Proteine (oder) sind biochemische Zusammensetzungen, die aus einem oder mehr in eine kugelförmige oder faserige Form normalerweise gefalteten polypeptides bestehen, eine biologische Funktion erleichternd.

Ein polypeptide ist eine einzelne geradlinige Polymer-Kette von Aminosäuren, die durch peptide Obligationen zwischen dem carboxyl und den amino Gruppen von angrenzenden Aminosäure-Rückständen zusammengebunden sind. Die Folge von Aminosäuren in einem Protein wird durch die Folge eines Gens definiert, das im genetischen Code verschlüsselt wird. Im Allgemeinen gibt der genetische Code 20 Standardaminosäuren an; jedoch in bestimmten Organismen kann der genetische Code selenocysteine und — in bestimmtem archaea — pyrrolysine einschließen. Kurz danach oder sogar während der Synthese werden die Rückstände in einem Protein häufig durch die Postübersetzungsmodifizierung chemisch modifiziert, die die physischen und chemischen Eigenschaften, Falte, Stabilität, Tätigkeit, und schließlich, die Funktion der Proteine verändert. Manchmal haben Proteine non-peptide beigefügte Gruppen, der prothetische Gruppen oder cofactors genannt werden kann. Proteine können auch zusammenarbeiten, um eine besondere Funktion zu erreichen, und sie verkehren häufig, um stabile Protein-Komplexe zu bilden.

Wie andere biologische Makromoleküle wie Polysaccharid und Nukleinsäuren sind Proteine wesentliche Teile von Organismen und nehmen an eigentlich jedem Prozess innerhalb von Zellen teil. Viele Proteine sind Enzyme, die biochemische Reaktionen katalysieren und für den Metabolismus lebenswichtig sind. Proteine haben auch strukturelle oder mechanische Funktionen, wie actin und myosin im Muskel und die Proteine in den cytoskeleton, die ein System des Gerüsts bilden, das Zellgestalt aufrechterhält. Andere Proteine sind in der Zellnachrichtenübermittlung, den geschützten Antworten, dem Zellfestkleben und dem Zellzyklus wichtig. Proteine sind auch in den Diäten von Tieren notwendig, da Tiere alle Aminosäuren nicht synthetisieren können, die sie brauchen und wesentliche Aminosäuren vom Essen erhalten müssen. Durch den Prozess des Verzehrens brechen Tiere zusammen hat Protein in freie Aminosäuren aufgenommen, die dann im Metabolismus verwendet werden.

Proteine können von anderen Zellbestandteilen mit einer Vielfalt von Techniken wie ultracentrifugation, Niederschlag, Elektrophorese und Chromatographie gereinigt werden; das Advent der Gentechnologie hat möglich mehrere Methoden gemacht, Reinigung zu erleichtern. Methoden haben allgemein gepflegt, Protein-Struktur zu studieren, und Funktion schließen immunohistochemistry, Seite-geleiteten mutagenesis, Kernkernspinresonanz und Massenspektrometrie ein.

Biochemie

Die meisten Proteine bestehen aus geradlinigen von der Reihe von bis zu 20 verschiedenen-α-amino gebauten Polymern. Alle proteinogenic Aminosäuren besitzen allgemeine Struktureigenschaften einschließlich eines α-carbon, zu dem eine amino Gruppe, eine carboxyl Gruppe und eine variable Seitenkette verpfändet werden. Nur Pro-Linie unterscheidet sich von dieser grundlegenden Struktur, weil es einen ungewöhnlichen Ring zur N-Endamin-Gruppe enthält, die den CO-NH amide Hälfte in eine feste Angleichung zwingt. Die Seitenketten der Standardaminosäuren, die in der Liste von Standardaminosäuren ausführlich berichtet sind, haben eine große Vielfalt von chemischen Strukturen und Eigenschaften; es ist die vereinigte Wirkung von allen Aminosäure-Seitenketten in einem Protein, das schließlich seine dreidimensionale Struktur und seine chemische Reaktionsfähigkeit bestimmt.

Die Aminosäuren in einer polypeptide Kette werden durch peptide Obligationen verbunden. Einmal verbunden in der Protein-Kette wird eine individuelle Aminosäure einen Rückstand und die verbundene Reihe von Kohlenstoff, Stickstoff genannt, und Sauerstoff-Atome sind als die Hauptkette oder das Protein-Rückgrat bekannt.

Das peptide Band hat zwei Klangfülle-Formen, die etwas Doppelbindungscharakter beitragen und Folge um seine Achse hemmen, so dass der Alpha-Kohlenstoff grob coplanar ist. Die anderen zwei zweiflächigen Winkel im peptide Band bestimmen die lokale durch das Protein-Rückgrat angenommene Gestalt. Das Ende des Proteins mit einer freien carboxyl Gruppe ist als die C-Endstation oder carboxy Endstation bekannt, wohingegen das Ende mit einer freien amino Gruppe als die N-Endstation oder amino Endstation bekannt ist.

Das Wortprotein, polypeptide, und peptide sind etwas zweideutig und können in der Bedeutung überlappen. Protein wird allgemein verwendet, um sich auf das ganze biologische Molekül in einer stabilen Angleichung zu beziehen, wohingegen peptide allgemein für eine kurze Aminosäure oligomers vorbestellt wird, häufig an einer stabilen dreidimensionalen Struktur Mangel habend. Jedoch wird die Grenze zwischen den zwei nicht gut definiert und liegt gewöhnlich in der Nähe von 20-30 Rückständen. Polypeptide kann sich auf jede einzelne geradlinige Kette von Aminosäuren gewöhnlich unabhängig von der Länge beziehen, aber bezieht häufig eine Abwesenheit einer definierten Angleichung ein.

Synthese

Proteine werden von Aminosäuren mit der in Genen verschlüsselten Information gesammelt. Jedes Protein hat seine eigene einzigartige Aminosäure-Folge, die durch die nucleotide Folge des Gens angegeben wird, das dieses Protein verschlüsselt. Der genetische Code ist genannter codons den einer Reihe von drei-nucleotide Sätzen, und jede drei-nucleotide Kombination benennt eine Aminosäure, zum Beispiel ist AUG (adenine-uracil-guanine) der Code für methionine. Weil DNA vier nucleotides enthält, ist die Gesamtzahl von möglichem codons 64; folglich gibt es etwas Überfülle im genetischen Code mit einigen durch mehr als einen codon angegebenen Aminosäuren. In der DNA verschlüsselte Gene werden zuerst in die Vorbote-RNS (mRNA) durch Proteine wie RNS polymerase abgeschrieben. Die meisten Organismen bearbeiten dann den pre-mRNA (auch bekannt als eine primäre Abschrift) das Verwenden verschiedener Formen der Post-transcriptional Modifizierung, um den reifen mRNA zu bilden, der dann als eine Schablone für die Protein-Synthese durch den ribosome verwendet wird. In prokaryotes kann der mRNA entweder verwendet werden, sobald es erzeugt wird, oder durch einen ribosome gebunden werden, vom nucleoid abgerückt. Im Gegensatz machen eukaryotes mRNA im Zellkern und verlagern es dann über die Kernmembran ins Zytoplasma, wo Protein-Synthese dann stattfindet. Die Rate der Protein-Synthese ist in prokaryotes höher als eukaryotes und kann bis zu 20 Aminosäuren pro Sekunde erreichen.

Der Prozess, ein Protein von einer mRNA Schablone zu synthetisieren, ist als Übersetzung bekannt. Der mRNA wird auf den ribosome geladen und wird drei nucleotides auf einmal durch das Zusammenbringen jedes codon zu seiner Basis gelesen, die sich anticodon gelegen auf einem Übertragungs-RNS-Molekül paart, das die Aminosäure entsprechend dem codon trägt, den es anerkennt. Das Enzym aminoacyl tRNA synthetase "klagt" die tRNA Moleküle wegen der richtigen Aminosäuren "an". Das Wachsen polypeptide wird häufig die werdende Kette genannt. Proteine sind immer biosynthesized von der N-Endstation bis C-Endstation.

Die Größe eines synthetisierten Proteins kann durch die Zahl von Aminosäuren gemessen werden, die es enthält und durch seine molekulare Gesamtmasse, die normalerweise in Einheiten von daltons (synonymisch mit Atommasseneinheiten) oder der abgeleiteten Einheit kilodalton (kDa) berichtet wird. Hefe-Proteine sind auf durchschnittlichen 466 Aminosäuren lange und 53 kDa in der Masse. Die größten bekannten Proteine sind der titins, ein Bestandteil des Muskels sarcomere, mit einer molekularen Masse von fast 3,000 kDa und einer Gesamtlänge von fast 27,000 Aminosäuren.

Chemische Synthese

Kurze Proteine können auch chemisch von einer Familie von Methoden bekannt als peptide Synthese synthetisiert werden, die sich auf organische Synthese-Techniken wie chemischer ligation verlassen, um peptides im hohen Ertrag zu erzeugen. Chemische Synthese berücksichtigt die Einführung von nichtnatürlichen Aminosäuren in polypeptide Ketten wie Verhaftung von Leuchtstoffuntersuchungen zu Aminosäure-Seitenketten. Diese Methoden sind in der Laborbiochemie und Zellbiologie, obwohl allgemein nicht für kommerzielle Anwendungen nützlich. Chemische Synthese ist für den polypeptides ineffizient, der länger ist als ungefähr 300 Aminosäuren, und die synthetisierten Proteine können ihre heimische tertiäre Struktur nicht sogleich annehmen. Die meisten chemischen Synthese-Methoden gehen von C-Endstation zur N-Endstation gegenüber der biologischen Reaktion aus.

Struktur

Die meisten Proteine falten sich in einzigartige 3-dimensionale Strukturen. Die Gestalt, in die sich ein Protein natürlich faltet, ist als seine heimische Angleichung bekannt. Obwohl sich viele Proteine nicht unterstützt einfach durch die chemischen Eigenschaften ihrer Aminosäuren falten können, verlangen andere die Hilfe von molekularen Anstandsdamen, sich in ihre heimischen Staaten zu falten. Biochemiker beziehen sich häufig auf vier verschiedene Aspekte einer Struktur eines Proteins:

• Primäre Struktur: die Aminosäure-Folge.
• Sekundäre Struktur: Regelmäßig hat sich das Wiederholen lokaler Strukturen durch Wasserstoffobligationen stabilisiert. Die allgemeinsten Beispiele sind die Alpha-Spirale, Beta-Platte und Umdrehungen. Weil sekundäre Strukturen lokal sind, können viele Gebiete der verschiedenen sekundären Struktur in demselben Protein-Molekül da sein.
• Tertiäre Struktur: die gesamte Gestalt eines einzelnen Protein-Moleküls; die Raumbeziehung der sekundären Strukturen zu einander. Tertiäre Struktur wird allgemein durch nichtlokale Wechselwirkungen, meistens die Bildung eines hydrophoben Kerns, sondern auch durch Salz-Brücken, Wasserstoffobligationen, Disulfid-Obligationen und sogar Postübersetzungsmodifizierungen stabilisiert. Der Begriff "tertiäre Struktur" wird häufig als synonymisch mit dem Begriff Falte gebraucht. Die tertiäre Struktur ist, was die grundlegende Funktion des Proteins kontrolliert.
• Vierergruppe-Struktur: Die Struktur, die durch mehrere Protein-Moleküle (polypeptide Ketten), gewöhnlich genannte Protein-Subeinheiten in diesem Zusammenhang gebildet ist, die als ein einzelner Protein-Komplex fungieren.

Proteine sind nicht völlig starre Moleküle. Zusätzlich zu diesen Niveaus der Struktur können sich Proteine zwischen mehreren zusammenhängenden Strukturen bewegen, während sie ihre Funktionen durchführen. Im Zusammenhang dieser funktionellen Neuordnungen werden diese tertiären Strukturen oder Vierergruppe-Strukturen gewöhnlich "conformations" genannt, und Übergänge zwischen ihnen werden Conformational-Änderungen genannt. Solche Änderungen werden häufig durch die Schwergängigkeit eines Substrat-Moleküls zu einer aktiven Seite eines Enzyms oder dem physischen Gebiet des Proteins veranlasst, das an der chemischen Katalyse teilnimmt. In Lösungsproteinen erleben auch Schwankung in der Struktur durch das Thermalvibrieren und die Kollision mit anderen Molekülen.

Proteine können in drei Hauptklassen informell geteilt werden, die typischen tertiären Strukturen entsprechen: kugelförmige Proteine, faserige Proteine und Membranenproteine. Fast alle kugelförmigen Proteine sind auflösbar, und viele sind Enzyme. Faserige Proteine sind häufig, wie collagen, der Hauptbestandteil des Bindegewebes, oder keratin, der Protein-Bestandteil des Haars und der Nägel strukturell. Membranenproteine dienen häufig als Empfänger oder stellen Kanäle für polare oder beladene Moleküle zur Verfügung, um die Zellmembran durchzuführen.

Ein spezieller Fall von intramolekularen Wasserstoffobligationen innerhalb von Proteinen, die schlecht vor dem Wasserangriff und folglich der Förderung ihres eigenen Wasserentzugs beschirmt sind, wird dehydrons genannt.

Struktur-Entschluss

Das Entdecken der tertiären Struktur eines Proteins oder der Vierergruppe-Struktur seiner Komplexe, kann wichtige Vorstellungen darüber geben, wie das Protein seine Funktion durchführt. Allgemeine experimentelle Methoden des Struktur-Entschlusses schließen Röntgenstrahl-Kristallographie und NMR Spektroskopie ein, von denen beide Information an der Atomentschlossenheit erzeugen können. Jedoch sind NMR Experimente im Stande, Auskunft zu geben, von der eine Teilmenge von Entfernungen zwischen Paaren von Atomen geschätzt werden kann, und die endgültigen möglichen conformations für ein Protein durch das Beheben eines Entfernungsgeometrie-Problems bestimmt werden. Doppelpolarisation interferometry ist eine quantitative analytische Methode, für die gesamte Protein-Angleichung zu messen, und conformational ändert sich wegen Wechselwirkungen oder anderen Stimulus. Circulardichroismus ist eine andere Labortechnik, um innere Beta-Platte / spiralenförmige Zusammensetzung von Proteinen zu bestimmen. Mikroskopie von Cryoelectron wird verwendet, um niedrigere Entschlossenheit Strukturinformation über sehr große Protein-Komplexe einschließlich gesammelter Viren zu erzeugen; eine als Elektronkristallographie bekannte Variante kann auch hochauflösende Information in einigen Fällen besonders für zweidimensionale Kristalle von Membranenproteinen erzeugen. Gelöste Strukturen werden gewöhnlich in Protein Data Bank (PDB), einer frei verfügbaren Quelle abgelegt, bei denen Strukturdaten ungefähr Tausende von Proteinen in der Form von Kartesianischen Koordinaten für jedes Atom im Protein erhalten werden können.

Noch viele Genfolgen sind bekannt als Protein-Strukturen. Weiter wird der Satz von gelösten Strukturen zu Proteinen beeinflusst, die den Bedingungen leicht unterworfen werden können, die in der Röntgenstrahl-Kristallographie, einer der Hauptstruktur-Entschluss-Methoden erforderlich sind. Insbesondere kugelförmige Proteine sind verhältnismäßig leicht, in der Vorbereitung der Röntgenstrahl-Kristallographie zu kristallisieren. Membranenproteine sind im Vergleich schwierig zu kristallisieren und sind im PDB unterrepräsentiert. Genomics Strukturinitiativen haben versucht, diese Mängel durch das systematische Lösen vertretender Strukturen von Hauptfalte-Klassen zu beheben. Protein-Struktur-Vorhersagemethoden versuchen, ein Mittel zur Verfügung zu stellen, eine plausible Struktur für Proteine zu erzeugen, deren Strukturen nicht experimentell bestimmt worden sind.

Zellfunktionen

Proteine sind die Hauptschauspieler innerhalb der Zelle, gesagt, die Aufgaben auszuführen, die durch die in Genen verschlüsselte Information angegeben sind. Mit Ausnahme von bestimmten Typen der RNS sind die meisten anderen biologischen Moleküle relativ träge Elemente, auf denen Proteine handeln. Proteine setzen Hälfte des trockenen Gewichts einer Zelle von Escherichia coli zusammen, wohingegen andere Makromoleküle wie DNA und RNS nur 3 % und 20 % beziehungsweise zusammensetzen. Der Satz von in einem besonderen Zell- oder Zelltyp ausgedrückten Proteinen ist als sein proteome bekannt.

Die Haupteigenschaft von Proteinen, die auch ihren verschiedenen Satz von Funktionen erlaubt, ist ihre Fähigkeit, andere Moleküle spezifisch und dicht zu binden. Das Gebiet des Proteins, das dafür verantwortlich ist, ein anderes Molekül zu binden, ist als die verbindliche Seite bekannt und ist häufig eine Depression oder "Tasche" auf der molekularen Oberfläche. Diese verbindliche Fähigkeit wird durch die tertiäre Struktur des Proteins vermittelt, das die verbindliche Seite-Tasche, und durch die chemischen Eigenschaften der Seitenketten von Umgebungsaminosäuren definiert. Protein-Schwergängigkeit kann außerordentlich dicht und spezifisch sein; zum Beispiel bindet das ribonuclease Hemmstoff-Protein zu menschlichem angiogenin mit einer sub-femtomolar Trennung unveränderlich (M), aber bindet überhaupt zu seiner Amphibie homolog onconase nicht (> 1 M). Äußerst geringe chemische Änderungen wie die Hinzufügung einer einzelnen Methyl-Gruppe einem verbindlichen Partner können manchmal genügen, um fast Schwergängigkeit zu beseitigen; zum Beispiel unterscheidet der aminoacyl tRNA synthetase spezifisch zur Aminosäure valine gegen die sehr ähnliche Seitenkette der Aminosäure isoleucine.

Proteine können zu anderen Proteinen sowie zu Substraten des kleinen Moleküls binden. Wenn Proteine spezifisch zu anderen Kopien desselben Moleküls binden, können sie oligomerize, um fibrils zu bilden; dieser Prozess kommt häufig in Strukturproteinen vor, die aus kugelförmigen monomers bestehen, die selbstverkehren, um starre Fasern zu bilden. Wechselwirkungen des Protein-Proteins regeln auch enzymatische Tätigkeit, kontrollieren Fortschritt durch den Zellzyklus, und erlauben den Zusammenbau von großen Protein-Komplexen, die viele nah zusammenhängende Reaktionen mit einer allgemeinen biologischen Funktion ausführen. Proteine können auch dazu binden, oder sogar in, Zellmembranen integriert werden. Die Fähigkeit, Partner zu verpflichten, Conformational-Änderungen in Proteinen zu veranlassen, erlaubt den Aufbau enorm komplizierter Signalnetze.

Wichtig, weil Wechselwirkungen zwischen Proteinen umkehrbar sind, und schwer von der Verfügbarkeit von verschiedenen Gruppen von Partnerproteinen abhängen, um Anhäufungen zu bilden, die fähig sind, um getrennte Sätze der Funktion auszuführen, ist die Studie der Wechselwirkungen zwischen spezifischen Proteinen ein Schlüssel, wichtige Aspekte der Zellfunktion, und schließlich die Eigenschaften zu verstehen, die besondere Zelltypen unterscheiden.

Enzyme

Die am besten bekannte Rolle von Proteinen in der Zelle ist als Enzyme, die chemische Reaktionen katalysieren. Enzyme sind gewöhnlich hoch spezifisch und beschleunigen nur eine oder einige chemische Reaktionen. Enzyme führen die meisten Reaktionen aus, die am Metabolismus, sowie der Manipulierungs-DNA in Prozessen wie DNA-Erwiderung, DNA-Reparatur und Abschrift beteiligt sind. Einige Enzyme folgen anderen Proteinen, um chemische Gruppen in einem als Postübersetzungsmodifizierung bekannten Prozess hinzuzufügen oder zu entfernen. Wie man bekannt, werden ungefähr 4,000 Reaktionen durch Enzyme katalysiert. Die durch die enzymatische Katalyse zugeteilte Rate-Beschleunigung ist häufig — so viel enorm wie 10-fache Zunahme in der Rate über die unkatalysierte Reaktion im Fall von orotate decarboxylase (78 Millionen Jahre ohne das Enzym, 18 Millisekunden mit dem Enzym).

Die Moleküle haben gebunden und haben durch Enzyme gehandelt werden Substrate genannt. Obwohl Enzyme aus Hunderten von Aminosäuren bestehen können, ist es gewöhnlich nur ein kleine Bruchteil der Rückstände, die mit dem Substrat, und einem noch kleineren Bruchteil — drei bis vier Rückständen durchschnittlich in Berührung kommen — die an der Katalyse direkt beteiligt werden. Das Gebiet des Enzyms, das das Substrat bindet und die katalytischen Rückstände enthält, ist als die aktive Seite bekannt.

Zellnachrichtenübermittlung und Ligand-Schwergängigkeit

Viele Proteine werden am Prozess der Zellnachrichtenübermittlung beteiligt und geben transduction Zeichen. Einige Proteine, wie Insulin, sind extracellular Proteine, die ein Signal von der Zelle übersenden, in der sie zu anderen Zellen in entfernten Geweben synthetisiert wurden. Andere sind Membranenproteine, die als Empfänger handeln, deren Hauptfunktion ist, ein Signalmolekül zu binden und eine biochemische Antwort in der Zelle zu veranlassen. Viele Empfänger ließen eine verbindliche Seite auf der Zelloberfläche und einem Effektor-Gebiet innerhalb der Zelle ausstellen, die enzymatische Tätigkeit haben kann oder eine Conformational-Änderung erleben kann, die durch andere Proteine innerhalb der Zelle entdeckt ist.

Antikörper sind Protein-Bestandteile eines anpassungsfähigen Immunsystems, dessen Hauptfunktion ist, Antigene oder Auslandssubstanzen im Körper zu binden, und sie für die Zerstörung ins Visier zu nehmen. Antikörper können in die extracellular Umgebung verborgen oder in den Membranen von B als Plasmazellen bekannten Spezialzellen verankert werden. Wohingegen Enzyme in ihrer verbindlichen Sympathie für ihre Substrate durch die Notwendigkeit beschränkt werden, ihre Reaktion zu führen, haben Antikörper keine solche Einschränkungen. Eine verbindliche Sympathie eines Antikörpers zu seinem Ziel ist außerordentlich hoch.

Viele Ligand-Transportproteine binden besonderen kleinen biomolecules und transportieren sie zu anderen Positionen im Körper eines Mehrzellorganismus. Diese Proteine müssen eine hohe verbindliche Sympathie haben, wenn ihr ligand in hohen Konzentrationen da ist, aber auch den ligand veröffentlichen muss, wenn es bei niedrigen Konzentrationen in den Zielgeweben da ist. Das kanonische Beispiel eines ligand-verbindlichen Proteins ist Hämoglobin, das Sauerstoff von den Lungen bis andere Organe und Gewebe in allen Wirbeltieren transportiert und nahen homologs in jedem biologischen Königreich hat. Lectins sind zuckerbindende Proteine, die für ihre Zuckerhälften hoch spezifisch sind. Lectins spielen normalerweise eine Rolle in biologischen Anerkennungsphänomenen, die Zellen und Proteine einschließen. Empfänger und Hormone sind hoch spezifische verbindliche Proteine.

Proteine von Transmembrane können auch als ligand Transportproteine dienen, die die Durchdringbarkeit der Zellmembran zu kleinen Molekülen und Ionen verändern. Die Membran allein hat einen hydrophoben Kern, durch den sich polare oder beladene Moleküle nicht verbreiten können. Membranenproteine enthalten innere Kanäle, die solchen Molekülen erlauben, in die Zelle einzugehen und über sie zu herrschen. Viele Ion-Kanalproteine werden spezialisiert, um für nur ein besondere Ion auszuwählen; zum Beispiel unterscheiden Kalium und Natriumskanäle häufig für nur ein der zwei Ionen.

Strukturproteine

Strukturproteine teilen Steifkeit und Starrheit zu sonst flüssigen biologischen Bestandteilen zu. Die meisten Strukturproteine sind faserige Proteine; zum Beispiel sind actin und tubulin kugelförmig und als monomers auflösbar, aber polymerize, um lange, steife Fasern zu bilden, die den cytoskeleton zusammensetzen, der der Zelle erlaubt, seine Gestalt und Größe aufrechtzuerhalten. Collagen und elastin sind kritische Bestandteile des Bindegewebes wie Knorpel, und keratin wird in harten oder filamentous Strukturen wie Haar, Nägel, Federn, Hufe und einige Tierschalen gefunden.

Andere Proteine, die Strukturfunktionen dienen, sind Motorproteine wie myosin, kinesin, und dynein, die dazu fähig sind, mechanische Kräfte zu erzeugen. Diese Proteine sind für zellularen motility von einzelnen zelligen Organismen und das Sperma von vielen Mehrzellorganismen entscheidend, die sich sexuell vermehren. Sie erzeugen auch die ausgeübten Kräfte, indem sie Muskeln zusammenziehen.

Methoden der Studie

Als einige der meistens studierten biologischen Moleküle werden die Tätigkeiten und Strukturen von Proteinen sowohl in vitro als auch in vivo untersucht. In vitro Studien von gereinigten Proteinen in kontrollierten Umgebungen sind nützlich, um zu erfahren, wie ein Protein seine Funktion ausführt: Zum Beispiel erforschen Enzym-Kinetik-Studien den chemischen Mechanismus einer katalytischen Tätigkeit eines Enzyms und seiner Verhältnissympathie für verschiedene mögliche Substrat-Moleküle. Im Vergleich, in Vivo-Experimenten auf den Tätigkeiten von Proteinen innerhalb von Zellen oder sogar innerhalb von ganzen Organismen kann Ergänzungsauskunft darüber geben, wo ein Protein fungiert, und wie es geregelt wird.

Protein-Reinigung

Um in der vitro Analyse zu leisten, muss ein Protein weg von anderen Zellbestandteilen gereinigt werden. Dieser Prozess beginnt gewöhnlich mit der Zelle lysis, in dem eine Membran einer Zelle gestört wird und sein innerer Inhalt in eine Lösung veröffentlicht, die als ein Rohöl lysate bekannt ist. Die resultierende Mischung kann mit ultracentrifugation gereinigt werden, der die verschiedenen Zellbestandteile in Bruchteile fraktioniert, die auflösbare Proteine enthalten; Membran lipids und Proteine; zellularer organelles und Nukleinsäuren. Der Niederschlag durch eine Methode bekannt als Einpökeln kann die Proteine von diesem lysate konzentrieren. Verschiedene Typen der Chromatographie werden dann verwendet, um das Protein oder die Proteine von Interesse zu isolieren, die auf Eigenschaften wie Molekulargewicht, Nettoanklage und verbindliche Sympathie gestützt sind. Das Niveau der Reinigung kann mit verschiedenen Typen der Gel-Elektrophorese kontrolliert werden, wenn das Molekulargewicht des gewünschten Proteins und Isoelectric-Punkt durch die Spektroskopie bekannt sind, wenn das Protein unterscheidbare spektroskopische Eigenschaften, oder durch Enzym-Feinproben hat, wenn das Protein enzymatische Tätigkeit hat. Zusätzlich können Proteine gemäß ihrer Anklage mit electrofocusing isoliert werden.

Für natürliche Proteine kann eine Reihe von Reinigungsschritten notwendig sein, um für Laboranwendungen genug reines Protein zu erhalten. Um diesen Prozess zu vereinfachen, wird Gentechnologie häufig verwendet, um chemische Eigenschaften zu Proteinen hinzuzufügen, die sie leichter machen sich zu läutern, ohne ihre Struktur oder Tätigkeit zu betreffen. Hier wird ein "Anhängsel", das aus einer spezifischen Aminosäure-Folge, häufig eine Reihe von histidine Rückständen (ein "Sein-Anhängsel") besteht, einer Endstation des Proteins beigefügt. Infolgedessen, wenn der lysate über eine Chromatographie-Säule passiert wird, die Nickel, die histidine Rückstände ligate der Nickel enthält, und haften Sie der Säule während die unmarkierten Bestandteile des ungehinderten Lysate-Passes an. Mehrere verschiedene Anhängsel sind entwickelt worden, um Forschern zu helfen, spezifische Proteine von komplizierten Mischungen zu reinigen.

Zelllokalisierung

Die Studie von Proteinen in vivo ist häufig mit der Synthese und Lokalisierung des Proteins innerhalb der Zelle beschäftigt. Obwohl viele intrazelluläre Proteine im Zytoplasma synthetisiert und membranengebunden werden oder verborgene Proteine im endoplasmic reticulum, den Details dessen, wie Proteine zu spezifischem organelles ins Visier genommen werden oder Zellstrukturen häufig unklar ist. Eine nützliche Technik, um Zelllokalisierung zu bewerten, verwendet Gentechnologie, um in einer Zelle ein Fusionsprotein oder Chimäre auszudrücken, die aus dem natürlichen Protein von Interesse besteht, das mit einem "Reporter" wie grünes Leuchtstoffprotein (GFP) verbunden ist. Die Position des verschmolzenen Proteins innerhalb der Zelle kann mit der Mikroskopie, wie gezeigt, in der Zahl gegenüber sauber und effizient vergegenwärtigt werden.

Andere Methoden, für die Zellposition von Proteinen aufzuhellen, verlangen den Gebrauch bekannter compartmental Anschreiber für Gebiete wie der ER, Golgi, lysosomes/vacuoles, mitochondria, die Chloroplasten, die Plasmamembran usw. Mit dem Gebrauch Leuchtstoff-markierter Versionen dieser Anschreiber oder Antikörper zu bekannten Anschreibern wird es viel einfacher, die Lokalisierung eines Proteins von Interesse zu identifizieren. Zum Beispiel wird indirekter immunofluorescence Fluoreszenz colocalization und Demonstration der Position berücksichtigen. Leuchtstofffärbemittel werden verwendet, um Zellabteilungen zu einem ähnlichen Zweck zu etikettieren.

Andere Möglichkeiten bestehen ebenso. Zum Beispiel, immunohistochemistry verwertet gewöhnlich einen Antikörper zu einem oder mehr Proteinen von Interesse, die zu Enzymen konjugiert werden, die entweder lumineszierend oder Chromogenic-Signale tragen, die zwischen Proben verglichen werden können, Lokalisierungsinformation berücksichtigend. Eine andere anwendbare Technik ist cofractionation in Rohrzucker (oder anderes Material) Anstiege mit isopycnic centrifugation. Während diese Technik colocalization einer Abteilung der bekannten Dichte und des Proteins von Interesse nicht beweist, vergrößert es wirklich die Wahrscheinlichkeit, und ist groß angelegten Studien zugänglicher.

Schließlich ist die Goldwährungsmethode der Zelllokalisierung immunoelectron Mikroskopie. Diese Technik verwendet auch einen Antikörper am Protein von Interesse zusammen mit klassischen Elektronmikroskopie-Techniken. Die Probe ist zur normalen mikroskopischen Elektronüberprüfung bereit, und dann mit einem Antikörper zum Protein von Interesse behandelt, das zu einem äußerst electro-dichten Material, gewöhnlich Gold konjugiert wird. Das berücksichtigt die Lokalisierung von beiden Ultrastrukturdetails sowie dem Protein von Interesse.

Durch eine andere bekannte wie Seite-geleitete Gentechnologie-Anwendung mutagenesis können Forscher die Protein-Folge und folglich seine Struktur, Zelllokalisierung und Empfänglichkeit für die Regulierung verändern. Diese Technik erlaubt sogar die Integration von unnatürlichen Aminosäuren in Proteine, das Verwenden hat tRNAs modifiziert, und kann das vernünftige Design von neuen Proteinen mit neuartigen Eigenschaften erlauben.

Proteomics und bioinformatics

Die Gesamtergänzung der Protein-Gegenwart auf einmal in einem Zell- oder Zelltyp ist als sein proteome bekannt, und die Studie solcher groß angelegten Dateien definiert das Feld von proteomics, genannt analog zum zusammenhängenden Feld von genomics. Experimentelle Techniken des Schlüssels in proteomics schließen 2. Elektrophorese ein, die die Trennung einer Vielzahl von Proteinen, Massenspektrometrie erlaubt, die schnelle Identifizierung des hohen Durchflusses von Proteinen und sequencing von peptides (meistenteils nach dem Verzehren im Gel), Protein-Mikroreihe erlaubt, die die Entdeckung der Verhältnisniveaus einer Vielzahl der Protein-Gegenwart in einer Zelle und Zwei-Hybriden-Abschirmung erlaubt, die die systematische Erforschung von Wechselwirkungen des Protein-Proteins erlaubt. Die Gesamtergänzung biologisch möglichen solche Wechselwirkungen ist als der interactome bekannt. Ein systematischer Versuch, die Strukturen von Proteinen zu bestimmen, die jede mögliche Falte vertreten, ist als struktureller genomics bekannt.

Der große Betrag von genomic und proteomic Daten, die für eine Vielfalt von Organismen einschließlich des menschlichen Erbgutes verfügbar sind, erlaubt Forschern, homologe Proteine in entfernt zusammenhängenden Organismen durch die Folge-Anordnung effizient zu identifizieren. Folge-Werkzeuge des im Profil darstelltet können leisten spezifischere Folge-Manipulationen wie Beschränkungsenzym, stellt offene Lesen-Rahmenanalysen für nucleotide Folgen und sekundäre Struktur-Vorhersage kartografisch dar. Davon können Daten phylogenetic Bäume gebaut werden, und Entwicklungshypothesen mit der speziellen Software wie ClustalW bezüglich der Herkunft von modernen Organismen und den Genen entwickelt, die sie ausdrücken. Das Feld von bioinformatics bemüht sich, genomic und proteomic Daten zu sammeln, zu kommentieren, und zu analysieren, rechenbetonte Techniken auf biologische Probleme wie Genentdeckung und cladistics anwendend.

Struktur-Vorhersage und Simulation

Ergänzend zum Feld von strukturellem genomics bemüht sich Protein-Struktur-Vorhersage, effiziente Weisen zu entwickeln, plausible Modelle für Proteine zur Verfügung zu stellen, deren Strukturen experimentell noch nicht bestimmt worden sind. Der erfolgreichste Typ der Struktur-Vorhersage, die als das Homologie-Modellieren bekannt ist, verlässt sich auf die Existenz einer "Schablone"-Struktur mit der Folge-Ähnlichkeit zum Protein, das wird modelliert; die Absicht von strukturellen genomic ist, genügend Darstellung in gelösten Strukturen zur Verfügung zu stellen, um die meisten von denjenigen zu modellieren, die bleiben. Obwohl das Produzieren genauer Modelle eine Herausforderung bleibt, wenn nur entfernt zusammenhängende Schablone-Strukturen verfügbar sind, ist es darauf hingewiesen worden, dass Folge-Anordnung der Engpass in diesem Prozess ist, weil ziemlich genaue Modelle erzeugt werden können, wenn eine "vollkommene" Folge-Anordnung bekannt ist. Viele Struktur-Vorhersagemethoden haben gedient, um das erscheinende Feld über die Protein-Technik zu informieren, in der neuartige Protein-Falten bereits entworfen worden sind. Ein komplizierteres rechenbetontes Problem ist die Vorhersage von zwischenmolekularen Wechselwirkungen, solcher als im molekularen Docken und der Wechselwirkungsvorhersage des Protein-Proteins.

Die Prozesse der Protein-Falte und Schwergängigkeit können mit solcher Technik als molekulare Mechanik, insbesondere molekulare Dynamik und Monte Carlo vorgetäuscht werden, die zunehmend die Parallele und verteilte Computerwissenschaft ausnutzen (Folding@home Projekt; das molekulare Modellieren auf GPU). Die Falte von kleinen mit dem Alpha spiralenförmigen Protein-Gebieten wie das villin Oberteil und das HIV-Hilfsmittel-Protein ist in silico erfolgreich vorgetäuscht worden, und hybride Methoden, die molekulare Standarddynamik mit Quant-Mechanik-Berechnungen verbinden, haben Erforschung der elektronischen Staaten von rhodopsins erlaubt.

Nahrung

Die meisten Kleinstlebewesen und Werke können biosynthesize alle 20 Standardaminosäuren, während Tiere (einschließlich Menschen) einige der Aminosäuren von der Diät erhalten müssen. Die Aminosäuren, die ein Organismus selbstständig nicht synthetisieren kann, werden wesentliche Aminosäuren genannt. Schlüsselenzyme, die bestimmte Aminosäuren synthetisieren, sind in Tieren — wie aspartokinase nicht da, der den ersten Schritt in der Synthese von lysine, methionine, und threonine von aspartate katalysiert. Wenn Aminosäuren in der Umgebung da sind, können Kleinstlebewesen Energie durch das Aufnehmen von den Aminosäuren von ihren Umgebungen und downregulating ihre biosynthetic Pfade erhalten.

In Tieren werden Aminosäuren durch den Verbrauch von Nahrungsmitteln erhalten, die Protein enthalten. Aufgenommene Proteine werden dann unten in Aminosäuren durch das Verzehren zerbrochen, das normalerweise mit denaturation des Proteins durch die Aussetzung von Säure verbunden ist und die Hydrolyse durch genannte Enzyme Spaß pro-macht. Einige aufgenommene Aminosäuren werden für die Protein-Biosynthese verwendet, während andere zu Traubenzucker durch gluconeogenesis umgewandelt, oder in den sauren Zitronenzyklus gefüttert werden. Dieser Gebrauch des Proteins als ein Brennstoff ist unter Verhungern-Bedingungen besonders wichtig, weil es den eigenen Proteinen des Körpers erlaubt, verwendet zu werden, um Leben, besonders diejenigen zu unterstützen, die im Muskel gefunden sind. Aminosäuren sind auch eine wichtige diätetische Quelle des Stickstoffs.

Geschichte und Etymologie

Proteine wurden als eine verschiedene Klasse von biologischen Molekülen im achtzehnten Jahrhundert von Antoine Fourcroy und anderen anerkannt, durch die Fähigkeit der Moleküle bemerkenswert, zu gerinnen oder unter Behandlungen mit der Hitze oder Säure auszuflocken. Bekannte Beispiele haben zurzeit Albumin von Ei-Weißen, Blutserum-Albumin, fibrin, und Weizen-Gluten eingeschlossen.

Proteine wurden zuerst vom holländischen Chemiker Gerardus Johannes Mulder beschrieben und vom schwedischen Chemiker Jöns Jacob Berzelius 1838 genannt. Mulder hat elementare Analyse von allgemeinen Proteinen ausgeführt und hat gefunden, dass fast alle Proteine dieselbe empirische Formel, CHNOPS hatten. Er ist zum falschen Beschluss gekommen, dass sie aus einem einzelnen Typ (des sehr großen) Moleküls zusammengesetzt werden könnten. Der Begriff "Protein", um diese Moleküle zu beschreiben, wurde vom Partner von Mulder Berzelius vorgeschlagen; Protein wird aus dem griechischen Wort  (proteios) abgeleitet, "primär", "in der Leitung", oder "Stehen in der Vorderseite" bedeutend. Mulder hat fortgesetzt, die Produkte der Protein-Degradierung wie die Aminosäure leucine zu identifizieren, für den er (fast richtig) Molekulargewicht von 131 Da gefunden hat.

Früh haben Ernährungswissenschaftler wie der Deutsche Carl von Voit geglaubt, dass Protein der wichtigste Nährstoff war, für die Struktur des Körpers aufrechtzuerhalten, weil es allgemein geglaubt wurde, dass "Fleisch Fleisch macht." Die Hauptrolle von Proteinen als Enzyme in lebenden Organismen wurde bis 1926 nicht völlig geschätzt, als James B. Sumner gezeigt hat, dass das Enzym urease tatsächlich ein Protein war.

Die Schwierigkeit, Proteine in großen Mengen zu reinigen, hat sie sehr schwierig für frühe Protein-Biochemiker gemacht zu studieren. Folglich haben sich frühe Studien auf Proteine konzentriert, die in großen Mengen, z.B, denjenigen des Bluts, Ei weiße, verschiedene Toxine und verdauungsfördernde/metabolische bei Schlachthäusern erhaltene Enzyme gereinigt werden konnten. In den 1950er Jahren hat Armour Hot Dog Co. 1 Kg von reinem schwerfälligem Bauchspeicheldrüsenribonuclease A gereinigt und hat es frei verfügbar für Wissenschaftler gemacht; diese Geste hat ribonuclease Ein gewordener ein Hauptziel für die biochemische Studie seit den folgenden Jahrzehnten geholfen.

Linus Pauling wird die erfolgreiche Vorhersage des regelmäßigen Proteins sekundäre Strukturen zugeschrieben, die auf dem Wasserstoffabbinden, eine Idee zuerst gestützt sind, gestellt hervor von William Astbury 1933. Die spätere Arbeit von Walter Kauzmann auf denaturation, gestützt teilweise auf früheren Studien durch Kaj Linderstrøm-Lang, hat ein Verstehen der Protein-Falte beigetragen, und Struktur hat durch hydrophobe Wechselwirkungen vermittelt.

Das erste Protein, um sequenced zu sein, war Insulin durch Frederick Sanger 1949. Sanger hat richtig die Aminosäure-Folge des Insulins bestimmt, so abschließend demonstrierend, dass Proteine aus geradlinigen Polymern von Aminosäuren bestanden haben aber nicht sich Ketten, Kolloide oder cyclols verzweigt haben. Er hat den Nobelpreis für dieses Zu-Stande-Bringen 1958 gewonnen.

Die ersten zu lösenden Protein-Strukturen waren Hämoglobin und myoglobin, durch Max Perutz und Herrn John Cowdery Kendrew beziehungsweise 1958. Die ersten Atomentschlossenheitsstrukturen von Proteinen wurden durch die Röntgenstrahl-Beugungsanalyse in den 1960er Jahren gelöst (Perutz, und Kendrew hat den 1962-Nobelpreis in der Chemie für diese Entdeckungen geteilt), und durch NMR in den 1980er Jahren., die Protein-Datenbank hat mehr als 55,000 Atomentschlossenheitsstrukturen von Proteinen. In neueren Zeiten sind Cryo-Elektronmikroskopie von großen makromolekularen Bauteilen und rechenbetonte Protein-Struktur-Vorhersage von kleinen Protein-Gebieten zwei Methoden, die sich Atomentschlossenheit nähern.

Siehe auch

• Protein-Familie von Cdx
• Ausdruck, der klont
• Intein
• Liste von Proteinen
• Liste von recombinant Proteinen
• NONNE-Puffer
• Prion
• Protein-Design
• Protein-Dynamik
• Proteopathy
• Proteopedia

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Links

Datenbanken und Projekte

• Vergleichende Toxicogenomics Datenbankhilfsgeistliche mit dem Protein chemische Wechselwirkungen, sowie gene/protein-disease Beziehungen und Beziehungen der chemischen Krankheit.
• Bioinformatic Erntemaschine Ein Suchmotor von Meta (29 Datenbanken) für das Gen und die Protein-Information.
• Protein-Databank in Europa (sieh auch PDBeQuips, kurze Sachen und Tutorenkurse auf interessanten PDB Strukturen)
• Die Forschungsgemeinschaftsarbeit für Strukturellen Bioinformatics (sieh auch Molekül des Monats, kurze Rechnungen auf ausgewählten Proteinen vom PDB präsentierend)
• Proteopedia - Leben im 3D: drehbar, zoomable 3D-Modell mit wiki Anmerkungen für jedes bekannte Protein molekulare Struktur.
• UniProt die universale Protein-Quelle
• neXtProt - das Erforschen des Weltalls von menschlichen Proteinen: menschlich-zentrische Protein-Kenntnisse-Quelle
• Das Protein-Namengeben-Dienstprogramm
• Menschlicher Protein-Atlas
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• NCBI Protein-Struktur-Datenbank
• Menschliche Protein-Bezugsdatenbank
• Mensch Proteinpedia
• Folding@Home (Universität von Stanford)

Tutorenkurse und Bildungswebsites

• "Eine Einführung in Proteine" von HOFFNUNGEN (die Krankheit von Huntington übertreffen Projekt für die Ausbildung an Stanford)
• Proteine: Biogenese zur Degradierung - die virtuelle Bibliothek der Biochemie- und Zellbiologie