Inligting

Watter proteïene is die sensitiefste vir elektriese velde?

Watter proteïene is die sensitiefste vir elektriese velde?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Baie Proteïene het ioniese ladings wat mekaar kan aantrek (bv. Vorming van soutbrûe) of mekaar kan afstoot. Aan die ander kant word proteïene meestal in water gedompel wat die meeste van die elektriese ladings van die proteïene afskerm. Die rede is dat water 'n diëlektrikum is, die H2O-molekules kan maklik gepolariseer word. Dus word die elektrostatiese kragte in waterige oplossing verminder.

Nou vra ek watter proteïene maklik aangetas kan word wanneer 'n elektriese veld toegedien word? Dit beteken watter proteïene hul konformasie aansienlik sal verander, selfs wanneer swak elektriese velde toegepas word?

Kan sommige proteïene wat in water gedompel is ook afhanklik wees van eksterne elektriese velde?


Daar is verskeie proteïene wat sensitief is vir veranderinge in elektriese veld. Meer presies, hulle word geaktiveer deur veranderinge in spanning (wat die proteïen omring), en in water gedompel, aangesien alle selle hoofsaaklik uit 'n waterige oplossing bestaan. Jy is korrek dat die meeste ladings in die sykettings van die proteïene se aminosure 'gemasker' word deur die dipoolkarakter van watermolekules, maar die elektrochemiese potensiaal van die sel is primêr te wyte aan ione, en nie aan die interaksie tussen sykettings in 'n proteïen. Dit is egter belangrik om daarop te let dat binne hierdie proteïene wat sensitief is vir veranderinge in die elektrochemiese veld, daar domeine is wat gelaaide aminosure bevat (d.w.s. nie bedek deur water nie), baie belangrik om die veranderinge in spannings te kan 'aanvoel'.

U kan na sommige van die spanningsensitiewe ioonkanale kyk, wat aan verskillende sellulêre weë deelneem, insluitend die generering en oordrag van die aksiepotensiaal in neurone:

Wikipedia het 'n goeie inskrywing oor hulle.


Soos jy genoem het, is water 'n diëlektrikum en as gevolg daarvan en die teenwoordigheid van ione in oplossing, het elektrostatiese kragte 'n baie kort reeks binne 'n sel. As jy 'n potensiaalverskil (spanning) in oplossing toepas, sal jy 'n konstante elektriese veld tussen die twee elektrodes opwek. Proteïene sal op hierdie elektriese veld reageer deur na die anode of katode te beweeg, afhangende van die lading van die proteïen. Dit is wat ons as elektroforese ken (let daarop dat jy gewoonlik tiene tot honderde volts benodig vir die elektroforese van proteïene)

Nou, wanneer jy dieselfde spanningsverskil het, maar daar is 'n elektriese isolator in die middel, sal die meeste van die elektriese veld binne die isolerende materiaal gekonsentreer wees.

Dit is wat in die selmembraan gebeur wat die klein spanningsverskil tussen die binne- en buitekant van die sel isoleer (-40 tot -90 mV na gelang van die sel). Hierdie klein spanningsverskil genereer 'n groot elektriese veld met die membraan wat nou waargeneem kan word deur gelaaide oorblyfsels van proteïene binne die membraan, soos die arginiene in die spanningsensor van 'n kaliumkanaal. Die elektriese velde wat deur hierdie kanale waargeneem word, is in die orde van 10^8 tot 10^9 V/m.


5.5: Gelelektroforese van proteïene

  • Bygedra deur Michael Blaber
  • Professor (Biomediese Wetenskappe) aan die Florida State University

Gelelektroforese word gebruik om een ​​van die mees basiese eienskappe te karakteriseer - molekulêre massa - van beide polinukleotiede en polipeptiede. Hier sal ons uitsluitlik op gelelektroforese van proteïene fokus

Gelelektroforese kan gebruik word om te bepaal:

  • die reinheid van 'n proteïenmonster
  • heterogeniteit en mate van afbraak van 'n proteïenmonster
  • subeenheid samestelling van 'n proteïenmonster

Hoe werk dit?

Die onderliggende beginsel van elektroforese is die migrasie-eienskap van gelaaide spesies binne 'n elektriese veld. Dit is dus die eenvoudige gedrag van teenoorgestelde ladings wat aantrek. 'n Elektriese veld word oor die elektrodes van 'n kragbron gevestig, en gelaaide ione beweeg in hierdie elektriese veld. Let daarop dat in so 'n apparaat verwys die woord "ANODE" na die positief gelaaide elektrode (die ANODE trek ANIONE aan) en die woord "KATODE" verwys na die negatief gelaaide elektrode (die KATODE trek KATIONE aan). Die katode en anode terme is in ooreenstemming met hul redoksreaksie definisies in daardie reduksie vind vervolgens by die katode plaas en oksidasie vind by die anode plaas:

Figuur 5.5.1:Anode en katode

Waarskuwing: lees die volgende nota net as jy nuuskierig is oor batterye en etikettering van elektrodes, anders moet jy nie pla nie (dit mag dalk net verwarrend wees).

Redokschemie binne die eksterne kragtoevoer dryf die redoksreaksie by die elektrodes aan. Let daarop dat die elektrone van die anode na die "+" terminaal van die battery gaan. Reduksie by hierdie elektrode van die battery moet plaasvind en dryf die oksidasie by die anode van die eksterne elektrodes aan. As hierdie terminaal van die battery verminder word, moet dit die katode in die redoksreaksie binne die battery wees. Dus, batterye se katode is gemerk as "+" en anode gemerk as "-". Het my ure geneem om dit uit te vind.

Proteïene bestaan ​​uit die 20 algemene aminosure, wat beide negatief gelaaide (d.w.s. suur) sykettings (bv. asparaginsuur, glutamiensuur) en positief gelaaide (d.w.s. basiese) sykettings (bv. histidien, lisien en arginien) insluit. Proteïene kan dus gelaai word en sal in 'n elektriese veld migreer.

Op hierdie punt is daar 'n paar dinge om te oorweeg:

1) Enige sodanige skeiding is 'n nie-ewewigsproses. Hiermee bedoel ons dat as ons die proses laat voortgaan totdat een of ander ewewigsvoorwaarde bereik is, sal al die anione op een elektrode wees en al die katione op die ander. Dit sal beter wees om stop die skeidingsproses op 'n intermediêre tydstip om skeiding moontlik te maak:

Figuur 5.5.2:Skeidingsproses

2) Die ander probleem is dat sodra die elektriese veld afgeskakel is, diffusie die geskeide ione sal laat rondbeweeg (m.a.w. ons sal die skeiding verloor wat ons probeer bereik het). Om hierdie probleem op te los, word die skeiding nie in oplossing uitgevoer nie, maar binne 'n matriks (d.w.s. 'n molekulêre maas of netwerk). Die matriks verskaf a wrywingskomponent wat diffusie weerstaan. Verder is die wrywing van die matriks 'n belangrike faktor in die migrasietempo van die ione.

3) Let ook daarop dat skeiding verkry word deur aanvanklike toediening van die monster binne 'n nou sone (band). As die monster aanvanklik versprei word, alhoewel die ione sal beweeg, sal hulle nie netjies geskei word nie.

Faktore wat die tempo van elektroforese-migrasie beïnvloed (Rf)

Drie faktore beïnvloed die migrasietempo:

· Sterkte van die elektriese veld, E (direk eweredig aan migrasietempo)

· Lading op die ioniese spesie, q (direk eweredig aan migrasietempo)

· Wrywingskoëffisiënt van die ondersteuningsmatriks, f (omgekeerd eweredig aan migrasietempo)

Hierdie faktore kan op die volgende manier verander word:

· Die sterkte van die veld is 'n funksie van die Spanning van die kragtoevoer. Ons kan dus die spanning direk verander. In 'n verwante kwessie is die spanning eweredig aan die weerstand oor die elektrodes. Stroom kom ook hier ter sprake, maar kortom, dit is moeilik om hoë spanning oor die elektrodes te bereik as die weerstand laag is. Die weerstand van 'n oplossing is omgekeerd eweredig aan die ioniese sterkte (m.a.w. konsentrasie van ione). Dus, met hoë soutkonsentrasies is die weerstand laag, dit is moeilik om hoë spanning te bereik, en die migrasietempo sal afneem.

· Die lading op 'n ioniese molekule is 'n funksie van die PI van die molekule en die pH van die oplossing

As pI > pH is die molekule kationies
(migreer na katode)

As pI < pH is die molekule anionies
(migreer na anode)

As pI = pH is die molekule neutraal
(geen migrasie in elektriese veld nie)

Ons kan dus die migrasietempo (en moontlik die migrasierigting) verander deur die pH van die oplossing te verander

· Die wrywingskoëffisiënt van die matriks kan moontlik verander word. Die matriks is tipies 'n polimeernetwerk (sien hieronder), waarna verwys word as 'n gel, en die wrywingskoëffisiënt kan verhoog word deur die polimeerkonsentrasie te verhoog


Toegang opsies

Kry volledige joernaaltoegang vir 1 jaar

Alle pryse is NETTO pryse.
BTW sal later by die betaalpunt bygevoeg word.
Belastingberekening sal tydens afhandeling gefinaliseer word.

Kry tydsbeperkte of volledige artikeltoegang op ReadCube.

Alle pryse is NETTO pryse.


Boublokke van proteïene

Aminosure is die boustene van proteïene. In totaal is daar 20 verskillende aminosure wat in die natuur voorkom. Aminosure kan op 'n groot verskeidenheid maniere met mekaar verbind om verskillende proteïene te skep.

Die chemiese struktuur van aminosure is die sleutel waarom proteïene die grondslag van lewe geword het. 'n Aminosuur bestaan ​​uit 'n karboksielgroep (chemiese struktuur -COOH), 'n amiengroep (-NH₂) en 'n syketting wat hoofsaaklik van koolstof en waterstof gemaak word.

Daar word dikwels na die syketting verwys as die R-groep. Verskille in die R-groep is wat die 20 aminosure van mekaar verskil.

Afhangende van die struktuur van die R-groep, kan 'n aminosuur wateroplosbaar (polêr), wateronoplosbaar (nie-polêr) wees of 'n positiewe of negatiewe lading bevat. Hierdie eienskappe beïnvloed op hul beurt hoe die aminosure optree soos hulle verbind en beïnvloed die algehele vorm en funksie van 'n proteïen.

Al 20 aminosure is nodig vir goeie gesondheid. As 'n organisme laag is in een van die 20 aminosure, sal sekere proteïene nie gebou kan word nie en die verlies van hul funksies sal gesondheidskwessies vir die organisme veroorsaak.

Sommige aminosure kan deur die liggaam geskep word deur ander molekules te gebruik, terwyl ander aminosure van voedsel verkry moet word. Die aminosure wat geëet moet word staan ​​bekend as die ‘essensiële aminosure’ omdat hulle 'n noodsaaklike deel van 'n gesonde dieet is. Die aminosure wat deur ons liggame gemaak kan word, staan ​​bekend as ‘nie-essensiële aminosure’.


Elektriese veldgenerering en die elektriese orgaan

In sy inleiding tot die afdeling gewy aan bespreking van die gespesialiseerde orgaan wat swak elektriese velde genereer, beskryf Michael Markham, van die Universiteit van Oklahoma, VSA, hoe Hans Lissmann die studie van swak elektriese visse in die 1950's gegrond het (p. 2451). Nie net het Lissmann dit bewys nie Gymnarchus niloticus produseer swak elektriese velde, maar hy het ook gewys dat die visse hul omgewing aanvoel en kommunikeer via die velde. Met die hersiening van die vroeë werk van M. V. Bennett oor die fisiologie van die elektriese orgaan, gaan Markham voort om te beskryf hoe swak elektriese velde geproduseer word deur die gesinchroniseerde ontlading van groot groepe elektrosiete. Met die toevoeging dat die elektrosiet-ontlading op verskillende maniere gekoördineer word om die twee tipes velde wat deur die visse uitgestraal word te produseer – gereelde treine van elektriese pulse of 'n aaneenlopende 'sinusvormige' veld – gaan Markham dan voort om te verduidelik hoe die ontlading hormonaal gereguleer word, wat lei tot seksuele dimorfisme in elektriese velde, en op molekulêre vlak beheer deur die produksie van ioonkanale in die elektriese orgaan te verander om die golfvorm van die veld te verander.

In die volgende bydrae oor die onderwerp van die elektriese orrel en elektriese veldgenerering bespreek Vielka Salazar, Rüdiger Krahe en John Lewis die energetika van swak elektriese veldproduksie (p. 2459). Om hul oorsig te begin met die verbasende feit dat breinaktiwiteit tot 20% van rustende metaboliese tempo by sommige diere kan uitmaak en dat hierdie hoë koste aangegaan word deur die handhawing van elektriese aktiwiteit, herbegin die trio dan die neurale stroombane wat die elektriese orgaan reguleer ontslag. Vervolgens hersien hulle berekeninge van die hoeveelheid energie wat benodig word om die elektriese velde wat voortspruit uit verskeie rangskikkings van elektriese lading in stand te hou. Op grond van hierdie berekeninge het Salazar en haar PhD-studieleier Philip Stoddard in 2008 geskat dat manlike Brachyhipopomus bestee 11–22% van hul energiebegroting aan elektriese veldproduksie. Gegewe die diversiteit van elektriese visspesies en die elektriese velde wat hulle produseer, sluit die span af deur voor te stel dat elektriese visse ons kan leer hoe energieke beperkings die evolusie van seindiversiteit kan beïnvloed.

Robert Güth, Matthew Pinch en Graciela Unguez spreek dan die intrigerende vraag aan van hoe swak elektriese visse spiere aangepas het om 'n weefsel te produseer wat nie meer saamtrek nie, maar 'n meetbare elektriese veld produseer (p. 2469). Aangesien konvensionele spiere intrinsiek veelsydig is (plastiek), wat 'n wye verskeidenheid verskillende funksies natuurlik verrig, verduidelik die trio dat die ongewone eienskappe van die spier-afgeleide elektriese orgaan hulle in staat stel om fundamentele vrae te beantwoord oor die molekulêre meganismes wat spierplastisiteit reguleer. Fokus op Sternopygus macrurus, beskryf Unguez en haar studente hoe spier-afgeleide elektrosiete baie van die proteïene produseer wat noodsaaklik is vir spiersametrekking, maar hulle het nie die sarkomeerstruktuur wat fundamenteel is vir spiersametrekking nie. Die span wys ook daarop dat baie van die molekulêre meganismes wat spierontwikkeling en instandhouding beheer, in die elektriese orgaan bewaar word, hoewel sommige van die gene wat vir noodsaaklike komponente van die sarkomeer kodeer, nie in funksionele proteïene vertaal word nie (ten spyte daarvan dat dit in mRNA getranskribeer is). Dit toon dat daar fundamentele verskille is tussen die regulering van proteïenuitdrukking in konvensionele spierselle en elektrosiete. Die span voeg by dat hierdie onderdrukking van die produksie van sleutelspierproteïene in elektrosiete beïnvloed word deur die hoëfrekwensie elektriese aktivering van die weefsel en hulle kom tot die gevolgtrekking: 'Ons glo dat hierdie studies in S. macrurus sal ook belangrike insigte verskaf oor die veelvuldige molekulêre prosesse wat spiergeen-uitdrukking in ander gewerwelde diere reguleer.'

Asof die vermoë om spiere om te skakel in 'n orgaan wat elektriese velde genereer nie merkwaardig genoeg was nie, gaan Unguez voort – in 'n enkele publikasie wat geskryf is – om te beskryf hoe volwasse swak elektriese visse beide die elektriese orgaan en spier na 'n gedeelte van die stert kan regenereer verlore gegaan het (p. 2478 ). Alhoewel weefselherlewing wydverspreid onder volwasse beenvisse voorkom, is hul herstellende kragte dikwels beperk. Unguez sê egter: ‘Sommige gimnotiforms kan alle weefsels wat verlore gaan na herhaalde stertamputasies vervang, wat 'n onuitputlike regenerasievermoë by die volwassene suggereer.’ En dit is hierdie vermoë wat sommige spesies elektriese visse ideaal maak om ons oor weefselregenerasie te leer. Nadat ons verduidelik het dat weefsel kan regenereer via twee meganismes – morfallakse, waar weefsel tydens regenerasie herorganiseer word, of epimorfose, waar selle vermenigvuldig – Unguez beskryf hoe stamselle, wat die potensiaal het om te verdeel en in enige weefsel te ontwikkel, natuurlik in assosiasie met spiervesels en elektrosiete voorkom. Sy hersien ook hoe hierdie spesifieke stamselle getoon is om verlore spier- en elektrosietweefsel te herbou deur epimorfose tydens stert-regenerasie.


Inhoud

Die terme word dikwels uitruilbaar gebruik. Wanneer 'n onderskeid egter bedoel word, is dit gebaseer op of die fokus is op die toepassing van biologiese idees of op die bestudering van biologie met nanotegnologie. Bionanotegnologie verwys oor die algemeen na die studie van hoe die doelwitte van nanotegnologie gelei kan word deur te bestudeer hoe biologiese "masjiene" werk en hierdie biologiese motiewe aan te pas om bestaande nanotegnologieë te verbeter of nuwes te skep. [5] [6] Nanobiotegnologie, aan die ander kant, verwys na die maniere waarop nanotegnologie gebruik word om toestelle te skep om biologiese stelsels te bestudeer. [7]

Met ander woorde, nanobiotegnologie is in wese geminiaturiseerde biotegnologie, terwyl bionanotegnologie 'n spesifieke toepassing van nanotegnologie is. DNS-nanotegnologie of sellulêre ingenieurswese sal byvoorbeeld as bionanotegnologie geklassifiseer word omdat dit werk met biomolekules op die nanoskaal behels. Omgekeerd sal baie nuwe mediese tegnologieë wat nanopartikels as afleweringstelsels of as sensors behels voorbeelde van nanobiotegnologie wees aangesien dit die gebruik van nanotegnologie behels om die doelwitte van biologie te bevorder.

Die definisies wat hierbo opgesom is, sal gebruik word wanneer 'n onderskeid tussen nanobio en bionano in hierdie artikel gemaak word. Gegewe die oorvleuelende gebruik van die terme in moderne taalgebruik, moet individuele tegnologieë egter geëvalueer word om te bepaal watter term meer gepas is. As sodanig word hulle die beste in parallel bespreek.

Die meeste van die wetenskaplike konsepte in bionanotegnologie is van ander velde afgelei. Biochemiese beginsels wat gebruik word om die materiële eienskappe van biologiese sisteme te verstaan, is sentraal in bionanotegnologie omdat dieselfde beginsels gebruik moet word om nuwe tegnologie te skep. Materiaaleienskappe en toepassings wat in bionanowetenskap bestudeer word, sluit in meganiese eienskappe (bv. vervorming, adhesie, mislukking), elektries/elektronies (bv. elektromeganiese stimulasie, kapasitors, energieberging/batterye), opties (bv. absorpsie, luminescentie, fotochemie), termies (bv. termiese bestuur), biologies (bv. hoe selle met nanomateriale in wisselwerking tree, molekulêre foute/defekte, biosensing, biologiese meganismes soos meganosensasie), nanowetenskap van siekte (bv. genetiese siekte, kanker, orgaan-/weefselversaking), sowel as rekenaar (bv. DNS) rekenaar) en landbou (teiken lewering van plaagdoders, hormone en kunsmis. [8] [9] [10] [11] Die impak van bionanowetenskap, bereik deur strukturele en meganistiese ontledings van biologiese prosesse op nanoskaal, is die vertaling daarvan in sintetiese en tegnologiese toepassings deur nanotegnologie.

Nanobiotegnologie neem die meeste van sy grondbeginsels uit nanotegnologie. [ opheldering nodig ] Die meeste van die toestelle wat vir nano-biotegnologiese gebruik ontwerp is, is direk op ander bestaande nanotegnologieë gebaseer. [ aanhaling nodig ] Nanobiotegnologie word dikwels gebruik om die oorvleuelende multidissiplinêre aktiwiteite wat met biosensors geassosieer word, te beskryf, veral waar fotonika, chemie, biologie, biofisika, nanogeneeskunde en ingenieurswese saamvloei. Meting in biologie deur gebruik te maak van golfgidstegnieke, soos dubbelpolarisasie-interferometrie, is nog 'n voorbeeld.

Toepassings van bionanotegnologie is uiters wydverspreid. In soverre die onderskeid geld, is nanobiotegnologie baie meer algemeen deurdat dit bloot meer hulpmiddels bied vir die studie van biologie. Bionanotegnologie, aan die ander kant, beloof om biologiese meganismes en weë te herskep in 'n vorm wat op ander maniere nuttig is.

Nanomedisyne wysig

Nanogeneeskunde is 'n veld van die mediese wetenskap waarvan die toepassings al hoe meer toeneem danksy nanorobotte en biologiese masjiene, wat 'n baie nuttige hulpmiddel is om hierdie kennisgebied te ontwikkel. In die afgelope jare het navorsers baie verbeterings aangebring in die verskillende toestelle en stelsels wat nodig is om nanorobotte te ontwikkel.Dit veronderstel 'n nuwe manier om siektes soos kanker te behandel en te hanteer danksy nanorobotte, newe-effekte van chemoterapie is beheer, verminder en selfs uitgeskakel, so 'n paar jaar van nou af sal kankerpasiënte 'n alternatief aangebied word om hierdie siekte te behandel in plaas van chemoterapie [ aanhaling nodig ] , wat sekondêre effekte veroorsaak soos haarverlies, moegheid of naarheid wat nie net kankerselle doodmaak nie, maar ook die gesonde selle. Op 'n kliniese vlak sal kankerbehandeling met nanomedisyne bestaan ​​uit die verskaffing van nanorobotte aan die pasiënt deur middel van 'n inspuiting wat na kankerselle sal soek terwyl die gesondes onaangeraak gelaat word. Pasiënte wat deur middel van nanomedisyne behandel sal word, sal nie die teenwoordigheid van hierdie nanomasjiene in hulle opmerk nie, die enigste ding wat opmerklik gaan wees, is die progressiewe verbetering van hul gesondheid. Nanobiotegnologie is baie belangrik vir medisyneformulering. Dit help ook baie om entstowwe te maak. [ opheldering nodig ]

Nanobiotegnologie wysig

Nanobiotegnologie (wat soms nanobiologie genoem word) word die beste beskryf as om moderne medisyne te help vorder van die behandeling van simptome tot die opwekking van genesing en die regenereer van biologiese weefsels. Drie Amerikaanse pasiënte het heel gekultiveerde blaas ontvang met die hulp van dokters wat nanobiologie tegnieke in hul praktyk gebruik. Dit is ook in dierestudies getoon dat 'n baarmoeder buite die liggaam gegroei kan word en dan in die liggaam geplaas kan word om 'n baba te produseer. Stamselbehandelings is gebruik om siektes op te los wat in die menslike hart voorkom en in kliniese proewe in die Verenigde State is. Daar is ook befondsing vir navorsing om mense toe te laat om nuwe ledemate te hê sonder dat hulle tot prostese hoef te wend. Kunsmatige proteïene kan ook beskikbaar wees om te vervaardig sonder dat harde chemikalieë en duur masjiene nodig is. Daar is selfs vermoed dat rekenaars teen die jaar 2055 uit biochemikalieë en organiese soute gemaak kan word. [12]

Nog 'n voorbeeld van huidige nanobiotegnologiese navorsing behels nanosfere wat met fluoresserende polimere bedek is. Navorsers poog om polimere te ontwerp waarvan die fluoressensie geblus word wanneer hulle spesifieke molekules teëkom. Verskillende polimere sal verskillende metaboliete opspoor. Die polimeer-bedekte sfere kan deel word van nuwe biologiese toetse, en die tegnologie kan eendag lei tot deeltjies wat in die menslike liggaam ingebring kan word om metaboliete op te spoor wat met gewasse en ander gesondheidsprobleme geassosieer word. Nog 'n voorbeeld, vanuit 'n ander perspektief, sou evaluering en terapie op die nanoskopiese vlak wees, dit wil sê die behandeling van Nanobakterieë (25-200 nm grootte) soos deur NanoBiotech Pharma gedoen word.

Terwyl nanobiologie in sy kinderskoene is, is daar baie belowende metodes wat in die toekoms op nanobiologie sal staatmaak. Biologiese stelsels is inherent nano-skaal nanowetenskap moet saamsmelt met biologie om biomakromolekules en molekulêre masjiene te lewer wat soortgelyk is aan die natuur. Die beheer en nabootsing van die toestelle en prosesse wat uit molekules saamgestel word, is 'n geweldige uitdaging om die hoof te bied vir die konvergerende dissiplines van nanobiotegnologie. [13] Alle lewende dinge, insluitend mense, kan as nanofoundries beskou word. Natuurlike evolusie het die "natuurlike" vorm van nanobiologie oor miljoene jare geoptimaliseer. In die 21ste eeu het mense die tegnologie ontwikkel om kunsmatig by nanobiologie in te skakel. Hierdie proses word die beste beskryf as "organiese samesmelting met sintetiese." Kolonies van lewende neurone kan saamleef op 'n bioskyfie-toestel volgens navorsing van dr. Gunther Gross aan die Universiteit van Noord-Texas. Selfsamestellende nanobuise het die vermoë om as 'n strukturele stelsel gebruik te word. Hulle sou saamgestel word met rhodopsiens wat die optiese rekenaarproses sou vergemaklik en help met die berging van biologiese materiale. DNA (as die sagteware vir alle lewende dinge) kan as 'n strukturele proteomiese stelsel gebruik word - 'n logiese komponent vir molekulêre rekenaars. Ned Seeman – ’n navorser aan die Universiteit van New York – ondersoek tans saam met ander navorsers konsepte wat aan mekaar ooreenstem. [14]

Bionanotegnologie wysig

DNA-nanotegnologie is een belangrike voorbeeld van bionanotegnologie. [15] Die benutting van die inherente eienskappe van nukleïensure soos DNA om bruikbare materiale te skep, is 'n belowende area van moderne navorsing. Nog 'n belangrike area van navorsing behels die benutting van membraan-eienskappe om sintetiese membrane te genereer. Proteïene wat self saamstel om funksionele materiale te genereer kan gebruik word as 'n nuwe benadering vir die grootskaalse produksie van programmeerbare nanomateriale. Een voorbeeld is die ontwikkeling van amiloïede wat in bakteriese biofilms gevind word as gemanipuleerde nanomateriale wat geneties geprogrammeer kan word om verskillende eienskappe te hê. [16] Proteïenvoustudies bied 'n derde belangrike navorsingsweg, maar een wat grootliks geïnhibeer is deur ons onvermoë om proteïenvouing met 'n voldoende hoë mate van akkuraatheid te voorspel. Gegewe die talle gebruike wat biologiese stelsels vir proteïene het, is navorsing oor die verstaan ​​van proteïenvou van groot belang en kan dit in die toekoms vrugbaar wees vir bionanotegnologie.

Lipied-nanotegnologie is nog 'n groot navorsingsgebied in bionanotegnologie, waar fisies-chemiese eienskappe van lipiede, soos hul teenbevuiling en selfsamestelling, ontgin word om nano-toestelle met toepassings in medisyne en ingenieurswese te bou. [17] Lipied-nanotegnologie-benaderings kan ook gebruik word om die volgende generasie emulsiemetodes te ontwikkel om beide absorpsie van vetoplosbare voedingstowwe en die vermoë om dit in gewilde drankies te inkorporeer, te maksimeer.

Landbou Edit

In die landboubedryf het gemanipuleerde nanopartikels gedien as nanodraers, wat onkruiddoders, chemikalieë of gene bevat, wat spesifieke plantdele teiken om hul inhoud vry te stel. [18] [19] Daar is voorheen berig dat nanokapsules wat onkruiddoders bevat effektief deur kutikula en weefsels penetreer, wat die stadige en konstante vrystelling van die aktiewe stowwe moontlik maak. Net so beskryf ander literatuur dat nano-gekapsuleerde stadige vrystelling van kunsmis ook 'n neiging geword het om kunsmisverbruik te bespaar en omgewingsbesoedeling deur presisieboerdery te verminder. Hierdie is slegs 'n paar voorbeelde uit talle navorsingswerke wat opwindende geleenthede vir nanobiotegnologietoepassing in die landbou kan oopmaak. Die toepassing van hierdie soort gemanipuleerde nanopartikels op plante moet ook as die vlak van vriendskaplikheid beskou word voordat dit in landboupraktyke aangewend word. Gebaseer op 'n deeglike literatuuropname, is verstaan ​​dat daar slegs beperkte outentieke inligting beskikbaar is om die biologiese gevolg van gemanipuleerde nanopartikels op behandelde plante te verduidelik. Sekere verslae onderstreep die fitotoksisiteit van verskillende oorsprong van gemanipuleerde nanopartikels vir die plant wat veroorsaak word deur die onderwerp van konsentrasies en groottes. Terselfdertyd is egter 'n gelyke aantal studies gerapporteer met 'n positiewe uitkoms van nanopartikels, wat groeibevorderende natuur fasiliteer om plant te behandel. [20] Veral, in vergelyking met ander nanopartikels, het silwer- en goue nanopartikels-gebaseerde toepassings voordelige resultate op verskeie plantspesies met minder en/of geen toksisiteit ontlok. [21] [22] Silwer nanopartikels (AgNPs) behandelde blare van Aspersies het die verhoogde inhoud van askorbaat en chlorofil getoon. Net so het AgNPs-behandelde gewone boontjies en mielies loot- en wortellengte, blaaroppervlakte, chlorofil-, koolhidraat- en proteïeninhoud wat vroeër aangemeld is, verhoog. [23] Die goue nanopartikel is gebruik om groei en saadopbrengs in Brassica juncea te veroorsaak. [24]


Watter proteïene is die sensitiefste vir elektriese velde? - Biologie

Proteïene is polimere van aminosure. Twintig verskillende tipes aminosure kom natuurlik in proteïene voor. Proteïene verskil van mekaar volgens die tipe, aantal en volgorde van aminosure waaruit die polipeptiedruggraat bestaan. As gevolg hiervan het hulle verskillende molekulêre strukture, voedingseienskappe en fisiochemiese eienskappe. Proteïene is om 'n aantal verskillende redes belangrike bestanddele van voedsel. Hulle is 'n belangrike bron van energie en bevat noodsaaklike aminosure, soos lisien, triptofaan, metionien, leusien, isoleusien en valien, wat noodsaaklik is vir menslike gesondheid, maar wat die liggaam nie kan sintetiseer nie. Proteïene is ook die belangrikste strukturele komponente van baie natuurlike voedsel, wat dikwels hul algehele tekstuur bepaal, bv. sagtheid van vleis of visprodukte. Geïsoleerde proteïene word dikwels in voedsel as bestanddele gebruik as gevolg van hul unieke funksionele eienskappe, dit wil sê hul vermoë om gewenste voorkoms, tekstuur of stabiliteit te verskaf. Tipies word proteïene gebruik as geleringsmiddels, emulgatoren, skuimmiddels en verdikkers. Baie voedselproteïene is ensieme wat in staat is om die tempo van sekere biochemiese reaksies te verhoog. Hierdie reaksies kan óf 'n gunstige óf nadelige uitwerking op die algehele eienskappe van voedsel hê. Voedselontleders stel daarin belang om die totale konsentrasie, tipe, molekulêre struktuur en funksionele eienskappe van die proteïene in voedsel te ken.

6.2. Bepaling van algehele proteïenkonsentrasie

Die Kjeldahl-metode is in 1883 ontwikkel deur 'n brouer genaamd Johann Kjeldahl. 'n Voedsel word met 'n sterk suur verteer sodat dit stikstof vrystel wat deur 'n geskikte titrasietegniek bepaal kan word. Die hoeveelheid proteïen teenwoordig word dan uit die stikstofkonsentrasie van die voedsel bereken. Dieselfde basiese benadering word vandag nog gebruik, hoewel 'n aantal verbeterings aangebring is om die proses te bespoedig en om meer akkurate metings te verkry. Dit word gewoonlik beskou as die standaardmetode om proteïenkonsentrasie te bepaal. Omdat die Kjeldahl-metode nie die proteïeninhoud direk meet nie, is 'n omskakelingsfaktor (F) nodig om die gemete stikstofkonsentrasie na 'n proteïenkonsentrasie om te skakel. 'n Omskakelingsfaktor van 6,25 (gelykstaande aan 0,16 g stikstof per gram proteïen) word vir baie toepassings gebruik, dit is egter slegs 'n gemiddelde waarde, en elke proteïen het 'n ander omskakelingsfaktor na gelang van sy aminosuursamestelling. Die Kjeldahl-metode kan gerieflik in drie stappe verdeel word: vertering, neutralisasie en titrasie.

Die voedselmonster wat ontleed moet word, word in 'n verteringsfles geweeg en dan verteer deur dit te verhit in die teenwoordigheid van swaelsuur ('n oksideermiddel wat die voedsel verteer), watervrye natriumsulfaat (om die reaksie te versnel deur die kookpunt te verhoog) en 'n katalisator, soos koper, selenium, titanium of kwik (om die reaksie te versnel). Vertering skakel enige stikstof in die voedsel (behalwe dit wat in die vorm van nitrate of nitriete is) om in ammoniak, en ander organiese materiaal na C0 2 en H 2 0. Ammoniakgas word nie in 'n suuroplossing vrygestel nie, want die ammoniak is in die vorm van die ammoniumioon (NH 4 + ) wat aan die sulfaatioon (SO 4 2- ) bind en dus in oplossing bly:

Nadat die vertering voltooi is, word die verteringsfles met 'n buis aan 'n ontvangfles gekoppel. Die oplossing in die verteringsfles word dan alkalies gemaak deur natriumhidroksied by te voeg, wat die ammoniumsulfaat in ammoniakgas omskakel:

(NH 4 ) 2 SO 4 + 2 NaOH & reg 2NH 3 + 2H 2 O + Na 2 SO 4 (2)

Die ammoniakgas wat gevorm word, word uit die oplossing vrygestel en beweeg uit die verteringsfles en in die ontvangfles - wat 'n oormaat boorsuur bevat. Die lae pH van die oplossing in die ontvangsfles omskep die ammoniakgas in die ammoniumioon, en skakel terselfdertyd die boorsuur om na die boraation:

NH 3 + H 3 BO 3 (boorsuur) ® NH 4 + + H 2 BO 3 - (boraatioon) (3)

Die stikstofinhoud word dan beraam deur titrasie van die ammoniumboraat wat met standaard swawelsuur of soutsuur gevorm is, met behulp van 'n geskikte aanwyser om die eindpunt van die reaksie te bepaal.

H 2 BO 3 - + H + ® H 3 BO 3 (4)

Die konsentrasie waterstofione (in mol) wat nodig is om die eindpunt te bereik is gelykstaande aan die konsentrasie stikstof wat in die oorspronklike voedsel was (Vergelyking 3). Die volgende vergelyking kan gebruik word om die stikstofkonsentrasie van 'n monster wat m gram weeg te bepaal deur 'n x M HCl suuroplossing vir die titrasie te gebruik:

Waar vs en vb die titrasievolumes van die monster en blanko is, en 14g die molekulêre gewig van stikstof N is. 'n Leë monster word gewoonlik op dieselfde tyd as die materiaal wat ontleed word gehardloop om enige oorblywende stikstof wat in kan wees in ag te neem die reagense wat gebruik word om die analise uit te voer. Sodra die stikstofinhoud bepaal is, word dit omgeskakel na 'n proteïeninhoud deur die toepaslike omskakelingsfaktor te gebruik: %Proteïen = F %N.

6.2.1.4. Voordele en nadele

Voordele. Die Kjeldahl-metode word wyd internasionaal gebruik en is steeds die standaardmetode vir vergelyking met alle ander metodes. Sy universaliteit, hoë akkuraatheid en goeie reproduceerbaarheid het dit die belangrikste metode gemaak vir die skatting van proteïen in voedsel.

Nadele. Dit gee nie 'n maatstaf van die ware proteïen nie, aangesien alle stikstof in voedsel nie in die vorm van proteïen is nie. Verskillende proteïene benodig verskillende korreksiefaktore omdat hulle verskillende aminosuurvolgordes het. Die gebruik van gekonsentreerde swaelsuur by hoë temperature hou 'n aansienlike gevaar in, asook die gebruik van sommige van die moontlike katalisators. Die tegniek is tydrowend om uit te voer.

6.2.2. Verbeterde Dumas-metode

Onlangs is 'n outomatiese instrumentele tegniek ontwikkel wat in staat is om vinnig die proteïenkonsentrasie van voedselmonsters te meet. Hierdie tegniek is gebaseer op 'n metode wat eers meer as 'n eeu en 'n half gelede deur 'n wetenskaplike genaamd Dumas beskryf is. Dit begin meeding met die Kjeldahl-metode as die standaardmetode van analise vir proteïene vir sommige voedselsoorte weens die vinnigheid daarvan.

'n Monster met 'n bekende massa word in 'n hoë temperatuur (ongeveer 900 o C) kamer in die teenwoordigheid van suurstof verbrand. Dit lei tot die vrystelling van CO 2 , H 2 O en N 2 . Die CO 2 en H 2 O word verwyder deur die gasse oor spesiale kolomme te stuur wat dit absorbeer. Die stikstofinhoud word dan gemeet deur die oorblywende gasse deur 'n kolom te stuur wat 'n termiese geleidingsvermoëdetektor aan die einde het. Die kolom help om die stikstof te skei van enige oorblywende CO 2 en H 2 O wat moontlik in die gasstroom gebly het. Die instrument word gekalibreer deur 'n materiaal te analiseer wat suiwer is en 'n bekende stikstofkonsentrasie het, soos EDTA (= 9.59%N). Dus kan die sein van die termiese geleidingsvermoëdetektor in 'n stikstofinhoud omgeskakel word. Soos met die Kjeldahl-metode is dit nodig om die konsentrasie stikstof in 'n monster om te skakel na die proteïeninhoud, met behulp van geskikte omskakelingsfaktore wat afhang van die presiese aminosuurvolgorde van die proteïen.

6.2.2.2. Voordele en nadele

Voordele: Dit is baie vinniger as die Kjeldahl-metode (minder as 4 minute per meting, in vergelyking met 1-2 uur vir Kjeldahl). Dit het nie giftige chemikalieë of katalisators nodig nie. Baie monsters kan outomaties gemeet word. Dit is maklik om te gebruik.

Nadele: Hoë aanvanklike koste. Dit gee nie 'n maatstaf van die ware proteïen nie, aangesien alle stikstof in voedsel nie in die vorm van proteïen is nie. Verskillende proteïene benodig verskillende korreksiefaktore omdat hulle verskillende aminosuurvolgordes het. Die klein steekproefgrootte maak dit moeilik om 'n verteenwoordigende steekproef te verkry.

6.2.3. Metodes wat UV-sigbare spektroskopie gebruik

'n Aantal metodes is ontwerp om proteïenkonsentrasie te meet, wat op UV-sigbare spektroskopie gebaseer is. Hierdie metodes gebruik óf die natuurlike vermoë van proteïene om lig in die UV-sigbare gebied van die elektromagnetiese spektrum te absorbeer (of te verstrooi), óf hulle verander proteïene chemies of fisies om hulle lig in hierdie gebied te laat absorbeer (of te strooi). Die basiese beginsel agter elk van hierdie toetse is soortgelyk. Eerstens word 'n kalibrasiekurwe van absorpsie (of troebelheid) teenoor proteïenkonsentrasie voorberei deur 'n reeks proteïenoplossings van bekende konsentrasie te gebruik. Die absorpsie (of troebelheid) van die oplossing wat ontleed word, word dan by dieselfde golflengte gemeet, en die proteïenkonsentrasie daarvan word uit die kalibrasiekurwe bepaal. Die belangrikste verskil tussen die toetse is die chemiese groepe wat verantwoordelik is vir die absorpsie of verstrooiing van bestraling, bv. peptiedbindings, aromatiese sygroepe, basiese groepe en saamgevoegde proteïene.

'n Aantal van die mees algemene UV-sigbare metodes om die proteïeninhoud van voedsel te bepaal, word hieronder uitgelig:

Direkte meting by 280nm

Triptofaan en tirosien absorbeer ultravioletlig sterk by 280 nm. Die triptofaan- en tirosieninhoud van baie proteïene bly redelik konstant, en dus kan die absorpsie van proteïenoplossings by 280nm gebruik word om hul konsentrasie te bepaal. Die voordele van hierdie metode is dat die prosedure eenvoudig is om uit te voer, dit is nie vernietigend nie, en geen spesiale reagense word benodig nie. Die groot nadeel is dat nukleïensure ook sterk absorbeer by 280 nm en dus kan inmeng met die meting van die proteïen as hulle in voldoende konsentrasies teenwoordig is. Desondanks is metodes ontwikkel om hierdie probleem te oorkom, bv. deur die absorpsie by twee verskillende golflengtes te meet.

'n Perserige kleur word gevorm wanneer koperione (Cu 2+ ) met peptiedbindings onder alkaliese toestande in wisselwerking tree. Die biuretreagens, wat al die chemikalieë bevat wat nodig is om die ontleding uit te voer, kan kommersieel aangekoop word. Dit word met 'n proteïenoplossing gemeng en dan vir 15-30 minute laat staan ​​voordat die absorpsie by 540 nm gelees word. Die groot voordeel van hierdie tegniek is dat daar geen interferensie is van materiale wat by laer golflengtes adsorbeer nie, en die tegniek is minder sensitief vir proteïentipe omdat dit absorpsie gebruik wat peptiedbindings behels wat algemeen is vir alle proteïene, eerder as spesifieke sygroepe. Dit het egter 'n relatief lae sensitiwiteit in vergelyking met ander UV-sigbare metodes.

Die Lowry-metode kombineer die biureetreagens met 'n ander reagens (die Folin-Ciocalteau fenolreagens) wat met tirosien- en triptofaanreste in proteïene reageer. Dit gee 'n blouerige kleur wat iewers tussen 500 - 750 nm gelees kan word, afhangende van die sensitiwiteit wat benodig word. Daar is 'n klein piek rondom 500 nm wat gebruik kan word om hoë proteïenkonsentrasies te bepaal en 'n groot piek rondom 750 nm wat gebruik kan word om lae proteïenkonsentrasies te bepaal. Hierdie metode is meer sensitief vir lae konsentrasies proteïene as die biureetmetode.

'n Bekende oormaat van 'n negatief gelaaide (anioniese) kleurstof word by 'n proteïenoplossing gevoeg waarvan die pH so aangepas is dat die proteïene positief gelaai is (m.a.w. < die iso-elektriese punt). Die proteïene vorm 'n onoplosbare kompleks met die kleurstof as gevolg van die elektrostatiese aantrekking tussen die molekules, maar die ongebonde kleurstof bly oplosbaar. Die anioniese kleurstof bind aan kationiese groepe van die basiese aminosuurreste (histidien, arganien en lisien) en aan vrye aminoterminale groepe.Die hoeveelheid ongebonde kleurstof wat in oplossing oorbly nadat die onoplosbare proteïen-kleurstofkompleks verwyder is (bv. deur sentrifugering) word bepaal deur die absorpsie daarvan te meet. Die hoeveelheid proteïen wat in die oorspronklike oplossing teenwoordig is, is eweredig aan die hoeveelheid kleurstof wat daaraan gebind het: kleurstof gebonde = kleurstof aanvanklike - kleurstofvry .

Proteïenmolekules wat normaalweg in oplossing oplosbaar is, kan gemaak word om te presipiteer deur die byvoeging van sekere chemikalieë, bv. trichloorasynsuur. Proteïenpresipitasie veroorsaak dat die oplossing troebel word. Die konsentrasie proteïen kan dus bepaal word deur die mate van troebelheid te meet.

6.2.3.2. Voordele en nadele

Voordele: UV-sigbare tegnieke is redelik vinnig en maklik om uit te voer, en is sensitief vir lae konsentrasies proteïene.

Nadele: Vir die meeste UV-sigbare tegnieke is dit nodig om verdunde en deursigtige oplossings te gebruik, wat geen kontaminerende stowwe bevat wat lig op dieselfde golflengte absorbeer of verstrooi as die proteïen wat ontleed word nie. Die behoefte aan deursigtige oplossings beteken dat die meeste voedsel aansienlike hoeveelhede monstervoorbereiding moet ondergaan voordat dit ontleed kan word, bv. homogenisering, oplosmiddelekstraksie, sentrifugering, filtrasie, wat tydrowend en moeisaam kan wees. Daarbenewens is dit soms moeilik om proteïene kwantitatief uit sekere soorte voedsel te onttrek, veral nadat dit verwerk is sodat die proteïene saamgevoeg of kovalent met ander stowwe gebind word. Daarbenewens hang die absorpsie af van die tipe proteïen wat ontleed word (verskillende proteïene het verskillende aminosuurvolgordes).

6.2.4. Ander instrumentele tegnieke

Daar is 'n wye verskeidenheid verskillende instrumentele metodes beskikbaar om die totale proteïeninhoud van voedselmateriaal te bepaal. Hierdie kan in drie verskillende kategorieë verdeel word volgens hul fisies-chemiese beginsels: (i) meting van massa fisiese eienskappe, (ii) meting van adsorpsie van straling, en (iii) meting van verstrooiing van straling. Elke instrumentele metode het sy eie voordele en nadele, en reeks kosse waarop dit toegepas kan word.

Meting van Grootmaat Fisiese Eienskappe

  • Digtheid: Die digtheid van 'n proteïen is groter as dié van die meeste ander voedselkomponente, en dus is daar 'n toename in digtheid van 'n voedsel namate die proteïeninhoud daarvan toeneem. Die proteïeninhoud van voedsel kan dus bepaal word deur hul digtheid te meet.
  • Brekingsindeks: Die brekingsindeks van 'n waterige oplossing neem toe soos die proteïenkonsentrasie toeneem en daarom kan RI-metings gebruik word om die proteïeninhoud te bepaal.

Meting van Adsorpsie van Straling

  • UV-sigbaar: Die konsentrasie van proteïene kan bepaal word deur die absorpsie van ultraviolet-sigbare straling te meet (sien hierbo).
  • Infrarooi: Infrarooi tegnieke kan gebruik word om die konsentrasie van proteïene in voedselmonsters te bepaal. Proteïene absorbeer IR natuurlik as gevolg van kenmerkende vibrasies (rek en buiging) van sekere chemiese groepe langs die polipeptiedruggraat. Metings van die absorpsie van straling by sekere golflengtes kan dus gebruik word om die konsentrasie proteïen in die monster te kwantifiseer. IR is veral nuttig vir vinnige aanlyn-analise van proteïeninhoud. Dit verg ook min monstervoorbereiding en is nie-vernietigend. Die groot nadele daarvan is die hoë aanvanklike koste en die behoefte aan uitgebreide kalibrasie.
  • Kernmagnetiese resonansie: KMR-spektroskopie kan gebruik word om die totale proteïenkonsentrasie van voedsel te bepaal. Die proteïeninhoud word bepaal deur die area onder 'n piek te meet in 'n KMR chemiese verskuiwingspektra wat ooreenstem met die proteïenfraksie.

Meting van verstrooiing van straling

  • Ligverstrooiing: Die konsentrasie van proteïenaggregate in waterige oplossing kan met ligverstrooiingstegnieke bepaal word omdat die troebelheid van 'n oplossing direk eweredig is aan die konsentrasie van aggregate teenwoordig.
  • Ultrasoniese verstrooiing: Die konsentrasie van proteïenaggregate kan ook met behulp van ultrasoniese verstrooiingstegnieke bepaal word omdat die ultrasoniese snelheid en absorpsie van ultraklank verband hou met die konsentrasie van proteïenaggregate teenwoordig.

6.2.4.2. Voordele en nadele

'n Aantal van hierdie instrumentele metodes het groot voordele bo die ander tegnieke wat hierbo genoem is, want hulle is nie-vernietigend, vereis min of geen monstervoorbereiding, en metings is vinnig en presies. 'n Groot nadeel van die tegnieke wat staatmaak op metings van die massa fisiese eienskappe van voedsel is dat 'n kalibrasiekurwe tussen die fisiese eienskap van belang en die totale proteïeninhoud voorberei moet word, en dit kan afhang van die tipe proteïen teenwoordig en die voedsel matriks waarin dit vervat is. Daarbenewens kan die tegnieke gebaseer op metings van grootmaat fisies-chemiese eienskappe slegs gebruik word om voedsel met relatief eenvoudige samestellings te ontleed. In 'n voedsel wat baie verskillende komponente bevat waarvan die konsentrasie kan verskil, is dit moeilik om die bydrae wat die proteïen tot die algehele meting lewer van dié van die ander komponente te ontwarren.

6.2.5. Vergelyking van metodes

As voedselwetenskaplikes kan ons dikwels in 'n posisie wees waar ons 'n bepaalde tegniek moet kies om die proteïenkonsentrasie van 'n voedsel te meet. Hoe besluit ons watter tegniek die geskikste is vir ons spesifieke toepassing? Die eerste ding om te bepaal is waarvoor die inligting gebruik gaan word. As die ontleding vir amptelike doeleindes uitgevoer moet word, bv. wetlike of etiketteringsvereistes, dan is dit belangrik om 'n amptelik erkende metode te gebruik. Die Kjeldahl-metode, en toenemend die Dumas-metode, is amptelik goedgekeur vir 'n wye reeks voedseltoepassings. Daarteenoor is slegs 'n klein aantal toepassings van UV-sigbare spektroskopie amptelik erken.

Vir gehaltebeheerdoeleindes is dit dikwels nuttiger om vinnige en eenvoudige metings van proteïeninhoud te hê en daarom is IR-tegnieke die geskikste. Vir fundamentele studies in die laboratorium, waar suiwer proteïene dikwels ontleed word, word UV-sigbare spektroskopiese tegnieke dikwels verkies omdat dit vinnige en betroubare metings gee, en sensitief is vir lae konsentrasies proteïen.

Ander faktore wat moontlik in ag geneem moet word, is die hoeveelheid monstervoorbereiding wat benodig word, hul sensitiwiteit en hul spoed. Die Kjeldahl-, Dumas- en IR-metodes vereis baie min monstervoorbereiding. Nadat 'n verteenwoordigende monster van die voedsel gekies is, kan dit gewoonlik direk getoets word. Aan die ander kant vereis die verskillende UV-sigbare metodes uitgebreide monstervoorbereiding voor ontleding. Die proteïen moet uit die voedsel onttrek word in 'n verdunde deursigtige oplossing, wat gewoonlik tydrowende homogenisering, oplosmiddelekstraksie, filtrasie en sentrifugering prosedures behels. Daarbenewens kan dit moeilik wees om sommige proteïene heeltemal uit voedsel te isoleer omdat hulle sterk aan ander komponente gebind is. Die verskillende tegnieke het ook verskillende sensitiwiteite, dit wil sê die laagste konsentrasie proteïen wat hulle kan opspoor. Die UV-sigbare metodes is die sensitiefste en kan proteïenkonsentrasies so laag as 0,001 gew.% opspoor. Die sensitiwiteit van die Dumas-, Kjeldahl- en IR-metodes is iewers rondom 0,1 gew.%. Die tyd benodig per ontleding, en die aantal monsters wat gelyktydig uitgevoer kan word, is ook belangrike faktore om in ag te neem wanneer daar besluit word watter analitiese tegniek om te gebruik. IR-tegnieke is in staat om vinnig (< 1 minuut) van proteïenkonsentrasie te ontleed sodra dit gekalibreer is. Die moderne instrumentele Dumas-metode is ten volle outomaties en kan die proteïenkonsentrasie van 'n monster in minder as 5 minute meet, in vergelyking met die Kjeldahl-metode wat tussen 30 minute en 2 uur neem om uit te voer. Die verskillende UV-sigbare metodes wissel tussen 'n paar minute tot 'n uur (afhangende van die tipe kleurstof wat gebruik word en hoe lank dit neem om te reageer), hoewel dit wel die voordeel het dat baie monsters gelyktydig uitgevoer kan word. Nietemin is dit gewoonlik nodig om uitgebreide monstervoorbereiding uit te voer voor ontleding om 'n deursigtige oplossing te kry. Ander faktore wat belangrik kan wees wanneer 'n geskikte tegniek gekies word, is: die beskikbare toerusting, gemak van werking, die verlangde akkuraatheid, en of die tegniek nie-vernietigend is of nie.

6.3. Proteïenskeiding en karakterisering

In die vorige lesing is tegnieke wat gebruik is om die totale konsentrasie proteïen in 'n voedsel te bepaal, bespreek. Voedselontleders stel ook dikwels belang in die tipe proteïene wat in 'n voedsel voorkom omdat elke proteïen unieke voedings- en fisies-chemiese eienskappe het. Proteïentipe word gewoonlik bepaal deur die individuele proteïene van 'n komplekse mengsel van proteïene te skei en te isoleer, sodat hulle daarna geïdentifiseer en gekarakteriseer kan word. Proteïene word geskei op grond van verskille in hul fisies-chemiese eienskappe, soos grootte, lading, adsorpsie-eienskappe, oplosbaarheid en hitte-stabiliteit. Die keuse van 'n geskikte skeidingstegniek hang af van 'n aantal faktore, insluitend die redes vir die uitvoer van die analise, die hoeveelheid monster beskikbaar, die verlangde suiwerheid, die toerusting wat beskikbaar is, die tipe proteïene teenwoordig en die koste. Grootskaalse metodes is beskikbaar vir ru-isolasies van groot hoeveelhede proteïene, terwyl kleinskaalse metodes beskikbaar is vir proteïene wat duur is of slegs in klein hoeveelhede beskikbaar is. Een van die faktore wat in ag geneem moet word tydens die skeidingsprosedure is die moontlikheid dat die inheemse driedimensionele struktuur van die proteïenmolekules verander kan word.

'n Voorkennis van die uitwerking van omgewingstoestande op proteïenstruktuur en interaksies is uiters nuttig wanneer die mees geskikte skeidingstegniek gekies word. Eerstens, omdat dit help om die mees geskikte toestande te bepaal om te gebruik om 'n spesifieke proteïen uit 'n mengsel van proteïene te isoleer (bv. pH, ioniese sterkte, oplosmiddel, temperatuur, ens.), en tweedens omdat dit belangrik kan wees om toestande te kies wat nie die molekulêre struktuur van die proteïene nadelig beïnvloed nie.

6.3.1. Metodes gebaseer op verskillende oplosbaarheidskenmerke

Proteïene kan geskei word deur verskille in hul oplosbaarheid in waterige oplossings te ontgin. Die oplosbaarheid van 'n proteïenmolekule word deur sy aminosuurvolgorde bepaal omdat dit sy grootte, vorm, hidrofobisiteit en elektriese lading bepaal. Proteïene kan selektief presipiteer of oplosbaar gemaak word deur die pH, ioniese sterkte, diëlektriese konstante of temperatuur van 'n oplossing te verander. Hierdie skeidingstegnieke is die eenvoudigste om te gebruik wanneer groot hoeveelhede monsters betrokke is, omdat dit relatief vinnig, goedkoop is en nie veral deur ander voedselkomponente beïnvloed word nie. Hulle word dikwels as die eerste stap in enige skeidingsprosedure gebruik omdat die meerderheid van die kontaminerende materiaal maklik verwyder kan word.

Proteïene word uit waterige oplossings gepresipiteer wanneer die soutkonsentrasie 'n kritieke vlak oorskry, wat bekend staan ​​as uitsouting, omdat al die water aan die soute "gebind" is, en dus nie beskikbaar is om die proteïene te hidreer nie. Ammoniumsulfaat [(NH 4 ) 2 SO 4 ] word algemeen gebruik omdat dit 'n hoë wateroplosbaarheid het, alhoewel ander neutrale soute ook gebruik kan word, bv. NaCl of KCl. Oor die algemeen word 'n tweestap-prosedure gebruik om die skeidingsdoeltreffendheid te maksimeer. In die eerste stap word die sout bygevoeg teen 'n konsentrasie net onder die wat nodig is om die proteïen van belang uit te presipiteer. Die oplossing word dan gesentrifugeer om enige proteïene te verwyder wat minder oplosbaar is as die proteïen van belang. Die soutkonsentrasie word dan verhoog tot 'n punt net bokant dit wat nodig is om presipitasie van die proteïen te veroorsaak. Dit presipiteer die proteïen van belang (wat deur sentrifugering geskei kan word), maar laat meer oplosbare proteïene in oplossing. Die hoofprobleem met hierdie metode is dat groot konsentrasies sout die oplossing besoedel, wat verwyder moet word voordat die proteïen heroplosbaar gemaak kan word, bv. deur dialise of ultrafiltrasie.

Die iso-elektriese punt (pI) van 'n proteïen is die pH waar die netto lading op die proteïen nul is. Proteïene is geneig om te aggregeer en te presipiteer by hul pI omdat daar geen elektrostatiese afstoting is wat hulle uitmekaar hou nie. Proteïene het verskillende iso-elektriese punte as gevolg van hul verskillende aminosuurvolgorde (d.i. relatiewe getalle anioniese en kationiese groepe), en dus kan hulle geskei word deur die pH van 'n oplossing aan te pas. Wanneer die pH aangepas word na die pI van 'n spesifieke proteïen, presipiteer dit en laat die ander proteïene in oplossing.

Die oplosbaarheid van 'n proteïen hang af van die diëlektriese konstante van die oplossing wat dit omring omdat dit die grootte van die elektrostatiese interaksies tussen gelaaide groepe verander. Soos die diëlektriese konstante van 'n oplossing afneem, neem die grootte van die elektrostatiese interaksies tussen gelaaide spesies toe. Dit is geneig om die oplosbaarheid van proteïene in oplossing te verminder omdat hulle minder geïoniseer is, en daarom is die elektrostatiese afstoting tussen hulle nie voldoende om te verhoed dat hulle saamvoeg nie. Die diëlektriese konstante van waterige oplossings kan verlaag word deur wateroplosbare organiese oplosmiddels, soos etanol of asetoon, by te voeg. Die hoeveelheid organiese oplosmiddel wat benodig word om neerslag te veroorsaak, hang af van die proteïen en daarom kan proteïene op hierdie basis geskei word. Die optimum hoeveelheid organiese oplosmiddel wat benodig word om 'n proteïen te presipiteer wissel van ongeveer 5 tot 60%. Oplosmiddelfraksionering word gewoonlik by 0 o C of laer uitgevoer om proteïendenaturering te voorkom wat veroorsaak word deur temperatuurverhogings wat plaasvind wanneer organiese oplosmiddels met water gemeng word.

Denaturering van kontaminerende proteïene

Baie proteïene word gedenatureer en presipiteer uit oplossing wanneer dit bo 'n sekere temperatuur verhit word of deur 'n oplossing na hoogs suur of basiese pH's aan te pas. Proteïene wat stabiel is by hoë temperatuur of by uiterstes van pH, word die maklikste deur hierdie tegniek geskei omdat kontaminerende proteïene presipiteer kan word terwyl die proteïen van belang in oplossing bly.

6.3.2. Skeiding as gevolg van verskillende adsorpsie-eienskappe

Adsorpsie-chromatografie behels die skeiding van verbindings deur selektiewe adsorpsie-desorpsie by 'n soliede matriks wat in 'n kolom vervat is waardeur die mengsel beweeg. Skeiding is gebaseer op die verskillende affiniteite van verskillende proteïene vir die vaste matriks. Affiniteit- en ioonuitruilchromatografie is die twee hooftipes adsorpsie-chromatografie wat algemeen gebruik word vir die skeiding van proteïene. Skeiding kan uitgevoer word deur gebruik te maak van óf 'n oop kolom óf hoëdruk vloeistofchromatografie.

Ioonuitruilchromatografie

Ioonuitruilchromatografie maak staat op die omkeerbare adsorpsie-desorpsie van ione in oplossing tot 'n gelaaide vaste matriks of polimeernetwerk. Hierdie tegniek is die mees gebruikte chromatografiese tegniek vir proteïenskeiding. 'n Positief gelaaide matriks word 'n anioonwisselaar genoem omdat dit negatief gelaaide ione (anione) bind. 'n Negatief gelaaide matriks word 'n katioonuitruiler genoem omdat dit positief gelaaide ione (katione) bind. Die buffertoestande (pH en ioonsterkte) word aangepas om maksimum binding van die proteïen van belang aan die ioonuitruilkolom te bevorder. Kontaminerende proteïene bind minder sterk en gaan dus vinniger deur die kolom. Die proteïen van belang word dan geëlueer met 'n ander bufferoplossing wat die desorpsie daarvan uit die kolom bevoordeel (bv. verskillende pH of ioonsterkte).

Affiniteitschromatografie gebruik 'n stilstaande fase wat bestaan ​​uit 'n ligand wat kovalent aan 'n vaste drager gebind is. Die ligand is 'n molekule wat 'n hoogs spesifieke en unieke omkeerbare affiniteit vir 'n spesifieke proteïen het. Die monster wat ontleed moet word, word deur die kolom gevoer en die proteïen van belang bind aan die ligand, terwyl die kontaminerende proteïene direk deurgaan. Die proteïen van belang word dan geëlueer met 'n bufferoplossing wat die desorpsie daarvan uit die kolom bevoordeel. Hierdie tegniek is die mees doeltreffende manier om 'n individuele proteïen van 'n mengsel van proteïene te skei, maar dit is die duurste, vanweë die behoefte om kolomme te hê met spesifieke ligande daaraan gebind.

Beide ioonuitruil- en affiniteitschromatografie word algemeen gebruik om proteïene en aminosure in die laboratorium te skei. Hulle word minder algemeen vir kommersiële skeidings gebruik omdat hulle nie geskik is om groot volumes vinnig te skei nie en relatief duur is.

6.3.3. Skeiding as gevolg van grootte verskille

Proteïene kan ook volgens hul grootte geskei word. Tipies wissel die molekulêre gewigte van proteïene van ongeveer 10 000 tot 1 000 000 dalton. In die praktyk hang skeiding af van die Stokes-radius van 'n proteïen, eerder as direk van sy molekulêre gewig. Die Stokes-radius is die gemiddelde radius wat 'n proteïen in oplossing het, en hang af van sy driedimensionele molekulêre struktuur. Vir proteïene met dieselfde molekulêre gewig neem die Stokes-radius toe in die volgende volgorde: kompakte bolvormige proteïen < buigsame ewekansige spoel < staafagtige proteïen.

Dialise word gebruik om molekules in oplossing te skei deur gebruik te maak van semipermeabele membrane wat die deurgang van molekules kleiner as 'n sekere grootte toelaat, maar die verbygaan van groter molekules verhoed. 'n Proteïenoplossing word in dialisebuise geplaas wat verseël word en in 'n groot volume water of buffer geplaas word wat stadig geroer word. Lae molekulêre gewig opgeloste stowwe vloei deur die sak, maar die groot molekulêre gewig proteïen molekules bly in die sak. Dialise is 'n relatief stadige metode, wat tot 12 uur neem om te voltooi. Dit word dus die meeste in die laboratorium gebruik. Dialise word dikwels gebruik om sout uit proteïenoplossings te verwyder nadat dit deur uitsouting geskei is, en om buffers te verander.

'n Oplossing van proteïen word in 'n sel geplaas wat 'n semipermeabele membraan bevat, en druk word toegepas. Kleiner molekules gaan deur die membraan, terwyl die groter molekules in die oplossing bly. Die skeidingsbeginsel van hierdie tegniek is dus soortgelyk aan dialise, maar omdat druk toegepas word, is skeiding baie vinniger. Semipermeabele membrane met afsnypunte tussen ongeveer 500 tot 300 000 is beskikbaar. Daardie gedeelte van die oplossing wat deur die sel vasgehou word (groot molekules) word die retentaat genoem, terwyl daardie deel wat deur die membraan gaan (klein molekules) deel vorm van die ultrafiltraat. Ultrafiltrasie kan gebruik word om 'n proteïenoplossing te konsentreer, soute te verwyder, buffers uit te ruil of proteïene te fraksioneer op grond van hul grootte. Ultrafiltrasie-eenhede word in die laboratorium en op kommersiële skaal gebruik.

Grootte-uitsluitingchromatografie

Hierdie tegniek, soms bekend as gelfiltrasie, skei ook proteïene volgens hul grootte. 'n Proteïenoplossing word in 'n kolom gegooi wat gepak is met poreuse krale gemaak van 'n kruisgebonde polimeriese materiaal (soos dekstraan of agarose).Molekules groter as die porieë in die krale word uitgesluit, en beweeg vinnig deur die kolom, terwyl die beweging van molekules wat die porieë binnedring vertraag word. Molekules word dus uit die kolom geëlueer in volgorde van afnemende grootte. Krale van verskillende gemiddelde poriegroottes is beskikbaar om proteïene van verskillende molekulêre gewigte te skei. Vervaardigers van hierdie krale verskaf inligting oor die molekulêre gewigsreeks waarvoor hulle die geskikste is om te skei. Molekulêre gewigte van onbekende proteïene kan bepaal word deur hul elueringsvolumes Vo te vergelyk, met dié wat bepaal is deur proteïene met bekende molekulêre gewig te gebruik: 'n plot van elutievolume teenoor log( molekulêre gewig ) moet 'n reguit lyn gee. Een probleem met hierdie metode is dat die molekulêre gewig nie direk verband hou met die Stokes radius vir verskillende gevormde proteïene nie.

6.3.4. Skeiding deur Elektroforese

Elektroforese maak staat op verskille in die migrasie van gelaaide molekules in 'n oplossing wanneer 'n elektriese veld daaroor toegepas word. Dit kan gebruik word om proteïene te skei op grond van hul grootte, vorm of lading.

In nie-denaturerende elektroforese word 'n gebufferde oplossing van inheemse proteïene op 'n poreuse gel (gewoonlik poliakrielamied, stysel of agarose) gegooi en 'n spanning word oor die gel aangebring. Die proteïene beweeg deur die jel in 'n rigting wat afhang van die teken van hul lading, en teen 'n tempo wat afhang van die grootte van die lading, en die wrywing tot hul beweging:

Proteïene kan positief of negatief gelaai wees in oplossing afhangende van hul iso-elektriese punte (pI) en die pH van die oplossing. 'n Proteïen is negatief gelaai as die pH bo die pI is, en positief gelaai as die pH onder die pI is. Die grootte van die lading en toegepaste spanning sal bepaal hoe ver proteïene in 'n sekere tyd migreer. Hoe hoër die spanning of hoe groter die lading op die proteïen hoe verder sal dit beweeg. Die wrywing van 'n molekule is 'n maatstaf van sy weerstand teen beweging deur die jel en word grootliks bepaal deur die verhouding tussen die effektiewe grootte van die molekule, en die grootte van die porieë in die jel. Hoe kleiner die grootte van die molekule, of hoe groter die grootte van die porieë in die jel, hoe laer is die weerstand en dus hoe vinniger beweeg 'n molekule deur die jel. Jelle met verskillende porositeite kan by chemiese verskaffers gekoop word, of in die laboratorium aangemaak word. Kleiner porieë word verkry deur 'n hoër konsentrasie van kruisbindingsreagens te gebruik om die jel te vorm. Jelle kan tussen twee parallelle plate of in silindriese buise voorkom. In nie-denaturerende elektroforese word die inheemse proteïene geskei op grond van 'n kombinasie van hul lading, grootte en vorm.

In denaturerende elektroforese word proteïene hoofsaaklik op hul molekulêre gewig geskei. Proteïene word gedenatureer voor ontleding deur dit te meng met merkapto-etanol, wat disulfiedbindings afbreek, en natriumdodesielsulfaat (SDS), wat 'n anioniese oppervlakaktiewe middel is wat hidrofobies aan proteïenmolekules bind en veroorsaak dat hulle ontvou as gevolg van die afstoting tussen negatief gelaaide oppervlakaktiewe middels. hoofgroepe. Elke proteïenmolekule bind ongeveer dieselfde hoeveelheid SDS per eenheid lengte. Gevolglik is die lading per lengte-eenheid en die molekulêre konformasie ongeveer dieselfde vir alle proteïene. Soos proteïene deur 'n jelnetwerk beweeg, word hulle hoofsaaklik geskei op grond van hul molekulêre gewig omdat hul beweging afhang van die grootte van die proteïenmolekule relatief tot die grootte van die porieë in die jel: kleiner proteïene beweeg vinniger deur die matriks as groter molekules. Hierdie tipe elektroforese word algemeen genoem natriumdodesielsulfaat-poliakrielamiedgelelektroforese, of SDS-PAGE.

Om te bepaal hoe ver proteïene beweeg het, word 'n spoorkleurstof by die proteïenoplossing gevoeg, bv. broomfenolblou. Hierdie kleurstof is 'n klein gelaaide molekule wat voor die proteïene migreer. Nadat die elektroforese voltooi is, word die proteïene sigbaar gemaak deur die jel te behandel met 'n proteïenkleurstof soos Coomassie Brilliant Blue of silwer vlek. Die relatiewe mobiliteit van elke proteïenband word bereken:

Elektroforese word dikwels gebruik om die proteïensamestelling van voedselprodukte te bepaal. Die proteïen word uit die kos in oplossing onttrek, wat dan met behulp van elektroforese geskei word. SDS-PAGE word gebruik om die molekulêre gewig van 'n proteïen te bepaal deur R m te meet, en dit dan te vergelyk met 'n kalibrasiekurwe wat geproduseer word deur proteïene met bekende molekulêre gewig te gebruik: 'n plot van log (molekulêre gewig) teen relatiewe mobiliteit is gewoonlik lineêr. Denaturerende elektroforese is meer bruikbaar vir die bepaling van molekulêre gewigte as nie-denaturerende elektroforese, omdat die wrywing tot beweging nie afhang van die vorm of oorspronklike lading van die proteïenmolekules nie.

Iso-elektriese fokuselektroforese

Hierdie tegniek is 'n modifikasie van elektroforese, waarin proteïene geskei word deur lading op 'n gelmatriks wat 'n pH-gradiënt daaroor het. Proteïene migreer na die plek waar die pH gelyk is aan hul iso-elektriese punt en hou dan op beweeg omdat hulle nie meer gelaai is nie. Hierdie metode het een van die hoogste resolusies van alle tegnieke wat gebruik word om proteïene te skei. Jelle is beskikbaar wat 'n smal pH-reeks (2-3 eenhede) of 'n breë pH-reeks (3-10 eenhede) dek en 'n mens moet dus 'n jel kies wat die geskikste is vir die proteïene wat geskei word.

Tweedimensionele elektroforese

Iso-elektriese fokus en SDS-PAGE kan saam gebruik word om resolusie van komplekse proteïenmengsels te verbeter. Proteïene word in een rigting geskei op grond van lading met behulp van iso-elektriese fokus, en dan in 'n loodregte rigting op grond van grootte deur gebruik te maak van SDS-PAGE.


Inhoud

Proteïene is in die agtiende eeu deur Antoine Fourcroy en ander as 'n duidelike klas biologiese molekules erken, wat onderskei word deur die molekules se vermoë om te koaguleer of te flokkuleer onder behandelings met hitte of suur. [1] Opgemerkte voorbeelde het destyds albumien van eierwitte, bloedserumalbumien, fibrien en koringgluten ingesluit.

Proteïene is vir die eerste keer deur die Nederlandse chemikus Gerardus Johannes Mulder beskryf en in 1838 deur die Sweedse chemikus Jöns Jacob Berzelius genoem. [2] [3] Mulder het elementêre analise van algemene proteïene uitgevoer en gevind dat byna alle proteïene dieselfde empiriese formule, C het, het400H620N100O120P1S1. [4] Hy het tot die verkeerde gevolgtrekking gekom dat hulle moontlik uit 'n enkele tipe (baie groot) molekule saamgestel is. Die term "proteïen" om hierdie molekules te beskryf is voorgestel deur Mulder se medewerker Berzelius proteïen is afgelei van die Griekse woord πρώτειος (proteïene), wat beteken "primêr", [5] "aan die voorpunt", of "voor staan", [6] + -in. Mulder het voortgegaan om die produkte van proteïenafbraak te identifiseer, soos die aminosuur leucine waarvoor hy 'n (byna korrekte) molekulêre gewig van 131 Da gevind het. [4] Voor "proteïen" is ander name gebruik, soos "albumiene" of "albumineuse materiale" (Eiweisskörper, In Duits). [7]

Vroeë voedingswetenskaplikes soos die Duitser Carl von Voit het geglo dat proteïen die belangrikste voedingstof is om die struktuur van die liggaam in stand te hou, omdat daar algemeen geglo is dat “vleis vleis maak”. [8] Karl Heinrich Ritthausen het bekende proteïenvorme uitgebrei met die identifikasie van glutamiensuur. By die Connecticut Landbou-eksperimentstasie is 'n gedetailleerde oorsig van die groenteproteïene saamgestel deur Thomas Burr Osborne. Deur saam met Lafayette Mendel te werk en Liebig se wet van die minimum toe te pas in die voeding van laboratoriumrotte, is die voedings-essensiële aminosure vasgestel. Die werk is voortgesit en gekommunikeer deur William Cumming Rose. Die begrip van proteïene as polipeptiede het gekom deur die werk van Franz Hofmeister en Hermann Emil Fischer in 1902. [9] [10] Die sentrale rol van proteïene as ensieme in lewende organismes is eers in 1926 ten volle besef, toe James B. Sumner getoon het dat die ensiem urease was in werklikheid 'n proteïen. [11]

Die moeilikheid om proteïene in groot hoeveelhede te suiwer het dit vir vroeë proteïenbiochemici baie moeilik gemaak om dit te bestudeer. Vroeë studies het dus gefokus op proteïene wat in groot hoeveelhede gesuiwer kan word, bv. dié van bloed, eierwit, verskeie gifstowwe en spysverterings-/metaboliese ensieme wat van slagplase verkry word. In die 1950's het die Armour Hot Dog Co. 1 kg suiwer beespankreas-ribonuklease A gesuiwer en dit vryelik aan wetenskaplikes beskikbaar gestel. Hierdie gebaar het gehelp om ribonuklease A vir die volgende dekades 'n groot teiken vir biochemiese studie te word. [4]

Linus Pauling word gekrediteer met die suksesvolle voorspelling van gereelde proteïen sekondêre strukture gebaseer op waterstofbinding, 'n idee wat die eerste keer deur William Astbury in 1933 na vore gebring is. [12] Latere werk deur Walter Kauzmann oor denaturering, [13] [14] gedeeltelik gebaseer op vorige studies deur Kaj Linderstrøm-Lang, [15] het bygedra tot 'n begrip van proteïenvou en struktuur wat deur hidrofobiese interaksies bemiddel word.

Die eerste proteïen wat in volgorde gerangskik is, was insulien, deur Frederick Sanger, in 1949. Sanger het die aminosuurvolgorde van insulien korrek bepaal, en sodoende afdoende gedemonstreer dat proteïene uit lineêre polimere van aminosure bestaan ​​eerder as vertakte kettings, kolloïede of siklole. [16] Hy het die Nobelprys vir hierdie prestasie in 1958 gewen. [17]

Die eerste proteïenstrukture wat opgelos moes word, was hemoglobien en mioglobien, onderskeidelik deur Max Perutz en Sir John Cowdery Kendrew, in 1958. [18] [19] Vanaf 2017 [opdatering] , het die Proteïendatabank meer as 126 060 atoomresolusiestrukture van proteïene. [20] In meer onlangse tye is krio-elektronmikroskopie van groot makromolekulêre samestellings [21] en berekeningsproteïenstruktuurvoorspelling van klein proteïendomeine [22] twee metodes wat atoomresolusie nader.

Die aantal proteïene wat in 'n genoom gekodeer word, stem rofweg ooreen met die aantal gene (alhoewel daar 'n aansienlike aantal gene kan wees wat RNA van proteïen kodeer, bv. ribosomale RNA's). Virusse kodeer tipies 'n paar tot 'n paar honderd proteïene, archaea en bakterieë 'n paar honderd tot 'n paar duisend, terwyl eukariote tipies 'n paar duisend tot tienduisende proteïene kodeer (sien genoomgrootte vir 'n lys voorbeelde).

Die meeste proteïene bestaan ​​uit lineêre polimere wat uit reekse van tot 20 verskillende gebou is L-α- aminosure. Alle proteïnogeniese aminosure beskik oor gemeenskaplike strukturele kenmerke, insluitend 'n α-koolstof waaraan 'n aminogroep, 'n karboksielgroep en 'n veranderlike syketting gebind is. Slegs prolien verskil van hierdie basiese struktuur aangesien dit 'n ongewone ring aan die N-eind amiengroep bevat, wat die CO-NH amieddeel in 'n vaste konformasie dwing. [23] Die sykettings van die standaard aminosure, uiteengesit in die lys van standaard aminosure, het 'n groot verskeidenheid chemiese strukture en eienskappe dit is die gekombineerde effek van al die aminosuur sykettings in 'n proteïen wat uiteindelik die driedimensionele struktuur en die chemiese reaktiwiteit daarvan. [24] Die aminosure in 'n polipeptiedketting word deur peptiedbindings verbind. Sodra dit in die proteïenketting gekoppel is, word 'n individuele aminosuur a genoem oorblyfsel, en die gekoppelde reeks koolstof-, stikstof- en suurstofatome staan ​​bekend as die hoofketting of proteïen ruggraat. [25] : 19

Die peptiedbinding het twee resonansievorme wat 'n mate van dubbelbindingskarakter bydra en rotasie om sy as inhibeer, sodat die alfa-koolstowwe rofweg koplanêr is. Die ander twee tweehoekige hoeke in die peptiedbinding bepaal die plaaslike vorm wat deur die proteïenruggraat aangeneem word. [25] : 31 Die einde met 'n vrye aminogroep staan ​​bekend as die N-terminus of aminoterminus, terwyl die einde van die proteïen met 'n vrye karboksielgroep bekend staan ​​as die C-terminus of karboksieterminus (die volgorde van die proteïen word geskryf vanaf N-terminus na C-terminus, van links na regs).

Die woorde proteïen, polipeptied, en peptied is 'n bietjie dubbelsinnig en kan in betekenis oorvleuel. Proteïen word oor die algemeen gebruik om te verwys na die volledige biologiese molekule in 'n stabiele konformasie, terwyl peptied is oor die algemeen gereserveer vir 'n kort aminosuur oligomere wat dikwels nie 'n stabiele 3D-struktuur het nie. Maar die grens tussen die twee is nie goed gedefinieer nie en lê gewoonlik naby 20–30 residue. [26] Polipeptied kan verwys na enige enkele lineêre ketting van aminosure, gewoonlik ongeag lengte, maar impliseer dikwels 'n afwesigheid van 'n gedefinieerde konformasie.

Interaksies

Oorvloed in selle

Daar is beraam dat gemiddelde-grootte bakterieë ongeveer 2 miljoen proteïene per sel bevat (bv. E coli en Staphylococcus aureus). Kleiner bakterieë, soos Mykoplasma of spirochetes bevat minder molekules, in die orde van 50 000 tot 1 miljoen. Daarenteen is eukariotiese selle groter en bevat dus baie meer proteïen. Daar word byvoorbeeld geraam dat gisselle ongeveer 50 miljoen proteïene en menslike selle in die orde van 1 tot 3 miljard bevat. [30] Die konsentrasie van individuele proteïenkopieë wissel van 'n paar molekules per sel tot 20 miljoen. [31] Nie alle gene wat proteïene kodeer, word in die meeste selle uitgedruk nie en hul aantal hang af van byvoorbeeld seltipe en eksterne stimuli. Byvoorbeeld, van die sowat 20 000 proteïene wat deur die menslike genoom gekodeer word, word slegs 6 000 in limfoblasoïede selle opgespoor. [32]

Biosintese

Proteïene word saamgestel uit aminosure met behulp van inligting wat in gene gekodeer is. Elke proteïen het sy eie unieke aminosuurvolgorde wat gespesifiseer word deur die nukleotiedvolgorde van die geen wat vir hierdie proteïen kodeer. Die genetiese kode is 'n stel drie-nukleotiedstelle genoem kodons en elke drie-nukleotiedkombinasie dui 'n aminosuur aan, byvoorbeeld AUG (adenien-urasil-guanien) is die kode vir metionien. Omdat DNA vier nukleotiede bevat, is die totale aantal moontlike kodons 64, dus is daar 'n mate van oortolligheid in die genetiese kode, met sommige aminosure gespesifiseer deur meer as een kodon. [29] : 1002–42 Gene wat in DNS gekodeer is, word eers deur proteïene soos RNA-polimerase na voorboodskapper-RNA (mRNA) getranskribeer. Die meeste organismes verwerk dan die pre-mRNA (ook bekend as a primêre transkripsie) met behulp van verskeie vorme van Post-transkripsionele modifikasie om die volwasse mRNA te vorm, wat dan as 'n sjabloon vir proteïensintese deur die ribosoom gebruik word. In prokariote kan die mRNA óf gebruik word sodra dit geproduseer word, óf deur 'n ribosoom gebind word nadat dit van die nukleoïed wegbeweeg het. Daarteenoor maak eukariote mRNA in die selkern en translokeer dit dan oor die kernmembraan na die sitoplasma, waar proteïensintese dan plaasvind. Die tempo van proteïensintese is hoër in prokariote as eukariote en kan tot 20 aminosure per sekonde bereik. [33]

Die proses van sintetisering van 'n proteïen vanaf 'n mRNA-sjabloon staan ​​bekend as translasie. Die mRNA word op die ribosoom gelaai en word drie nukleotiede op 'n slag gelees deur elke kodon te pas by sy basisparingsantikodon wat op 'n oordrag-RNA-molekule geleë is, wat die aminosuur dra wat ooreenstem met die kodon wat dit herken. Die ensiem aminoasiel tRNA sintetase "laai" die tRNA molekules met die korrekte aminosure. Die groeiende polipeptied word dikwels die ontluikende ketting. Proteïene word altyd gebiosinteteer vanaf N-terminus na C-terminus. [29] : 1002–42

Die grootte van 'n gesintetiseerde proteïen kan gemeet word deur die aantal aminosure wat dit bevat en deur sy totale molekulêre massa, wat normaalweg in eenhede van daltons (sinoniem met atoommassa-eenhede), of die afgeleide eenheid kilodalton (kDa). Die gemiddelde grootte van 'n proteïen neem toe van Archaea na Bakterieë tot Eukariote (283, 311, 438 residue en 31, 34, 49 kDa onderskeidelik) as gevolg van 'n groter aantal proteïendomeine wat proteïene in hoër organismes uitmaak. [34] Gisproteïene is byvoorbeeld gemiddeld 466 aminosure lank en 53 kDa in massa. [26] Die grootste bekende proteïene is die titiene, 'n komponent van die spiersarkomeer, met 'n molekulêre massa van byna 3 000 kDa en 'n totale lengte van byna 27 000 aminosure. [35]

Chemiese sintese

Kort proteïene kan ook chemies gesintetiseer word deur 'n familie van metodes bekend as peptiedsintese, wat staatmaak op organiese sintese tegnieke soos chemiese afbinding om peptiede in 'n hoë opbrengs te produseer. [36] Chemiese sintese maak voorsiening vir die inbring van nie-natuurlike aminosure in polipeptiedkettings, soos aanhegting van fluoresserende probes aan aminosuursykettings. [37] Hierdie metodes is nuttig in laboratoriumbiochemie en selbiologie, hoewel gewoonlik nie vir kommersiële toepassings nie. Chemiese sintese is ondoeltreffend vir polipeptiede langer as ongeveer 300 aminosure, en die gesintetiseerde proteïene kan nie maklik hul inheemse tersiêre struktuur aanneem nie. Die meeste chemiese sintesemetodes gaan van C-terminus na N-terminus, teenoor die biologiese reaksie. [38]

Die meeste proteïene vou in unieke 3D-strukture. Die vorm waarin 'n proteïen natuurlik vou staan ​​bekend as sy inheemse konformasie. [25] : 36 Alhoewel baie proteïene sonder hulp kan vou, bloot deur die chemiese eienskappe van hul aminosure, benodig ander die hulp van molekulêre chaperone om in hul oorspronklike toestande te vou. [25] : 37 Biochemici verwys dikwels na vier verskillende aspekte van 'n proteïen se struktuur: [25] : 30–34

  • Primêre struktuur: die aminosuurvolgorde. 'n Proteïen is 'n poliamied.
  • Sekondêre struktuur: gereelde herhalende plaaslike strukture gestabiliseer deur waterstofbindings. Die mees algemene voorbeelde is die α-heliks, β-vel en draaie. Omdat sekondêre strukture plaaslik is, kan baie streke van verskillende sekondêre struktuur teenwoordig wees in dieselfde proteïenmolekule.
  • Tersiêre struktuur: die algehele vorm van 'n enkele proteïenmolekule die ruimtelike verhouding van die sekondêre strukture tot mekaar. Tersiêre struktuur word oor die algemeen gestabiliseer deur nie-plaaslike interaksies, meestal die vorming van 'n hidrofobiese kern, maar ook deur soutbrûe, waterstofbindings, disulfiedbindings en selfs posttranslasionele modifikasies. Die term "tersiêre struktuur" word dikwels as sinoniem met die term gebruik vou. Die tersiêre struktuur is wat die basiese funksie van die proteïen beheer.
  • Kwaternêre struktuur: die struktuur wat gevorm word deur verskeie proteïenmolekules (polipeptiedkettings), gewoonlik genoem proteïen subeenhede in hierdie konteks, wat as 'n enkele proteïenkompleks funksioneer.
  • Quinêre struktuur: die handtekeninge van proteïenoppervlak wat die oorvol sellulêre binnekant organiseer. Quinêre struktuur is afhanklik van verbygaande, dog noodsaaklike, makromolekulêre interaksies wat binne lewende selle voorkom.

Proteïene is nie heeltemal rigiede molekules nie. Benewens hierdie vlakke van struktuur, kan proteïene tussen verskeie verwante strukture verskuif terwyl hulle hul funksies verrig. In die konteks van hierdie funksionele herrangskikkings word daar gewoonlik na hierdie tersiêre of kwaternêre strukture verwys as "konformasies", en oorgange tussen hulle word genoem bouvorm veranderinge. Sulke veranderinge word dikwels veroorsaak deur die binding van 'n substraatmolekule aan 'n ensiem se aktiewe plek, of die fisiese gebied van die proteïen wat aan chemiese katalise deelneem.In oplossing ondergaan proteïene ook variasie in struktuur deur termiese vibrasie en die botsing met ander molekules. [29] : 368–75

Proteïene kan informeel in drie hoofklasse verdeel word, wat met tipiese tersiêre strukture korreleer: bolvormige proteïene, veselagtige proteïene en membraanproteïene. Byna alle bolvormige proteïene is oplosbaar en baie is ensieme. Veselagtige proteïene is dikwels struktureel, soos kollageen, die hoofkomponent van bindweefsel, of keratien, die proteïenkomponent van hare en naels. Membraanproteïene dien dikwels as reseptore of verskaf kanale vir polêre of gelaaide molekules om deur die selmembraan te beweeg. [29] : 165–85

'n Spesiale geval van intramolekulêre waterstofbindings binne proteïene, swak beskerm teen wateraanval en dus hul eie dehidrasie bevorder, word dehidrone genoem. [39]

Proteïendomeine

Baie proteïene is saamgestel uit verskeie proteïendomeine, dit wil sê segmente van 'n proteïen wat in afsonderlike strukturele eenhede vou. Domeine het gewoonlik ook spesifieke funksies, soos ensiematiese aktiwiteite (bv. kinase) of dit dien as bindingsmodules (bv. die SH3-domein bind aan prolienryke volgordes in ander proteïene).

Volgorde motief

Kort aminosuurvolgordes binne proteïene dien dikwels as herkenningsplekke vir ander proteïene. [40] Byvoorbeeld, SH3-domeine bind tipies aan kort PxxP-motiewe (d.i. 2 proliene [P], geskei deur twee ongespesifiseerde aminosure [x], hoewel die omliggende aminosure die presiese bindingspesifisiteit kan bepaal). Baie sulke motiewe is in die Eukariotiese Lineêre Motief (ELM) databasis versamel.

Proteïene is die hoofakteurs binne die sel, wat na bewering die pligte uitvoer wat gespesifiseer word deur die inligting wat in gene gekodeer is. [26] Met die uitsondering van sekere tipes RNA, is die meeste ander biologiese molekules relatief inerte elemente waarop proteïene inwerk. Proteïene maak die helfte van die droë gewig van 'n Escherichia coli sel, terwyl ander makromolekules soos DNA en RNA onderskeidelik slegs 3% en 20% uitmaak. [41] Die stel proteïene wat in 'n spesifieke sel of seltipe uitgedruk word, staan ​​bekend as sy proteoom.

Die hoofkenmerk van proteïene wat ook hul uiteenlopende stel funksies toelaat, is hul vermoë om ander molekules spesifiek en styf te bind. Die streek van die proteïen wat verantwoordelik is vir die binding van 'n ander molekule staan ​​bekend as die bindingsplek en is dikwels 'n depressie of "sak" op die molekulêre oppervlak. Hierdie bindingsvermoë word bemiddel deur die tersiêre struktuur van die proteïen, wat die bindingsplek se sak definieer, en deur die chemiese eienskappe van die omliggende aminosure se sykettings. Proteïenbinding kan buitengewoon styf en spesifiek wees, byvoorbeeld, die ribonuklease-inhibeerderproteïen bind aan menslike angiogenien met 'n sub-femtomolêre dissosiasiekonstante (<10 -15 M), maar bind glad nie aan sy amfibiese homoloog onkonase (>1 M). Uiters geringe chemiese veranderinge soos die byvoeging van 'n enkele metielgroep aan 'n bindingsvennoot kan soms voldoende wees om binding byna uit te skakel, byvoorbeeld, die aminoasiel tRNA-sintetase spesifiek vir die aminosuur valien diskrimineer teen die baie soortgelyke syketting van die aminosuur isoleucien. [42]

Proteïene kan aan ander proteïene sowel as aan klein-molekule substrate bind. Wanneer proteïene spesifiek aan ander kopieë van dieselfde molekule bind, kan hulle oligomeriseer om fibrille te vorm, hierdie proses vind dikwels plaas in strukturele proteïene wat bestaan ​​uit bolvormige monomere wat self assosieer om rigiede vesels te vorm. Proteïen-proteïen-interaksies reguleer ook ensiematiese aktiwiteit, beheer progressie deur die selsiklus, en laat die samestelling van groot proteïenkomplekse toe wat baie nouverwante reaksies met 'n gemeenskaplike biologiese funksie uitvoer. Proteïene kan ook aan selmembrane bind, of selfs in selmembrane geïntegreer word. Die vermoë van bindingsvennote om konformasieveranderinge in proteïene te veroorsaak, laat die konstruksie van uiters komplekse seinnetwerke toe. [29] : 830–49 Aangesien interaksies tussen proteïene omkeerbaar is, en baie afhanklik is van die beskikbaarheid van verskillende groepe vennootproteïene om aggregate te vorm wat in staat is om diskrete stelle funksie uit te voer, is studie van die interaksies tussen spesifieke proteïene 'n sleutel om belangrike aspekte van sellulêre funksie te verstaan, en uiteindelik die eienskappe wat bepaalde seltipes onderskei. [43] [44]

Ensieme

Die bekendste rol van proteïene in die sel is as ensieme, wat chemiese reaksies kataliseer. Ensieme is gewoonlik hoogs spesifiek en versnel slegs een of 'n paar chemiese reaksies. Ensieme voer die meeste van die reaksies uit wat betrokke is by metabolisme, sowel as die manipulering van DNS in prosesse soos DNS-replikasie, DNS-herstel en transkripsie. Sommige ensieme werk op ander proteïene om chemiese groepe by te voeg of te verwyder in 'n proses wat bekend staan ​​as posttranslasionele modifikasie. Dit is bekend dat ongeveer 4 000 reaksies deur ensieme gekataliseer word. [45] Die tempoversnelling wat deur ensiematiese katalise verleen word, is dikwels enorm – soveel as 10 17-voudige toename in tempo oor die ongekataliseerde reaksie in die geval van orotaatdekarboksilase (78 miljoen jaar sonder die ensiem, 18 millisekondes met die ensiem). [46]

Die molekules wat deur ensieme gebind en daarop inwerk, word substrate genoem. Alhoewel ensieme uit honderde aminosure kan bestaan, is dit gewoonlik net 'n klein fraksie van die residue wat met die substraat in aanraking kom, en 'n selfs kleiner fraksie - gemiddeld drie tot vier residue - wat direk by katalise betrokke is. [47] Die gebied van die ensiem wat die substraat bind en die katalitiese residue bevat, staan ​​bekend as die aktiewe plek.

Dirigente proteïene is lede van 'n klas proteïene wat die stereochemie dikteer van 'n verbinding wat deur ander ensieme gesintetiseer word. [48]

Selsein en ligandbinding

Baie proteïene is betrokke by die proses van selsein en seintransduksie. Sommige proteïene, soos insulien, is ekstrasellulêre proteïene wat 'n sein van die sel waarin dit gesintetiseer is na ander selle in verafgeleë weefsels oordra. Ander is membraanproteïene wat as reseptore optree wie se hooffunksie is om 'n seinmolekule te bind en 'n biochemiese reaksie in die sel te veroorsaak. Baie reseptore het 'n bindingsplek wat op die seloppervlak blootgestel is en 'n effektordomein binne die sel, wat ensiematiese aktiwiteit kan hê of 'n konformasieverandering kan ondergaan wat deur ander proteïene binne die sel opgespoor word. [28] : 251–81

Teenliggaampies is proteïenkomponente van 'n aanpasbare immuunstelsel wie se hooffunksie is om antigene, of vreemde stowwe in die liggaam te bind, en teiken vir vernietiging. Teenliggaampies kan in die ekstrasellulêre omgewing afgeskei word of in die membrane van gespesialiseerde B-selle, bekend as plasmaselle, geanker word. Terwyl ensieme beperk word in hul bindingsaffiniteit vir hul substrate deur die noodsaaklikheid om hul reaksie uit te voer, het teenliggaampies nie sulke beperkings nie. 'n Teenliggaam se bindingsaffiniteit vir sy teiken is buitengewoon hoog. [29] : 275–50

Baie ligand-transportproteïene bind spesifieke klein biomolekules en vervoer hulle na ander plekke in die liggaam van 'n meersellige organisme. Hierdie proteïene moet 'n hoë bindingsaffiniteit hê wanneer hul ligand in hoë konsentrasies teenwoordig is, maar moet ook die ligand vrystel wanneer dit teen lae konsentrasies in die teikenweefsel teenwoordig is. Die kanoniese voorbeeld van 'n ligand-bindende proteïen is hemoglobien, wat suurstof van die longe na ander organe en weefsels in alle gewerwelde diere vervoer en het noue homoloë in elke biologiese koninkryk. [29] : 222–29 Lektiene is suikerbindende proteïene wat hoogs spesifiek vir hul suikerdele is. Lektiene speel tipies 'n rol in biologiese herkenningsverskynsels wat selle en proteïene behels. [49] Reseptore en hormone is hoogs spesifieke bindende proteïene.

Transmembraanproteïene kan ook as ligand-transportproteïene dien wat die deurlaatbaarheid van die selmembraan na klein molekules en ione verander. Die membraan alleen het 'n hidrofobiese kern waardeur polêre of gelaaide molekules nie kan diffundeer nie. Membraanproteïene bevat interne kanale wat sulke molekules toelaat om die sel binne te gaan en te verlaat. Baie ioonkanaalproteïene is gespesialiseerd om slegs vir 'n spesifieke ioon te selekteer, byvoorbeeld, kalium- en natriumkanale onderskei dikwels net vir een van die twee ione. [28] : 232–34

Strukturele proteïene

Strukturele proteïene verleen styfheid en rigiditeit aan andersins vloeibare biologiese komponente. Die meeste strukturele proteïene is byvoorbeeld veselagtige proteïene, kollageen en elastien is kritieke komponente van bindweefsel soos kraakbeen, en keratien word gevind in harde of filamentagtige strukture soos hare, naels, vere, hoewe en sommige dieredoppe. [29] : 178–81 Sommige bolvormige proteïene kan ook strukturele funksies speel, byvoorbeeld, aktien en tubulien is bolvormig en oplosbaar as monomere, maar polimeriseer om lang, stywe vesels te vorm waaruit die sitoskelet bestaan, wat die sel toelaat om sy vorm en grootte.

Ander proteïene wat strukturele funksies dien, is motoriese proteïene soos miosien, kinesien en dineïen, wat in staat is om meganiese kragte op te wek. Hierdie proteïene is noodsaaklik vir sellulêre beweeglikheid van enkelsellige organismes en die sperm van baie meersellige organismes wat seksueel voortplant. Hulle genereer ook die kragte wat uitgeoefen word deur spiere te kontrakteer [29] : 258–64, 272 en speel noodsaaklike rolle in intrasellulêre vervoer.

'n Sleutelvraag in molekulêre biologie is hoe proteïene ontwikkel, dit wil sê hoe kan mutasies (of eerder veranderinge in aminosuurvolgorde) tot nuwe strukture en funksies lei? Die meeste aminosure in 'n proteïen kan verander word sonder om aktiwiteit of funksie te ontwrig, soos gesien kan word uit talle homoloë proteïene oor spesies heen (soos versamel in gespesialiseerde databasisse vir proteïenfamilies, bv. PFAM). [50] Om dramatiese gevolge van mutasies te voorkom, kan 'n geen gedupliseer word voordat dit vrylik kan muteer. Dit kan egter ook lei tot volledige verlies van geenfunksie en dus pseudo-gene. [51] Meer algemeen het enkele aminosuurveranderinge beperkte gevolge, hoewel sommige proteïenfunksie aansienlik kan verander, veral in ensieme. Byvoorbeeld, baie ensieme kan hul substraatspesifisiteit verander deur een of 'n paar mutasies. [52] Veranderinge in substraatspesifisiteit word vergemaklik deur substraat promiskuïteit, dit wil sê die vermoë van baie ensieme om verskeie substrate te bind en te verwerk. Wanneer mutasies voorkom, kan die spesifisiteit van 'n ensiem toeneem (of afneem) en dus sy ensiematiese aktiwiteit. [52] So kan bakterieë (of ander organismes) aanpas by verskillende voedselbronne, insluitend onnatuurlike substrate soos plastiek. [53]

Die aktiwiteite en strukture van proteïene kan ondersoek word in vitro, in vivo en in silico. In vitro studies van gesuiwerde proteïene in beheerde omgewings is nuttig om te leer hoe 'n proteïen sy funksie uitvoer: ensiemkinetikastudies ondersoek byvoorbeeld die chemiese meganisme van 'n ensiem se katalitiese aktiwiteit en sy relatiewe affiniteit vir verskeie moontlike substraatmolekules. In kontras met, in vivo eksperimente kan inligting verskaf oor die fisiologiese rol van 'n proteïen in die konteks van 'n sel of selfs 'n hele organisme. In silico studies gebruik berekeningsmetodes om proteïene te bestudeer.

Proteïen suiwering

Om op te tree in vitro analise, moet 'n proteïen weg van ander sellulêre komponente gesuiwer word. Hierdie proses begin gewoonlik met sellise, waarin 'n sel se membraan ontwrig word en die interne inhoud daarvan vrygestel word in 'n oplossing bekend as 'n ru-lisaat. Die resulterende mengsel kan gesuiwer word met behulp van ultrasentrifugering, wat die verskillende sellulêre komponente fraksioneer in fraksies wat oplosbare proteïene bevat membraanlipiede en proteïene sellulêre organelle, en nukleïensure. Presipitasie deur 'n metode bekend as uitsouting kan die proteïene van hierdie lysaat konsentreer. Verskeie tipes chromatografie word dan gebruik om die proteïen of proteïene van belang te isoleer gebaseer op eienskappe soos molekulêre gewig, netto lading en bindingsaffiniteit. [25] : 21–24 Die suiweringsvlak kan gemonitor word met behulp van verskeie tipes gelelektroforese indien die verlangde proteïen se molekulêre gewig en iso-elektriese punt bekend is, deur spektroskopie as die proteïen onderskeibare spektroskopiese kenmerke het, of deur ensiemtoetse indien die proteïen het ensiematiese aktiwiteit. Daarbenewens kan proteïene volgens hul lading geïsoleer word deur elektrofokusering te gebruik. [54]

Vir natuurlike proteïene kan 'n reeks suiweringsstappe nodig wees om proteïen wat suiwer genoeg is vir laboratoriumtoepassings te verkry. Om hierdie proses te vereenvoudig, word genetiese ingenieurswese dikwels gebruik om chemiese kenmerke by proteïene te voeg wat dit makliker maak om te suiwer sonder om hul struktuur of aktiwiteit te beïnvloed. Hier word 'n "merker" wat bestaan ​​uit 'n spesifieke aminosuurvolgorde, dikwels 'n reeks histidienreste ('n "His-merker"), aan een terminus van die proteïen geheg. As gevolg hiervan, wanneer die lysaat oor 'n chromatografiekolom wat nikkel bevat gevoer word, lig die histidienresidu die nikkel en heg aan die kolom terwyl die ongemerkte komponente van die lysaat onbelemmerd verbygaan. 'n Aantal verskillende merkers is ontwikkel om navorsers te help om spesifieke proteïene uit komplekse mengsels te suiwer. [55]

Sellulêre lokalisering

Die studie van proteïene in vivo is dikwels gemoeid met die sintese en lokalisering van die proteïen binne die sel. Alhoewel baie intrasellulêre proteïene in die sitoplasma gesintetiseer word en membraangebonde of afgeskeide proteïene in die endoplasmiese retikulum, is die besonderhede van hoe proteïene gerig word op spesifieke organelle of sellulêre strukture dikwels onduidelik. 'n Nuttige tegniek vir die assessering van sellulêre lokalisering gebruik genetiese ingenieurswese om in 'n sel 'n samesmeltingsproteïen of chimera uit te druk wat bestaan ​​uit die natuurlike proteïen van belang gekoppel aan 'n "verslaggewer" soos groen fluoresserende proteïen (GFP). [56] Die saamgesmelte proteïen se posisie binne die sel kan skoon en doeltreffend gevisualiseer word met behulp van mikroskopie, [57] soos getoon in die figuur hiernaas.

Ander metodes om die sellulêre ligging van proteïene toe te lig vereis die gebruik van bekende kompartementele merkers vir streke soos die ER, die Golgi, lisosome of vakuole, mitochondria, chloroplaste, plasmamembraan, ens. Met die gebruik van fluoresserend gemerkte weergawes van hierdie merkers of van teenliggaampies teen bekende merkers, word dit baie makliker om die lokalisering van 'n proteïen van belang te identifiseer. Byvoorbeeld, indirekte immunofluoressensie sal voorsiening maak vir fluoressensie-kolokalisering en demonstrasie van ligging. Fluorescerende kleurstowwe word gebruik om sellulêre kompartemente vir 'n soortgelyke doel te benoem. [58]

Ander moontlikhede bestaan ​​ook. Byvoorbeeld, immunohistochemie gebruik gewoonlik 'n teenliggaam teen een of meer proteïene van belang wat gekonjugeer is aan ensieme wat óf luminescerende óf chromogeniese seine lewer wat tussen monsters vergelyk kan word, wat lokaliseringsinligting toelaat. Nog 'n toepaslike tegniek is kofraksionering in sukrose (of ander materiaal) gradiënte met behulp van isopikniese sentrifugering. [59] Alhoewel hierdie tegniek nie kolokalisering van 'n kompartement met bekende digtheid en die proteïen van belang bewys nie, verhoog dit wel die waarskynlikheid, en is meer vatbaar vir grootskaalse studies.

Laastens, die goudstandaard metode van sellulêre lokalisering is immuno-elektronmikroskopie. Hierdie tegniek gebruik ook 'n teenliggaam teen die proteïen van belang, saam met klassieke elektronmikroskopie tegnieke. Die monster word voorberei vir normale elektronmikroskopiese ondersoek, en dan behandel met 'n teenliggaam teen die proteïen van belang wat gekonjugeer is aan 'n uiters elektro-digte materiaal, gewoonlik goud. Dit maak voorsiening vir die lokalisering van beide ultrastrukturele besonderhede sowel as die proteïen van belang. [60]

Deur 'n ander genetiese ingenieurstoepassing bekend as terreingerigte mutagenese, kan navorsers die proteïenvolgorde en dus die struktuur, sellulêre lokalisering en vatbaarheid vir regulering verander. Hierdie tegniek laat selfs die inkorporering van onnatuurlike aminosure in proteïene toe, deur gebruik te maak van gemodifiseerde tRNA's, [61] en kan die rasionele ontwerp van nuwe proteïene met nuwe eienskappe moontlik maak. [62]

Proteomika

Die totale komplement van proteïene teenwoordig op 'n slag in 'n sel of seltipe staan ​​bekend as sy proteoom, en die studie van sulke grootskaalse datastelle definieer die veld van proteomika, wat na analogie van die verwante veld van genomika genoem word. Sleutel eksperimentele tegnieke in proteomika sluit in 2D-elektroforese, [63] wat die skeiding van baie proteïene moontlik maak, massaspektrometrie, [64] wat vinnige hoë-deurvloei-identifikasie van proteïene en volgordebepaling van peptiede moontlik maak (meestal na in-gel vertering), proteïen mikroskikkings, wat die opsporing van die relatiewe vlakke van die verskillende proteïene in 'n sel moontlik maak, en twee-hibriede sifting, wat die sistematiese verkenning van proteïen-proteïen-interaksies moontlik maak. [65] Die totale komplement van biologies moontlike sulke interaksies staan ​​bekend as die interaktoom. [66] 'n Sistematiese poging om die strukture van proteïene wat elke moontlike vou verteenwoordig te bepaal, staan ​​bekend as strukturele genomika. [67]

Struktuurbepaling

Die ontdekking van die tersiêre struktuur van 'n proteïen, of die kwaternêre struktuur van sy komplekse, kan belangrike leidrade verskaf oor hoe die proteïen sy funksie verrig en hoe dit beïnvloed kan word, dit wil sê in geneesmiddelontwerp. Aangesien proteïene te klein is om onder 'n ligmikroskoop gesien te word, moet ander metodes gebruik word om hul struktuur te bepaal. Algemene eksperimentele metodes sluit in X-straalkristallografie en KMR-spektroskopie, wat beide strukturele inligting by atoomresolusie kan produseer. KMR-eksperimente is egter in staat om inligting te verskaf waaruit 'n subset van afstande tussen pare atome geskat kan word, en die finale moontlike konformasies vir 'n proteïen word bepaal deur 'n afstandsgeometrieprobleem op te los. Dubbelpolarisasie-interferometrie is 'n kwantitatiewe analitiese metode om die algehele proteïenkonformasie en konformasieveranderinge as gevolg van interaksies of ander stimulus te meet. Sirkulêre dichroïsme is 'n ander laboratoriumtegniek vir die bepaling van interne β-vel / α-helikale samestelling van proteïene. Krio-elektronmikroskopie word gebruik om strukturele inligting met laer resolusie oor baie groot proteïenkomplekse, insluitend saamgestelde virusse te produseer [28] : 340–41 'n variant bekend as elektronkristallografie kan in sommige gevalle ook hoë-resolusie-inligting produseer, veral vir tweedimensionele kristalle van membraanproteïene. [68] Opgeloste strukture word gewoonlik in die Proteïendatabank (PDB) gedeponeer, 'n vrylik beskikbare hulpbron waaruit strukturele data oor duisende proteïene verkry kan word in die vorm van Cartesiese koördinate vir elke atoom in die proteïen. [69]

Baie meer geenvolgordes is bekend as proteïenstrukture. Verder is die stel opgeloste strukture bevooroordeeld na proteïene wat maklik onderwerp kan word aan die voorwaardes wat vereis word in X-straal kristallografie, een van die belangrikste struktuur bepaling metodes. In die besonder is globulêre proteïene relatief maklik om te kristalliseer ter voorbereiding vir X-straalkristallografie.Membraanproteïene en groot proteïenkomplekse, daarenteen, is moeilik om te kristalliseer en word onderverteenwoordig in die VOB. [70] Strukturele genomika-inisiatiewe het gepoog om hierdie tekortkominge reg te stel deur verteenwoordigende strukture van groot vouklasse sistematies op te los. Proteïenstruktuurvoorspellingsmetodes poog om 'n manier te verskaf om 'n geloofwaardige struktuur te genereer vir proteïene waarvan die strukture nie eksperimenteel bepaal is nie. [71]

Struktuurvoorspelling

Aanvullend tot die veld van strukturele genomika, proteïenstruktuur voorspelling ontwikkel doeltreffende wiskundige modelle van proteïene om die molekulêre formasies in teorie berekenend te voorspel, in plaas daarvan om strukture met laboratoriumwaarneming op te spoor. [72] Die mees suksesvolle tipe struktuurvoorspelling, bekend as homologie-modellering, maak staat op die bestaan ​​van 'n "sjabloon"-struktuur met volgorde-ooreenkoms met die proteïen wat gemodelleer word. strukturele genomika se doel is om voldoende verteenwoordiging in opgeloste strukture te verskaf om die meeste van die wat oorbly. [73] Alhoewel die vervaardiging van akkurate modelle 'n uitdaging bly wanneer slegs ververwante sjabloonstrukture beskikbaar is, is daar voorgestel dat volgordebelyning die bottelnek in hierdie proses is, aangesien redelik akkurate modelle geproduseer kan word as 'n "perfekte" volgordebelyning bekend is. [74] Baie struktuurvoorspellingsmetodes het gedien om die ontluikende veld van proteïeningenieurswese, waarin nuwe proteïenvoue reeds ontwerp is, in te lig. [75] Ook proteïene (in eukariote

33%) bevat groot ongestruktureerde maar biologies funksionele segmente en kan as intrinsiek versteurde proteïene geklassifiseer word. [76] Die voorspelling en ontleding van proteïenversteuring is dus 'n belangrike deel van proteïenstruktuurkarakterisering. [77]

Bioinformatika

'n Groot verskeidenheid berekeningsmetodes is ontwikkel om die struktuur, funksie en evolusie van proteïene te ontleed. Die ontwikkeling van sulke instrumente is gedryf deur die groot hoeveelheid genomiese en proteomiese data wat beskikbaar is vir 'n verskeidenheid organismes, insluitend die menslike genoom. Dit is eenvoudig onmoontlik om alle proteïene eksperimenteel te bestudeer, gevolglik word slegs 'n paar aan laboratorium-eksperimente onderwerp terwyl berekeningsinstrumente gebruik word om na soortgelyke proteïene te ekstrapoleer. Sulke homoloë proteïene kan doeltreffend in ver-verwante organismes geïdentifiseer word deur volgorde-belyning. Genoom- en geenvolgordes kan deur 'n verskeidenheid instrumente vir sekere eienskappe gesoek word. Volgorde-profielinstrumente kan beperkingsensiemplekke vind, leesrame in nukleotiedvolgordes oopmaak en sekondêre strukture voorspel. Filogenetiese bome kan gekonstrueer word en evolusionêre hipoteses ontwikkel met behulp van spesiale sagteware soos ClustalW met betrekking tot die voorgeslagte van moderne organismes en die gene wat hulle uitdruk. Die veld van bioinformatika is nou onontbeerlik vir die ontleding van gene en proteïene.

In silico simulasie van dinamiese prosesse

'n Meer komplekse berekeningsprobleem is die voorspelling van intermolekulêre interaksies, soos in molekulêre dok, [78] proteïenvou, proteïen-proteïen-interaksie en chemiese reaktiwiteit. Wiskundige modelle om hierdie dinamiese prosesse te simuleer, behels molekulêre meganika, veral molekulêre dinamika. In hierdie verband, in silico simulasies het die vou van klein α-helikale proteïendomeine ontdek soos die villin-kopstuk, [79] die MIV-bykomstige proteïen [80] en hibriede metodes wat standaard molekulêre dinamika kombineer met kwantummeganiese wiskunde het die elektroniese toestande van rodopsiene ondersoek. [81]

Behalwe klassieke molekulêre dinamika, laat kwantumdinamika-metodes die simulasie van proteïene in atomistiese detail toe met 'n akkurate beskrywing van kwantummeganiese effekte. Voorbeelde sluit in die multi-laag multi-konfigurasie tyd-afhanklike Hartree (MCTDH) metode en die hiërargiese bewegingsvergelykings (HEOM) benadering, wat onderskeidelik toegepas is op plant kriptochrome [82] en bakterieë lig-oes komplekse, [83]. Beide kwantum- en klassieke meganiese simulasies van biologiese skaalstelsels is uiters rekenkundig veeleisend, so verspreide rekenaarinisiatiewe (byvoorbeeld die [email protected] [84] ) vergemaklik die molekulêre modellering deur vooruitgang in GPU-parallelle verwerking en Monte Carlo-tegnieke te ontgin.

Chemiese analise

Die totale stikstofinhoud van organiese materiaal word hoofsaaklik deur die aminogroepe in proteïene gevorm. Die Totale Kjeldahl Stikstof (TKN) is 'n maatstaf van stikstof wat wyd gebruik word in die ontleding van (afval) water, grond, voedsel, voer en organiese materiaal in die algemeen. Soos die naam aandui, word die Kjeldahl-metode toegepas. Meer sensitiewe metodes is beskikbaar. [85] [86]

Die meeste mikroörganismes en plante kan al 20 standaard aminosure biosinteer, terwyl diere (insluitend mense) van die aminosure uit die dieet moet verkry. [41] Die aminosure wat 'n organisme nie op sy eie kan sintetiseer nie, word na verwys as essensiële aminosure. Sleutelensieme wat sekere aminosure sintetiseer, is nie in diere teenwoordig nie—soos aspartokinase, wat die eerste stap in die sintese van lisien, metionien en treonien vanaf aspartaat kataliseer. As aminosure in die omgewing teenwoordig is, kan mikroörganismes energie bespaar deur die aminosure uit hul omgewing op te neem en hul biosintetiese weë af te reguleer.

By diere word aminosure verkry deur die verbruik van voedsel wat proteïene bevat. Ingeneemde proteïene word dan deur vertering in aminosure afgebreek, wat tipies denaturering van die proteïen behels deur blootstelling aan suur en hidrolise deur ensieme wat proteases genoem word. Sommige ingeneemde aminosure word vir proteïenbiosintese gebruik, terwyl ander deur glukoneogenese na glukose omgeskakel word, of in die sitroensuursiklus ingevoer word. Hierdie gebruik van proteïen as brandstof is veral belangrik onder hongersnoodtoestande, aangesien dit die liggaam se eie proteïene gebruik kan word om lewe te ondersteun, veral dié wat in spiere voorkom. [87]

By diere soos honde en katte handhaaf proteïen die gesondheid en kwaliteit van die vel deur haarfollikelgroei en keratinisering te bevorder, en sodoende die waarskynlikheid dat velprobleme kwalike reuke veroorsaak, te verminder. [88] Swak-gehalte proteïene speel ook 'n rol met betrekking tot gastro-intestinale gesondheid, wat die potensiaal vir winderigheid en reukverbindings by honde verhoog, want wanneer proteïene die dikderm in 'n onverteerde toestand bereik, word hulle gefermenteer en produseer waterstofsulfiedgas, indool en skatool. [89] Honde en katte verteer diereproteïene beter as dié van plante, maar produkte van lae-gehalte dierlike oorsprong word swak verteer, insluitend vel, vere en bindweefsel. [89]


Proteïensuiwering en -analise: volgende generasie Westerse kladtegnieke

Western blotting is een van die mees gebruikte tegnieke in molekulêre biologie en proteomika. Aangesien Western blotting 'n meerstapprotokol is, kan variasies en foute by enige stap voorkom wat die betroubaarheid en reproduceerbaarheid van hierdie tegniek verminder. Onlangse verslae dui daarop dat 'n paar sleutelstappe, soos die monstervoorbereidingsmetode, die hoeveelheid en bron van primêre teenliggaampies wat gebruik word, sowel as die normaliseringsmetode wat gebruik word, van kritieke belang is vir reproduceerbare western klad-resultate. Gebiede wat gedek word: In hierdie oorsig word verbeterings in verskillende areas van western blotting, insluitend proteïenoordrag en teenliggaamvalidering, opgesom. Die oorsig bespreek die mees gevorderde Westerse kladtegnieke wat beskikbaar is en beklemtoon die verband tussen volgende generasie Westerse kladtegnieke en die kliniese relevansie daarvan. Deskundige kommentaar: Oor die afgelope dekade is aansienlike verbeterings aangebring in die skep van meer sensitiewe, outomatiese en gevorderde tegnieke deur verskeie aspekte van die Western blot-protokol te optimaliseer. Nuwe metodes soos enkelsel-resolusie western klad, kapillêre elektroforese, DigiWest, outomatiese mikrovloeistof western klad en mikroskyfie elektroforese is almal ontwikkel om potensiële probleme wat met die western klad tegniek verband hou, te verminder. Innoverende ontwikkelings in instrumentasie en verhoogde sensitiwiteit vir westelike vlekke bied nuwe moontlikhede om die kliniese implikasies van westelike klad te verhoog.

Sleutelwoorde: Immunoblot Western blotting Western blotting tegnieke volgende generasie Western blotting proteïen suiwering proteïen monster voorbereiding.


Terreinspesifieke etikettering van proteïene met paramagnetiese ione vir die bepaling van proteïenstrukture in oplossing en in selle

Hoë-resolusie KMR-spektroskopie is sensitief vir plaaslike strukturele variasies en subtiele dinamika van biomolekules en is 'n belangrike tegniek om die strukture, dinamika en interaksies van hierdie molekules te bestudeer. Klein-molekule probes, insluitend paramagnetiese merkers, is vir hierdie doel ontwikkel. Paramagnetiese effekte wat in magnetiese resonansiespektra gemanifesteer word, is lank reeds erken as waardevolle instrumente vir chemiese ontleding van klein molekules, en hierdie effekte is later toegepas in die velde van chemiese biologie en strukturele biologie. Sulke toepassings vereis egter die installering van 'n paramagnetiese sentrum in die biomolekules van belang. Paramagnetiese metaalione en stabiele vrye radikale is die mees gebruikte paramagnetiese probes vir biologiese magnetiese resonansie spektroskopie, en daarom is ligte, hoë-opbrengs benaderings vir die chemiese heg van paramagnetiese merkers aan biomolekules in groot aanvraag. In hierdie Rekening begin ons deur paramagnetiese spesies te bespreek, veral oorgangsmetaalione en lantaniedione, wat geskik is vir KMR- en EPR-studies, veral vir in-sel toepassings. Daarna beskryf ons benaderings vir plekspesifieke merking van proteïene met paramagnetiese ione en bespreek oorwegings betrokke by die ontwerp van hoë kwaliteit paramagnetiese merkers, insluitend die sterkte van die binding tussen die metaal-chelerende deel en die paramagnetiese ioon, die chemiese stabiliteit, en die buigsaamheid van die binding tussen die paramagnetiese merker en die teikenproteïen. Die buigsaamheid van 'n merker korreleer sterk met die gemiddelde van paramagnetiese effekte wat in KMR-spektra waargeneem word, en ons beskryf metodes vir die verhoging van merker-rigiditeit en toepassings van sulke merkers in biologiese sisteme. Ons beskryf ook spesifieke toepassings van gevestigde terreinspesifieke merkerbenaderings en nuut ontwikkelde paramagnetiese merkers vir die toeligting van proteïenstrukture en dinamika by atoomresolusie beide in oplossing en in selle. Eerstens beskryf ons die bepaling van die 3D-struktuur van 'n kortstondige, lae-oorvloed ensiem intermediêre kompleks in reële tyd deur pseudokontakverskuiwings as strukturele beperkings te gebruik. Tweedens demonstreer ons die nut van stabiele paramagnetiese merkers vir die bepaling van 3D-strukture van proteïene in lewende selle, en pseudokontakverskuiwings word getoon as waardevolle strukturele beperkings vir in-sel-proteïenanalise. Derdens wys ons dat 'n KMR-geoptimaliseerde paramagnetiese merker 'n mens toelaat om afstandbeperkings op proteïene te bepaal deur dubbele elektron-elektron resonansie (DEER) metings met hoë ruimtelike resolusie beide in vitro en in selle. Laastens som ons onlangse vooruitgang in plekspesifieke merkering van proteïene op om atoomresolusie-inligting oor strukturele veranderinge van proteïene te verkry, en die voordele en uitdagings van magnetiese resonansiespektroskopie in biologiese stelsels.


Dolphin’s sesde sintuig help hulle om elektriese velde op te spoor

Dolfyne is absoluut ongelooflike wesens, slimmer as wat jy mag dink, en met 'n hart van goud. Maar nou het navorsers getoon dat, afgesien van hierdie eienskappe, die gewone Guiana-dolfyne nog 'n merkwaardige vermoë het: die krag om elektriese velde te voel.

Die dolfyn dra sy baba net soos enige ander plasentale soogdier, en hierdie ongewone sintuig kom waarskynlik handig te pas wanneer hy prooi in die troebel kuswater waar hy woon.

“Die meeste van die diere wat dit doen, doen dit om prooi te vind,” sê studienavorser Wolf Hanke, van die Rostock Universiteit in Rostock, Duitsland. “Al die dolfyne’ prooi items, soos krewe, almal van hulle genereer elektriese velde in 'n mate.”

Navorsers het 'n Guiana-dolfyn wat aan natuurlike oorsake dood is, by die Dolphinariumin Münster, Duitsland, ontleed. Hulle het gefokus op gespesialiseerde porieë genaamd vibrissale kripte, wat basies die huis van die snorbaarde is. Maar aangesien die dolfyne uit hul snorbaarde ontwikkel het, het hulle nou net die oorblywende porieë. Hulle het gevind dat die 2-10 porieë deur talle senuwee-eindpunte omring word, en hulle is ook gevul met 'n spesiale matriks van proteïene en selle.

Om te sien of 'n elektriese stroom op enige manier deur die dolfyne opgespoor kon word, het wetenskaplikes hierdie porieë getoets, en die resultate was suksesvol, en tot die gevolgtrekking gekom dat selfs 5 mikrovolts per sentimeter basies opgespoor kon word, hulle is sensitief genoeg om die elektriese handtekening op te spoor. van 'n vis.

Geen ander soogdier het hierdie werklik buitengewone vermoë ontwikkel opsy vir 'n orde wat eiers, genaamd monotremes, wat die platypus insluit, lê nie. Dit is egter moontlik dat daar ander diere daar buite is met hierdie vaardigheid.

“Ek dink dis moontlik, dis waarskynlik, want daar is dolfyne, soos die bottelneus, wat ook klein kuiltjies op sy snoet het. Hulle is kleiner, maar dit’s nie onwaarskynlik dat hierdie een of ander sal dit ook ontwikkel,” Hanke gesê.

Maar, anders as die meeste soogdiere, het dolfyne 'n baie goeie rede gehad om op hierdie manier te ontwikkel in die troebel waters waar hulle woon, sigbaarheid word dikwels drasties verminder, so om ander diere elektries te kan waarneem, kan die verskil maak.