Proteína
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Proteínas (pron .: / /; también conocido como polipéptidos) son compuestos orgánicos constituidos por aminoácidos dispuestos en una cadena lineal y plegadas en una globular o forma fibrosa. Los aminoácidos en una polímero se unen entre sí por el enlaces peptídicos entre las carboxilo y amino grupos de aminoácido contiguo residuos. La secuencia de aminoácidos en una proteína se define por la secuencia de una gen, que está codificada en el código genético . En general, el código genético especifica 20 aminoácidos estándar; Sin embargo, en ciertos organismos el código genético puede incluir selenocisteína-y en ciertos archaea- pyrrolysine. Poco después o incluso durante la síntesis, los residuos en una proteína se modifican a menudo químicamente por modificación posterior a la traducción, lo que altera las propiedades físicas y químicas, plegado, la estabilidad, la actividad, y en última instancia, la función de las proteínas. Las proteínas también pueden trabajar juntos para lograr una función particular, y que a menudo se asocian para formar estable complejos.
Una de las características más distintivas de polipéptidos es su capacidad para doblar en un estado globular, o "estructura". La medida en que las proteínas se pliegan en una estructura definida varía ampliamente. Algunas proteínas se pliegan en una estructura muy rígida con pequeñas fluctuaciones y por lo tanto se consideran como estructura única. Otras proteínas se someten a grandes reordenamientos de uno conformación a otra. Este cambio conformacional se asocia a menudo con una señalización evento. Así, la estructura de una proteína sirve como un medio a través del cual para regular o bien la función de una proteína o actividad de una enzima. No todas las proteínas que requieren un proceso de plegado para poder funcionar, como alguna función en un estado desplegado.
Al igual que otros biológica macromoléculas tales como polisacáridos y ácidos nucleicos, las proteínas son parte esencial de los organismos y participan en prácticamente todos los procesos dentro de las células . Muchas proteínas son enzimas que catalizan las reacciones bioquímicas y son vitales para metabolismo. Las proteínas también tienen funciones estructurales o mecánicos, tales como actina y miosina en el músculo y las proteínas en el citoesqueleto, que forman un sistema de andamiaje que mantiene la forma celular. Otras proteínas son importantes en la señalización celular, la respuesta inmune , la adhesión celular, y la ciclo celular. Las proteínas también son necesarios en la dieta de los animales, ya que los animales no pueden sintetizar todos los aminoácidos que necesitan y deben obtener aminoácidos esenciales de los alimentos. Mediante el proceso de digestión, los animales se descomponen proteínas ingeridas en aminoácidos libres que luego se utilizan en el metabolismo.
Las proteínas fueron descritos por primera vez por el Químico holandés Gerhardus Johannes Mulder y nombrado por el químico sueco Jöns Jakob Berzelius en 1838. científicos nutricionales tempranas como el alemán Carl von Voit cree que la proteína era el nutriente más importante para el mantenimiento de la estructura del cuerpo, porque se creía que "la carne hace carne". El papel central de las proteínas como enzimas en los organismos vivos fue sin embargo no totalmente apreciado hasta 1926, cuando James B. Sumner demostró que la enzima ureasa era de hecho una proteína. La primera proteína que se secuenciado fue la insulina , por Frederick Sanger , quien ganó el Premio Nobel por este logro en el año 1958. La primera estructuras de proteínas a resolver eran hemoglobina y mioglobina, por Max Perutz y Sir John Cowdery Kendrew, respectivamente, en 1958. Las estructuras tridimensionales de ambas proteínas se determinaron por primera El análisis de difracción de rayos X; Perutz y Kendrew compartieron el 1962 Premio Nobel de Química por estos descubrimientos. Las proteínas pueden estar purificado de otros componentes celulares usando una variedad de técnicas tales como ultracentrifugación, precipitación, electroforesis y cromatografía ; el advenimiento de la ingeniería genética ha hecho posible un número de métodos para facilitar la purificación. Los métodos usados comúnmente para estudiar la estructura y función de proteínas incluyen inmunohistoquímica, mutagénesis dirigida a sitio, resonancia magnética nuclear y espectrometría de masas .
Bioquímica
La mayoría de las proteínas son lineales polímeros construidos a partir de series de hasta 20 L diferente -α- aminoácidos . Todos los aminoácidos poseen características estructurales comunes, incluyendo una α-carbono al que un amino grupo, un carboxilo grupo, y una variable cadena lateral se une . Sólo prolina difiere de esta estructura básica, ya que contiene un anillo inusual al grupo amina N-final, lo que obliga al resto amida CO-NH en una conformación fija. Las cadenas laterales de los aminoácidos estándar, se detallan en el lista de aminoácidos estándar, tienen una gran variedad de estructuras químicas y las propiedades; es el efecto combinado de todas las cadenas laterales de aminoácidos en una proteína que finalmente determina su estructura tridimensional y su reactividad química.
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Estructura química del enlace peptídico (izquierda) y un enlace peptídico entre leucina y treonina (derecha) | ||
Los aminoácidos en una cadena de polipéptido están unidos por enlaces peptídicos. Una vez vinculado en la cadena de proteína, un aminoácido individual se llama un residuo, y la serie enlazada de carbono, nitrógeno y átomos de oxígeno son conocidos como el principal cadena principal o proteína. El enlace peptídico tiene dos formas de resonancia que contribuyen algunos carácter de doble enlace y inhibir la rotación alrededor de su eje, de modo que los carbonos alfa son más o menos coplanar. Los otros dos ángulos diedros en el enlace peptídico determinan la forma local de asumida por el esqueleto de la proteína. El extremo de la proteína con un grupo carboxilo libre es conocido como el C-terminal o carboxi terminal, mientras que el extremo con un grupo amino libre se conoce como el N-terminal o extremo amino terminal.
La proteína palabras, polipéptido, y péptido son un poco ambigua y puede solaparse en el significado. La proteína se utiliza generalmente para referirse a la molécula biológica completa en un establo conformación, mientras que el péptido se reserva generalmente para un corto de oligómeros de aminoácidos a menudo carecen de una estructura tridimensional estable. Sin embargo, el límite entre los dos no está bien definido y por lo general se encuentra cerca de 20-30 residuos. Polipéptido puede referirse a cualquier única cadena lineal de aminoácidos, por lo general independientemente de la longitud, pero a menudo implica una ausencia de un definido conformación.
Síntesis
Las proteínas se ensamblan a partir de aminoácidos utilizando la información codificada en genes. Cada proteína tiene su propia única secuencia de aminoácidos que se especifica por el secuencia de nucleótidos del gen que codifica esta proteína. El código genético es un conjunto de conjuntos de tres nucleótidos llamados codones y cada combinación de tres nucleótidos designa un aminoácido, por ejemplo agosto ( adenina uracil- guanina) es el código de metionina. Debido a que el ADN contiene cuatro nucleótidos, el número total de posibles codones es 64; Por lo tanto, existe algo de redundancia en el código genético, con algunos aminoácidos especificados por más de un codón. Los genes codificados en el ADN son primero transcrito en pre ARN mensajero (ARNm) por proteínas tales como ARN polimerasa. La mayoría de los organismos a continuación, procesar la pre-mRNA (también conocido como un transcrito primario) usando diversas formas de modificación post-transcripcional para formar el ARNm maduro, que luego se utiliza como plantilla para la síntesis de proteínas por el ribosoma. En procariotas el ARNm puede o bien ser utilizado tan pronto como se produce, o ser obligado por un ribosoma después de haber alejado de la nucleoide. En contraste, los eucariotas hacen mRNA en el núcleo de la célula y luego trasladar a través de la membrana nuclear en el citoplasma, donde la síntesis de proteínas tiene lugar entonces. La tasa de síntesis de proteínas es mayor que en procariotas y eucariotas puede alcanzar hasta 20 aminoácidos por segundo.
El proceso de síntesis de una proteína a partir de un molde de ARNm es conocido como traducción. El ARNm se carga en el ribosoma y se lee tres nucleótidos a la vez, haciendo coincidir cada codón a su emparejamiento de bases anticodón situado en una transferir molécula de ARN, que lleva el aminoácido correspondiente al codón que reconoce. La enzima aminoacil ARNt sintetasa "cargas" moléculas del ARNt con los aminoácidos correctos. El polipéptido en crecimiento a menudo se denomina la cadena naciente. Las proteínas siempre se biosintetizan a partir de N-terminal a C-terminal.
El tamaño de una proteína sintetizada se puede medir por el número de aminoácidos que contiene y por su total de masa molecular , que se informa normalmente en unidades de daltons (sinónimo de unidades de masa atómica), o el derivado de kilodalton unidad (kDa). levadura proteínas son, en promedio, ácidos 466 aminoácidos de largo y 53 kDa en masa. Las proteínas más grandes conocidos son el titins, un componente de la músculo sarcómero, con una masa molecular de casi 3.000 kDa y una longitud total de casi 27.000 aminoácidos.
La síntesis química
Proteínas cortos también pueden sintetizarse químicamente por una familia de métodos conocidos como la síntesis de péptidos, que se basan en técnicas de síntesis orgánica, tales como ligación química para producir péptidos con alto rendimiento. La síntesis química permite la introducción de aminoácidos no naturales en las cadenas de polipéptidos, tales como la fijación de sondas fluorescentes para cadenas laterales de aminoácidos. Estos métodos son útiles en el laboratorio de bioquímica y biología celular, aunque generalmente no para aplicaciones comerciales. La síntesis química es ineficiente para polipéptidos más largos de aproximadamente 300 aminoácidos, y las proteínas sintetizadas no podrá asumir fácilmente su nativa estructura terciaria. La mayoría de los métodos de síntesis química proceden de C-terminal a N-terminal, frente a la reacción biológica.
Estructura
La mayoría de las proteínas doblar en 3 dimensiones estructuras únicas. La forma en la que una proteína natural pliegues se conoce como su conformación nativa. Aunque muchas proteínas pueden plegarse sin ayuda, simplemente a través de las propiedades químicas de sus aminoácidos, otros requieren la ayuda de molecular chaperones se plieguen a sus estados de origen. Los bioquímicos menudo se refieren a cuatro aspectos distintos de la estructura de una proteína:
- Estructura primaria: la secuencia de aminoácidos.
- Estructura secundaria: repetir periódicamente las estructuras locales estabilizadas por enlaces de hidrógeno. Los ejemplos más comunes son la hélice alfa, hoja beta y vueltas. Debido a las estructuras secundarias son locales, muchas regiones de estructura secundaria diferente puede estar presente en la misma molécula de proteína.
- Estructura terciaria: la forma general de una sola molécula de proteína; la relación espacial de las estructuras secundarias entre sí. Estructura terciaria se estabiliza generalmente por interacciones no locales, más comúnmente la formación de una núcleo hidrofóbico, pero también a través de puentes de sal, enlaces de hidrógeno, enlaces disulfuro, e incluso modificaciones post-traduccionales. El término "estructura terciaria" se utiliza a menudo como sinónimo del término pliegue. La estructura terciaria es lo que controla la función básica de la proteína.
- Estructura cuaternaria: la estructura formada por varias moléculas de proteína (cadenas polipeptídicas), generalmente se llama subunidades de proteínas en este contexto, que funcionan como una sola complejo de proteínas.
Las proteínas no son totalmente moléculas rígidas. Además de estos niveles de la estructura, las proteínas pueden cambiar entre varias estructuras relacionadas mientras realizan sus funciones. En el contexto de estos reordenamientos funcionales, estas estructuras terciarias o cuaternarias se refieren generalmente como " conformaciones ", y las transiciones entre ellos se llaman cambios conformacionales. menudo Tales cambios son inducidos por la unión de una molécula de sustrato para una enzima de sitio activo, o de la región física de la proteína que participa en la catálisis química. En las proteínas solución también someterse a variación en la estructura a través de la vibración térmica y la colisión con otras moléculas.
Las proteínas pueden ser informalmente dividen en tres clases principales, que se correlacionan con las estructuras terciarias típicas: las proteínas globulares, proteínas fibrosas, y proteínas de membrana. Casi todas las proteínas globulares son solubles y muchos son enzimas. Las proteínas fibrosas son a menudo estructural, como colágeno, el componente principal del tejido conectivo, o queratina, el componente de proteína del cabello y las uñas. Las proteínas de membrana a menudo sirven como receptores o proporcionar canales de polar o moléculas cargadas pasen a través del membrana celular.
Un caso especial de enlaces de hidrógeno intramoleculares dentro de las proteínas, mal protegido del ataque del agua y por lo tanto la promoción de su propia deshidratación, son llamados dehydrons.
Estructura determinación
El descubrimiento de la estructura terciaria de una proteína, o la estructura cuaternaria de sus complejos, puede proporcionar pistas importantes sobre cómo la proteína realiza su función. Métodos experimentales comunes de la determinación de la estructura incluyen Cristalografía de rayos X y Espectroscopía de RMN, ambos de los cuales puede producir información en atómica resolución. Sin embargo, los experimentos de RMN son capaces de proporcionar la información de la que un subconjunto de las distancias entre pares de átomos puede ser estimado, y las conformaciones finales posibles para una proteína se determinan mediante la resolución de una problema de geometría de distancia. Interferometría de doble polarización es un método de análisis cuantitativo para la medición de la proteína global conformación y cambios conformacionales debido a las interacciones u otro estímulo. Dicroísmo circular es otra técnica de laboratorio para determinar la composición de la hoja beta / helicoidal interna de las proteínas. Cryoelectron microscopía se utiliza para producir de menor resolución información estructural sobre muy grandes complejos de proteínas, incluyendo ensamblados virus ; una variante conocida como cristalografía de electrones también puede producir información de alta resolución en algunos casos, especialmente para cristales bidimensionales de proteínas de membrana. Estructuras resueltas generalmente se depositan en el Protein Data Bank (PDB), un recurso disponible libremente en el que los datos estructurales sobre miles de proteínas se pueden obtener en forma de coordenadas cartesianas para cada átomo en la proteína.
Muchos más secuencias de genes son conocidos de estructuras de proteínas. Además, el conjunto de estructuras resueltas está sesgado hacia las proteínas que pueden ser fácilmente sometidos a las condiciones requeridas en Cristalografía de rayos X, uno de los principales métodos de determinación de estructura. En particular, las proteínas globulares son comparativamente fácil cristalizar en preparación para la cristalografía de rayos X. Las proteínas de membrana, por el contrario, son difíciles de cristalizar y están subrepresentadas en el AP. Genómica estructural iniciativas han tratado de remediar estas deficiencias mediante la resolución de forma sistemática estructuras representativas de las principales clases de plegado. Métodos de predicción de estructura de proteína intentan proporcionar un medio para generar una estructura plausible para proteínas cuyas estructuras no se han determinado experimentalmente.
Las funciones celulares
Las proteínas son los principales actores dentro de la célula, dice que están llevando a cabo las funciones especificadas por la información codificada en los genes. Con la excepción de ciertos tipos de ARN, la mayoría de otras moléculas biológicas son elementos relativamente inertes sobre los que actúan las proteínas. Las proteínas constituyen la mitad del peso seco de un De células de Escherichia coli, mientras que otras macromoléculas tales como ADN y ARN representan sólo el 3% y 20%, respectivamente. El conjunto de proteínas expresadas en una célula o tipo celular particular se conoce como su proteoma.
La principal característica de las proteínas que también permite su diverso conjunto de funciones es su capacidad para unirse a otras moléculas específicamente y con fuerza. La región de la proteína responsable de la unión a otra molécula se conoce como el sitio de unión y es a menudo una depresión o "bolsillo" en la superficie molecular. Esta capacidad de unión está mediada por la estructura terciaria de la proteína, que define el bolsillo del sitio de unión, y por las propiedades químicas de las cadenas laterales de los aminoácidos circundantes. La unión a proteínas puede ser extraordinariamente fuerte y específica; Por ejemplo, el proteína de inhibidor de la ribonucleasa se une a humano angiogenin con un sub-femtomolar constante de disociación (<10 -15 M) pero no se une en absoluto a su homólogo de anfibio onconasa (> 1 M). Cambios químicos extremadamente menores, tales como la adición de un único grupo metilo a una pareja de unión a veces puede ser suficiente para eliminar casi vinculante; Por ejemplo, el aminoacil tRNA sintetasa específica para el aminoácido valina discrimina a la cadena lateral muy similar del aminoácido isoleucina.
Las proteínas se pueden unir a otras proteínas, así como para sustratos de molécula pequeña. Cuando las proteínas se unen específicamente a otras copias de la misma molécula, pueden oligomerize para formar fibrillas; este proceso se produce a menudo en proteínas estructurales que consisten en monómeros globulares que la auto-asocian para formar fibras rígidas. Interacciones proteína-proteína también regulan la actividad enzimática, controlan la progresión a través de la ciclo celular, y permitir que el conjunto de las grandes complejos de proteínas que llevan a cabo muchas reacciones estrechamente relacionados con una función biológica común. Las proteínas también pueden unirse a, o incluso ser integrado en las membranas celulares. La capacidad de los socios de unión para inducir cambios conformacionales en proteínas permite la construcción de enormemente complejo las redes de señalización. Es importante destacar que, como las interacciones entre las proteínas son reversibles, y dependen en gran medida de la disponibilidad de diferentes grupos de proteínas asociadas a formar agregados que son capaces de llevar a cabo conjuntos discretos de la función, el estudio de las interacciones entre proteínas específicas es una clave para entender aspectos importantes de la función celular, y en última instancia las propiedades que distinguen a tipos de células particulares.
Enzimas
El más conocido papel de las proteínas en la célula es tan enzimas, que catalizan reacciones químicas. Las enzimas son generalmente altamente específico y aceleran sólo una o unas pocas reacciones químicas. Las enzimas llevan a cabo la mayor parte de las reacciones implicadas en metabolismo, así como la manipulación de ADN en procesos tales como La replicación del ADN, la reparación del ADN , y la transcripción. Algunas enzimas actúan sobre otras proteínas para agregar o quitar grupos químicos en un proceso conocido como modificación post-traduccional. Acerca de 4,000 reacciones son conocidos por ser catalizada por enzimas. La aceleración de la frecuencia conferida por catálisis enzimática es a menudo enorme-tanto como 10 17 -fold aumento en la tasa sobre la reacción no catalizada en el caso de descarboxilasa orotato (78.000.000 años sin la enzima, 18 milisegundos con la enzima).
Las moléculas unidas y se actúa sobre las enzimas se denominan sustratos. Aunque las enzimas pueden consistir en cientos de aminoácidos, por lo general es sólo una pequeña fracción de los residuos que entran en contacto con el sustrato, y una fracción de tres aún menor a cuatro residuos en la media que están directamente implicados en la catálisis. La región de la enzima que se une el sustrato y contiene los residuos catalíticos se conoce como el sitio activo.
La señalización celular y la unión del ligando
Muchas proteínas están involucradas en el proceso de la señalización celular y transducción de señales. Algunas proteínas, como la insulina , son proteínas extracelulares que transmiten una señal de la célula en la que fueron sintetizados a otras células en la lejana tejidos. Otros son proteínas de membrana que actúan como receptores cuya función principal es unir una molécula de señalización e inducen una respuesta bioquímica en la célula. Muchos receptores tienen un sitio de unión expuesto en la superficie celular y un dominio efector dentro de la célula, que puede tener actividad enzimática o puede someterse a una cambio conformacional detectado por otras proteínas dentro de la célula.
Los anticuerpos son proteínas componentes de sistema inmune adaptativo cuya principal función es la de unir antígenos o sustancias extrañas en el cuerpo, y consideren su destrucción. Los anticuerpos pueden ser secretada en el medio ambiente extracelular o anclada en las membranas de especializada Células B conocido como células plasmáticas. Considerando que las enzimas están limitados en su afinidad de unión para sus sustratos por la necesidad de llevar a cabo su reacción, los anticuerpos no tienen tales limitaciones. Afinidad de unión de un anticuerpo a su objetivo es extraordinariamente alto.
Muchas proteínas de transporte de ligando se unen en particular pequeñas biomoléculas y los transportan a otros lugares en el cuerpo de un organismo multicelular. Estas proteínas deben tener una alta afinidad de unión cuando su ligando está presente en altas concentraciones, sino que también debe liberar el ligando cuando está presente a bajas concentraciones en los tejidos diana. El ejemplo canónico de una proteína de unión al ligando es la hemoglobina, que transporta oxígeno desde el pulmones a otros órganos y tejidos en todos los vertebrados y tiene cerca homólogos en cada biológica reino. Las lectinas son proteínas de unión de azúcar que son altamente específicos para sus restos de azúcar. Las lectinas normalmente juegan un papel en la biológica fenómenos de reconocimiento que implican células y proteínas. Los receptores y hormonas son proteínas de unión altamente específicos.
Proteínas transmembrana también pueden servir como proteínas de transporte ligando que alteran la permeabilidad de la membrana celular para pequeñas moléculas y iones. La membrana tiene un solo núcleo hidrófobo a través del cual moléculas polares o cargados no pueden difusa. Las proteínas de membrana contienen canales internos que permitan a dichas moléculas para entrar y salir de la célula. Muchos proteínas de los canales iónicos están especializadas para seleccionar sólo por un ion particular; por ejemplo, de potasio y de sodio canales a menudo discriminan por sólo uno de los dos iones.
Las proteínas estructurales
Las proteínas estructurales confieren rigidez y rigidez a componentes biológicos de otro modo de fluido. La mayoría de las proteínas estructurales son proteínas fibrosas; por ejemplo, actina y tubulina son globular y soluble como monómeros, pero polimerizar para formar fibras largas, rígidas que componen el citoesqueleto, que permite a la célula para mantener su forma y tamaño. El colágeno y la elastina son componentes críticos de tejido conectivo, así como cartílago, y queratina se encuentra en estructuras duras o filamentosos tales como pelo, uñas, plumas , pezuñas, y algunos conchas de animales.
Otras proteínas que tienen funciones estructurales son proteínas motoras como miosina, kinesin, y dineína, que son capaces de generar fuerzas mecánicas. Estas proteínas son cruciales para celular motilidad de los organismos unicelulares y la espermatozoides de muchos organismos multicelulares que reproducen sexualmente. También generan las fuerzas ejercidas por contratación músculos.
Métodos de estudio
Como algunas de las moléculas biológicas más comúnmente estudiadas, se examinan las actividades y estructuras de las proteínas tanto in vitro y in vivo Los estudios in vitro de proteínas purificadas en ambientes controlados son útiles para el aprendizaje de cómo una proteína lleva a cabo su función:. por ejemplo, la cinética enzimática estudios exploran el mecanismo químico de la actividad catalítica de una enzima y su afinidad relativa para diversos posibles moléculas de sustrato. Por el contrario, en los experimentos in vivo sobre las actividades proteínas 'dentro de las células, o incluso dentro de organismos enteros puede proporcionar información complementaria sobre donde una proteína funciona y cómo se regula.
Purificación de proteínas
Para llevar a cabo El análisis in vitro, una proteína debe ser purificado lejos de otros componentes celulares. Este proceso suele comenzar con lisis celular, en el que la membrana de una célula se rompe y sus contenidos internos libera en una solución conocida como lisado crudo. La mezcla resultante se puede purificar utilizando ultracentrifugación, que fracciona los diversos componentes celulares en fracciones que contienen proteínas solubles; membrana de lípidos y proteínas; celular orgánulos, y ácidos nucleicos. Precipitación mediante un método conocido como desalado puede concentrar las proteínas a partir de este lisado. Varios tipos de cromatografía se utilizan entonces para aislar la proteína o proteínas de interés basado en las propiedades tales como el peso molecular, carga neta y afinidad de unión. El nivel de la purificación puede ser monitoreada usando varios tipos de electroforesis en gel si el peso molecular de la proteína deseada y punto isoeléctrico se sabe, por espectroscopia de si la proteína tiene características espectroscópicas distinguibles, o por Ensayos de enzimas si la proteína tiene actividad enzimática. Además, las proteínas se pueden aislar según su carga utilizando electroenfoque.
Para las proteínas naturales, puede ser necesario una serie de etapas de purificación para obtener la proteína suficientemente puro para aplicaciones de laboratorio. Para simplificar este proceso, ingeniería genética se utiliza a menudo para agregar características químicas de las proteínas que hacen más fáciles de purificar sin afectar a su estructura o actividad. Aquí, una "etiqueta" que consiste en una secuencia de aminoácidos específica, a menudo una serie de residuos de histidina (un " His-tag "), está unido a un extremo terminal de la proteína. Como resultado, cuando el lisado se hace pasar sobre una columna de cromatografía que contiene níquel , los residuos de histidina ligar el níquel y se unen a la columna mientras que los componentes sin etiquetar del pase lisado sin obstáculos. Un número de etiquetas diferentes se han desarrollado para ayudar a los investigadores purificar proteínas específicas de mezclas complejas.
Localización celular
El estudio de las proteínas in vivo es a menudo preocupados con la síntesis y la localización de la proteína dentro de la célula. Aunque muchas proteínas intracelulares se sintetizan en el citoplasma y unida a membrana o proteínas secretadas en el retículo endoplásmico, los detalles de cómo las proteínas son dirigido a orgánulos específicos o estructuras celulares es a menudo poco clara. Una técnica útil para evaluar la localización celular utiliza la ingeniería genética para expresar de una célula proteína de fusión o quimera que consiste en la proteína natural de interés ligado a un " reportero ", tales como proteína verde fluorescente (GFP). La posición de la proteína fusionada dentro de la célula puede ser limpia y eficiente visualizó usando microscopía, como se muestra en la figura opuesta.
Otros métodos para elucidar la localización celular de las proteínas requiere el uso de marcadores compartimentales conocidos para las regiones tales como el ER, la, los lisosomas / vacuolas, mitocondrias, cloroplastos, la membrana plasmática de Golgi, etc. Con el uso de marcado con fluorescencia versiones de estos marcadores o de anticuerpos a marcadores conocidos, se hace mucho más simple para identificar la localización de una proteína de interés. Por ejemplo, inmunofluorescencia indirecta permitirá la colocalización de fluorescencia y la demostración de ubicación. Los colorantes fluorescentes se utilizan para etiquetar compartimentos celulares para un propósito similar.
Existen otras posibilidades, también. Por ejemplo, inmunohistoquímica normalmente utiliza un anticuerpo para una o más proteínas de interés que se conjugan a las enzimas que producen señales cromogénicos, ya sea luminiscente o que se pueden comparar entre muestras, lo que permite la información de localización. Otra técnica es aplicable cofractionation en sacarosa (u otro material) utilizando gradientes centrifugación isopícnica. Si bien esta técnica no prueba colocalización de un compartimiento de densidad conocida y la proteína de interés, que hace aumentar la probabilidad, y es más susceptible a los estudios a gran escala.
Finalmente, el método estándar de oro de la localización celular es inmunomicroscopía. Esta técnica también utiliza un anticuerpo para la proteína de interés, junto con técnicas de microscopía electrónica clásicos. La muestra se preparó para el examen microscópico de electrones normal, y luego se trató con un anticuerpo para la proteína de interés que está conjugado con un material extremadamente electro-denso, normalmente oro. Esto permite la localización de ambas detalles ultraestructurales, así como la proteína de interés.
A través de otra aplicación de la ingeniería genética conocido como mutagénesis dirigida a sitio, los investigadores pueden alterar la secuencia de la proteína y por lo tanto su estructura, localización celular, y la susceptibilidad a la regulación. Esta técnica permite incluso la incorporación de aminoácidos no naturales en proteínas, usando tRNAs modificados, y puede permitir el diseño racional de nuevas proteínas con propiedades novedosas.
La proteómica y bioinformática
El complemento total de las proteínas presentes a la vez en un tipo de célula o célula se conoce como su proteoma, y el estudio de estos conjuntos de datos a gran escala define el campo de la proteómica, nombrados por analogía con el campo relacionado de genómica. Técnicas experimentales clave en la proteómica incluyen Electroforesis 2D, que permite la separación de un gran número de proteínas, espectrometría de masas , lo que permite la identificación rápida de alto rendimiento de proteínas y secuenciación de péptidos (con mayor frecuencia después de digestión en gel), microarrays de proteínas, que permiten la detección de los niveles relativos de un gran número de proteínas presentes en una célula, y el cribado de dos híbridos, que permite la exploración sistemática de interacciones proteína-proteína. El complemento total de biológicamente posibles tales interacciones se conoce como el interactome. Un intento sistemático para determinar las estructuras de las proteínas en representación de todas las posibles veces se conoce como genómica estructural.
La gran cantidad de datos genómicos y proteómicos disponible para una variedad de organismos, incluyendo la genoma humano, permite a los investigadores identificar de manera eficiente proteínas homólogas en organismos lejanamente relacionadas, por la alineación de secuencias . Secuencia de herramientas de perfilado pueden realizar manipulaciones de la secuencia más específicas tales como mapas de enzimas de restricción, analiza marco de lectura abierto para secuencias de nucleótidos, y predicción de estructura secundaria. De estos datos árboles filogenéticos se pueden construir y evolutivos hipótesis desarrolladas utilizando un software especial como ClustalW con respecto a la ascendencia de los organismos modernos y los genes que expresan. El campo de la bioinformática busca de montar, anotar y analizar datos genómicos y proteómicos, aplicando computacionales técnicas a problemas biológicos como la búsqueda de genes y cladística.
Estructura de predicción y simulación
Complementario al campo de la genómica estructural, estructura de la proteína de predicción busca desarrollar formas eficientes para proporcionar modelos plausibles para las proteínas cuyas estructuras aún no se han determinado experimentalmente. El tipo más exitoso de predicción de estructura, conocida como modelado por homología, se basa en la existencia de una estructura de "plantilla" con secuencia similar a la proteína que se está modelando; objetivo genómica estructural es proporcionar una representación suficiente en estructuras resueltas para modelar la mayoría de los que permanecen. Aunque la producción de modelos precisos sigue siendo un desafío cuando las estructuras de la plantilla sólo lejanamente relacionados están disponibles, se ha sugerido que la alineación de secuencias es el cuello de botella en este proceso, como modelos muy precisos se pueden producir si se conoce una secuencia "perfecto" de alineación. Muchos métodos de predicción de estructura han servido para informar al emergente campo de la la ingeniería de proteínas, en el que nuevos pliegues de proteínas ya han sido diseñados. Un problema computacional más compleja es la predicción de las interacciones intermoleculares, como en acoplamiento molecular y proteína-proteína de predicción de la interacción.
Los procesos de plegamiento de proteínas y la unión puede ser simulado utilizando dicha técnica como mecánica molecular, en particular, dinámica molecular y Monte Carlo , que cada vez se aprovechan de forma paralela y informática distribuida ( Folding @ Home proyecto; modelado molecular en GPU). El plegado de pequeños dominios de la proteína alfa-helicoidal como el casco vilina y el VIH proteína accesoria se han simulado con éxito in silico , y los métodos híbridos que combinan la dinámica molecular estándar con la mecánica cuántica cálculos han permitido la exploración de los estados electrónicos de rodopsinas.
Nutrición
Más microorganismos y plantas pueden biosintetizar todos los 20 estándar aminoácidos , mientras que los animales (incluidos los seres humanos) deben obtener algunos de los aminoácidos de las dieta. Los aminoácidos que un organismo no puede sintetizar por sí mismo se denominan aminoácidos esenciales. Enzimas clave que sintetizan ciertos aminoácidos no están presentes en los animales - tales como aspartoquinasa, que cataliza el primer paso en la síntesis de lisina, metionina y treonina a partir de aspartato. Si los aminoácidos están presentes en el medio ambiente, los microorganismos pueden conservar energía mediante la adopción de los aminoácidos de sus alrededores y la regulación negativa de sus rutas biosintéticas.
En los animales, los aminoácidos se obtienen a través del consumo de alimentos que contienen proteínas. Proteínas ingeridas son entonces descomponen en aminoácidos a través de la digestión, lo que normalmente implica la desnaturalización de la proteína a través de la exposición al ácido y la hidrólisis por enzimas llamadas proteasas. Algunos aminoácidos ingeridos se utilizan para la biosíntesis de proteínas, mientras que otros se convierten en glucosa mediante gluconeogénesis, o introducen en el ciclo del ácido cítrico. Este uso de proteínas como combustible es especialmente importante bajo condiciones de hambre, ya que permite propias proteínas del cuerpo que se utilizarán para sustentar la vida, sobre todo las que se encuentran en muscular. Los aminoácidos son también una fuente dietética importante de nitrógeno .
Historia y etimología
Las proteínas fueron reconocidos como una clase distinta de moléculas biológicas en el siglo XVIII por Antoine Fourcroy y otros, que se distingue por la capacidad de las moléculas para coagular o flocular bajo tratamientos con calor o ácido. Ejemplos mostrados en el momento incluyen albúmina de clara de huevo, sangre de albúmina sérica, la fibrina, y el trigo gluten. Químico holandés Gerhardus Johannes Mulder realizaron análisis elemental de las proteínas comunes y encontró que casi todas las proteínas tenían la misma fórmula empírica, C 400 H 620 N 100 O 120 P 1 S 1 . Llegó a la conclusión errónea de que podrían estar compuestos por un solo tipo de (muy grande) molécula. El término "proteína" para describir estas moléculas fue propuesto en 1838 por el asociado de Mulder Jöns Jakob Berzelius; proteína se deriva del griego palabra πρωτεῖος ( proteios ), que significa "primario", "a la cabeza", o "de pie delante". Mulder pasó a identificar los productos de la degradación de proteínas tales como el ácido amino de leucina para el que se encontró con un (casi correcta) de peso molecular de 131 Da.
La dificultad en la purificación de proteínas en grandes cantidades los hizo muy difícil para los bioquímicos de proteínas tempranas para estudiar. Por lo tanto, los primeros estudios se centraron en proteínas que podrían ser purificados en grandes cantidades, por ejemplo, los de la sangre , clara de huevo, varias toxinas, enzimas metabólicas y digestivas / obtenidos de mataderos. En la década de 1950, el perro Co. Armour caliente purificado 1 kg de pura pancreática bovina ribonucleasa A y lo puso a disposición gratuitamente a los científicos; este gesto ayudó ribonucleasa A se convierta en un objetivo importante para el estudio bioquímico para las siguientes décadas.
Linus Pauling se le atribuye la predicción exitosa de proteínas regulares estructuras secundarias sobre la base de enlaces de hidrógeno, una idea primero planteada por William Astbury en 1933. El trabajo posterior por Walter Kauzmann de desnaturalización, basado en parte en los estudios previos por Kaj Linderstróm-Lang, contribuyó con un comprensión de plegamiento de la proteína y la estructura mediada por interacciones hidrofóbicas. En 1949 Fred Sanger determinó correctamente la secuencia de aminoácidos de la insulina , por lo tanto demostrando de manera concluyente que las proteínas consistían en polímeros lineales de aminoácidos en lugar de cadenas ramificadas, coloides, o cyclols. Las primeras estructuras atómica resolución de proteínas se resolvieron mediante cristalografía de rayos X en la década de 1960 y por RMN en la década de 1980. A partir de 2009, el Protein Data Bank tiene más de 55.000 estructuras atómicas resolución de proteínas. En tiempos más recientes, crio-microscopía electrónica de grandes asambleas macromoleculares y computacional estructura de la proteína de predicción de pequeñas proteínas dominios son dos métodos que se acercan resolución atómica.
