Белтъкът, още белтъчина или протеин, е събирателен термин за биологически важни макромолекули, изградени чрез поликондензирането на отделни аминокиселини.
Белтъците са един от основните градивни компоненти на живите клетки, както и на вирусните частици. Притежават сложна пространствена структура и изпълняват разнообразни биологични функции – от типично структурни, защитни (активна и пасивна), транспортни и съкратителни до каталитични и регулаторни.
Цялата информация, необходима за изграждането на белтъчната молекула, е кодирана в ДНК. Посредством процес на точно презаписване на информацията в РНК (транскрипция) и превеждане от полинуклеотидна в аминокиселинна последователност (транслация) е възможно синтезирането на определен белтък, притежаващ конкретна биологична роля.
Име Българските наименования „белтък“ и „белтъчина“ произлизат от традиционното наименование на яйчния белтък, който съдържа белтъчини за развитието на зародиша. Като синоним се използва и чуждицата протеин (protein), срещана в много западноевропейски езици.
История
За първи път през 1789 г. френският химик Антоан Фуркроа прави разграничение между белтъците и другите известни органични субстанции. Класифицира познатите дотогава албумин, фибрин и желатин като самостоятелни съединения с животински произход. От тази начална стъпка до формулирането на концепция за това, какво представляват белтъците, е извървян дълъг път, минаващ през грубо характеризиране на химичния състав, опити за клинично приложение на белтъчни екстракти, до все по-прецизното дефиниране на структурата и функциите на всеки отделен белтък.
Самото понятие е въведено през 1838 година, когато в писмо от 10 юли, изпратено от Йонс Якоб Берцелиус до Герардус Йоханес Мулдер, за първи път е употребено названието „протеин“ с акцент върху първостепенното и първичното (от гръцки πρωτειοξ – първична нишка)Oxford Dictionary of EnglishNature journal. Точният цитат от писмото е:
„Le nom protéine que je vous propose pour l’oxyde organique de la fibrine et de l’albumine, je voulais le dériver de πρωτειοξ, parce qu’il paraît être la substance primitive ou principale de la nutrition animale.“THE ORIGIN OF THE WORD PROTEIN
В приблизителен превод цитатът гласи:
„Наименованието протеин, което Ви предлагам за органичния оксид на фибрина и албумина, бих искал да произлиза от πρωτειοξ, защото изглежда, че това са основни или главни за храненето на животните вещества.“
С това изречение се дефинира за първи път понятието протеин, което се използва като синоним на „белтък“.
Биохимия на протеините
Протеините представляват линейни полимери (поликондензати), изградени от поредица от до 20 различни вида L-α-аминокиселини. Всички аминокиселини притежават общи структурни характеристики, включително α-въглерод, който е свързан с аминогрупа, карбоксилна група, и странична верига, различна за всеки вид аминокиселина. Само пролин се различава от тази основна структура, тъй като тя съдържа необичаен пръстен в N-амино-групата, която поставя CO-NH амида във фиксиран конформация. Страничните вериги на претогенните (канонични) аминокиселини, имат голямо разнообразие на химическите структури и свойства. Комбинираният ефект на всички странични вериги на аминокиселините в един протеин в крайна сметка определя неговата триизмерна структура, химическа реактивност и биологична функция. Аминокиселините се свързват в полипептидна верига посредством пептидна връзка. Веднъж свързана във веригата на протеин, индивидуалната аминокиселина се нарича остатък, а поредицата от въглеродни, азотни и кислородни атоми е известна като основна верига или гръбнак на протеина.
Пептидната връзка има две резонансни форми, за които способстват няколко двойни връзки и възпрепятстват въртенето около оста ѝ, така че α-въглеродните атоми са приблизително в една равнина. Другите два ъгъла в полипептидната верига, между α-въглеродните атоми и двете съседни пептидни групи (ъгли на Рамачандран), определят локалната форма на протеиновия гръбнак. Краят на протеина със свободна карбоксилна група е познат като C-края или карбокси край, а краят със свободна аминогрупа е известен като N-края или аминокрай. Термините протеин, полипептид и пептид са малко двусмислени и могат да се застъпват по смисъл. Протеин се използва обикновено за биологична молекула в стабилна конформация, докато пептид обикновено се отнася за кратки аминокиселинни олигомери, при които често липсва стабилна триизмерна структура. Въпреки това, границата между двете не е добре дефинирана и обикновено се намира в близост до 20 – 30 аминокиселинни остатъка. Полипептид може да се отнася до всяка една линейна верига от аминокиселини, обикновено независимо от дължината, но често предполага липсата на определена конформация.
Синтез
Протеините се изграждат от аминокиселини, използвайки информацията, кодирана в гените. Всеки протеин има своя собствена уникална аминокиселинна последователност, която се определя от нуклеотидната последователност на гена кодиращ този протеин. Генетичният код е набор от триплетни комплекти, наречени кодони и всяка комбинация от три нуклеотида определя аминокиселина, например триплетът AUG (аденин-урацил-гуанин) е кодон за метионин. Тъй като ДНК съдържа четири различни нуклеотида, общият брой на възможните кодони (триплети) е 64, следователно, има известен излишък в генетичния код. Някои аминокиселини се кодират от повече от един кодон. Гените, кодирани в ДНК, първо се транскрибират в пре-иРНК от протеини като РНК-полимеразата. Повечето организми след това обработват пре-иРНКите (известни като първичен транскрипт), използвайки различни форми на посттранскрипционни модификации, за да формират зряла иРНК, която след това се използва като матрица за синтеза на протеини от рибозомата. При прокариотите иРНК може да се транслира веднага след началото на транскрипцията или да бъде свързана с рибозома, след като се отдалечи от бактериалната хромозома. За разлика от тях, еукариотите синтезират иРНК в ядрото на клетката и след това преминават през ядрената мембрана в цитоплазмата, където се извършва синтезът на протеини. Скоростта на синтеза на протеини е по-висок в прокариоти отколкото при еукариоти и може да достигне до 20 аминокиселини в секунда.
Процесът на синтезиране на белтък от иРНК матрица е известен като транслация. иРНК се товарят на рибозомата и се четат по три нуклеотида в даден момент чрез разпознаване на всеки кодон от иРНК с антикодон от тРНК, която носи аминокиселината, съответстваща на кодона, когото тя разпознава. Ензимът аминоацил-тРНК синтетаза свързва тРНК молекулите с правилните аминокиселини. Растящият полипептид често се нарича зараждащата се верига. Протеините винаги се синтезират от N-края към C-края.
Размерът на синтезирания протеин може да се измерва с броя на аминокиселините, които съдържа, и от общата му молекулна маса, която обикновено се отчитат в далтони (синоним с атомни единици за маса), или производната килодалтон (kDa). Дрождевите протеини са със средно 466 аминокиселини дълго и маса 53 kDa. Най-големите известни протеини са титините, компонент на мускулния саркомер, с молекулна маса от почти 3000 kDa и обща дължина от почти 27 000 аминокиселини.
Химичен синтез Къси протеини могат да бъдат синтезирани химически чрез съвкупност от методи известни като пептиден синтез, които използват органични техники за синтез като химическо легиране, за да се произвеждат пептиди с висока ефективност. Химичният синтез дава възможност за въвеждане на не-естествени аминокиселини в полипептидните вериги, като такива съдържащи флуоресцентни сонди като страничен радикал на аминокиселина. Тези методи са полезни в лабораторната практика в биохимията и клетъчната биология, но като цяло не се използват за търговски приложения. Химичният синтез е неефективен за полипептиди по-дълги от около 300 аминокиселини, а синтезираните протеини не могат лесно да приемат естествената си, функционално активна третична структура. Повечето химични методи за синтез, изграждат полипептидната верига от C-края на N-края, в противовес на биохимичната реакция.
Пост-транслационни модификации
След завършване на транслацията и освобождаването на протеина от рибозомата, аминокиселините в полипептидните верига са изложени на разнообразни химични изменения, известни като пост-транслационни модификации. Те биват многообразни по своята химична природа и в огромна степен начертават биологичната съдба на протеина, която обаче, е предопределена на първо място от неговата първична структура. Пост-транслационните модификации биват: Добавяне на различни функционални групи (ацетилни, метилни, фосфатни и други групи) Присъединяване на липиден или въглехидратен компонент Замяна на стандартни аминокиселини с нестандартни (образуване на цитрулина) Формиране на структурни промени (образуване на дисулфидни мостове между цистеиновите остатъци); Премахване от протеина на различни сигнални последователности или частична протеолоза на пробелтъка във функционално активен (например триспиноген и трипсин); Добавяне на малки протеини, които влияят на разграждането на протеина (убиквитинилиране).
Тези модификации може да бъдат универсални (добавяне на вериги, състоящи се от мономери на убиквитин, сигнал за влошаване на този протеин и насочване към протеазома), както и специфични за протеина.Demartino GN, Gillette TG. Proteasomes: machines for all reasons. Cell. 2007 May 18. 129(4):659 – 662.
В същото време, един и същ протеин може да претърпи много и различни пост-транслационни модификации. Например, хистоните (протеини, които са част от хроматин и в еукариоти) в различни условия може да имат до 150 различни модификации.Bronner C, Chataigneau T, Schini-Kerth VB, Landry Y. The „Epigenetic Code Replication Machinery“, ECREM: a promising drugable target of the epigenetic cell memory. Curr Med Chem. 2007;14(25):2629 – 2641.
Белтъчно сортиране Синтезираните от рибозоми в цитоплазмата протеини трябва да попадат в различни отделения на клетката – ядро, митохондрии, ендоплазмен ретикулум, както и апарат на Голджи, лизозоми, и други; както и някои протеини, трябва се интегрират в клетъчната мембрана или да бъдат насочени към извънклетъчната среда. За да се насочи към определен компартмент, протеинът трябва да има специална сигнална последователност. В повечето случаи, тази последователност е част от веригата на аминокиселините на протеините. В някои случаи, тези сигнали са добавени посттранскационно към протеина и представляват олигозахаридни компоненти. Транспортът на протеини към ендоплазмения ретикулум се извършва паралелно с техния синтез, като сигналната последователност се разпознава от транслокационен комплекс изграден от РНК и протеини, който свързва рибозомата и я придвижва до ЕПР. От ЕПР протеините могат да преминат в апарата Голджи и след това до лизозоми или към външната мембрана или екстрацелуларната среда постредством везикуларния транспорт. Протеините предназначени да функционират в клетъчното ядро имат сигнална последователност NLS (nuclear localisation signal) за насочване към ядрото, като се въвеждат през ядрените пори. В митохондриите и хлоропластите протеините попадат при наличие на сигнални последователности, които ги насочват към специфични протеини пори-транслокатори с участието на шаперони.
Структура на белтъците
Основният компонент на всички белтъци са аминокиселини, подредени последователно в дълги полипептидни вериги. Броят на каноничните α-аминокиселини в живата природа е 20, макар че в някои белтъци се срещат и други α-аминолиселини като 3- и 4-хидроксипролин, 5-хидроксилизин и други, така също при определени условия аминокиселината селеноцистеин се кодира от стоп кодона UAG.