POLYMER AND PROTEIN

Polimer

Dari Wikipedia, ensiklopedia bebas

Penampilan real rantai polimer linier seperti yang tercatat menggunakan mikroskop atom di permukaan bawah media cair.Rantai kontur panjang untuk polimer ini adalah ~ 204 nm; ketebalan adalah ~ 0,4 nm. ^[1]

Polimer adalah besar molekul ( makromolekul ) yang terdiri dari mengulang unit struktural . Sub-unit yang biasanya dihubungkan dengankovalen ikatan kimia . Meskipun istilah polimer kadang-kadang diambil untuk mengacu pada plastik , sebenarnya mencakup kelas besar senyawa yang terdiri dari kedua bahan alami dan sintetik dengan berbagai macam sifat.

Karena jangkauan yang luar biasa dari sifat bahan polimer, ^[2] mereka memainkan peran penting dan mana-mana dalam kehidupan sehari-hari. ^[3]Peran ini berkisar dari plastik sintetis akrab dan elastomer untuk alam biopolimer seperti asam nukleat dan protein yang penting untuk hidup.

Bahan polimer alam seperti lak , kuning , dan alami karet telah digunakan selama berabad-abad. Berbagai polimer alam lainnya ada, sepertiselulosa , yang merupakan konstituen utama dari kayu dan kertas. Para daftar polimer sintetis termasuk sintetis dan banyak lagi.

Paling umum, tulang punggung terus menerus terkait dari polimer digunakan untuk pembuatan plastik sebagian besar terdiri dari karbon atom.Contoh sederhana adalah polyethylene ('plastik' di British bahasa Inggris), yang mengulangi unit berdasarkan etilen monomer . Namun, struktur lain memang ada, misalnya, unsur-unsur seperti silikon membentuk bahan akrab seperti silikon, contoh menjadi Silly Putty dan sealant pipa tahan air. Oksigen juga biasa hadir dalam tulang punggung polimer, seperti yang dari polietilen glikol , polisakarida (dalam obligasi glikosidik ), dan DNA (dalam ikatan fosfodiester ).

Etimologi

Polimer Kata ini berasal dari kata Yunani πολύ-- poli-berarti "banyak", dan μέρος - meros berarti "bagian". Istilah ini diciptakan pada 1833 oleh Jöns Jacob Berzelius , meskipundefinisinya dari polimer sangat berbeda dari definisi modern.

[ sunting ]Polimer sintesis

Artikel utama: Polimerisasi

Unit mengulangi dari polipropilena polimer

Polimerisasi adalah proses menggabungkan banyak molekul kecil yang dikenal sebagai monomer menjadi rantai kovalen terikat atau jaringan. Selama proses polimerisasi, beberapa kelompok kimia dapat hilang dari monomer masing-masing. Ini terjadi, misalnya, dalam polimerisasi poliester PET . Monomer adalah asam tereftalat (HOOC-C ₆ H _4-COOH) dan etilena glikol (HO-CH _{2-CH 2-OH)} tetapi unit yang berulang adalah-OC-C ₆ H _{4-COO-CH 2-CH 2} - O-, yang sesuai dengan kombinasi dari dua monomer dengan hilangnya dua molekul air. Bagian yang berbeda dari monomer setiap yang dimasukkan ke dalam polimer dikenal sebagai satuan berulang atau residu monomer.

[ sunting ]Laboratorium sintesis

Metode laboratorium sintetis umumnya dibagi menjadi dua kategori, langkah-pertumbuhan polimerisasi dan polimerisasi rantai-pertumbuhan. ^[4] Perbedaan penting antara keduanya adalah bahwa dalam polimerisasi rantai pertumbuhan, monomer ditambahkan ke rantai satu per satu saja, ^{[5 ]} sedangkan pada langkah-pertumbuhan rantai polimerisasi monomer dapat menggabungkan dengan satu sama lain secara langsung. ^[6] Namun, beberapa metode baru seperti polimerisasi plasma tidak cocok dengan kategori baik. Reaksi polimerisasi sintetik dapat dilakukan dengan atau tanpa katalis . Laboratorium sintesis biopolimer, khususnya protein , adalah daerah penelitian intensif.

[ sunting ]Biologi sintesis

Mikrostruktur bagian dari DNAdouble helix biopolimer

Artikel utama: Biopolimer

Ada tiga kelas utama dari biopolimer: polisakarida , polipeptida , dan polinukleotida . Dalam sel hidup, mereka dapat disintesis oleh enzim-mediated proses, seperti pembentukan katalis DNA oleh polimerase DNA . Para sintesis protein melibatkan beberapa enzim yang dimediasi proses untuk menuliskan informasi genetik dari DNA untuk RNA dan kemudian menerjemahkan informasi tersebut untuk mensintesis protein tertentu dari asam amino . Protein dapat dimodifikasi lebih lanjut terjemahan berikut untuk menyediakan struktur yang sesuai dan berfungsi.

[ sunting ]Modifikasi polimer alam

Polimer komersial penting Banyak disintesis dengan modifikasi kimia dari polimer alami. Contoh menonjol termasuk reaksi asam nitrat dan selulosa untuk membentuk nitroselulosa dan pembentukan karet vulkanisat dengan memanaskan karet alam dengan adanya belerang . Cara di mana polimer dapat dimodifikasi meliputi oksidasi , cross-linking dan akhir-capping.

[ sunting ]Polimer properti

Polimer properti luas dibagi menjadi beberapa kelas berdasarkan skala di mana properti didefinisikan maupun pada dasar fisiknya. ^[7] Sifat paling dasar dari polimer adalah identitas monomer penyusunnya. Satu set kedua properti, yang dikenal sebagai mikro, pada dasarnya menggambarkan susunan dari monomer dalam polimer pada skala rantai tunggal. Properti ini struktur dasar memainkan peran utama dalam menentukan sifat fisik sebagian besar polimer, yang menjelaskan bagaimana polimer berperilaku sebagai bahan makroskopik terus menerus.Sifat kimia, pada skala-nano, menjelaskan bagaimana rantai berinteraksi melalui kekuatan fisik yang beragam. Pada skala makro, mereka menggambarkan bagaimana polimer yang besar berinteraksi dengan bahan kimia lainnya dan pelarut.

[ sunting ]Monomer dan unit ulangi

Identitas residu monomer (unit ulangi) yang terdiri dari polimer adalah atribut pertama dan paling penting. Polimer nomenklatur umumnya didasarkan pada jenis residu monomer yang terdiri dari polimer. Polimer yang mengandung hanya satu jenis satuan ulangi dikenal sebagai homopolimer, sedangkan polimer yang mengandung campuran dari unit berulang dikenal sebagai kopolimer . Poli (stirena), misalnya, terdiri hanya dari residu monomer stirena, dan karena itu diklasifikasikan sebagai suatu homopolimer. Etilen-vinil asetat , di sisi lain, berisi lebih dari satu berbagai unit yang berulang dan dengan demikian merupakan kopolimer . Beberapa polimer biologis yang terdiri dari berbagai residu monomer yang berbeda tetapi terkait secara struktural, misalnya, polinukleotida seperti DNA terdiri dari berbagai nukleotida subunit.

Sebuah molekul polimer yang mengandung subunit terionisasi yang dikenal sebagai polyelectrolyte atau ionomer .

[ sunting ]Mikrostruktur

Struktur mikro polimer (kadang disebut konfigurasi) berkaitan dengan susunan fisik dari residu monomer sepanjang tulang punggung rantai. ^[8] Ini adalah elemen struktur polimer yang membutuhkan pemecahan ikatan kovalen untuk berubah. Struktur memiliki pengaruh yang kuat pada sifat-sifat lain dari polimer. Sebagai contoh, dua sampel karet alam mungkin menunjukkan daya tahan yang berbeda, meskipun molekul mereka terdiri dari monomer yang sama.

[ sunting ]Polimer arsitektur

Artikel utama: Polimer arsitektur

Cabang titik dalam polimer

Sebuah fitur penting dari struktur mikro polimer adalah arsitektur, yang berhubungan dengan cara poin cabang menyebabkan penyimpangan dari rantai linier sederhana. ^[9] Sebuah polimer bercabang molekul terdiri dari rantai utama dengan satu atau lebih rantai samping substituen atau cabang . Jenis polimer bercabang termasuk polimer bintang , polimer sisir , sikat polimer , polimer dendronized , tahapan, dandendrimers . ^[9]

Sebuah arsitektur polimer mempengaruhi banyak sifat fisik termasuk, namun tidak terbatas pada, viskositas larutan, meleleh viskositas, kelarutan dalam berbagai pelarut, suhu transisi gelas dan ukuran koil polimer individu dalam larutan.

Berbagai teknik dapat digunakan untuk sintesis bahan polimer dengan berbagai arsitektur, misalnya polimerisasi Hidup .

Berbagai polimer arsitektur.

[ sunting ]Rantai panjang

Sifat fisik ^[10] dari polimer sangat tergantung pada ukuran atau panjang rantai polimer. ^[11] Misalnya, seperti panjang rantai meningkat, mencair dan mendidih suhu meningkat dengan cepat. ^[11] Dampak resistensi juga cenderung meningkat dengan panjang rantai, seperti halnya viskositas , atau resistensi terhadap aliran, dari polimer dalam keadaan lelehan nya. ^[12] Rantai panjang terkait mencair viskositas kira-kira 1:10 ^3.2, sehingga peningkatan sepuluh kali lipat dalam hasil panjang rantai polimer dalam peningkatan viskositas lebih dari 1000 kali ^{[ rujukan? ].} Panjang rantai Meningkatkan selanjutnya cenderung menurun mobilitas rantai, meningkatkan kekuatan dan ketangguhan, dan meningkatkan suhu transisi gelas (T _g) ^{[ rujukan? ].} Ini adalah hasil dari peningkatan interaksi rantai seperti Van der Waals atraksi dan keterlibatan yang datang dengan panjang rantai meningkat ^{[ rujukan? ].} Interaksi ini cenderung memperbaiki rantai individu lebih kuat dalam posisi dan menahan deformasi dan perpecahan matriks, baik pada tegangan yang lebih tinggi dan suhu yang lebih tinggi ^{[ rujukan? ].}

Sebuah cara yang umum untuk mengekspresikan panjang rantai adalah derajat polimerisasi , yang mengkuantifikasi jumlah monomer dimasukkan ke dalam rantai. ^[13] [14] Seperti dengan molekul lain, ukuran polimer juga dapat dinyatakan dalam berat molekul . Karena teknik polimerisasi sintetik biasanya menghasilkan produk polimer termasuk berbagai berat molekul, berat sering dinyatakan statistik untuk menggambarkan distribusi panjang rantai hadir di sama. Contoh umum adalah berat molekul rata-rata dan berat rata-rata berat molekul . ^[15] [16] Rasio kedua nilai adalah indeks polidispersitas , umumnya digunakan untuk menyatakan "lebar" dari distribusi berat molekul. ^[17] Sebuah akhir pengukuran kontur panjang, yang dapat dipahami sebagai panjang tulang punggung rantai di negaranya sepenuhnya diperpanjang. ^[18]

Fleksibilitas dari polimer rantai bercabang yang ditandai dengan panjang ketekunan .

[ sunting ]Monomer pengaturan dalam kopolimer

Artikel utama: kopolimer

Monomer dalam kopolimer yang dapat diselenggarakan di sepanjang tulang punggung dalam berbagai cara.

§  Kopolimer bergantian secara teratur memiliki bolak residu monomer: ^[19] [AB ...] _n (2).

§  Kopolimer Periodik memiliki jenis residu monomer disusun dalam urutan mengulangi: [A _n B _m ...] m menjadi berbeda dari n.

§  Kopolimer statistik memiliki residu monomer diatur menurut aturan statistik yang dikenal. Sebuah kopolimer statistik dimana probabilitas untuk menemukan jenis tertentu dari residu monomer pada titik tertentu dalam rantai tersebut tidak tergantung pada jenis sekitarnya residu monomer dapat disebut sebagai kopolimer benar-benar acak ^[20] [21] (3).

§  Kopolimer blok memiliki subunit homopolimer dua atau lebih yang dihubungkan oleh ikatan kovalen ^[19](4). Polimer dengan dua atau tiga blok dari dua spesies kimia yang berbeda (misalnya, A dan B) disebut kopolimer diblock dan kopolimer triblock, masing-masing. Polimer dengan tiga blok, masing-masing spesies kimia yang berbeda (misalnya, A, B, dan C) terpolimer triblock ini disebut.

§  Kopolimer graft atau dicangkokkan mengandung rantai samping yang memiliki komposisi yang berbeda atau konfigurasi dari rantai utama. (5)

[ sunting ]Tacticity

Artikel utama: Tacticity

Tacticity menggambarkan relatif stereokimia dari kiral pusat di negara tetangga unit struktural dalam sebuah makromolekul. Ada tiga jenis: isotaktik (semua substituen pada sisi yang sama), ataktik (penempatan acak substituen), dan sindiotaktis (alternating penempatan substituen).

[ sunting ]Polimer morfologi

Morfologi polimer umumnya menggambarkan susunan dan mikro pemesanan rantai polimer dalam ruang.

[ sunting ]Kristalinitas

Ketika diterapkan pada polimer, pada kristal memiliki penggunaan istilah yang agak ambigu. Dalam beberapa kasus, kristal jangka menemukan penggunaan identik dengan yang digunakan di konvensional kristalografi . Sebagai contoh, struktur protein kristal atau polinukleotida, seperti sampel dipersiapkan untuk kristalografi sinar-x , dapat didefinisikan dalam hal sebuah sel unit konvensional terdiri dari satu atau lebih molekul polimer dengan dimensi sel ratusan angstrom atau lebih.

Polimer sintetik dapat secara bebas digambarkan sebagai kristal jika mengandung daerah tiga dimensi pemesanan pada skala panjang atom (bukan makromolekul), biasanya timbul dari lipat intramolekul dan / atau tumpukan dari rantai yang berdekatan. Polimer sintetis dapat terdiri dari daerah kedua kristal dan amorf, derajat kristalinitas dapat dinyatakan dalam sebuah fraksi berat atau fraksi volume dari bahan kristal. Beberapa polimer sintetis sepenuhnya kristal. ^[22]

Kristalinitas polimer ditandai dengan gelar mereka kristalinitas, mulai dari nol untuk polimer sepenuhnya non-kristal untuk satu untuk polimer kristal sepenuhnya teoritis. Polimer dengan daerah mikrokristalin umumnya lebih keras (bisa ditekuk lebih tanpa melanggar) dan lebih dari dampak-tahan polimer sama sekali amorf. ^[23]

Polimer dengan derajat kristalinitas mendekati nol atau satu akan cenderung transparan, sedangkan polimer dengan derajat kristalinitas menengah akan cenderung buram akibat hamburan cahaya oleh daerah kristal atau kaca. Jadi untuk polimer banyak, kristalinitas berkurang juga mungkin terkait dengan meningkatkan transparansi.

[ sunting ]Rantai konformasi

Ruang yang ditempati oleh molekul polimer umumnya dinyatakan dalam jari-jari rotasi , yang merupakan jarak rata-rata dari pusat massa rantai ke rantai itu sendiri. Atau, dapat dinyatakan dalam hal volume yang merasuki , yang merupakan volume larutan yang direntang oleh rantai polimer dan timbangan dengan kubus dari jari-jari rotasi. ^[24]

[ sunting ]Sifat mekanis

Contoh polietilenpenciutan bawah ketegangan.

Sifat sebagian besar polimer adalah yang paling sering dari pengguna akhir bunga. Ini adalah sifat yang menentukan bagaimana polimer benar-benar berperilaku pada skala makroskopik.

[ sunting ]Kekuatan tarik

Para kekuatan tarik material mengkuantifikasi berapa banyak stres bahan akan bertahan sebelum menderita deformasi permanen. ^[25] [26] Hal ini sangat penting dalam aplikasi yang mengandalkan kekuatan fisik polimer atau daya tahan. Sebagai contoh, sebuah band karet dengan kekuatan tarik yang lebih tinggi akan mengadakan berat yang lebih besar sebelum patah. Secara umum, peningkatan kekuatan tarik dengan panjang rantai polimer dan silang rantai polimer.

[ sunting ]Young modulus elastisitas

Modulus Young mengkuantifikasi elastisitas polimer. Hal ini didefinisikan, untuk strain kecil, sebagai rasio laju perubahan tegangan terhadap regangan.Seperti kekuatan tarik, ini adalah sangat relevan dalam aplikasi polimer yang melibatkan sifat fisik polimer, seperti karet gelang. Modulus sangat tergantung pada suhu. viscoelasticity menggambarkan respon tergantung waktu kompleks elastis, yang akan menunjukkan histeresis dalam kurva tegangan-regangan saat beban akan dihapus. analisis mekanis Dinamis atau DMA ini mengukur modulus kompleks dengan berosilasi beban dan mengukur mengakibatkan ketegangan sebagai fungsi waktu.

[ sunting ]Transportasi sifat

Transportasi properti seperti difusivitas berhubungan dengan seberapa cepat molekul bergerak melalui matriks polimer. Ini sangat penting dalam banyak aplikasi polimer untuk film dan membran.

[ sunting ]Tahap perilaku

[ sunting ]Titik lebur

Istilah titik leleh , bila diterapkan pada polimer, menunjukkan tidak transisi fase padat-cair tetapi transisi dari fase kristal atau semi-kristal ke fase amorf padat. Meskipun hanya disingkat T _m, properti tersebut sering disebut suhu leleh kristal. Di antara polimer sintetis, kristal meleleh hanya dibahas berkaitan dengan termoplastik , seperti thermosettingpolimer akan terurai pada suhu tinggi daripada mencair.

[ sunting ]Kaca transisi suhu

Sebuah parameter kepentingan tertentu dalam pembuatan polimer sintetis adalah transisi kaca suhu (T _g), yang menggambarkan suhu di mana polimer amorf mengalami transisi dari cairan, karet amorf kental, menjadi padat, rapuh amorf gelas. Suhu transisi kaca dapat direkayasa dengan mengubah derajat percabangan atau silang dalam polimer atau dengan penambahan plasticizer . ^[27]

[ mengedit ]perilaku Mencampur

Tahap diagram perilaku pencampuran khas berinteraksi lemah solusi polimer.

Secara umum, campuran polimer jauh lebih larut dari campuran molekul kecil bahan. Efek ini hasil dari fakta bahwa kekuatan pendorong untuk pencampuran biasanya entropi , bukan energi interaksi. Dengan kata lain, bahan larut biasanya membentuk solusi bukan karena interaksi mereka satu sama lain lebih menguntungkan daripada diri-interaksi mereka, tetapi karena peningkatan entropi dan energi bebas sehingga terkait dengan meningkatkan jumlah volume yang tersedia untuk setiap komponen. Peningkatan skala entropi dengan jumlah partikel (atau mol) menjadi campuran. Karena molekul polimer jauh lebih besar dan karenanya umumnya memiliki volume tertentu jauh lebih tinggi dari molekul kecil, jumlah molekul yang terlibat dalam campuran polimer jauh lebih kecil dari jumlah dalam campuran molekul kecil dari volume yang sama. Tingkat energi dari pencampuran, di sisi lain, adalah sebanding secara volume per untuk campuran molekul polimer dan kecil. Ini cenderung meningkatkan energi bebas pencampuran untuk solusi polimer dan dengan demikian membuat solvasi kurang menguntungkan.Dengan demikian, solusi terkonsentrasi polimer jauh lebih langka daripada molekul kecil.

Selanjutnya, perilaku fase solusi polimer dan campuran lebih kompleks dari itu campuran molekul kecil.Sedangkan yang paling solusi molekul kecil hanya menunjukkan sebuah solusi atas suhu kritis fase transisi, di mana pemisahan fasa terjadi dengan pendinginan, campuran polimer umumnya menunjukkan solusi suhu yang lebih rendah kritis transisi fase, di mana pemisahan fasa terjadi dengan pemanasan.

Dalam larutan encer, sifat-sifat polimer yang ditandai dengan interaksi antara pelarut dan polimer. Dalam pelarut yang baik, polimer muncul bengkak dan menempati volume yang besar. Dalam skenario ini, gaya antarmolekul antara subunit pelarut dan monomer mendominasi interaksi intramolekul. Dalam pelarut atau miskin buruk pelarut, pasukan intramolekul mendominasi dan kontrak rantai. Dalam pelarut theta, atau keadaan larutan polimer dimana nilai koefisien virial kedua menjadi 0, tolakan polimer-pelarut antarmolekul saldo persis intramolekul monomer-monomer tarik. Di bawah kondisi theta (juga disebut Flory kondisi), polimer berperilaku seperti yang idealkumparan acak . Transisi antara negara-negara yang dikenal sebagai transisi coil-globul .

[ sunting ]Pencantuman peliat

Pencantuman peliat cenderung menurunkan T _g dan meningkatkan fleksibilitas polimer. Peliat umumnya molekul kecil yang secara kimiawi serupa dengan polimer dan menciptakan kesenjangan antara rantai polimer untuk mobilitas yang lebih besar dan interaksi merantaikan berkurang. Contoh yang baik dari aksi peliat berhubungan dengan polyvinylchlorides atau PVC. Sebuah uPVC, atau polyvinylchloride unplasticized, digunakan untuk hal-hal seperti pipa. Sebuah pipa tidak memiliki peliat di dalamnya, karena itu perlu tetap kuat dan tahan panas. Plasticized PVC digunakan untuk pakaian untuk kualitas fleksibel. Peliat juga dimasukkan ke dalam beberapa jenis cling film untuk membuat polimer lebih fleksibel.

[ sunting ]Sifat kimia

Gaya tarik menarik antara rantai polimer memainkan peranan besar dalam menentukan sifat polimer itu. Karena rantai polimer begitu panjang, kekuatan-kekuatan merantaikan diperkuat jauh melampaui atraksi antara molekul konvensional. Kelompok samping yang berbeda pada polimer dapat meminjamkan polimer untuk ikatan ionik atau ikatan hidrogenantara rantai sendiri. Kekuatan ini lebih kuat biasanya menghasilkan kekuatan tarik yang lebih tinggi dan lebih tinggi titik leleh kristal.

Gaya antar-molekul dalam polimer dapat dipengaruhi oleh dipol dalam unit monomer. Polimer yang mengandung amida atau karbonil kelompok dapat membentuk ikatan hidrogenantara rantai yang berdekatan; atom hidrogen bermuatan positif di sebagian NH kelompok satu rantai sangat tertarik ke atom oksigen bermuatan negatif sebagian di C = O pada kelompok lain. Ini ikatan hidrogen yang kuat, misalnya, menghasilkan kekuatan tarik yang tinggi dan titik leleh polimer yang mengandung urethane atau urea hubungan. Poliestermemiliki dipol-dipol ikatan antara atom oksigen dalam C O = kelompok dan atom hidrogen dalam kelompok HC. Ikatan Dipole tidak sekuat ikatan hidrogen, sehingga titik lebur poliester dan kekuatan lebih rendah dari Kevlar 's ( Twaron ), tetapi poliester memiliki fleksibilitas yang lebih besar.

Etena, bagaimanapun, tidak memiliki dipol permanen. Gaya tarik menarik antara rantai polietilen timbul dari lemah van der Waals . Molekul dapat dianggap sebagai dikelilingi oleh awan elektron negatif. Sebagai dua pendekatan rantai polimer, awan elektron mereka menolak satu sama lain. Hal ini memiliki efek menurunkan kerapatan elektron di satu sisi dari rantai polimer, menciptakan dipol positif sedikit pada sisi ini. Biaya ini sudah cukup untuk menarik rantai polimer kedua. Van der Waals yang cukup lemah, bagaimanapun, jadi polietilen dapat memiliki temperatur lebur yang lebih rendah dibandingkan dengan polimer lain.

[ sunting ]Standar tata nama polimer

Ada beberapa konvensi untuk penamaan zat polimer. Polimer yang umum digunakan banyak, seperti yang ditemukan dalam produk konsumen, yang disebut dengan nama umum atau sepele. Nama sepele diberikan berdasarkan preseden sejarah atau penggunaan populer daripada konvensi penamaan standar. Baik American Chemical Society (ACS) ^[28] danIUPAC ^[29] telah mengusulkan konvensi penamaan standar; konvensi ACS dan IUPAC yang serupa tetapi tidak identik. ^[30] Contoh perbedaan antara konvensi penamaan berbagai diberikan dalam tabel di bawah ini:

Nama umum	ACS nama	IUPAC nama
Poli (etilena oksida) atau PEO	Poli (oksietilena)	Poli (oxyethene)
Poli (etilena tereftalat) atau PET	Poli (oxy-1 ,2-ethanediyloxycarbonyl-1 ,4-phenylenecarbonyl)	Poli (oxyetheneoxyterephthaloyl)
Nylon 6	Poli [amino (1-okso-1 ,6-hexanediyl)]	Poli [amino (1-oxohexan-1 ,6-diyl)]

Dalam kedua konvensi standar, nama polimer 'dimaksudkan untuk mencerminkan monomer (s) dari mana mereka disintesis bukan sifat yang tepat dari subunit berulang. Sebagai contoh, polimer disintesis dari alkena sederhana etena disebut polyethylene, mempertahankan akhiran-ena meskipun ikatan ganda akan dihapus selama proses polimerisasi:

Protein

Dari Wikipedia, ensiklopedia bebas

Artikel ini adalah tentang kelas molekul. Untuk protein sebagai nutrisi, lihat Protein (gizi) . Untuk kegunaan lain, lihat Protein (disambiguasi) .

Sebuah representasi dari struktur 3D dari protein mioglobin menampilkan berwarnaheliks alfa . Protein ini adalah yang pertama untuk memiliki struktur diselesaikan dengankristalografi sinar-X . Menjelang tengah kanan di antara gulungan, sebuah kelompok prostetik disebut kelompok heme ditampilkan diwarnai sebagian besar dalam warna hijau.

Protein (  / p r oʊ ˌ t i ː n z / atau / p r t i oʊ ɨ n. z / ) adalah biokimia senyawa yang terdiri dari satu atau lebih poli peptida biasanya dilipat menjadi bulat atau berserat bentuk, memfasilitasi fungsi biologis.

Sebuah polipeptida adalah tunggal linier polimer rantai asam amino terikat bersama oleh ikatan peptida antara karboksil dan aminokelompok berdekatan asam amino residu . Para urutan asam amino dalam protein ditentukan oleh urutan sebuah gen , yang dikodekan dalam kode genetik . Secara umum, kode genetik menentukan 20 asam amino standar, namun pada organisme tertentu kode genetik dapat mencakup selenocysteine ​​-dan dalam beberapa archaea - pyrrolysine . Tak lama setelah atau bahkan selama sintesis, residu dalam protein sering kimia dimodifikasi oleh modifikasi posttranslational , yang mengubah sifat fisik dan kimia, lipat, stabilitas, aktivitas, dan akhirnya, fungsi dari protein. Kadang-kadang protein memiliki non-peptida kelompok terlampir, yang bisa disebut kelompok prostetikatau kofaktor . Protein juga dapat bekerja sama untuk mencapai fungsi tertentu, dan mereka sering mengasosiasikan untuk membentuk stabil kompleks protein .

Seperti biologi lainnya makromolekul seperti polisakarida dan asam nukleat , protein adalah bagian penting dari organisme dan berpartisipasi dalam hampir setiap proses di dalam sel . Banyak protein adalah enzim yang mengkatalisis reaksi biokimia dan sangat penting untuk metabolisme . Protein juga memiliki fungsi struktural atau mekanis, seperti aktin dan myosin dalam otot dan protein dalamsitoskeleton , yang membentuk sistem perancah bahwa memelihara bentuk sel. Protein lain yang penting dalam sel sinyal , respon kekebalan , adhesi sel , dan siklus sel . Protein juga diperlukan dalam makanan hewan, karena hewan tidak dapat mensintesis semua asam amino yang mereka butuhkan dan harus memperoleh asam amino esensial dari makanan. Melalui proses pencernaan , binatang memecah protein turun dicernakan ke dalam asam amino bebas yang kemudian digunakan dalam metabolisme.

Protein dapat dimurnikan dari komponen seluler lain dengan menggunakan berbagai teknik seperti ultrasentrifugasi , curah hujan ,elektroforesis , dan kromatografi , munculnya rekayasa genetika telah memungkinkan sejumlah metode untuk memfasilitasi pemurnian.Metode yang umum digunakan untuk mempelajari struktur protein dan fungsi termasuk imunohistokimia , -directed mutagenesis situs ,resonansi magnet inti dan spektrometri massa .

Kebanyakan protein terdiri dari linier polimer dibangun dari serangkaian hingga 20 L-α-berbeda asam amino . Semua asam amino proteinogenic memiliki fitur struktural umum, termasuk karbon-α yang merupakan amino kelompok, karboksil grup, dan variabel rantai samping yang terikat . Hanya prolin berbeda dari struktur dasar karena berisi sebuah cincin yang tidak biasa kepada kelompok amina N-end, yang memaksa bagian amida CO-NH menjadi konformasi tertentu. ^[1] rantai samping dari asam amino standar, rinci dalam daftar asam amino standar , memiliki berbagai macam struktur kimia dan sifat, itu adalah efek gabungan dari semua rantai samping asam amino pada protein yang akhirnya menentukan tiga dimensi struktur dan reaktivitas kimia. ^[2] The asam amino dalam suatu rantai polipeptida dihubungkan oleh ikatan peptida . Setelah terhubung dalam rantai protein, asam amino individu yang disebut residu, dan seri terkait karbon, nitrogen, dan oksigen atom dikenal sebagai rantai utama atau tulang punggung protein. ^[3]

Ikatan peptida memiliki dua resonansi bentuk yang berkontribusi beberapa ikatan ganda karakter dan menghambat rotasi pada sumbunya, sehingga karbon alpha kira-kira coplanar . Yang lainnya dua sudut dihedral dalam ikatan peptida menentukan bentuk lokal diasumsikan oleh tulang punggung protein. ^[4] Akhir dari protein dengan gugus karboksil bebas yang dikenal sebagai terminal C- terminus atau karboksi, sedangkan akhir dengan amino bebas kelompok ini dikenal sebagai N-terminus atau amino terminal. Protein kata-kata, polipeptida, dan peptida yang sedikit ambigu dan dapat tumpang tindih dalam makna. Protein umumnya digunakan untuk merujuk pada molekul biologi yang lengkap di kandangkonformasi , sedangkan peptida umumnya dicadangkan untuk oligomer asam amino pendek sering kurang tiga stabil dimensi struktur. Namun, batas antara kedua tidak didefinisikan dengan baik dan biasanya terletak di dekat 20-30 residu.^[5] Polipeptida dapat mengacu pada setiap rantai linear asam amino tunggal, biasanya terlepas dari panjang, tetapi sering menyiratkan adanya didefinisikan konformasi .

Sintesis

Artikel utama: biosintesis protein

Ribosom Sebuah menghasilkan protein dengan menggunakan mRNA sebagai template.

The DNA urutan gen mengkode denganasam amino urutan protein.

Protein dirakit dari asam amino menggunakan informasi yang dikodekan dalam gen . Setiap protein memiliki urutan yang unik asam amino yang ditentukan oleh nukleotida urutan pengkodean gen protein ini. Para kode genetik adalah satu set tiga nukleotida set disebut kodon dan setiap kombinasi tiga nukleotida menunjuk asam amino, misalnya AUG ( adenin - urasil - guanin ) adalah kode untuk metionin . Karena DNA berisi empat nukleotida, jumlah kodon yang mungkin adalah 64, maka, ada beberapa redundansi dalam kode genetik, dengan beberapa asam amino ditentukan oleh lebih dari satu kodon. ^[6] Gen dikodekan dalam DNA pertama ditranskripsi ke dalam pra- messenger RNA (mRNA) oleh protein seperti RNA polimerase . Kebanyakan organisme maka proses mRNA-pra (juga dikenal sebagai transkrip primer) menggunakan berbagai bentuk Post-transkripsi modifikasi untuk membentuk mRNA matang, yang kemudian digunakan sebagai template untuk sintesis protein oleh ribosom . Dalam prokariota mRNA baik dapat digunakan segera setelah diproduksi, atau terikat dengan ribosom setelah pindah dari nucleoid . Sebaliknya, eukariota membuat mRNA di inti seldan kemudian mentranslokasi menyeberangi membran nukleus ke sitoplasma , di mana sintesis protein kemudian terjadi. Tingkat sintesis protein lebih tinggi pada prokariota dari eukariota dan dapat mencapai hingga 20 asam amino per detik. ^[7]

Proses sintesis protein dari template mRNA dikenal sebagai terjemahan . MRNA di load ke ribosom dan dibaca tiga nukleotida pada suatu waktu dengan cara mencocokkan setiap kodon yang perpasangan basa antikodon terletak pada RNA perpindahan molekul, yang membawa asam amino sesuai dengan kodon mengakui. Enzim aminoasil tRNA sintetase "biaya" molekul tRNA dengan asam amino yang benar. The polipeptida yang sedang tumbuh sering disebut rantai baru lahir. Protein selalu disentesis dari N-terminus untuk C-terminus . ^[6]

Ukuran protein yang disintesis dapat diukur dengan jumlah asam amino yang dikandungnya dan dengan total massa molekul , yang biasanya dilaporkan dalam satuan dalton (identik dengan unit massa atom ), atau kilodalton satuan derivatif (kDa). Ragi protein pada 466 kDa asam amino panjang dan 53 rata-rata di massa. ^[5] Protein yang terbesar yang diketahui adalah titins , komponen dari otot sarkomer, dengan massa molekul hampir 3.000 kDa dan total panjang hampir 27.000 asam amino. ^[8]

Sintesis kimia

Protein pendek juga dapat disintesis secara kimia oleh sebuah keluarga metode yang dikenal sebagai sintesis peptida , yang mengandalkan sintesis organik teknik seperti ligasi kimia untuk menghasilkan peptida dalam hasil tinggi. ^[9] sintesis kimia memungkinkan untuk pengenalan non-alami asam amino ke rantai polipeptida, seperti lampiran neon probe untuk rantai samping asam amino. ^[10] Metode ini berguna dalam laboratorium biokimia dan biologi sel , meskipun umumnya tidak untuk aplikasi komersial. Sintesis kimia tidak efisien untuk polipeptida lebih dari sekitar 300 asam amino, dan protein disintesis mungkin tidak mudah menganggap ibu mereka struktur tersier . Sebagian besar metode sintesis kimia melanjutkan dari C-terminus untuk N-terminus, sebaliknya reaksi biologis. ^[11]

Struktur

Artikel utama: struktur Protein

Informasi lebih lanjut: Protein prediksi struktur

Struktur kristal chaperonin tersebut. Chaperonins membantu pelipatan protein.

Tiga kemungkinan representasi dari struktur tiga dimensi dari protein isomerase triose fosfat . Kiri: semua-atom representasi diwarnai oleh jenis atom. Tengah: representasi Sederhana menggambarkan konformasi backbone, diwarnai oleh struktur sekunder. Kanan: Pelarut yang dapat diakses permukaan representasi diwarnai oleh jenis residu (residu asam merah, residu dasar biru, residu kutub hijau, residu nonpolar putih)

Kebanyakan protein lipat menjadi unik 3-dimensi struktur. Bentuk di mana protein lipatan alami yang dikenal sebagaikonformasi asli . ^[12] Meskipun banyak protein dapat melipat tidak dibantu, hanya melalui sifat kimia dari asam amino mereka, yang lain memerlukan bantuan molekul chaperone untuk melipat ke negara asal mereka. ^{[ 13]} Ahli biokimia sering menyebut empat aspek yang berbeda dari struktur protein: ^[14]

§  Dasar struktur : para urutan asam amino .

§  Struktur sekunder : berulang secara teratur struktur lokal distabilkan oleh ikatan hidrogen . Contoh yang paling umum adalah heliks alfa , beta lembar dan bergantian . Karena struktur sekunder bersifat lokal, banyak daerah yang berbeda struktur sekunder dapat hadir dalam molekul protein yang sama.

§  Struktur tersier : bentuk keseluruhan dari molekul protein tunggal; hubungan spasial dari struktur sekunder satu sama lain. Struktur tersier umumnya distabilkan oleh interaksi nonlokal, paling sering pembentukan inti hidrofobik , tetapi juga melalui jembatan garam , ikatan hidrogen, ikatan disulfida , dan bahkan modifikasi posttranslational . Struktur "tersier" Istilah ini sering digunakan sebagai sinonim dengan flip panjang. Struktur tersier adalah apa yang mengontrol fungsi dasar protein.

§  Kuarter struktur : struktur yang dibentuk oleh molekul protein beberapa (rantai polipeptida), biasanya disebut subunit protein dalam konteks ini, yang berfungsi sebagai single kompleks protein .

Protein adalah molekul tidak sepenuhnya kaku. Selain tingkat struktur, protein bisa berubah antara struktur terkait beberapa sementara mereka menjalankan fungsi mereka. Dalam konteks ini penyusunan ulang fungsional, struktur tersier atau kuaterner biasanya disebut sebagai " konformasi "dan transisi di antara mereka disebut perubahan konformasiperubahan seperti ini sering disebabkan oleh pengikatan. substrat molekul ke enzim situs aktif , atau wilayah fisik dari protein yang berpartisipasi dalam katalisis kimia. Dalam larutan protein juga mengalami variasi dalam struktur melalui getaran termal dan tabrakan dengan molekul lain. ^[15]

Permukaan molekul beberapa protein menunjukkan ukuran komparatif mereka. Dari kiri ke kanan adalah: imunoglobulin G(IgG, sebuah antibodi ), hemoglobin , insulin (hormon), siklase kinase (enzim), dan glutamin sintetase (enzim).

Protein dapat secara informal terbagi menjadi tiga kelas utama, yang berkorelasi dengan struktur tersier yang khas: protein globular , protein berserat , dan protein membran . Hampir semua protein globular yang larut dan banyak enzim. Protein berserat sering struktural, seperti kolagen , komponen utama dari jaringan penghubung, atau keratin , komponen protein rambut dan kuku. Membran protein sering berfungsi sebagai reseptor atau menyediakan saluran untuk molekul polar atau dibebankan untuk melewati membran sel . ^[16]

Sebuah kasus khusus dari ikatan hidrogen intramolekul dalam protein, kurang terlindung dari serangan air dan karenanya mempromosikan mereka sendiri dehidrasi , disebut dehydrons . ^[17]

Struktur penentuan

Menemukan struktur tersier protein, atau struktur kuartener kompleks, dapat memberikan petunjuk penting tentang bagaimana protein melakukan fungsinya. Metode eksperimental umum meliputi penetapan struktur kristalografi sinar-X danspektroskopi NMR , yang keduanya dapat menghasilkan informasi pada atom resolusi. Namun, eksperimen NMR mampu memberikan informasi dari mana subset dari jarak antara pasang atom dapat diperkirakan, dan konformasi mungkin akhir untuk protein ditentukan dengan memecahkan sebuah geometri jarak masalah. interferometri polarisasi ganda adalah metode analisis kuantitatif untuk mengukur protein keseluruhan konformasi dan perubahan konformasi karena interaksi atau stimulus lainnya. Edaran dichroism merupakan teknik laboratorium untuk menentukan lembar beta internal / komposisi heliks protein. mikroskop cryoelectron digunakan untuk menghasilkan resolusi yang lebih rendah informasi tentang struktur kompleks protein sangat besar, termasuk dirakit virus ; ^[18] varian dikenal sebagai kristalografi elektron juga dapat menghasilkan resolusi tinggi informasi dalam beberapa kasus, terutama untuk dua dimensi kristal protein membran. ^[19] Soal struktur biasanya disimpan dalam Protein Data Bank (PDB), sebuah tersedia secara bebas sumber daya dari mana data tentang struktur ribuan protein dapat diperoleh dalam bentuk koordinat Cartesian untuk setiap atom dalam protein. ^[20]

Banyak urutan gen lebih dikenal dari struktur protein. Selanjutnya, set struktur dipecahkan bias terhadap protein yang dapat dengan mudah mengalami kondisi yang dibutuhkan dalam kristalografi sinar-X , salah satu metode penentuan struktur utama. Secara khusus, protein globular yang relatif mudah untuk mengkristal dalam persiapan untuk kristalografi sinar-X. Membran protein, sebaliknya, sulit untuk mengkristal dan kurang terwakili dalam PDB. ^[21] genomik Struktural inisiatif telah berusaha untuk memperbaiki kekurangan ini dengan sistematis memecahkan struktur perwakilan kelas kali lipat besar. struktur Protein prediksi metode berusaha untuk menyediakan sarana untuk menghasilkan struktur yang masuk akal untuk protein yang strukturnya tidak secara eksperimen ditentukan.

Seluler fungsi

Protein adalah aktor utama dalam sel, dikatakan pelaksanaan tugas yang ditentukan oleh informasi yang dikodekan dalam gen. ^[5] Dengan pengecualian beberapa jenis RNA , sebagian besar molekul biologi lainnya adalah elemen relatif inert atas mana protein bertindak. Protein membentuk setengah dari berat kering dari Escherichia coli sel, sedangkan makromolekul lain seperti DNA dan RNA membuat hanya 3% dan 20% masing-masing. ^[22] Himpunan protein disajikan dalam sel tertentu atau jenis sel yang dikenal sebagai nyaproteome .

Enzim heksokinase ditampilkan sebagai model bola-dan-stick konvensional molekuler.Untuk skala di sudut kanan atas adalah dua dari substrat nya, ATP dan glukosa .

Karakteristik utama dari protein yang juga memungkinkan set beragam fungsi mereka adalah kemampuan mereka untuk mengikat molekul lain secara spesifik dan erat. Wilayah protein yang bertanggung jawab untuk mengikat molekul lain yang dikenal sebagai tempat pengikatan dan sering depresi atau "saku" pada permukaan molekul. Kemampuan mengikat dimediasi oleh struktur tersier dari protein, yang mendefinisikan saku situs mengikat, dan oleh sifat kimia rantai samping asam amino sekitarnya. Ikatan protein dapat menjadi sangat ketat dan spesifik; misalnya, inhibitor ribonuklease protein mengikat manusia angiogenin dengan sub-femtomolar disosiasi konstan (<10 ^-15 M) tetapi tidak mengikat sama sekali untuk homolog amfibi yang onconase (> 1 M) . Perubahan kimia yang sangat kecil seperti penambahan gugus metil tunggal untuk pasangan mengikat kadang-kadang dapat cukup untuk hampir menghilangkan mengikat; misalnya, sintetase aminoasil tRNA spesifik untuk asam amino valin mendiskriminasikan rantai samping sangat mirip dari asam amino isoleusin . ^[23]

Protein dapat mengikat protein lain serta molekul kecil substrat. Ketika protein mengikat secara khusus untuk salinan lain dari molekul yang sama, mereka dapat oligomerize untuk membentuk fibril, proses ini sering terjadi pada protein struktural yang terdiri dari monomer bulat bahwa self-rekan untuk membentuk serat kaku. Protein-protein interaksi juga mengatur aktivitas enzimatik, kontrol perkembangan melalui siklus sel , dan memungkinkan perakitan besar kompleks protein yang melakukan reaksi terkait erat dengan banyak fungsi biologis umum. Protein juga dapat mengikat, atau bahkan diintegrasikan ke dalam, membran sel. Kemampuan mitra mengikat untuk menginduksi perubahan konformasi dalam protein memungkinkan pembangunan sangat kompleks sinyal jaringan. ^[24] Yang penting, sebagai interaksi antara protein reversibel, dan sangat bergantung pada ketersediaan berbagai kelompok protein mitra untuk membentuk agregat yang mampu untuk melakukan set diskrit fungsi, studi tentang interaksi antara protein spesifik adalah kunci untuk memahami aspek penting dari fungsi seluler, dan akhirnya sifat yang membedakan jenis sel tertentu. ^[25] [26]

Enzim

Artikel utama: Enzim

Peran paling terkenal protein dalam sel adalah sebagai enzim , yang mengkatalisis reaksi kimia. Enzim biasanya sangat spesifik dan mempercepat hanya satu atau beberapa reaksi kimia. Enzim melaksanakan sebagian besar reaksi yang terlibat dalam metabolisme , serta memanipulasi DNA pada proses seperti replikasi DNA , perbaikan DNA , dantranskripsi . Beberapa enzim bertindak pada protein lain untuk menambah atau menghapus kelompok kimia dalam proses yang dikenal sebagai modifikasi posttranslational. Sekitar 4.000 reaksi yang diketahui dikatalisis oleh enzim. ^[27] Percepatan laju diberikan oleh katalisis enzimatik sering besar-sebanyak 10 ¹⁷ kali lipat peningkatan laju reaksi lebih uncatalyzed dalam kasus dekarboksilase orotate (78 juta tahun tanpa enzim, 18 milidetik dengan enzim). ^[28]

Molekul-molekul terikat dan ditindaklanjuti oleh enzim disebut substrat . Meskipun enzim dapat terdiri dari ratusan asam amino, biasanya hanya sebagian kecil dari residu yang datang dalam kontak dengan substrat, dan bahkan lebih kecil fraksi-3-4-residu rata-rata yang secara langsung terlibat dalam katalisis. ^{[29 ]} Wilayah enzim yang mengikat substrat dan berisi residu katalitik yang dikenal sebagai situs aktif .

Sel sinyal dan mengikat ligan

Pita diagram dari antibodi tikus terhadap kolera yang mengikatkarbohidrat antigen

Banyak protein yang terlibat dalam proses sel sinyal dan transduksi sinyal . Beberapa protein, seperti insulin , adalah protein ekstraseluler yang mengirimkan sinyal dari sel di mana mereka disintesis dengan sel lain dalam jauh jaringan . Lainnya adalah membran protein yang bertindak sebagai reseptor yang fungsi utamanya adalah untuk mengikat molekul sinyal dan menginduksi respons biokimia dalam sel. Reseptor Banyak situs pengikatan terpapar pada permukaan sel dan domain efektor dalam sel, yang mungkin memiliki aktivitas enzimatik atau mungkin mengalamiperubahan konformasi terdeteksi oleh protein lain dalam sel. ^[30]

Antibodi adalah protein komponen dari sistem imun adaptif yang fungsi utamanya adalah untuk mengikat antigen atau zat asing dalam tubuh, dan target mereka untuk kehancuran. Antibodi dapat disekresikan ke lingkungan ekstraselular atau berlabuh di membran khusus sel B yang dikenal sebagai sel-sel plasma . Sedangkan enzim terbatas dalam afinitas mengikat mereka untuk substrat mereka dengan perlunya melakukan reaksi mereka, antibodi tidak memiliki kendala tersebut. Afinitas pengikatan antibodi untuk target luar biasa tinggi. ^[31]

Protein ligan Banyak transportasi mengikat tertentu biomolekul kecil dan transportasi mereka ke lokasi lain dalam tubuh organisme multiseluler.Protein ini harus memiliki afinitas yang tinggi ketika mereka mengikat ligan hadir dalam konsentrasi tinggi, tetapi juga harus melepaskan ligan ketika hadir pada konsentrasi rendah dalam jaringan target. Contoh kanonik protein ligan mengikat hemoglobin , yang mengangkut oksigen dariparu-paru ke organ lain dan jaringan di semua vertebrata dan memiliki dekat homolognya di setiap biologis kerajaan . ^[32] Lektin adalah gula-mengikat protein yang sangat spesifik untuk mereka gugus gula. Lektin biasanya memainkan peran dalam biologi pengakuan fenomena yang melibatkan sel-sel dan protein. ^[33] Reseptor dan hormon adalah protein yang mengikat sangat spesifik.

Protein transmembran juga dapat berfungsi sebagai protein transpor ligan yang mengubah permeabilitas dari membran sel untuk molekul kecildan ion. Membran sendiri memiliki hidrofobik inti di mana kutub molekul atau dibebankan tidak dapat berdifusi . Membran protein mengandung saluran internal yang memungkinkan molekul tersebut untuk masuk dan keluar sel. Banyak saluran ion protein khusus untuk memilih hanya untuk ion tertentu, misalnya, kaliumdan natrium . saluran sering membedakan hanya salah satu dari dua ion ^[34]

Struktural protein

Protein struktural memberikan kekakuan dan kekakuan untuk komponen biologis lain-cairan. Kebanyakan protein struktural adalah protein berserat , misalnya aktin dan tubulinadalah bulat dan larut sebagai monomer, tapi polimerisasi untuk membentuk panjang, serat kaku yang membentuk sitoskeleton , yang memungkinkan sel untuk mempertahankan bentuk dan ukurannya. Kolagen dan elastin sangat penting komponen jaringan ikat seperti tulang rawan , dan keratin ditemukan dalam struktur keras atau filamen seperti rambut ,kuku , bulu , kuku , dan beberapa cangkang hewan . ^[35]

Protein lain yang melayani fungsi struktural protein motor seperti myosin , kinesin , dan dynein , yang mampu menghasilkan kekuatan mekanik. Protein sangat penting untuk selular motilitas organisme bersel tunggal dan sperma dari organisme multiseluler banyak yang mereproduksi seksual . Mereka juga menghasilkan kekuatan yang diberikan oleh kontraktor otot . ^[36]

Metode penelitian

Artikel utama: metode Protein

Seperti beberapa dari molekul biologis yang paling sering dipelajari, aktivitas dan struktur protein diperiksa baik secara in vitro dan in vivo studi in vitro yang dimurnikan protein dalam lingkungan terkendali yang berguna untuk mempelajari bagaimana protein melakukan fungsinya. misalnya, enzim kinetika studi mengeksplorasi mekanisme kimia dari aktivitas katalitik enzim dan afinitas relatifnya untuk berbagai molekul substrat mungkin. Sebaliknya, dalam percobaan in vivo pada kegiatan protein 'dalam sel atau bahkan di dalam organisme keseluruhan dapat memberikan informasi tambahan tentang di mana protein fungsi dan bagaimana hal itu diatur.

Protein pemurnian

Artikel utama: pemurnian Protein

Untuk melakukan in vitro analisis, protein harus dimurnikan dari komponen seluler lainnya. Proses ini biasanya dimulai dengan lisis sel , di mana membran sel terganggu dan isi internal dilepaskan ke solusi dikenal sebagai lisat mentah . Campuran yang dihasilkan dapat dimurnikan menggunakan ultrasentrifugasi , yang fractionates komponen seluler berbagai ke fraksi yang mengandung protein larut; membran lipid dan protein; selular organel , dan asam nukleat . hujan dengan metode yang dikenal sebagai salting out dapat berkonsentrasi protein dari lisat ini. Berbagai jenis kromatografi kemudian digunakan untuk mengisolasi protein atau protein yang menarik berdasarkan sifat seperti berat molekul, muatan bersih dan afinitas mengikat. ^[37] Tingkat pemurnian dapat dimonitor menggunakan berbagai jenis elektroforesis gel jika molekul protein yang diinginkan yang berat dan titik isoelektrik diketahui, oleh spektroskopi jika protein memiliki fitur spektroskopi dibedakan, atau dengan tes enzim jika protein tersebut memiliki aktivitas enzimatik. Selain itu, protein dapat diisolasi sesuai biaya mereka menggunakan electrofocusing . ^[38]

Untuk protein alami, serangkaian langkah pemurnian mungkin diperlukan untuk mendapatkan protein yang cukup murni untuk aplikasi laboratorium. Untuk mempermudah proses ini, rekayasa genetika sering digunakan untuk menambahkan fitur kimia untuk protein yang membuat mereka lebih mudah untuk memurnikan tanpa mempengaruhi struktur atau kegiatan. Di sini, sebuah "tag" yang terdiri dari urutan asam amino tertentu, sering serangkaian histidin residu (sebuah " tag-Nya "), yang melekat pada salah satu terminal dari protein. Akibatnya, ketika lisat dilewatkan melalui kolom kromatografi yang mengandung nikel , residu histidin Ligate nikel dan pasang ke kolom sedangkan komponen untagged dari lisat lulus tanpa hambatan. Sejumlah tag yang berbeda telah dikembangkan untuk membantu para peneliti memurnikan protein tertentu dari campuran kompleks. ^[39]

Seluler lokalisasi

Protein dalam berbagai kompartemen selular dan struktur ditandai dengan protein fluorescent hijau (di sini, putih)

Penelitian in vivo protein sering berkaitan dengan sintesis dan lokalisasi protein dalam sel. Meskipun protein intraseluler banyak disintesis dalam sitoplasma dan membran protein-terikat atau disekresikan dalam retikulum endoplasma , secara spesifik tentang bagaimana protein ditargetkan untuk organel tertentu atau struktur selular sering tidak jelas. Sebuah teknik yang berguna untuk menilai lokalisasi selular menggunakan rekayasa genetika untuk mengekspresikan dalam sel protein fusi atau chimera terdiri dari protein alami yang menarik terkait dengan " wartawan "seperti hijau neon protein (GFP). ^[40]posisi Protein menyatu dalam waktu sel dapat menjadi bersih dan efisien divisualisasikan menggunakan mikroskop , ^[41]seperti terlihat pada gambar berlawanan.

Metode lain untuk menjelaskan lokasi seluler protein memerlukan penggunaan penanda kompartemen dikenal daerah seperti ER, Golgi, lisosom / vakuola, mitokondria, kloroplas, membran plasma, dll Dengan menggunakan versi fluorescently tag tanda tersebut atau antibodi terhadap penanda dikenal, menjadi lebih sederhana untuk mengidentifikasi lokalisasi protein yang menarik. Sebagai contoh, imunofluoresensi tidak langsung akan memungkinkan untuk colocalization fluoresensi dan demonstrasi lokasi. Pewarna fluorescent digunakan untuk label kompartemen selular untuk tujuan yang sama. ^[42]

Kemungkinan lain ada, juga. Sebagai contoh, imunohistokimia biasanya menggunakan antibodi terhadap satu atau lebih protein yang menarik yang konjugasi enzim menghasilkan baik sinyal bercahaya atau chromogenic yang dapat dibandingkan antar sampel, memungkinkan untuk informasi lokalisasi. Teknik lain yang berlaku adalah cofractionation di sukrosa (atau bahan lainnya) menggunakan gradien sentrifugasi isopycnic . ^[43] Sedangkan teknik ini tidak membuktikan colocalization dari kompartemen kepadatan dikenal dan protein yang menarik, hal ini meningkatkan kemungkinan, dan lebih bisa menerima studi skala besar.

Finally, the gold-standard method of cellular localization is immunoelectron microscopy . This technique also uses an antibody to the protein of interest, along with classical electron microscopy techniques. The sample is prepared for normal electron microscopic examination, and then treated with an antibody to the protein of interest that is conjugated to an extremely electro-dense material, usually gold. This allows for the localization of both ultrastructural details as well as the protein of interest. ^[ 44 ]

Through another genetic engineering application known as site-directed mutagenesis , researchers can alter the protein sequence and hence its structure, cellular localization, and susceptibility to regulation. This technique even allows the incorporation of unnatural amino acids into proteins, using modified tRNAs, ^[ 45 ] and may allow the rational design of new proteins with novel properties. ^[ 46 ]

Proteomics and bioinformatics

Main articles: Proteomics and Bioinformatics

The total complement of proteins present at a time in a cell or cell type is known as its proteome , and the study of such large-scale data sets defines the field of proteomics , named by analogy to the related field of genomics . Key experimental techniques in proteomics include 2D electrophoresis , ^[ 47 ] which allows the separation of a large number of proteins, mass spectrometry , ^[ 48 ] which allows rapid high-throughput identification of proteins and sequencing of peptides (most often after in-gel digestion ), protein microarrays , ^[49 ] which allow the detection of the relative levels of a large number of proteins present in a cell, and two-hybrid screening , which allows the systematic exploration of protein–protein interactions . ^[ 50 ] The total complement of biologically possible such interactions is known as the interactome . ^[ 51 ] A systematic attempt to determine the structures of proteins representing every possible fold is known as structural genomics . ^[ 52 ]

The large amount of genomic and proteomic data available for a variety of organisms, including the human genome , allows researchers to efficiently identify homologous proteins in distantly related organisms by sequence alignment . Sequence profiling tools can perform more specific sequence manipulations such as restriction enzyme maps, open reading frame analyses for nucleotide sequences, and secondary structure prediction. From this data phylogenetic trees can be constructed and evolutionary hypotheses developed using special software like ClustalW regarding the ancestry of modern organisms and the genes they express. The field of bioinformatics seeks to assemble, annotate, and analyze genomic and proteomic data, applying computational techniques to biological problems such as gene finding and cladistics .

Structure prediction and simulation

Main articles: protein structure prediction and List of protein structure prediction software

Complementary to the field of structural genomics, protein structure prediction seeks to develop efficient ways to provide plausible models for proteins whose structures have not yet been determined experimentally. ^[ 53 ] The most successful type of structure prediction, known as homology modeling , relies on the existence of a "template" structure with sequence similarity to the protein being modeled; structural genomics' goal is to provide sufficient representation in solved structures to model most of those that remain. ^[ 54 ]Although producing accurate models remains a challenge when only distantly related template structures are available, it has been suggested that sequence alignment is the bottleneck in this process, as quite accurate models can be produced if a "perfect" sequence alignment is known. ^[ 55 ] Many structure prediction methods have served to inform the emerging field of protein engineering , in which novel protein folds have already been designed. ^[ 56 ] A more complex computational problem is the prediction of intermolecular interactions, such as in molecular docking and protein–protein interaction prediction . ^[ 57 ]

The processes of protein folding and binding can be simulated using such technique as molecular mechanics , in particular, molecular dynamics and Monte Carlo , which increasingly take advantage of parallel and distributed computing ( Folding@home project; ^[ 58 ] molecular modeling on GPU ). The folding of small alpha-helical protein domains such as the villin headpiece ^[ 59 ] and the HIV accessory protein ^[ 60 ] have been successfully simulated in silico , and hybrid methods that combine standard molecular dynamics with quantum mechanics calculations have allowed exploration of the electronic states of rhodopsins . ^[ 61 ]

Nutrisi

Further information: Protein (nutrient)

Most microorganisms and plants can biosynthesize all 20 standard amino acids , while animals (including humans) must obtain some of the amino acids from the diet . ^[ 22 ] The amino acids that an organism cannot synthesize on its own are referred to as essential amino acids . Key enzymes that synthesize certain amino acids are not present in animals — such as aspartokinase , which catalyzes the first step in the synthesis of lysine , methionine , and threonine from aspartate . If amino acids are present in the environment, microorganisms can conserve energy by taking up the amino acids from their surroundings and downregulating their biosynthetic pathways.

Pada hewan, asam amino diperoleh melalui konsumsi makanan yang mengandung protein. Protein tertelan tersebut kemudian dipecah menjadi asam amino melalui pencernaan , yang biasanya melibatkan denaturasi protein melalui paparan asam dan hidrolisis oleh enzim yang disebut protease . Beberapa asam amino tertelan digunakan untuk biosintesis protein, sementara yang lain dikonversi menjadi glukosa melalui glukoneogenesis , atau dimasukkan ke dalam siklus asam sitrat . Ini menggunakan protein sebagai bahan bakar sangat penting di bawah kelaparan kondisi karena memungkinkan protein tubuh sendiri yang akan digunakan untuk mendukung kehidupan, terutama yang ditemukan dalam otot .^[62] Asam amino juga merupakan sumber makanan penting dari nitrogen . ^{[ rujukan? ]}

Sejarah dan etimologi

Informasi lebih lanjut: Sejarah biologi molekuler

Protein diakui sebagai kelas yang berbeda dari molekul biologi pada abad kedelapan belas oleh Antoine Fourcroy dan lainnya, dibedakan oleh kemampuan molekul 'untukmengentalkan atau terflokulasi bawah perawatan dengan panas atau asam ^{[ rujukan? ].} Contoh Tercatat pada saat itu termasuk albumin dari putih telur , darah albumin serum , fibrin, dan gandum gluten .

Protein pertama kali dijelaskan oleh Belanda ahli kimia Gerardus Johannes Mulder dan dinamai oleh ahli kimia Swedia Jöns Jacob Berzelius pada tahun 1838. Mulder dilakukananalisis unsur protein umum dan menemukan bahwa hampir semua protein harus sama rumus empiris , C ₄₀₀ H ₆₂₀ N O _{100 120} P ₁ S _1. ^[63] Dia datang ke kesimpulan yang salah bahwa mereka mungkin terdiri dari satu ketik (sangat besar) molekul. The "protein" untuk menggambarkan molekul-molekul diusulkan oleh Mulder Berzelius asosiasi, protein berasal dari Yunani kata πρωτεῖος (proteios), yang berarti "utama", ^[64] "memimpin", atau "berdiri di depan". ^{[ 65]} Mulder melanjutkan untuk mengidentifikasi produk degradasi protein seperti asam amino leusin yang ia temukan dengan berat (hampir benar) molekul 131 Da . ^[63]