Zellphysiologie

Proteinstruktur und-funktion

Proteine sind die Bausteine von Zellstrukturen und Motoren zellulärer Aktivitäten. Sie sind modular aufgebaut und ihre Wechselwirkungen mit anderen Molekülen in der Zelle beruhen auf dem Vorhandensein spezifischer funktioneller Domänen. Die genaue Form der Domäne, die sich aus dem Vorhandensein nicht kovalenter Bindungen zwischen Resten in einer Polypeptidkette ergibt, entscheidet über die Funktion., Das bekannteste Beispiel für die Form-Funktion-Beziehung ist die „Key and Lock“ – Theorie der enzymatischen Funktion. Die Veränderung des enzymatischen Stoffwechsels durch Mutation oder Modifikation eines Aminosäurerestes verändert die Affinität und/oder Spezifität des Enzyms. Kurz gesagt, je besser zwischen zwei Molekülen passt, desto besser funktioniert es, desto mehr Bindungen können hergestellt werden, desto schneller kann das Signal passieren oder je stärker sich zwei Moleküle verbinden (denken Sie an Adhäsionsmoleküle).

Die 3D-Konformation des Proteins hängt von den Wechselwirkungen zwischen Aminosäuren in der Polypeptidkette ab., Da die Sequenz der Aminosäuren vom genetischen Code abhängt, wird die Form des Proteins in der DNA kodiert. Proteine haben vier Organisationsebenen. Primärstruktur bezieht sich auf die lineare Sequenz der Aminosäuren, die durch die Peptidbindungen verbunden sind. Die Sekundärstruktur besteht aus lokaler Verpackung der Polypeptidkette in α-Helices und β-Sheets aufgrund von Wasserstoffbrücken zwischen Peptidbindung-zentralem Kohlenstoffrückgrat. Tertiäre (3D) Struktur ist eine Form, die sich aus der Faltung von Sekundärstrukturen ergibt, die durch Wechselwirkungen zwischen Seitenketten von Aminosäuren bestimmt werden., Quaternäre Struktur beschreibt die Anordnung der Polypeptidketten in der Multi-Untereinheit-Anordnung.

Dieses Video zeigt die 4 Ebenen der Proteinstruktur.
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Alles, was benötigt wird, um ein Protein einzigartige Form zu geben und damit eine einzigartige Funktion ist „geschrieben“ in einem Fragment der DNA als Gen bekannt. Jedes Mal, wenn ein Gen transkribiert wird, entweder über die gesamte Lebensdauer der Zelle oder in einer Zelle, die dieselbe natürliche oder rekombinante DNA hat, tauchen die Proteine gleich auf und übernehmen ihre vorprogrammierte Funktion.,

Primärstruktur von Proteinen

Proteine sind die wichtigste und vielseitigste Klasse von Makromolekülen in der Zelle. Die Rollen, die diese Moleküle spielen, umfassen alles vom Transport von Nährstoffen über die Katalysierung biochemischer Reaktionen bis hin zu strukturellen Komponenten von Zellen oder molekularen Motoren. Proteine sind lineare Polymere von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verbunden sind. Sie werden aus dem Template-DNA-Strang synthetisiert und enthalten einzigartige und spezifische Aminosäuresequenzen in einer linearen Form, die als Primärstruktur bekannt ist.,

Nur zwanzig Aminosäuren sind notwendig und ausreichend, um Tausende von Proteinen in einer Zelle zu erzeugen. Das bedeutet nicht, dass es nur zwanzig Aminosäuren gibt. Dies ist ein weit verbreitetes Missverständnis. Es gibt unzählige Aminosäuren, die auf der Welt existieren, aber sie sind an anderen Stoffwechselreaktionen beteiligt, aber nicht an der Proteinsynthese. Wie das Protein seine Identität erhält, liegt in der geordneten Kombination von Aminosäuren, die alle seine Eigenschaften bestimmt.

Aminosäuren, die durch eine Peptidbindung verbunden sind, werden als Polypeptidkette bezeichnet., Die Polypeptidkette besteht aus einer Sequenz von Aminosäuren, die vom Gen diktiert werden. Eine Sequenz der Aminosäureketten sorgt für Vielfalt, die für die Erfüllung der Anforderungen des Lebens unerlässlich ist. Die Konservierung spezifischer Proteinsequenzen ist so wichtig, dass die Zelle über Regulationsmechanismen verfügt, um sicherzustellen, dass nur perfekte Proteine produziert werden. Jede einzelne Sequenz hat eine einzigartige Reihenfolge, die eine sehr einzigartige Funktion vermittelt. Wenn Sie eine einzelne Anordnung der Kette ändern würden, hätte diese Kette eine völlig andere Funktion., Die Proteinfunktion kann gefährdet sein oder vollständig verloren gehen, wenn die Sequenz außer Betrieb ist. Aber nicht alle Mutationen oder Proteinmodifikationen führen zu katastrophalen Folgen. Einige von ihnen machen die Zelle und den Organismus besser an den Umweltdruck angepasst, ein Prozess, den Sie als Evolution kennen.

Eigenschaften von Aminosäuren und ihre Seitenkettenunterschiede

Aminosäuren haben die gleiche Basenstruktur, die für die ordnungsgemäße chemische Bindungsbildung zwischen benachbarten Molekülen wichtig ist. Jede Aminosäure hat einen zentralen Kohlenstoff, der als α-Kohlenstoff bezeichnet wird., Dem α-Kohlenstoff sind immer die folgenden vier Gruppen zugeordnet:

1. – NH2 eine basische Aminogruppe
2. –COOH eine saure Gruppe (bekannt als Carboxylgruppe)
3. –H ein Wasserstoffatom
4. –R eine Seitenkette

-R symbolisiert die variable Seitenkette, die die einzige chemische Gruppe ist, die sich unter allen zwanzig Aminosäuren unterscheidet. Die Seitenkette macht die Aminosäure einzigartig und kann als Fingerabdruck betrachtet werden.,

Die wichtigste Eigenschaft von Aminosäuren, die die Faltung und anschließend die Funktion des gesamten Proteinmoleküls beeinflusst, ist ihre bekannte und vorhersehbare Wechselwirkung mit Wasser. Aminosäuren können daher in hydrophile und hydrophobe Gruppen unterteilt werden. Hydrophobe, auch bekannt als unpolare Aminosäuren haben gesättigte Kohlenwasserstoffe als Seitenketten. Diese Aminosäuren sind Alanin, Valin, Methionin, Leucin und Isoleucin und zwei Aminosäuren mit aromatischen Ringen Tryptophan und Phenylalanin., Hydrophobe, unpolare Aminosäuren spielen eine wesentliche Rolle bei der Proteinfaltung, da sie dazu neigen, sich zusammenzuziehen und vom Wasser wegzuklumpen. Diese Aminosäuren bilden normalerweise Transmembrandomänen und sind tief im hydrophoben Inneren der meisten kugelförmigen Proteine vergraben.

Hydrophile Aminosäuren interagieren leicht mit Wasser. Diese Gruppe umfasst Aminosäuren, die bei Dissoziation ionisieren und elektrisch geladen werden (sowohl negativ als auch positiv), und Aminosäuren, die polar, aber nicht geladen sind., Aminosäuren, die Nebenketten mit einer Carboxylgruppe zusätzlich zu der Carboxylgruppe bei α-Kohlenstoff aufweisen, die bei der Bildung von Peptidbindungen verwendet werden, tragen eine negative Ladung. Diese Rückstände sind Glutaminsäure und Asparaginsäure – beachten Sie, dass ihre Namen aufgrund der Anwesenheit von ZWEI Carboxylgruppen tatsächlich den Begriff „Säure“ enthalten.

Die Seitenketten von Lysin, Arginin und Histidin haben starke Grundgruppen und sind positiv geladen. Hydrophile Aminosäuren, die polar, aber ungeladen sind, sind Asparagin, Glutamin, Serin, Threonin und Tyrosin., Hydrophile und geladene Seitenketten von Aminosäuren sind auf der Oberfläche des Proteins freigelegt und sind besonders in enzymatischen Taschen oder Transportmolekülen weit verbreitet. Die exponierten elektrischen Ladungen vermitteln die Natur und Aktivität des Proteins zu anderen Molekülen und wirken wie Magnete, die ähnliche Kräfte anziehen, um zu interagieren.

Mehrere Aminosäuren tragen aufgrund einzigartiger Merkmale, die für ihre Seitenketten charakteristisch sind, zur Proteinstruktur bei. Die Struktur von Prolin unterscheidet sich von den anderen Aminosäuren dadurch, dass seine Seitenkette sowohl an Stickstoff als auch an den zentralen Kohlenstoff gebunden ist., Diese Aminosäure ist chemisch nicht reaktiv (hydrophob), aber aufgrund ihres fünfgliedrigen Rings stört sie die Geometrie eines Faltproteins, was zu abrupten Verschiebungen der Konformation führt, indem sie physikalisch Knicke und Biegungen in eine Polypeptidkette einbringt. Glycin hat überhaupt keine Seitenkette, nur ein zweites Wasserstoffatom, das an den α-Kohlenstoff gebunden ist. Es weist keinen starken polaren Charakter oder Elektronegativität auf und wird typischerweise an Stellen gesehen, an denen sich Teile der Polypeptidkette biegen und nahe beieinander liegen.

Cystein ist eine Aminosäure, die allgemein dafür bekannt ist, die Proteinstruktur stark zu beeinflussen., Es hat eine Sulfhydrylgruppe, die für die Bildung von Disulfidbindungen verantwortlich ist, die die Tertiärstruktur der Proteine stabilisieren und stark zu molekularen Funktionen beitragen, die Sie später in diesem Text lernen werden.

Die Sekundärstruktur und alle Schleifen

Woher wissen wir, wie Proteine wirklich aussehen, wenn sie gefaltet werden? Es gibt zwei Methoden, die es uns ermöglichen, einen Einblick in die Proteinstruktur zu erhalten: die Röntgenbeugung und die Kernspinresonanz (NMR)., Röntgenbeugungsmethode erzeugt eine dreidimensionale Konturkarte der Elektronen in einem Proteinkristall, basierend darauf, wie Röntgenstrahlen abprallen, wenn sie die Probe passieren. NMR misst den Abstand zwischen Proteinen in gesättigter Lösung und Informationen über Raumbeschränkungen werden verwendet, um Faltstrukturen jedes Proteins zu bestimmen. Diese beiden zusammengestellten Tests helfen uns zu verstehen, wie die gefaltete Form eines Proteins ist.

Die Form eines Proteins wird ausschließlich durch die Aminosäuresequenz in der Polypeptidkette bestimmt. Das ist richtig; Es ist genau wie DNA, einzigartiger Code macht ein einzigartiges Design., Die Proteinfaltung ist das Ergebnis physikalischer Eigenschaften der Seitenketten von Aminosäuren und ihrer Wechselwirkungen mit der sie umgebenden Umwelt. Proteine falten sich in mehreren Schritten oder Ebenen in der Proteinstruktur in die energieeffizienteste Form, die als nativer Zustand bezeichnet wird.

Proteinfaltung und-architektur

Wenn sie den Bedingungen im Cytosol oder Lumen des ER ausgesetzt sind, nehmen Polypeptidketten eine lokalisierte Organisation an, die als Sekundärstruktur bezeichnet wird und die Wechselwirkungen zwischen Seitenketten von Aminosäuren untereinander und Wasser optimiert., Das Polypeptid-Rückgrat faltet sich in Spiralen und Bänder von α-Helices und β-Sheets. Sowohl α-Helix als auch β-Sheet sind Segmente des Polypeptids, die eine regelmäßige Geometrie haben und mit sanften und nicht so sanften Windungen zusammengeschnürt und durch weniger organisierte Schleifen getrennt sind.

Alpha-Helix ist eine Struktur, die α-Kohlenstoff mit Rotation verpackt, die günstige Winkel für die Bildung einer starken Wasserstoffbindung und eine enge Verpackung von Seitenketten bietet. Beta-Platten sind flache Strukturen, die aus mehreren β-Strängen bestehen, die durch Wasserstoffbindung an die benachbarten β-Stränge gebunden sind., In β-Blättern kann die Polypeptidkette in derselben (parallelen) oder entgegengesetzten Richtung (antiparallel) verlaufen. Wasserstoffbrücken sind stabiler, wenn das β-Blatt eher parallele als parallele Stränge aufweist. Parallele Blätter neigen dazu, in der Proteinstruktur vergraben zu sein. Die Sekundärstrukturen sind durch unstrukturierte Strecken verbunden, die mehrere Schleifen bilden.

Die Tertiärstruktur des Proteins

Es gibt viele Möglichkeiten, wie sich die Sekundärstrukturen zu einem großen 3D-Gitter zusammenbündeln können., Die Tertiärstruktur des Proteins ist eine dreidimensionale Kombination von α-Helices und β-Sheets, die sich infolge nicht kovalenter Wechselwirkungen zwischen den Seitengruppen der Aminosäuren und der Umgebung des einzelnen Polypeptids nebeneinander falten. In diesem Stadium beginnen Proteine, ihre Struktur durch zusätzliche Bindungen wie Disulfidbindungen zwischen zwei Cysteinen zu verfestigen. Das wichtigste Merkmal tertiärer Strukturen ist das Vorhandensein konservierter Regionen mit ähnlichen Funktionen, die als funktionale Domänen bezeichnet werden., Die tertiären Strukturen sind weniger stabil, und in der Tat ändern die meisten von ihnen ihre Form während der Lebensdauer des Proteins, oft mehrmals. Konformationsänderungen innerhalb dieser Funktionsdomänen sind die Grundlage für die Funktion des Proteins. Sie können während der Proteinfaltung und-reifung dauerhaft oder reversibel sein und dienen als eine Möglichkeit, die Proteinaktivität auf einer Reaktionsskala zu regulieren. Proteindomänen sind Regionen ähnlicher Aktivität. Sie haben nicht unbedingt eine konservierte Sequenz., Beispielsweise hat eine Kinasedomäne, die für das Anhängen der Phosphatgruppe verantwortlich ist, eine andere Form und Sequenz, abhängig von dem Substrat, an das die Phosphatgruppe gebunden ist. Sekundärstrukturen, die Domänen bilden, müssen nicht sequentiell in einer Polypeptidkette liegen. Bei multimeren Proteinen können sie sogar Teile verschiedener Polypeptide sein.

Motive sind eine Untergruppe funktionaler Domänen mit evolutionär konservierten Sequenzen, die ihnen natürlich eine konservierte Form geben., Ein Beispiel, Coiled-Coil-Motive sind sehr regelmäßige Aufbauten von zwei α-Helices gepaart, um die faserige Konfiguration zu bilden, die die Basis von stabilen Dimeren ist. Üblicherweise sind zwei identische α-Helices in einer linkshändigen Konformation umeinander gewickelt und durch hydrophobe Wechselwirkungen stabilisiert. Intermolekulare ionische Bindungen zwischen Seitenketten in einer α-Helix, die Rückstände voneinander trennen, geben den hydrophoben Rückständen Raum, um mit einem ähnlichen Motiv auf dem gegenüberliegenden Protein zu interagieren.,

quaternäre Struktur

Die quaternäre Struktur ist das Ergebnis einer Ansammlung von zwei oder mehr Polypeptiden zu einem funktionellen multimeren Protein. Untereinheiten werden durch Wechselwirkungen zwischen Domänen oder Regionen im Protein zusammengesetzt und durch hydrophobe Wechselwirkungen (zwei nasse Spiegel) und Disulfidbindungen zusammengehalten., Wenn die Untereinheiten gleich sind, wird die Struktur mit dem Präfix homo beschrieben und wenn sie mit dem Präfix hetero unterschiedlich sind (wie im Muskelglykogenphosphorylase-Homodimer oder wie in heterotrimeren G-Proteinen)

Intrazelluläre Prozesse wie Signalisierung hängen von der Wechselwirkung zwischen Molekülen ab. Je besser die Molekülpassung zwischen zwei Molekülen ist, desto mehr Bindungen können sie bilden oder desto stärker ist die Wechselwirkung (Affinität zwischen ihnen). Aminosäuresequenz durch ein Gen diktiert, und wiederum Eigenschaften von Aminosäuren Seitenketten entscheiden über die Form und wiederum über Wechselwirkungen.