Een kijkje in de chemie
Eiwitten kunnen op de eerste plaats in de "biologische wereld" worden geplaatst, aangezien er, gezien hun vele functies, geen leven zou zijn zonder hen.
Elementaire analyse van eiwitten geeft de volgende gemiddelde waarden: 55% koolstof, 7% waterstof en 16% stikstof; het is duidelijk dat eiwitten van elkaar verschillen, maar hun gemiddelde elementaire samenstelling wijkt weinig af van de hierboven aangegeven waarden.
Constitutioneel zijn eiwitten macromoleculen gevormd uit natuurlijke a-aminozuren; De aminozuren combineren door de amidebinding die wordt vastgesteld door de reactie tussen een aminogroep van een a-aminozuur en de carboxyl van een ander a-aminozuur. Deze binding (-CO-NH-) wordt ook peptidebinding genoemd omdat het peptiden (aminozuren in combinatie) bindt:
de verkregen is een dipeptide omdat het wordt gevormd door twee aminozuren. Aangezien een dipeptide aan het ene uiteinde (NH2) en een carboxyl aan het andere uiteinde (COOH) een vrije aminogroep bevat, kan het met één of meer aminozuren reageren en de ketting zowel van rechts als van links uitrekken, met dezelfde reactie als hierboven te zien.
De volgorde van reacties (die in elk geval niet zo eenvoudig zijn) kan oneindig doorgaan: totdat er een polymeer is dat polypeptide of eiwit wordt genoemd . Het onderscheid tussen peptiden en eiwitten is gekoppeld aan het molecuulgewicht: gewoonlijk wordt het voor molecuulgewichten groter dan 10.000 eiwit genoemd.
Het aan elkaar binden van aminozuren om zelfs kleine eiwitten te verkrijgen is een moeilijke operatie, hoewel er onlangs een automatische methode is ontwikkeld voor het produceren van eiwitten uit aminozuren die uitstekende resultaten geeft.
Het eenvoudigste eiwit is daarom opgebouwd uit 2 aminozuren: volgens internationale conventie begint de geordende nummering van aminozuren in een eiwitstructuur van het aminozuur met de vrije a-aminogroep.
Eiwitstructuur
De eiwitmoleculen zijn zo gevormd dat we tot vier verschillende organisaties kunnen zien: ze zijn over het algemeen van elkaar onderscheiden, een primaire structuur, een secundaire, een tertiaire en een quartaire.
Primaire en secundaire structuren zijn essentieel voor eiwitten, terwijl tertiaire en quaternaire structuren "accessoir" zijn (in de zin dat niet alle eiwitten daarmee kunnen worden uitgerust).
De primaire structuur wordt bepaald door het aantal, het type en de sequentie van aminozuren in de eiwitketen; het is daarom noodzakelijk om de geordende sequentie van de aminozuren die het eiwit vormen te bepalen (om te weten dat dit betekent om de exacte sequentie te kennen van DNA-basen die coderen voor dit eiwit) die niet-verwaarloosbare chemische problemen tegenkomen.
Het was mogelijk om de geordende sequentie van aminozuren door Edman-degradatie te bepalen: het eiwit liet men reageren met fenylisothiocyanaat (FITC); aanvankelijk valt het doublet van het a-aminostikstof het fenylisothiocyanaat aan dat het thiocarbamylderivaat vormt; vervolgens cycliseert het verkregen product het fenyltio-idantoïnederivaat dat fluorescerend is.
Edman heeft een machine ontworpen genaamd sequencer die automatisch de parameters (tijd, reagentia, pH enz.) Aanpast op degradatie en de primaire structuur van eiwitten verschaft (hiervoor ontving hij de Nobelprijs).
De primaire structuur is niet voldoende om de eigenschappen van eiwitmoleculen volledig te interpreteren; er wordt aangenomen dat deze eigenschappen, op een essentiële manier, afhangen van de ruimtelijke configuratie die de moleculen van eiwitten neigen te veronderstellen, buigend op verschillende manieren: dat wil zeggen, aannemende wat is gedefinieerd als een secundaire structuur van eiwitten. De secundaire structuur van eiwitten is tremolabiel, dwz het heeft de neiging zich te verwijderen vanwege verwarming; dan worden de eiwitten gedenatureerd, waardoor veel van hun karakteristieke eigenschappen verloren gaan. Naast verwarming boven 70 ° C kan denaturatie ook worden veroorzaakt door bestraling of door de werking van reagentia (bijvoorbeeld sterke zuren).
De denaturatie van eiwitten door thermisch effect wordt bijvoorbeeld waargenomen door het verwarmen van de eiwitten: het verliest zijn gelatineachtige uiterlijk en verandert in een onoplosbare witte substantie. De denaturatie van de eiwitten leidt echter tot de vernietiging van hun secundaire structuur, maar laat de primaire structuur (de aaneenschakeling van de verschillende aminozuren) onveranderd.
Eiwitten nemen de tertiaire structuur aan wanneer hun ketting, hoewel nog steeds flexibel ondanks het vouwen van de secundaire structuur, opklapbaar is om een gedraaide driedimensionale opstelling in de vorm van een vast lichaam te creëren. De disulfidebindingen die kunnen worden vastgesteld tussen de cysteïne -SH die langs het molecuul wordt verspreid, zijn hoofdzakelijk verantwoordelijk voor de tertiaire structuur.
De quaternaire structuur concurreert daarentegen alleen voor eiwitten die worden gevormd door twee of meer subeenheden. Hemoglobine, bijvoorbeeld, is samengesteld uit twee paar eiwitten (dat wil zeggen, in alle vier eiwitketens) die zich op de hoekpunten van een tetraëder bevinden op een zodanige manier dat er een structuur ontstaat met een bolvorm; de vier eiwitketens worden bij elkaar gehouden door ionische krachten en niet door covalente bindingen.
Een ander voorbeeld van een quaternaire structuur is die van insuline, die lijkt te bestaan uit maar liefst zes proteïnesubeenheden die in paren zijn gerangschikt op de hoekpunten van een driehoek in het midden waarvan twee zinkatomen zijn gelokaliseerd.
EIWITTEN FIBROSE: het zijn eiwitten met een bepaalde stijfheid en met een as die veel langer is dan de andere; het meest voorkomende vezelachtige eiwit in de natuur is collageen (of collageen).
Een fibreus eiwit kan verschillende secundaire structuren aannemen: a-helix, β-leaflet en, in het geval van collageen, drievoudige helix; a-helix is de meest stabiele structuur, gevolgd door de β-bijsluiter, terwijl de minst stabiele van de drie de drievoudige helix is.
α-helix
Van de schroef wordt gezegd dat deze rechtshandig is als, na het hoofdskelet (van onder naar boven gericht), een beweging wordt uitgevoerd die vergelijkbaar is met het schroeven van een rechtshandige schroef; terwijl de schroef van de linkerhand is als de beweging analoog is aan het schroeven van een linkshandige schroef. In de rechter a-helices staan de -R substituenten van de aminozuren loodrecht op de hoofdas van het eiwit en naar buiten gericht, terwijl in de linker a-helices de substituenten -R naar binnen gericht zijn. De rechter a-helices zijn stabieler dan die van de linkerhand, omdat er tussen de vaten -R minder interactie en minder sterische hinder is. Alle α-helix die in eiwitten wordt gevonden, is dextrogine.
De structuur van de a-helix wordt gestabiliseerd door waterstofbruggen (waterstofbruggen) die wordt gevormd tussen de carboxylgroep (-C = O) van elk aminozuur en de aminogroep (-NH) die vier resten later in de lineaire volgorde.
Een voorbeeld van een eiwit met een a-helixstructuur is haarkeratine.
β-sheet
In de B-leafletstructuur kunnen waterstofbindingen worden gevormd tussen aminozuren behorende tot verschillende maar parallelle polypeptideketens of tussen aminozuren van hetzelfde eiwit, zelfs numeriek ver van elkaar maar vloeiend in antiparallelle richtingen. Waterstofbruggen zijn echter zwakker dan die welke de a-helixvorm stabiliseren.
Een voorbeeld van een β-leafletstructuur is zijdefibrine (het wordt ook gevonden in spinnenwebben).
Door de α-helixstructuur uit te breiden, wordt de overgang van α-helix naar β-leaflet uitgevoerd; ook de hitte of de mechanische spanning laten toe om over te gaan van de a-helixstructuur naar de β-sheetstructuur.
Gewoonlijk zijn in een eiwit de P-leafletstructuren dicht bij elkaar omdat waterstofbindingen tussen de delen van het eiwit kunnen worden vastgesteld.
In vezelachtige eiwitten is het grootste deel van de eiwitstructuur georganiseerd als a-helix of p-leaflet.
GLOBULAIRE EIWITTEN: zij hebben een bijna sferische ruimtelijke structuur (vanwege de talrijke richtingveranderingen van de polypeptideketen); sommige delen van zijn zijn terug te voeren op een α-helix of β-leaflet-structuur en andere delen zijn in plaats daarvan niet toe te schrijven aan deze vormen: de rangschikking is niet willekeurig maar georganiseerd en herhalend.
De tot dusverre genoemde eiwitten zijn stoffen met een volledig homogene samenstelling: dat wil zeggen zuivere sequenties van gecombineerde aminozuren; deze eiwitten worden eenvoudig genoemd ; er zijn eiwitten die bestaan uit een eiwitdeel en een niet-eiwitdeel (prostaatgroep) dat geconjugeerde eiwitten wordt genoemd.
collageen
Het is het meest voorkomende eiwit in de natuur: het is aanwezig in de botten, nagels, het hoornvlies en de ooglens, tussen de tussenruimten van sommige organen (bijv. Lever), enz.
De structuur geeft het specifieke mechanische mogelijkheden; het heeft een grote mechanische weerstand geassocieerd met hoge elasticiteit (bijvoorbeeld in pezen) of hoge stijfheid (bijv. in de botten), afhankelijk van de functie die het moet uitvoeren.
Een van de meest merkwaardige eigenschappen van collageen is de constitutieve eenvoud: het wordt voor ongeveer 30% gevormd door proline en voor ongeveer 30% door glycine ; de andere 18 aminozuren moeten alleen worden verdeeld over de resterende 40% van de eiwitstructuur. De aminozuursequentie van collageen is opmerkelijk regelmatig: elke derde residu, de derde is glycine.
Proline is een cyclisch aminozuur waarin de R- groep bindt aan α-aminostikstof en dit geeft het een zekere stijfheid.
De uiteindelijke structuur is een zich herhalende ketting met de vorm van een helix; binnen de collageenketen zijn waterstofbruggen afwezig. Collageen is een linkse helix met een stap (lengte die overeenkomt met een omwenteling van de helix) groter dan de a-helix; de helix van collageen is zo los dat drie eiwitketens zich tussen hen kunnen wikkelen en een enkel touw vormen: een drievoudige helixstructuur.
De drievoudige helix van collageen is echter minder stabiel dan zowel de a-helixstructuur als de p-leafletstructuur.
Laten we nu het mechanisme bekijken waarmee collageen wordt geproduceerd ; denk bijvoorbeeld aan de breuk van een bloedvat: deze breuk gaat gepaard met een groot aantal signalen om het bloedvat te sluiten, en zo de prop te vormen. Voor coagulatie zijn ten minste dertig gespecialiseerde enzymen nodig. Na het stolsel is het noodzakelijk om door te gaan met de reparatie van het weefsel; de cellen dicht bij de wond produceren ook collageen. Om dit te doen, wordt eerst de expressie van een gen geïnduceerd, dat wil zeggen, organismen die beginnen met de informatie van een gen zijn in staat om het eiwit te produceren (genetische informatie wordt overgeschreven op het mRNA dat afkomstig is van de kern en bereikt de ribosomen in het cytoplasma waar de genetische informatie wordt vertaald in eiwit). Vervolgens wordt het collageen gesynthetiseerd in de ribosomen (het verschijnt als een linkerhellix samengesteld uit ongeveer 1200 aminozuren en met een molecuulgewicht van ongeveer 150000 d) en accumuleert vervolgens in de lumens waar het substraat wordt voor enzymen die postmodificaties kunnen aanbrengen -traditioneel (taalmodificaties vertaald door mRNA); in collageen bestaan deze modificaties uit de oxidatie van enkele zijketens, in het bijzonder proline en lysine.
Het falen van de enzymen die tot deze wijzigingen leiden, veroorzaakt scheurbuik: het is een ziekte die, in het begin de breuk van de bloedvaten, een breuk van de tanden veroorzaakt, die gevolgd kan worden door interintestinale bloedingen en de dood; het kan worden veroorzaakt door het continue gebruik van voedsel met een lange levensduur.
Vervolgens treden door de werking van andere enzymen andere modificaties op die bestaan in de glycosidatie van de hydroxylgroepen van proline en lysine (een suiker wordt door OH aan zuurstof gebonden); deze enzymen worden daarom in andere gebieden dan het lumen aangetroffen, terwijl het eiwit wijzigingen ondergaat, het migreert in het endoplasmatisch reticulum en terechtkomt in zakjes (blaasjes) die zich op zichzelf sluiten en loskomen van het rooster: binnenin zitten ze het geglycosideerde pro-collageenmonomeer; de laatste bereikt het Golgi-apparaat waar bepaalde enzymen het aanwezige cysteïne in het carboxydeel van het geglycosideerde pro-collageen herkennen en de verschillende ketens elkaar laten naderen en disulfidebruggen vormen: drie ketens van pro-collageen geglycosideerd collageen aan elkaar gekoppeld en dit is het startpunt waarvan de drie ketens interpenetreren en vervolgens spontaan aanleiding geven tot de drievoudige helix. De drie aan elkaar gebonden geglycidoxideerde pro-collageenketens bereiken, vervolgens een blaasje dat zichzelf, verstikt op zichzelf, losmaakt van het Golgi-apparaat, de drie ketens naar de rand van de cel transporterende waar, door de fusie met het plasmamembraan, de trimetro wordt uit de cel verdreven.
In de extra cellulaire ruimte zijn er bepaalde enzymen, de pro-collageen peptidasen, die drie soorten (één voor elke helix) van 300 aminozuren elk, aan de carboxy-terminale zijde en drie fragmenten (één voor elke helix) van elk ongeveer 100 aminozuren, van het amino-eindstandige deel: er blijft een drievoudige helix over, bestaande uit ongeveer 800 aminozuren voor de helix die bekend staat als tropocollageen .
Het tropocollageen heeft het uiterlijk van een tamelijk stijve staaf; de verschillende trimeren zijn geassocieerd met covalente bindingen om grotere structuren te geven: de microfibrillen . In de microfibrillen zijn de verschillende trimers versprongen gerangschikt; zoveel microfibrillen zijn tropocollageenbundels.
In de botten, tussen de collageenvezels, bevinden zich interstitiële ruimten waarin calcium- en magnesiumsulfaten en fosfaten worden afgezet: deze zouten dekken ook alle vezels; dit maakt de botten stijf.
In de pezen zijn de interstitiële ruimten minder rijk aan kristallen dan de botten, terwijl kleinere eiwitten aanwezig zijn in vergelijking met het tropocollageen: dit geeft elasticiteit aan de pezen.
Osteoporose is een ziekte veroorzaakt door een tekort aan calcium en magnesium waardoor het onmogelijk wordt om zouten in de interstitiële gebieden van tropocollageenvezels te fixeren.
