Samenvatting Structuur Biologie, Daniëlle Band
College 1. Introduction & Building
Blocks & motifs
Behoort tot hoofdstuk 1 & 2
Chapter 1: The Building Blocks
Basic Structure Amino Acids
De aminozuursequentie van de
polypeptideketen van een eiwit
wordt de primaire structuur
genoemd. Verschillende regio's
van de sequentie vormen lokale
reguliere secundaire structuren,
zoals alfa (a) helices of beta (b)
strengen. De tertiaire structuur
wordt gevormd door dergelijke
structurele elementen in een of
meerdere compacte bolvormige eenheden, domeinen genaamd, te verpakken. Het uiteindelijke eiwit
kan verschillende polypeptideketens bevatten die in een quaternaire structuur zijn gerangschikt. Door
de vorming van een dergelijke tertiaire en quaternaire structuur worden aminozuren ver uit elkaar in
de sequentie in drie dimensies dicht bij elkaar gebracht om een functioneel gebied, een actieve plaats,
te vormen. De functionele eigenschappen van eiwitten zijn afhankelijk van hun driedimensionale
structuren.
Alle 21 aminozuren hebben een centraal koolstofatoom (Cα) gemeen
met een waterstofatoom, een aminogroep (NH2) en een carboxylgroep
(COOH). Wat het ene aminozuur van het andere onderscheidt, is de
zijketen die via zijn vierde valentie aan de Ca is bevestigd. Onder
fysiologische condities zijn de aminogroep (base) en carboxylgroep
(zuur) geladen.
Het centrale koolstofatoom (Cα) is het stereocentrum, waardoor er twee stereoisomeren gevormd
kunnen worden (D en L). Meestal is de ene isomeer goed en de ander slecht. Wanneer H naar achter
wordt gezet, staat R naar voren. Als de aminogroep dan aan de linker kant staat en de carbonylgroep
naar de rechter kant staan, dan is dit een L-amino acid (het is hetzelfde als S). Andersom wordt het een
D-amino acid (het is hetzelfde als R). Hierbij is het belangrijk om te weten dat de aminogroep een
hogere prioriteit heeft dan de carboxylgroep.
1
,Samenvatting Structuur Biologie, Daniëlle Band
Vraag: Waar komt chiraliteit in natuurlijke
aminozuren vandaan?
1. α-aminogroep van het aminozuur
wordt geproduceerd door pyridoxal-
afhankelijke transaminasen
(aminering van een carbonzuur tot
een aminozuur)
2. protonering van het chinoïde
tussenproduct produceert
chiraliteit!
3. geconserveerde Arg-residu is protonering van α-keto-substraat slechts van één kant mogelijk!
Amino Acid Classes
Verschillende klassen aminozuren zijn:
✓ Non-proteogenic/proteogenic
o Non-proteogenic:
• Worden niet omgebouwd tot eiwitten.
• Worden niet geproduceerd door de standaard cellulaire machinerie, maar zijn
het resultaat van post-translationele modificaties van eiwitten.
• Zijn evolutionair uitgesloten van eiwitsynthese, omdat ze resulteerden in
niet-functionele (toxische) eiwitten.
✓ Essentieel/non-essentieel
o Niet-essentieel:
• Aminozuren die we zelf kunnen aanmaken.
o Essentieel:
• Aminozuren die we met ons voedsel moeten opnemen.
✓ Natural/unnatural
Amino Acid Classes
De aminozuren worden gewoonlijk verdeeld in drie verschillende klassen die worden gedefinieerd
door de chemische aard van de zijketen. De eerste klasse omvat die met strikt hydrofobe zijketens: Ala
(A), Val (V), Leu (L), Ile (I), Phe (F), Pro (P) en Met (M). De vier geladen residuen, Asp (D), Glu (E), Lys (K)
en Arg (R), vormen de tweede klasse. De derde klasse omvat die met polaire zijketens: Ser (S), Thr (T),
Cys (C), Asn (N), Gln (Q), His (H), Tyr (Y) en Trp (W) . Het aminozuur glycine (G), dat alleen een
waterstofatoom als zijketen heeft en dus de eenvoudigste van de 20 aminozuren is, heeft speciale
eigenschappen en wordt meestal beschouwd als een vierde klasse of tot de eerste klasse. Alle
aminozuren behalve glycine zijn dus chirale moleculen die in twee verschillende vormen kunnen
voorkomen met verschillende "handen", L- of D-vorm.
Peptide Bond
Aminozuren worden tijdens de eiwitsynthese end-to-end verbonden
door de vorming van peptidebindingen wanneer de carboxylgroep van
het ene aminozuur condenseert met de aminogroep van het volgende
om water te elimineren. Een gevolg is dat de aminogroep van het
eerste aminozuur van een polypeptideketen en de carboxylgroep van
het laatste aminozuur intact blijven en dat de keten zich zou uitstrekken van zijn aminoterminus tot
2
,Samenvatting Structuur Biologie, Daniëlle Band
zijn carboxyterminus. De vorming van een opeenvolging van peptidebindingen genereert een
"hoofdketen" of "ruggengraat", waaruit de verschillende zijketens projecteren.
Backbone
Aangezien de peptide-eenheden in feite starre groepen zijn die in een keten zijn
verbonden door covalente bindingen aan de Cα-atomen, zijn de enige
vrijheidsgraden die ze hebben rotaties rond deze bindingen. Elke eenheid kan
rond twee van dergelijke bindingen draaien: de Cα–C’- en de N–Cα-bindingen.
Volgens afspraak wordt de rotatiehoek rond de N-Cα-binding phi (φ) genoemd
en de hoek rond de Cα-C’-binding van hetzelfde Cα-atoom psi (ψ). Op deze
manier wordt elke aminozuurrest geassocieerd met twee conformatiehoeken φ
en ψ. Aangezien dit de enige vrijheidsgraden zijn, wordt de conformatie van de
gehele hoofdketen van het polypeptide volledig bepaald wanneer de φ- en ψ-
hoeken voor elk aminozuur met hoge nauwkeurigheid worden gedefinieerd.
Ramachandran psi over phi
De meeste combinaties van φ- en ψ-hoeken voor een aminozuur zijn niet
toegestaan vanwege sterische botsingen tussen de zijketens en de
hoofdketen. De hoekparen φ en ψ worden meestal tegen elkaar uitgezet
in een diagram dat een Ramachandran-plot wordt genoemd. Het is
duidelijk dat de waargenomen waarden zijn geclusterd in de sterisch
toegestane gebieden. Er is één belangrijke uitzondering. Glycine, met
alleen een waterstofatoom als zijketen, kan een veel breder scala aan
conformaties aannemen dan de andere residuen. Regio's in de
Ramachandran-plot zijn genoemd naar de conformatie die resulteert in
een peptide als de overeenkomstige φ- en ψ-hoeken worden herhaald in opeenvolgende aminozuren
langs de keten. Aminozuren waarvan de Cα, C’ en N in een ring zitten zullen vrijwel niet kunnen
draaien.
Backbone Amino Acid Modifications
Histidine
Histidine heeft een pKa van 6,0 voor de side chain.
Deze side chain kan geladen voorkomen. Van
histidine zijn twee structuren mogelijk: Imine-
Enamine tautomeren.
Disulfidebrug
Twee cysteïneresiduen kunnen een disulfidebrug vormen
(binding tussen twee S atomen). Dit is onder oxidatieve
omstandigheden (extracellulair). Onder reducerende
omstandigheden wordt deze disulfidebrug verwijderd.
Cytosolische eiwitten bevatten meestal geen disulfidebruggen
(cytosol: reducerende omstandigheden). Secundaire
structuurelementen worden op hun plaats vergrendeld (lokale
beperking).
3
, Samenvatting Structuur Biologie, Daniëlle Band
Metaal ionen
Metal ions kunnen worden gebonden in eiwitstructuren. Een
voorbeeld hiervan is alcohol-dehydrogenase. Een zink-ion wordt
op zijn plaats gehouden door twee cysteïne, een histidine. Tijdens
katalyse houdt Zn een alcoholmolecuul op zijn plaats voor een
hydride-overdracht van de alcohol naar het co-enzym
nicotinamide.
Fosfoesterbinding
Zijkenten hydroxylgroepen kunnen een fosfoesterbinding
vormen. Dit is een enzymgestuurd proces waarbij kinasen
het werk uitvoeren. Het substraat bestaat uit de
hydroxylgroep van aminozuren (Ser, Thr, Tyr) en ATP. Het
effect van dit proces:
✓ Introductie van een negatieve lading in eiwitten of
metabolieten (zie bijv. glycolyse: fosforylering van hexosen)
✓ Hetzij voor activering of voor conformatieveranderingen
✓ Belangrijk bij cascades van cellulaire signaaltransductie
ATP excursion
ATP excursion is een belangrijke co-factor, omdat
negatieve ladingen dicht bij alkaar liggen, dus het
verbreken van een bond geeft energie. Daarnaast
wordt het gebruikt in veel biologische processen. ATP
excursion bestaat uit 3 bouwsteken: Adenine
nucleoside base, vijf-koolstofsuiker (een ribose) en
een trifosfaat groep. Dit formt ook de bouwsteen van RNA.
4
College 1. Introduction & Building
Blocks & motifs
Behoort tot hoofdstuk 1 & 2
Chapter 1: The Building Blocks
Basic Structure Amino Acids
De aminozuursequentie van de
polypeptideketen van een eiwit
wordt de primaire structuur
genoemd. Verschillende regio's
van de sequentie vormen lokale
reguliere secundaire structuren,
zoals alfa (a) helices of beta (b)
strengen. De tertiaire structuur
wordt gevormd door dergelijke
structurele elementen in een of
meerdere compacte bolvormige eenheden, domeinen genaamd, te verpakken. Het uiteindelijke eiwit
kan verschillende polypeptideketens bevatten die in een quaternaire structuur zijn gerangschikt. Door
de vorming van een dergelijke tertiaire en quaternaire structuur worden aminozuren ver uit elkaar in
de sequentie in drie dimensies dicht bij elkaar gebracht om een functioneel gebied, een actieve plaats,
te vormen. De functionele eigenschappen van eiwitten zijn afhankelijk van hun driedimensionale
structuren.
Alle 21 aminozuren hebben een centraal koolstofatoom (Cα) gemeen
met een waterstofatoom, een aminogroep (NH2) en een carboxylgroep
(COOH). Wat het ene aminozuur van het andere onderscheidt, is de
zijketen die via zijn vierde valentie aan de Ca is bevestigd. Onder
fysiologische condities zijn de aminogroep (base) en carboxylgroep
(zuur) geladen.
Het centrale koolstofatoom (Cα) is het stereocentrum, waardoor er twee stereoisomeren gevormd
kunnen worden (D en L). Meestal is de ene isomeer goed en de ander slecht. Wanneer H naar achter
wordt gezet, staat R naar voren. Als de aminogroep dan aan de linker kant staat en de carbonylgroep
naar de rechter kant staan, dan is dit een L-amino acid (het is hetzelfde als S). Andersom wordt het een
D-amino acid (het is hetzelfde als R). Hierbij is het belangrijk om te weten dat de aminogroep een
hogere prioriteit heeft dan de carboxylgroep.
1
,Samenvatting Structuur Biologie, Daniëlle Band
Vraag: Waar komt chiraliteit in natuurlijke
aminozuren vandaan?
1. α-aminogroep van het aminozuur
wordt geproduceerd door pyridoxal-
afhankelijke transaminasen
(aminering van een carbonzuur tot
een aminozuur)
2. protonering van het chinoïde
tussenproduct produceert
chiraliteit!
3. geconserveerde Arg-residu is protonering van α-keto-substraat slechts van één kant mogelijk!
Amino Acid Classes
Verschillende klassen aminozuren zijn:
✓ Non-proteogenic/proteogenic
o Non-proteogenic:
• Worden niet omgebouwd tot eiwitten.
• Worden niet geproduceerd door de standaard cellulaire machinerie, maar zijn
het resultaat van post-translationele modificaties van eiwitten.
• Zijn evolutionair uitgesloten van eiwitsynthese, omdat ze resulteerden in
niet-functionele (toxische) eiwitten.
✓ Essentieel/non-essentieel
o Niet-essentieel:
• Aminozuren die we zelf kunnen aanmaken.
o Essentieel:
• Aminozuren die we met ons voedsel moeten opnemen.
✓ Natural/unnatural
Amino Acid Classes
De aminozuren worden gewoonlijk verdeeld in drie verschillende klassen die worden gedefinieerd
door de chemische aard van de zijketen. De eerste klasse omvat die met strikt hydrofobe zijketens: Ala
(A), Val (V), Leu (L), Ile (I), Phe (F), Pro (P) en Met (M). De vier geladen residuen, Asp (D), Glu (E), Lys (K)
en Arg (R), vormen de tweede klasse. De derde klasse omvat die met polaire zijketens: Ser (S), Thr (T),
Cys (C), Asn (N), Gln (Q), His (H), Tyr (Y) en Trp (W) . Het aminozuur glycine (G), dat alleen een
waterstofatoom als zijketen heeft en dus de eenvoudigste van de 20 aminozuren is, heeft speciale
eigenschappen en wordt meestal beschouwd als een vierde klasse of tot de eerste klasse. Alle
aminozuren behalve glycine zijn dus chirale moleculen die in twee verschillende vormen kunnen
voorkomen met verschillende "handen", L- of D-vorm.
Peptide Bond
Aminozuren worden tijdens de eiwitsynthese end-to-end verbonden
door de vorming van peptidebindingen wanneer de carboxylgroep van
het ene aminozuur condenseert met de aminogroep van het volgende
om water te elimineren. Een gevolg is dat de aminogroep van het
eerste aminozuur van een polypeptideketen en de carboxylgroep van
het laatste aminozuur intact blijven en dat de keten zich zou uitstrekken van zijn aminoterminus tot
2
,Samenvatting Structuur Biologie, Daniëlle Band
zijn carboxyterminus. De vorming van een opeenvolging van peptidebindingen genereert een
"hoofdketen" of "ruggengraat", waaruit de verschillende zijketens projecteren.
Backbone
Aangezien de peptide-eenheden in feite starre groepen zijn die in een keten zijn
verbonden door covalente bindingen aan de Cα-atomen, zijn de enige
vrijheidsgraden die ze hebben rotaties rond deze bindingen. Elke eenheid kan
rond twee van dergelijke bindingen draaien: de Cα–C’- en de N–Cα-bindingen.
Volgens afspraak wordt de rotatiehoek rond de N-Cα-binding phi (φ) genoemd
en de hoek rond de Cα-C’-binding van hetzelfde Cα-atoom psi (ψ). Op deze
manier wordt elke aminozuurrest geassocieerd met twee conformatiehoeken φ
en ψ. Aangezien dit de enige vrijheidsgraden zijn, wordt de conformatie van de
gehele hoofdketen van het polypeptide volledig bepaald wanneer de φ- en ψ-
hoeken voor elk aminozuur met hoge nauwkeurigheid worden gedefinieerd.
Ramachandran psi over phi
De meeste combinaties van φ- en ψ-hoeken voor een aminozuur zijn niet
toegestaan vanwege sterische botsingen tussen de zijketens en de
hoofdketen. De hoekparen φ en ψ worden meestal tegen elkaar uitgezet
in een diagram dat een Ramachandran-plot wordt genoemd. Het is
duidelijk dat de waargenomen waarden zijn geclusterd in de sterisch
toegestane gebieden. Er is één belangrijke uitzondering. Glycine, met
alleen een waterstofatoom als zijketen, kan een veel breder scala aan
conformaties aannemen dan de andere residuen. Regio's in de
Ramachandran-plot zijn genoemd naar de conformatie die resulteert in
een peptide als de overeenkomstige φ- en ψ-hoeken worden herhaald in opeenvolgende aminozuren
langs de keten. Aminozuren waarvan de Cα, C’ en N in een ring zitten zullen vrijwel niet kunnen
draaien.
Backbone Amino Acid Modifications
Histidine
Histidine heeft een pKa van 6,0 voor de side chain.
Deze side chain kan geladen voorkomen. Van
histidine zijn twee structuren mogelijk: Imine-
Enamine tautomeren.
Disulfidebrug
Twee cysteïneresiduen kunnen een disulfidebrug vormen
(binding tussen twee S atomen). Dit is onder oxidatieve
omstandigheden (extracellulair). Onder reducerende
omstandigheden wordt deze disulfidebrug verwijderd.
Cytosolische eiwitten bevatten meestal geen disulfidebruggen
(cytosol: reducerende omstandigheden). Secundaire
structuurelementen worden op hun plaats vergrendeld (lokale
beperking).
3
, Samenvatting Structuur Biologie, Daniëlle Band
Metaal ionen
Metal ions kunnen worden gebonden in eiwitstructuren. Een
voorbeeld hiervan is alcohol-dehydrogenase. Een zink-ion wordt
op zijn plaats gehouden door twee cysteïne, een histidine. Tijdens
katalyse houdt Zn een alcoholmolecuul op zijn plaats voor een
hydride-overdracht van de alcohol naar het co-enzym
nicotinamide.
Fosfoesterbinding
Zijkenten hydroxylgroepen kunnen een fosfoesterbinding
vormen. Dit is een enzymgestuurd proces waarbij kinasen
het werk uitvoeren. Het substraat bestaat uit de
hydroxylgroep van aminozuren (Ser, Thr, Tyr) en ATP. Het
effect van dit proces:
✓ Introductie van een negatieve lading in eiwitten of
metabolieten (zie bijv. glycolyse: fosforylering van hexosen)
✓ Hetzij voor activering of voor conformatieveranderingen
✓ Belangrijk bij cascades van cellulaire signaaltransductie
ATP excursion
ATP excursion is een belangrijke co-factor, omdat
negatieve ladingen dicht bij alkaar liggen, dus het
verbreken van een bond geeft energie. Daarnaast
wordt het gebruikt in veel biologische processen. ATP
excursion bestaat uit 3 bouwsteken: Adenine
nucleoside base, vijf-koolstofsuiker (een ribose) en
een trifosfaat groep. Dit formt ook de bouwsteen van RNA.
4
