Proteinfolding

Fra Nanowiki
Hopp til: navigasjon, søk

Definisjon: Proteinfolding er den fysiske prosessen hvor polypeptider folder seg til sin karakteristiske og funksjonelle 3D- struktur.

Generelt om proteiner

Funksjon

Proteiner er en av de tre viktige næringsstoffene kroppen vår trenger. Det brytes ned i fordøyelsen, og brukes enten til oppbygging av nye proteiner eller til brensel. Mange proteiner er enzymer, og får derfor kjemiske reaksjoner i kroppen til å gå raskere. <ref name="pf1">Essential Organic Chemestry, Paula Y. Bruice, Pearson International Edition, 2006.</ref>

Aminosyrer

I menneskekroppen finnes det til sammen 20 forskjellige aminosyrer. Disse består alle av et α-karbon, hvor en amingruppe, karboksylsyregruppe, hydrogen og en R-gruppe er festet. Det er denne R-gruppen som forandrer seg fra aminosyre til aminosyre, ellers er de like. R-gruppen, eller sidegruppen, kan bestå av alt fra et hydrogenatom, lang karbonkjede til en aromatisk ring.

Rekkefølgen aminosyrene skal ha i proteinet bestemmes av mRNAet. En reaksjon som forklares i 1.3.<ref name="pf1"/>

Polypeptider/Proteinsyntese

Peptider er aminosyrer med peptid binding, det vil si at et hydrogen fra amingruppen på en aminosyre, går sammen med OH-gruppen fra karboksylgruppen på en annen aminosyre, og, ved en kondensasjonsreaksjon, danner vann. Det står igjen en CO-HN binding mellom aminosyrene. Rekkefølgen på de forskjellige aminosyrenes R-gruppe er den som bestemmer strukturen på proteinet med andre ord. Strukturen er forutbestemt i DNA kodingen. Denne kodingen blir transkribert til mRNA, som så blir lest, ved hjelp av rRNA. Ribosomet (rRNA) vil deretter bygge proteinet ved hjelp av translasjon, det vil si at ribosomer gjenkjenner kodon, eller tripletter av baser, som tilsvarer en aminosyre, tilknyttet et transportmolekyl, ved navn tRNA. tRNA frakter aminosyrene til ribosomet, og det dannes peptid bindinger og polypeptider, som etterhvert folder seg til proteiner ved hjelp av sekundær inter peptidbinding.<ref name=pf1/>

3D-struktur

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler
Figur 1: Protein med tertiærstruktur.

Bindinger

Figur 1 viser et protein med tertiær struktur, hvor de forskjellige bindingene er avmerket. I løpet av dette kapitlet skal vi forklare disse fenomenene.

Dipol-dipol-bindinger

Enkelte atomer trekker sterkere på elektroner enn andre. I en kjemisk binding kan elektronene bli forskjøvet mot det ene atomet. Dette vil gi en polaritet, positiv pol og negativ pol, som gir bindinger med andre atomer med samme skjebne. <ref name=pf1/>

Hydrogenbindinger

Hydrogenbindinger oppstår mellom to hydrogenatomer som hver er bundet til ett elektronegativt atom, som oksygen, nitrogen eller fluor. Aminosyrer er både oksygen- og nitrogenrike, både i sidegrupper og ellers, og det oppstår derfor mange hydrogenbindinger i et protein.<ref name=pf1/>

(Pauling-Corey-Branson) α-heliks
En α-heliks oppstår når det dannes hydrogenbindinger mellom en N-H-gruppe og en C=O-gruppe i i proteinet. Disse tilhører ikke sidekjeden i molekylet. Hver N-H-gruppe binder seg, med en hydrogenbinding, til en C=O-gruppe fire aminosyrer lengre unna, og det er dette som gir den spesielle strukturen. Korte polypeptider vil ikke danne en heliks. Dette kommer av at energien det krever å få dannet bindingene ikke blir gitt tilbake, i form av stabilitet.

α-heliksen er ikke like stabil som hydrogenbindingene i et β-sheet, og blir mindre stabile i en løsning med mye vann.<ref name=pf1/>

β-sheet
Denne typen hydrogenbånd er også mellom C=O-grupper og N-H-grupper i proteinet. Dette skjer når to kjeder, kan være fra samme polypeptid, kommer nært hverandre slik at de kan reagere. Det skjer i kjeder med små sidekjeder

Silke er et protein med små sidekjeder, og er dermed β-sheet-rikt. I motsetning til α-heliksen, kan ikke β-sheet strekkes. Dette er kanskje naturlig, siden en heliks har samme form som en elastisk fjær. Det er også derfor at silke er et svært sart materiale, som fort kan ødelegges.<ref name=pf1/>

Kovalente bindinger

Denne typen binding får man når atomer deler på elektronpar. Disse kan forekomme som enkelt, dobbel eller trippelbinding. Vi vil bare studere kovalente enkeltbindinger i denne oppgaven.

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler
Figur 2: Dannelse av en disulfidbro.
Disulfidbroer

De to aminosyrene cystein og methionin har en sidegruppe som inneholder svovel i form av en HS-gruppe. Disse kaller man thioler. Ved en oksidasjon vil to thioler reagere med hverandre, og danne et disulfid. Med andre ord en S-S-binding mellom de to molekylene. En slik binding blir ofte kaldt en disulfidbro. Siden dette er en oksidasjonsreaksjon kan også et disulfid reduseres til to thioler igjen. Denne reaksjonen er vist i figur 2.

Et protein kan bestå av flere polypeptidkjeder. Beste eksempelet på dette er enzymet insulin. Insulin har to slike kjeder, og holdes sammen ved hjelp av to disulfidbroer. Disse kalles gjerne interchain disulfidbroer, for å beskrive hvor disse befinner seg. Det finnes også intrachain disulfidbroer, hvor to svovelholdige aminosyrer på samme tråd oksideres. Dette gir proteinet en spesiell form, som er karakterisk for proteinet.<ref name=pf1/>

Denaturering og Stabilitet

Ved endret temperatur eller pH vil proteiner denatureres. Det vil si at proteinet mister sin 3D-struktur og sin spesielle egenskap. Dette skjer både ved for høye temperaturer (>50°C), og for lave (<20°C).

Proteiner vil også denatureres ved for høy eller lav pH. Dette sier seg selv, når syre er med på å bryte ned proteinet i fordøyelsen.

Salter kan også gjøre proteinet mindre stabilt. Disse gjør ikke-kovalente bindinger, som hydrogenbindinger og van der Waalske krefter, svakere. Eksempler på disse er urea og guanidiniumklorid.

Ved tilsetting av surfaktanter vil den hydrofobe delen av molekylet legge seg over den hydrofobe delen til proteinet. Dette gjør at proteinkjedene ikke greier å reagere med hverandre, samt danne en struktur. Eksempler på dette er alkoholer og aldehyder med forholdsvis lange karbonkjeder.

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler

Alt dette forteller oss at volumet proteinet foldes i, er viktig for stabiliteten til molekylet. Proteiner foldes ofte i viruskapsler og porer, og eksperimenter og teoretiske studier har vist at proteinet blir mer stabilt av dette. Figur 3 viser en slik folding i kapsel. [10] Forskere ved University of Houston har derfor forsket på størrelse og form på en nanobeholder, hvor proteiner kan foldes. Man har sett på sfæriske-, ellipsoide- og pannekakeformede beholder med et par nanometer i størrelse. Ved å benytte simuleringer har man kommet fram til at pannekakeformen best følger folding, slik at man ikke får så mye tomrom.<ref name="pf9">http://www.nature.com/nnano/reshigh/2007/1007/full/nnano.2007.374.html</ref>

Så langt har man kommet fram til to metoder å lage en nanobeholder på. Den ene er en slags buckyball bygget opp på proteiner. Den andre består av tre forskjellige komponenter. Et hydrokarbon, et fluorkarbon, som begge er hydrofobiske, og polyetylenoksid som er løselig i vann. Sammen danner disse en trearmet stjerne, som legger seg i en flerstjernestruktur, krystall, i vann. Dette gir flere små rom, hvor proteiner kan folde seg til 3D-strukturer.

University of Houston med Shao-Qing Zhang and Margaret Cheung mener dette kan føre fram til medisiner som kan manipulere folding av proteiner. En teknikk som vil ha mange bruksområder innen bionanoteknologi.<ref name=pf9/>

Energi

Proteinfolding krever energi, og følger de termodynamiske låvene. Et protein folder seg alltid slik at det oppnår lavest mulig fri energi (Gibbs energi). For at dette skal skje, ser man for seg en trakt. I den smaleste enden, hvor proteinet ender opp, er den frie energien minst.

Alan Fersht ved Cambridge University forklarer dette med analogien til en golfspiller på en golfbane. Har han bind for øynene er sannsynligheten for å treffe et hull svært liten. Befinner hullet seg derimot på det laveste punktet, med hellning ned mot hullet, er sjansen svært stor.

Ut fra denne analogien virker det som om proteinet prøve ut alle møtene det kan folde seg på, for å finne minste energi. Dette vil forklares med Levinthals paradoks i delkapittel 2.5.

Hvordan studere proteinstruktur

For å studere proteinstrukturer kan man benytte polarisert lys. Som nevnt tidligere finner man α-helikser og β-sheets i proteinstrukturer. Disse er kirale, og absorberer derfor denne typen lys.

I senere tid har man begynt å tilsette kjemikalier som kan denaturere proteiner, og så se på hvordan proteinet folder seg igjen. Man bruker også Røntgen krystallografi (XRD), og NMR (nuclear magnetic resonance spectroscopy).

Forutse utfall

Ved å benytte simuleringer kan man prøve å forutse utfallet til en proteinfolding. Det kreves svært mye PC-kraft for å kunne gjennomføre dette. Derfor er dette en teknikk oftest brukt på peptider eller svært små proteiner.

En forskningsgruppe fra Frankrike og Italia har kommet fram til en metode for å minske antall steg. Disse har greid å luke vekk hendelser, som minst sannsynlig vil skje. Dette har gjort at antallet steg har blitt betydelig forminsket.

Likevel er ikke en slik simulering helt riktig måte å gå fram på. Et polypeptid vil ikke prøve ut alle mulige måter å folde seg på. Dette forklares i Levinthals paradoks. Cyrus Levinthal oppdaget i 1969 at et polypeptid har veldig mange måter å folde seg på. Det er her snakk om 3300 eller 10143. Mange proteiner folder seg i løpet av et milli- eller mikrosekund. Noen proteiner bruker lengre tid, men fortsatt ikke over minutter. Dette viser dermed at simuleringene man gjør, ikke er for og nøyaktig vise hva som skjer i en foldingprosess.<ref name="foldonunits">Protein folding: The stepwise assembly of foldon units, Haripada Maity, Mita Maity, Mallela M. G. Krishna, Leland Mayne, and S. Walter Englander, Johnson Research Foundation, Department of Biochemistry and Biophysics, University of Pennsylvania School of Medicine, Philadelphia, Contributed by S. Walter Englander, February 7, 2005</ref><ref name="assembly">Protein folding: The stepwise assembly of foldon units, Haripada Maity, Mita Maity, Mallela M. G. Krishna, Leland Mayne, and S. Walter Englander, Johnson Research Foundation, Department of Biochemistry and Biophysics, University of Pennsylvania School of Medicine, Philadelphia, Contributed by S. Walter Englander, February 7, 2005</ref>

Figur 4: PPOE og IUP.

Foldingløype

Det finnes to teorier om hvordan foldingen foregår hos et polypeptid; PPOE og IUP. PPOE (Predetermined Pathway Optional Error) betyr forutbestemt løype som peptidet følger, men man må også regne med eventuelle feil som oppstår i foldingen. Altså, hvis Ii er foldeløyper polypeptidet U kan foreta, så er i forutbestemt, men U kan ta en ix løype, som er en mulig feilfolding (se figur). IUP (Independent Unrelated Pathway) det vil si rekkefølgen av foldingsløypene Ii for polypeptidet U er uavhengige, og sluttproduktet blir det samme (se figur 3). <ref name="løype">The Consistency Principle in Protein Structure and Pathways of Folding, Nobuhiro Go, Department of Physics, Faculty of Science, Kyushu University, Fukuoka, Japan, 1984.</ref>

Missfolding

Ved en missfolding vil ikke proteinet oppnå sin riktige struktur, og mister dermed sin egenskap. Det finnes egne hjelpeproteiner, chaperones, som forebygger dette, og hjelper proteinet til å folde seg riktig. Likevel kan det skje feil, og en rekke sykdommer har derfor rot i missfolding. Alzheimer og Creutzfeldt-Jakob sykdom er to av disse. Har man Creutzfeldt-Jakob sykdom vil α-helikser løses opp og β-sheets dannes. Å kunne manipulere proteiner vil derfor kunne gjøre dette til en sykdom det går an å leve med.<ref name="wikimiss">http://en.wikipedia.org/wiki/Protein_folding</ref>

Nanoteknologi og Protein Folding

Self-assembly (bottom-up)

Feil under oppretting av miniatyrbilde: Filen mangler
Figur 5: Miceller og surfaktanter.

Molekylær self-assembly

Molekylær self-assembly deles i to; inter og intramolekylær, der intermolekylær self-assembly er bedre kjent som folding. Eksempler man kan nevne innenfor intramolekyler self-assembly er Langmuir monolayer, som er en en-molekyl tykk lag med uløselig organisk materiale spredd på en base av vann. Miceller er et annet godt eksempel på intramolekylær self-assembly, som består av surfaktant molekyler, bestående av en hydrofobisk del og en hydrofil del, oftest et hydrofobt hale og en hydrofilt hode. Såpe (se figur) består av miceller som pakker seg rundt skitt og minske overflatespenningen til vann.

Chaperones

Det er mulig å bruke såkalte chaperonemolekyler, som verktøy, til å assistere self assembly i nanoteknologi. De kan også brukes som kontrollmolekyler, til å holde på deler av nanoobjektet, som blir laget, og til å passe på at nanoobjektet blir laget riktig med de riktige bindingene på de riktige stedene.

Chaperone molekyler opptrer oftest som små kapsler. Et protein blir mest stabilt hvis det folder seg i et svært lite miljø, for eksempel viruskapsel. Ved å lage kapsler med nanostørrelse vil man altså kunne gjøre foldingen mer forutsigbar, og med mindre feil.

DNA nanoteknologi

Naturens egen kokebok, der all informasjon, om alle prosesser i en organisme, ligger lagret i DNA trådkokeboka med 4bokstaver. Vi kan bruke et lignende system for gjenkjenning og koding, til å finne en metode for molekylær self-assembly i laboratoriet.

Referanser

<references/>

  • Essential Organic Chemestry, Paula Y. Bruice, Pearson International Edition, 2006.
  • Protein Folding and misfolding, Christopher M. Dobson, University of Cambridge, Department of Chemistry, 2003.
  • Biological Physics: Energy, Information, Life, Philip Nelson, W.H. Freeman and Company, 2008
  • Protein folding: The stepwise assembly of foldon units, Haripada Maity, Mita Maity, Mallela M. G. Krishna, Leland Mayne, and S. Walter Englander, Johnson Research Foundation, Department of Biochemistry and Biophysics, University of Pennsylvania School of Medicine, Philadelphia, Contributed by S. Walter Englander, February 7, 2005
  • Protein folding and misfolding: mechanism and principles, S. Walter Englander, Leland Mayne and Mallela M. G. Krishna, 1. The Johnson Research Foundation, Department of Biochemistry and Biophysics, University of Pennsylvania, Philadelphia, USA, 2. Department of Pharmaceutical Sciences and Biomolecular Structure Program, University of Colorado Health Sciences Center, Denver, CO, USA
  • The Consistency Principle in Protein Structure and Pathways of Folding, Nobuhiro Go, Department of Physics, Faculty of Science, Kyushu University, Fukuoka, Japan, 1984.
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Alpha_helix
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Protein_folding
  • http://www.nature.com/nnano/reshigh/2007/1007/full/nnano.2007.374.html
  • http://www.nature.com/horizon/proteinfolding/background/figs/importance_f4.html figur 3.