Informatie

Over de vorming van eiwitten


Er staat een vraag in mijn leerboek die luidt: "Wat vormt de glucose die door fotosynthese wordt geproduceerd?" Een van de antwoorden zei echter dat glucose eiwitten vormt. Maar ik ben er vrij zeker van dat aminozuren eiwitten vormen, nietwaar? Ik zou dankbaar zijn als iemand mij zou kunnen helpen.


Fotosynthese resulteert in de vorming van een koolstofskelet (een 3C of 6C skelet). Dit nieuw gevormde koolstofskelet kan worden gebruikt om een ​​groot aantal biomoleculen te vormen die een cel nodig heeft. De glucose kan bijvoorbeeld in aerobe ademhaling terechtkomen en de aldus gevormde tussenproducten worden gebruikt voor de synthese van verschillende moleculen.

Zoals je specifiek kunt zien aan de bovenstaande figuur, wordt alfa-ketoglutaraat omgezet in glutamaat dat vervolgens wordt gebruikt voor de synthese van eiwitten.

Alfa-ketoglutaraat is een ketozuur dat gemakkelijk kan worden geamineerd om tot aminozuur te leiden.


Eiwitstructuur

De functie van een eiwit is sterk afhankelijk van zijn 3D-structuur. De aminozuurvolgorde van een polypeptideketen bepaalt de uiteindelijke 3D-structuur van het eiwit.

Er zijn vier niveaus van eiwitstructuur: de primaire structuur, de secundaire structuur, de tertiaire structuur en de quaternaire structuur. Verder zijn er twee hoofdklassen van 3D-eiwitstructuren, dit zijn bolvormige en vezelachtige eiwitten.

Complexe, 3D-eiwitten worden geproduceerd door de eenvoudige primaire en secundaire eiwitstructuren te vouwen.


Eiwitsynthese en vertaling (met diagram)

Laten we een diepgaande studie maken van de eiwitsynthese. Na het lezen van dit artikel leert u over: 1. Eiwitsynthese 2. Componenten van eiwitsynthese 3. Mechanismen van eiwitsynthese en 4. Initiatie van eiwitsynthese.

Eiwitsynthese:

Eiwitten zijn gigantische moleculen gevormd door polypeptideketens van honderden tot duizenden aminozuren. Deze polypeptideketens worden gevormd door ongeveer twintig soorten aminozuren. Een aminozuur bestaat uit een basische aminogroep (-NH2) en een zure carboxylgroep (-COOH). Verschillende rangschikking van aminozuren in een polypeptideketen maakt elk eiwit uniek.

Eiwitten zijn fundamentele bestanddelen van protoplasma en bouwmateriaal van de cel.

Ze nemen deel aan de structurele en functionele organisatie van de cel. Functionele eiwitten zoals enzymen en hormonen regelen het metabolisme, biosynthese, energieproductie, groeiregulatie, sensorische en reproductieve functies van de cel. Enzymen zijn katalysatoren in de meeste biochemische reacties. Zelfs de genexpressie wordt gecontroleerd door enzymen. De replicatie van DNA en transcriptie van RNA wordt gecontroleerd door de eiwitachtige enzymen.

Componenten van eiwitsynthese:

Eiwitsynthese wordt bepaald door de genetische informatie die in de genen op het DNA van de chromosomen wordt gedragen.

De belangrijkste componenten van de eiwitsynthese zijn:

DNA is het hoofdmolecuul dat de genetische informatie bezit over de volgorde van aminozuren in een polypeptideketen. Structuur en eigenschappen van DNA reguleren en controleren de synthese van eiwitten.

DNA dat in de kern aanwezig is, stuurt informatie in de vorm van boodschapper-RNA naar het cytoplasma, de plaats van de eiwitsynthese in eukaryoten. Het boodschapper-RNA draagt ​​de informatie over de sequentie van aminozuren van de te synthetiseren polypeptideketen. Dit bericht of deze informatie heeft de vorm van een genetische code. Deze genetische code specificeert de taal van aminozuren die in een polypeptide moeten worden geassembleerd.

De genetische code wordt ontcijferd of vertaald in een reeks aminozuren.

Samenstelling van genetische code:

DNA-molecuul heeft drie componenten. Het zijn suiker, fosfaten en stikstofbasen. Alleen de volgorde van stikstofbasen varieert in verschillende DNA-moleculen. De volgorde van stikstofbasen of nucleotiden in een DNA-segment is dus de code of taal waarin het DNA de boodschap verzendt in de vorm van boodschapper-RNA (mRNA).

Het mRNA draagt ​​de genetische boodschap (genetische code) in de vorm van een nucleotidesequentie. Er is gevonden dat er colineariteit is tussen de nucleotidesequentie van mRNA en de aminozuursequentie van de gesynthetiseerde polypeptideketen.

De genetische code is de taal van stikstofbasen. Er zijn vier soorten stikstofbasen en twintig soorten aminozuren. Daarom specificeert de vierletterige taal van stikstofbasen de twintigletterige taal van aminozuren.

Mechanismen van eiwitsynthese:

Bij prokaryoten vinden de RNA-synthese (transcriptie) en eiwitsynthese (translatie) plaats in hetzelfde compartiment, aangezien er geen afzonderlijke kern is. Maar in eukaryten vindt de RNA-synthese plaats in de kern, terwijl de eiwitsynthese plaatsvindt in het cytoplasma. Het in de kern gesynthetiseerde mRNA wordt via nucleoporiën naar het cytoplasma geëxporteerd.

Eerst suggereerde Francis Crick in 1955 en later bewees Zemecnik dat de aminozuren voorafgaand aan hun opname in polypeptiden zich hechten aan een speciaal adaptermolecuul genaamd tRNA. Dit tRNA heeft een drie nucleotide lang anticodon dat een drie nucleotide lang codon op mRNA herkent.

Rol van ribosomen in eiwitsynthese:

Ribosoom is een macromoleculaire structuur die de synthese van eiwitten stuurt. Een ribosoom is een uit meerdere componenten bestaand, compact ribonucleoproteïnedeeltje dat rRNA, veel eiwitten en enzymen bevat die nodig zijn voor eiwitsynthese. Ribosoom brengt een enkel mRNA-molecuul en tRNA's geladen met aminozuren in een juiste oriëntatie samen, zodat de basensequentie van het mRNA-molecuul wordt vertaald in aminozuur 1-sequentie van polypeptiden.

Ribosoom is een nucleoproteïnedeeltje met twee subeenheden. Deze twee subeenheden liggen afzonderlijk maar komen samen voor de synthese van de polypeptideketen. In E. coli is ribosoom een ​​70S-deeltje met twee subeenheden van 30S en 50S. Hun associatie en dissociatie hangt af van de magnesiumconcentratie.

Kleine subeenheid van ribosoom bevat het decoderingscentrum waarin geladen tRNA's de codons van mRNA decoderen. Grote subeenheid bevat peptidyltransferasecentrum, dat de peptidebindingen vormt tussen opeenvolgende aminozuren van de nieuw gesynthetiseerde peptideketen.

Zowel 30S- als 50S-subeenheden bestaan ​​uit ribosomaal RNA (rRNA) en eiwitten.

Het mRNA bindt aan het 16S-rRNA van een kleinere subeenheid. Nabij zijn 5'8242-uiteinde bindt mRNA aan het 3'8242-uiteinde van 16S-rRNA.

De belangrijkste rol van ribosoom is de vorming van peptidebinding tussen opeenvolgende aminozuren van de nieuw gesynthetiseerde polypeptideketen. Het ribosoom heeft twee kanalen. Het lineaire mRNA komt binnen en ontsnapt via één kanaal, dat het decoderingscentrum heeft. Dit kanaal is toegankelijk voor de geladen tRNA's. De nieuw gesynthetiseerde polypeptideketen ontsnapt via het andere kanaal.

Richting van vertaling:

Elk eiwitmolecuul heeft een -NH2 einde en -COOH einde. Synthese begint aan het amino-uiteinde en eindigt aan het carboxyl-uiteinde. Het mRNA wordt vertaald in 5 → 3′ richting van amino- naar carboxyluiteinde. Synthese van mRNA uit DNA-transcriptie vindt ook plaats in de richting 5'8242 → 3'8242.

Initiatie van eiwitsynthese:

Vorming van initiatiecomplex:

Allereerst begint de 30S-subeenheid van het 70S-ribosoom het initiatieproces. De 30S-subeenheid, mRNA en geladen tRNA vormen samen een pre-initiatiecomplex. De vorming van een pre-initiatiecomplex omvat drie initiatiefactoren IF1, IF2 en IF3 samen met GTP (guanosinetrifosfaat). Latere 50S-subeenheid van ribosoom voegt zich bij 30S-subeenheid om 70S-initiatiecomplex te vormen.

Informatie voor eiwitsynthese is aanwezig in de vorm van drie nucleotidecodons op mRNA. Eiwitcoderende gebieden op mRNA bestaan ​​uit continue, niet-overlappende tripletcodons. Het eiwitcoderende gebied op mRNA wordt open leesraam genoemd, dat een startcodon 5'8242-AUG-3'8242 en een stopcodon aan het einde heeft. Elk open leeskader specificeert een enkel eiwit. Prokaryoot-mRNA heeft veel open leeskaders, codeert daarom voor meerdere polypeptiden en wordt polycistronische mRNA's genoemd.

Nabij het 5'8242-uiteinde van mRNA ligt het startcodon dat meestal 5'8242-AUG-3'8242 (zelden GUG) is in zowel prokaryoten als eukaryoten. Ribosoombindingsplaats (RBS) in prokaryoten ligt nabij het 5'-uiteinde van mRNA vóór (stroomopwaarts) van AUG-codon.

Tussen 5′-end en AUG-codon is er een sequentie van 20-30 basen. Hiervan is er een reeks 5'8242-AGGAGGU-3'8242. Deze purinerijke sequentie wordt de Shine-Dalgarno-sequentie genoemd en ligt 4-7 basen vóór (stroomopwaarts) van het AUG-codon.

Het 3′-end gebied van 16S rRNA is 30S subeenheid heeft een complementaire sequentie 3′-AUUCCUCCA-5'8242. Deze sequentie vormt basenparen met de Shine-Dalgarno-sequentie voor binding van mRNA aan ribosoom. Shine-Dalgarno-sequentie is de ribosoombindingsplaats (RBS). Het positioneert het ribosoom correct ten opzichte van het startcodon.

Er zijn twee tRNA-bindingsplaatsen op ribosoom die 30S- en 50S-subeenheden bedekken. De eerste site wordt de “P'8221-site of peptidylsite genoemd. De tweede site wordt de “A”-site of aminoacyl-site genoemd. Alleen het initiator-tRNA komt de plaats '8220P'8221 binnen. Alle andere tRNA's komen de ''8220A'8221-site binnen.

Voor elk aminozuur is er een apart tRNA. De identiteit van een tRNA wordt aangegeven door superscript, zoals tRNA Arg (specifiek voor aminozuur Arginine). Wanneer dit tRNA wordt geladen met aminozuur Arginine, wordt het geschreven als Arginine-tRNA Arg of Arg-tRNA Arg. Geladen tRAN wordt geaminoacyleerd tRNA genoemd.

In bacteriën is het eerste aminozuur dat het eiwit start altijd formylmethionine (fMet). Wanneer AUG als startcodon op mRNA verschijnt, wordt alleen fMet ingebouwd. Het tRNA-molecuul dat formylmethionine draagt, wordt tRNA™ 61 genoemd. Daarom is het eerste initiator geladen aminoacyl-tRNA altijd fMet-tRNA fMet. Wanneer AUG-codon wordt aangetroffen op de interne locatie (anders dan het startcodon), wordt methionine niet geformyleerd en tRNA dat dit methinine draagt, is tRNAm Leerde kennen .

Allereerst neemt het geladen initiator-tRNA, tMet-tRNA fMet genaamd, de '8220P'8221-plaats op het ribosoom in. Deze positie brengt zijn anticodon en startcodon AUG van mRNA samen op zo'n manier dat het anticodon van geladen tRNA en codon van mRNA basenpaar met elkaar vormen. Zo begint het lezen of vertalen van mRNA.

De '8220A'8221-site is beschikbaar voor het tweede binnenkomende geladen tRNA waarvan het anticodon basenparen vormt met het tweede codon op mRNA.

Opladen van tRNA:

Aanhechting van aminozuren aan tRNA's wordt opladen van tRNA genoemd. Alle tRNA's aan hun 3'8242-terminus hebben een sequentie 5'8242-CCA-3'8242. Op deze plaats binden aminozuren met behulp van het enzym aminoacyl tRNA synthatase. Het opladen van tRNA gebeurt in twee stappen.

1. Activering van aminozuren:

Energiemolecuul ATP activeert de aminozuren. Deze stap wordt gekatalyseerd door specifieke activerende enzymen die aminoacyl-tRNA-synthasen worden genoemd. Elk aminozuur heeft een apart enzym AA-RNA synthase enzym.

2. Overdracht van aminozuren naar tRNA:

AA-AMP-enzymcomplex reageert met een specifiek tRNA en draagt ​​het aminozuur over aan tRNA, waardoor AMP en enzym vrijkomen.

Dit eerste AA-tRNA is fMet-tRNA fmet, het aminozuur formylmethionine gebonden aan tRNA. Dit lost zichzelf op naar de “P” site op ribosoom. Hierna hecht het tweede AA-tRNA zich aan de '8220A'8221-plaats op het ribosoom. Op deze manier begint de verlenging van de polypeptideketen.

Verlenging van de polypeptideketen:

De verlenging van de polypeptideketen vereist enkele verlengingsfactoren. Deze verlengingsfactoren zijn Tu en G.

EF-Tu vormt een complex met AA2-tRNA en GTP en brengt het naar de '8220A'8221-plaats van ribosoom. Als het AA2-tRNA eenmaal op zijn plaats is op de '8220A'8221-plaats, wordt het GTP gehydrolyseerd tot GDP en wordt EF-Tu uit het ribosoom afgegeven. EF-Tu-GTP-complex wordt geregenereerd met behulp van een andere factor Ts.

Vorming van peptidebinding:

De belangrijkste rol van ribosoom is het katalyseren van de vorming van peptidebindingen tussen opeenvolgende aminozuren. Op deze manier worden aminozuren ingebouwd in eiwitten.

Nu worden zowel de '8220P'8221-site als de '8220A'8221-site op het ribosoom bezet door geladen tRNA's met aminozuren. Peptidebinding wordt gevormd tussen twee opeenvolgende aminozuren op de plaats '8220A'8221. Het omvat splitsing van binding tussen f-Met en tRNA. Dit wordt gekatalyseerd door het enzym tRNA-deacylase.

Peptidebinding wordt gevormd tussen de vrije carboxylgroep (-COOH) van het eerste aminozuur en de vrije aminogroep (- NH2) van het tweede aminozuur op de “A” site. Het enzym dat bij deze reactie betrokken is, is peptidyltransferase. Na de vorming van een peptidebinding, tussen twee aminozuren, wordt het tRNA op de '8220P'8221-plaats ongeladen of gedeacyleerd en tRNA op de '8220A'8221-plaats draagt ​​nu een 'slechte' eiwitketen met twee aminozuren. Dit gebeurt in de 50S-subeenheid van het ribosoom.

Het peptidyltransferase dat de vorming van peptidebindingen tussen opeenvolgende aminozuren kataliseert, bestaat uit verschillende eiwitten en moleculen van 23S-rRNA in het ribosoom. Dit 23S-rRNA is een ribozym.

Translocatie:

Het peptidyl-tRNA dat twee aminozuren draagt ​​die aanwezig zijn op de '8220A'8221-plaats, wordt nu getransloceerd naar de '8221P'8221-plaats. Deze beweging wordt translocatie genoemd. Verlengingsfactor genaamd EF-G controle translocatie. Deze factor G wordt translocase genoemd. Hydrolyse van GTP levert energie voor translocatie en afgifte van gedeacyleerd tRNA (vrij van aminozuur).

Translocatie omvat ook verplaatsing van ribosoom langs mRNA naar zijn 3''8242-uiteinde over een afstand van één codon van het eerste naar het tweede codon. Deze beweging verschuift het dipeptidyl-tRNA (met twee aminozuren) van de plaats '8220A'8221 naar de plaats '8220P'8221.

Naast deze twee plaatsen P en A is er nog een derde plaats '8220E'8221 (exitplaats) op het 50S-ribosoom. Gedeacyleerd tRNA (beroofd van aminozuren) verplaatst zich van de '8220P'8221-site naar de '8220E'8221-site van waaruit het wordt uitgeworpen.

Dan komt het derde aminozuur (volgende aminozuur) geladen op tRNA op de nu lege plaats '8220A'8221 te liggen. Dan vormt de dipeptidylketen met twee aminozuren aanwezig op de P-plaats een peptidebinding met het derde aminozuur op de '8220A'8221-plaats. Vervolgens wordt de keten van drie aminozuren verplaatst naar de plaats '8220P'8221. Nu heeft de polypeptideketen drie aminozuren. Dit verlengingsproces gaat maar door. Bij elke stap wordt een nieuw aminozuur aan de polypeptideketen toegevoegd. Na elke verlenging beweegt het ribosoom met één codon in de richting 5'8242 → 3'8242.

Ketenbeëindiging:

De aanwezigheid van terminatiecodons of stopcodons op mRNA zorgt ervoor dat de polypeptideketen wordt beëindigd. De synthese stopt wanneer de verlengingsketen stopcodons tegenkomt op de '8220A'8221-site. De stopcodons zijn UAA, UGA en UAG. Er is geen tRNA dat aan deze codons kan binden.

Er zijn drie afgiftefactoren in prokaryoten, die helpen bij het beëindigen van de keten. Dit zijn RF1, RF2 en RF3.

Polyribosoom of Polysoom:

Een enkel mRNA-molecuul kan gelijktijdig door meerdere ribosomen worden gelezen. Een polyribosoom of polysoom bestaat uit verschillende ribosomen die aan hetzelfde RNA zijn bevestigd. Het aantal ribosomen in een polysoom hangt af van de lengte van mRNA.

Een volledig actief mRNA heeft één ribosoom na elke 80 nucleotiden. Er kunnen ongeveer 50 ribosomen zijn in een polycistronisch mRNA van prokaryoten. Ribosomen bewegen langs mRNA in 5'8242 3'8242 richting. Er is een geleidelijke toename in de grootte van de polypeptideketen naarmate de ribosomen langs mRNA naar het 3''8242-uiteinde bewegen. De polypeptideketen begint bij het 5'8242-uiteinde en wordt voltooid bij het 3'8242-uiteinde.

De ribosomen die zich het dichtst bij het 5'8242-uiteinde van mRNA bevinden, hebben de kleinste polypeptideketen, terwijl ribosomen die het dichtst bij het 3'8242-uiteinde liggen de langste keten hebben. Polysoom verhoogt de snelheid van eiwitsynthese enorm. In bacteriën wordt eiwit gesynthetiseerd met een snelheid van ongeveer 20 aminozuren per seconde.

Gelijktijdige transcriptie en vertaling in prokaryoten:

In prokaryoten zijn alle componenten van transcriptie en translatie aanwezig in hetzelfde compartiment. Het mRNA-molecuul wordt gesynthetiseerd in de richting 5'8242 → 3'8242 en eiwitsynthese vindt ook plaats in de richting 5'8242 → 3'8242. Op deze manier heeft het mRNA-molecuul terwijl het nog in synthese is een vrij 5'8242-uiteinde waarvan het andere uiteinde nog in synthese is.

Ribosomen binden aan het vrije 5'8242-uiteinde en starten de eiwitsynthese. Op deze manier start het vrije uiteinde (5′-end) van mRNA het proces van eiwitsynthese terwijl het nog aan het DNA is gehecht. Dit wordt gekoppelde transcriptie en vertaling genoemd. Dit verhoogt de snelheid van eiwitsynthese. Nadat de eiwitsynthese is voltooid, begint de afbraak van het mRNA-molecuul door nucleasen ook aan het 5'8242-uiteinde en gaat verder in de richting 5'8242 → 3'8242.

Eiwitsynthese in eukaryoten:

Eiwitsynthese in eukaryoten is in principe vergelijkbaar met die van prokaryoten, behalve enkele verschillen.

De ribosomen in eukaryoten zijn van 80S met 40S- en 60S-subeenheden. Bij eukaryoten is het initiërende aminozuur methionine en niet f-methionine zoals in het geval van prokaryoten. Een speciaal tRNA bindt methionine om codon AUG te starten. Dit tRNA wordt tRNAi Met genoemd. Dit verschilt van tRNA Met dat aminozuur methionine bindt aan een andere interne positie in het polypeptide.

Er is geen Shine-Dalgarno-sequentie in eukaryoot mRNA om als ribosoombindingsplaats te functioneren. Tussen het 5′-end en AUG-codon van mRNA bevindt zich een reeks basen die cap wordt genoemd. Kleine subeenheid van ribosoom scant het mRNA in 5'8242 → 3'8242 richting totdat het het 5'8242-AUG-3'8242 codon tegenkomt. Dit proces wordt scannen genoemd. Initiatiefactoren zijn ook nauw verbonden met het 3′-uiteinde van mRNA via zijn poly-A-staart. Initiatiefactoren maken mRNA circulair door zijn poly-A-staart. Op deze manier draagt ​​poly-A-staart ook bij aan de translatie van mRNA. Eukaryotische mRNA's zijn monocistonic en coderen voor een enkel polypeptide, daarom hebben ze een enkel open leesraam.

Er zijn tien initiatiefactoren bij eukaryoten. Ze zijn elF (eukaryote initiatiefactoren) zijn elFI, eIF2, eIF3, eIF4A, eIF4B, eIF4C, eIF4D, eIF4F, eIF5, eIF6.

Er zijn twee verlengingsfactoren in eukaryoten zoals prokaryoten. Ze zijn eEFl (vergelijkbaar met EF-Tu) en eEF2 (vergelijkbaar met EF-G).

Eukaryoten hebben slechts één afgiftefactor eRF waarvoor GTP-beëindiging van eiwitsynthese vereist is. Het herkent alle drie de stopcodons.

In eukaryoten wordt het mRNA gesynthetiseerd in de kern, vervolgens verwerkt, gemodificeerd en doorgegeven aan het cytoplasma via nucleoporiën. De eiwitsynthese vindt plaats in het cytoplasma. Het mRNA in prokaryoten is erg onstabiel en de levensduur is slechts enkele minuten. Het mRNA van eukaryoten is vrij stabiel en heeft een langere levensduur die kan oplopen tot enkele dagen.

Eiwitsynthese op gebonden ribosomen:

Ribosomen komen in vrije toestand voor in het cytoplasma en zijn gebonden aan het buitenoppervlak van het endoplasmatisch reticulum, ruw endoplasmatisch reticulum (RER) genoemd. De hechting van ribosomen aan ER vindt plaats nadat de eiwitsynthese is gestart. Of de ribosomen eiwit synthetiseren in vrije of aangehechte toestand, hangt af van het type eiwitten dat door ribosomen moet worden gesynthetiseerd. De meeste eiwitten die in vrije toestand in het cytoplasma blijven, worden gesynthetiseerd door vrije ribosomen.

Eiwitten die door ribosomen op ER worden gesynthetiseerd, komen het lumen van cisternae van ER binnen van waaruit ze het golgi-apparaat kunnen binnengaan waar ze worden geglycosyleerd en secretaressekorrels vormen en velen van hen gaan lysosomen binnen.

Wijziging van het vouwen van vrijgekomen polypeptiden:

DNA-molecuul specificeert alleen de primaire structuur tijdens het vouwen en andere modificaties die worden gecontroleerd door eiwitten zelf.

Het nieuw gesynthetiseerde polypeptide is niet altijd een functioneel eiwit. Het nieuw vrijgegeven polypeptide kan verschillende modificaties ondergaan. Een enzymdeformylase verwijdert de formylgroep van het eerste aminozuur methionine. De splitsingen van eiwitten komen het meest voor. Sommige enzymen, zoals exo-aminopeptidasen, verwijderen sommige aminozuren van het N-uiteinde of van het C-uiteinde of beide uiteinden.

Interne aminozuren kunnen ook worden verwijderd zoals in het geval van insuline. Polyproteïnen worden gesplitst om individuele eiwitten te genereren. De polypeptideketen kan afzonderlijk of in combinatie met andere ketens opvouwen om tertiaire of quaternaire structuren te vormen. Prothetische groepen voegen zich bij veel eiwitten. Sommige eiwitten helpen bij het opvouwen van polypeptiden. Ze worden chaperonne-eiwitten of chapronine-eiwitten genoemd. Voorbeelden zijn Bacteriële gro EL (E. coli), mitochondriale hsp 60 mitonine.

Verschillende veel voorkomende chemische modificaties van nieuw vrijgegeven eiwitten zijn glycosylering, fosforylering, methylering, acetylering enz.

Eiwitsortering of eiwithandel of eiwittargeting:

De eiwitten die in de cel worden gesynthetiseerd, moeten worden verplaatst naar de kern of andere doelorganellen. Nieuw gesynthetiseerde polypeptiden hebben een signaalsequentie (die een polypeptide is) bestaande uit 13-36 aminozuren. Het staat bekend als leidersequentie. Deze signaalsequentie wordt herkend door receptoren die zich in de membranen van de doelorganellen bevinden.

Wanneer eiwitten worden gesynthetiseerd op vrije ribosomen, vindt de overdracht plaats na de translatie. Wanneer de eiwitsynthese plaatsvindt op ribosomen die vastzitten aan het endoplasmatisch reticulum (Rough ER), vindt de overdracht gelijktijdig met translatie plaats en wordt co-translationele overdracht genoemd. De eiwitten die het lumen van het ruwe ER binnenkomen, kunnen het golgi-apparaat binnendringen, van waaruit ze de secretaire lysosomen kunnen binnendringen. De signaalsequentie wordt afgebroken door protease-enzymen.

Als al deze eiwitten eenmaal op hun juiste plaats zijn geassembleerd, zorgen ze voor de juiste biochemische machinerie, die de cel voeden, voortbewegen, vermenigvuldigen en in leven houdt.

Remmers van eiwitsynthese:

Er zijn veel chemicaliën, zowel synthetisch als die verkregen uit verschillende bronnen zoals schimmels, die zich binden aan de componenten van vertaalmachines en het vertaalproces stoppen. De meeste van hen zijn antibacteriële middelen of antibiotica die uitsluitend op bacteriën inwerken en zijn dus krachtige hulpmiddelen in de handen van de mens om verschillende infectieziekten te bestrijden. De meeste antibiotica zijn remmers van vertaalmachines.

Het bindt op de “A”-plaats op het ribosoom. Dit veroorzaakt voortijdige beëindiging van de polypeptideketen.

Het remt de rekfactor EF-Tu.

Het remt de rekfactor EF-G.

Het valt de '8220A'-plaats op het ribosoom aan en voorkomt de binding van aminoacyl-tRNA.

Chlooramfenicol: Het blokkeert de peptidyloverdrachtsreactie.

Het bindt het uitgangskanaal van het polypeptide van ribosoom, blokkeert daarom de uitgang van de groeiende polypeptideketen en stopt dus het translatieproces.

Streptomycine en Neomycine:

Deze remmen de binding van tRNA fMet aan de '8220P'8221-plaats.

Remmers in eukaryoten:

Difterietoxine is een toxine dat wordt geproduceerd door corynebacterium diphtheriae. Dit veroorzaakt een wijziging van de eukarotische verlengingsfactor.


De peptidebinding

Om een ​​peptidebinding te begrijpen, moeten we de structuur van aminozuren nader bekijken. Zoals eerder opgemerkt, worden de verschillende soorten aminozuren onderscheiden op basis van de R-groep. Als R bijvoorbeeld een waterstofatoom is, is het aminozuur glycine. Als R een methylgroep is (CH3), is het aminozuur alanine. Als R de sulfhydryl is (CH2SH), het aminozuur is cysteïne. Dit zijn slechts enkele voorbeelden, maar behalve de R-groep zijn alle aminozuren verder hetzelfde. Aan het ene uiteinde heeft elk aminozuur de functionele groep COOH, carboxyl genaamd. Aan het andere uiteinde heeft elk aminozuur een NH2 groep, amino genoemd. (Zie figuur 4 voor een peptidebinding in een aminozuur.)

Figuur 4: Peptidebinding

Een peptidebinding wordt gevormd wanneer het carboxylkoolstofatoom van een aminozuur covalent wordt verbonden met het aminostikstofatoom van een ander aminozuur, waardoor een watermolecuul (H2O). Koppeling van verschillende aminozuren door hun carboxyl- en aminogroepen produceert een klein eiwit, ook wel een polypeptide genoemd, omdat het verschillende peptidebindingen bevat (Figuur 5). Door aminozuren op deze manier samen te voegen, ontstaat een keten met een COOH aan het ene uiteinde en een NH2 aan het andere uiteinde, respectievelijk de carboxyl- en amino-uiteinden.

Figuur 5: De samenvoeging van twee aminozuren (rood) met een uitgestoten watermolecuul (blauw).

In de tijd van Sanger gebruikten biochemici zure chemicaliën om de peptidebindingen van een eiwit te verbreken, waardoor de afzonderlijke aminozuren werden gescheiden. Bovendien wisten ze dat een eiwit meer dan één polypeptideketen kon hebben, verbonden door een andere door disulfidebindingen die zich hechten aan delen van een keten die cysteïne bevatten. Door een eiwit te behandelen om disulfidebruggen te vernietigen, konden biochemici in het begin van de jaren veertig het aantal ketens in een eiwit achterhalen. Door de peptidebindingen te verbreken en chemische tests uit te voeren, konden ze ook de identiteit van de aminozuren van een eiwit en de relatieve hoeveelheden van elk aminozuur bepalen.

Dit vertelde biochemici echter niet in welke volgorde die aminozuren aan elkaar waren gekoppeld. Wat Sanger onderscheidde van zijn tijdgenoten was het inzicht dat de relatieve hoeveelheden van elk type aminozuur en hun volgorde extreem belangrijk kunnen zijn. Het zou de basis kunnen zijn van hoe elk eiwit functioneerde. Als dat zo is, zou de aminozuurvolgorde ook de sleutel zijn tot hoe het leven functioneerde. Gezien de prevalentie van eiwitten in organismen, was het idee heel logisch, maar nu was het de taak van Sanger om het te bewijzen. Dit zou geen gemakkelijke taak zijn, maar de eerste stap was het kiezen van een bepaald eiwit om zijn werk op te concentreren.

Om de afzonderlijke aminozuren te scheiden, gebruiken wetenschappers _____ chemicaliën om de peptidebindingen van een eiwit te verbreken.


Uitleg

Eiwitsynthese omvat twee hoofdonderdelen: transcriptie en translatie. Het proces omvat ribonucleïnezuur (RNA), deoxyribonucleïnezuur (DNA) en een reeks enzymen. Alle soorten ribonucleïnezuren, namelijk messenger ribonucleïnezuur (mRNA), ribosomaal ribonucleïnezuur (rRNA) en transfer ribonucleïnezuur (tRNA) zijn vereist voor eiwitsynthese.

Transcriptie

Het is het eerste deel in het proces van eiwitsynthese. Het vindt plaats in de celkern, waar deoxyribonucleïnezuur (DNA) zich in de chromosomen bevindt. Zoals we allemaal weten, is DNA een dubbele helixstructuur. Van twee parallelle strengen fungeert één als een sjabloon om mRNA te produceren. Als initiatiestap van transcriptie bindt RNA-polymerase zichzelf aan een bepaalde plaats (promotorregio) in een van de DNA-strengen die als een sjabloon zal fungeren.

Na zijn hechting aan een DNA-matrijsstreng, synthetiseert het polymerase-enzym een ​​mRNA-polymeer onder leiding van het matrijs-DNA. De mRNA-streng blijft zich verlengen totdat de polymerase een 'terminatorregio' in de matrijs bereikt.

Daarom omvat het transcriptiegedeelte drie stappen: initiatie, verlenging en beëindiging. Het nieuw getranscribeerde mRNA wordt vrijgegeven door het polymerase-enzym, dat vervolgens naar het cytoplasma migreert om het proces van eiwitsynthese te voltooien.

Vertaling

Het is het tweede deel in het proces van synthese van eiwitten. In tegenstelling tot transcriptie die in de kern plaatsvindt, vindt translatie plaats in het celcytoplasma. Dit deel wordt gestart zodra het getranscribeerde mRNA het cytoplasma binnenkomt.

De ribosomen die in het cytoplasma aanwezig zijn, hechten zich onmiddellijk aan het mRNA op een specifieke plaats, het startcodon genoemd. Een aminoacyl-tRNA bindt ook aan de mRNA-streng. Deze fase wordt initiatie genoemd.

Wil je voor ons schrijven? Nou, we zijn op zoek naar goede schrijvers die het woord willen verspreiden. Neem contact met ons op, dan praten we verder.

Terwijl de ribosomen langs de mRNA-streng bewegen, brengt het aminoacyl-tRNA één voor één aminozuurmoleculen aan. Deze specifieke fase wordt verlenging genoemd. In de terminatiefase lezen de ribosomen het laatste codon van de mRNA-streng. Dit beëindigt het translatiegedeelte en de polypeptideketen wordt vrijgegeven.

In dit deel worden de ribosomen en tRNA gehecht aan het mRNA, dat de gecodeerde informatie in de streng leest. Dienovereenkomstig vindt eiwitsynthese van een specifieke aminozuursequentie plaats.

Over het algemeen omvat het proces van eiwitsynthese transcriptie van DNA naar mRNA, dat vervolgens wordt vertaald in eiwitten. Dit proces vereist een goede coördinatie van RNA, DNA, enzymen en ribosomen. De stapsgewijze procedure van eiwitsynthese staat in de moleculaire biologie ook wel bekend als het 'centrale dogma'.

Gerelateerde berichten

Klonen is tegenwoordig een ingeburgerd proces, dat de belofte inhoudt om bedreigde en zelfs uitgestorven dieren opnieuw te bevolken. Lees verder om er een overzicht van te krijgen.

DNA-vingerafdrukken hebben een revolutie teweeggebracht in strafrechtelijk onderzoek om echte schuldigen op te sporen. Hoe interessant het ook klinkt, het heeft een geavanceerde stapsgewijze procedure. Dit artikel geeft je complete&hellip

De laatste tijd is er veel discussie geweest over het proces van het klonen van mensen. Of het nu ethisch of onethisch is, genetisch klonen wordt altijd gezien als de grootste uitdaging in genetische & hellip


Eiwitstructuur

Eiwitten hebben vier niveaus van structuur, die we allemaal al op deze pagina hebben genoemd. De vier niveaus staan ​​bekend als de primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur van een eiwit.

Primaire structuur

De primaire structuur is de specifieke volgorde van aminozuren, d.w.z. de volgorde waarin ze aan elkaar zijn gebonden. De exacte volgorde waarin aminozuren aan elkaar zijn gebonden, wordt bepaald door de informatie die is opgeslagen in genen.

Via processen die transcriptie en translatie worden genoemd, levert DNA alle benodigde informatie voor cellen om de exacte primaire structuur voor duizenden verschillende eiwitten te produceren. De primaire structuur bepaalt de secundaire en tertiaire structuren van eiwitten.

Secundaire structuur

De secundaire structuur van een eiwit wordt gevormd door waterstofbruggen tussen atomen langs de ruggengraat van de polypeptideketen.

Onthoud dat elk aminozuur een carboxylgroep en een aminegroep heeft, de lichte negatieve lading op de zuurstof van de carboxylgroep vormt een zwakke binding met de lichte positieve lading van een waterstofatoom op de aminegroep van een ander aminozuur. Waterstofbindingen zijn zwak, maar veel ervan creëren voldoende sterkte om de vorm van een polypeptideketen te beïnvloeden.

De waterstofbruggen zorgen ervoor dat de ruggengraat van het polypeptide vouwt en zich oprolt in twee mogelijke vormen: de α-helix en de geplooide vellen. Een α (griekse letter 'alpha') helix is ​​een spiraal, vergelijkbaar met de dubbele helix van de iconische DNA-streng, maar met slechts één spoel, en wordt gevormd door waterstofbruggen tussen elk vierde aminozuur. De α-helix komt veel voor in structurele eiwitten zoals keratine.

De β (griekse letter 'beta') geplooide vellen worden gevormd wanneer waterstofbruggen optreden tussen twee of meer aangrenzende polypeptideketens en komen veel voor in bolvormige eiwitten (zie hieronder in 'Soorten eiwitten').

Tertiaire structuur

De tertiaire structuur is de uiteindelijke vorm die de polypeptideketen aanneemt en wordt bepaald door de R-groepen. De aantrekking en afstoting tussen verschillende R-groepen buigt en vouwt het polypeptide om de uiteindelijke 3D-vorm van een eiwit te creëren.

Quaternaire structuur

Niet alle eiwitten hebben een quaternaire structuur. Een quaternaire structuur ontstaat alleen wanneer meerdere polypeptideketens samenkomen om een ​​groot complex eiwit te vormen. In dergelijke gevallen wordt elk polypeptide een '8216subeenheid'8217 genoemd.

Hemoglobine is een voorbeeld van een eiwit met quaternaire structuur. Bij de meeste dieren wordt hemoglobine gemaakt van vier bolvormige subeenheden.


Eiwitstabiliteit

  • Eiwitten zijn zeer gevoelige moleculen. De term 'native state' wordt gebruikt om het eiwit in zijn meest stabiele natuurlijke conformatie, in situ, te beschrijven. Deze natuurlijke toestand kan worden verstoord door een aantal externe stressfactoren, waaronder temperatuur, pH, verwijdering van water, de aanwezigheid van hydrofobe oppervlakken, de aanwezigheid van metaalionen en hoge afschuiving.
  • The loss of a secondary, tertiary or quaternary structure due to exposure to stress is called denaturation. Denaturation results in the unfolding of the protein into a random or misfolded shape.
  • A denatured protein can have quite a different activity profile than the protein in its native form, and it usually loses its biological function. In addition to becoming denatured, proteins can also form aggregates under certain stress conditions. Aggregates are often produced during the manufacturing process and are typically undesirable, largely due to the possibility of them causing adverse immune responses when administered.

(1). Primary Structure

O Primary structure of a protein gives the details of the amino acid sequence of a protein.

Ø The primary structure will tell you two main things: (i) De number of amino acid residues in the protein and (ii) the sequence of amino acids.

Ø The ‘sequence’ information contains the correct order of amino acids in the protein starting from N-terminal to C-terminal.

Ø The primary structure of a protein will determine all other levels of structural organization of a protein (secondary, tertiary and quaternary).

Ø The primary structure is stabilized by Peptide Bonds (Covalent Bond).

Ø The first study about an unknown protein will be its sequence determination (determination of primary structure).

Ø First sequenced protein: Insuline door Frederick Sanger.

Primary Structure of Insulin

Importance of Primary Structure:

Ø The primary structure of a protein will offer insights into its:

(een). Three dimensional (3D) structure

(B). Functie of the protein

(C). Cellular plaats

(d). Evolutie of the protein

Ø Primary structure data can be used for the sequence searching from the protein databases.

Three Dimensional Structures of Proteins

Ø The backbone of a protein contains hundreds of individual bonds.

Ø Free rotation is possible around many of these bonds.

Ø The free rotation allows an unlimited number of conformations around these bonds.

Ø However, each protein has a specific (unique) structural conformation.

Ø This unique structural formation of a protein is called its 3D structure.

Ø The spatial arrangement of atoms in a protein is called its ‘Conformation’.

Ø Proteins in their functional, folded conformations are called native proteins.

Ø The conformations of a protein are mainly stabilized by weak interactions such as waterstofbruggen, hydrophilic interactions, hydrophobic interactions etc..

Ø These weak interactions can be easy distorted with less expenditure of energy.

Ø Proteins may have three levels of Three Dimensional (3D) Organizations. Zij zijn:

Secondary structure

Tertiary structure

Quaternary structure

(2). Secondary Structure

Ø Secondary structure is the special local conformation of some part of a polypeptide chain.

Ø It is the folding pattern of the regular polypeptide backbone.

Ø Different types of secondary structures occur in nature.

Ø The secondary structures are stabilized mainly by Hydrogen Bonds.

Ø Three most important secondary structure in protein are:

B. β-Conformations (β-plates)

(EEN). α-Helix

Ø The α-helix is the most common secondary structure.

Ø They are regular structures that repeat every 5.4 Å.

Ø It is the simplest arrangement of a polypeptide chain.

Ø The α-helical structure of the protein was proposed by Pauling and Corey in 1951.

O The polypeptide backbone is tightly wound around an imaginary axis drawn longitudinally through the middle of the helix, and the R groups of the amino acid residues protrude outward from the helical backbone.

O Pitch of helix: The repeating unit of the helix.

Ø The pitch is a single turn of the helix which extends about 5.4 Å.

Ø Each helical turn in α-helix contains 3.6 amino acids.

Ø The helical twist of the α-helix in all protein is rechtshandig.

Ø The α- helix is stabilized by waterstofbruggen.

Ø The α-helix is so common in protein because it makes optimal use of internal hydrogen bonds.

Ø Hydrogen bonds are formed between the hydrogen attached to the electronegative nitrogen atom of the peptide linkage and the electronegative carbonyl oxygen atom of the fourth amino acid on the amino-terminal side of the peptide bond.

Ø Within the α-helix, every peptide bond participates in hydrogen bonding.

Ø All hydrogen bonds together provide considerable stability to the α-helix.

Ø All polypeptide cannot form a sable α-helix.

Ø The interactions between the amino acid side chains can stabilize or destabilize the α-helix.

Ø For example, if a polypeptide chain has a long stretch of Glutamic Acid residues, this segment the chain will not form an α-helix.

Ø The negatively charged carboxyl group of the adjacent Glu residues repels each other strongly so that they prevent the formation of the α-helix.

Ø Similarly, a polypeptide rich in Proline will not form an α-helix.

Ø In proline, the nitrogen atom is part of a rigid ring and rotation about the N – Cα bond is NOT possible.

Ø Thus proline introduces a destabilizing kink in the polypeptide and hence proline is very rarely found in α-helix.

Β-Conformations (β-Plates)

Ø The β conformation or β-plates organize the polypeptide chains into lakens.

Ø The β-conformation is an verlengd form of a polypeptide chain.

Ø Here the polypeptide backbone is extended into a zigzag structuur.

Ø The zigzag polypeptide chains can be arranged side-by-side to form a structure resembling a series of pleats called β-sheets.

Ø Here also the structure is stabilized by waterstofbruggen.

Ø However, unlike α-helix, the hydrogen bonds are formed between adjacent segments of the chain.

Ø The R-groups of adjacent amino acids protrude from the zigzag structure in opposite direction creating the alternating pattern.

Ø The polypeptide chains in the β-sheets may be arranged either in parallel (the same direction) or anti-parallel (opposite direction).

Ø Based on this the β-Plates are classified into two types: (diagram)

(a) Anti-parallel β-Plates

(b) Parallel β-Plates

Ø The β-turns are very common in proteins, where the peptide make a turn or loop (peptide make a reverse direction).

Ø In globular proteins, nearly one-third of the amino acid residues are in β turns.

Ø The β-turns are the connecting elements that link successive runs polypeptide chain.

Ø The β-turn connects the ends of two adjacent segments of anti-parallel β-sheets.

Ø The β-turn structure is an 180º turn involving four amino acid residues

Ø The carbonyl oxygen of the first residue forms a hydrogen bond with the amino group hydrogen of the fourth amino acid in the turn.

Ø Glycine (Gly) and Proline (Pro) resides frequently occurs in β-turns.

Ø Glycine due to its very small size (the R group is – H) allows β turns.

Ø Proline is an imino acid with its side chain covalently linked with the amino group.

Ø Proline residue in the peptide bond assumes the ‘cis’ configuration.

Ø The ‘cis’ conformation is very amenable to tight turns.

Ø There are several types of β turns of with type I and Type II are most common.

Ø The type I β-turn is found more than twice the frequency of type II.

Ø In type II, the third residue will always be a Glycine residue.

(3). Tertiary Structure Proteins

Ø Tertiary structure: The overall three-dimensional arrangement of all atoms in a protein is referred to as the tertiary structure.

Ø The tertiary structure will have a single polypeptide “backbone” with one or more secondary structures.

Ø Tertiary structure is defined by the atomic coordinates.

Ø Tertiary structures in a protein are stabilized by both covalent and non-covalent bonds.

Ø Covalent bond: Disulfide bonds (between two Cys residues)

Ø Non-covalent interactions: Ionic interactions (electrostatic attractions), hydrophilic interactions, van der Waals interactions.

Ø The term ‘Domein’ is used to denote a single functional unit of a protein.

Ø A protein may have many domains with specific functions.

Ø A protein with a single subunit only has up to the tertiary structure.

(4). Quaternary Structure

Ø Majority of functional protein contains more than one polypeptide chains and such a protein is said to be oligomeric.

Ø Each peptide forms a sub-unit of monomeer of protomer.

Ø Quaternary structure: The arrangement of protein monomers in three-dimensional complexes in a multi-subunit protein is called quaternary structure.

Ø For a protein to have a quaternary structure, it should fulfil two conditions:

§ It should have more than one polypeptide subunits

§ There should not have permanent (covalent) interaction between the subunits (like disulfide bond).

Ø Insulin does not have the quaternary structure even if it contains two subunits.

Ø The two polypeptides in insulin are covalently connected with two disulfide bonds.

Ø Thus, insulin can have up to tertiary structure (not quaternary structure).

Ø Bonds stabilizing quaternary structure: hydrogen bonds, hydrophilic interactions, hydrophobic interactions, van der Waals interactions.

Nelson, D.L., Lehninger, A.L. and Cox, M.M., 2008. Lehninger’s Principles of Biochemistry. Macmillan.

Study Offline (Without Internet)

Now you can Downloaden de PDF of this Post Absolutely Free !

Please click on the Download Link / Knop below to Save the post as a Single PDF file. The PDF file will be opened in a new window in the browser itself. Right click on the PDF and select ‘Save As‘ option to save the file to your computer.

Alsjeblieft Share the PDF with your Friends, Relatives, Students and Colleagues…

Do you have any Queries?
Please leave me in the Comments Section below.
I will be Happy to Read your Comments and Reply.


DNA and RNA

De twee belangrijkste soorten nucleïnezuren zijn deoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). DNA is het genetische materiaal in alle levende organismen, van eencellige bacteriën tot meercellige zoogdieren. Het bevindt zich in de kern van eukaryoten en in de organellen, chloroplasten en mitochondriën. Bij prokaryoten is het DNA niet ingesloten in een vliezige envelop.

The cell’s entire genetic content is its genome, and the study of genomes is genomics. In eukaryotic cells but not in prokaryotes, a DNA molecule may contain tens of thousands of genes. Many genes contain information to make protein products (e.g., mRNA). Andere genen coderen voor RNA-producten. DNA regelt alle cellulaire activiteiten door de genen "aan" of "uit" te zetten.

Het andere type nucleïnezuur, RNA, is vooral betrokken bij eiwitsynthese. De DNA-moleculen verlaten de kern nooit, maar gebruiken in plaats daarvan een tussenpersoon om met de rest van de cel te communiceren. Deze tussenpersoon is het boodschapper-RNA (mRNA). Andere soorten RNA, zoals rRNA, tRNA en microRNA, zijn betrokken bij de eiwitsynthese en de regulatie ervan.

DNA and RNA are comprised of monomersthat scientists call nucleotiden. The nucleotides combine with each other to form a polynucleotide, DNA or RNA. Three components comprise each nucleotide: a nitrogenous base, a pentose (five-carbon) sugar, and a phosphate group. Each nitrogenous base in a nucleotide is attached to a sugar molecule, which is attached to one or more phosphate groups. Therefore, although the terms “base” and “nucleotide” are sometimes used interchangeably, a nucleotide contains a base as well as part of the sugar-phosphate backbone.

Comparison of RNA (left molecule) and DNA (right molecule). The color of the bases in RNA and DNA aligns with the colored boxes next to each base molecule.


Inhoud

Post-translational proteolytic processing Edit

Limited proteolysis of a polypeptide during or after translation in protein synthesis often occurs for many proteins. This may involve removal of the N-terminal methionine, signal peptide, and/or the conversion of an inactive or non-functional protein to an active one. The precursor to the final functional form of protein is termed proprotein, and these proproteins may be first synthesized as preproprotein. For example, albumin is first synthesized as preproalbumin and contains an uncleaved signal peptide. This forms the proalbumin after the signal peptide is cleaved, and a further processing to remove the N-terminal 6-residue propeptide yields the mature form of the protein. [1]

Removal of N-terminal methionine Edit

The initiating methionine (and, in prokaryotes, fMet) may be removed during translation of the nascent protein. Voor E coli, fMet is efficiently removed if the second residue is small and uncharged, but not if the second residue is bulky and charged. [2] In both prokaryotes and eukaryotes, the exposed N-terminal residue may determine the half-life of the protein according to the N-end rule.

Removal of the signal sequence Edit

Proteins that are to be targeted to a particular organelle or for secretion have an N-terminal signal peptide that directs the protein to its final destination. This signal peptide is removed by proteolysis after their transport through a membrane.

Cleavage of polyproteins Edit

Some proteins and most eukaryotic polypeptide hormones are synthesized as a large precursor polypeptide known as a polyprotein that requires proteolytic cleavage into individual smaller polypeptide chains. The polyprotein pro-opiomelanocortin (POMC) contains many polypeptide hormones. The cleavage pattern of POMC, however, may vary between different tissues, yielding different sets of polypeptide hormones from the same polyprotein.

Many viruses also produce their proteins initially as a single polypeptide chain that were translated from a polycistronic mRNA. This polypeptide is subsequently cleaved into individual polypeptide chains. [1] Common names for the polyprotein include gag (group-specific antigen) in retroviruses and ORF1ab in Nidovirales. The latter name refers to the fact that a slippery sequence in the mRNA that codes for the polypeptide causes ribosomal frameshifting, leading to two different lengths of peptidic chains (een en ab) at an approximately fixed ratio.

Cleavage of precursor proteins Edit

Many proteins and hormones are synthesized in the form of their precursors - zymogens, proenzymes, and prehormones. These proteins are cleaved to form their final active structures. Insulin, for example, is synthesized as preproinsulin, which yields proinsulin after the signal peptide has been cleaved. The proinsulin is then cleaved at two positions to yield two polypeptide chains linked by two disulfide bonds. Removal of two C-terminal residues from the B-chain then yields the mature insulin. Protein folding occurs in the single-chain Proinsulin form which facilitates formation of the ultimately inter-peptide disulfide bonds, and the ultimately intra-peptide disulfide bond, found in the native structure of insulin.

Proteases in particular are synthesized in the inactive form so that they may be safely stored in cells, and ready for release in sufficient quantity when required. This is to ensure that the protease is activated only in the correct location or context, as inappropriate activation of these proteases can be very destructive for an organism. Proteolysis of the zymogen yields an active protein for example, when trypsinogen is cleaved to form trypsin, a slight rearrangement of the protein structure that completes the active site of the protease occurs, thereby activating the protein.

Proteolysis can, therefore, be a method of regulating biological processes by turning inactive proteins into active ones. A good example is the blood clotting cascade whereby an initial event triggers a cascade of sequential proteolytic activation of many specific proteases, resulting in blood coagulation. The complement system of the immune response also involves a complex sequential proteolytic activation and interaction that result in an attack on invading pathogens.

Protein degradation Edit

Protein degradation may take place intracellularly or extracellularly. In digestion of food, digestive enzymes may be released into the environment for extracellular digestion whereby proteolytic cleavage breaks proteins into smaller peptides and amino acids so that they may be absorbed and used. In animals the food may be processed extracellularly in specialized organs or guts, but in many bacteria the food may be internalized via phagocytosis. Microbial degradation of protein in the environment can be regulated by nutrient availability. For example, limitation for major elements in proteins (carbon, nitrogen, and sulfur) induces proteolytic activity in the fungus Neurospora crassa [3] as well as in of soil organism communities. [4]

Proteins in cells are broken into amino acids. This intracellular degradation of protein serves multiple functions: It removes damaged and abnormal protein and prevents their accumulation. It also serves to regulate cellular processes by removing enzymes and regulatory proteins that are no longer needed. The amino acids may then be reused for protein synthesis.

Lysosome and proteasome Edit

The intracellular degradation of protein may be achieved in two ways - proteolysis in lysosome, or a ubiquitin-dependent process that targets unwanted proteins to proteasome. The autophagy-lysosomal pathway is normally a non-selective process, but it may become selective upon starvation whereby proteins with peptide sequence KFERQ or similar are selectively broken down. The lysosome contains a large number of proteases such as cathepsins.

The ubiquitin-mediated process is selective. Proteins marked for degradation are covalently linked to ubiquitin. Many molecules of ubiquitin may be linked in tandem to a protein destined for degradation. The polyubiquinated protein is targeted to an ATP-dependent protease complex, the proteasome. The ubiquitin is released and reused, while the targeted protein is degraded.

Rate of intracellular protein degradation Edit

Different proteins are degraded at different rates. Abnormal proteins are quickly degraded, whereas the rate of degradation of normal proteins may vary widely depending on their functions. Enzymes at important metabolic control points may be degraded much faster than those enzymes whose activity is largely constant under all physiological conditions. One of the most rapidly degraded proteins is ornithine decarboxylase, which has a half-life of 11 minutes. In contrast, other proteins like actin and myosin have a half-life of a month or more, while, in essence, haemoglobin lasts for the entire life-time of an erythrocyte. [5]

The N-end rule may partially determine the half-life of a protein, and proteins with segments rich in proline, glutamic acid, serine, and threonine (the so-called PEST proteins) have short half-life. [6] Other factors suspected to affect degradation rate include the rate deamination of glutamine and asparagine and oxidation of cystein, histidine, and methionine, the absence of stabilizing ligands, the presence of attached carbohydrate or phosphate groups, the presence of free α-amino group, the negative charge of protein, and the flexibility and stability of the protein. [5] Proteins with larger degrees of intrinsic disorder also tend to have short cellular half-life, [7] with disordered segments having been proposed to facilitate efficient initiation of degradation by the proteasome. [8] [9]

The rate of proteolysis may also depend on the physiological state of the organism, such as its hormonal state as well as nutritional status. In time of starvation, the rate of protein degradation increases.

Digestion Edit

In human digestion, proteins in food are broken down into smaller peptide chains by digestive enzymes such as pepsin, trypsin, chymotrypsin, and elastase, and into amino acids by various enzymes such as carboxypeptidase, aminopeptidase, and dipeptidase. It is necessary to break down proteins into small peptides (tripeptides and dipeptides) and amino acids so they can be absorbed by the intestines, and the absorbed tripeptides and dipeptides are also further broken into amino acids intracellularly before they enter the bloodstream. [10] Different enzymes have different specificity for their substrate trypsin, for example, cleaves the peptide bond after a positively charged residue (arginine and lysine) chymotrypsin cleaves the bond after an aromatic residue (phenylalanine, tyrosine, and tryptophan) elastase cleaves the bond after a small non-polar residue such as alanine or glycine.

In order to prevent inappropriate or premature activation of the digestive enzymes (they may, for example, trigger pancreatic self-digestion causing pancreatitis), these enzymes are secreted as inactive zymogen. The precursor of pepsin, pepsinogen, is secreted by the stomach, and is activated only in the acidic environment found in stomach. The pancreas secretes the precursors of a number of proteases such as trypsin and chymotrypsin. The zymogen of trypsin is trypsinogen, which is activated by a very specific protease, enterokinase, secreted by the mucosa of the duodenum. The trypsin, once activated, can also cleave other trypsinogens as well as the precursors of other proteases such as chymotrypsin and carboxypeptidase to activate them.

In bacteria, a similar strategy of employing an inactive zymogen or prezymogen is used. Subtilisin, which is produced by Bacillus subtilis, is produced as preprosubtilisin, and is released only if the signal peptide is cleaved and autocatalytic proteolytic activation has occurred.

Cellular regulation Edit

Proteolysis is also involved in the regulation of many cellular processes by activating or deactivating enzymes, transcription factors, and receptors, for example in the biosynthesis of cholesterol, [11] or the mediation of thrombin signalling through protease-activated receptors. [12]

Some enzymes at important metabolic control points such as ornithine decarboxylase is regulated entirely by its rate of synthesis and its rate of degradation. Other rapidly degraded proteins include the protein products of proto-oncogenes, which play central roles in the regulation of cell growth.

Cell cycle regulation Edit

Cyclins are a group of proteins that activate kinases involved in cell division. The degradation of cyclins is the key step that governs the exit from mitosis and progress into the next cell cycle. [13] Cyclins accumulate in the course the cell cycle, then abruptly disappear just before the anaphase of mitosis. The cyclins are removed via a ubiquitin-mediated proteolytic pathway.

Apoptosis Edit

Caspases are an important group of proteases involved in apoptosis or programmed cell death. The precursors of caspase, procaspase, may be activated by proteolysis through its association with a protein complex that forms apoptosome, or by granzyme B, or via the death receptor pathways.

Autoproteolysis takes place in some proteins, whereby the peptide bond is cleaved in a self-catalyzed intramolecular reaction. Unlike zymogens, these autoproteolytic proteins participate in a "single turnover" reaction and do not catalyze further reactions post-cleavage. Examples include cleavage of the Asp-Pro bond in a subset of von Willebrand factor type D (VWD) domains [14] [15] and Neisseria meningitidis FrpC self-processing domain, [16] cleavage of the Asn-Pro bond in Salmonella FlhB protein, [17] Yersinia YscU protein, [18] as well as cleavage of the Gly-Ser bond in a subset of sea urchin sperm protein, enterokinase, and agrin (SEA) domains. [19] In some cases, the autoproteolytic cleavage is promoted by conformational strain of the peptide bond. [19]

Abnormal proteolytic activity is associated with many diseases. [20] In pancreatitis, leakage of proteases and their premature activation in the pancreas results in the self-digestion of the pancreas. People with diabetes mellitus may have increased lysosomal activity and the degradation of some proteins can increase significantly. Chronic inflammatory diseases such as rheumatoid arthritis may involve the release of lysosomal enzymes into extracellular space that break down surrounding tissues. Abnormal proteolysis may result in many age-related neurological diseases such as Alzheimer's due to generation and ineffective removal of peptides that aggregate in cells. [21]

Proteases may be regulated by antiproteases or protease inhibitors, and imbalance between proteases and antiproteases can result in diseases, for example, in the destruction of lung tissues in emphysema brought on by smoking tobacco. Smoking is thought to increase the neutrophils and macrophages in the lung which release excessive amount of proteolytic enzymes such as elastase, such that they can no longer be inhibited by serpins such as α1-antitrypsin, thereby resulting in the breaking down of connective tissues in the lung. Other proteases and their inhibitors may also be involved in this disease, for example matrix metalloproteinases (MMPs) and tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs). [22]

Other diseases linked to aberrant proteolysis include muscular dystrophy, degenerative skin disorders, respiratory and gastrointestinal diseases, and malignancy.

Protein backbones are very stable in water at neutral pH and room temperature, although the rate of hydrolysis of different peptide bonds can vary. The half life of a peptide bond under normal conditions can range from 7 years to 350 years, even higher for peptides protected by modified terminus or within the protein interior. [23] [24] [25] The rate of hydrolysis however can be significantly increased by extremes of pH and heat. Spontaneous cleavage of proteins may also involve catalysis by zinc on serine and threonine. [26]

Strong mineral acids can readily hydrolyse the peptide bonds in a protein (acid hydrolysis). The standard way to hydrolyze a protein or peptide into its constituent amino acids for analysis is to heat it to 105 °C for around 24 hours in 6M hydrochloric acid. [27] However, some proteins are resistant to acid hydrolysis. One well-known example is ribonuclease A, which can be purified by treating crude extracts with hot sulfuric acid so that other proteins become degraded while ribonuclease A is left intact. [28]

Certain chemicals cause proteolysis only after specific residues, and these can be used to selectively break down a protein into smaller polypeptides for laboratory analysis. [29] For example, cyanogen bromide cleaves the peptide bond after a methionine. Similar methods may be used to specifically cleave tryptophanyl, aspartyl, cysteinyl, and asparaginyl peptide bonds. Acids such as trifluoroacetic acid and formic acid may be used for cleavage.

Like other biomolecules, proteins can also be broken down by high heat alone. At 250 °C, the peptide bond may be easily hydrolyzed, with its half-life dropping to about a minute. [27] [30] Protein may also be broken down without hydrolysis through pyrolysis small heterocyclic compounds may start to form upon degradation. Above 500 °C, polycyclic aromatic hydrocarbons may also form, [31] [32] which is of interest in the study of generation of carcinogens in tobacco smoke and cooking at high heat. [33] [34]

Proteolysis is also used in research and diagnostic applications:

  • Cleavage of fusion protein so that the fusion partner and protein tag used in protein expression and purification may be removed. The proteases used have high degree of specificity, such as thrombin, enterokinase, and TEV protease, so that only the targeted sequence may be cleaved.
  • Complete inactivation of undesirable enzymatic activity or removal of unwanted proteins. For example, proteinase K, a broad-spectrum proteinase stable in urea and SDS, is often used in the preparation of nucleic acids to remove unwanted nuclease contaminants that may otherwise degrade the DNA or RNA. [35]
  • Partial inactivation, or changing the functionality, of specific protein. For example, treatment of DNA polymerase I with subtilisin yields the Klenow fragment, which retains its polymerase function but lacks 5'-exonuclease activity. [36]
  • Digestion of proteins in solution for proteome analysis by liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS). This may also be done by in-gel digestion of proteins after separation by gel electrophoresis for the identification by mass spectrometry.
  • Analysis of the stability of folded domain under a wide range of conditions. [37]
  • Increasing success rate of crystallisation projects [38]
  • Production of digested protein used in growth media to culture bacteria and other organisms, e.g. tryptone in Lysogeny Broth.

Proteases may be classified according to the catalytic group involved in its active site. [39]

Venoms Edit

Certain types of venom, such as those produced by venomous snakes, can also cause proteolysis. These venoms are, in fact, complex digestive fluids that begin their work outside of the body. Proteolytic venoms cause a wide range of toxic effects, [40] including effects that are:


Bekijk de video: Hackintosh is Dead - This is the Future! (December 2021).