De proteinene ble definert som makromolekyler biologisk finnes i alle levende celler , men nyere studier viser at det finnes også hundrevis om ikke tusenvis av mikro- eller nano proteiner. De er dannet av en eller flere polypeptidkjeder . Hver av disse kjedene er sammensatt av sekvensen av rester av aminosyrer bundet sammen av peptidbindinger .
Proteiner utfører en rekke funksjoner i levende celler og i vev . De er enzymatiske proteiner ( enzymer ) som katalyserer de kjemiske syntese- og nedbrytningsreaksjonene som er nødvendige for metabolismen av cellen. Andre proteiner gir en strukturell rolle i cytoskelettet eller vevet ( aktin , kollagen ), noen er molekylære motorer som tillater mobilitet ( myosin ), andre er involvert i kondisjonering av DNA ( histoner ), regulering av genuttrykk ( transkripsjonsfaktorer ), energi metabolisme ( ATP-syntase ) eller overføring av cellulære signaler ( membranreseptorer ).
Proteinkjedene syntetiseres i cellen av ribosomene , fra informasjonen kodet i genene , som bestemmer i hvilken rekkefølge de 22 aminosyrene, kalt proteinogener , som er innlemmet direkte under genenes biosyntese . Sekvensen av aminosyrer som kalles polypeptidet sekvensen . Av post-translasjonelle modifikasjoner kan deretter gripe inn når det syntetiserte proteinet, som kan ha effekten av å modifisere de fysiske eller kjemiske egenskapene. Det er også vanlig at ikke-proteinmolekyler, kalt protesegrupper , binder stabilt til proteiner og bidrar avgjørende til deres biologiske funksjoner: dette er for eksempel tilfellet med hem i hemoglobin , uten hvilket dette proteinet ikke kunne føre oksygen i blodet .
Proteiner vedtar en tredimensjonal struktur som gjør at de kan utføre sin biologiske funksjon. Denne spesielle strukturen bestemmes fremfor alt av deres aminosyresekvens, hvis forskjellige fysisk-kjemiske egenskaper fører til at proteinkjeden tar en stabil folding.
I laboratoriet kan de skilles fra andre cellulære bestanddeler ved hjelp av forskjellige teknikker som ultrasentrifugering , utfelling , elektroforese og kromatografi . Den genteknologi har innført en rekke metoder for å legge til rette for proteinrensing. Deres struktur kan studeres ved immunhistokjemi , stedrettet mutagenese , røntgenkrystallografi , kjernemagnetisk resonans og massespektrometri .
Protein er en viktig komponent i mat dyret, de nedbrytes i fordøyelseskanalen og frigjøres aminosyrene blir deretter gjenbrukt av kroppen.
vi skiller mellom komplette proteiner og ufullstendige proteiner. Et komplett protein inneholder alle de ni essensielle aminosyrene, mens et ufullstendig protein som finnes i matvarer av vegetabilsk opprinnelse ikke inneholder dem alle.
Proteinene ble oppdaget fra 1835 i Nederland av den organiske kjemikeren Gerardus Johannes Mulder (1802-1880), under navnet wortelstof . Det var hans berømte svenske kollega, Jöns Jacob Berzelius , som foreslo navnet protein til ham i 1838 .
Begrepet protein kommer fra de gamle greske prôtos som betyr først , essensielt . Dette refererer sannsynligvis til det faktum at proteiner er essensielle for livet og ofte utgjør majoriteten (del 60%) av tørrvekten til (dyre) celler . En annen teori er at protein refererer, i likhet med det proteaniske adjektivet, til den greske guden Proteus som kan endre form etter eget ønske. Proteiner har mange former og utfører flere funksjoner. Men dette ble ikke oppdaget før mye senere, i løpet av XX th århundre .
Proteiner dannes fra en eller flere polypeptidkjeder , som er lineære biopolymerer , kan være ganske lange, sammensatt av en tjue syrer L -a-amino forskjellige. Vi snakker generelt om protein med mer enn femti rester i molekylet, og peptid med opptil noen få titalls rester.
Alle proteinogene aminosyrer - med unntak av prolin - har en felles struktur som består av en funksjon karboksylsyre , et primært amin på α-karbonet og en sidekjede . Sistnevnte har et veldig bredt utvalg av kjemiske strukturer, og det er den kombinerte effekten av alle disse sidekjedene i en polypeptidkjede som bestemmer den tredimensjonale strukturen så vel som de kjemiske egenskapene til sistnevnte. Tavlen nedenfor viser den kjemiske strukturen til de 22 proteinogene aminosyrene:
Struktur av 22 proteinogene aminosyrer . Den pyrrolysine og selenocystein (ovenfor grånet) er spesifikke for visse proteiner : - den pyrrolysine bare funnet i noen archaeal metanogener , - den selenocystein er også til stede hos eukaryoter , men a priori i flere titalls av enzymer familie av oksidoreduktaser . De andre 20 aminosyrene, kalt standarder, er derimot universelt distribuert i alle kjente levende vesener. |
Aminosyrer i en polypeptidkjede som er bundet sammen med peptidbindinger som er etablert mellom karboksylgruppen -COOH av en første aminosyre og den primære amin -NH 2 et sekund:
Ryggraden i proteinet består således av en lineær aminosyrekjede som sidekjedene er koblet til og bundet av peptidbindinger. Peptidbindingen har to former av resonans som delvis gir den egenskapene til en dobbeltbinding , som begrenser rotasjon rundt sin akse, slik at de fire atomer i amid- gruppen - (C = O) NH- er alltid omtrent i samme plan . De to andre bindingene som utgjør ryggraden i aminosyren, kan derimot rotere fritt. De to tosvinklede vinklene som tilsvarer disse to indre bindingene bestemmer den lokale geometrien som er vedtatt av proteinkjeden.
Karboksylenden av polypeptidsidekjeden kalles ende C- terminal , mens aminsiden kalles ende N- terminal . Ordene protein, polypeptid og peptid er ganske tvetydige og deres betydning kan overlappe hverandre. Vi snakker generelt om protein i referanse til det komplette biologiske molekylet utstyrt med en stabil konformasjon, mens et peptid generelt betegner et kortere molekyl uten en stabil tredimensjonal struktur. Grensen mellom de to er veldig upresis og ligger rundt noen titalls aminosyrerester.
Proteiner ble alltid antatt å være store (ved biomolekylære skalaer); det var en følelse fra 1980-tallet, og vi visste fra begynnelsen av 1990-tallet at dette ikke var tilfelle, etter oppdagelsen av en, så av noen få andre MicroProteins (noen ganger kalt MiPs ). Siden den gang har forskere demonstrert eksistensen av hundrevis og deretter tusenvis av mikroproteiner og nanoproteiner (noen ganger assosierer bare noen få aminosyrer, kanskje selvmonterte), så små at klassiske genomiske analysesystemer ikke kan oppdage dem. De ser ut til å ha nøkkelroller i celler i proteinkomplekset , ved å samhandle i protein-protein-forhold. Noen kontrollerer altså aktiviteten til større proteiner, og spiller en rolle som regulatorer etter translasjon, uten å samhandle direkte med DNA eller RNA. Andre fremmer muskelutvikling og regulerer muskelsammentrekning . Atter andre bidrar til håndtering av intracellulært avfall (gammelt, nedbrutt eller mangelfullt RNA). I planter kunne de delta i påvisning av lys og i andre tilfeller spille en rolle i fytohormonal signalisering . Hos dyr deltar de i funksjonen til den biologiske klokken .
Det finnes spesielt i gift (fra edderkopper , skorpioner og andre giftige dyr ). Komplekse nanoproteiner kan opprettes in vitro ved selvmontering av aminosyrer ; de kan kanskje brukes til biomolekylær gjenkjenning og katalyse. De har allerede blitt funnet å være av kommersiell interesse: Noen insektmidler bruker det. De er av medisinsk interesse: de brukes til å merke hjernesvulster for å tillate mer presis kirurgi.
Proteiners natur bestemmes fremfor alt av deres aminosyresekvens, som utgjør deres primære struktur . Aminosyrer med svært forskjellige kjemiske egenskaper, deres arrangement langs polypeptidkjeden bestemmer deres romlige arrangement. Dette er beskrevet lokalt av deres sekundære struktur , stabilisert av hydrogenbindinger mellom nærliggende aminosyrerester, og globalt av deres tertiære struktur , stabilisert av alle interaksjoner mellom restene - noen ganger veldig fjernt på peptidsekvensen, men brakt i romlig kontakt ved foldingen av proteinet - så vel som mellom selve proteinet og dets miljø. Til slutt er sammensetningen av flere proteinunderenheter for å danne et funksjonelt kompleks beskrevet av den kvartære strukturen til dette settet.
Ytterligere kovalente bindinger kan også dannes, enten innenfor den samme proteinkjeden, eller mellom forskjellige peptidkjeder i et protein, spesielt gjennom dannelsen av disulfidbroer mellom cysteinrester .
De fleste proteiner vedtar en unik tredimensjonal konformasjon. Den naturlige formen til et protein in vivo er dets opprinnelige tilstand , som er den formen det tar for å være biologisk aktiv og funksjonell. Mange proteiner er i seg selv biologisk aktive fra dem under påvirkning av den romlige fordelingen av rester av aminosyrer som utgjør dem, andre trenger å bli hjulpet til å gjøre dette av kaperonproteiner som skal brettes i henhold til deres opprinnelige tilstand.
I biokjemi kan vi derfor skille mellom fire organisasjonsnivåer for å beskrive strukturen til proteiner:
Proteiner er ikke helt stive molekyler. De vil sannsynligvis vedta flere relaterte konformasjoner mens de utfører sine biologiske funksjoner. Overgangen fra en av disse konformasjonene til en annen kalles konformasjonsendring . I tilfelle av et enzym kan for eksempel slike konformasjonsendringer induseres av interaksjonen med substratet på nivået av det aktive stedet . I løsning gjennomgår proteiner også mange konformasjonsendringer på grunn av termisk vibrasjon av kollisjonen med andre molekyler.
Det er tre hovedgrupper av proteiner i henhold til deres tertiære eller kvaternære struktur: kuleproteinene , de fibrøse proteinene og membranproteinene . Nesten alle kuleproteiner er oppløselige og er ofte enzymer . Fiberholdige proteiner spiller ofte en strukturell rolle, som kollagen , hovedbestanddelen av bindevev , eller keratin , et protein som består av hår og negler . Membranproteiner er ofte reseptorer eller kanaler som gjør at polære eller elektrisk ladede molekyler kan passere gjennom membranen .
Kunnskap om tertiær eller kvaternær struktur av et protein kan gi viktig informasjon for å forstå hvordan dette proteinet utfører sin biologiske funksjon. Den røntgen-krystallografi , og NMR-spektroskopi er vanlige eksperimentelle metoder for å studere proteinstruktur, som kan ene og den andre gir informasjon med en oppløsning for å skalere atom . NMR-data gir informasjon som det er mulig å estimere en delmengde av avstander mellom visse par atomer, noe som gjør det mulig å utlede mulige konformasjoner av dette molekylet. Den interferometri dobbelt polariserende er en kvantitativ analysemetode for måling av det samlede konformasjonen av proteinet og dets konformasjonsendringer som en funksjon av dets interaksjon med andre stimuli. Den sirkulære dikroismen gir en annen laboratorieteknikk for å løse bestemte elementer i sekundærstrukturen til proteiner ( α helices og ark β spesielt). Den kryo-elektronmikroskopi gir strukturell informasjon med lavere oppløsning på meget store proteiner, inkludert virus . Den elektron krystallografi (i) , teknisk enden av den foregående, gjør det mulig i enkelte tilfeller også produsere data med høy oppløsning, særlig for to-dimensjonale krystaller av membranproteiner . De adskilte proteiner konstruksjoner generelt er deponert i proteindata Bank (PDB), en åpen tilgang database og gir strukturen av tusen proteiner for hvilke de kartesiske koordinater for hvert atom er tilgjengelige.
Antall proteiner hvis struktur er løst er mye lavere enn antall gener hvis sekvens er kjent. I tillegg er delmengden av proteiner hvis struktur er løst, forutinntatt til fordel for proteiner som lett kan fremstilles for analyse ved røntgenkrystallografi, en av hovedmetodene for å bestemme proteinstrukturer. Spesielt er globulære proteiner relativt lettest å krystallisere for krystallografi, mens membranproteiner er vanskeligere å krystallisere og er underrepresentert blant proteinene som er tilgjengelige i PDB. For å avhjelpe denne situasjonen har strukturgenomiske tilnærminger blitt gjennomført for å løse strukturene som er representative for de viktigste proteinfoldingsklassene . Metoder for prediksjon av proteinstruktur har som mål å gi midler til å generere den sannsynlige strukturen til et protein fra strukturer som kan bestemmes eksperimentelt.
De sure a-amino- proteinogene er samlet i polypeptider i celler av ribosomene fra den genetiske informasjonen som overføres av messenger-RNA fra DNA som omfatter gener . Det er nukleotidsekvensen av DNA, transkribert identisk i messenger RNA, som bærer informasjonen som er lest av ribosomer for å produsere proteiner i henhold til peptidsekvensen spesifisert av genene. Korrespondansen mellom nukleotidsekvensen til DNA og messenger RNA på den ene siden og peptidsekvensen til proteinene som er syntetisert på den andre siden, bestemmes av den genetiske koden , som i det vesentlige er den samme for alle kjente levende ting bortsett fra et antall ganske begrensede variasjoner.
Den genetiske koden etablerer samsvaret mellom en triplett av nukleinbaser , kalt et kodon , på messenger RNA og en proteinogen α-aminosyre . Denne korrespondansen blir utført in vivo av overførings-RNAene , som er RNAer som maksimalt inneholder hundre nukleotider og bærer en aminosyre som forestrer deres 3'-OH-ende. Hver av aminosyrene er knyttet til spesifikke overførings-RNAer, som også bærer spesifikke kodoner, slik at hver av de 64 mulige kodonene bare kan kode en aminosyre. På den annen side kan hver av de 22 proteinogene aminosyrene kodes av flere forskjellige kodoner. Det er enzymene som utfører forestring av messenger-RNA med aminosyrer - aminoacyl-tRNA-syntetaser - som opprettholder den genetiske koden: faktisk binder disse enzymene spesifikt både til et gitt overførings-RNA og til en aminosyre. Gitt, slik at hver type overførings-RNA er bare forestret med en spesifikk aminosyre.
Tilfellet med selenocystein og pyrrolysin er noe annerledes ved at disse spesielle aminosyrene ikke blir kodet direkte av spesifikke kodoner, men ved translasjonell omkoding av stoppkodoner i nærvær av spesielle innsettingssekvenser kalt henholdsvis SECIS- elementet og elementet. PYLIS , som koder UGA (Opal) og UAG (Amber) stopper kodoner i henholdsvis selenocystein og pyrrolysin. I tillegg er selenocystein ikke bundet som sådan til dets overførings-RNA, fordi det er for reaktivt til å eksistere fritt i cellen; det er serinet som er bundet til et selenocystein-overførings-RNA Sec tRNA av serin-tRNA-ligasen . Den seryl - tRNA Sec kan ikke brukes av ribosomene som det ikke blir gjenkjent av forlengelsesfaktorer som er involvert i biosyntesen av proteiner , slik som serin kan bli innlemmet i selenoproteins i stedet for selenocystein. I motsetning til dette, seryl-tRNA Sec er et substrat for visse enzymer som dens omdannelse til sélénocystéinyl - tRNA Sec : direkte omforming av den syntase selenocystein i bakterier , indirekte omdannelse via den U- -phosphoséryl -ARNt Sec suksessivt ved O - phosphoseryl-tRNA Sec kinase og O- fosfoseryl-tRNA: selenocysteinyl-tRNA-syntase i arkea og eukaryoter .
Genene kodet i DNA blir først og fremst transkribert til pre-messenger RNA av enzymer som RNA-polymeraser . De fleste levende ting modifiserer dette pre-messenger RNA gjennom et sett med prosesser som kalles post-transkripsjonelle modifikasjoner som fører til modent messenger RNA. Sistnevnte kan deretter brukes av ribosomer til å tjene som modell under proteinbiosyntese . I prokaryoter kan messenger-RNA brukes så snart det syntetiseres eller blir oversatt til proteiner etter at de har forlatt nukleoid . I motsetning til det, i eukaryoter , produseres messenger-RNA i cellens kjerne mens proteiner syntetiseres i cytoplasmaet , så messenger-RNA må krysse kjernemembranen .
Biosyntese av et protein fra et messenger RNA er oversettelsen av dette mRNA. Messenger RNA binder seg til ribosomet, som leser det sekvensielt ved tre nukleotider på hvert trinn av syntesen. Hver triplett av nukleotider utgjør et kodon på messenger-RNA, som antikodonet til et overførings-RNA som gir den tilsvarende aminosyren kan binde seg . Den sammenkoblingen mellom det kodonet og antikodonet er basert på komplementariteten av sine respektive sekvenser . Det er denne komplementariteten som sikrer gjenkjennelsen mellom overførings-RNA og kodonen til messenger-RNA. Aminosyren som tilveiebringes av overførings-RNA på ribosomet, etablerer en peptidbinding med den C- terminale enden av den gryende kjeden, som gjør at den kan utvides med en aminosyrerest. Ribosomet beveger deretter tre nukleotider på messenger RNA for å møte et nytt kodon, som nøyaktig følger det forrige kodonet. Denne prosessen gjentas til ribosomet er foran et stoppkodon , i hvilket tilfelle translasjon stopper.
Biosyntesen av et protein blir utført, og resten etter rest, enden N- terminal til enden C- terminal . Når den er syntetisert, kan proteinet gjennomgå forskjellige mod -translasjonelle modifikasjoner som spaltning , fosforylering , acetylering , amidering , metylering , glykosylering , lipidering eller til og med dannelse av disulfidbindinger . Størrelsen på proteinene som således syntetiseres er veldig variabel. Denne størrelsen kan uttrykkes i antall aminosyrerester som utgjør disse proteiner, så vel som i dalton (symbol Da), som i molekylærbiologi , svarer til den atommasseenhet . Ettersom proteiner ofte er ganske store molekyler, blir deres masse ofte uttrykt i kilodalton (symbol kDa). For eksempel har gjærproteiner en gjennomsnittlig lengde på 466 aminosyrerester, for en masse på 53 kDa . De største kjente proteiner er de titins av sarcomers danner myofibrillene av tverrstripet skjelettmuskler : mus titin- inneholder noen 35 213 aminosyrerester består av 551,739 atomer med en masse på over 3900 kDa og en lengde l av størrelsesorden 1 mikrometer .
De små proteinene kan også syntetiseres in vitro ved en rekke metoder kjent peptidsyntese , som er basert på teknikker for organisk syntese slik som kjemisk ligering (in) for effektivt å produsere peptider. Kjemisk syntese gjør det mulig å introdusere unaturlige aminosyrer i polypeptidkjeden, for eksempel ved å plassere fluorescerende prober på sidekjeden til noen av dem. Disse metodene er nyttige i laboratoriet innen biokjemi og cellebiologi, men brukes vanligvis ikke til kommersielle applikasjoner. Kjemisk syntese er ikke effektiv til å syntetisere peptider av mer enn ca. 300 aminosyrerester , og proteiner som er produsert på denne måten, vil kanskje ikke lett anta sin opprinnelige tertiære struktur . De fleste metoder for kjemisk proteinsyntese går fra enden C- terminal til slutten N- terminal , det vil si i motsatt retning av biosyntese av proteiner med ribosomer .
Blant alle bestanddelene i cellen er proteiner de mest aktive elementene. Bortsett fra noen RNA , er de fleste andre biologiske molekyler ikke kjemisk reaktive nok, og det er proteinene som virker på dem. Proteiner utgjør omtrent halvparten av tørrstoffet i en E. coli- celle, mens RNA og DNA utgjør henholdsvis en femtedel og 3%. Alle proteinene uttrykt i en celle utgjør proteomet .
Hovedegenskapene til proteiner som lar dem utføre sine biologiske funksjoner, er deres evne til å binde seg til andre molekyler på en veldig spesifikk og veldig stram måte. Regionen til et protein som binder seg til et annet molekyl er dets bindingssted, som ofte danner en depresjon, hulrom eller "lomme" i overflaten av molekylet. Det er proteinets tertiære struktur og den kjemiske naturen til sidekjedene til restene av aminosyrene på bindingsstedet som bestemmer spesifisiteten til denne interaksjonen. Bindingsseter kan føre til meget spesifikke og tette bånd: Således er de ribonuklease-inhibitor bindes til humant angiogenin med en sub-femtomolar dissosiasjonskonstant ( <10 -15 mol L -1 ) men ikke binder seg ikke i det hele tatt til den ranpirnase , homologe av amfibier av dette proteinet (konstant større enn 1 mol L- 1 ). En liten kjemisk modifisering kan radikalt endre et molekyls evne til å samhandle med et gitt protein. Dermed binder aminoacyl-tRNA-syntetasen spesifikk for valin til sistnevnte uten å samhandle med isoleucin , som imidlertid er strukturelt veldig nær den.
Proteiner kan binde seg til andre proteiner eller til små molekyler som substrater . Når de spesifikt binder seg til andre proteiner som er identiske med seg selv, kan de polymerisere for å danne fibriller . Dette er vanlig for strukturelle proteiner, dannet av kuleformede monomerer som selvmonteres for å danne stive fibre. Av protein-protein interaksjoner også regulere deres aktivitet enzym , fremdriften av cellesyklus og sammenstilling av store proteinkomplekser realisere dele nært beslektede reaksjoner en felles biologisk funksjon. Proteiner kan også binde seg til overflaten av cellemembraner og ofte til og med bli en integrert del av dem. Evnen til visse proteiner til å endre konformasjon når de binder seg til spesifikke molekyler tillater konstruksjon av ekstremt komplekse cellesignalnettverk . Generelt er studiet av interaksjoner mellom spesifikke proteiner et sentralt element i vår forståelse av hvordan celler fungerer og deres evne til å utveksle informasjon.
Den mest synlige delen av proteinene i cellen er enzymet , det vil si biomolekyl som katalyserer de kjemiske reaksjonene . Enzymer er generelt veldig spesifikke og akselererer bare en eller få kjemiske reaksjoner. De aller fleste kjemiske reaksjoner i metabolismen utføres av enzymer. I tillegg til metabolisme er sistnevnte også involvert i genuttrykk , DNA-replikasjon , DNA- reparasjon , transkripsjon av DNA til RNA , og oversettelse av messenger-RNA til proteiner. Noen enzymer jobber med andre proteiner for å binde eller spalte visse funksjonelle grupper og rester av andre biomolekyler i dem, i en prosess som kalles posttranslasjonell modifisering . Enzymer katalyserer over 5000 forskjellige kjemiske reaksjoner. Som alle katalysatorer modifiserer de ikke kjemisk likevekt, men akselererer reaksjoner, noen ganger i betydelige proporsjoner; således katalyserer orotidin-5'-fosfat-dekarboksylase i millisekunder en reaksjon som ellers ville tatt flere millioner år.
Molekyler som binder seg til enzymer og som kjemisk endres av dem, kalles substrater . Selv om enzymer noen ganger består av flere hundre aminosyrerester, er det bare noen få av dem som kommer i kontakt med enzymets substrat (er), og et veldig lite antall - vanligvis tre eller fire - er direkte involvert i katalyse. Det aktive stedet er regionen til et enzym som er involvert i den kjemiske reaksjonen katalysert av dette proteinet: det grupperer sammen restene som binder seg til substratet eller bidrar til dets posisjonering, så vel som restene som direkte katalyserer reaksjonen.
Mange proteiner er involvert i mekanismene for cellesignalering og signaltransduksjon . Enkelte proteiner som insulin tilhører det ekstracellulære miljøet og overfører et signal fra cellen hvor de syntetiseres til andre celler som noen ganger ligger i fjerne vev . Andre er membranproteiner som fungerer som reseptorer hvis hovedfunksjon er å binde til molekyler som bærer signaler og indusere en biokjemisk respons i målcellen. Mange membranreseptorer har et bindingssete eksponert til utsiden av cellen, og et felt effektor (en) i kontakt med det intracellulære medium. Dette effektordomenet kan ha en enzymatisk aktivitet eller kan gjennomgå konformasjonsendringer som virker på andre intracellulære proteiner.
De antistoffene er proteinbestanddeler i immunsystemet hvis primære funksjon er å binde seg til antigener eller xenobiotisk å merke dem for eliminering fra kroppen. Antistoffene kan skilles ut i det ekstracellulære mediet eller forankres i plasmamembranen til spesialiserte B-lymfocytter kalt plasmaceller . Der enzymer er veldig spesifikke for substratene for å akselerere veldig presise kjemiske reaksjoner, har ikke antistoffer denne begrensningen; på den annen side er deres tilknytning til målet deres ekstremt høy.
Mange ligandtransportørproteiner binder seg spesifikt til små molekyler og transporterer dem til sine destinasjoner gjennom cellene og vevet i flercellede organismer . Disse proteinene må ha høy affinitet for liganden når konsentrasjonen derav er høy, men må også kunne frigjøre den når konsentrasjonen er lav i målvevet. Det kanoniske eksempelet på det ligandbærende proteinet er hemoglobin , som fører oksygen fra lungene til andre organer og vev i alle virveldyr og har relaterte kolleger i alle levende riker . De lektiner er proteiner som binder reversibelt til visse karbohydrater med meget høy spesifisitet. De spiller en rolle i biologiske gjenkjennelsesfenomener som involverer celler og proteiner.
De transmembranproteiner kan også spille rollen som transportøren ligand protein kan forandre permeabiliteten av cellemembranen til små molekyler polare og ioner . Selve membranen har en hydrofob kjerne som polære eller elektrisk ladede molekyler ikke kan diffundere gjennom. Membranproteinene kan således inneholde en eller flere kanaler gjennom cellemembranen og la disse molekylene og disse ionene krysse den. Mange ionekanaler er veldig spesifikke for ionet de sirkulerer. Dermed er kaliumkanaler og natriumkanaler ofte spesifikke for den ene av de to ionene kalium og natrium, med unntak av den andre.
Strukturelle proteiner gir stivhet og stivhet til biologiske bestanddeler som uten dem ville være flytende. De fleste strukturelle proteiner er fibrøse. Dette er for eksempel tilfellet med kollagen og elastin som er essensielle bestanddeler av bindevev slik som brusk og keratin som er tilstede i harde eller trådformede strukturer som hår , negler , fjær , hover og eksoskelettet til noen dyr . Visse kuleproteiner kan også spille en strukturell rolle, for eksempel aktin og tubulin hvis monomerer er kuleformige og oppløselige, men polymeriserer for å danne lange stive filamenter som utgjør cytoskelettet , som gjør at cellen kan opprettholde sin form og størrelse.
Den motor proteiner er spesifikke strukturelle proteiner som er i stand til å generere mekaniske krefter. Dette er for eksempel myosin , kinesin og dynein . Disse proteinene er essensielle for motiliteten til encellede organismer så vel som for sædceller fra flercellede organismer . De hjelper også med å generere kreftene som arbeider i muskelkontraksjon og spiller en viktig rolle i intracellulær transport.
Imidlertid ser mannoproteiner ut til å ha nøkkelroller i celler, spesielt ved å kontrollere porøsiteten til celleveggen.
Proteiner utfører dermed et bredt utvalg av funksjoner i cellen og kroppen:
Proteinens struktur og funksjoner kan studeres in vivo , in vitro og i silico . In vivo studier gjør det mulig å utforske den fysiologiske rollen til et protein i en levende celle eller til og med i en organisme som helhet. In vitro- studier av rensede proteiner i kontrollerte miljøer er nyttige for å forstå hvordan et protein fungerer in vivo : for eksempel å studere kinetikken til et enzym muliggjør analyse av den kjemiske mekanismen for dets katalytiske aktivitet og dets relative affinitet med hensyn til forskjellige substrater . I silico- studier bruker datamaskinalgoritmer for å modellere proteiner.
For å kunne analyseres in vitro , må et protein først ha blitt renset fra de andre kjemiske bestanddelene i cellen. Dette begynner vanligvis med lysering av cellen, der plasmamembranen brytes for å frigjøre innholdet i en løsning for å gi et lysat. Denne blandingen kan renses ved ultrasentrifugering , som gjør det mulig å skille bestanddelene i fraksjoner som inneholder henholdsvis oppløselige proteiner, lipider og membranproteiner , celleorganeller og nukleinsyrer . Den utfelling av proteinene ved frigivelse gjør det mulig å konsentrere dem fra dette lysat. Det er da mulig å bruke flere typer kromatografi for å isolere proteinene som det er ønskelig å studere i henhold til deres fysisk-kjemiske egenskaper som deres molare masse , deres elektriske ladning eller til og med deres bindingsaffinitet. Graden av rensing kan følges ved bruk av flere typer gelelektroforese hvis molekylmassen og det isoelektriske punktet til de studerte proteinene er kjent, ved spektroskopi hvis proteinet har identifiserbare spektroskopiske egenskaper, eller ved enzymatisk analyse (in) hvis proteinet bærer enzymatisk aktivitet . Videre kan proteiner isoleres i henhold til deres elektriske ladning ved isoelektrisk fokusering .
Naturlige proteiner krever etter hvert en rekke rensetrinn før de kan studeres i laboratoriet. For å forenkle denne prosessen brukes genteknologi ofte til å modifisere proteiner ved å gi dem egenskaper som gjør dem lettere å rense uten å endre struktur eller aktivitet. Det tilfører således "merkinger" som er gjenkjennelige på proteinet i form av sekvenser av aminosyrer som er identifisert, ofte et antall rester av histidin - polyhistidin-tag eller His-tag - til enden C- terminal eller i enden N- terminal av den polypeptidkjeden . Derfor, når lysatet plasseres i en kromatografisk kolonne som inneholder nikkel , blir histidinrester kompleksert med nikkel og forblir bundet til kolonnen mens de ikke-merkede bestanddelene passerer gjennom det uten å bli stoppet. Flere typer etiketter er utviklet for å tillate forskere å rense bestemte proteiner fra komplekse blandinger.
In vivo- studien av proteiner innebærer ofte å vite nøyaktig hvor de syntetiseres og hvor de finnes i celler. Selv om de fleste intracellulære proteiner blir produsert i cytoplasma og mest membran eller utskilte proteiner i den ekstracellulære medium er produsert i den endoplasmatiske retikulum , er det sjelden at vi forstå nøyaktig hvordan proteiner er spesielt rettet mot visse cellestrukturer eller visse cellestrukturer. Organeller . Den genteknologi gir nyttige verktøy for å få et inntrykk av plasseringen av visse proteiner, for eksempel ved å binde proteinet til et protein undersøkt tillater sted, det vil si, ved å utføre et fusjonsprotein mellom proteinet studert og et protein som brukes som en markør, slik som grønt fluorescerende protein . Den intracellulære lokaliseringen av det resulterende fusjonsproteinet kan enkelt og effektivt visualiseres ved mikroskopi .
Andre metoder for intracellulær lokalisering av proteiner involverer bruk av markører som er kjent for visse cellerom som endoplasmatisk retikulum , Golgi-apparat , lysosomer , mitokondrier , kloroplaster , plasmamembran , etc. Det er for eksempel mulig å lokalisere proteiner merket med et fluorescerende merke eller målrettet med antistoffer mot disse markørene. Immunfluorescens teknikker dermed gjøre det mulig å lokalisere spesifikke proteiner. Fluorescerende pigmenter brukes også til å merke celledeler for et lignende formål.
Den immunhistokjemi benytter vanligvis et antistoff som er rettet mot ett eller flere forskjellige proteiner som er konjugert med enzymer som sender ut signaler Lysende eller kromogen kan sammenlignes med forskjellige prøver, noe som gjør det mulig å utlede informasjon om plasseringen av proteinene som ble studert. Det er også mulig å bruke ko-fraksjoneringsteknikker i en sukrose (eller annen substans) gradient ved bruk av isopyknisk sentrifugering.
Immunoelektronmikroskopi kombinerer bruken av konvensjonell elektronmikroskopi med bruk av et antistoff rettet mot det studerte proteinet, og dette antistoffet ble tidligere konjugert til et materiale med høy elektrondensitet som gull . Dette gjør det mulig å finne ultrastrukturelle detaljer så vel som proteinet som studeres.
Proteinsettet av en celle eller av en celletype utgjør proteomet , og den vitenskapelige disiplinen som studerer den er proteomikk . Disse to begrepene ble laget analogt med genom og genomikk . Hvis proteomet er avledet fra genomet, er det imidlertid ikke mulig å forutsi nøyaktig hva proteomet til en celle vil være fra den enkle kunnskapen om genomet. Faktisk varierer ekspresjonen av et gen fra en celle til en annen i samme organisme som en funksjon av celledifferensiering , eller til og med i den samme cellen som en funksjon av cellesyklusen . Videre kan det samme genet gi flere proteiner (for eksempel virale polyproteiner ), og endringer etter translasjon er ofte nødvendige for å gjøre et protein aktivt.
Blant de eksperimentelle teknikkene som brukes i proteomikk, bemerker vi todimensjonal elektroforese , som tillater separering av et stort antall proteiner, massespektrometri , som muliggjør rask og høy gjennomstrømning av proteinidentifikasjon samt sekvensering av peptider. (Oftest etter gel fordøyelse (en) ), protein chips (en) , som tillater påvisning av relative konsentrasjoner av et stort antall proteiner tilstede i en celle, og den dobbelte hybrid tilnærmingen som også tillater utforsking av protein-protein interaksjoner . Settet med protein-protein-interaksjoner i en celle kalles et interaktom . Tilnærmingen til å bestemme strukturen til proteiner blant alle mulige konformasjoner er strukturell genomikk .
Det er nå en rekke datamaskinmetoder tilgjengelig for å analysere proteinenes struktur, funksjon og evolusjon. Utviklingen av slike verktøy ble gjort nødvendig av den store mengden genomiske og proteomiske data som var tilgjengelig for et veldig stort antall levende vesener, med utgangspunkt i det menneskelige genomet . Det er umulig å studere alle proteiner eksperimentelt, slik at bare et lite antall av dem blir studert i laboratoriet mens beregningsverktøyene gjør det mulig å ekstrapolere resultatene som er oppnådd til andre proteiner som ligner på dem. Slike homologe proteiner identifiseres effektivt ved sekvensjusteringsteknikker . Peptidsekvensen profileringsverktøy gjør det mulig å lokalisere områder som kløyves av restriksjonsenzymer , leserammene i nukleotidsekvenser , og forutsi sekundære strukturer . Det er også mulig å konstruere fylogenetiske trær og utvikle hypoteser om evolusjonen ved hjelp av programvare som ClustalW (in) for å spore forfedrene til moderne organismer og deres gener. Bioinformatikkverktøy har blitt viktig for studiet av gener og proteiner uttrykt av disse genene.
I tillegg til strukturell genomikk, forutsier prediksjon av proteinstruktur å utvikle midler for effektivt å bygge sannsynlige modeller som beskriver strukturen til proteiner som ikke kunne løses eksperimentelt. Den mest effektive måten å forutsi struktur på, kalt homologimodellering , er avhengig av at det eksisterer kjente modellstrukturer hvis sekvens er lik den for proteinet som studeres. Målet med strukturell genomikk er å gi tilstrekkelig data om løste strukturer for å gjøre det mulig å belyse de som gjenstår å løse. Selv om det fortsatt er vanskelig å modellere strukturer nøyaktig når det bare er fjerne strukturelle modeller å referere til, antas det at kjernen i problemet ligger i justeringen av sekvensene fordi veldig nøyaktige modeller kan bli funnet. Etablert når en veldig nøyaktig sekvensjustering er kjent. Mange strukturer forutsigelser var nyttige for det nye feltet for protein engineering (in) , som inkluderte utvikling av nye former for folding . Et mer komplekst problem å løse ved beregning er prediksjon av intermolekylære interaksjoner, slik som prediksjon av forankring av molekyler og protein-protein-interaksjoner .
Bretting og binding av proteiner kan simuleres ved hjelp av teknikker som molekylær mekanikk , molekylær dynamikk og Monte Carlo-metoden , som drar nytte av mer og mer dataarkitekturer parallell og distribuert databehandling , som prosjektet Folding @ home eller molekylær modellering på en grafikkprosessor . Brettingen av små α-heliske proteindomener , som villin cap og tilbehørsproteinet til HIV , er vellykket simulert i silico , og hybridmetoder som kombinerer standard molekylær dynamikk med elementer av kvantemekanikk har gjort det mulig å utforske de elektroniske tilstandene til rhodopsins .
Planen for å lage proteiner avhenger derfor først og fremst av genet . Sekvensene av gener er imidlertid ikke strengt identiske fra ett individ til et annet. I tillegg, når det gjelder diploide levende ting , er det to kopier av hvert gen. Og disse to eksemplarene er ikke nødvendigvis identiske. Et gen eksisterer derfor i flere versjoner fra ett individ til et annet og noen ganger i det samme individet. Disse forskjellige versjonene kalles alleler . Settet med alleler til et individ danner genotypen .
Siden gener finnes i flere versjoner, vil proteiner også eksistere i forskjellige versjoner. Disse forskjellige versjonene av proteiner vil forårsake forskjeller fra individ til person, slik person har blå øyne, men som andre har svarte øyne osv . Disse egenskapene, synlige eller ikke, spesifikke for hver enkelt kalles fenotypen . I det samme individet sies det at en gruppe proteiner med en lignende sekvens og identisk funksjon er isoform . Isoformer kan være resultatet av den alternative spleisen av det samme genet, ekspresjonen av flere gener av et gen, eller tilstedeværelsen av flere homologe gener i genomet.
Under evolusjonen har akkumuleringer av mutasjoner ført til at gener har spredt seg innenfor og mellom arter . Fra dette kommer mangfoldet av proteiner assosiert med dem. Imidlertid er det mulig å definere familier av proteiner, som selv tilsvarer familier av gener. Således, i en art, kan svært like gener, og derfor proteiner, eksistere sammen og danne en familie. To nært beslektede arter har sannsynligvis representanter for samme familie av proteiner.
Vi snakker om homologi mellom proteiner når forskjellige proteiner har en felles opprinnelse, et felles forfedren.
Sammenligningen av sekvensene av proteiner gjør det mulig å demonstrere graden av "slekt" mellom forskjellige proteiner, man snakker her om sekvenslikhet. Funksjonen til proteiner kan avvike når likheten avtar, og dermed føre til familier av proteiner som har en felles opprinnelse, men som har forskjellige funksjoner.
Analyse av proteinsekvenser og strukturer har vist at mange organiserer seg i domener , det vil si deler som får struktur og utfører en bestemt funksjon. Eksistensen av proteiner med flere domener kan være resultatet av rekombinasjonen til et enkelt gen av flere opprinnelig individuelle gener, og omvendt proteiner sammensatt av et enkelt domene kan være resultatet av separasjonen i flere gener fra et gen opprinnelig. -domene protein.
Under fordøyelsen , fra magen, blir proteiner av plante-, bakterie-, sopp- eller animalsk opprinnelse nedbrutt ( hydrolysert ) av proteaser ; brutt ned i polypeptider og deretter til aminosyrer som er nyttige for kroppen , inkludert essensielle aminosyrer (som kroppen ikke kan syntetisere). Den pepsinogen omdannes til pepsin i kontakt med saltsyre magen. Pepsin er det eneste proteolytiske enzymet som fordøyer kollagen , hovedproteinet i bindevev .
Fordøyelsen av proteiner foregår hovedsakelig i tolvfingertarmen . De absorberes hovedsakelig når de ankommer jejunum, og bare 1% av inntatt proteiner finnes i avføringen . Visse aminosyrer forblir i tarmens epitelceller , brukt til biosyntese av nye proteiner, inkludert tarmproteiner som kontinuerlig fordøyes, resirkuleres og absorberes av tynntarmen .
Fordøyeligheten til proteiner varierer betydelig avhengig av deres natur og tilberedning av maten.
De Anses anbefaler en anbefalt inntak (RDI) på 0,83 g · kg -1 · d -1 , til et maksimum på 2,2 g · kg -1 · d -1 i voksne i god helse, 62 g per dag til et menneske av 75 kg . Det skal bemerkes at ANC er høyere enn gjennomsnittsbehovet som er 0,66 g · kg -1 · d -1 ifølge den samme rapporten, noe som vil gi 49,5 g per dag for forrige sak.
Det gjennomsnittlige proteinbehovet er definert av FAO, som anbefaler 49 g protein for voksne menn og 41 g for kvinner (47 hvis gravide, 58,5 hvis du ammer).
I følge American Heart Association er det ikke nødvendig å konsumere animalsk protein for å ha nok protein i kostholdet ditt: planteprotein kan gi nok essensielle og ikke-essensielle aminosyrer, så lenge kildene til protein i kosten er varierte og at kalori inntak er tilstrekkelig for å dekke energibehov. Det er ikke nødvendig å kombinere dem i samme måltid. The American Dietetic Association minner også om at planteprotein kan møte protein krav dersom anlegget kostholdet er variert og tilfredsstiller energikrav. I tillegg kan “et utvalg av vegetabilske matvarer som forbrukes i løpet av en dag, gi alle essensielle aminosyrer og sikre tilstrekkelig nitrogenretensjon og bruk hos friske voksne, slik at proteinkombinasjonen under samme måltid ikke er nødvendig. "
Alle nødvendige aminosyrer må leveres av mat, med smerter for å være mangelfull, noe som innebærer forskjellige proteinkilder.
Anbefalingen om å kombinere animalsk og planteprotein i hvert måltid er ugyldiggjort siden 1994 etter en artikkel av Vernon Young og Peter Pellett som ble en referanse om proteinmetabolisme hos mennesker, og bekreftet at kombinasjonen av proteiner i måltid er helt unødvendig. Mennesker som ikke ønsker å spise animalsk protein, risikerer ikke en aminosyrebalanse i planteproteiner i kostholdet. Mange vegetabilske proteiner inneholder litt mindre enn en eller flere av de essensielle aminosyrene ( spesielt lysin og i mindre grad metionin og treonin ), uten at det eksklusive forbruket av kilder til vegetabilske proteiner hindrer et balansert kosthold i aminosyrer.
Konklusjonene i artikkelen fra Young og Pellet skal bare vurderes i det helt generelle tilfellet der korn ikke er den eksklusive matkilden, som de er nøye med å spesifisere, i tillegg, hvor de forklarer i andre artikler. I noen vanskeligstilte regioner kan matrasjoner bare omfatte frokostblandinger, noe som gir alvorlige helseproblemer for små barn, for eksempel i fattige husholdninger i staten Madhya Pradesh i India (hvete og ris).
I tillegg søker frøbedrifter å skaffe eller allerede ha oppnådd varianter av frokostblandinger med et modifisert aminosyreinnhold ( GMO ), for eksempel mais beriket med lysin.
De franske helsemyndighetene (AFSSA / ANSES ) nekter fortsatt å løse dette spørsmålet.
Den kosttilskudd protein finnes for idrettsutøvere som ønsker å utvikle sin muskelvolum, og for folk i proteinmangel. Proteinene som brukes er ofte proteiner oppnådd fra lucerne ( Alfalfa i form av bladekstrakt (EFL) ) , feltbønner , erter eller myse (under navnet "myse") og forgrenede aminosyrer betegnet under navnet "BCAA" .
De essensielle aminosyrer ofte står for en betydelig andel av disse proteinene ( f.eks. 61,8 og 63,3% av den totale aminosyre nivåer henholdsvis i Tricholoma portentosum og Tricholoma terreum (hvor leucin , den isoleucin og tryptofan er de begrensende aminosyrer) De korrigerte aminosyrescoreene (PDCAAS) av proteinene til disse to soppene er lave sammenlignet med kasein, eggehvite og soyabønner, men høyere enn for mange planteproteiner. Fettinnholdet var lavt (5,7% for Tricholoma porterosum og 6,6 % for Tricholoma terreum ) hos begge arter, med oljesyre og linolsyre som utgjør over 75% av de totale fettsyrene.
Noen som fungus de Paris (3,09 g protein per 100 g ) har lenge blitt dyrket og tørket, men individuelt ( som andre matvarer) kan de ha mangel på visse aminosyrer ( f.eks. svovelholdige aminosyrer, metionin og cystin når det gjelder østerssopp for eksempel), men de er rike på lysin og leucin som mangler for eksempel i frokostblandinger. De blir fremdeles oppdaget dyder ( f.eks.: Et av disse proteinene ser ut til at mus hemmer matallergi ) og defekter ( f.eks. Et annet soppprotein har vist seg å være kardiotoksisk ).