Hoofdstuk 4 eiwitstructuur en -functie
Eiwitten, zijn de bouwblokken van de cel maar naast het leveren van vorm en structuur hebben
eiwitten nog vele andere functies: enzym, kanaal, pomp, signaaloverdracht, signaalexpansie, motor,
component van een moleculaire machine, antilichaam, toxine, hormoon, antivries molecuul,
elastische vezel etc. Deze hoeveelheid aan functies is tot stand gekomen, doordat eiwitten veel
verschillende vormen aan kunnen nemen.
De vorm en structuur van eiwitten
Aminozuren, zijn de bouwstenen van eiwitten en elk AZ heeft andere chemische eigenschappen.
Peptidebinding, de aminozuren worden covalent gebonden door peptidebindingen, vandaar dat we
ook wel over polypeptiden of polypeptideketens spreken als we het over eiwitten hebben.
Aminozuurvolgorde, de volgorde van de aminozuren is
altijd hetzelfde in een specifiek eiwit.
Peptide backbone, elk eiwit bevat dezelfde peptide
backbone, aangezien aminozuren altijd op eenzelfde
manier aan elkaar gebonden worden. In de afbeelding
zie je steeds -N-C-C- voorbijkomen en de aminozuren
worden aan elkaar gelinkt door de aminogroep aan de
ene kant van een aminozuur en de carboxyl groep aan
de andere kant waartussen een condensatiereactie
optreedt. Dit levert dan een N-terminus en C-terminus
op, waarbij N de kant van de aminogroep (NH3+ of NH2)
aangeeft en C de carboxylgroep (COO- of COOH).
Zijgroep, uit de backbone steken die zijgroepen die
voor ieder aminozuur anders zijn.
Vouwen, de covalente bindingen die koolstof atomen
verbinden in de backbone kunnen vrij roteren, waardoor een
lange polypeptide erg flexibel is. Eiwitten kunnen hierdoor op
vele manieren vouwen, maar er worden beperkingen
opgelegd in die vouwing door zwakke niet-covalente
bindingen binnen het eiwit. Deze bindingen
betrekken zowel atomen uit de backbone als uit de
zijgroepen. We zien hier zowel H-bruggen,
ionbindingen en Van der Waals bindingen. Een niet-
covalente binding is veel minder sterk dan een
covalente binding en er zijn dus veel niet-covalente
bindingen nodig om de polypeptideketen strak op te
rollen. Daarnaast spelen hydrofobe interacties ook
nog een rol. In een waterige omgeving zijn
hydrofobe moleculen geneigd om samen te komen,
zodat het verstorende effect op de H-bruggen van
het omringende water dan afneemt. Zo zitten de
zijgroepen van leucine, valine, tryptofaan en
fenylalanine vaak naar binnen gekeerd, omdat zij apolair zijn. Arginine, glutamine en histidine zitten
juist vaak aan de buitenkant, omdat ze polair zijn.
Conformatie, de specifieke 3D vouwing van een eiwit noem je ook wel conformatie en deze structuur
bevat zo min mogelijk vrije energie (G). Het vouwingsproces is energetisch dus gunstig, omdat er
hitte bij vrijkomt en de wanorde daarmee toeneemt. Elk eiwit heeft één stabiele conformatie, maar
deze kan een beetje aangepast worden door eiwit interacties met andere moleculen in de cel en
deze verandering van vorm is cruciaal voor zijn functie.
Denaturatie, als een eiwit zich ontvouwt, is het gedenatureerd en dit kan je voor elkaar krijgen door
eiwitten in een bepaalde oplossing te leggen.
Renaturatie, als een eiwit zich na denaturatie weer opvouwt, spreek je van renaturatie.
, Aggregaat, als eiwitten verkeerd gevouwen worden, kunnen ze aggregaten vormen
die cellen en weefsel kunnen beschadigen. Bij een aantal neurodegeneratieve
ziektes, zoals Alzheimer en Huntington, komen aggregaten voor. Bepaalde
besmettelijke neurodegeneratieve ziektes, zoals BSE (de gekke koeien ziekte) en CJD
bij mensen, worden veroorzaakt door verkeerd gevouwen eiwitten die we prionen
noemen.
Prions, een verkeerd gevouwen prion van een eiwit kan goed gevouwen versies van
dat eiwit in een geïnfecteerd brein omzetten naar een abnormale conformatie.
Hierdoor kunnen de verkeerd gevouwen eiwitten, die vaak aggregaten vormen, zich
snel verspreiden van cel tot cel, waardoor het dier of mens uiteindelijk dood zal gaan.
Deze ziektes zijn besmettelijk doordat ze zich via besmet eten, bloed of chirurgische
messen kunnen verspreiden.
Chaperon eiwit, ondanks dat een eiwitketen zich zelf in de juiste conformatie kan
vouwen, worden eiwitten vaak geholpen door chaperon eiwitten. Sommige
chaperons binden aan deels gevouwen eiwitdelen en helpen hen met het vouwen
volgens de most energetically favorable pathway. Andere chaperon isoleren eiwitten
tijdens de vouwing om aggregaatvorming te voorkomen. Beide vormen van
chaperons hebben een input van ATP hydrolyse nodig.
HPr, is een vrij klein bacterieel eiwit van 88 AZ en dient als een carrier eiwit die de
transport van suikers in bacteriële cellen faciliteert. In de afbeelding zie je HPr op 4
verschillende manieren weergegeven:
- Backbone model, laat de organisatie van de polypeptideketen zien.
- Ribbon model, laat het backbone model op een manier zien die
de vouwingen benadrukt.
- Wire model, bevat de posities van de zijgroepen. Deze wordt
met name gebruikt om te voorspellen welke aminozuren
betrokken zijn bij de active site.
- Space-filling model, toont het contour van een eiwit en laat
zien welke AZ aan de buitenkant aanwezig zijn
Patronen, er zijn een paar veel terugkomende
structuren/vouwpatronen waar te nemen in eiwitten. Twee
voorbeelden daarvan zijn de α-helix en β-sheet. Zij zijn vaak te zien in
eiwitten doordat ze het resultaat zijn van waterstofbruggen tussen N-H
en C=O groepen in de polypeptide backbone, aangezien de zijgroepen
hier dus niet bij betrokken zijn, kunnen deze structuren in veel peptides
gevormd worden.
α-helix, is voor het eerst ontdekt in α-keratine en heeft de
vorm van een spiraal. Deze structuur ontstaat doordat je
veel gelijke subunits boven elkaar plaatst en dit zich dan
steeds op eenzelfde manier herhaalt. Dit kan een left-
handed of right-handed helix opleveren. Deze helix wordt
gegenereerd door een waterstofbrug tussen elk 4e
aminozuur waarbij de C=O van de ene peptidebinding bindt
aan de N-H van een ander. α-helices komen met name veel
voor in eiwitten die in membranen zitten en deze helices
bevatten dan met name apolaire zijgroepen die de
hydrofiele backbonen afschermen van het hydrofobe
membraan.
Coiled coil, soms wikkelen 2 of 3 α-helices om elkaar en
vormen zij een coiled coil. Hierbij hebben de helices het grootste deel van hun apolaire zijgroepen
aan één kant zitten, zodat ze om elkaar kunnen draaien en hun zijgroepen naar binnen zitten
gedraaid.
