Vouwing van proteïnen

by | apr 10, 2017 | Biologie, Onderwijs, Scheikunde

Opdat een proteïne zijn functie in de cel juist kan uitvoeren, moet het een heel specifieke driedimensionale vorm aannemen. Hoewel het in de cel slechts een fractie van een seconde duurt om een enkele proteïnevouw uit te voeren, zou het miljarden jaren duren, wanneer men alle mogelijkheden voor één enkele vouw zou willen uitvogelen! Hierbij moet men bedenken, dat een foutief gevouwen proteïne in de regel nadelig (in het ergste geval zelfs dodelijk) voor het levende wezen is. Voor de opbouw van een enkele cel moeten duizenden proteïnen op de juiste manier gevouwen worden. Hierbij blijft, bij wijze van spreken, “bar weinig” speelruimte over voor toevallige processen. 

verfrommeld_papier.pixabay

De eerste stap bij de vorming van proteïnen is de samenvoeging van een lineaire reeks van aminozuren (primaire structuur). Een proteïne kan haar functie alleen dan uitvoeren, wanneer naast deze primaire structuur ook een welgedefinieerde driedimensionale structuur voorhanden is. Deze bestaat uit karakteristieke structuurelementen (secundaire structuur), die op hun beurt  weer in een geordende ruimtelijke vorm gevouwen worden (tertiaire structuur). Verder zijn ook nog combinaties van meerdere proteïnen bekend, die wederom een welgedefinieerde structuur (quartaire structuur) vormen.

Het probleem van de proteïnevouwing

Proteïnen sturen bijna alle celfuncties in het menselijk lichaam. De wijze van opvouwing bepaalt de functie van de proteïne. Elke verandering in de proteïne vouwing heeft een verandering van de functie tot gevolg. Zelfs de kleinste afwijking in het vouwproces van een nuttig proteïne kan een ziekte veroorzaken.

Omdat het aantal opvouwmogelijkheden van een proteïne met de lengte van de aminozuurketen exponentieel toeneemt, zou de benodigde tijd om alle denkbare vouwmogelijkheden (conformaties) te doorlopen zelfs van een klein proteïne meerdere miljarden jaren bedragen. In werkelijkheid wordt echter binnen een fractie van een seconde een nauwkeurig voorgedefinieerde ruimtelijke structuur ingenomen.

Dit als Levinthal-paradox bekende fenomeen maakt duidelijk, dat  proteïnen bij het opvouwen blijkbaar niet alle mogelijkheden doorlopen, maar met behulp van zogenaamde opvouwhelpers (chaperones) via de kortste weg de eindstructuur bereiken. De vraag die nu opkomt is, hoe de zogenaamde chaperones weten, hoe een proteïne er uiteindelijk moet uitzien. Evenals bij het ontstaan van de primaire structuur is ook bij het ontstaan tertiaire- of quartaire structuur informatie noodzakelijk, die niet vanzelf ontstaan kan zijn daar het eindproduct van het opvouwen van tevoren bekend moet zijn geweest.

Virtuele proteïnevouwing met Blue Gene

IBM heeft in het jaar 2005 de toentertijd meest krachtige supercomputer ter wereld (Blue Gene) gebouwd, om het probleem van het opvouwen van proteïnes op te lossen.1 Op een IBM internetsite wordt aangegeven waarom: “De wetenschappelijke wereld beschouwt het probleem van de proteïne vouwing als een van de grootste uitdagingen – als een fundamenteel probleem der wetenschap […] waarvan de oplossing slechts door de inzet van zeer krachtige computertechniek bereikt kan worden.”

Ondanks de hier toegepaste geweldige rekenkracht wordt geschat, dat Blue Gene ongeveer een jaar nodig heeft, om de berekeningen en de opbouw van de opvouwing van een eenvoudig proteïne aan te leveren. Een onderzoeker van IBM merkte daarbij op: “De gecompliceerdheid van het probleem en de eenvoud, waarmee het in het lichaam dagelijks wordt opgelost, is absoluut verbazingwekkend”.2

Voetnoten

  1. IBM, Blue Gene Research Project, 2003, http://www.research.ibm.com/bluegene/index.html.
  2. S. Lohr, IBM plans supercomputer that works at the speed of life, New York Times, 6. Dez. 1999, blz. C-1.
M
"

Artikelen

Artikelen