Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

3.3: Vouwing van Eiwitten
INHOUDSOPGAVE

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Protein Folding
 
TRANSCRIPT

3.3: Protein Folding

3.3: Vouwing van Eiwitten

Overview

Proteins are chains of amino acids linked together by peptide bonds. Upon synthesis, a protein folds into a three-dimensional conformation which is critical to its biological function. Interactions between its constituent amino acids guide protein folding, and hence the protein structure is primarily dependent on its amino acid sequence.

Protein Structure Is Critical to Its Biological Function

Proteins perform a wide range of biological functions such as catalyzing chemical reactions, providing immunological defense, storage, transport, cellular communication, movement, and structural support. A protein’s function mostly depends on its ability to recognize and bind other molecules, analogous to a lock and key. Hence the specific activity of each protein depends on its unique three-dimensional architecture.

For a protein to be functional, it must fold accurately. Most proteins go through several intermediate forms before folding into the most stable, biologically active structure. Misfolding of proteins has detrimental effects on the overall functioning of the cell. In humans, several diseases are due to the accumulation of misfolded or unfolded proteins. These include cystic fibrosis, Alzheimer’s, Parkinson’s, ALS, and Creutzfeldt-Jakob disease.

Key Determinants of Protein Structure

Proteins are made up of one or more chains of amino acids, called polypeptides. A polypeptide is synthesized as a linear chain which rapidly folds upon itself to form a three-dimensional structure. The term polypeptide and protein are sometimes used interchangeably, but most commonly, a folded polypeptide that can perform a biological function is called a protein. A protein structure is usually described on four levels: primary, secondary, tertiary, and quaternary. Most polypeptides fold into an overall compact, globular tertiary structures, such as hemoglobin, the oxygen-carrying protein in the blood. Some proteins, like keratins, can form long fibers that are commonly found in hair and nails.

The sequence of amino acids in the polypeptide chain is the primary determinant of its structure. The amino acid sequence determines the type and location of secondary structures. Additionally, the overall tertiary structure of a protein is predominantly stabilized by chemical bonds between amino acid side chains—the unique chemical groups that distinguish amino acids from each other. These side chains are either positively or negatively charged, polar uncharged, or non-polar.

The amino acids have unique physical and chemical characteristics depending on their side chain groups. For example, polar and charged amino acids interact with water to form hydrogen bonds and are called hydrophilic; whereas the non-polar amino acids avoid interactions with water and are called hydrophobic. Hence when a protein is folded in a cellular environment, side chains of hydrophobic amino acids are buried in the core of the protein away from the aqueous surroundings, whereas the hydrophilic amino acids side chains are exposed on the surface of the protein.

The tightly packed hydrophobic amino acids in the protein core lead to the formation of weak Van der Waals interactions between the side chains groups. Presence of these Van der Waals forces impart added stability to the folded protein. The polar amino acids exposed on the surface of the protein are free to form hydrogen bonds with water molecules or other polar amino acid side chains. The positively and negatively charged amino acids are also present on a protein’s exterior where they form ionic bonds with other nearby, oppositely charged amino acids.

Disulfide bonds form between two sulfhydryl, or SH, groups on the amino acid cysteine. This is a very robust interaction which acts like reinforcement on the folded protein. The presence of disulfide bonds locks the folded protein in its most favored three-dimensional conformation. Proper folding of a protein also depends on other factors of cellular environment like pH, salt concentration, temperature, etc. Alteration of the physical and chemical conditions in a protein environment affect the chemical interactions holding the protein together and can cause the protein to misfold or unfold and lose its biological function—a process known as protein denaturation.

Overzicht

Eiwitten zijn ketens van aminozuren die met elkaar zijn verbonden door peptidebindingen. Bij synthese vouwt een eiwit zich tot een driedimensionale conformatie die cruciaal is voor zijn biologische functie. Interacties tussen de samenstellende aminozuren sturen de eiwitvouwing, en daarom is de eiwitstructuur voornamelijk afhankelijk van de aminozuursequentie.

Eiwitstructuur is cruciaal voor zijn biologische functie

Eiwitten vervullen een breed scala aan biologische functies, zoals het katalyseren van chemische reacties, het bieden van immunologische verdediging, opslag, transport, cellulaire communicatie, beweging en structurele ondersteuning. De functie van een eiwit hangt grotendeels af van zijn vermogen om andere moleculen te herkennen en te binden, analoog aan een slot en sleutel. Daarom hangt de specifieke activiteit van elk eiwit af van zijn unieke driedimensionale architectuur.

Om een eiwit functioneel te maken, moet het nauwkeurig worden gevouwen. De meeste eiwitten doorlopen verschillende tussenvormen voordat ze erin vouwende meest stabiele, biologisch actieve structuur. Het verkeerd vouwen van eiwitten heeft nadelige effecten op het algehele functioneren van de cel. Bij mensen zijn verschillende ziekten het gevolg van de opeenhoping van verkeerd gevouwen of ongevouwen eiwitten. Deze omvatten cystische fibrose, de ziekte van Alzheimer, Parkinson, ALS en de ziekte van Creutzfeldt-Jakob.

Belangrijkste determinanten van eiwitstructuur

Eiwitten zijn opgebouwd uit een of meer ketens van aminozuren, de zogenaamde polypeptiden. Een polypeptide wordt gesynthetiseerd als een lineaire keten die zich snel vouwt om een driedimensionale structuur te vormen. De term polypeptide en eiwit worden soms door elkaar gebruikt, maar meestal wordt een gevouwen polypeptide dat een biologische functie kan vervullen een eiwit genoemd. Een eiwitstructuur wordt gewoonlijk beschreven op vier niveaus: primair, secundair, tertiair en quartair. De meeste polypeptiden vouwen zich op tot compacte, globulaire tertiaire structuren, zoals hemoglobine, het zuurstofdragende eiwit in het bloed. ZoMe-eiwitten, zoals keratine, kunnen lange vezels vormen die vaak in haar en nagels voorkomen.

De volgorde van aminozuren in de polypeptideketen is de belangrijkste bepalende factor voor de structuur ervan. De aminozuursequentie bepaalt het type en de locatie van secundaire structuren. Bovendien wordt de algehele tertiaire structuur van een eiwit voornamelijk gestabiliseerd door chemische bindingen tussen aminozuurzijketens - de unieke chemische groepen die aminozuren van elkaar onderscheiden. Deze zijketens zijn positief of negatief geladen, polair ongeladen of niet-polair.

De aminozuren hebben unieke fysische en chemische eigenschappen, afhankelijk van hun zijketengroepen. Polaire en geladen aminozuren staan bijvoorbeeld in wisselwerking met water om waterstofbruggen te vormen en worden hydrofiel genoemd ; terwijl de niet-polaire aminozuren interacties met water vermijden en hydrofoob worden genoemd. Vandaar dat wanneer een eiwit wordt gevouwen in een cellulaire omgeving, zijketens van hydrofobe aminozuren worden begraven in de kern van het eiwit, weg van de waterige omgeving, terwijl de hydrofiele aminozuren zijketens worden blootgesteld aan het oppervlak van het eiwit.

De dicht opeengepakte hydrofobe aminozuren in de eiwitkern leiden tot de vorming van zwakke Van der Waals-interacties tussen de zijketensgroepen. Aanwezigheid van deze Van der Waals-krachten geeft extra stabiliteit aan het gevouwen eiwit. De polaire aminozuren die aan het oppervlak van het eiwit worden blootgesteld, zijn vrij om waterstofbruggen te vormen met watermoleculen of andere polaire zijketens van aminozuren. De positief en negatief geladen aminozuren zijn ook aanwezig aan de buitenkant van een eiwit, waar ze ionische bindingen vormen met andere nabijgelegen, tegengesteld geladen aminozuren.

Disulfidebindingen vormen tussen twee sulfhydryl- of SH-groepen op het aminozuur cysteïne. Dit is een zeer robuuste interactie die fungeert als versterking op het gevouwen eiwit. De aanwezigheid van disulfidebindingen vergrendelt het gevouwen eiwitzijn meest favoriete driedimensionale conformatie. De juiste vouwing van een eiwit hangt ook af van andere factoren van de cellulaire omgeving, zoals pH, zoutconcentratie, temperatuur, etc. Verandering van de fysische en chemische omstandigheden in een eiwitomgeving beïnvloeden de chemische interacties die het eiwit bij elkaar houden en kunnen ervoor zorgen dat het eiwit verkeerd vouwt of zich ontvouwen en zijn biologische functie verliezen - een proces dat bekend staat als eiwitdenaturatie.


Aanbevolen Lectuur

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter