Ilustracija prostorne strukture proteina (Midwest Center for Structural Genomics)|thumb|320px mini|desno|320px|3D struktura proteina mioglobina pokazuje tirkizne alfa helikse. Ovo je prvi protein čija je struktura razjašnjena putem X-kristalografije. Desno od centra među namotajima je proteinska hem grupa (prikazano u sivoj boji) s molekulom vezanog kisika (crvena).
Bjelančevine ili proteini su makromolekule (macro=mnogo, više; moliculis=sićušan, mali;) koje su nastale međusobnim spajanjem aminokiselina. Dogovoreno je da se spojevi koji broje manje od 50 aminokiselina u niz nazivaju polipeptidi, a da se makromolekule sa preko 50 aminokiselina nazivaju proteini. Bjelančevine su vrlo važni sastavni dijelovi svakog organizma, jer čine neke strukture i supstance koje su neophodne za život. Bjelančevine se dijele na proste (proteine) i složene bjelančevine (proteide). Složene bjelančevine (proteidi), osim proteinskog dijela imaju i prostetičku grupu. Prema hemijskom sastavu prostetičke grupe izvršena je podjela složenih bjelančevina na : nukleoproteide, hromoproteide, glikoproteide, fosfoproteide i lipoproteide.Hadžiselimović R., Pojskić N. (2005): Uvod u humanu imunogenetiku. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, .Kapur Pojskić L., Ed. (2014): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju, 2. izdanje. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, .
Pregled Sinteza bjelančevina se dešava u ćelijama živih organizama, na specifičnim tjelašcima u ćeliji nazvanim ribosomi. Svaki protein ima svoj tačan niz aminokiselina, a informacija o njegovoj sintezi i osobenostima se nalazi unutar DNK organizma koji se posmatra. U DNK se nalazi specifičan kod koji definiše raspored i broj aminokiselina koje čine jedan protein. Promjenom redoslijeda samo jedne karike u lancu nastaće nova bjelančevina, potpuno novih osobina.Kornberg A. (1989): For the love of enzymes – The Odyssay of a biochemist. Harvard University Press, Cambridge (Mass.), London, , .
Dakle, za neku specifičnu vrstu živog bića, osnovno je odabrati redosljed karika (aminokiselina) u lancu bjelančevina, kao i pravu smjesu za tu vrstu specifičnih bjelančevina. Tu zadaću ima DNK. Proteini, pored aminokiselina, mogu sadržavati i neke druge organske i neorganske materije npr. šećere – glikoproiteini, fosforne derivate – fosfoproteini, masti-lipoproteini. Svaka aminokiselina ima svoj amino i karboksilni dio, pa u spoju dvije ili više aminokiselina vežu se amino (-NH2) grupa jedne sa karboksilnom -(COOH) grupom druge aminokiseline i time nastaje hemijska veza nazvana peptidna veza -CO-NH-.
Sinteza proteina se odvija u kontinuiranom procesu koji ima nekoliko faza. Inicijacija je početna faza sinteze proteina, u kojoj počinje transkripcija genetičke informacije, uz katalitičko posredovanje odgovarajućih enzima. Tada enzim specifični antikodon iRNK prepoznaje komplementarni kodon na informacijskoj RNK i ugrađuje prvu aminokiselinu u buduči polipeptidni lanac. Elongacija je faza u kojoj se produžava lanac ugrađenih aminokiselina, zahvaljujući očitavanjem narednih tripleta u iRNK. Elongacija traje sve dotle dok se ne realizira kompletni redoslijed aminokiselina koje su kodirane genetičkom informacijom specifične iRNk, kao komplementarnom kopijom jednog polulanca odgovarajućeg lokusa. Terminacija molekule proteina nastaje nakon što iRNK ne realizira kodiranje posljednje aminokiseline u specifičnom polipeptidnom lancu (proteinu).
Struktura Struktura bjelančevina je veoma složena i podijeljena je na nekoliko nivoa: primarna, sekundarna, tercijarna i kvaternerna struktura. Primarna struktura proteina podrazumijeva redoslijed vezanja aminokiselina u peptidnom lancu. Sekundarna struktura predstavlja izgled proteinskog lanca u prostoru (npr. alfa heliks). Za nju je odgovorna vodikova veza. Kod mnogih proteina dolazi do interakcija raznih funkcionalnih grupa u ostacima aminokiselina. To vodi do daljeg uvijanja, savijanja i zbijanja lanaca i takva trodimenzionalna struktura se zove tercijarna struktura. Zavisno od tercijarne strukture, proteini se dijele na fibrilarne i globularne. Fibrilarni proteini imaju vlaknastu strukturu i teško se otapaju u vodi. Globularni proteini imaju zbijenu strukturu loptastog oblika. Otapaju se u vodi i, zbog veličine molekula, formiraju koloide. Udruživanjem više proteina u veće agregate nastaje proteinski kompleks koji predstavlja kvaternernu strukturu.
Historija i etimologija
Kao posebnu klasu bioloških molekula, proteine su prepoznali Antoine Fourcroy i drugi, u osamnaestom stoljeću, koji su ih razlikovali po sposobnosti molekula da koaguliraju ili flokuliraju pod tretmanima toplotom ili kiselinom.Thomas Burr Osborne (1909): The Vegetable Proteins , History pp 1 to 6, from archive.org Najpoznatiji primjeri toga vremena uključivali su albumin iz bjelanjka, krvni serumski albumin, fibrin i pšenični gluten.
Proteine je prvi opisao holandski hemičar Gerardus Johannes Mulder, a imenovao ih je švedski hemičar Jöns Jacob Berzelius 1838. Mulder je izvršio elementarnu analizu uobičajenih proteina i otkrio da skoro svi proteini imaju istu empirijsku formulu,C400H620N100O120P1S1. Došao je do pogrešnog zaključka da bi oni mogli biti sastavljeni od jednog tipa (veoma velikih) molekula. Termin protein za opis ovih molekula predložio je Mulderov saradnik Berzelius; izveden je iz grčke riječi πρώτειος – proteios, što znači primarni,New Oxford Dictionary of English "na čelu" ili "stoji ispred", + sufiks-in. Mulder je nastavio da identifikuje proizvode razgradnje proteina kao što je aminokiselina leucin za koji je pronašao (skoro tačnu) molekulsku težinu od 131 Da. Prije termina "protein", korišteni su drugi nazivi, poput "albumini" ili "albuminski materijali" ("Eiweisskörper", na njemačkom).Reynolds and Tanford (2003).
Rani nutricionisti kao što je njemački Carl von Voit vjerovali su da je protein najvažniji nutrijent za održavanje strukture tijela, jer se općenito vjerovalo da "meso čini meso". Karl Heinrich Ritthausen proširio je poznate oblike proteina identifikacijom glutaminske kiseline. Na Poljoprivrednoj eksperimentalnoj stanici u Conekticutu detaljan pregled biljnih proteina sastavio je Thomas Burr Osborne. Radeći sa Lafayette Mendel i primjenom Liebigovog zakona minimuma u hranjenju laboratorijskih miševa, ustanovljene su nutritivno esencijalne aminokiseline. Rad je nastavio i komunicirao William Cumming Rose. Razumijevanje proteina kao polipeptida došli su Franz Hofmeister i Hermann Emil Fischer u 1902. Centralna uloga proteina kao enzima u živim organizmima nije bila u potpunosti cijenjena sve do 1926. godine, kada je James B. Sumner pokazao da je enzim ureaza u stvari protein.
Poteškoće u pročišćavanju proteina u velikim količinama učinile su ih veoma teškim za proučavanje ranim proteinskim biohemičarima. Stoga su se rane studije fokusirale na proteine koji se mogu pročistiti u velikim količinama, naprimjer, krv, bjelance, razni toksini i probavne/metabolički enzimi dobiveni iz klaonica. Tokom 1950-ih, Armour Hot Dog Co. je pročistio 1 kg čiste goveđe pankreasne ribonukleaze A i učinio je slobodno dostupnom naučnicima; ovaj gest pomogao je da ribonukleaza A postane glavna meta biohemijskih studija u narednim decenijama.
Linus Pauling je zaslužan za uspješno predviđanje sekundarne strukture regularnih proteina, zasnovane na vodikovim vezama, ideji koju je prvi iznio William Astbury 1933. Kasniji rad Waltera Kauzmanna o denaturaciji, zasnovano dijelom na prethodnim studijama Kaja Linderstrøm-Langa, doprinijelo je razumijevanju svijanja proteina i strukture posredovane hidrofobnim interakcijama.
Prvi protein koji je sekvenciran bio je insulin, što je uradio Frederick Sanger, 1949. Sanger je ispravno odredio aminokiselinsku sekvencu insulina, čime je konačno pokazao da se proteini sastoje od linearnih polimera aminokiselina, a ne razgranatih lanaca, koloidaili citosola. Za ovo dostignuće Dobio je Nobelovu nagradu, 1958. thumb|upright=1.15|John Kendrew sa modelom mioglobina u toku
Sa razvojem rendgenske kristalografije, postalo je moguće sekvencirati proteinske strukture. Prve strukture proteina koje je trebalo riješiti su hemoglobin, što je uradio Max Perutz, a Sir John Cowdery Kendrew, mioglobina, 1958. Upotreba računara i povećanje računarske snage također su podržali sekvenciranje složenih proteina. Godine 1999. Roger Kornberg je uspio da sekvencira veoma složenu strukturu RNK-polimeraze, koristeći rendgenske zrake visokog intenziteta iz sinhrotrona.
Od tada je razvijena krio-elektronska mikroskopija velikih makromolekulskih sklopova.. Cryo-EM koristi uzorke proteina koji su zamrznuti, a ne kristale, i snopove elektrona, umjesto rendgenskih zraka. Prouzrokuje manje štete na uzorku, omogućavajući da se dobije više informacija i analiziraju veće strukture. Računarsko predviđanje strukture proteina malih proteina domena je također pomogao istraživačima da pristupe rezoluciji proteinskih struktura na atomskom nivou. Od 2017., proteinska banka podataka ima preko 126.060 struktura proteina atomske rezolucije.
Broj proteina kodiranih u genomima Broj proteina kodiranih u genomu otprilike odgovara broju gena (iako može postojati značajan broj gena koji kodiraju RNK proteina, npr. ribosomske RNK). Virusi tipski kodiraju nekoliko do nekoliko stotina proteina, Archaea i bakterije nekoliko stotina do nekoliko hiljada, dok eukarioti tipski kodiraju nekoliko hiljada do desetina hiljada proteina (pogledajte veličina genoma za listu primjera).
Biohemija thumb|upright=1.35| Hemijska struktura peptidne veze (dolje) i trodimenzijska struktura peptidne veze između alanina i susjedne aminokiseline (vrh/umetak). Sama veza je napravljena od CHON elemenata. thumb|upright=1.35|Rezonantne strukture peptidne veze koja povezuje pojedinačne aminokiseline u proteinski polimer
Većina proteina sastoji se od linearnih polimera, izgrađenih od niza do 20 različitih L-α- aminokiselina. Sve proteinogene aminokiseline imaju zajedničke strukturne karakteristike, uključujući α-ugljik na koji su vezane amino grupa, karboksil grupa i varijabilni bočni lanac. Samo prolin se razlikuje od ove osnovne strukture jer sadrži neobičan prsten za aminsku grupu N-kraja, koji tjera CO–NH amidni dio u fiksnu konformaciju. Bočni lanci standardne aminokiseline, detaljno navedene u listi standardnih aminokiselina, imaju veliki izbor hemijskih struktura i svojstava; to je kombinovani efekat svih bočnih lanaca aminokiselina u proteinu koji na kraju određuje njegovu trodimenzijsku strukturu i njegovu hemijsku reaktivnost.
Aminokiseline u polipeptidnom lancu povezane su peptidnom vezom. Kada se jednom poveže u proteinski lanac, pojedinačna aminokiselina naziva se „ostatak“, a povezani niz atoma ugljika, dušika i kisika poznati su kao „glavni lanac“ ili „proteinska kičma“.
Peptidna veza ima dva rezonantna oblika koji doprinose nekom karakteru dvostruke veze i inhibiraju rotaciju oko svoje ose, tako da su alfa-ugljici otprilike komplanarni. Druga dva diedarna ugla u peptidnoj vezi određuju lokalni oblik koji preuzima proteinska kičma. Kraj sa slobodnom amino grupom poznat je kao N-kraj ili amino terminus, dok je kraj proteina sa slobodnom karboksilnom grupom poznat kao C-kraj ili karboksi kraj (sekvenca proteina je napisana od N-terminusa do C-terminus, s lijeva na desno).
Riječi protein, polipeptid i peptid su malo dvosmislene i mogu se preklapati u značenju. "Protein" se općenito koristi za označavanje kompletne biološke molekule u stabilnoj konformaciji, dok je "peptid" općenito rezerviran za kratke oligomere aminokiselina kojima često nedostaje stabilna 3D struktura. Ali granica između njih dvoje nije dobro definirana i obično je blizu 20-30 ostataka. Polipeptid se može odnositi na bilo koji pojedinačni linearni lanac aminokiselina, obično bez obzira na dužinu, ali često implicira odsustvo definirane konformacije.
Interakcije