Протеин (или Белтък) е колективен термин за биологически важни макромолекули, изградени чрез поликондензирането на отделни аминокиселини. Белтъците са един от основните градивни компоненти на живите клетка, както и на вирусните частици. Притежават сложна пространствена стуктура, и изпълняват разнообразни биологични функции – от типично структурни, защитни, транспортни до каталитични и регулаторни. Цялата информация необходима за изграждането на белтъчната молекула е кодирана в ДНК. Посредством процес на точно презаписване на информацията в РНК (транскрипция) и превеждане от полинуклеотидна в аминокиселинна последователност (транслация) е възможно синтезирането на определен белтък, притежаващ конкретна биологична роля.
В българския език е възприето наименованието „белтък“. Като синоним се използва и чуждицата „протеин“, която се използва в много западни езици.
История
За първи път през 1789 г. френският химик Антоан Фуркроа прави разграничение между белтъците и другите известни органични субстанции. Класифицира познатите дотогава албумин, фибрин и желатин като самостоятелни съединения с животински произход. От тази начална стъпка до формулирането на концепция за това, какво преставляват белтъците, е извървян дълъг път, минаващ през грубо характеризиране на химичния състав, опити за клинично приложение на белтъчни екстракти, до все по прецизното дефиниране на структурата и функциите на всеки отделен белтък. Самото понятие е въведено през 1838 година, когато в писмо от 10 юли, изпратено от Йонс Якоб Берцелиус до Герардус Йоханес Мулдер, за първи път е употребено названието „протеин“ с акцент върху първостепенното и първичното (от гръцки πρωτειοξ – първична нишка).
Точният цитат от писмото е:
«Le nom protéine que je vous propose pour l’oxyde organique de la fibrine et de l’albumine, je voulais le dériver de πρωτειοξ, parce qu’il paraît être la substance primitive ou principale de la nutrition animale.»
В приблизителен превод цитатът гласи:
„Наименованието протеин, което предлагам за органичния оксид на фибрина и албумина, бих искал да идва от πρωτειοξ, защото изглежда, че това са основни или главни за храненето на животните вещества.“ С това изречение се дефинира за първи път понятието протеин, което се използва като синоним на „белтък“.
Структура
Основният компонент на всички белтъци са аминокиселини, подредени последователно в дълги полимерни вериги. Връзката между отделните аминокиселини е амидна, но поради някой свой особености е наречена със специфично име – пептидна връзка. Затова и самите полимерни вериги се означават като полипептидни. Организацията в пространството на полипептидни вериги е изключително сложна и характерна за всеки отделен белтък. За прегледност и по-лесна ориентация, пространствената структура на белтъците е разделена на отделни нива:
• първично ниво (примерна структура) – представлява точната последователност на свързване на отделните аминокиселинни остатъци.
• вторично ниво (секундерна структура) – това са локални нагъвания на основния скелет на полипептидната верига, притежаващи известна периодичност. Всяка възпроизводима и характерна форма се означава като отделен тип вторична структура, като например алфа-спирала, бета-листовидна структура, бета-завой и гама-завой, както и липса на порядък.
• третично ниво (терциерна структура) – пълното нагъване на полипептидната верига в пространството, с всички възможни близки и далечни взаимодействия. Това ниво дава престава за цялостната форма на белтъчната молекула, както и за връзките и отношенията между отделните вторични структури.
• четвъртично ниво (кватернерна структура) – това е отново цялостна пространствена форма, но на асоциирани нековалентно бетъчни молекули. Всяка отделна белтъчна молекула, притежаваща характерна, завършена – третична стурктура се означава като субединица, а цялостният конгломерат – като олигомер. Не всички белтъци притежават четвъртична структура, тъй като повечето са изградени от една полипептидна верига, а четвъртично ниво предполага наличието на поне две. Типичен пример за белтък с четвъртична структура е хемоглобина. Всички тези нива дават престава за строежа на отделната белтъчна молекула.
Белтъците в разтвор, както нормално съществуват в живите клетка, търпят вариации в структурата си, тъй като са подложени на редица въздействия. Тези вариации могат да бъдат малки отклонения – наричани още „дихателни движения“, но могат и да се отразят съществено на структурата и сериозно да я видоизменят. Пространствената структурата на белтъка се нарича конформация, а всички изменения, независимо дали са съществени или не, се означават като конформационни промени.
Функции
Всеки белтък притежава специфична функция, като практически няма процес в живите организми, който да не зависи от конкретен протеин. Функциите могат да са най-разнообразни, но формално могат да се обединят в няколко основни:
• структурна функция – белтъци, участващи в архитектурата на клетките, поддържащи определена форма и вътрешна организация.
• регулаторна функция – това са всички белтъчни системи, които регулират процесите в клетката – белтъци от сигналните пътища, фактори на транскрипцията и транслацията, и не на последно място хормоните.
• защитна функция – белтъци, осигуряващи чисто механични защитни бариери. При висшите животински организми има специални системи за защита срещу определени патогени, като белтъците отговорни в най-голяма степен за това се наричат антитяло.
• каталитична функция – протичането на почти всяка химична реакция в организма, се дължи на определен белтък, който в този случай се означава като ензим.
• транспортна функция – това са белтъци, пренасящи определени молекули през клетъчни мембрани, или транспортиращи вещества на големи растояния – кислородпренасящите протеини, като хемоглобин, миоглобин и други.
• двигателна функция – всички мускули при животните, са всъщност функция на съответни белтъци, като например актин и миозин. Често такива белтъци се означават като „молекулни мотори“. Участват във всяко движение – било на клетъчни органели в рамките на клетката или на целия организъм в пространството.
