Informatie

S2018_Lecture06_Reading - Biologie


Aminozuren

Aminozuren zijn de monomeren waaruit eiwitten zijn opgebouwd. 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 verbonden met een ander aminozuur 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 in eiwitten, 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 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?

Elke variabele groep op een aminozuur geeft dat aminozuur specifieke chemische eigenschappen (zuur, basisch, polair of niet-polair). U zou inmiddels bekend moeten zijn met de meeste functionele groepen in de R-groepen. De chemische eigenschappen die zijn gekoppeld aan de hele verzameling individuele functionele groepen, geven elk aminozuur R-groep een uniek chemisch potentieel.

Aminozuren zoals valine, methionine en alanine zijn bijvoorbeeld typisch niet-polair of hydrofoob van aard, terwijl van aminozuren zoals serine en threonine wordt gezegd dat ze een polair karakter hebben en hydrofiele zijketens bezitten.

Opmerking: oefenen

Gebruik uw kennis van functionele groepen en probeer elk aminozuur in de bovenstaande afbeelding te classificeren als ofwel de neiging om polair of niet-polair te zijn. Probeer andere classificatieschema's te vinden en maak een lijst voor jezelf van de aminozuren die je in elke groep zou plaatsen. U kunt ook op internet zoeken naar indelingsschema's voor aminozuren - u zult merken dat er verschillende manieren zijn om deze chemicaliën te groeperen op basis van chemische eigenschappen. U kunt zelfs ontdekken dat er tegenstrijdige schema's zijn. Probeer na te denken over waarom dit zou kunnen zijn en pas je chemische logica toe om uit te zoeken waarom bepaalde classificatieschema's werden aangenomen en waarom specifieke aminozuren in bepaalde groepen werden geplaatst.

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.
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 langs de ruggengraat van het polypeptide te volgen. 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 sterk gestructureerd zijn en een belangrijke rol spelen 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 op gang te brengen 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 overleven in warmwaterbronnen hebben bijvoorbeeld eiwitten die functioneren bij temperaturen dicht bij het kookpunt van water. Sommige eiwitten zijn bestand tegen de zeer zure, lage pH-omgeving van de maag. Ondertussen zijn sommige eiwitten erg gevoelig voor organische oplosmiddelen, terwijl er andere zijn die opmerkelijk tolerant zijn voor deze chemicaliën (de laatste worden gewaardeerd voor gebruik in verschillende industriële processen).

Ten slotte, terwijl veel eiwitten hun driedimensionale structuren volledig zelf kunnen vormen, krijgen eiwitten in veel gevallen vaak hulp bij het vouwproces van eiwithelpers die bekend staan ​​als begeleiders (of chaperonines) die tijdens het vouwproces associëren met hun eiwitdoelen. Men denkt dat de chaperonnes werken door de aggregatie van polypeptiden in niet-functionele vormen te minimaliseren - een proces dat kan plaatsvinden door de vorming van niet-ideale chemische associaties.