Proteïne

Een eiwit of proteïne is een biopolymeer dat bestaat uit één of meerdere ketens van aminozuren verbonden door peptidebindingen. Deze verbindingen zijn essentieel voor levende organismen. Hoewel eiwit ook verwijst naar het wit van eieren, heeft de naam eiwit niets te maken met kleur: het wit van een ei bestaat voor het grootste deel uit eiwitten of proteïnen terwijl dit ook het geval is voor eigeel. Eiwitten is bijgevolg een veel bredere benaming die refereert aan een hele groep verbindingen.

Functies van eiwitten zijn vaak van structurele of metabole aard. Zo zorgen ze bijvoorbeeld voor de celstructuur (collageen waar pezen en ander bindweefsel van gemaakt zijn). Tevens verzorgen ze vele levensfuncties, zoals transport van voedingsstoffen, aanmaak van lichaamseigen stoffen en vertering (lipasen als vetsplitsende enzymen, proteinasen als eiwitsplisende enzymen). Dergelijke proteïnen met biologische belangrijke functies noemt men enzymen.

Proteïnen chemisch bekeken

Proteïnen zijn een belangrijke klasse bio-macromoleculen. Behalve de polysachariden of suikers, de vetten en nucleinezuren (DNA en RNA) zijn eiwitten belangrijke bestanddelen in levende organismen.

Natuurlijke proteïnen bestaan uit L-aminozuren. De codes voor deze 20 aminozuren liggen vast in het DNA van het organisme. Het DNA wordt overgeschreven naar RNA, hetwelk gebruikt wordt als een mal voor het maken verschillende kopieën van hetzelfde eiwit door ribosomen.

Typische eiwitten zijn enige tientallen tot vele honderden aminozuren, verbonden door amidebindingen (voor eiwitten noemt men dit peptidebindingen), lang. Kleine eiwitten worden ook wel polypeptiden genoemd; de grens tussen een eiwit en een polypeptide is arbitrair.

Structuur

Een eiwit rolt zich op of vouwt zich in een unieke 3-dimensionale vorm die wordt bepaald door de onderlinge aantrekking en afstoting van de samenstellende aminozuren, de mogelijke bochten waarin het molecuul zich kan wringen en de chemische omgeving ervan. Bij enzymen is de vorm zeer specifiek geschikt om een molecuul substraat te binden en dit via een chemische reactie naar een ander product om te zetten. Hierbij is het van belang dat het eiwit zich goed opvouwt. Wanneer dit niet gebeurt geeft dit in ernstige gevallen aanleiding tot typische ziektes zoals Creutzfeldt-Jacob of de vergelijkbare ziektes zoals gekkekoeienziekte of scrapie bij schapen.

De vorm waarin een proteïne zich normaal vouwt noemt men zijn natieve conformatie. Conventioneel deelt men de volgende aspecten van de structuur van een eiwit:

Primaire structuur: de aminozuursequentie, de keten wordt bij elkaar gehouden door covalente bindingen, ook wel specifiek de peptidebinding genoemd. Er zijn 20 verschillende aminozuren en een eiwit kan makkelijk uit enkele duizenden aminozuren bestaan.
Secundaire structuur: het eiwit stabiliseert en vouwt lokaal op. De eerste structurele elementen, zoals α-helix en ß-plaat ontstaan. Deze structuurelementen worden vooral gestabiliseerd door middel van waterstofbruggen.
Tertiaire structuur: het proteïne vouwt zich op tot zijn compacte, natuurlijke vorm. Verdere stabilisatie treedt op door aantrekkingskrachten tussen verschillende delen van de eiwitketen, zoals hydrofobe interacties, ion interacties en disulfidebruggen. Voor eiwitten die uit één enkele subunit bestaan is dit de biologisch actieve vorm.
Quaternaire structuur: de vorm die voortkomt uit de associatie van meerdere eiwitketens, ook het eiwitcomplex genoemd.

Alhoewel, eenzelfde eiwit kan voorkomen in verschillende stabiele laag-energetische conformaties, heeft elke conformatie zijn eigen specifieke biologische activiteit. Van deze conformaties, beschouwt men normaal gezien slechts een conformatie als biologisch actief. Behalve de genoemde structuurniveaus, kunnen proteïnen ook veranderen tussen deze verschillende conformaties.

Wanneer men refereert aan de uiteinden van een eiwitketen, spreekt men meestal over de stikstof- of N-terminus (begin van de eiwitketen) en koolstof- of C-terminus (einde van de eiwitketen), genoemd naar de functionele groep aan de uiteinden.

Denaturatie en omgevingsafhankelijke parameters van de structuur

Elk enzym heeft voor elke parameter een bepaalde optimale waarde. Bij dit optimum vertoont het enzym de grootste activiteit, terwijl als de omstandigheden iets veranderen de activiteit (licht) daalt. Wanneer de omstandigheden waarin het eiwit zich bevindt, te ver van het optimum zijn, kan de structuur abrupt veranderen: denaturatie. Het eiwit verliest zijn functie.

pH: met veranderen zuurtegraad, verandert de ionisatie van de aminozuren. Doordat andere ladingen en ladingsverdelingen ontstaan, kan de structuur abrupt veranderen.
temperatuur: bij te hoge temperatuur, worden de disulfidebruggen verbroken

Regulatie van activiteit

Dikwijls kunnen andere moleculen binden op specifieke plaatsen op het eiwit. Deze bindingsplaatsen hebben een bepaalde specifieke affiniteit voor die moleculen, liganden genaamd. Meestal zijn deze liganden nodig voor de goede werking van het eiwit. Zonder deze liganden zijn dergelijke eiwitten biologisch niet actief. Bijgevolg hangt de activiteit van het eiwit af van de concentratie van het ligand.

Omdat eiwitten betrokken bij zowat elk proces in een levende cel, zijn de mechanismen die deze processen controleren, dezelfde processen die de activiteit van de betrokken eiwitten regelen. Het regelen van de eiwitactiviteit kan plaatsvinden door het regelen van zowel de eiwitstructuur als de eiwitconcentratie.

Concentratie

Als een grote biochemische activiteit vereist is, worden het DNA veelvuldig overgeschreven op RNA, waarbij elke RNA-streng verschillende keren kan gebruikt worden voor het maken van het eiwit. Wanneer verschillende nauw verwante enzymen tegelijk in grote hoeveelheden nodig zijn, worden deze vaak na elkaar tegelijk overgeschreven op RNA, zodanig dat de verschillende benodigde enzymen tegelijk beschikbaar komen.

Eiwitstructuur

Volgende processen kunnen de activiteit van het eiwit veranderen door het wijzigen van de structuur:

Allosterische modulatie: wanneer de binding van een tweede ligand, de binding van andere liganden beïnvloedt. Zo kan bijvoorbeeld het ligand dat nodig is voor de goede werking van het enzym, niet meer binden.
Covalente modulatie: wanneer een covalente wijziging de binding van een ligand of de eiwitstructuur beïnvloedt.

Proteïnen en voeding

In carnivoren vormen proteïnen een belangrijk deel van het voedingsdieet. Het metabolisme van de carnivoor breekt de eiwitten af tot aminozuren, die dan verder gebruikt worden als bouwstof en brandstof.

Het menselijke lichaam maakt gebruik van alle aminozuren die uit voedsel gehaald kunnen worden. Hiermee worden nieuwe lichaamseigen eiwitten aangemaakt. Bij een tekort aan bepaalde aminozuren worden deze door het lichaam zelf gesynthetiseerd, behalve voor threonine, valine, tryptofaan, isoleucine, leucine, lysine, fenylalanine, en methionine die essentiële aminozuren genoemd worden. Hoewel alle voedingsmiddelen deze aminozuren bevatten, bevatten ze elk andere gehaltes. Daarom kan het gedurende langere tijd eten van één enkel voedingsmiddel, rijk aan één bepaald proteïne, toch leiden tot een tekort.

Doordat deze essentiële aminozuren niet door het lichaam aangemaakt kunnen worden, leidt een tekort aan eiwitten, proteïne deficiëntie, tot symptomen zoals vermoeidheid, haaruitval, verlies van pigmenten die zorgen voor haarkleur (normaal zwart haar kleurt rood), verlies van spiermassa, lage lichaamstemperatuur en verstoring van de hormoonspiegel. Ernstige proteïne deficiëntie, enkel voorkomend bij uitgehongerde mensen, is dodelijk.

Bij een teveel aan opgenomen proteïnen worden deze gebruikt als energiebron voor het menselijk lichaam. Eiwitten worden dan afgebroken tot ureum. Een echte overdaad aan proteïnen zorgt, net als proteïne deficiëntie, eveneens voor problemen: overreactie van het immuunsysteem, een ontregelde lever die voor toxische residuen zorgt en verlies van beenmassa door een verhoogde zuurtegraad van het bloed. Verder is een teveel aan proteïne gelinkt aan obesitas.

Verder kunnen proteïnen aanleiding geven tot allergische reacties en allergieën. Dit komt omdat de structuur van elk proteïne (lichtjes) verschillend is, zodat sommige proteïnen een reactie kunnen uitlokken, terwijl andere volledig veilig zijn. Zo zijn vele mensen allergisch aan caseïne (een melkproteine), gluten (eiwitten in graangewassen), bepaalde proteïnen die gevonden worden in pindanoten of weekdieren. Allergieën voor meerdere proteïnen bij dezelfde persoon is zeer zeldzaam.

Geschiedenis

De eerste keer dat de term proteïne, wat van eerste orde betekent werd gebruikt, was in een brief van Jöns Jakob Berzelius aan Gerhardus Johannes Mulder op 10 juli 1838:

«Le nom protéine que je vous propose pour l’oxyde organique de la fibrine et de l’albumine, je voulais le dériver de πρωτειοξ, parce qu’il paraît être la substance primitive ou principale de la nutrition animale.»

wat vrij vertaald betekent:

Ik stel de naam 'proteïne' voor voor het organisch oxide van fibrine en albumine, hetwelk ik zou afleiden van het Griekse woord πρωτειοξ, omdat het de primitieve substantie of hoofdbestanddeel van dierlijke voeding lijkt te zijn.

Onderzoek naar eiwitten en hun eigenschappen begon omstreeks 1800 wanneer wetenschappers de eerste sporen ontdekten van een op dat moment onbekende klasse organische verbindingen. Sindsdien is de kennis er enorm op vooruitgegaan en is het besef gegroeid dat deze verbindingen onmisbaar zijn voor zowat alle levensprocessen.

Myoglobine was het eerste proteïne waarvan de structuur door röntgendiffractie werd opgehelderd door Max Perutz en Sir John Cowdery Kendrew in 1958. Voor deze prestatie kregen ze de nobelprijs chemie.

Wetenschappelijk onderzoek naar eiwitten

In het verleden werd vooral X-stralen diffractie of XRD gebruikt voor structuuropheldering van eiwitten. Deze techniek kan enkel worden toegepast op eiwitten die uitgekristalliseerd kunnen worden. Sommige eiwitten vormen echter moeilijk of geen kristallen. Bovendien komt de structuur (vaste vorm) van de eiwitten in deze kristallen per definitie niet volledig overeen met de biologisch actieve vorm (waterige oplossing). Toch levert XRD zeer nuttige structurele informatie. Voor het toepassen van deze techniek zijn grote hoeveelheden zuiver proteïne nodig.

Door de vooruitgang in andere experimentele techniek, gaat het huidige onderzoek naar eiwitten veel sneller. Tegenwoordig worden ook de volgende experimentele technieken gebruikt:

MS of massaspectroscopie: geeft niet alleen de exacte massa van het eiwit, maar ook signalen te wijten aan specifieke eiwitfragmenten
Raman spectroscopie en infraroodspectroscopie: verschuivingen in de frequenties van de banden van de peptidebindingen geven informatie over de aanwezigheid van de verschillende strucutrele elementen zoals α-helix, ß-plaat, ... Met behulp van van 2D IR of Raman correlatie spectroscopie kan men zelfs nauwkeurig de opeenvolgende stappen van denaturaties volgen.
NMR spectroscopie: algemene techniek voor onderzoek naar de structuur van organische verbindingen

Door gebruik te maken van een combinatie van deze technieken kan men op een snelle manier de structuur of hoeveelheid van specifieke eiwitten achterhalen.

In de biochemie is men vooral geïnteresseerd naar de structuur en werking van eiwitten, alsook de opeenvolging van eiwitten in metabolische pathways. In de farmacie doet men ook dergelijk onderzoek met het oog op het ontwikkelen van nieuwe medicijnen.

Eiwitspecifieke software

Voor eiwitten is heel wat specifieke freeware of vrije software beschikbaar. Deze is vooral gericht op het bestuderen van de molecuulstructuur (met de interacties en aanwezigheid van de verschillende eiwit-motieven). Verder zet men eiwit-specifieke software in voor het berekenen en voorspellen van de eiwitstructuur uitgaande van de gensequentie van het eiwit:

bestuderen van de eiwitstructuur
structuurberekening met behulp van krachtvelden en moleculaire dynamica:
- Gromacs
- Tinker
- via distributed computing projecten:
  - Folding@home, een initiatief van de Stanford-universiteit om de manier waarop eiwitten vouwen te ontrafelen. Door ongebruikte rekentijd op PC’s van vrijwilligers te benutten kan men zo bepaalde ziektes bestuderen of naar nieuwe medicijnen zoeken.
  - Rosetta@home
meer algemene software: voor beide doelen
- arguslab

Zie ook

Externe links

Proteïne | Organische chemie

Gourt Home::Gourt :: Proteïne