Primární strukturou bílkoviny je řetězec aminokyselin.
V biochemii je primární strukturou biologické molekuly přesná specifikace jejího atomového složení a chemických vazeb, které tyto atomy spojují (včetně stereochemie). Pro typický nerozvětvený, nepropojený biopolymer (jako je molekula DNA, RNA nebo typický intracelulární protein) je primární struktura ekvivalentní specifikaci sekvence jeho monomerních podjednotek, např. nukleotidové nebo peptidové sekvence. Termín „primární struktura“ poprvé použil Linderstrom-Lang ve svých Lane Medical Lectures z roku 1951. Primární struktura je někdy mylně označována jako primární sekvence, ale takový termín neexistuje, stejně jako paralelní koncept sekundární nebo terciární sekvence.
Primární struktura polypeptidů
Obecně platí, že polypeptidy jsou nerozvětvené polymery, takže jejich primární struktura
může být často specifikována sekvencí aminokyselin podél jejich páteře.
Nicméně, proteiny se mohou zkřížit, nejčastěji disulfidovými vazbami, a primární struktura také vyžaduje specifikaci zkřížených atomů, např. specifikaci cysteinů podílejících se na disulfidových vazbách proteinu. Další zkřížené vazby zahrnují desmosin…
Chirální centra polypeptidového řetězce mohou projít racemizací. Zejména L-aminokyseliny, které se běžně nacházejí v proteinech, se mohou spontánně izomerizovat na atomu za vzniku D-aminokyselin, které většina proteáz nedokáže štěpit.
Nakonec protein může projít celou řadou posttranslačních modifikací, které jsou zde stručně shrnuty.
N-koncová aminová skupina polypeptidu může být modifikována kovalentně, např.
Vznik pyroglutamátu z N-terminálního glutaminu
C-terminální karboxylátová skupina polypeptidu může být také modifikována, např.
Konečně, peptidové postranní řetězce mohou být také modifikovány kovalentně, např.,
Tyrosiny se mohou sulfatovat na svém atomu. Poněkud neobvykle se tato modifikace vyskytuje v Golgiho aparátu, nikoliv v endoplazmatickém retikulu. Podobně jako fosforylované tyrosiny se sulfatované tyrosiny používají pro specifické rozpoznání, např. v chemokinových receptorech na povrchu buňky. Stejně jako fosforylace, sulfaton přidává záporný náboj do dříve neutrálního místa.
Hydrofobní isoprenové skupiny (např. farnesylové, geranylové a geranylgeranylové skupiny) a palmitoylové skupiny mohou být přidány k atomu cysteinových zbytků, aby ukotvily proteiny na buněčné membrány. Na rozdíl od GPI
a myritoylových kotev, tyto skupiny nemusí být nutně přidány na terminálech.
Velká ADP-ribosylová skupina může být v rámci proteinů přenesena do několika typů postranních řetězců s heterogenními účinky. Tato modifikace je cílem pro silné toxiny různorodých bakterií, např. Vibrio cholerae, Corynebacterium diphtheriae a Bordetella pertussis.
Různé plnohodnotné, složené proteiny mohou být připojeny na jejich C-termini k postranním amoniovým skupinám lysinů jiných proteinů. Ubiquitin je z nich nejběžnější a obvykle signalizuje, že ubiquitin označený protein by měl být degradován.
Většina výše uvedených polypeptidových modifikací se vyskytuje posttranslačně, tj. po syntéze proteinu na ribozomu, typicky se vyskytuje v endoplazmatickém retikulu, subcelulární organele eukaryotické buňky.
Mnoho dalších chemických reakcí (např. cyanylace) bylo chemiky aplikováno na bílkoviny, i když se v biologických systémech nevyskytují.
Úpravy primární struktury
Kromě výše uvedených je nejdůležitější modifikací primární struktury štěpení peptidů (Viz: Proteáza). Proteiny jsou často syntetizovány v neaktivní prekurzorové formě; typicky N-terminální nebo C-terminální segment blokuje aktivní místo proteinu, čímž inhibuje jeho funkci. Protein je aktivován štěpením inhibičního peptidu.
Některé proteiny mají dokonce schopnost štěpit se samy. Hydroxylová skupina serinu (vzácně threonin) nebo thiolová skupina cysteinového rezidua obvykle napadne karbonylový uhlík předchozí peptidové vazby a vytvoří tetrahedricky vázaný meziprodukt [klasifikovaný jako hydroxyoxazolidinový (Ser/Thr) nebo hydroxythiazolidinový (Cys) meziprodukt]. Tento meziprodukt má tendenci vracet se do amidové formy a vylučovat útočící skupinu, protože amidová forma je obvykle upřednostňována volnou energií, (pravděpodobně kvůli silné rezonanční stabilizaci peptidové skupiny). Nicméně dodatečné molekulární interakce mohou způsobit, že amidová forma je méně stabilní; místo toho je vyloučena aminová skupina, což má za následek esterovou (Ser/Thr) nebo thioesterovou (Cys) vazbu místo peptidové vazby. Tato chemická reakce se nazývá N-O acylový posun.
Vazbu ester/thioester lze vyřešit několika způsoby:
Historie primární struktury bílkovin
Návrh, že bílkoviny jsou lineárními řetězci α-aminokyselin, předložili téměř současně dva vědci na stejné konferenci v roce 1902, 74. zasedání Společnosti německých vědců a lékařů, které se konalo v Karlsbadu. Franz Hofmeister tento návrh předložil ráno na základě svých pozorování biuretové reakce v bílkovinách. Hofmeistera o několik hodin později následoval Emil Fischer, který shromáždil množství chemických detailů podporujících peptidový vazebný model. Pro úplnost, návrh, že bílkoviny obsahují amidové vazby, předložil již v roce 1882 francouzský chemik E. Grimaux.
Navzdory těmto údajům a pozdějším důkazům, že proteolyticky strávené bílkoviny produkují pouze oligopeptidy, nebyla myšlenka, že bílkoviny jsou lineární, nerozvětvené polymery aminokyselin přijata okamžitě. Někteří uznávaní vědci jako William Astbury pochybovali, že kovalentní vazby jsou dostatečně silné, aby udržely tak dlouhé molekuly pohromadě; obávali se, že tepelné agitace roztřesou tak dlouhé molekuly vedví. Hermann Staudinger čelil podobným předsudkům ve dvacátých letech, když tvrdil, že kaučuk se skládá z makromolekul.
Vzniklo tedy několik alternativních hypotéz. Koloidní proteinová hypotéza tvrdila, že proteiny jsou koloidní sestavy menších molekul. Tato hypotéza byla vyvrácena ve 20. letech 20. století měřením ultracentrifugací podle The Svedberg, které ukázalo, že proteiny mají dobře definovanou, reprodukovatelnou molekulovou hmotnost a elektroforetickým měřením Arne Tiselia, které naznačilo, že proteiny jsou jednotlivé molekuly. Druhá hypotéza, cyklolová hypotéza, kterou předložila Dorothy Wrinch, navrhovala, že lineární polypeptid prošel chemickým přeskupením cyklolu C=O + HN C(OH)-N, které propojilo jeho páteřní amidové skupiny a vytvořilo dvourozměrnou tkaninu. Různí badatelé navrhli další primární struktury proteinů, například diketopiperazinový model Emila Abderhaldena a pyrrol/piperidinový model Troensegaarda v roce 1942. Ačkoli se jim nikdy nepřikládala velká věrohodnost, tyto alternativní modely byly nakonec vyvráceny, když Frederick Sanger úspěšně sekvenoval inzulín a krystalografickým stanovením myoglobinu a hemoglobinu Maxem Perutzem a Johnem Kendrewem.
Vztah k sekundární a terciární struktuře
Primární struktura biologického polymeru do značné míry určuje trojrozměrný tvar známý jako terciální struktura, ale složení nukleové kyseliny a bílkovin je tak složité, že znalost primární struktury často nepomůže ani k dedukci tvaru, ani k predikci lokalizované sekundární struktury, jako je tvorba smyček nebo šroubovic. Nicméně znalost struktury podobné homologní sekvence (například člen stejné rodiny bílkovin) může jednoznačně určit terciální strukturu dané sekvence. Sekvenční rodiny jsou často určovány shlukováním sekvencí a projekty strukturální genomiky mají za cíl vytvořit sadu reprezentativních struktur, které pokryjí sekvenční prostor možných nedůležitých sekvencí.
Primární struktura v jiných molekulách
O jakémkoli heteropolymeru s lineárním řetězcem lze říci, že má „primární strukturu“ analogicky k použití termínu pro proteiny, ale toto použití je vzácné ve srovnání s extrémně běžným použitím v odkazu na proteiny. V RNA, která má také rozsáhlou sekundární strukturu, je lineární řetězec bází obecně jen označován jako „sekvence“, jak je tomu v DNA (která obvykle tvoří lineární dvojitou šroubovici s malou sekundární strukturou). Jiné biologické polymery jako polysacharidy lze také považovat za primární strukturu, i když použití není standardní.