Informatie

W2018_Bis2A_Lecture05_reading - Biologie


Lipiden

Lipiden zijn een diverse groep hydrofobe verbindingen die moleculen zoals vetten, oliën, wassen, fosfolipiden en steroïden omvatten. Laten we beginnen met het ontwikkelen van een kernbegrip van deze klasse van biomoleculen.

Vetten en oliën

Een veelvoorkomend vetmolecuul of triglyceride. Dit soort moleculen is over het algemeen hydrofoob en hoewel ze tal van functies hebben, zijn ze waarschijnlijk het best bekend om hun rol in lichaamsvet en plantaardige oliën. Een triglyceridemolecuul afgeleid van twee soorten moleculaire componenten: een polaire "kop" -groep en een niet-polaire "staart" -groep. De "hoofd" groep van a triglyceride is afgeleid van een enkel glycerolmolecuul. Glycerol, een koolhydraat, is samengesteld uit drie koolstofatomen, vijf waterstofatomen en drie hydroxyl (-OH) functionele groepen. de niet-polaire vetzuur "staart" -groep bestaat uit drie koolwaterstoffen (een functionele groep bestaande uit C-H-bindingen) die ook een polaire carboxyl-functionele groep hebben (vandaar de term "vetzuur" - de carboxylgroep is zuur bij de meeste biologisch relevante pH's). Het aantal koolstofatomen in het vetzuur kan variëren van 4-36; meest voorkomende zijn die met 12-18 koolstofatomen.

Figuur 1. Triacylglycerol wordt gevormd door de samenvoeging van drie vetzuren aan een glycerolruggengraat in een dehydratatiereactie. Daarbij komen drie moleculen water vrij.
Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)

Let op: mogelijke discussie

De hierboven getoonde modellen van de triglyceriden geven de familielid posities van de atomen in het molecuul. Als je Googled naar afbeeldingen van triglyceriden, zul je enkele modellen vinden die de fosfolipide-staarten in verschillende posities tonen dan hierboven afgebeeld. Geef op basis van je intuïtie een mening over welk model volgens jou een juistere weergave van het echte leven is. Waarom?

Figuur 2. Stearinezuur is een veelvoorkomend verzadigd vetzuur; oliezuur en linoleenzuur zijn veel voorkomende onverzadigde vetzuren.
Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)

Let op: mogelijke discussie

Natuurlijke vetten zoals boter, koolzaadolie, enz., Zijn voornamelijk samengesteld uit triglyceriden. De fysieke eigenschappen van deze verschillende vetten variëren afhankelijk van twee factoren:
1) Het aantal koolstoffen in de koolwaterstofketens;
2) Het aantal desaturaties, of dubbele bindingen, in de koolwaterstofketens.
De eerste factor beïnvloedt hoe deze moleculen met elkaar en met water omgaan, terwijl de tweede factor hun vorm dramatisch beïnvloedt. De introductie van een dubbele binding veroorzaakt een "knik" in de overigens relatief "strakke" koolwaterstof, enigszins overdreven weergegeven in figuur 3.

Stel op basis van wat u uit deze korte beschrijving kunt begrijpen, een redenering voor - in uw eigen woorden - om uit te leggen waarom boter vast is bij kamertemperatuur terwijl plantaardige olie vloeibaar is.

Hier is een belangrijk stuk informatie dat je kan helpen met de vraag: boter heeft een groter percentage langere en verzadigde koolwaterstoffen in zijn triglyceriden dan plantaardige olie.

figuur 3. Het rechte verzadigde vetzuur versus het "gebogen"/"geknikte" onverzadigde vetzuur.
Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)

Sterolen

steroïden zijn lipiden met een gefuseerde ringstructuur. Hoewel ze niet lijken op de andere lipiden die hier worden besproken, worden ze aangeduid als lipiden omdat ze ook grotendeels zijn samengesteld uit koolstoffen en waterstofatomen, hydrofoob zijn en onoplosbaar zijn in water. Alle steroïden hebben vier gekoppelde koolstofringen. Veel steroïden hebben ook de functionele groep -OH, waardoor ze in de alcoholclassificatie van sterolen worden geplaatst. Verschillende steroïden, zoals cholesterol, hebben een korte staart. Cholesterol is de meest voorkomende steroïde. Het wordt voornamelijk gesynthetiseerd in de lever en is de voorloper van veel steroïde hormonen zoals testosteron. Het is ook de voorloper van vitamine D en van galzouten die helpen bij de emulgeren van vetten en hun daaropvolgende opname door cellen. Hoewel vaak in negatieve bewoordingen over cholesterol wordt gesproken, is het noodzakelijk voor het goed functioneren van veel dierlijke cellen, vooral in zijn rol als onderdeel van het plasmamembraan waarvan bekend is dat het de membraanstructuur, organisatie en vloeibaarheid moduleert.

Figuur 4. Cholesterol is een gemodificeerd lipidemolecuul dat wordt gesynthetiseerd door dierlijke cellen en is een belangrijk structureel element in celmembranen. Cortisol is een hormoon (signaalmolecuul) dat vaak wordt afgegeven als reactie op stress.
Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)

Let op: mogelijke discussie

In het bovenstaande molecuul cortisol, welke delen van het molecuul zou u classificeren als functionele groepen? Is er enige onenigheid over wat wel en niet moet worden opgenomen als een functionele groep?

Fosfolipiden

fosfolipiden zijn hoofdbestanddelen van het celmembraan, de buitenste laag van cellen. Net als vetten zijn ze samengesteld uit vetzuurketens die aan het glycerolmolecuul zijn bevestigd. In tegenstelling tot de triacylglycerolen hebben fosfolipiden twee vetzuurstaarten en een fosfaatgroep die aan de suiker is bevestigd. Fosfolipiden zijn daarom amfipathisch moleculen, wat betekent dat ze een hydrofoob deel en een hydrofiel deel hebben. De twee vetzuurketens die zich uitstrekken van de glycerol zijn hydrofoob en kunnen geen interactie aangaan met water, terwijl de fosfaatbevattende kopgroep hydrofiel is en een interactie aangaat met water. Kun je de functionele groepen op het onderstaande fosfolipide identificeren die elk deel van het fosfolipide zijn eigenschappen geven?

Opmerking

Zorg ervoor dat u in figuur 5 opmerkt dat de fosfaatgroep een R-groep heeft die is gekoppeld aan een van de zuurstofatomen. R is een variabele die vaak wordt gebruikt in dit soort diagrammen om aan te geven dat een ander atoom of molecuul op die positie is gebonden. Dat deel van het molecuul kan verschillen in verschillende fosfolipiden - en zal een andere chemie aan het hele molecuul geven. Op dit moment bent u echter verantwoordelijk voor het herkennen van dit type molecuul (ongeacht wat de R-groep is) vanwege de gemeenschappelijke kernelementen - de glycerolruggengraat, de fosfaatgroep en de twee koolwaterstofstaarten.

Figuur 5. Een fosfolipide is een molecuul met twee vetzuren en een gemodificeerde fosfaatgroep bevestigd aan een glycerolruggengraat. Het fosfaat kan worden gemodificeerd door toevoeging van geladen of polaire chemische groepen. Verschillende chemische R-groepen kunnen het fosfaat modificeren. Choline, serine en ethanolamine worden hier getoond. Deze hechten zich via hun hydroxylgroepen aan de fosfaatgroep op de positie met het label R.
Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)

In aanwezigheid van water zullen sommige fosfolipiden zich spontaan in een micel rangschikken (Figuur 6). De lipiden zullen zo worden gerangschikt dat hun polaire groepen zich aan de buitenkant van de micel bevinden en de niet-polaire staarten aan de binnenkant. Onder andere omstandigheden kan zich ook een lipidedubbellaag vormen. Deze structuur, slechts een paar nanometer dik, is samengesteld uit twee tegenover elkaar liggende lagen fosfolipiden, zodat alle hydrofobe staarten tegenover elkaar in het midden van de dubbellaag zijn uitgelijnd en worden omringd door de hydrofiele kopgroepen. Een fosfolipide dubbellaag vormt de basisstructuur van de meeste celmembranen en is verantwoordelijk voor de dynamische aard van het plasmamembraan.

Figuur 6. In aanwezigheid van water zullen sommige fosfolipiden zich spontaan in een micel rangschikken.
Bron: Gemaakt door Erin Easlon (eigen werk)

Let op: mogelijke discussie

Zoals hierboven vermeld, als u enkele zuivere fosfolipiden zou nemen en ze in water zou laten vallen, zou een deel van de fosfolipiden zich spontaan in micellen vormen. Waarom is de vorming van micellen een energetisch gunstige reactie?

Het fosfolipidemembraan wordt in een latere module in detail besproken. Het is belangrijk om de chemische eigenschappen te onthouden die verband houden met de functionele groepen in het fosfolipide om de functie van het celmembraan te begrijpen.

Aminozuren

Aminozuren zijn de monomeren waaruit eiwitten zijn opgebouwd. Elk aminozuur heeft dezelfde kernstructuur, die bestaat uit een centraal koolstofatoom, ook bekend als de alfa (α) koolstof, gebonden aan een aminogroep (NH2), een carboxylgroep (COOH) en een waterstofatoom. Elk aminozuur heeft ook een ander atoom of een groep atomen gebonden aan de alfa-koolstof, afwisselend bekend als de R-groep, de variabele groep of de zijketen.

Aminozuren hebben een centraal asymmetrisch koolstofatoom waaraan een aminogroep, een carboxylgroep, een waterstofatoom en een zijketen (R-groep) zijn bevestigd.

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)

Opmerking: mogelijke discussie

Bedenk dat een van de leerdoelen voor deze les is dat je (a) in staat bent om in een moleculair diagram de ruggengraat van een aminozuur en zijn zijketen (R-groep) te herkennen en (b) dat je in staat bent om teken een generiek aminozuur. Zorg ervoor dat je beide oefent. Je zou zoiets als de afbeelding hierboven uit het hoofd moeten kunnen nabootsen (een goed gebruik van je schetsboek is om te oefenen met het tekenen van deze structuur totdat je het kunt doen met de kruk van een boek of internet).

De aminozuurruggengraat

De naam "aminozuur" is afgeleid van het feit dat alle aminozuren zowel een aminogroep als een carboxylzuurgroep in hun ruggengraat bevatten. Er zijn 20 veel voorkomende aminozuren aanwezig in natuurlijke eiwitten en elk van deze bevat dezelfde ruggengraat. De ruggengraat, bij het negeren van de waterstofatomen, bestaat uit het patroon:

N-C-C

Als je naar een keten van aminozuren kijkt, is het altijd handig om je eerst te oriënteren door dit ruggengraatpatroon te vinden, beginnend bij het N-uiteinde (het amino-uiteinde van het eerste aminozuur) tot het C-uiteinde (het carbonzuuruiteinde van het laatste aminozuur). ).

De vorming van peptidebindingen is een dehydratatiesynthesereactie. De carboxylgroep van het eerste aminozuur is gekoppeld aan de aminogroep van het tweede binnenkomende aminozuur. Daarbij komt een watermolecuul vrij en wordt een peptidebinding gevormd.
Probeer de ruggengraat te vinden in het dipeptide dat door deze reactie wordt gevormd. Het patroon dat je zoekt is: N-C-C-N-C-C

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)

De volgorde en het aantal aminozuren bepalen uiteindelijk de vorm, grootte en functie van het eiwit. Elk aminozuur is aan een ander aminozuur gebonden door een covalente binding, bekend als a peptidebinding, die wordt gevormd door een dehydratatiesynthese (condensatie) reactie. De carboxylgroep van één aminozuur en de aminogroep van het binnenkomende aminozuur combineren, waardoor een watermolecuul vrijkomt en de peptidebinding ontstaat.

Aminozuur R-groep

Het aminozuur R-groep is een term die verwijst naar de variabele groep op elk aminozuur. De aminozuurruggengraat is identiek op alle aminozuren, de R-groepen zijn verschillend op alle aminozuren. Raadpleeg de onderstaande figuur voor de structuur van elk aminozuur.

Er zijn 20 veel voorkomende aminozuren die in eiwitten worden gevonden, elk met een andere R-groep (variantgroep) die de chemische aard ervan bepaalt. R-groepen zijn omcirkeld in groenblauw. Ladingen worden toegewezen in de veronderstelling dat pH ~6,0. De volledige naam, drieletterige afkortingen en enkele letterafkortingen worden allemaal weergegeven.

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)

Opmerking: mogelijke discussie

Laten we eens nadenken over de relevantie van het hebben van 20 verschillende aminozuren. Als je biologie zou gebruiken om vanaf het begin eiwitten op te bouwen, hoe zou het dan nuttig zijn als je nog 10 verschillende aminozuren tot je beschikking had? Dit gebeurt trouwens in verschillende onderzoekslaboratoria - waarom zou dit potentieel nuttig zijn?

PKa

Geen paniek!

Veel BIS2A-studenten vinden het concept van pKa overweldigend. Hoewel het misschien ingewikkeld lijkt en een diep begrip van scheikunde vereist, is het dat echt niet. Om cellulaire processen te begrijpen, moet u de eigenschappen van de functionele groepen op biomoleculen bij fysiologische pH (~pH 7) kennen. Zo hebben carboxylgroepen meestal een negatieve lading (CO2-) in de cel omdat ze een waterstofion (H+) bij fysiologische pH. Op basis van uw begrip van chemische bindingen, zou u moeten kunnen begrijpen dat CO2- ionbindingen kunnen vormen. Daarentegen is de ongeladen vorm CO2H kan niet. Het grootste deel van onze discussie over pKa zal zich richten op de eigenschappen van de functionele groepen aanwezig in aminozuren.

pKeen wordt gedefinieerd als de negatieve log10 van de dissociatieconstante van een zuur, zijn Keen. Daarom is de pKeen is een kwantitatieve maat voor hoe gemakkelijk of hoe gemakkelijk het zuur zijn proton afgeeft [H+] in oplossing en dus een maat voor de "sterkte" van het zuur. Sterke zuren hebben een kleine pKa, zwakke zuren hebben een grotere pKa.

Het meest voorkomende zuur waar we het in BIS2A over zullen hebben, is de functionele carbonzuurgroep. Deze zuren zijn typisch zwak zuren, wat betekent dat ze slechts gedeeltelijk dissociëren (in H+ kationen en RCOO- anionen) in neutrale oplossing. HCL (waterstofchloride) is een veelvoorkomende sterk zuur, wat betekent dat het volledig zal dissociëren in H+ en Cl-.

Merk op dat het belangrijkste verschil in de onderstaande figuur tussen een sterk zuur of base en een zwak zuur of base de enkele pijl (sterk) versus een dubbele pijl (zwak) is. In het geval van de enkele pijl kun je dat interpreteren door je voor te stellen dat bijna alle reactanten zijn omgezet in producten. Bovendien is het moeilijk voor de reactie om achteruit terug te keren naar een toestand waarin de protonen opnieuw worden geassocieerd met het molecuul waarmee ze eerder waren geassocieerd. In het geval van een zwak zuur of een zwakke base kan de dubbelzijdige pijl worden geïnterpreteerd door een reactie voor te stellen waarin:

  1. beide vormen van de geconjugeerd zuur of base (dat is wat we het molecuul noemen dat het proton "vasthoudt" - d.w.z. CH3OOH en CH3OO-, respectievelijk in de figuur) tegelijkertijd aanwezig zijn en
  2. de verhouding van die twee hoeveelheden kan gemakkelijk veranderen door de reactie in beide richtingen te verplaatsen.

Figuur 1. Een voorbeeld van sterke zuren en sterke basen in hun protonerings- en deprotoneringstoestanden. De waarde van hun pKa wordt links weergegeven. Naamsvermelding: Marc T. Facciotti

Elektronegativiteit speelt een rol bij de sterkte van een zuur. Als we de hydroxylgroep als voorbeeld beschouwen, resulteert de grotere elektronegativiteit van het atoom of de atomen (aangeduid met R) gehecht aan de hydroxylgroep in het zuur R-O-H in een zwakkere H-O-binding, die dus gemakkelijker wordt geïoniseerd. Dit betekent dat de aantrekkingskracht op de elektronen weg van het waterstofatoom groter wordt wanneer het zuurstofatoom dat aan het waterstofatoom is gehecht ook aan een ander elektronegatief atoom is bevestigd. Een voorbeeld hiervan is HOCL. De elektronegatieve Cl polariseert de H-O-binding, verzwakt deze en vergemakkelijkt de ionisatie van de waterstof. Als we dit vergelijken met een zwak zuur waarbij de zuurstof is gebonden aan een koolstofatoom (zoals in carbonzuren), is de zuurstof gebonden aan het waterstof- en koolstofatoom. In dit geval is de zuurstof niet gebonden aan een ander elektronegatief atoom. Dus de H-O-binding wordt niet verder gedestabiliseerd en het zuur wordt als een zwak zuur beschouwd (het geeft het proton niet zo gemakkelijk op als een sterk zuur).

Figuur 2. De sterkte van het zuur kan worden bepaald door de elektronegativiteit van het atoom waaraan de zuurstof is gebonden. Bijvoorbeeld, het zwakke zuur Azijnzuur, de zuurstof is gebonden aan koolstof, een atoom met een lage elektronegativiteit. In het sterke zuur, Hypochloorzuur, is het zuurstofatoom gebonden aan een nog meer elektronegatief chlorideatoom.
Naamsvermelding: Erin Easlon

In Bis2A wordt je gevraagd om pH en pKa aan elkaar te relateren wanneer je de protoneringstoestand van een zuur of base bespreekt, bijvoorbeeld in aminozuren. Hoe kunnen we de informatie in deze module gebruiken om de vraag te beantwoorden: Zullen de functionele groepen op het aminozuur glutamaat worden geprotoneerd of gedeprotoneerd bij een pH van 2, bij een pH van 8, bij een pH van 11?

Om deze vraag te kunnen beantwoorden, moeten we een relatie leggen tussen pH en pKa. De relatie tussen pKa en pH wordt wiskundig weergegeven door de hieronder getoonde Henderson-Hasselbach-vergelijking, waarbij [A-] de gedeprotoneerde vorm van het zuur voorstelt en [HA] de geprotoneerde vorm van het zuur voorstelt.

Figuur 3. De Henderson-Hasselbach-vergelijking

Een oplossing voor deze vergelijking wordt verkregen door pH = pKa in te stellen. In dit geval log([A-] / [HA]) = 0, en [A-] / [HA] = 1. Dit betekent dat wanneer de pH gelijk is aan de pKa, er gelijke hoeveelheden geprotoneerde en gedeprotoneerde vormen zijn van het zuur. Als de pKa van het zuur bijvoorbeeld 4,75 is, zal dat zuur bij een pH van 4,75 bestaan ​​als 50% geprotoneerd en 50% gedeprotoneerd. Dit betekent ook dat naarmate de pH stijgt, meer van het zuur zal worden omgezet in de gedeprotoneerde toestand en op een gegeven moment zal de pH zo hoog zijn dat het grootste deel van het zuur in de gedeprotoneerde toestand zal bestaan.

Figuur 4. Deze grafiek geeft de protoneringstoestand van azijnzuur weer als de pH verandert. Bij een pH onder de pKa wordt het zuur geprotoneerd. Bij een pH boven de pKa wordt het zuur gedeprotoneerd. Als de pH gelijk is aan de pKa, is het zuur 50% geprotoneerd en 50% gedeprotoneerd. Naamsvermelding: Ivy Jose

In BIS2A zullen we kijken naar de protoneringstoestand en deprotoneringstoestand van aminozuren. Aminozuren bevatten meerdere functionele groepen die zuren of basen kunnen zijn. Daarom kan hun protonerings-/deprotoneringsstatus gecompliceerder zijn. Hieronder staat de relatie tussen de pH en pKa van het aminozuur glutaminezuur. In deze grafiek kunnen we de vraag stellen die we eerder stelden: Zullen de functionele groepen op het aminozuur glutamaat worden geprotoneerd of gedeprotoneerd bij een pH van 2, bij een pH van 8, bij een pH van 11?

Figuur 5. Deze grafiek geeft de protoneringstoestand van glutamaat weer als de pH verandert. Bij een pH onder de pKa voor elke functionele groep op het aminozuur is de functionele groep geprotoneerd. Bij een pH boven de pKa voor de functionele groep wordt het gedeprotoneerd. Als de pH gelijk is aan de pKa, is de functionele groep 50% geprotoneerd en 50% gedeprotoneerd.
Naamsvermelding: Ivy Jose

Opmerking: mogelijke discussie

  1. Wat is de totale lading van vrij glutamaat bij een pH van 5?
  2. Wat is de totale lading van gratis glutamaat bij een pH van 10?

Eiwitten

Eiwitten zijn een klasse van biomoleculen die een breed scala aan functies vervullen in biologische systemen. Sommige eiwitten dienen als katalysator voor specifieke biochemische reacties. Andere eiwitten fungeren als signaalmoleculen die cellen in staat stellen met elkaar te "praten". Eiwitten, zoals de keratine in vingernagels, kunnen ook structureel werken. Hoewel de verscheidenheid aan mogelijke functies voor eiwitten opmerkelijk divers is, worden al deze functies gecodeerd door een lineair samenstel van aminozuren, elk verbonden met hun buur via een peptidebinding. De unieke samenstelling (type aminozuren en het aantal van elk) en de volgorde waarin ze aan elkaar gekoppeld zijn, bepalen de uiteindelijke driedimensionale vorm die het eiwit zal aannemen en dus ook de biologische "functie" van het eiwit. Veel eiwitten kunnen in een cellulaire omgeving spontaan en vaak snel hun uiteindelijke vorm aannemen in een proces dat eiwit vouwen. Klik hier om een ​​korte (vier minuten) introductievideo over de eiwitstructuur te bekijken.

Eiwitstructuur

Eiwitstructuren kunnen worden beschreven door vier verschillende niveaus van structurele organisatie die primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuren worden genoemd. Deze worden in de volgende paragrafen kort geïntroduceerd.

Primaire structuur

De unieke volgorde van aminozuren in een polypeptideketen is de primaire structuur (Figuur 1). De aminozuren in deze keten zijn met elkaar verbonden via een reeks peptidebindingen. De keten van aminozuren wordt vaak aangeduid als a polypeptide (meerdere peptiden).

Figuur 1. De primaire structuur van een eiwit wordt hier weergegeven als "kralen aan een touwtje" met de N-terminus en C-terminus gelabeld. De volgorde waarin u deze peptideketen zou lezen, zou beginnen met het N-uiteinde als glycine, isoleucine, enz., en eindigen met methionine. Merk op dat de aminogroep en de carboxylgroep niet zijn afgebeeld bij fysiologische pH.
Bron: Erin Easlon (eigen werk)

Vanwege de gemeenschappelijke ruggengraatstructuur van aminozuren, heeft de resulterende ruggengraat van het eiwit een herhalende -N-Cα-C-N-Cα-C- patroon dat gemakkelijk kan worden geïdentificeerd in atomaire resolutiemodellen van eiwitstructuren (Figuur 2). Houd er rekening mee dat een van de leerdoelen van deze les is dat je een model zoals hieronder kunt onderzoeken en de ruggengraat van de zijketenatomen kunt identificeren (maak bijvoorbeeld het paarse spoor en blauwe arcering als er geen ). Dit kan gedaan worden door de -N-C . te vindenα-C-N-Cα-C- patroon. Bovendien is een ander leerdoel van deze klas dat je tekeningen kunt maken die de structuur van een typische eiwitruggengraat en zijn zijketens (ook bekend als variabele groep, R-groep) modelleren. Deze taak kan aanzienlijk worden vereenvoudigd als u eraan denkt uw model te starten door eerst de -N-C . te makenα-C-N-Cα-C- patroon en vervolgens de variabele groepen invullen.

Figuur 2. Een model van een kort peptide van 3 aminozuren lang. De ruggengraatatomen zijn rood gekleurd. De variabele R-groepen zijn lichtblauw omcirkeld. Een paarse lijn volgt de ruggengraat van de N-terminus (start) naar de C-terminus (eind) van het eiwit. Men kan (in het groen) de herhaalde -N-Cα-C-N-Cα-C- geordend patroon door de paarse lijn van begin tot eind te volgen en de backbone-atomen op te sommen in de volgorde waarin ze worden aangetroffen.
Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)

Secundaire structuur

Door de specifieke chemie van de peptidebinding vormt de ruggengraat tussen aangrenzende alfa-koolstofatomen een zeer vlakke structuur (Figuur 3). Dit betekent dat alle atomen die verbonden zijn door de roze vierhoek op hetzelfde vlak liggen. Het polypeptide is daarom structureel beperkt omdat er zeer weinig rotatie rond de peptidebinding zelf kan plaatsvinden. In plaats daarvan vinden rotaties plaats rond de twee bindingen die zich uitstrekken van de alfa-koolstofatomen. Deze structurele beperkingen leiden tot twee vaak waargenomen structuurpatronen die verband houden met de organisatie van de ruggengraat zelf.

figuur 3. De peptidebinding tussen twee aminozuren is afgebeeld. De gearceerde vierhoek vertegenwoordigt de vlakke aard van deze binding.
Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)

We noemen deze patronen van ruggengraatstructuur de secundaire structuur van het eiwit. De meest voorkomende secundaire structuurpatronen die optreden via rotaties van de bindingen rond elke alfa-koolstof, zijn de α-helix, β-vel en lus structuren. Zoals de naam al doet vermoeden, is de α-helix wordt gekenmerkt door een spiraalvormige structuur gemaakt door de ruggengraat te draaien. De β-sheet is eigenlijk de associatie tussen twee of meer structuren genaamd β-strengen. Als de oriëntatie (N-terminus naar C-terminus richting) van twee associërende β-strengen zijn in dezelfde/parallelle richting georiënteerd, de resulterende β-blad heet a parallel β-vel. Ondertussen, als twee associërende β-strengen zijn in tegengestelde/anti-parallelle richtingen georiënteerd, de resulterende β-blad heet an anti-parallel β-vel. De α-helix en β-sheet worden beide gestabiliseerd door waterstofbruggen die zich vormen tussen atomen van aminozuren in de ruggengraat die dicht bij elkaar liggen. Meer specifiek kan het zuurstofatoom in de carbonylgroep van het ene aminozuur een waterstofbinding vormen met een waterstofatoom gebonden aan de stikstof in de aminogroep van een ander aminozuur. Lusstructuren daarentegen verwijzen naar alle secundaire structuren (bijv. ruggengraatstructuur) die niet kunnen worden geïdentificeerd als een van beide α-helix of β-vel.

Figuur 4. De α-helix en β-sheet zijn secundaire structuren van eiwitten die worden gestabiliseerd door waterstofbinding tussen carbonyl- en aminogroepen in de peptideruggengraat. Merk op hoe de waterstofbruggen in een alfa-helix optreden tussen aminozuren die relatief dicht bij elkaar liggen (ongeveer 4 aminozuren uit elkaar in de aminozuurketen), terwijl de interacties die optreden in β-sheets kunnen optreden tussen aminozuren die veel verder uit elkaar in de keten.

Tertiaire structuur

De ruggengraat en secundaire structuurelementen zullen verder vouwen tot een unieke en relatief stabiele driedimensionale structuur genaamd de tertiaire structuur van het eiwit. De tertiaire structuur is wat we doorgaans associëren met de "functionele" vorm van een eiwit. In figuur 6 worden twee voorbeelden van tertiaire structuur getoond. In beide structuren wordt het eiwit geabstraheerd in een "cartoon" die de polypeptideketen weergeeft als een enkele ononderbroken lijn of lint dat het pad volgt tussen alfa-koolstofatomen van aminozuren die aan elkaar zijn gekoppeld door peptidebindingen - het lint volgt de ruggengraat van het eiwit (Figuur 5).

Figuur 5. Hoe eiwit "cartoon" figuren worden getekend. Eiwitcartoons (zoals die in figuur 6) zijn misschien wel de meest voorkomende weergave van driedimensionale eiwitstructuur. Deze cartoonmodellen helpen ons de belangrijkste kenmerken van een eiwitstructuur te visualiseren door het pad van de ene alfa-koolstof naar de volgende te volgen langs de ruggengraat van het polypeptide. Dit wordt weergegeven als een dikke paarse lijn. In een langer polypeptide zou deze lijn doorgaan en aansluiten op de volgende alfa-koolstof totdat het einde van het polypeptide was bereikt. Hoewel deze modellen ons in staat stellen om de algemene structuur van een eiwit te visualiseren, laten ze veel details op moleculair niveau weg.

Het lint dat wordt gecreëerd door alfa-koolstoffen samen te voegen, kan worden getekend als een eenvoudige ononderbroken lijn of het kan worden verbeterd door op unieke wijze secundaire structurele elementen weer te geven. Bijvoorbeeld, wanneer een α-helix wordt geïdentificeerd, wordt de helix meestal gemarkeerd door het lint te accentueren/verbreden om de spiraalvormige structuur te laten opvallen. Wanneer een β-streng aanwezig is, wordt het lint gewoonlijk verbreed en wordt typisch een pijl toegevoegd aan het C-terminale uiteinde van elke β-streng - de pijl helpt bij het identificeren van de oriëntatie van het polypeptide en of β-sheets parallel of tegengesteld zijn. -parallel. Het dunne lint dat -helix- en β-strengelementen verbindt, wordt gebruikt om de lussen weer te geven. Lussen in eiwitten kunnen zeer gestructureerd zijn en spelen een belangrijke rol in de functie van het eiwit. Ze moeten niet lichtvaardig worden behandeld of als onbelangrijk worden afgedaan omdat hun naam geen Griekse letter heeft.

Figuur 6. Voorbeelden van tertiaire structuren van eiwitten. Secundaire structuurelementen zijn als volgt gekleurd: β-plaat - geel, α-helix - rood; lus - groen. In paneel A wordt de structuur van eiwit gamma-kristalline (PDBID 1a45) - een eiwit dat in het oog van gewervelde dieren wordt aangetroffen - weergegeven. Dit eiwit bestaat grotendeels uit β-sheet en lussen. In paneel B is de structuur van het eiwit triosefosfaatisomerase (PDBID 1tim) - een eiwit dat wordt aangetroffen in de glycolytische route - samengesteld uit β-sheet, α-helix en lussen die de secundaire structurele elementen verbinden.

Naamsvermelding: Marc T. Facciotti (eigen werk)

De tertiaire structuur is het product van veel verschillende soorten chemische interacties tussen aminozuur R-groepen, ruggengraatatomen, ionen in oplossing en water. Deze bindingen omvatten ionische, covalente en waterstofbindingen en Van der Waals-interacties. Er kunnen zich bijvoorbeeld ionische bindingen vormen tussen verschillende ioniseerbare zijketens. Het kan bijvoorbeeld energetisch gunstig zijn voor een negatief geladen R-groep (bijvoorbeeld een aspartaat) om te interageren met een positief geladen R-groep (bijvoorbeeld een arginine). De resulterende ionische interactie kan dan onderdeel worden van het netwerk van interacties dat helpt om de driedimensionale vouw van het eiwit te stabiliseren. Daarentegen zullen R-groepen met soortgelijke ladingen waarschijnlijk door elkaar worden afgestoten en daarom is het onwaarschijnlijk dat ze een stabiele associatie zullen vormen, waardoor een structuur die die associatie zou omvatten, ongunstig wordt. Evenzo kunnen waterstofbruggen worden gevormd tussen verschillende R-groepen of tussen R-groepen en ruggengraatatomen. Deze waterstofbruggen kunnen ook bijdragen aan het stabiliseren van de tertiaire structuur van het eiwit. In sommige gevallen kunnen zich ook covalente bindingen vormen tussen aminozuren. De meest algemeen waargenomen covalente binding tussen aminozuren omvat twee cysteïnen en wordt een disulfidebinding of disulfidebinding genoemd.

Ten slotte helpt de associatie van de functionele groepen van het eiwit met water ook om chemische associaties aan te drijven die helpen om de uiteindelijke eiwitstructuur te stabiliseren. De interacties met water kunnen natuurlijk de vorming van waterstofbruggen tussen polaire functionele groepen op het eiwit en watermoleculen omvatten. Misschien nog belangrijker is echter de drang van het eiwit om te voorkomen dat te veel hydrofobe functionele groepen in contact komen met water. Het resultaat van deze wens om interacties tussen water en hydrofobe functionele groepen te vermijden, betekent dat de minder polaire zijketens vaak buiten water met elkaar zullen associëren, wat resulteert in enkele energetisch gunstige Van der Waals-interacties en het vermijden van energetische boetes die gepaard gaan met het blootstellen van de niet- -polaire zijketens naar water. Inderdaad, de energetische straf is zo hoog voor het "blootstellen" van de niet-polaire zijketens aan water dat het begraven van deze groepen uit de buurt van water wordt beschouwd als een van de belangrijkste energetische drijfveren van eiwitvouwing en stabiliserende krachten die het eiwit bij elkaar houden in zijn tertiaire structuur.

Figuur 6. De tertiaire structuur van eiwitten wordt bepaald door een verscheidenheid aan chemische interacties. Deze omvatten hydrofobe interacties, ionische bindingen, waterstofbindingen en disulfidebindingen. Deze afbeelding toont een afgeplatte weergave van een eiwit dat in tertiaire structuur is gevouwen. Zonder afplatting zou dit eiwit een bolvormige 3D-vorm hebben.

Quaternaire structuur

In de natuur worden de functionele vormen van sommige eiwitten gevormd door de nauwe associatie van verschillende polypeptiden. In dergelijke gevallen zijn de afzonderlijke polypeptiden ook bekend als subeenheden. Wanneer de functionele vorm van een eiwit de assemblage van twee of meer subeenheden vereist, noemen we dit niveau van structurele organisatie het eiwit quaternaire structuur. Nogmaals, combinaties van ionische, waterstof- en covalente bindingen samen met Van der Waals-associaties die optreden door de "begrafenis" van een hydrofobe groep op de grensvlakken tussen subeenheden, helpen de quaternaire structuren van eiwitten te stabiliseren.

Figuur 7. De vier niveaus van eiwitstructuur kunnen in deze illustraties worden waargenomen.
Bron: Wijziging van het werk van het National Human Genome Research Institute

Denaturatie

Zoals eerder beschreven, heeft elk eiwit zijn eigen unieke structuur die bij elkaar wordt gehouden door verschillende soorten chemische interacties. Als het eiwit onderhevig is aan veranderingen in temperatuur, pH of blootstelling aan chemicaliën die de aard van of interfereren met de associaties tussen functionele groepen, kunnen de secundaire, tertiaire en/of quaternaire structuren van het eiwit veranderen, ook al blijft de primaire structuur behouden hetzelfde. Dit proces staat bekend als: denaturatie. Terwijl in de reageerbuis denaturatie vaak omkeerbaar is, kan het proces in de cel voor praktische doeleinden vaak onomkeerbaar zijn, wat leidt tot functieverlies en uiteindelijk hergebruik van de aminozuren van het eiwit. Weerstand tegen omgevingsstress die kan leiden tot denaturatie varieert sterk tussen de eiwitten die in de natuur worden aangetroffen. Sommige eiwitten zijn bijvoorbeeld opmerkelijk goed bestand tegen hoge temperaturen; bacteriën die in warmwaterbronnen overleven, hebben bijvoorbeeld eiwitten die functioneren bij temperaturen dicht bij het kookpunt van water. Some proteins are able to withstand the very acidic, low pH, environment of the stomach. Meanwhile some proteins are very sensitive to organic solvents while others can be found that are remarkably tolerant of these chemicals (the latter are prized for use in various industrial processes).

Finally, while many proteins can form their three dimensional structures completely on their own, in many cases proteins often receive assistance in the folding process from protein helpers known as chaperones (or chaperonins) that associate with their protein targets during the folding process. The chaperones are thought to act by minimizing the aggregation of polypeptides into non-functional forms - a process that can occur through the formation of non-ideal chemical associations.