de primaire structuur van een eiwit wordt gedefinieerd als de sequentie van aminozuren waaruit het is samengesteld. Deze opeenvolging bepaalt uiteindelijk de vorm die de proteã ne, volgens de ruimtelijke beperkingen op de regeling van de atomen in de proteã ne, de chemische eigenschappen van de residu ‘ s van het componentaminozuur, en het milieu van de proteã ne aanneemt.

de peptidebindingen die aminozuurresiduen in een polypeptide met elkaar verbinden, worden gevormd in een condensatiereactie tussen de zure carboxylgroep van één aminozuur en de basisaminogroep van een ander aminozuur. In de context van een peptide, wordt de amidegroep (CO–NH) bedoeld als de peptidegroep.

cruciaal voor een goed begrip van de eiwitstructuur is een kennis van de structuur van de peptidebinding. Linus Pauling, in de jaren 1930, gebruikte Röntgenstraal diffractie om de aard van de peptide band te onderzoeken die tussen twee aminozuren wordt gevormd. Hij meldde dat de peptidegroep (CO–NH) een stijve vlakke structuur heeft. Deze structuur is te wijten aan interacties tussen elektronen van de dubbele binding van de carbonylgroep en die van de C–N binding (Figuur 2), zodat deze laatste partiële (ongeveer 40%) dubbele binding eigenschappen verwerft.

Figuur 2 resonantie–interacties tussen elektronen in de c=o-binding en de C-N-binding van de peptidegroep betekenen dat er ‘delen’ is van elektronen tussen deze bindingen. Let op de ladingen op de N en O atomen.

dit effect is een voorbeeld van resonantie die kan worden gezien als het delen van elektronen tussen bindingen. Aangezien enkelvoudige bindingen tussen twee atomen langer zijn dan dubbele bindingen tussen dezelfde twee atomen, verschillen de lengtes van de C–N-en C=O-bindingen in de peptidegroep van deze bindingen in andere contexten waar resonantie niet voorkomt. Het partiële dubbele bindingskarakter van C–N in de peptidegroep betekent dus dat deze binding korter is dan voorspeld zou worden voor een enkele binding van C–N, terwijl de c=o-binding, die een gedeeltelijk enkel bindingskarakter heeft als gevolg van resonantie, langer is dan voorspeld zou worden voor een dubbele binding van C=O. De Bindingslengten in de peptidegroep zijn aangegeven in Figuur 3. Vergelijk de C–N binding van de peptidegroep met die tussen N en Ca (het C-atoom waaraan de aminogroep en carboxylgroep zijn gehecht).

Figuur 3 De gemiddelde afmetingen in angstroms, Å (10 Å = 1 nm = 1000 pm) en graden, van de vlakke peptidegroep in a) DE TRANS-bevleesdheid en b) de cis-bevleesdheid. Opmerking: in deze en andere representaties van de configuratie van polypeptiden is er geen indicatie van bindingsvolgorde (d.w.z. enkelvoudige of dubbele bindingen).

er zijn twee mogelijke conformaties van de vlakke peptidebinding: in de trans-peptidegroep bevinden de CA-atomen zich aan weerszijden van de peptidebinding (figuur 3a) en in de cis-peptidegroep bevinden de Ca-atomen zich aan dezelfde zijde van de peptidebinding (figuur 3b).

in het algemeen zijn peptidebindingen in de Trans-conformatie aanwezig. Nochtans, kunnen de cisvormen in peptide banden voorkomen die een Proline residu voorafgaan. In dergelijke gevallen is de cis-vorm stabieler dan gebruikelijk, omdat de Proline-zijketen minder hinderlijk is. Niettemin, komen de peptidebindingen van cis slechts in ongeveer 10% van gevallen van peptidebindingen voor die proline-residuen voorafgaan.

rekening houdend met de vlakke aard van de peptidegroep, kan een polypeptideketen een ruggengraat hebben die bestaat uit een reeks stijve vlakke peptidegroepen die met elkaar verbonden zijn door de Ca-atomen. Figuur 4 toont een deel van een polypeptide met twee vlakke peptide groepen in de Trans-Bouw. Merk op dat hoewel rotatie niet is toegestaan over de peptide bindingen, er een mogelijkheid is voor rotatie rond de Ca–N–en Ca-C-bindingen. De draaiingshoeken , genoemd torsiehoeken, over deze bindingen specificeren de bouw van een polypeptidebeenbeenderen. De torsiehoeken over de Ca–N-en Ca-C-bindingen worden ɸ (phi) en ψ genoemd. (psi), respectievelijk en zij worden gedefinieerd als 180° wanneer het polypeptide zich in de verlengde vlakke conformatie bevindt, zoals geïllustreerd in Figuur 4.

Figuur 4 Een gedeelte van een polypeptide met twee vlakke peptidegroepen (gearceerde gebieden) die aan het Ca-atoom zijn verbonden. Er is weinig bewegingsvrijheid binnen de peptidegroep, maar de rotatie van de peptidegroepen over de banden van Ca-N en Ca-C kan voorkomen en wordt bepaald door respectievelijk de torsiehoeken φ En ψ. In de hier getoonde uitgebreide bouw zijn beide hoeken gedefinieerd als 180º. Volgens afspraak verhogen φ En φ met de wijzers van de klok mee de peptidegroep wanneer bekeken vanuit Ca, zoals aangegeven door de pijlen.

Het zal u niet verbazen dat sterische beperkingen van toepassing zijn op ɸ en ψ.

als gevolg van deze sterische beperkingen zijn alleen bepaalde waarden van ψ En ψ, en dus conformaties van het peptide, toegestaan, terwijl andere niet.

Het is mogelijk deze toegestane waarden voor een bepaald residu in de context van een polypeptide te berekenen. Deze berekening wordt uitgevoerd door eerst de afstanden te bepalen tussen alle niet-bindendeatomen in twee aangrenzende peptidegroepen (zoals die in Figuur 4) bij alle mogelijke waarden van ψ en ψ. Het wordt het gemakkelijkst gedaan voor een polypeptide die slechts één soort aminozuur bevatten. Een conformationele plot van ψ tegen ψ Voor een bepaald residu staat bekend als een plot van Ramachandran (naar zijn uitvinder, G. N. Ramachandran). Een dergelijke plot stelt ons in staat om die conformaties (dat wil zeggen voor een bepaalde waarde van ψ En ψ) Die sterisch gunstig of ongunstig zijn (zoals in Figuur 5) te identificeren aan de hand van de volgende criteria:

• wanneer er geen conflict is tussen de van der Waals-stralen van niet-bindende atomen, is een conformatie ’toegestaan’. Deze conformaties liggen in de blauwe gebieden in Figuur 5.

• conformaties die interatomische afstanden vereisen bij de grens van het toegestane gebied, worden gedefinieerd als “buitenste grens” – conformaties. Ze liggen in de groene gebieden in Figuur 5.

• theoretische conformaties die vereisen dat twee niet-bindendeatomen dichter bij elkaar staan dan hun Van der Waals-stralen toestaan, zijn sterisch ‘verboden’. Deze liggen in de witte gebieden in Figuur 5.

merk op dat de waarden van ψ En ψ in Figuur 5 variëren van −180º tot +180º. Het draaien van de peptide groep door 360º zal het natuurlijk terug naar zijn beginpositie brengen, en −180º en +180º corresponderen met dezelfde positie. Zo is de groene strook in de linkerbenedenhoek van het perceel in Figuur 5 aaneengesloten met het veld in de linkerbovenhoek.

Ramachandran-plots kunnen worden geconstrueerd voor polymeren van elk van de 20 aminozuren. Het is belangrijk op te merken dat de Ramachandran percelen voor veel aminozuurresiduen over het algemeen zeer vergelijkbaar zijn, met slechts drie regio ‘ s met een gunstige of getolereerde conformaties (1-3 in de plot voor poly-L-alanine in Figuur 5). Verschillen doen zich echter voor. Bijvoorbeeld, waar de zijketen (R in Figuur 4) dicht bij Ca wordt vertakt, zoals in het geval van threonine, neemt het meer ruimte dicht bij de peptide backbone in en beperkt de benadering van atomen in de naburige peptide groepen. Dientengevolge, zijn toegelaten conformations (angles en ψ hoeken) beperkter voor polypeptides van vertakte aminozuren.

Figuur 6 een Ramachandran plot voor poly-l-glycine.Gebieden met “toegestane”, “buitengrens” en “verboden” zijn gekleurd zoals in Figuur 5. (Gegevens van Ramachandran en Sasisekharan, 1968)

De plots van Ramachandran in de figuren 5 en 6 zijn gegenereerd voor respectievelijk L-alanine en L-glycine op basis van toegestane en buitenste grensafstanden voor interatomische contacten, bepaald op basis van bekende waarden voor Van der Waals-stralen van de atomen (Tabel 1).

zij zijn daarom voorspellend in plaats van feitelijk conformationele plots. We kunnen natuurlijk röntgendiffractie gebruiken om experimenteel de ‘reële’ waarden van ɸ en ψ voor residuen in een polypeptide te bepalen. In Figuur 7 zijn de ɸ-En ψ-waarden voor alle residuen (met uitzondering van glycine en proline) in een aantal verschillende structuren bepaald door middel van röntgendiffractie met hoge resolutie en uitgezet op een Ramachandran-plot. We kunnen zien dat er een opvallende overeenkomst is tussen voorspelde en feitelijke conformaties. Merk echter op dat er een aantal residu ’s zijn waarvan de conformatie zich richt op de “verboden” gebieden. De meeste van deze residuen brengen de regio tussen de “toegestane” regio ’s 2 en 3 in kaart, rond ψ = 0.

Figuur 7 op basis van röntgendiffractiegegevens voor een aantal polypeptidestructuren zijn de ɸ-En ψ-waarden voor alle aminozuurresiduen (met uitzondering van glycine en proline) gesuperponeerd op een voorspelde Ramachandran-plot van ’toegestane’ en ‘outer limit’ – conformaties. Voorspellingen waren gebaseerd op Van der Waals afstanden voor interatomische contacten zoals beschreven in de tekst. Merk op dat de meerderheid van de werkelijke waarden overeenkomen met voorspelde toelaatbare conformaties.

het conflict in verband met deze conformaties kan worden opgevangen door een kleine mate van verdraaiing van de peptidebinding. Aldus, in dergelijke conformations wordt de peptide groep uit zijn gebruikelijke vlakke Bouw gedraaid.

een beperkt aantal “verboden” conformaties van bepaalde residuen kan in een polypeptide worden getolereerd indien de aangenomen bevleesdheid als geheel energetisch gunstig is. Een polypeptide zal neigen zodanig te vouwen dat het de stabielste Bouw aanneemt. In deze Bouw minimaliseert het polypeptide zijn vrije energie. In de volgende secties zullen we kijken naar dit hogere niveau van eiwitstructuur.