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Proteínas ( / p r oʊ ˌ t i n z / ou / p r oʊ t i . ɨ n z / ) são grandes moléculas biológicas , ou macromoléculas , que consiste em um ou mais longas cadeias de aminoácidos resíduos . Proteínas executar uma vasta gama de funções dentro dos organismos vivos, incluindo catalisar reacções metabólicas , replicação de ADN , de responder a estímulos , e transporte de moléculas a partir de um local para outro. As proteínas são diferentes um do outro, principalmente na sua sequência de aminoácidos, que é ditado pela sequência de nucleótidos dos seus genes , e que geralmente resulta na dobragem da Proteína específica em uma estrutura tridimensional que determina a sua actividade.
Uma cadeia linear de resíduos de aminoácidos é chamado um polipéptido . A proteína contém pelo menos um polipéptido de comprimento. Polipeptídeos curtos, com menos de cerca de 20-30 resíduos, raramente são considerados como proteínas e são comumente chamados de peptídeos , ou às vezes oligop�tidos . Os resíduos de aminoácidos individuais são ligadas entre si por ligações peptídicas e os resíduos de aminoácidos adjacentes. A sequência de resíduos de aminoácidos de uma proteína é definido pela sequência de um gene , que é codificado no código genético . Em geral, o código genético especifica 20 aminoácidos padrão; no entanto, em certos organismos o código genético podem incluir a selenocisteína, e em certa archaea - pirrolisina . Pouco Tempo depois, ou mesmo, durante a síntese, os resíduos de uma proteína são muitas vezes quimicamente modificados por modificação pós-tradução , que altera as propriedades físicas e químicas, dobragem, estabilidade, actividade, e, finalmente, a função das proteínas. Por vezes, as proteínas possuem grupos não peptidicos ligados, que podem ser chamados grupos prostéticos ou co-factores . As proteínas também podem trabalhar em conjunto para alcançar uma determinada função, e muitas vezes eles associam para formar estáveis ​​complexos de proteínas .
Uma vez formadas, as proteínas existem apenas para um determinado período de tempo e são então degradadas e reciclado pela maquinaria da célula através do processo de retorno da proteína . Um tempo de Vida da proteína é medida em termos da sua meia-vida e abrange uma vasta gama. Eles podem existir por minutos ou anos com uma vida média de 1-2 dias em células de Mamíferos. Proteínas anormais e ou deformadas são degradados mais rapidamente, quer devido a ser alvo de destruição ou devido a ser instável.
Como outros biológicos macromoléculas , tais como polissacáridos e ácidos nucleicos , as proteínas são componentes essenciais de organismos e participar em praticamente todos os processos dentro de células . Muitas proteínas são enzimas que catalisam reacções bioquímicas e são essenciais para o metabolismo . As proteínas também têm funções estruturais ou mecânicas, tais como actina e miosina em muscular e as proteínas do citoesqueleto , que formam um sistema de andaimes que mantém a forma da célula. Outras proteínas são importantes na sinalização celular , respostas imunitárias , adesão celular , e o ciclo celular . As proteínas também são necessárias na dieta dos Animais, uma vez que os animais não podem sintetizar todos os aminoácidos de que necessitam e devem obter os aminoácidos essenciais a partir de Alimentos. Através do processo de digestão , os animais quebrar as proteínas ingeridas em aminoácidos livres que são, então, utilizadas no metabolismo.
As proteínas podem ser purificadas a partir de outros componentes celulares usando uma variedade de técnicas, tais como a ultracentrifugação , precipitação , electroforese e cromatografia ; o advento da Engenharia genética fez possível um certo número de métodos para facilitar a purificação. Os métodos geralmente utilizados para estudar a estrutura e função da proteína incluem imuno-histoquímica , a mutagénese dirigida ao local , cristalografia de raios-X , ressonância magnética nuclear e espectrometria de massa .
Conteúdo [ hide ] 1 Biochemistry
2.1 Biossíntese
2.2 Síntese Química
3.1 A determinação estrutural
4 funções celulares
4.2 A sinalização celular e a ligação do ligando
4.3 proteínas estruturais
5.1 Purificação de Proteínas
5.2 Localização celular
5.4 Bioinformática
5.4.1 Estrutura de previsão e simulação
11.1 Os bancos de dados e projetos
11.2 tutoriais e sites educacionais
Artigos principais: Bioquímica , aminoácidos e ligação peptídica
Estrutura química da ligação peptídica (inferior) e a estrutura tridimensional de uma ligação peptídica entre um alanina e um aminoácido adjacente (topo / inserção)
Ressonância estruturas da ligação peptídica que liga os aminoácidos individuais para formar uma proteína polimérica
A maioria das proteínas lineares consistem em polímeros construídos a partir de séries de até 20 diferentes L -α- amino ácidos . Todos os aminoácidos proteinogenic possuem características estruturais comuns, incluindo um α-carbono em que um amino , um Grupo carboxilo grupo, e um variável de cadeia lateral são ligados . Apenas prolina difere desta estrutura básica em que contém um anel incomum para o grupo amina N-fim, o que obriga a unidade amida CO-NH numa conformação fixada. [ 1 ] As cadeias laterais dos aminoácidos padrão, detalhado na lista dos aminoácidos padrão , têm uma grande variedade de estruturas químicas e as propriedades; é o efeito combinado de todas as cadeias laterais de aminoácidos de uma proteína que, em última análise determina a estrutura tridimensional e a sua reactividade química. [ 2 ] Os aminoácidos de uma cadeia de polipéptido estão ligados por ligações peptídicas . Uma vez ligados na cadeia de proteína, um aminoácido individual é chamado um resíduo, e a série ligada, de azoto, Átomos de oxigénio e de carbono são conhecidos como a cadeia principal ou esqueleto da proteína. [ 3 ]
A ligação peptídica tem dois ressonância formas que contribuem alguns double-bond personagem e inibem a rotação em torno de seu eixo, de modo que os carbonos alfa são mais ou menos no mesmo plano . Os outros dois ângulos diedros da ligação peptídica a determinar a forma local assumido pelo esqueleto da proteína. [ 4 ] A fim de a proteína com um grupo carboxilo livre é conhecido como o terminal C ou terminal carboxilo, enquanto que a extremidade com um grupo amino livre grupo é conhecido como o terminal N ou no terminal amino. A expressão da proteína , polipéptido, e péptido são um pouco ambígua e podem sobrepor-se em sentido. A proteína é geralmente utilizado para se referir à Molécula biológica completa num estábulo conformação , enquanto péptido é geralmente reservada para uma curta oligómeros de aminoácidos, muitas vezes carente de três estável estrutura dimensional. No entanto, o limite entre os dois não está bem definida e, geralmente, encontra-se perto de 20-30 resíduos. [ 5 ] Polipéptido pode referir-se a qualquer cadeia linear única de aminoácidos, normalmente, independentemente do comprimento, mas muitas vezes implica a ausência de um definido conformação .
Ver artigo principal: biossíntese de proteínas
Um ribossoma produz uma proteína utilizando ARNm como molde.
O DNA de sequência de um gene codifica o aminoácido sequência de uma proteína.
As proteínas são montados a partir de aminoácidos utilizando informação codificada em genes . Cada proteína tem a sua própria sequência de aminoácidos única que é especificado pelo nucleótido sequência do gene que codifica esta proteína. O código genético é um conjunto de conjuntos de três nucleotídeos chamados códons e cada combinação de três nucleotídeos designa um aminoácido, por exemplo, Agosto ( adenina - uracila - guanina ) é o código para metionina . Porque o ADN contém quatro nucleótidos, o número total de codões possíveis é 64; assim, existe alguma redundância no código genético, com alguns aminoácidos especificados por mais de um codão. [ 6 ] Os genes codificados no ADN são primeiro transcrito em pré- ARN mensageiro (ARNm) por proteínas tais como a ARN polimerase . A maioria dos organismos, em seguida, processar a pré-mRNA (também conhecido como um transcrito primário ), utilizando diversas formas de modificação pós-transcricional para formar o mRNA maduro, o qual é então utilizada como um molde para a síntese proteica pelo ribossoma . Em procariotas o ARNm pode ser utilizada logo que é produzida, ou ser ligado por um ribossoma após ter afastado o nucleóide . Em contraste, eucariotas fazer ARNm no núcleo da célula e, em seguida, transloca -lo através da membrana nuclear, para o citoplasma , onde a síntese de proteínas , em seguida, tem lugar. A taxa de síntese de proteínas é mais elevada do que em procariotas e eucariotas pode atingir até 20 aminoácidos por segundo. [ 7 ]
O processo de síntese de uma proteína a partir de um molde de ARNm é conhecida como a tradução . O mRNA é carregado no ribossoma e é lido três nucleotídeos de uma vez por cada codão correspondente à sua base emparelhamento anticodão localizado em um RNA de transferência molécula, que transporta o aminoácido correspondente ao codão ele reconhece. A enzima aminoacil tRNA sintetase "encargos" as moléculas de tRNA com os aminoácidos corretos. O polipeptídeo crescimento é muitas vezes chamado de cadeia nascente . As proteínas são sempre biossintetizada a partir de N-terminal para C-terminal . [ 6 ]
O tamanho de uma proteína sintetizada pode ser medida pelo número de aminoácidos que ela contém e por seu total em massa molecular , o qual é normalmente reportado em unidades de daltons (sinónimo de unidades de massa atómica ), ou o derivado de unidade quilodalton (kDa). Levedura proteínas são, em média, ácidos 466 aminoácidos de comprimento e 53 kDa em massa. [ 5 ] Os maiores proteínas conhecidas são as titins , um componente do músculo sarcómero , com uma massa molecular de cerca de 3000 kDa e um comprimento total de cerca de 27.000 aminoácidos. [ 8 ]
Proteínas curtas também podem ser sintetizados quimicamente por uma Família de métodos conhecidos como a síntese de péptidos , que se baseiam na síntese orgânica , tais como técnicas de ligação química para a produção de péptidos com um rendimento elevado. [ 9 ] A síntese química permite a introdução de aminoácidos não naturais em cadeias de polipeptídeos, tais como a fixação do fluorescentes sondas de cadeias laterais de aminoácidos. [ 10 ] Estes métodos são úteis no laboratório de bioquímica e biologia celular , embora geralmente não para aplicações comerciais. A síntese química é ineficiente para polipéptidos mais do que cerca de 300 aminoácidos, e as proteínas não podem ser facilmente sintetizados assumir a sua nativa estrutura terciária . A maioria dos métodos de síntese química de proceder C-terminal para N-terminal, do lado oposto a reacção biológica. [ 11 ]
Ver artigo principal: estrutura Protein
Mais informações: predição de estrutura de proteínas
A estrutura cristalina do chaperonina. Chaperoninas auxiliar o dobramento de proteínas.
Três possíveis representações da estrutura tridimensional da proteína isomerase de fosfato de triose . Esquerda: todos os átomos, representação colorida por tipo átomo. Meio: Representação simplificada que ilustra a conformação de esqueleto, colorida pela estrutura secundária. Direita: representação da superfície acessível a solventes colorido por tipo de resíduo (resíduos ácidos, resíduos básicos vermelhos, azuis resíduos polares verdes, resíduos não polares branco)
A maioria das proteínas dobra em estruturas 3 dimensões originais. A forma em que a proteína se dobra naturalmente é conhecida como a sua conformação nativa . [ 12 ] Embora muitas proteínas possam dobrar sem ajuda, simplesmente através das propriedades químicas dos seus aminoácidos, enquanto outros requerem o auxílio de molecular chaperones a dobrar-se em seus estados nativos. [ 13 ] Os bioquímicos geralmente se referem a quatro aspectos distintos da estrutura de uma proteína: [ 14 ]
A estrutura primária : a sequência de aminoácidos . Uma proteína é uma poliamida .
Estrutura secundária : repetir regularmente as estruturas locais estabilizados por ligações de hidrogênio . Os exemplos mais comuns são a hélice alfa , beta folha e voltas . Devido estruturas secundárias são locais, muitas regiões diferentes da estrutura secundária pode estar Presente na mesma molécula de proteína.
Estrutura terciária : a forma geral de uma única molécula de proteína; a relação espacial das estruturas secundárias para o outro. Estrutura terciária é geralmente estabilizados por interacções não-locais, mais geralmente a formação de um núcleo hidrofóbico , mas também através de pontes salinas , ligações de hidrogénio, ligações dissulfureto , e mesmo as modificações pós-traducionais . O termo "estrutura terciária" é frequentemente utilizado como sinônimo do termo vezes . A estrutura terciária é o que controla a função básica da proteína.
A estrutura quaternária : a estrutura formada por várias moléculas de proteína (cadeias polipeptídicas), usualmente chamadas subunidades de proteína , neste contexto, que funcionam como um único complexo de proteína .
As proteínas não são inteiramente moléculas rígidas. Em adição a estes níveis de estrutura, as proteínas podem ser deslocados entre várias estruturas relacionadas, enquanto que desempenhar as suas funções. No âmbito destes rearranjos funcionais, estas estruturas terciárias ou quaternárias são geralmente referidos como " conformações ", e transições entre eles são chamados alterações conformacionais. Tais alterações são frequentemente induzidas pela ligação de um substrato de molécula de de uma enzima local activo , ou a região física da proteína que participa na catálise química. Na solução de proteínas também sofrer variação na estrutura por meio de vibração térmica e a colisão com outras moléculas. [ 15 ]
Superfície molecular de várias proteínas com os seus tamanhos comparativos. Da esquerda para a direita: a imunoglobulina G (IgG, um anticorpo ), hemoglobina , insulina (uma hormona), a adenilato-quinase (uma enzima) e glutamina sintetase (uma enzima).
As proteínas podem ser informalmente divididas em três classes principais, as quais se correlacionam com as estruturas típicas terciárias: proteínas globulares , as proteínas fibrosas , e proteínas de membrana . Quase todas as proteínas globulares são solúveis e são muitas enzimas. As proteínas fibrosas são muitas vezes estrutural, tal como o colagénio , o principal componente do tecido conjuntivo, ou queratina , o componente proteína do Cabelo e das Unhas. As proteínas da membrana geralmente servem como receptores ou canais para que as moléculas polares ou carregados para passar através da membrana celular . [ 16 ]
Um caso especial de ligações de hidrogênio intramoleculares dentro de proteínas, mal protegidos contra ataques de Água e, consequentemente, promover a sua própria desidratação , são chamados dehydrons . [ 17 ]
A determinação estrutural
Descobrindo a estrutura terciária de uma proteína, ou a estrutura quaternária de seus complexos, pode fornecer pistas importantes sobre como a proteína desempenha a sua função. Métodos experimentais comuns de determinação de estrutura incluem a cristalografia de raios-X e espectroscopia de RMN , ambos os quais podem produzir informação no atómica resolução. No entanto, experiências de RMN são capazes de fornecer informação a partir da qual um subconjunto das distâncias entre pares de átomos pode ser estimado, e as conformações finais possíveis para uma proteína são determinados através da resolução de uma geometria de distância problema. polarização dupla interferometria é um método analítico quantitativo para medir o total conformação protéica e mudanças de conformação devido às interações ou outro estímulo. dicro�mo Circular é uma outra técnica de laboratório para análise de folha beta interno / composição helicoidal de proteínas. microscopia cryoelectron é usado para produzir informações estruturais de baixa resolução sobre grandes complexos de proteínas, incluindo montados vírus ; [ 18 ] uma variante conhecida como cristalografia de electrões . Também podem produzir informação de alta-resolução, em alguns casos, especialmente para cristais bidimensionais de proteínas de membrana [ 19 ] estruturas resolvidas são geralmente depositados no Protein Data Bank (PDB), uma recurso livremente disponível a partir do qual os dados estruturais sobre milhares de proteínas pode ser obtido sob a forma de coordenadas cartesianas para cada átomo na proteína. [ 20 ]
Muitos mais sequências de genes são conhecidos de estruturas de proteínas. Além disso, o conjunto de estruturas resolvidas é inclinado para proteínas que podem ser facilmente submetidos às condições requeridas em cristalografia de raios-X , um dos principais métodos de determinação de estrutura. Em particular, as proteínas globulares são relativamente fáceis de cristalizar em preparação para a cristalografia de raios-X. As proteínas da membrana, pelo contrário, são difíceis de cristalizar e estão sub-representadas no APO. [ 21 ] genômica estrutural iniciativas têm tentado suprir estas deficiências, resolvendo sistematicamente estruturas representativas dos principais classes de dobra. previsão estrutura Protein métodos tentar fornecer um meio de gerar uma estrutura plausível para proteínas cujas estruturas não foram determinados experimentalmente. [ 22 ]
As proteínas são os principais atores dentro da célula, diz-se que a realização dos direitos especificados pela informação codificada em genes. [ 5 ] Com a exceção de certos tipos de RNA , a maioria das outras moléculas biológicas são elementos relativamente inertes sobre o qual as proteínas agem. As proteínas constituem metade do peso seco de uma Escherichia coli de células, ao passo que outras macromoléculas, tais como ADN e ARN constituem apenas 3% e 20%, respectivamente. [ 23 ] O conjunto de proteínas expressas num tipo particular de célula ou de células é conhecida como seu proteoma .
A enzima hexoquinase é mostrado como um modelo molecular Bola-e-vara convencional. Para dimensionar, no canto superior direito do lado são dois de seus substratos, ATP e glicose .
A principal característica de proteínas que também permite que o seu conjunto diversificado de funções é a sua capacidade de se ligar outras moléculas especificamente e com força. A região da proteína responsável pela ligação de uma outra molécula é conhecida como o sítio de ligação e é muitas vezes uma depressão ou "bolso" na superfície molecular. Esta capacidade de ligação é mediada por a estrutura terciária da proteína, que define o local de ligação do bolso, e pelas propriedades químicas das cadeias laterais dos aminoácidos que rodeiam &#39;. A ligação às proteínas pode ser extremamente apertada e específica; por exemplo, o inibidor da ribonuclease proteína humana liga-se a angiogenina com uma sub-fentomolar dissociação constante (<10 -15 M) mas não se liga de todo ao seu homólogo anfíbio onconase (> 1 M). Extremamente pequenas alterações químicas, tais como a adição de um único grupo metilo para um parceiro de ligação pode, por vezes, suficiente para praticamente eliminar a ligação; por exemplo, a aminoacil-ARNt-sintetase específico para o aminoácido valina discrimina a cadeia lateral muito semelhante do aminoácido isoleucina . [ 24 ]
As proteínas se podem ligar a outras proteínas, bem como a pequena molécula substratos. Quando as proteínas se ligam especificamente a outras cópias da mesma molécula, podem oligomerizar para formar fibrilas; este processo ocorre frequentemente em proteínas estruturais que consistem em monômeros globulares que a auto-se associam para formar fibras rígidas. interações proteína-proteína também regular a atividade enzimática, a progressão de controle através do ciclo celular , e permitir que a montagem de grandes complexos de proteínas que realizam muitos intimamente reacções relacionadas com a função biológica comum. As proteínas também podem ligar-se a, ou até mesmo ser integrado neste, membranas celulares. A capacidade dos parceiros de ligação para induzir mudanças conformacionais em proteínas permite a Construção de enormemente complexos de sinalização redes. [ 25 ] É importante notar, como as interacções entre as proteínas são reversíveis, e dependerá fortemente da disponibilidade de diferentes grupos de proteínas parceiras para formar agregados que são capazes a realização de conjuntos discretos de função, o estudo das interações entre proteínas específicas é a chave para entender aspectos importantes da função celular e, finalmente, as propriedades que distinguem determinados tipos de células. [ 26 ] [ 27 ]
Ver artigo principal: Enzyme
O papel mais conhecido de proteínas na célula é como enzimas , que catalisam reacções químicas. As enzimas são geralmente altamente específica e acelerar apenas uma ou algumas reacções químicas. Enzimas efectuar a maior parte das reacções envolvidas no metabolismo , assim como a manipulação de ADN em processos tais como a replicação de ADN , reparação de ADN , e a transcrição . Algumas enzimas actuam sobre outras proteínas para adicionar ou remover grupos químicos de um processo conhecido como a modificação pós-translacional. Cerca de 4.000 reacções são conhecidas por ser catalisada por enzimas. [ 28 ] A taxa de aceleração conferida por catálise enzimática é frequentemente-enorme tanto quanto 10 17 -fold aumento na taxa de reacção não catalisada através da no caso de descarboxilase orotato (78 milhões de anos sem o enzima, 18 milissegundos com a enzima). [ 29 ]
As moléculas ligadas e posta em prática por enzimas são chamados de substratos . Ainda que as enzimas podem consistir de centenas de aminoácidos, normalmente é apenas uma pequena fracção dos resíduos que entram em contacto com o substrato, e uma fracção ainda menor, três a quatro resíduos de, em média, que estão directamente envolvidas na catálise. [ 30 ] A região do enzima que se liga ao substrato e contém os resíduos catalíticos é conhecida como o local activo .
Dirigent proteínas são membros de uma classe de proteínas, as quais ditam a estereoquímica de um composto sintetizado por outras enzimas.
A sinalização celular e a ligação do ligando
Diagrama de fita de um anticorpo de ratinho contra a cólera que se liga a um hidrato de carbono do antigénio
Muitas proteínas estão envolvidos no processo de sinalização celular e a transdução de sinal . Algumas proteínas, como a insulina , são proteínas extracelulares que transmitem um sinal a partir da célula em que foram sintetizados para outras células distantes tecidos . Outras são proteínas de membrana , que funcionam como receptores , cuja principal função é a de ligar uma molécula de sinalização e de induzir uma resposta bioquímica na célula. Muitos receptores possuem um local de ligação exposto na superfície da célula e um domínio efector dentro da célula, que pode ter uma actividade enzimática ou podem ser submetidos a uma alteração conformacional detectado por outras proteínas dentro da célula. [ 31 ]
Os anticorpos são proteínas componentes de um sistema imunológico adaptativo cuja principal função é a de vincular antígenos , ou substâncias estranhas no corpo, e orientá-las para destruição. Os anticorpos podem ser secretada para o meio extracelular ou ancorada na membrana dos especializados células B conhecidos como plasmócitos . Considerando enzimas são limitados em sua afinidade de ligação para os seus substratos pela necessidade de realização de sua reação, os anticorpos não têm tais restrições. Afinidade de ligação de um anticorpo para o seu alvo é extraordinariamente alta. [ 32 ]
Muitas proteínas de transporte ligando ligar particulares pequenas biomoléculas e transportá-los para outros locais no corpo de um Organismo multicelular. Estas proteínas devem ter uma elevada afinidade de ligação ao seu ligando está presente em concentrações elevadas, mas também deve libertar o ligando quando este está presente em baixas concentrações nos tecidos alvo. O exemplo clássico de uma proteína de ligação do ligando é a hemoglobina , que transporta oxigénio dos pulmões para outros órgãos e tecidos em todos os Vertebrados e tem estreitas homólogos em cada biológica reino . [ 33 ] As lectinas são proteínas de ligação de açúcar que são altamente específicos para a sua porções de açúcar. As lectinas jogar normalmente um papel na biológicos de reconhecimento de fenômenos que envolvem as células e proteínas. [ 34 ] Os receptores e hormônios são proteínas de ligação altamente específicos.
Proteínas transmembranares podem também servir como proteínas de transporte ligando que alteram a permeabilidade da membrana celular a moléculas pequenas e de iões. A membrana sozinho tem um hidrofóbico núcleo através do qual polares ou moléculas carregadas não podem difundir . As proteínas da membrana conter canais internos que permitem que tais moléculas para entrar e sair da célula. Muitos canais iônicos proteínas são especializados para selecionar apenas um íon particular; por exemplo, potássio e sódio canais para discriminar frequentemente apenas um dos dois iões. [ 35 ]
Proteínas estruturais conferem dureza e rigidez para os componentes biológicos de outra forma de Líquido. A maioria das proteínas estruturais são proteínas fibrosas ; por exemplo, colágeno e elastina são componentes críticos do tecido conjuntivo , como a cartilagem , e queratina é encontrada em estruturas duras ou filamentosos tais como cabelo , unhas , penas , cascos , e algumas conchas de animais . [ 36 ] Algumas proteínas globulares também pode jogar estrutural funções, por exemplo, actina e tubulina e são globulares solúveis como monómeros, mas polimerizar para formar longas fibras rígidas, que formam o citoesqueleto , que permite que a célula para manter a sua forma e tamanho.
Outras proteínas que servem funções estruturais são proteínas do Motor , tais como miosina , a cinesina , e dineína , que são capazes de gerar forças mecânicas. Estas proteínas são cruciais para celular motilidade de organismos unicelulares e espermatozóides de muitos organismos multicelulares que se reproduzem sexualmente . Elas também geram as forças exercidas pelos contratantes músculos [ 37 ] e desempenham um papel essencial no transporte intracelular.
Ver artigo principal: métodos de proteína
As atividades e estruturas de proteínas podem ser examinadas in vitro , in Vivo e in silico . Em vitro estudos de proteínas purificadas em ambientes controlados são úteis para aprender como uma proteína leva a cabo a sua função: por exemplo, cinética enzimática estudos explorar o mecanismo químico de actividade catalítica de uma enzima e a sua afinidade relativa para várias moléculas de substrato possíveis. Por outro lado, in vivo experiências podem fornecer informações sobre o papel fisiológico de uma proteína no contexto de uma célula ou mesmo um todo organismo . Em silico estudos utilizam métodos computacionais para estudar proteínas.
Para executar in vitro análise, uma proteína deve ser purificado a partir de outros componentes celulares. Este processo geralmente começa com a lise celular , em que uma membrana da célula é interrompido e os seus conteúdos internos libertado para uma solução conhecida como um ligado impuro . A mistura resultante pode ser purificado utilizando ultracentrifugação , que fracciona os vários componentes celulares em fracções contendo proteínas solúveis; membrana de lipídios e proteínas; celulares organelos , e ácidos nucleicos . Precipitação por um método conhecido como salting out podem concentrar-se as proteínas a partir deste lisato. Vários tipos de cromatografia são então utilizados para isolar a proteína ou proteínas de interesse com base em propriedades, tais como peso molecular, carga líquida e afinidade de ligação. [ 38 ] O nível de purificação pode ser monitorizado utilizando vários tipos de electroforese em gel , se o molecular da proteína desejada peso e ponto isoeléctrico são conhecidos, por espectroscopia de se a proteína tem características espectroscópicas distinguíveis, ou por ensaios enzimáticos se a proteína tem actividade enzimática. Além disso, as proteínas podem ser isoladas de acordo com a sua carga utilizando electrofocalização . [ 39 ]
Para as proteínas naturais, uma série de passos de purificação podem ser necessários para obter proteína suficientemente pura para aplicações laboratoriais. Para simplificar este processo, a engenharia genética é muitas vezes utilizada para adicionar características químicas de proteínas que as tornam mais fáceis de purificar sem afectar a sua estrutura ou actividade. Aqui, uma "etiqueta" que consiste de uma sequência específica de aminoácidos, muitas vezes de uma série de histidina resíduos (um " His-tag "), está ligado a um terminal da proteína. Como resultado, quando o ligado foi passado por uma coluna de cromatografia contendo níquel , os resíduos de histidina ligar o níquel e anexar à coluna enquanto os componentes não marcados do lisado passe sem impedimentos. Um certo número de etiquetas diferentes foram desenvolvidos para ajudar os investigadores a purificar proteínas específicas a partir de misturas complexas. [ 40 ]
Proteínas em diferentes compartimentos celulares e estruturas marcados com proteína fluorescente Verde (aqui, branco)
O estudo de proteínas in vivo é muitas vezes preocupados com a síntese e a localização da proteína dentro da célula. Embora muitas proteínas intracelulares sejam sintetizadas nos citoplasma e proteínas de membrana ligada ou segregadas no retículo endoplasmático , as especificidades do modo como as proteínas são alvo de organelos específicos ou estruturas celulares é frequentemente pouco claro. Uma técnica útil para avaliar a localização celular utiliza a engenharia genética para expressar de uma célula de uma proteína de fusão ou quimera que consiste da proteína natural de interesse ligado a um " repórter ", tais como a proteína fluorescente verde (GFP). [ 41 ] A posição da proteína fundida dentro a célula pode ser limpa e eficiente visualizada utilizando microscopia , [ 42 ] , como mostrado na figura oposto.
Outros métodos para elucidar a localização celular de proteínas requer a utilização de marcadores conhecidos compartimentados para regiões tais como o RE, o Golgi, lisossomas ou vacúolos, mitocôndrias, cloroplastos, membrana de plasma, etc. Com o uso de fluorescente etiquetado versões desses marcadores ou de anticorpos para marcadores conhecidos, torna-se muito mais simples para identificar a localização de uma proteína de interesse. Por exemplo, imunofluorescência indireta permitirá a co-localização de fluorescência e demonstração de localização. Corantes fluorescentes são usados ​​para etiquetar compartimentos celulares para uma finalidade semelhante. [ 43 ]
Existem outras possibilidades, como bem. Por exemplo, imuno-histoquímica geralmente utiliza um anticorpo para uma ou mais proteínas de interesse que estão conjugados com enzimas que produzam ou sinais cromogénicos ou luminescente que pode ser comparada entre as amostras, permitindo que a informação de localização. Outra técnica é aplicável cofractionation em sacarose (ou outro material) usando gradientes de centrifugação isopícnica . [ 44 ] Embora esta técnica não revelar uma co-localização de um compartimento de densidade conhecida e a proteína de interesse, ele faz aumentar a probabilidade, e é mais susceptível de estudos em grande escala.
Finalmente, o método padrão-Ouro de localização celular é microscopia imunoelectrónica . Esta técnica também utiliza um anticorpo para a proteína de interesse, juntamente com as técnicas clássicas de microscopia electrónica. A amostra é preparada para exame microscópico de electrões normal, e, em seguida, tratada com um anticorpo para a proteína de interesse, que é conjugado com um material extremamente electro-denso, normalmente ouro. Isto permite a localização de ambos os detalhes ultra-estruturais, bem como a proteína de interesse. [ 45 ]
Através de uma outra aplicação da engenharia genética conhecida como mutagénese dirigida ao local , os investigadores podem alterar a sequência da proteína e, consequentemente, a sua estrutura, a localização celular, e susceptibilidade a regulação. Esta técnica permite ainda a incorporação de aminoácidos não naturais em proteínas, utilizando ARNt modificados, [ 46 ] e pode permitir o Desenho racional de novas proteínas com novas propriedades. [ 47 ]
Ver artigo principal: Proteomics
O complemento total de proteínas presentes em um momento em um tipo de célula ou a célula é conhecido como seu proteoma , e o estudo de tais conjuntos de dados de grande escala define o Campo da proteômica , nomeado por analogia ao domínio conexo da genômica . Técnicas experimentais chave na proteómica incluem electroforese 2D , [ 48 ] que permite a separação de um grande número de proteínas, espectrometria de massa , [ 49 ] que permite a rápida identificação de elevado rendimento de proteínas e sequenciação de péptidos (mais frequentemente após digestão em gel ), microarrays de proteína , [ 50 ] , que permitem a detecção dos níveis relativos de um grande número de proteínas presentes em uma célula, e dois-híbridos de rastreio , que permite a exploração sistemática de interacções proteína-proteína . [ 51 ] O complemento total de biologicamente possíveis de tais interacções é conhecida como a interactoma . [ 52 ] Uma tentativa sistemática para determinar as estruturas de proteínas que representam cada dobra possível é conhecido como genómica estrutural . [ 53 ]
Uma vasta gama de métodos computacionais foram desenvolvidos para analisar a estrutura, função e evolução de proteínas.
O desenvolvimento de tais ferramentas tem sido impulsionado pela grande quantidade de dados de genômica e proteômica disponíveis para uma variedade de organismos, incluindo o genoma Humano. É simplesmente impossível para estudar todas as proteínas experimentalmente, portanto, apenas alguns são submetidos a experiências de laboratório, enquanto computacional ferramentas são utilizados para extrapolar a proteínas semelhantes. Tais homólogos proteínas podem ser eficientemente identificados em organismos distantemente relacionadas por alinhamento de sequências . Sequências do genoma e de genes podem ser pesquisados ​​por uma variedade de ferramentas para determinadas propriedades. ferramentas Seqüência de perfil pode encontrar enzimas de restrição locais, Quadros de leitura aberta em nucleotídeos sequências, e prever estruturas secundárias . As Árvores filogenéticas podem ser construídas e evolutivos hipóteses desenvolvido utilizando software especial como ClustalW sobre a ascendência de organismos modernos e os genes que expressam. O campo de bioinformática é agora indispensável para a análise de genes e proteínas.
Previsão de estrutura e de simulação
Aminoácidos constituintes podem ser analisados ​​para prever a estrutura de proteína secundária, terciária e quaternária, neste caso a hemoglobina contendo heme unidades.
Artigos principais: predição de estrutura de proteínas e Lista de proteína software previsão de estrutura
Complementar ao campo da genómica estrutural, a previsão da estrutura de proteínas procura desenvolver modos eficazes para proporcionar modelos plausíveis para proteínas cujas estruturas não foram ainda determinadas experimentalmente. [ 54 ] O tipo mais bem-sucedida de previsão de estrutura, conhecida como modelagem por homologia , baseia-se na existência de uma estrutura de "template" com a sequência de similaridade com a proteína que está sendo modelado; objetivo &#39;genômica estrutural é proporcionar representação suficiente em estruturas resolvidas para modelar a maioria daqueles que permanecem. [ 55 ] Embora a produção de modelos precisos continua a ser um desafio quando as estruturas de modelo apenas remotamente relacionados estão disponíveis, tem sido sugerido que o alinhamento de sequências é o gargalo em Neste processo, como modelos bastante precisos pode ser produzido se um "perfeito" alinhamento de sequências é conhecido. [ 56 ] Muitos métodos de previsão de estrutura têm servido para informar o emergente campo da engenharia de proteínas , em que novas dobras de proteínas já foram desenhados. [ 57 ] Um problema computacional mais complexa for a predição de interacções intermoleculares, tal como em encaixe molecular e previsão da interacção proteína-proteína . [ 58 ]
Os processos de dobramento de proteínas e de ligação pode ser simulada usando essa técnica como mecânica molecular , em particular, dinâmica molecular e Monte Carlo , que cada vez mais se aproveitam da paralela e computação distribuída ( Folding @ home projeto; [ 59 ] modelagem molecular na GPU ). A dobragem de pequenos domínios alfa-helicoidal de proteína, como o villin headpiece [ 60 ] e do HIV proteína acessória [ 61 ] foram simuladas com sucesso in silico , e métodos híbridos que combinam dinâmica molecular padrão com mecânica quântica cálculos permitiram exploração da eletrônica estados de rodopsinas . [ 62 ]
Mais informações: Protein (nutrientes)
A maioria dos microrganismos e plantas podem biossintetizar todos os 20 padrão aminoácidos , enquanto que os animais (incluindo seres humanos) tem de obter alguns dos aminoácidos a partir da dieta . [ 23 ] Os aminoácidos que um organismo não pode sintetizar por sua própria são referidos como aminoácidos essenciais . Enzimas-chave que sintetizam certos aminoácidos não estão presentes em animais, tais como - aspartoquinase , que catalisa o primeiro passo na síntese de lisina , metionina , e treonina de aspartato . Se os aminoácidos estão presentes no ambiente, os microorganismos podem conservar a energia, tomando-se os aminoácidos de seus arredores e regular negativamente as suas vias biossintéticas.
Nos animais, os aminoácidos são obtidos através do consumo de alimentos que contêm proteínas. Proteínas ingeridas são, em seguida, dividido em aminoácidos através de digestão , que tipicamente envolve a desnaturação da proteína através de exposição a ácido e a hidrólise por enzimas denominadas proteases . Alguns aminoácidos ingeridos são utilizados para a síntese proteica, ao passo que outros são convertidos em glicose através da gluconeogénese , ou alimentado no ciclo do ácido cítrico . Esta utilização de proteínas como combustível é particularmente importante sob fome condições, uma vez que permite que as proteínas do próprio corpo para ser utilizado para suportar a vida, particularmente aqueles encontrados no músculo . [ 63 ] Os aminoácidos são também uma importante fonte dietética de azoto . [ citação necessário ]
Mais informações: História da biologia molecular
As proteínas foram reconhecidos como uma classe distinta de moléculas biológicas no Século XVIII por Antoine Fourcroy e outros, que se distinguem pela capacidade das moléculas para coagular ou floculam sob tratamentos com calor ou ácido. [ 64 ] Notável exemplos na época incluía albumina dos Ovos brancos , sangue albumina de soro , de fibrina , e Trigo glúten .
As proteínas foram descritos pela primeira vez pelo holandês químico Gerardus Johannes Mulder e nomeado pelo químico sueco Jöns Jacob Berzelius em 1838. [ 65 ] [ 66 ] Mulder realizado análise elementar de proteínas comuns e descobriu que quase todas as proteínas tiveram a mesma fórmula empírica , C 400 H 620 N 100 O 120 P 1 S 1 . [ 67 ] Ele chegou à conclusão errônea de que eles podem ser compostos por um único tipo de (muito grande) molécula. O termo "proteína" para descrever essas moléculas foi proposta por sócio de Mulder Berzelius; proteína é derivada do grego palavra πρώτειος ( proteios ), significando "primário", [ 68 ] "na liderança", ou "pé na frente". [ 69 ] Mulder passou a identificar os produtos de degradação de proteínas, como o amino ácido leucina para que ele encontrou uma (quase correta) de peso molecular de 131 Da . [ 67 ]
Cientistas nutricional precoce, como o alemão Carl von Voit acredita que a proteína foi o nutriente mais importante para manter a estrutura do corpo, pois acreditava-se que "a Carne faz carne". [ 70 ] Karl Heinrich Ritthausen estendidos formas de proteína conhecidos com o identificação de ácido glutâmico . No Experiment Station Agricultural Connecticut uma avaliação detalhada das proteínas Vegetais foi compilado por Thomas Burr Osborne . Trabalhando com Lafayette Mendel e aplicando a lei de Liebig do mínimo na alimentação de ratos de laboratório , os nutricionalmente aminoácidos essenciais foram estabelecidos. O Trabalho foi continuado e comunicada por William Rose Cumming . O entendimento de proteínas como polipeptídeos veio através do trabalho de Franz Hofmeister e Hermann Emil Fischer . O papel central das proteínas como enzimas em organismos vivos não foi totalmente apreciado até 1926, quando James B. Sumner mostrou que a enzima urease era, de facto, uma proteína. [ 71 ]
A dificuldade de purificação de proteínas em grandes quantidades fez muito difícil para os bioquímicos protéica precoce para estudar. Assim, os estudos iniciais centraram-se em proteínas que podem ser purificadas em grandes quantidades, por exemplo, aqueles de sangue , clara de ovo , várias toxinas , e digestivos / enzimas metabólicos obtidos a partir de matadouros . Na década de 1950, a Dog Co. Armour Hot purificado 1 kg de puro bovina pancreática ribonuclease A e disponibilizado gratuitamente para os cientistas; este gesto ajudou ribonuclease A tornar-se um dos principais alvos de estudo bioquímico para as décadas seguintes. [ 67 ]
John Kendrew com modelo de mioglobina em andamento.
Linus Pauling é creditado com a previsão bem-sucedida de proteína regulares estruturas secundárias baseadas em ligações de hidrogênio , uma idéia proposta pela primeira vez por William Astbury em 1933. [ 72 ] Mais Tarde, o trabalho por Walter Kauzmann em desnaturação , [ 73 ] [ 74 ] baseado em parte na anterior estudos de Kaj Linderstrøm-Lang , [ 75 ] contribuiu uma compreensão de dobramento de proteínas e estrutura mediada por interações hidrofóbicas .
A primeira proteína a ser sequenciada foi insulina , por Frederick Sanger , em 1949. Sanger determinação correcta da sequência de aminoácidos da insulina , assim, demonstrar conclusivamente que as proteínas consistiu de polímeros lineares de aminoácidos, em vez de cadeias ramificadas, colóides , ou cyclols . [ 76 ] Ele ganhou o Prêmio Nobel por essa conquista, em 1958.
As primeiras estruturas de proteínas a serem resolvidos foram hemoglobina e da mioglobina , por Max Perutz e Sir John Cowdery Kendrew , respectivamente, em 1958. [ 77 ] [ 78 ] a partir de 2014 , o Protein Data Bank tem mais de 90.000 estruturas atômica resolução de proteínas. [ 79 ] Em tempos mais recentes, microscopia eletrônica de crio- de grandes montagens macromoleculares [ 80 ] e computacional previsão da estrutura de proteínas de pequenas proteínas domínios [ 81 ] são dois métodos de abordagem resolução atômica.