Polypeptide

Polypeptide
n., meervoud: polypeptiden

Definitie: Een polymeer van aminozuren die met elkaar verbonden zijn door peptidebindingen. Image credit: CNX OpenStax

Polypeptide Definition Biology

Wat zijn polypeptiden? Een polypeptide wordt gedefinieerd als een polymeer van aminozuren die met peptidebindingen aan elkaar zijn verbonden (figuur 1).

Grote polypeptiden of meer dan één polypeptide die samen voorkomen, worden eiwitten genoemd. Eiwitten zijn polymeren van aminozuren die zich vaak binden aan kleine moleculen (b.v. liganden, co-enzymen), aan andere eiwitten, of aan andere macromoleculen (DNA, RNA, enz.) Daarom worden de bouwstenen van eiwitten aminozuren genoemd. Eiwitten spelen een vitale rol in de biologie: zij fungeren als de bouwstenen van spieren, botten, haar, nagels en vormen enzymen, antilichamen, spieren, bindweefsel, en nog veel meer. Peptiden zijn kortere ketens van aminozuren (twee of meer), wat hen onderscheidt van polypeptiden die veel langer zijn.

Polypeptidestructuur

Een polymeer dat door een levend organisme wordt geproduceerd, wordt een biopolymeer genoemd. Er zijn vier grote klassen van biopolymeren: (1) polysacchariden, (2) polypeptiden, (3) polynucleotiden, en (4) vetzuren. Welke polymeren zijn opgebouwd uit aminozuren? Een polypeptide is een onvertakte keten van aminozuren die door peptidebindingen aan elkaar verbonden zijn. De peptidebinding verbindt de carboxylgroep van het ene aminozuur met de aminegroep van het volgende aminozuur om een amide te vormen. Wat zijn peptiden? Korte polypeptiden kunnen worden genoemd op basis van het aantal monomere aminozuren waaruit zij bestaan. Een dipeptide is bijvoorbeeld een peptide bestaande uit twee aminozuursubeenheden, een tripeptide is een peptide bestaande uit drie aminozuursubeenheden, en een tetrapeptide is een peptide bestaande uit vier aminozuursubeenheden.

Aminozuur Definitie Biologie

De aminozuren waaruit polypeptiden zijn opgebouwd bevatten een alkalische aminogroep (-NH2), een zure carboxylgroep (-COOH), en een R-groep (zijketen). De R-groep is variabel in zijn bestanddelen en is uniek voor elk aminozuur. Elk aminozuurmolecuul bevat een koolstofatoom (α-koolstof). In de meeste gevallen zitten de amino- en carboxylgroepen vast aan de α-koolstof (figuur 2).

Peptidebinding Definitie

Een peptidebinding (aminozuurbinding) is de binding tussen aminozuren. Deze vormt de primaire structuur van een lange polypeptideketen. Eiwitten zijn opgebouwd uit een of meer polypeptiden die met elkaar hebben gereageerd om de uiteindelijke, stabiele, werkende conformatie te vormen.

Aminozuren kunnen α-aminozuren zijn of β-aminozuren. Wanneer zowel de carboxyl- als de aminogroep aan de centrale koolstof zijn gebonden, worden ze α-aminozuren genoemd. Bij β-aminozuren zijn de carboxylgroep en de aminogroep aan een verschillend koolstofmolecuul gebonden. Figuur 3 toont een voorbeeld van een α-aminozuur en een β-aminozuur.

Er zijn 21 aminozuren die door eukaryoten worden gebruikt om eiwitten te genereren (eiwitsynthese). Ze verschillen allemaal van elkaar door verschillen in hun zijketens. Mensen en andere gewervelde dieren kunnen 12 van deze aminozuren maken, die niet-essentiële aminozuren worden genoemd. De overige 9 aminozuren moeten worden opgenomen, omdat zij niet in het lichaam kunnen worden aangemaakt, maar door andere organismen worden gemaakt. Dit worden essentiële aminozuren genoemd.

Tot voor kort bestond de lijst van aminozuren uit 20. In 1986 werd echter selenocysteïne als 21e aminozuur toegevoegd. Selenocysteïne wordt aangetroffen in enkele zeldzame proteïnen in bacteriën en bij de mens. Nog recenter werd gesuggereerd om pyrrolysine het 22e aminozuur te noemen. Pyrrolysine wordt echter niet gebruikt in de eiwitsynthese bij de mens. Tabel 1 toont de lijsten van essentiële en niet-essentiële aminozuren. Figuur 4 illustreert de structuur van 21 aminozuren.

Polypeptidevorming

De variatie van de zijketens van de R-groep verandert de chemie van het aminozuurmolecuul. De meeste aminozuren hebben zijketens die niet-polair zijn (geen positieve en negatieve polen hebben). Andere hebben positief of negatief geladen zijketens. Sommige hebben polaire zijketens die ongeladen zijn. De chemie van de zijketen beïnvloedt hoe de aminozuren aan elkaar hechten bij het vormen van de uiteindelijke proteïnestructuur.

Als de aminozuren geladen zijketens hebben, kunnen zij ionische bindingen vormen. Als de zijketens hydrofoob zijn, kunnen ze zich verbinden met van der Waals interacties. Polaire aminozuren kunnen zich verbinden met waterstofbruggen. Daarom bepalen de interacties tussen de zijketens van een lange keten aminozuren, en hun volgorde in de keten, hoe het eiwitmolecuul wordt gevormd, d.w.z. waar het samenvouwt. Meer informatie over de verschillende bindingen en interacties tussen de aminozuren zal later in dit hoofdstuk worden besproken.

Proteïnen hebben 4 niveaus van structuur: de primaire structuur, de secundaire structuur, de tertiaire structuur, en de quaternaire structuur.

1. Primaire structuur

Wat is een polypeptide-sequentie? Eenvoudig gezegd, polypeptiden zijn ketens van aminozuren. De primaire structuur van een eiwit begint met de vorming van peptidebindingen tussen aminozuren, waardoor een peptide ontstaat.

Wat is een peptidebinding? Peptidebindingen bestaan tussen de α-carboxylgroep van een aminozuur en de α-aminogroep van een ander aminozuur. Dit vormt een stabiele tweedimensionale structuur met zijketens die uit de polypeptideketen steken. Hierdoor kunnen de zijketens met andere moleculen interageren. Het samenvoegen van kleinere eenheden tot een langer polymeer wordt polymerisatie genoemd. Hoe worden peptidebindingen gevormd? De reactie waarbij twee aminozuren zich verbinden is een condensatiereactie. Dit komt doordat een waterstof- en zuurstofmolecuul verloren gaat van de carboxylgroep van 1 aminozuur, en een waterstofmolecuul van de aminogroep van een ander aminozuur. Hierbij ontstaat een watermolecuul (H2O), vandaar de term condensatiereactie.

2. Secundaire structuur

De secundaire structuur ontstaat wanneer waterstofbruggen ontstaan tussen atomen in de ruggengraat van het polypeptide (dit omvat niet de zijketens). Twee veel voorkomende patronen die ontstaan door herhaalde vouwing via waterstofbruggen zijn de α-helix en de β-geplooide plaat.

In de secundaire structuur van de α-helix is de spoel rechtshandig, en de waterstofbruggen worden gevonden tussen elk vierde aminozuur. α-keratine is een voorbeeld van een eiwit dat is opgebouwd uit α-helixen. Dit eiwit wordt gevonden in haar en nagels.

De β-geplooide plaat is de andere veel voorkomende secundaire structuur. Deze ontstaat wanneer twee polypeptideketens naast elkaar liggen en er waterstofbruggen tussen worden gevormd. Er zijn twee soorten β-geplooide vellen; dit zijn de parallelle β-geplooide vel en de antiparallelle β-geplooide vel. Aan het eind van een polypeptide bevindt zich ofwel een vrije carboxylgroep ofwel een vrije aminogroep.

In een parallelle β-geplooide plaat lopen de twee polypeptideketens in dezelfde richting met dezelfde groep aan elk eind. In een antiparallelle β-geplooide plaat lopen de polypeptiden in verschillende richtingen. Figuur 6 illustreert een antiparallelle β-geplooide plaat en een α-helix.

Een minder bekende secundaire structuur is de β-barrel. In dit geval lopen de polypeptiden antiparallel aan elkaar, maar zijn ze ook opgerold in een tonvorm met waterstofbruggen tussen het eerste en het laatste aminozuur (figuur 7).

Hoewel de waterstofbruggen in de aminozuren zwak zijn, geeft de combinatie van alle waterstofbruggen samen de structuur stabiliteit waardoor deze zijn vorm behoudt.

3. Tertiaire structuur

De tertiaire structuur van het polypeptide wordt gedefinieerd als de 3-dimensionale structuur. Het eiwit begint verder te vouwen als gevolg van interacties tussen zijketens (R-groepen) in de primaire sequentie. Dit gebeurt via hydrofobe bindingen, waterstofbindingen, ionische bindingen, disulfide bindingen, en Van der Waals interacties.

• Hydrofobe bindingen – zijketens die niet polair zijn en de hydrofobe groepen samen. Zij blijven aan de binnenkant van het eiwit, waardoor aan de buitenkant hydrofiele zijketens overblijven die in contact staan met water.
• Waterstofbruggen – ontstaan tussen een elektrisch negatief atoom en een waterstofatoom dat al aan een elektrisch negatief atoom gebonden is. Ze zijn zwakker dan covalente bindingen en ionische bindingen, maar sterker dan Van der Waals interacties.
• Ionische bindingen – een positief geladen ion vormt een binding met een negatief geladen ion. Deze bindingen zijn sterker aan de binnenkant van een eiwit waar water is uitgesloten, omdat water deze bindingen kan ontbinden.
• Van der Waals interacties – dit verwijst naar elektrische interacties tussen nabije atomen of moleculen. Deze interacties zijn zwak, maar als er een aantal van deze interacties in een eiwit zijn, kan dit de sterkte ervan vergroten.
• Disulfidebinding – dit is een type covalente binding en is ook de sterkste binding die in eiwitten wordt aangetroffen. Het gaat om de oxidatie van 2 cysteïneresiduen die resulteert in een zwavel-zwavel covalente binding. Bijna een derde van de door eukaryoten gesynthetiseerde eiwitten bevatten disulfidebindingen. Deze bindingen zorgen voor de stabiliteit van het eiwit. Figuur 8 toont de verschillende bindingen die betrokken zijn bij de tertiaire structuur van een eiwit.

4. Quaternaire Structuur

In de quaternaire structuur beginnen ketens van polypeptiden op elkaar in te werken. Deze eiwitsubunits binden zich aan elkaar via waterstofbruggen en van der Waals interacties. Hun ordening maakt de specifieke functionaliteit van het uiteindelijke eiwit mogelijk. Veranderingen in de conformatie kunnen nadelig zijn voor hun biologische werking. Hemoglobine is een voorbeeld van een eiwit met een quaternaire structuur. Het is opgebouwd uit 4 subeenheden.

Het is vermeldenswaard dat niet alle eiwitten een quaternaire structuur hebben, veel eiwitten hebben slechts een tertiaire structuur als hun uiteindelijke conformatie.

Zijn polypeptiden eiwitten? In sommige gevallen wordt het woord polypeptide door elkaar gebruikt met het woord eiwit. Een eiwit kan echter uit meer dan 1 keten van polypeptiden bestaan, zodat het gebruik van de term polypeptide voor alle eiwitten niet altijd juist is.

Functies van polypeptiden met voorbeelden

Polypeptiden en de daaruit resulterende eiwitten worden overal in het lichaam aangetroffen. Wat is de functie van een polypeptide? De functies van polypeptiden zijn afhankelijk van het aminozuurgehalte. Er zijn meer dan 20 aminozuren, en de gemiddelde lengte van een polypeptide is ongeveer 300 aminozuren. Deze aminozuren kunnen in een willekeurige volgorde worden gerangschikt. Dit maakt een enorm aantal mogelijke eiwitvariaties mogelijk. Niet al deze eiwitten hebben echter een stabiele 3D-conformatie. De eiwitten die in cellen worden gevonden zijn niet alleen stabiel in hun conformatie, maar ook uniek ten opzichte van elkaar.

Wat zijn voorbeelden van polypeptiden? De belangrijkste voorbeelden van eiwitten zijn transporters, enzymen, hormonen, en structurele ondersteuning.

Transporters

Er zijn eiwittransporters en peptidetransporters. Peptidentransporters worden gevonden in de familie van peptidentransporter (PTR). Hun functie is om als membraaneiwitten in een cel kleine peptiden (di- of tri-peptiden) op te nemen. Er zijn 2 hoofdtypen peptidentransporter, PEPT1 en PEPT2. PEPT1 wordt aangetroffen in darmcellen en helpt bij de opname van di- en tripeptiden. PEPT2 daarentegen wordt vooral in de niercellen aangetroffen en helpt bij de reabsorptie van di- en tripeptiden.

Enzymen

Polypeptiden vormen ook enzymen. Enzymen initiëren (katalyseren) of versnellen biochemische reacties. Het zijn biomoleculen die zowel bij de synthese als bij de afbraak van moleculen helpen. Alle levende organismen gebruiken enzymen, en ze zijn van vitaal belang voor onze overleving. Aangenomen wordt dat enzymen ongeveer 4000 verschillende biochemische reacties in het leven katalyseren. Alle enzymen worden genoemd met de uitgang -ase. Er zijn 6 functionele groepen enzymen: oxidoreductases, transferases, hydrolases, lyases, isomerases, en ligases. Lactase, bijvoorbeeld, is een hydrolase dat de hydrolyse (afbraakreactie met water) van lactose (melksuiker) in galactose- en glucosemonomeren veroorzaakt (figuur 10). Lactase wordt aangetroffen in mensen en dieren en heeft als functie de vertering van melk te bevorderen. Het wordt ook aangetroffen in sommige micro-organismen.

Hormonen

Hormonen kunnen zowel op steroïden als op peptiden zijn gebaseerd. Hormonen op basis van polypeptiden en proteïnen variëren in omvang: sommige bestaan uit slechts enkele aminozuren, terwijl andere grote proteïnen zijn. Zij worden in de cellen gemaakt in het ruw endoplasmatisch reticulum (RER) en gaan dan naar het Golgi-apparaat. Daar worden zij in blaasjes geplaatst totdat zij nodig zijn/gestimuleerd worden om buiten de cel te worden afgescheiden.

Insuline is een voorbeeld van een eiwithormoon. Het is 51 aminozuur residuen lang en is samengesteld uit 2 polypeptide ketens bekend als keten A en keten B. De beta cellen in de pancreas synthetiseren dit hormoon. Insuline helpt het lichaam de bloedsuikerspiegel te reguleren door overtollige glucose uit het bloed te verwijderen en op te slaan voor later gebruik (figuur 11).

Structurele ondersteuning

Ten slotte geven structurele eiwitten vorm en steun aan levende organismen. Ze kunnen bijvoorbeeld steun bieden in een celwand. Ze worden ook gevonden in bindweefsel, spieren, botten en kraakbeen. Actine is een voorbeeld van een structureel eiwit dat in cellen wordt aangetroffen. Het is het eiwit dat het meest voorkomt in eukaryote cellen. In spiercellen helpt het bij het samentrekken van de spieren. Actine vormt ook het cytoskelet van cellen en helpt hen hun vorm te behouden. Bovendien is actine betrokken bij celdeling, celsignalering en verplaatsing van organellen.

• Bock, A. et al. (1991). Selenocysteïne: Het 21ste Aminozuur. Moleculaire Biologie. 5 (3) 515-520. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1991.tb00722.x
• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). De vorm en structuur van eiwitten. Moleculaire biologie van de cel. 4e editie. New York: Garland Science. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26830/#:~:text=Since%20each%20of%20the%2020,ketens%20n%20amino%20zuren%20lang.
• Candotti, F. Peptide. Nationaal Instituut voor Menselijk Genoomonderzoek. https://www.genome.gov/genetics-glossary/Peptide
• Clark, D. P., Pazdernik, N.J., McGehee. M.R. (2019). Eiwitsynthese. Moleculaire Biologie, Academic Cell, Derde Editie. 397-444. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813288-3.00013-6
• Essentials of Cell Biology. (2014). De Functies van Eiwitten worden bepaald door hun Driedimensionale Structuren. https://www.nature.com/scitable/ebooks/essentials-of-cell-biology-14749010/122996920/
• Lopez, M.J., Mohiuddin, S.S. (2020). Biochemie, Essentiële aminozuren. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK557845/
• Maloy, S. (2013). Aminozuren. Brenner’s Encyclopedia of Genetics (Tweede editie), Academic Press. 108-110. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374984-0.00051-6
• Nelson, D. (2018). Hoeveel Aminozuren zijn er in het lichaam – Essentieel en Niet-essentieel. Science Trends. How Many Amino Acids Are in The Body: Essential and Non-Essential | Science Trends.
• Ouellette, R.J., Rawn, J.D. (2015). Aminozuren, Peptiden, en Eiwitten. Beginselen van de Organische Chemie. 14 (371-396). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802444-7.00014-8
• Patel, A.K., Singhania, R.R., Pandey, A. (2017). Productie, zuivering en toepassing van microbiële enzymen. Biotechnology of Microbial Enzymes. Academic Press (2) 13-41. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803725-6.00002-9
• Pelley, J.W. (2007). Eiwitstructuur en functie. Elsevier’s Integrated Biochemistry. Mosby. 19-28. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-03410-4.50009-2
• Rajpal, G., Arvan, P. (2013). Vorming van disulfidebindingen. Handbook of Biologically Active Peptides (Tweede editie). 236 (1721-1729). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-385095-9.00236-0
• Rehman, I., Farooq, M., Botelho, S. (2020). Biochemie, Secundaire Eiwitstructuur. StatPearls. Treasure Island (FL). https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK470235/
• Taylor, P.M. (2016). Rol van Aminozuur Transporters in Eiwitmetabolisme. The Molecular Nutrition of Amino Acids and Proteins, Academic Press. 5 (49-64). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-802167-5.00005-0