celfysiologie

eiwitstructuur en-functie

eiwitten zijn de bouwstenen van celstructuren en motoren van cellulaire activiteiten. Zij zijn modulair van aard en hun interactie met andere molecules in de cel baseren zich op de aanwezigheid van specifieke functionele domeinen. De precieze vorm van het domein, resulterend uit de aanwezigheid van niet covalente banden tussen residuen in een polypeptideketen beslist over de functie., Het bekendste voorbeeld van de vorm-functie relatie is de “sleutel en slot” theorie van enzymatische functie. De verandering van enzymatische pocket, als gevolg van mutatie of modificatie van een aminozuurresidu, verandert de affiniteit en/of specificiteit van het enzym. Kortom, hoe beter past tussen twee moleculen, hoe beter het functioneert, hoe meer bindingen kunnen worden gemaakt, hoe sneller het signaal kan passeren, of hoe sterker twee moleculen verbinden (denk aan adhesiemoleculen).

De 3D-bouw van het eiwit hangt af van de interacties tussen aminozuren in de polypeptideketen., Aangezien de volgorde van de aminozuren afhankelijk is van de genetische code, wordt de vorm van het eiwit gecodeerd in het DNA. De proteã nen hebben vier niveaus van organisatie. De primaire structuur verwijst naar de lineaire opeenvolging van de aminozuren die door de peptide banden worden verbonden. De secundaire structuur bestaat uit het lokaal verpakken van polypeptideketen In α-helices en β-sheets als gevolg van waterstofbindingen tussen peptidebinding – centrale koolstofbeenderen. De tertiaire (3D) structuur is een vorm die het gevolg is van het vouwen van secundaire structuren die door interactie tussen zijketens van aminozuren worden bepaald., Quaternaire structuur beschrijft de rangschikking van de polypeptideketens in de multi subunit-rangschikking.

deze video toont de 4 niveaus van eiwitstructuur.
aangepast aan de RCSBProtein databank onder CC-BY licentie

alles wat nodig is om een eiwit unieke vorm en daarom een unieke functie te geven, wordt “geschreven” in een fragment van het DNA dat bekend staat als een gen. Elke keer dat een gen wordt getranscribeerd, hetzij tijdens de levensduur van de cel of in een cel die hetzelfde DNA heeft, natuurlijk of recombinant, de eiwitten verschijnen gelijk en nemen hun voorgeprogrammeerde functie.,

primaire structuur van eiwitten

eiwitten zijn de belangrijkste en veelzijdige klasse van macromoleculen in de cel. De rollen die door deze molecules worden gespeeld omvatten om het even wat van het vervoer van voedingsstoffen, die biochemische reacties katalyseren om structurele componenten van cellen of moleculaire motoren te zijn. De proteã nen zijn lineaire polymeren van aminozuren die door peptide banden worden verbonden. Zij worden samengesteld van de malplaatjebundel van DNA en bevatten unieke en Specifieke aminozuuropeenvolgingen in een lineaire die vorm als primaire structuur wordt bekend.,

slechts twintig aminozuren zijn noodzakelijk en voldoende om duizenden eiwitten in een cel te genereren. Dat betekent niet dat er maar twintig aminozuren zijn. Dit is een veel voorkomende misvatting. Er zijn talloze aminozuren die bestaan in de wereld, maar ze zijn betrokken bij andere metabole reacties, maar niet eiwitsynthese. Hoe individueel eiwit zijn identiteit krijgt ligt in de geordende combinatie van aminozuren, die al zijn kenmerken bepaalt.

aminozuren die verbonden zijn door een peptidebinding worden een polypeptideketen genoemd., De polypeptideketen is samengesteld uit een opeenvolging van aminozuren die door het gen wordt gedicteerd. Een opeenvolging van de aminozuurketens verstrekt diversiteit essentieel voor het voldoen aan de eisen van het leven. Het behoud van specifieke eiwitopeenvolgingen is zo belangrijk dat de cel regelgevende mechanismen op zijn plaats heeft om ervoor te zorgen dat slechts perfecte proteã nen worden geproduceerd. Elke afzonderlijke reeks heeft een unieke volgorde die een zeer unieke functie overbrengt. Als je één enkele rangschikking van de keten zou veranderen, dan zou die keten een heel andere functie hebben., De eiwitfunctie kan volledig in gevaar worden gebracht of verloren gaan als de volgorde niet in orde is. Maar niet alle mutaties of eiwitmodificaties leiden tot desastreuze gevolgen. Sommigen van hen maken de cel en het organisme beter aangepast aan de druk van het milieu, een proces dat jullie kennen als evolutie.

eigenschappen van aminozuren en hun zijketenverschillen

aminozuren hebben dezelfde basisstructuur, wat belangrijk is voor een goede chemische binding tussen aangrenzende moleculen. Elk aminozuur heeft een centrale koolstof, aangeduid als De α-koolstof., De α-koolstof bevat altijd de volgende vier groepen:

1. – NH2 een basisaminogroep
2. – COOH een zure groep (bekend als een carboxylgroep)
3. –H een waterstofatoom
4. –R een zijketen

-R symboliseert de variabele zijketen, de enige chemische groep die van alle twintig aminozuren verschilt. In wezen zijketen maakt het aminozuur uniek en kan worden gedacht van als zijn vingerafdruk.,

de belangrijkste eigenschap van aminozuren die het vouwen en vervolgens de functie van het gehele eiwitmolecuul beïnvloedt, is hun bekende en voorspelbare interactie met water. De aminozuren kunnen, daarom, in hydrofiele en hydrophobic groepen worden verdeeld. Hydrophobic, aka apolar, aminozuren hebben verzadigde koolwaterstoffen als hun zijketens. Deze aminozuren zijn alanine, valine, methionine, leucine en isoleucine en twee aminozuren met aromatische ringen tryptofaan en fenylalanine., Hydrophobic, niet-polaire aminozuren spelen een essentiële rol in eiwit vouwen omdat ze de neiging om samen te trekken en klont uit de buurt van water. Deze aminozuren vormen gewoonlijk transmembraandomeinen en worden gevonden diep begraven in het hydrophobic binnenland van de meeste bolvormige proteã nen.

hydrofiele aminozuren interageren gemakkelijk met water. Deze groep omvat aminozuren die ioniseren en elektrisch geladen worden (zowel negatief als positief) op dissociatie en aminozuren die polair zijn maar niet geladen., Aminozuren die zijketens met een carboxylgroep naast de carboxylgroep bij α-koolstof hebben die in de vorming van peptideband wordt gebruikt dragen een negatieve last. Deze residuen zijn glutaminezuur en asparaginezuur-merk op dat hun namen eigenlijk de term “zuur” bevatten vanwege de aanwezigheid van twee carboxylgroepen.

de zijketens van lysine, arginine en histidine hebben sterke basisgroepen en zijn positief geladen. Hydrofiele aminozuren die polair zijn maar niet geladen zijn asparagine, glutamine, serine, threonine en tyrosine., Hydrofiele en geladen zijketens van aminozuren worden blootgesteld aan het oppervlak van het eiwit en zijn vooral wijdverspreid in enzymatische zakken of transportmoleculen. De blootgestelde elektrische ladingen brengen de aard en de activiteit van de proteã Ne aan andere molecules over en handelen als magneten die gelijkaardige krachten aantrekken om op te treden.

verschillende aminozuren dragen bij aan de eiwitstructuur vanwege de unieke kenmerken die kenmerkend zijn voor hun zijketens. De structuur van proline verschilt van de andere aminozuren in het feit dat zijn zijketen is gebonden aan stikstof en de centrale koolstof., Dit aminozuur is chemisch niet-reactief (hydrophobic), maar wegens zijn vijf-membered ring, verstoort het de meetkunde van een vouwende proteã ne veroorzakend abrupte verschuivingen aan bouw door Fysisch kinks en bochten aan een polypeptideketen te introduceren. Glycine heeft helemaal geen zijketen maar een tweede waterstofatoom dat aan de α-koolstof is bevestigd. Geen sterk polair Karakter of elektronegativiteit vertonen, wordt het typisch gezien op plaatsen waar Delen van polypeptideketting buigen en dicht bij elkaar komen.

cysteïne is een aminozuur dat algemeen bekend staat om het sterk beïnvloeden van de eiwitstructuur., Het heeft een sulfhydrylgroep die verantwoordelijk is voor de vorming van disulfidebindingen die de tertiaire structuur van de eiwitten stabiliseren en een grote bijdrage leveren aan moleculaire functies die u later in deze tekst zult leren.

de secundaire structuur en alle lussen

hoe weten we hoe eiwitten er echt uitzien als ze gevouwen zijn? Er zijn twee methodes die ons toelaten om in eiwitstructuur te glimpen; de röntgenstraaldiffractie en nucleaire magnetische resonantie (NMR)., De methode van de Röntgenstraal diffractie veroorzaakt een driedimensionale contourkaart van de elektronen in een eiwitkristal gebaseerd op hoe de röntgenstralen stuiteren wanneer zij door de steekproef overgaan. NMR meet het uit elkaar plaatsen tussen proteã nen in verzadigde oplossing en de informatie over ruimtebeperkingen wordt gebruikt om vouwstructuren van elke proteã ne te bepalen. Deze twee tests samen helpen ons te begrijpen wat de gevouwen vorm van een eiwit is.

de vorm van een eiwit wordt uitsluitend bepaald door de aminozuursequentie in de polypeptideketen. Dat klopt; het is net als DNA, unieke code maakt een uniek ontwerp., Het eiwit vouwen is het resultaat van fysische eigenschappen van zijketens van aminozuren en hun interactie met het milieu om hen heen. De proteã NEN vouwen in de meest energie efficiënte vorm genoemd inheemse staat in verscheidene stappen of niveaus in eiwitstructuur.

eiwitvouwing en architectuur

bij blootstelling aan de omstandigheden in het cytosol of lumen van de ER nemen polypeptideketens een gelokaliseerde organisatie aan, genaamd secundaire structuur, die de interacties tussen zijketens van aminozuren met elkaar en water optimaliseert., De ruggegraat van het polypeptide vouwt zich in spiralen en linten van respectievelijk α-helices en β-vellen. Zowel α-helix als β-sheet zijn segmenten van het polypeptide die een regelmatige geometrie hebben en aan elkaar zijn geregen met zachte en niet-zo-zachte bochten, en gescheiden door minder georganiseerde lussen.

Alpha helix is een structuur die α-koolstof bevat met rotatie die gunstige hoeken biedt voor de vorming van sterke waterstofbinding en een strakke verpakking van zijkettingen. Bètavellen zijn platte structuren die bestaan uit verschillende β-strengen die door waterstofbinding aan de naburige β-strengen worden gebonden., In β-bladen, kan de polypeptideketen in dezelfde (parallel) of tegenovergestelde richting (anti-parallel) lopen. Waterstofbindingen zijn stabieler wanneer de β-plaat anti-parallel in plaats van parallelle strengen heeft. Parallelle platen hebben de neiging om te worden begraven in eiwitstructuur. De secundaire structuren zijn verbonden door ongestructureerde stukken die meerdere lussen vormen.

de tertiaire structuur van het eiwit

Er zijn vele manieren waarop de secundaire structuren kunnen bundelen tot een groot 3D-rooster., De tertiaire structuur van het eiwit is een driedimensionale combinatie van α-helices en β-bladen die naast elkaar vouwen als gevolg van niet-kovalente interacties tussen de zijgroepen van aminozuren en het milieu dat het enige polypeptide omringt. In dit stadium, beginnen de proteã NEN hun structuur door extra banden zoals disulfidebanden tussen twee cysteines te stollen. Het belangrijkste kenmerk van tertiaire structuren is de aanwezigheid van behouden gebieden met soortgelijke functies die bekend staan als functionele domeinen., De tertiaire structuren zijn minder stabiel, en inderdaad, de meeste van hen veranderen van vorm tijdens de levensduur van het eiwit, vaak meerdere keren. Conformational veranderingen binnen deze functionele domeinen zijn de basis voor de functie van de proteã ne. Zij kunnen permanent tijdens eiwit vouwen en rijping of omkeerbaar zijn en als manier dienen om eiwitactiviteit op een reactie door reactieschaal te regelen. De eiwitdomeinen zijn gebieden van gelijkaardige activiteit. Ze hebben niet per se een behouden sequentie., Bijvoorbeeld, heeft een kinasedomein, verantwoordelijk voor het vastmaken van fosfaatgroep een verschillende vorm, en opeenvolging, afhankelijk van het substraat de fosfaatgroep aan in bijlage is. Secundaire structuren die domeinen vormen hoeven niet opeenvolgend in een polypeptideketen te liggen. Ze kunnen zelfs delen van verschillende polypeptiden zijn in het geval van multimerische eiwitten.

motieven zijn een subgroep van functionele domeinen die evolutionair geconserveerde sequenties hebben, waardoor ze natuurlijk behouden vorm hebben., Een voorbeeld: spiraalmotieven zijn zeer regelmatige bovenstructuren van twee α-spiraaltjes die zijn gekoppeld aan de vezelige configuratie die de basis is van stabiele dimeren. Meestal zijn er twee identieke α-helices om elkaar gewikkeld in een linkshandige bouw en gestabiliseerd door hydrofobe interacties. De intermoleculaire ionenbindingen tussen zijketens in een α-helix, 3.6 residuen apart, geven de hydrophobic residuen ruimte om met een gelijkaardig motief op de tegengestelde proteã ne in wisselwerking te staan.,

quaternaire structuur

de quaternaire structuur is het resultaat van een assemblage van twee of meer polypeptiden in één functioneel multimerisch eiwit. De subeenheden worden geassembleerd door interactie tussen domeinen of gebieden in de proteã ne en samengehouden door hydrophobic interactie (twee natte spiegels) en disulfidebanden., Als de subeenheden dezelfde zijn wordt de structuur beschreven met het voorvoegsel homo en als ze verschillend zijn met het voorvoegsel hetero (zoals in spierglycogeenfosforylase homodimer of zoals in heterotrimere g-eiwitten)

intracellulaire processen zoals signalering zijn afhankelijk van de interactie tussen moleculen. Hoe beter de moleculaire pasvorm tussen twee moleculen, hoe meer bindingen ze kunnen vormen, of hoe sterker de interactie (affiniteit tussen hen). De aminozuuropeenvolging die door een gen wordt gedicteerd, en op zijn beurt de eigenschappen van zijketens van aminozuren beslissen over de vorm en op zijn beurt over interactie.