Microbiologie & Biochemie (MIB 10306, Biochemiedeel) 3de periode cursusjaar 2009-2010 • Dr. H. Haaker,Transitorium kamer 2054,
[email protected] • Buiten Blackboard om zijn alle files ook op te halen via: http://biochemistry.wur.nl/MenB/index.html
• Boek: Biochemistry, sixth international edition by Berg, Tymoczko, and Stryer, W.H. Freeman and Company, 2006, ISBN 0-7167-8724-5 • Internet site van ‘National Center for Biotechnology Information (NCBI)’. Daar staat Biochemistry 5th edition on line. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=Books
Wat is leven op moleculair niveau? • De interacties tussen (bio)moleculen en het vermogen om reacties te regelen. • De cel is in staat energie-stromen te sturen. • Wat is cellulaire energie en hoe worden de energie-stromen gestuurd? De cellulaire energie wordt aangewend door enzymen en eiwitten. Deze zijn de schakels tussen de dode stof en een levende cel.
Centrale thema’s biochemiedeel • Uniformiteit van de cellulaire basisprocessen • Structuur en functie van biomoleculen • De drijvende kracht achter alle levensprocessen: vrije energie • Fundamentele eigenschappen van eiwitten en enzymkatalyse • De grondbeginselen van het metabolisme toegelicht met het glucose katabolisme
Biochemistry: an evolving science Hoofdstuk 1 1. Alle organismen gebruiken dezelfde moleculaire systemen. Toch is er een enorme diversiteit in organismen. 2. De structuur-functie relatie van biomoleculen. 3. Concepten vanuit de chemie verklaren de eigenschappen en mogelijkheden van ‘levens’moleculen en cellulaire processen. 4. Genoominformatie verandert (evolving) de manier waarop het biochemisch, celbiologisch, moleculair biologisch en medisch onderzoek zich ontwikkelt.
Diversiteit versus uniformiteit 1. Alle organismen bestaan uit cellen. 2. Alle cellen gebruiken dezelfde moleculaire systemen. De basisprocessen in een cel zijn uniform en in de evolutie bewaard gebleven. 3. Biologische diversiteit wordt verklaard door relatief kleine verschillen (aanpassingen) in de moleculaire componenten, niet door de ontwikkeling van nieuwe elementen.
Biologische verschillen en overeenkomst op moleculair niveau
TATA box bindend eiwit
De biochemie van alle organismen is qua opzet hetzelfde 1. Alle organismen bestaan uit cellen. 2. DNA is de drager van de genetische informatie in alle cellen. 3. De manier waarop de genetische informatie wordt omgezet in eiwitten is hetzelfde (genetische code). 4. Dezelfde 20 aminozuren worden door alle organismen gebruikt om eiwitten te maken. 5. Alle cellen gebruiken dezelfde standaard metabole routes. 6. Moleculen zoals ATP, NADH, Coenzym A hebben dezelfde functie in alle cellen.
Conclusie: alle organismen op aarde stammen van een gemeenschappelijke voorouder af
De stamboom van alle organismen op basis van 16 S RNA sequenties
?
Biologische diversiteit kan verkregen worden door eenvoudige veranderingen van bestaande moleculaire componenten De heemgroep • Aan een heemgroep in een globuline domein wordt zuurstof reversibel gebonden. • Via een heemgroep in een cytochroom worden electronen doorgegeven. Energieconversie systemen • De lichtreacties van de fotosynthese gebruiken dezelfde componenten en type reacties als de ademhalingsketens.
De structuur-functie relatie: DNA demonstreert de wisselwerking tussen structuur en functie (1.2) DNA is een lineair polymeer opgebouwd uit vier verschillende bouwstenen.
5'
3'
De structuur van DNA verklaart erfelijkheid en de opslag van informatie op moleculair niveau
Watson J.D. and Crick F.H.C. Nature 171, 964-967 (1953) May 30, 1953 • De baseparen hebben dezelfde vorm. De structuur is onafhankelijk van de basevolgorde. De basevolgorde bevat de genetische informatie. • Door de basepaarvorming wordt de volgorde op de complementaire streng bepaald. DNA kan semiconservatief worden gemaakt en dus worden doorgegeven aan de nieuwe cel.
De baseparen hebben dezelfde vorm
C-G A-T
Conclusie: De DNA structuur is onafhankelijk van de basevolgorde
Semiconservatieve synthese
De basepaarvorming is een copieermechanisme voor de genetische informatie. Elke streng doet dienst als mal voor de synthese van de complementaire streng.
Concepten vanuit de chemie verklaren de eigenschappen van biologische moleculen en processen (1.3). • Waarom vormen complementaire DNA strengen een dubbele helix? • Waarom vouwt een lineaire keten van aminozuren zich in een specifieke drie-dimensionale structuur op? • Hoe wordt de specifieke binding tussen moleculen in een cel bepaald? • Waarom komen kleine organische moleculen samen om een levend organisme te vormen? De drijvende kracht achter deze processen zal met behulp van thermodynamica worden toegelicht.
De vorming van een dubbel helix
Waarom klitten complementaire DNA strengen samen? Welke bindingen/interacties zijn er die dit soort moleculaire processen laten verlopen? Antwoord: de basepaarvorming?????
Covalente bindingen
Een molecuul met resonantiestructuren met ongeveer gelijke energieniveaus is stabieler dan moleculen zonder resonantiestructuren (entropie effect).
De vier niet-covalente ‘bindingen’ die de structuur en interacties van de levensmoleculen bepalen De reversibele interacties tussen biomoleculen zijn: • ionogene interactie • waterstofbrug • van der Waals interactie De eigenschappen van water bepalen ook de structuur en mogelijkheden van de levensmoleculen (DNA, eiwitten, membranen) • hydrofobe interactie
Electrostatische interactie
3Å
De energie-inhoud van een electrostatische interactie: E = (k*q1*q2) / (D*r) In water, met D = 80 en 3 Å, is de energie-inhoud 5.8 kJ.mol-1 (1.4 kcal.mol-1) In hexaan (zonder water, D = 2) is dit ongeveer 40 maal meer.
Waterstofbrug
• De sterkste waterstofbrug is lineair (donor – H atoom – acceptor). • Waterstofbruggen hebben een energie-inhoud van 4 tot 20 kJ.mol-1 (1 - 5 kcal.mol-1). • De afstand tussen N-H---O is minder dan tussen C-H--O (3.5Ǻ).
van der Waals interactie
De van der Waals interactie is een kracht tussen een permanente en/of geinduceerde dipolen in electrisch neutrale moleculen. De energie-inhoud is tussen de 2 en 4 kJ.mol-1 (0.5 - 1 kcal.mol-1).
Electronegativiteit (EN) • Definitie: electronegativiteit (EN) is een maat voor de neiging van een atoom dat een chemische binding aangaat met een buuratoom om de gezamenlijke elektronenwolk naar zich toe te trekken. • Electronegativiteit: H = 2.1; S = 2.5; C = 2.5; N = 3.0; O = 3.5 • ΔEN > 1.6 • 0.5 < ΔEN < 1.6 • ΔEN < 0.5
ionaire binding polaire covalente binding apolaire covalente binding
• ΔEN: C-H = 0.4; S-H = 0.4; C-N = 0.5; C-O = 1.0; NH = 0.9; O-H = 1.4
De eigenschappen van water bepalen de structuur en interacties van de levensmoleculen • Water is een polair molecuul • De cohesie van watermoleculen is groot • De polariteit en waterstofbrug mogelijkheden veroorzaken het hydrofobe effect (= energie concept)
Het polaire karakter van water
De solvatatie van ionen in water
De cohesie van water is groot door het netwerk van waterstofbruggen Waterstofbruggen in ijs
Water kan de waterstofbruggen in eiwitten vervangen
Hoe beïnvloeden de eigenschappen van water de interacties tussen de biomoleculen? • Het polaire karakter en de waterstofbrug-vorming maken van water een goed oplosmiddel voor polaire moleculen, maar verminderen de interacties tussen polaire moleculen (de ionogene interactie en de waterstofbruggen) • Het polaire karakter van water introduceert een nieuwe interactie: de clustering van apolaire groepen tot een water-vrije micro-omgeving in biologische systemen. Dit wordt het hydrofobe effect genoemd en is het gevolg van een toename van de entropie (energie-effect) van het systeem.
Het hydrofobe effect
• Het samengaan van niet-polaire groepen in water heeft als effect dat de aan het niet-polaire oppervlak gebonden watermoleculen vrijkomen voor interacties met het oplosmiddel. • De vrijgekomen watermoleculen hebben meer interactie mogelijkheden met andere (water) moleculen. • Dit geeft een sterke toename van de entropie.
Welke is de bijdrage van de vier nietcovalente interacties aan de associatie van twee complementaire DNA strengen?
Antwoord: 1
2
3
Hydrophobic surface 1 2 3 4
4
Is er sprake van een soort magie achter het leven? • De processen in cellen lijken over een soort toverkracht te beschikken. Uit simpele moleculen stof ontstaan spontaan complexe moleculen en uiteindelijk nieuwe cellen. • Is er een andere natuurkunde voor de organismen vergeleken met de niet-levende natuur?
De energiewetten van de thermodynamica • De thermodynamica maakt onderscheid tussen een systeem en zijn omgeving. • Eerste hoofdwet: (verlenging van de wet van behoud van mechanische energie) : de totale energie van een systeem en zijn omgeving is constant. • Tweede hoofdwet: als er sprake is van een spontaan proces dan neemt de totale entropie (verspreiding van energie) van het systeem en zijn omgeving altijd toe.
Energie • •
Kinetische energie (voorwerpen/moleculen) Potentiële energie (voorwerpen/moleculen)
•
Voorbeeld naar college komen: spierarbeid (de potentiële energie in voedselmoleculen) wordt omgezet in kinetische energie (fietsen), in een toename van de potentiële energie (het omhoog fietsen) en in warmte. De observatie is dat energie niet verloren gaat maar wordt omgezet in andere vormen. Energie gaat niet verloren en kan dus niet gebruikt worden om een proces te drijven. Wat bepaalt dan wel dat processen spontaan verlopen?
Entropie • De entropie geeft aan over hoeveel energieniveaus een systeem zich kan verdelen (macroscopisch en moleculair). • Experimenteel blijkt dat bij een spontaan verlopend proces de entropie van het systeem en zijn omgeving toeneemt. • Voorbeeld 1: een glas thee koelt vanzelf af. Kinetische energie van de watermoleculen in het thee-glas wordt overgedragen op de luchtmoleculen in de ruimte. De aanwezige kinetische energie wordt verspreid over alle moleculen in de kamer.
Entropie • Voorbeeld 2: bij een brandende kaars worden producten gevormd met sterkere bindingen (C-C, C-H en O=O bindingen worden omgezet in C=O en O-H bindingen) vergeleken met de bindingen van de uitgangsstoffen. De vrijkomende bindingsenergie wordt omgezet in kinetische energie van moleculen (1ste hoofdwet). Als de temperatuur toeneemt komen er voor de moleculen meer energieniveau’s beschikbaar. De (potentiële) energie die in de kaars aanwezig is, verspreidt zich over meer moleculen. De entropie van de kaars en omgeving neemt toe (2de hoofdwet)
Hoe zit het nu met een levende cel? • De groei van cellen (ordening van moleculen) is een spontaan proces maar dit lijkt tegenstrijdig met de tweede hoofdwet. Die stelt dat entropie van de cel en zijn omgeving moet toenemen en wat je ziet is het tegenovergestelde als je naar de cel alleen kijkt. • De eerste hoofdwet stelt dat er geen energie verloren kan gaan. Dus de stelling dat er energie gebruikt wordt om de moleculen te ordenen kan ook niet kloppen.
De truc • Cellen nemen moleculen op. Deze worden omgezet in andere moleculen. Bij de mens worden de ‘voedsel’moleculen geoxideerd. • Hierbij wordt energie omgezet in andere vormen. Bij de mens zijn het de redoxreacties die ‘metabole’ energie leveren. • Een deel van de metabole energie wordt aangewend voor het maken van chemische bindingen (ordenen). • Een deel wordt omgezet in energie met een hoog entropie gehalte en deze vorm van energie wordt geëxporteerd naar de omgeving.
De vrije energie geeft aan of een reactie of proces kan verlopen • De vrije energie (G) is een combinatie van enthalpie (H, warmteinhoud) en entropie (S, maat voor spreiding van energie). • De vrije energie verandering (ΔG) van een reactie geeft aan welke kant de reactie of proces oploopt. • ΔG = ΔHsysteem – T ΔSsysteem (def: ΔG = – T ΔStotaal) • Als ΔG < 0 dan is ΔStotaal > 0
Afleiding: Als ΔStotaal > 0 dan is ΔG < 0 Er komt bij een reactie warmte vrij. Deze verlaat het systeem en geeft een toename van entropie in de omgeving. ΔSomgeving = -ΔHsysteem/T (1) De totale entropie verandering is: ΔStotaal = ΔSsysteem + ΔSomgeving. ΔStotaal = ΔSsysteem + -ΔHsysteem/T. Vermenigvuldig met -T -TΔStotaal = -TΔSsysteem + ΔHsysteem. De functie -TΔStotaal is ΔG ΔG = ΔHsysteem -TΔSsysteem (2) 2de hoofdwet: ΔStotaal = ΔSsysteem + ΔSomgeving. > 0; ΔSsysteem > - ΔSomgeving. = ΔHsysteem/T ; vermenigvuldig met T T ΔSsysteem > ΔHsysteem dan is (2) ΔG < 0
De vorming van de DNA dubbel-helix en entropie De afname van de entropie van de afzonderlijke helix-strengen wordt gecompenseerd door de toename van de entropie van de omgeving. Als de temperatuur stijgt kunnen de moleculen zich over meer energieniveaus verdelen. De tweede hoofdwet wordt niet overtreden omdat de temperatuur stijgt.
Warmte
De exponentiele toename in kennis over genomen verandert de Biochemie en Geneeskunde (1.4) De structuur van DNA suggereerde dat de erfelijkeheid is opgeslagen in de vorm van de basevolgorde van de DNA strengen De vragen die de hypothese opriep zijn beantwoord.
• Is de hypothese juist? • Hoe wordt de volgorde gelezen en omgezet in actie? • Welke zijn de sequenties van natuurlijk voorkomend DNA en hoe kan je de sequentie experimenteel bepalen?
De resultaten van 50 jaar onderzoek • Van honderden verschillende organismen is de genoomsequentie opgehelderd. • Het vergelijken van genoomsequenties heeft de Biochemie (en geneeskunde) deels veranderd van een experimentele in een informatie wetenschap • Veel ziekten zijn te herleiden aan specifieke veranderingen in sequenties van het DNA
Nieuwe sequencing technieken: doel het 1000 $ project • 1ste generatie sequencing technieken. Het sequencen van het menselijk genoom heeft 13 jaar geduurd en heeft 3 miljard dollar gekost. • 2de generatie sequencing technieken. Aan Watson’s genoom hebben 20 mensen 2 maanden gewerkt en heeft 1 miljoen dollar gekost.
• De sequencingmethode van 454 Life Sciences baseert zich op de razendsnelle analyse van willekeurige DNA-fragmenten. De basenvolgorde wordt bepaald door het enkelstrengs DNA base voor base weer tot dubbelstrengs DNA op te bouwen. Het apparaat houdt precies in de gaten welke base wordt ingebouwd, en dat levert voor ieder fragment de exacte basenvolgorde op. Voor de reconstructie van het hele genoom rekent de computer terug op welke plaats de losse fragmentjes het beste passen. In vogelvlucht bestaat de techniek uit de volgende stappen: 1.Het DNA wordt met zogeheten restrictie-enzymen (eiwitten die DNA knippen) in willekeurige stukjes geknipt van zo’n 300 tot 800 basenparen. Ze worden enkelstrengs gemaakt. 2.Alle DNA -strengetjes krijgen aan beide uiteinden extra stukjes DNA: A en B. A bevat de code ‘aanmaken maar’, voor het enzym dat ervoor zorgt dat het strengetje miljoenen malen wordt gekopieerd. B zorgt ervoor dat de strengetjes aan een kraaltje gaan zitten. 3.De kraaltjes worden met een enzymoplossing op een kunststof kaartje gebracht waarin 1,6 miljoen gaatjes zitten – na een centrifugestap bevat elk gaatje een kraaltje met een ander stukje van het af te lezen DNA. 4.De onderzoeker schuift het gevulde plaatje in het sequencingapparaat. Daarin worden over het kaartje snel achter elkaar oplossingen geleid met een van de vier basen: A,T, C of G. Bij de inbouw komt pyrofosfaat vrij dat via luciferase wordt omgezet in een lichtflitsje. Het af te lezen DNA in de putjes dient als matrijs voor de aanmaak van nieuw DNA. Gaat over al de 1,6 miljoen gaatjes de oplossing met base A, dan lichten op dat moment die gaatjes op waarin een A in de kopieën wordt gebouwd. Op het volgende moment, bij een T oplossing, lichten de gaatjes op waar base T wordt ingebouwd. Als er in een gaatje meer basen tegelijkertijd worden ingebouwd (bijvoorbeeld bij een stukje *AAAAA*) is het lichtsignaal sterker. Maar meer dan vijf repeterende basenparen kan het apparaat niet meer tellen. 5.Een uit de astronomie afkomstige camera maakt op elk moment een foto. Software vertaalt al die foto’s (120 miljoen in vier uur) in de basenpaarvolgorde van al die DNA-fragmenten aan de kraaltjes.
Wat kan je met sneller en goedkoper sequencen? • Bekijk één gen in 500 kankerpatiënten en in 500 controles • Vergelijk 80 genen in een tumor en 80 genen in gezonde cellen • Sequence een bacterieel genoom in een middag • Sequence het genoom van verschillende plantenrassen en gebruik de informatie voor gerichte veredeling • Op termijn bij de mens: individuele sequence informatie geef een indicatie voor de aanleg voor ?????
Nature 8 november 2007 Nature is delighted to present a special issue on Drosophila biology, genomics and evolution. Papers include reviews on the unique place of the fruit fly in laboratory studies in many fields of biology, and analyses of ten novel Drosophila primary genome sequences. These sequences allowed researchers to examine genes and transcripts on an entire phylogenetic framework simultaneously, and will assist studies in most areas of biology. The cover shows anaesthetized individuals of all twelve Drosophila species. (Image by Andrew G. Clark, Cornell Univ.)
Het genetisch vergelijken van Drosophila soorten • In 2000 is het genoom van D. melanogaster gesequenced. 12000 genen verdeeld over 4 chromosomen. • 2007 zijn 12 soorten Drosophila gesequenced. • Er wordt gesteld dat dit mega project van groot medisch belang is ondanks dat 600 – 800 miljoen jaar de mens en Drosophila evolutionair uit elkaar gegaan zijn.
Nut van het genomisch vergelijken soorten van modelorganismen • De basisprocessen in organismen zijn in de evolutie in essentie onveranderd gebleven. • 70% van de genen die bij mensen een aangeboren afwijking veroorzaken komen ook in Drosophila voor. • Als een domein of een deel van een eiwit belangrijk is blijft dat in de evolutie geconserveerd. Belangrijk voor grote complexe genen. • De fysiologische functie van een gen kan bepaald worden via ‘knock outs’.
Voorbeelden van het fruitvliegonderzoek die van belang zijn voor de mens • intern milieu (metabolic homeostasis) • grootte en vorm lichaamsdelen • genen en gedrag:
slapeloosheid leerproblemen homoseksueel gedrag
Wat doen genen voor je? De belangrijkste functie is de code te leveren voor de synthese van eiwitten
De aminozuurvolgorde bepaalt de structuur en dus ook de functie van de eiwitten.
Het individu wordt bepaald door het samenspel van zijn genen en de omgeving • Elke persoon heeft een unieke basevolgorde van zijn DNA. • Het verschil in basevolgorde tussen twee personen is ongeveer 1 op de 1000 basen (0.1%). Dit verschil is groter dan de verschillen tussen etnische groepen. • Naast genetische verschillen zijn epigenetische factoren belangrijk voor het functioneren van genen. • Omgevingsfactoren dragen bij aan de gevoeligheid voor ziektes: “You are what you eat”.
Protein structure and function Hoofdstuk 2
Kristallen van humaan insuline
Samenvatting • Eiwitten zijn opgebouwd uit 20 verschillende aminozuren. • De primaire, secondaire tertiaire en quarternaire structuur. • De aminozuurvolgorde van een eiwit bepaalt zijn structuur en daarmee ook zijn functie.
Proteins are build from a repertoire of 20 amino acids (2.1) Algemene naamgeving en stereoisomeren van de aminozuren
In eiwitten worden alleen L-aminozuren ingebouwd
Cα, aminogroep, carboxylgroep en restgroep
De zijketen van de 20 aminozuren verschillen in: • grootte • vorm • lading • de mogelijkheid tot het vormen van een waterstofbrug • hydrofoob karakter • chemische reactiviteit
Indeling aminozuren op basis van de chemische eigenschappen van de zijketen • • • • • • • •
Alifatisch: (Gly), Ala, Val, leu, Ile, Met Cyclisch: Pro Aromatisch: Phe, Tyr, Trp Sulfhydrylgroep: Cys Alifatische hydroxylgroep: Ser, Thr Basische groep: His, Lys, Arg Carboxylgroep: Asp, Glu Carboxamide: Asn, Gln Apolair-hydrofoob Polair-hydrofiel
De ionisatietoestand van aminozuren is pH afhankelijk
Niet gebruikte aminozuren
Homoserine en homocysteine zijn waarschijnlijk in de evolutie uitgesloten omdat de zijketens ongewensde nevenreacties geven. Deze reacties vinden niet plaats met serine en cysteine.
Samenvatting van de ioniseerbare groepen in aminozuren
• • • • • • • • •
De concepten die gekend moeten worden: alifatisch aromatisch hydrofobiciteit hydrofiel waterstofbrugvorming alifatische hydroxyl groep sulhydryl groep zure groep basische groep
De primaire structuur van een eiwit is de volgorde waarin de aminozuren via een peptidebinding aan elkaar gekoppeld zijn
Een peptidebinding is kinetisch zeer stabiel (> 1000 jaar), maar het evenwicht ligt geheel aan de kant van de vrije aminozuren. Hoe is de vorming van de peptidebinding energetisch mogelijk? • De peptidebinding wordt gevormd op de ribosomen uit geactiveerde aminozuren (aminozuren gebonden aan een tRNA molecuul). • De aminozuren worden geactiveerd door de activatiereactie te koppelen aan de hydrolyse van ATP.
De activatie van een aminozuur en de vorming van een peptidebinding ATP + aminozuur
aminoacyl-AMP + PPi
Aminoacyl-AMP + tRNA
AMP + aminoacyl-tRNA
PPi + H2O
2 Pi
aminozuur + ATP + tRNA + H2O
aminoacyl-tRNA + AMP + 2Pi
Leu-enkefaline: een opioïde die het waarnemen van pijn en emoties regelt. • Een polypeptideketen heeft een polariteit: • een aminoterminaaleinde • een carboxyterminaaleinde • De ruggegraad is constant maar de zijketens varieren R1-R5: zijketens Ruggegraad
De (reversibele) vorming van een cystine koppelt delen van de polypeptideketen covalent aan elkaar
O2 + 2H+ + 2e-
H2O2
Oxygen oxidizes the cysteines to cystines
Rnase with its four cystines
Algemene eigenschappen van een polypeptideketen • Polypeptideketens zijn flexibel maar niet alle conformaties zijn mogelijk • De peptidebinding is vlak en deze eigenschap beperkt het aantal mogelijke conformaties
De cis- en trans-conformatie van een peptidebinding
Proline
De drie dimensionale structuur van een polypeptideketen kan beschreven worden door de twee hoeken φ (phi) en ψ (psi) rond het Cα atoom van elk aminozuurresidu
φ
ψ
φ
α
ψ α
α
Secundaire structuurelementen van polypeptideketens Een polypeptideketen vouwt zich op na synthese. In de apolaire micro-omgeving vouwt de keten zich zodanig dat er tussen de amino- en carboxyl- groepen van de keten zoveel mogelijk waterstofbruggen gevormd worden. Er ontstaan regelmatige structuren: • α helix • β sheet • β turn en loop Specifieke aminozuurvolgordes in eiwitten geven aanleiding tot de vorming van: • α-helical coiled coil • collagen triple helix
De α helix
5
4
3 2 1
De β keten
een antiparallele β sheet
Een parallele β sheet
Een β turn
Turns en loops bevinden zich altijd aan het oppervlak van eiwitten en nemen vaak deel in de interacties met andere eiwitten en moleculen
Deel van een antilichaam molecuul
Draadvormende eiwitten geven structurele ondersteuning voor cellen en weefsels De α-helical coiled coil
α-keratine: een α-helical coiled coil die gestabiliseerd wordt door ionogene, van der Waals en hydrofobe interacties. Het is geen reguliere α-helix: een volledige draaing van de helix vindt plaats bij 3.5 aminozuurresiduen. Bij een normale α-helix is dit getal 3.6. Keratine heeft een 7-residue pseudorepeat met niet-polaire residuen op de posities 1 en 4. Hierdoor zijn er in de lengterichting tussen de ketens interactie mogelijkheden. Naast elkaar gelegen ketens kunnen via cysteine residuen aan elkaar gekoppeld worden. Haren, eelt en nagels bevatten meer cystine bindingen dan de huid.
Collageen, het meest voorkomende eiwit in zoogdieren heeft een ‘triple helix’ structuur
Collageen bevat veel glycine, proline en hydroxyproline (Hyp), elk derde aminozuur is een glycine
Structuur van collageen
De polypeptideketen vouwt zich op in een helix structuur die bepaald wordt door de sterische hinder tussen de (hydroxy)proline residuen. Er zijn geen waterstofbruggen binnen de keten zelf. Drie strengen draaien om elkaar en vormen zo een superhelix kabel die gestabiliseerd wordt door waterstofbruggen tussen de ketens. Hydroxyproline geeft extra waterstofbruggen. Deze zijn essentieel voor de sterkte van collageen!!
Een motief is een supersecundair structuurelement • Bepaalde combinaties van secundaire structuurelementen zijn in veel eiwitten aanwezig en vervullen gelijke functies. • De combinatie een α helix, β turn, en een andere α helix wordt een helix-turn-helix motief genoemd en is in veel DNA bindende eiwitten terug te vinden.
Wateroplosbare eiwitten vouwen zich op tot compacte structuren met een hydrofobe kern (2.4)
Modellen voor de drie-dimensionale structuur van myoglobine
De verdeling van aminozuurresiduen in myoglobine
Een ruimtevullend model: hydrofobe aminozuurresiduen, geladen en andere
Dwarsdoorsnede
Sommige membraaneiwitten zijn uitzonderingen op de regel: hydrofobe zijketens in het inwendige en de hydrofiele zijketens aan het oppervlak
De "inside out" aminozuurresidue verdeling in porine
Domeinen: sommige polypeptideketens vouwen zich in twee of meer compacte gebieden verbonden door een flexibel sgment in de polypeptideketen
Een deel van het CD4 eiwit bestaat uit vier gelijke domeinen Immunoglobine domein
Quarternaire structuur: polypeptideketens komen samen en vormen een multisubunit structuur (2.5)
Het Cro eiwit van de bacteriofaag λ is een dimeer van identieke subunits
Hemoglobine is een α2ß2 tetrameer
De mantel van het rhinovirus bestaat uit 60 kopieen van elke van de vier subunits, α60β60γ60δ60
Het evolutionaire voordeel van multi-subunit eiwitten Myoglobine bestaat uit een polypeptide keten
Hemoglobine bestaat uit vier subeenheden Hb = α2β2
Multi-subunit eiwitten zijn fysiologisch reguleerbaar
Hbα2γ2
Hb = α2β2
Ribonuclease stond in 1972 in de belangstelling vanwege de toekenning van de nobelprijs voor scheikunde aan Christian Boehmer Anfinsen (VS), Stanford Moore (VS), William Howard Stein (VS). De prijs is toegekend voor zijn verdiensten op het gebied van de ribonuclease (Anfinsen) en voor hun bijdragen aan het begrip van de link tussen de chemische structuur en de katalytische activiteit van het ribonuclease molecuul (Moore, Stein)
De aminozuurvolgorde van een eiwit bepaalt zijn drie-dimensionale structuur: het reversibel ontvouwen en vouwen van ribonuclease (2.6)
De aminozuurvolgorde van runder ribonuclease en de plaats van de disulfide (cystine) bindingen (C-C)
Middelen om eiwitten te ontvouwen
ß-mercaptoethanol reduceert disulfide bindingen
Ureum of guanidinium chloride ontvouwt eiwitten
Reductie en ontvouwen van ribonuclease
De vorming van natief en katalytisch actief ribonuclease
Met het experiment is bewezen dat de aminozuurvolgorde van een eiwit zijn drie-dimensionale structuur bepaald!!!
