Deze samenvatting is gebaseerd op het studiejaar 2013-2014.

Essential cell biology, hoofdstuk 4: Protein structure and function

Pagina 119-141

Eiwitten zijn de bouwblokken van cellen. Enzymen zijn eiwitten die bepaalde reacties in cellen mogelijk maken. Een eiwitmolecuul bestaat uit een keten van aminozuren die verbonden zijn door een peptidebinding, ze worden ook wel polypeptiden genoemd.

De aminozuursequentie is de unieke volgorde van aminozuren. De polypeptidehoofdketen ondersteunt de zijketens van aminozuren. Er zijn 20 verschillende zijketens, deze zorgen voor de unieke vorm. Sommige van deze zijketens zijn polair, andere hydrofoob, sommige zijn positief, andere negatief. Verder zijn de polypeptideketens erg flexibel. Er kunnen tussen verschillende delen waterstofbindingen, elektrostatische aantrekkingen, et cetera ontstaan. Dit zorgt voor extra stevigheid. Verder kunnen na vouwing van het eiwit de polaire aminozuren aan de buitenkant komen te liggen, waar ze contact maken met water, en de non-polaire aminozuren komen in de binnenkant samen. Hierdoor ontstaan ook weer tussen verschillende ketens waterstofbruggen.

De eindstructuur van een polypeptide, met zijn uiteindelijke vorm heet de conformatie. Deze vorm hangt af van de meest energie-efficiënte vorm. Een eiwit kan denatureren, dit wil zeggen dat de verbindingen binnen de keten worden gebroken en dat de keten alleen nog maar zijn primaire structuur heeft, de aminozuursequentie. Een eiwit kan ook weer renatureren. De ketens komen dan weer in de originele vorm. Het veranderen van vorm is cruciaal voor de functie van eiwitten. De eiwitten kunnen ook echter ook fout renatureren, dit kan tot bepaalde ziektes lijden zoals bijvoorbeeld Alzheimer en Creutzfeldt-Jacob. Het veranderen van de vorm van eiwitten wordt meestal geassisteerd door moleculaire chaperonnes, ook een speciaal soort eiwit.

Er zijn veel verschillende vormen waarin eiwitten kunnen voorkomen. Bij het oplossen van structuren begin je eerst met het uitzoeken van de aminozuursequentie. Dit kan op verschillende manieren, en doe je bijvoorbeeld door de volgorde van nucleotiden te onderzoeken. Hierna kan je dit omzetten in een aminozuursequentie. De 3D-vorm van de eiwitten kan onderzocht worden met speciale experimenten. Al van 20.000 verschillende eiwitten is hierdoor de 3D-vorm bekend geworden.

De N-terminus is het begin van een eiwit of polypeptide en bestaat uit de aminegroep van methionine. Een aminozuursequentie begint namelijk altijd met dit aminozuur. De C-terminus is het einde van een eiwit of polypeptide en bestaat uit de carboxylgroep van het laatste aminozuur voor een stopcodon.

Er zijn verschillende vormen waarin eiwitten zich kunnen vouwen:

• α-helix

• β-sheet

Deze verbindingen komen tot stand doordat er waterstofbruggen worden gevormd tussen N-H en C=O groepen in de polypeptide hoofdketen. Dit vormt dan de secundaire structuur van het eiwit.

Een α-helix is spiraal vormig en kan links- of rechtsdraaiend zijn. Er ontstaan waterstofbruggen tussen elk vierde aminozuur waarbij de C=O groep en de N-H groep aan elkaar worden gebonden. De polypeptide hoofdketen die hydrofiel is, bindt aan zichzelf in een α-helix en wordt van de hydrofobe omgeving afgeschermd door apolaire zijketens.

β-sheets ontstaan wanneer waterstofbruggen worden gevormd tussen 2 polypeptideketens die naast elkaar liggen. Deze kunnen liggen in dezelfde richting, dan heet het een parallelle plaat. Als ze in tegengestelde richting liggen heet het een antiparallelle plaat. Verder zijn β-sheets enorm sterk.

Een eiwit heeft drie, en soms vier structuren: 

• Primaire structuur: aminozuursequentie

• Secundaire structuur: α-helix of β-sheet

• Tertiaire structuur: volledige 3D-structuur, met alle verbindingen

• Quaternaire structuur: eiwitcomplex (niet alle eiwitten hebben dit) 

Eiwitten kunnen worden verdeeld over eiwitfamilies. Elk ‘familielid’ heeft een bepaalde aminozuursequentie en een 3D-vorm die lijkt op die van de anderen.

Een bindingsplaats is een plek waar interactie kan plaatsvinden met andere moleculen door non-covalente bindingen. Als er veel dezelfde soort eiwitten bij elkaar zijn dan kunnen deze aan elkaar binden, allemaal op een identieke manier. Hierdoor ontstaat vaak een helix, waardoor bijvoorbeeld een actinefilament kan ontstaan. Veel structuren, waaronder ribosomen, bestaan uit een complex van eiwitten en DNA- of RNA-moleculen. Samen vormt dit een macromolecuul.

De eiwitten die tot nu toe besproken zijn, worden globulaire eiwitten genoemd. Er zijn echter ook fibreuze eiwitten, deze hebben een relatieve simpele, lange 3D-structuur. Een voorbeeld hiervan is α-keratine. Ook vormen deze eiwitten vaak de extracellulaire matrix, die helpt cellen aan elkaar te binden. Collageen is een voorbeeld van een fibreus eiwit. Dit bevat drie lange polypeptideketens die glycinerijk zijn. Deze drie strengen winden om elkaar. Veel van deze collagene moleculen binden aan elkaar en liggen naast elkaar. Hierdoor maken ze een erg sterk weefsel.

Eiwitten die blootgesteld worden aan extracellulaire condities moeten wel hun vorm kunnen behouden, hier worden covalente cross-verbanden voor gebruikt. Hierdoor worden 2 aminozuren samengevoegd. Het zorgt dat verschillende polypeptideketens aan elkaar hechten. Een sulfidebinding is het meest voorkomende covalente cross-verband, waarin zwavelmoleculen aan elkaar binden.

De vorm en functie van eiwitten hebben een sterke relatie. De biologische eigenschappen hangen af van de interactie tussen moleculen. Alle eiwitten kleven of binden aan andere moleculen. Deze bindingen zijn heel specifiek, elk eiwitmolecuul kan alleen binden aan een bepaald aantal andere eiwitten. Een stof dat kan binden met behulp van een eiwit wordt een ligand genoemd. Het hangt van eigenschappen zoals waterstofbruggen, elektrostatische verbindingen en Van-der-Waalsbindingen af hoe eiwitten binden. Eén enkele binding is zwak, veel zwakke bindingen samen zorgen pas voor een effect. Het ligandmolecuul moet precies passen bij het eiwit. Het stuk van een eiwit dat bindt aan een ligand heet de bindingskant.

Essential cell biology, hoofdstuk 7: From DNA to protein

Pagina 246-247, 250-260

DNA wordt eerst omgeschreven in RNA en dan pas in aminozuren. Transcriptie gebeurt in dezelfde “taal”, het blijven nucleotiden. Bij translatie worden nucleotiden vertaald naar aminozuren. Er zijn vier verschillende nucleotiden en 20 verschillende aminozuren. Een codon is een groep van 3 nucleotiden in RNA, dat codeert voor een aminozuur. Er zijn 4x4x4=64 mogelijke nucleotidenvolgorden in een codon, dus er zijn meerdere codons die coderen voor hetzelfde aminozuur. Translatie van RNA sequenties kan in 3 verschillende, niet overlappende leesramen gebeuren, afhankelijk van waar de translatie begint.

Transport-RNA (tRNA) heeft aan een kant een anticodon. Dit is een complementair codon van het codon op het messenger-RNA. Dit anticodon kan dus met het codon op het mRNA binden. Aan de andere kant (de 3’-kant) zit een korte single strand regio waar het aminozuur dat bij het codon hoort kan worden gebonden. tRNA dat gebonden is met een aminozuur noemen we geladen tRNA. Aminoacyl-tRNA synthetase herkent en bindt het juiste aminozuur aan het juiste tRNA-molecuul. Er is voor elk aminozuur een eigen synthetase-eiwit. Deze binding kan plaatsvinden door middel van de hydrolyse van ATP.

Eiwitten worden gemaakt door ribosomen die uit verschillende ribosomale eiwitten en RNA-moleculen (rRNA) bestaan. De ribosomen bestaan uit 2 subunits; de kleine subunit bindt het tRNA aan het codon van het mRNA, en de grote subunit katalyseert de formatie van peptidebindingen die de aminozuren aan het tRNA linkt. De aminozuren worden met peptidenbindingen aan elkaar gebonden. De 2 subunits van het ribosoom komen samen op het mRNA molecuul, vlakbij het begin (5’-kant) om de eiwitsynthese te starten. Elk ribosoom heeft een binding site voor mRNA en 3 binding sites: de A-zijde, de P-zijde en de E-zijde. Tijdens de eiwitsynthese zijn twee van deze binding sites gebonden met tRNA. De translatie van mRNA door een ribosoom verloopt in 3 stappen.

1. Een tRNA-molecuul bindt aan de vrije A-site op het ribosoom.

2. Een nieuwe peptidebinding tussen de aminozuren wordt gevormd.

3. Het ribosoom verschuift over een afstand van 3 nucleotiden over het mRNA (door de smalle subunit). Het bovenste deel van het ribosoom verplaatst zich naar rechts zodat plaats A weer vrij is en E en P bezet zijn. Het tRNA op E laat los en het laatste aminozuur wordt gebonden aan de keten die zich bij P bevindt. Deze cirkel herhaalt zich steeds.

Dit wordt erg duidelijk uitgelegd in figuur 7-33, op pagina 254.

Het initiator-tRNA draagt altijd het aminozuur methionine (Met), met AUG als codon. AUG is dus altijd het startcodon voor het aflezen van mRNA. UAA, UAG en UGA zijn stopcodons. Als een stopcodon wordt afgelezen bindt een release factor op de A plaats en katalyseren het binden van water aan het laatste aminozuur in plaats van een volgend aminozuur. De aminozuurketen laat het tRNA los en het ribosoom laat het mRNA los.

Polyribosomen of polysomen ontstaan als meerdere ribosomen op 1 stuk mRNA zitten die tegelijk het nieuwe eiwit maken. Zo kunnen er snel meer eiwitten gemaakt worden.

Antibiotica zorgen ervoor dat de RNA- of eiwitsynthese van bacteriën wordt verstoord of geremd. Omdat dit geen invloed heeft op de menselijke eiwitsynthese kan het in hoge dosis worden ingenomen. Dit komt doordat de eiwitsynthese van prokaryoten fundamenteel anders verloopt.

Eiwitten hebben een verschillende levensduur, van seconden tot jaren. Proteolyse is de afbraak van eiwitten tot aminozuren. Dit gebeurt via hydrolysereacties. De enzymen die hiervoor zorgen worden proteasen genoemd. Grote complexen van deze proteolytische enzymen worden proteasomen genoemd en hebben de vorm van een cilinder. Door de afbraak wordt de hoeveelheid eiwit in de cel gereguleerd en kunnen beschadigde of verkeerd gevouwen eiwitten verwijderd worden. Ook worden gedenatureerde, verkeerd gevouwen, geoxideerde of op andere manieren abnormale aminozuren herkend. De af te breken eiwitten zijn veelal gemarkeerd door een klein ubiquitine-eiwit. Eiwitten die kort moeten leven hebben een aminozuurvolgorde die hetzelfde effect heeft als ubiquitine.

Principles of molecular structure and function, hoofdstuk 3: Oxygen transporters

Blokboek bijlage 1, pagina 74-77

Myoglobine is een enkele polypeptideketen bestaande uit 153 aminozuren en een heemgroep. Vanwege de kleine lengte wordt het vaak bestudeerd. Het bestaat voornamelijk uit α-helices. De meeste α-helices hebben een polair en een apolair uiteinde, het centrum van het myoglobine is hierdoor apolair. Tussen de 5^e en 6^e helix zit de heemgroep, gevormd door onder andere bindingen met ijzer. Tussen dit ijzer en het distale histamine zit een ruimte net groot genoeg voor een zuurstofmolecuul. In myoglobine zitten geen zwavelbruggen, de tertiaire structuur wordt gevormd door niet-covalente bindingen.

Hemoglobine zit in rode bloedcellen. Deze worden in het beenmerg gevormd en leven ongeveer 120 dagen. Ze hebben geen kern, waardoor ze geen eiwitsynthese hebben en dus 'dood' zijn. Ook hebben ze geen mitochondria, hun energie krijgen ze anaerobisch. Hemoglobine bestaat uit vier polypeptiden, elk met een eigen heemgroep. Er zijn meerdere soorten hemoglobine:

• HbA is het meest voorkomende type hemoglobine bij volwassenen. Het bestaat uit 2 α-ketens en 2 β-ketens.

• HbA-2is een minder voorkomend type hemoglobine. Het bestaat uit 2 α-ketens en 2 δ-ketens.

• HbF is het foetale type hemoglobine. Het bestaat uit twee α-ketens en twee γ-ketens.

De α-ketens zijn wat korter dan de anderen, maar allen lijken erg op elkaar qua structuur. Hemoglobineketens zijn gerelateerd aan myoglobine, maar zijn alleen identiek rond de heemgroep (de proximale en distale histidines). De hemoglobine ketens vouwen wel zoals myoglobine, en worden door non-covalente bindingen bij elkaar gehouden.

In niet-geoxideerd hemoglobine bevinden zich zoutbindingen die verbreken als er een zuurstof gebonden wordt. Hierdoor is niet-geoxideerd hemoglobine sterker gebonden dan geoxideerd hemoglobine. De eerste noemen we de T-conformatie (tense), de tweede de R-conformatie (relaxed). Deze verandering komt doordat de afstand tussen stikstof en ijzer groter wordt als zuurstof gebonden wordt. De R-conformatie bindt zuurstof veel hechter dan de T-conformatie. Omdat hemoglobine van vorm kan veranderen, noemen we het een allosterisch eiwit. Een ligand is een klein molecuul dat omkeerbaar aan een eiwit kan binden, zoals zuurstof hier aan hemoglobine.

De bindingscurven van hemo- en myoglobine verschillen; hemoglobine laat bij een hogere zuurstofdruk zijn zuurstofmoleculen los. Ook de vorm van de curve verschilt; myoglobine heeft een hyperbole curve en hemoglobine een sigmoïde. Dit laatste komt doordat de binding van een zuurstofmolecuul effect heeft op de andere heemgroepen, deze nemen dan sneller zuurstof op. Dit heet positieve coöperatie en zorgt ervoor dat in de longen zuurstof wordt opgenomen en in de spieren zuurstof wordt afgestaan.