel eines ligandenbindenden Proteins ist Hämoglobin, was transportiert Sauerstoff von dem Lunge zu anderen Organen und Geweben insgesamt Wirbeltiere und hat enge Homologe in jedem biologischen Königreich.[30]: 222–29 Lektine sind Zuckerbindungsproteine die für ihre Zuckereinheiten sehr spezifisch sind. Lektine Normalerweise eine Rolle in der biologischen Rolle spielen Erkennung Phänomene mit Zellen und Proteinen.[50] Rezeptoren und Hormone sind hochspezifische Bindungsproteine.

Transmembranproteine kann auch als Ligand -Transportproteine ​​dienen, die die verändern Permeabilität der Zellmembran zu kleine Moleküle und Ionen. Allein die Membran hat a hydrophob Kern durch welche Polar- oder geladene Moleküle können nicht diffus. Membranproteine ​​enthalten interne Kanäle, die es solchen Molekülen ermöglichen, die Zelle zu betreten und zu verlassen. Viele Ionenkanal Proteine ​​sind spezialisiert, nur für ein bestimmtes Ion auszuwählen. zum Beispiel, Kalium und Natrium Kanäle diskriminieren oft nur für einen der beiden Ionen.[29]: 232–34

Strukturproteine

Strukturproteine ​​verleihen an ansonsten flüssigen biologischen Komponenten Steifheit und Steifheit. Die meisten strukturellen Proteine ​​sind Faserproteine; zum Beispiel, Kollagen und Elastin sind kritische Komponenten von Bindegewebe wie zum Beispiel Knorpel, und Keratin ist in harten oder filamentösen Strukturen wie z. Haar, Nägel, Gefieder, Hufe, und einige Tierschalen.[30]: 178–81 Etwas Kugelproteine kann zum Beispiel auch strukturelle Funktionen spielen, Aktin und Tubulin sind kugelförmig und löslich wie Monomere, aber polymerisieren lange, steife Fasern ausmachen, die das ausmachen Zytoskelett, was es der Zelle ermöglicht, ihre Form und Größe aufrechtzuerhalten.

Andere Proteine, die strukturelle Funktionen dienen Motorproteine wie zum Beispiel Myosin, Kinesin, und Dynein, die in der Lage sind, mechanische Kräfte zu erzeugen. Diese Proteine ​​sind für zelluläre entscheidende Beweglichkeit von einzelnen Zellorganismen und der Sperma von vielen mehrzelligen Organismen, die sich reproduzieren sexuell. Sie erzeugen auch die Kräfte, die durch Vertragsbefugnis ausgeübt werden Muskeln[30]: 258–64, 272 und spielen wesentliche Rollen beim intrazellulären Transport.

Proteinentwicklung

Hauptartikel: Molekulare Entwicklung

Eine Schlüsselfrage in der molekularen Biologie ist, wie sich Proteine ​​entwickeln, d. H. Wie kann Mutationen (oder eher ändert sich in Aminosäure Sequenz) zu neuen Strukturen und Funktionen führen? Die meisten Aminosäuren in einem Protein können ohne Unterbrechung der Aktivität oder Funktion geändert werden, wie aus zahlreichen homolog Proteine ​​über Arten hinweg (wie in speziellen Datenbanken für gesammelt Proteinfamilien, z.B. Pfam).[51] Um dramatische Folgen von Mutationen zu verhindern, a Gen kann dupliziert werden Bevor es frei mutieren kann. Dies kann jedoch auch zu einem vollständigen Verlust der Genfunktion und damit führen Pseudo-Gene.[52] Häufiger haben einzelne Aminosäureveränderungen nur begrenzte Konsequenzen, obwohl einige die Proteinfunktion im Wesentlichen verändern können, insbesondere in Enzyme. Zum Beispiel können viele Enzyme ihre verändern Substratspezifität durch ein oder ein paar Mutationen.[53] Änderungen der Substratspezifität werden durch erleichtert durch Substratpromiskuität, d.h. die Fähigkeit vieler Enzyme, mehrere zu binden und zu verarbeiten Substrate. Wenn Mutationen auftreten, kann die Spezifität eines Enzyms und damit seine enzymatische Aktivität zunehmen (oder verringern).[53] Somit können sich Bakterien (oder andere Organismen) an verschiedene Nahrungsquellen anpassen, einschließlich unnatürlicher Substrate wie Kunststoff.[54]

Studienmethoden

Hauptartikel: Proteinmethoden

Die Aktivitäten und Strukturen von Proteinen können untersucht werden in vitro, In vivo, und in Silico. In vitro Studien von gereinigten Proteinen in kontrollierten Umgebungen sind nützlich, um zu lernen, wie ein Protein seine Funktion durchführt: zum Beispiel, Enzymkinetik Studien untersuchen die chemischer Mechanismus einer katalytischen Aktivität eines Enzyms und seiner relativen Affinität für verschiedene mögliche Substratmoleküle. Im Gegensatz, In vivo Experimente können Informationen über die physiologische Rolle eines Proteins im Kontext von a liefern Zelle oder sogar ein Ganzes Organismus. In Silico Studien verwenden Rechenmethoden, um Proteine ​​zu untersuchen.

Proteinreinigung

Hauptartikel: Proteinreinigung

Aufführen in vitro Analyse muss ein Protein von anderen zellulären Komponenten entfernt werden. Dieser Prozess beginnt normalerweise mit Zelllyse, in der die Membran einer Zelle unterbrochen wird und ihr interner Inhalt in eine Lösung freigesetzt wird, die als a bekannt ist Rohes Lysat. Die resultierende Mischung kann mit Verwendung gereinigt werden Ultrazentrifugation, was die verschiedenen zellulären Komponenten in Fraktionen, die lösliche Proteine ​​enthalten, einfragten; Membran Lipide und Proteine; zellulär Organellen, und Nukleinsäuren. Niederschlag Mit einer Methode, die als als bekannt ist ausgesalken kann die Proteine ​​aus diesem Lysat konzentrieren. Verschiedene Arten von Chromatographie werden dann verwendet, um das Protein oder Proteine ​​zu isolieren, die von Interesse basierend auf Eigenschaften wie Molekulargewicht, Nettoladung und Bindungsaffinität basieren.[26]: 21–24 Der Reinigungsgrad kann mit verschiedenen Arten von überwacht werden Gelelektrophorese Wenn das Molekulargewicht des gewünschten Proteins und isoelektrischer Punkt sind bekannt, von Spektroskopie Wenn das Protein unterscheidbare spektroskopische Merkmale hat oder von Enzymassays Wenn das Protein enzymatische Aktivität hat. Zusätzlich können Proteine ​​nach ihrer Ladung isoliert werden Elektrofokussion.[55]

Für natürliche Proteine ​​kann eine Reihe von Reinigungsschritten erforderlich sein, um Protein für Laboranwendungen ausreichend rein zu erhalten. Um diesen Prozess zu vereinfachen, Gentechnik wird häufig verwendet, um Proteinen chemische Merkmale hinzuzufügen, die es einfacher machen, sie zu reinigen, ohne ihre Struktur oder Aktivität zu beeinflussen. Hier ein "Tag", das aus einer bestimmten Aminosäuresequenz besteht, oft einer Reihe von Histidin Rückstände (a "His-Tag"), ist an einen Terminus des Proteins gebunden. Infolge Nickel, Die Histidinreste lagen den Nickel und befestigen sich an die Säule, während die nicht getagelten Komponenten des Lysat -Pass ungehindert. Es wurde eine Reihe verschiedener Tags entwickelt, mit denen Forscher bestimmte Proteine ​​aus komplexen Gemischen reinigen können.[56]

Zelluläre Lokalisierung

Proteine ​​unterschiedlich Zelluläre Kompartimente und Strukturen mit Tagged mit grünes fluoreszierendes Protein (hier, weiß)

Die Untersuchung von Proteinen In vivo befasst sich oft mit der Synthese und Lokalisierung des Proteins in der Zelle. Obwohl viele intrazelluläre Proteine ​​in der synthetisiert werden Zytoplasma und membrangebundene oder sekretierte Proteine ​​in der endoplasmatisches Retikulumdie Einzelheiten darüber, wie Proteine ​​sind gezielt Zu bestimmten Organellen oder zellulären Strukturen ist oft unklar. Eine nützliche Technik zur Beurteilung der Zelllokalisierung verwendet Gentechnik, um in einer Zelle a zu exprimieren Fusionsprotein oder Chimäre bestehend aus dem natürlichen Protein von Interesse, der mit einem "verbunden ist"Reporter" wie zum Beispiel grünes fluoreszierendes Protein (GFP).[57] Die Position des verschmolzenen Proteins in der Zelle kann sauber und effizient verwendet werden Mikroskopie,[58] Wie in der gegenüberliegenden Abbildung gezeigt.

Andere Methoden zur Aufklärung des zellulären Ortes von Proteinen erfordern die Verwendung bekannter Kompartimentmarker für Regionen wie ER, Golgi, Lysosomen oder Vakuolen, Mitochondrien, Chloroprothaut, Plasmamembran usw. Von Antikörpern gegen bekannte Marker wird es viel einfacher, die Lokalisierung eines interessierenden Proteins zu identifizieren. Zum Beispiel, Indirekte Immunfluoreszenz Ermöglicht die Fluoreszenzkolokalisierung und Demonstration des Standorts. Fluoreszenzfarbstoffe werden verwendet, um zelluläre Kompartimente für einen ähnlichen Zweck zu kennzeichnen.[59]

Es gibt auch andere Möglichkeiten. Zum Beispiel, Immunhistochemie Normalerweise verwendet ein Antikörper gegen ein oder mehrere interessierende Proteine, die an Enzyme konjugiert sind, die entweder lumineszierende oder chromogene Signale liefern, die zwischen den Proben verglichen werden können, was Lokalisierungsinformationen ermöglicht. Eine andere anwendbare Technik ist die Cofraktionierung in Saccharose- (oder anderen Materialgradienten) mit Verwendung Isopycnic Centrifugation.[60] Während diese Technik keine Kolokalisierung eines Kompartiments mit bekannter Dichte und des interessierenden Proteins erweist, erhöht sie die Wahrscheinlichkeit und ist für groß angelegte Studien mehr zugänglich.

Schließlich ist die Goldstandard-Methode der zellulären Lokalisierung Immunelektronenmikroskopie. Diese Technik verwendet auch einen Antikörper gegen das interessierende Protein sowie klassische Elektronenmikroskopie -Techniken. Die Probe wird für eine normale elektronenmikroskopische Untersuchung hergestellt und dann mit einem Antikörper gegen das interessierende Protein behandelt, das an ein extrem elektromatisiertes Material konjugiert wird, normalerweise Gold. Dies ermöglicht die Lokalisierung sowohl der ultrastrukturellen Details als auch des interessierenden Proteins.[61]

Durch eine andere genetische technische Anwendung als bekannt als als Stättengesteuerte Mutagenese, Forscher können die Proteinsequenz und damit ihre Struktur, zelluläre Lokalisierung und Anfälligkeit für die Regulierung verändern. Diese Technik ermöglicht sogar den Einbau unnatürlicher Aminosäuren in Proteine ​​unter Verwendung modifizierter TRNAs.[62] und kann den rationalen Erlauben zulassen Entwurf von neuen Proteinen mit neuartigen Eigenschaften.[63]

Proteomik

Hauptartikel: Proteomik

Das Gesamtkomplement der zu einem Zeitpunkt in einer Zelle oder Zelltyp vorhandenen Proteine ​​wird als IES bezeichnet Proteomund die Untersuchung solcher groß angelegten Datensätze definiert das Gebiet von Proteomik, benannt durch Analogie zum verwandten Feld von Genomik. Zu den wichtigsten experimentellen Techniken in der Proteomik gehören 2D -Elektrophorese,[64] Dies ermöglicht die Trennung vieler Proteine, Massenspektrometer,[65] Dies ermöglicht eine schnelle Hochdurchsatz-Identifizierung von Proteinen und die Sequenzierung von Peptiden (meistens danach In-Gel-Verdauung), Protein Microarrays, die den Nachweis der relativen Spiegel der verschiedenen in einer Zelle vorhandenen Proteine ​​ermöglichen, und Zwei-Hybrid-Screening, was die systematische Erforschung von ermöglicht Protein -Protein -Wechselwirkungen.[66] Die Gesamtkomplement für biologisch mögliche solche Wechselwirkungen wird als die bezeichnet Interaktome.[67] Ein systematischer Versuch, die Strukturen von Proteinen zu bestimmen, die jede mögliche Falte darstellen Strukturgenomik.[68]

Strukturbestimmung

Das Erkennen der tertiären Struktur eines Proteins oder der quaternären Struktur seiner Komplexe kann wichtige Hinweise darauf liefern, wie das Protein seine Funktion ausführt und wie es beeinflusst werden kann, d. H. In Drogendesign. Wie Proteine ​​sind zu klein, um gesehen zu werden unter einem LichtmikroskopEs müssen andere Methoden angewendet werden, um ihre Struktur zu bestimmen. Häufige experimentelle Methoden umfassen Röntgenkristallographie und NMR -Spektroskopiebeide können strukturelle Informationen erstellen bei Atomic Auflösung. NMR -Experimente können jedoch Informationen liefern, aus denen eine Untergruppe von Abständen zwischen Atomenpaaren geschätzt werden kann, und die endgültigen möglichen Konformationen für ein Protein werden durch Lösen a bestimmt Entfernungsgeometrie Problem. Doppelpolarisationsinterferometrie ist eine quantitative analytische Methode zur Messung des Gesamts Proteinkonformation und Konformationsänderungen aufgrund von Wechselwirkungen oder anderen Stimulus. Kreisendichroismus ist eine weitere Labortechnik zur Bestimmung interner β-Faltblatt / α-helikaler Zusammensetzung von Proteinen. Kryoelektronenmikroskopie wird verwendet, um Strukturinformationen mit niedrigerer Auflösung über sehr große Proteinkomplexe zu erstellen, einschließlich zusammengebautes Viren;[29]: 340–41 Eine Variante bekannt als als Elektronenkristallographie kann in einigen Fällen auch hochauflösende Informationen erstellen, insbesondere für zweidimensionale Kristalle von Membranproteinen.[69] Gelöste Strukturen werden normalerweise in der abgelagert Proteindatenbank (PDB), eine frei verfügbare Ressource, aus der strukturelle Daten über Tausende von Proteinen in Form von erhalten werden können Kartesischen Koordinaten Für jedes Atom im Protein.[70]

Viel mehr Gensequenzen sind bekannt als Proteinstrukturen. Darüber hinaus ist der Satz gelöster Strukturen zu Proteinen verzerrt, die leicht den Bedingungen ausgesetzt werden können Röntgenkristallographie, eine der Hauptstrukturbestimmungsmethoden. Insbesondere sind kugelförmige Proteine ​​vergleichsweise einfach zu kristallisieren zur Vorbereitung auf die Röntgenkristallographie. Membranproteine ​​und große Proteinkomplexe sind dagegen schwer zu kristallisieren und in der PDB unterrepräsentiert.[71] Strukturgenomik Initiativen haben versucht, diese Mängel zu beheben, indem repräsentative Strukturen wichtiger Faltklassen systematisch gelöst werden. Proteinstrukturvorhersage Methoden versuchen, ein Mittel zur Erzeugung einer plausiblen Struktur für Proteine ​​zu erzeugen, deren Strukturen nicht experimentell bestimmt wurden.[72]

Strukturvorhersage

Die Aminosäuren konstituierende können analysiert werden, um eine sekundäre, tertiäre und quaternäre Proteinstruktur vorherzusagen, in diesem Fall Hämoglobin enthalten Hem Einheiten
Hauptartikel: Proteinstrukturvorhersage und Liste der Proteinstruktur -Vorhersage -Software

Komplementär zum Gebiet der strukturellen Genomik, Proteinstrukturvorhersage entwickelt effizient Mathematische Modelle von Proteinen zur rechnerischen Vorhersage der molekularen Formationen theoretisch, anstatt Strukturen mit Laborbeobachtung zu erkennen.[73] Die erfolgreichste Art der Strukturvorhersage, bekannt als Homologiemodellierung, stützt sich auf die Existenz einer "Template" -Struktur mit Sequenzähnlichkeit zu dem modellierten Protein; Das Ziel der strukturellen Genomik ist es, eine ausreichende Darstellung von gelösten Strukturen zu bieten, um die meisten der verbleibenden Personen zu modellieren.[74] Obwohl die Erzeugung genauer Modelle eine Herausforderung bleibt, wenn nur weit verwandte Vorlagenstrukturen verfügbar sind, wurde vorgeschlagen, dass dies vorgeschlagen wurde Sequenzausrichtung ist der Engpass in diesem Prozess, wie genaue Modelle erzeugt werden können, wenn eine "perfekte" Sequenzausrichtung bekannt ist.[75] Viele Strukturvorhersagemethoden haben dazu beigetragen, das aufstrebende Bereich von zu informieren Eiweißtechnik, in denen neue Proteinfalten bereits entworfen wurden.[76] Auch Proteine ​​(in Eukaryoten ~ 33%) enthalten große unstrukturierte, aber biologisch funktionelle Segmente und können als klassifiziert werden intrinsisch ungeordnete Proteine.[77] Die Vorhersage und Analyse der Proteinstörung ist daher ein wichtiger Teil der Proteinstrukturcharakterisierung.[78]

Bioinformatik

Hauptartikel: Bioinformatik

Es wurde eine Vielzahl von Rechenmethoden entwickelt, um die Struktur, Funktion und Entwicklung von Proteinen zu analysieren. Die Entwicklung solcher Tools wurde durch die große Menge genomischer und proteomischer Daten angetrieben, die für eine Vielzahl von Organismen verfügbar sind, einschließlich der Menschliches Genom. Es ist einfach unmöglich, alle Proteine ​​experimentell zu untersuchen, daher werden nur wenige Laborexperimente unterzogen, während Rechenwerkzeuge verwendet werden, um auf ähnliche Proteine ​​zu extrapolieren. Eine solche Homologe Proteine kann in entfernt verwandten Organismen effizient identifiziert werden durch Sequenzausrichtung. Genom- und Gensequenzen können von einer Vielzahl von Tools für bestimmte Eigenschaften durchsucht werden. Sequenzprofilewerkzeuge finden können Restriktionsenzym Standorte, Offene Leserahmen in Nukleotid Sequenzen und vorhersagen Sekundärstrukturen. Phylogenetische Bäume kann konstruiert werden und evolutionär Hypothesen, die mit speziellen Software wie entwickelt wurden wie Clustalw In Bezug auf die Abstammung moderner Organismen und die Gene, die sie ausdrücken. Das Feld von Bioinformatik ist jetzt unverzichtbar für die Analyse von Genen und Proteinen.

In der Silikosimulation dynamischer Prozesse

Ein komplexeres Rechenproblem ist die Vorhersage intermolekularer Wechselwirkungen, wie in molekulares Andocken,[79] Proteinfaltung, Protein -Protein -Wechselwirkung und chemische Reaktivität. Mathematische Modelle zur Simulation dieser dynamischen Prozesse beinhalten Molekulare Mechanik, im Speziellen, Molekulare Dynamik. In dieser Hinsicht, in Silico Simulationen entdeckten die Faltung von kleinem α-helikal Proteindomänen so wie die Dorf Kopfbedeckung,[80] das HIV Accessoire Protein[81] und Hybridmethoden, die die Standardmolekulardynamik kombinieren mit Quantenmechanik Die Mathematik haben die elektronischen Zustände von untersucht Rhodopsine.[82]

Jenseits der klassischen molekularen Dynamik, Quantendynamik Methoden ermöglichen die Simulation von Proteinen im atomistischen Detail mit einer genauen Beschreibung der quantenmechanischen Effekte. Beispiele sind die Mehrschicht Multi-Konfigurationszeit-zeitabhängiger Hartree (MCTDH) Methode und die Hierarchische Bewegungsgleichungen (HEOM) -Ansatz, der auf Pflanzenkryptochrome angewendet wurde[83] und Bakterien-Licht-Harvesting-Komplexe, Komplexe,[84] beziehungsweise. Sowohl quanten- als auch klassische mechanische Simulationen von Systemen im biologischen Maßstab sind äußerst rechnerisch anspruchsvoll verteiltes Computer Initiativen (zum Beispiel die [email protected] Projekt[85]) erleichtern die molekulare Modellierung durch Ausnutzung von Fortschritten in GPU Parallele Verarbeitung und Monte Carlo Techniken.

Chemische Analyse

Der gesamte Stickstoffgehalt der organischen Substanz wird hauptsächlich von den Aminogruppen in Proteinen gebildet. Der gesamte Kjeldahl -Stickstoff (Tkn) ist ein Maß für Stickstoff, das bei der Analyse von (Abfall-) Wasser, Boden, Nahrung, Futtermitteln und organischer Substanz im Allgemeinen weit verbreitet ist. Wie der Name schon sagt, die Kjeldahl -Methode wird angewandt. Empfindlichere Methoden sind verfügbar.[86][87]

Ernährung

Weitere Informationen: Protein (Nährstoff) und Proteinqualität

Die meisten Mikroorganismen und Pflanzen können alle 20 Standards biosynthetisieren Aminosäuren, während Tiere (einschließlich Menschen) einige der Aminosäuren aus dem erhalten müssen Diät.[42] Die Aminosäuren, die ein Organismus nicht selbst synthetisieren kann essentielle Aminosäuren. Schlüsselenzyme, die bestimmte Aminosäuren synthetisieren Aspartokinase, was den ersten Schritt in der Synthese von katalysen Lysin, Methionin, und Dreionin aus Aspartat. Wenn Aminosäuren in der Umwelt vorhanden sind, können Mikroorganismen Energie sparen, indem sie die Aminosäuren aus ihrer Umgebung aufnehmen und herunterregulieren ihre Biosynthesewege.

Bei Tieren werden Aminosäuren durch den Verzehr von Proteinnahrungsmitteln erhalten. Aufgenommene Proteine ​​werden dann in Aminosäuren durchgebaut Verdauung, was typischerweise beinhaltet Denaturierung des Proteins durch Exposition gegenüber Säure und Hydrolyse durch Enzyme genannt Proteasen. Einige aufgenommene Aminosäuren werden für die Proteinbiosynthese verwendet, während andere in umgewandelt werden Glucose durch Glukoneogenese, oder in die gefüttert Zitronensäurezyklus. Diese Verwendung von Protein als Kraftstoff ist besonders wichtig unter Hunger Bedingungen, die es ermöglicht, die eigenen Proteine ​​des Körpers zu verwenden, um das Leben zu unterstützen, insbesondere diejenigen, die gefunden werden Muskel.[88]

Bei Tieren wie Hunden und Katzen hält Protein die Gesundheit und Qualität der Haut, indem er das Wachstum und die Keratinisierung von Haaren follikel fördert und somit die Wahrscheinlichkeit von Hautproblemen verringert, Malodure zu erzeugen.[89] Proteine ​​in schlechter Qualität spielen auch eine Rolle in Bezug auf die Gesundheit von Magen-Darms und erhöhen das Potenzial für Blähungen und Geruchsverbindungen bei Hunden, da Proteine, wenn Proteine ​​in einem unverdannten Zustand den Dickdarm erreichen, fermentiert werden, was Wasserstoffsulfidgas, Indol und Skatol produzieren.[90] Hunde und Katzen verdauen tierische Proteine ​​besser als die von Pflanzen, aber Produkte von minderwertigen tierischen Ursprungs sind schlecht verdaut, einschließlich Haut, Federn und Bindegewebe.[90]

Siehe auch

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Weitere Lektüre

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Externe Links

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