Eiwitten zijn aminozuurketens die met elkaar verbonden zijn door peptidebindingen. Bij synthese vouwt een eiwit zich tot een driedimensionale conformatie die cruciaal is voor zijn biologische functie. Interacties tussen de samenstellende aminozuren sturen de eiwitvouwing, en daarom is de eiwitstructuur voornamelijk afhankelijk van de aminozuursequentie.
Eiwitten vervullen verschillende uiteenlopende biologische functies, zoals het katalyseren van chemische reacties, immunologische reacties, en zorgen voor opslag, transport, cellulaire communicatie, beweging en structuur. De functie van een eiwit hangt grotendeels af van zijn vermogen om andere moleculen te herkennen en te binden, analoog aan een slot en sleutel. Daarom hangt de specifieke activiteit van elk eiwit af van zijn unieke driedimensionale architectuur.
Om een eiwit functioneel te maken, moet het nauwkeurig worden gevouwen. De meeste eiwitten doorlopen verschillende tussenvormen voordat ze gevouwen zijn in de meest stabiele, biologisch actieve structuur. Als eiwitten verkeerd vouwen, dan heeft dat nadelige effecten op het algehele functioneren van de cel. Bij mensen zijn verschillende ziekten het gevolg van de opeenhoping van verkeerd gevouwen of ongevouwen eiwitten, zoals cystische fibrose, de ziekte van Alzheimer, Parkinson, ALS en de ziekte van Creutzfeldt-Jakob.
Eiwitten zijn opgebouwd uit een of meer ketens van aminozuren, de zogenaamde polypeptiden. Een polypeptide wordt gesynthetiseerd als een lineaire keten die zich snel vouwt om een driedimensionale structuur te vormen. De term polypeptide en eiwit worden soms door elkaar gebruikt, maar meestal wordt een gevouwen polypeptide dat een biologische functie kan vervullen een eiwit genoemd. Een eiwitstructuur wordt gewoonlijk beschreven op vier niveaus: primair, secundair, tertiair en quartair. De meeste polypeptiden vouwen zich op tot compacte, globulaire tertiaire structuren, zoals hemoglobine, het zuurstofdragende eiwit in het bloed. Sommige eiwitten, zoals keratine, kunnen lange vezels vormen die in haar en nagels te vinden zijn.
De volgorde van aminozuren in de polypeptideketen is de belangrijkste factor die de structuur bepaalt. De aminozuursequentie bepaalt het type en de locatie van secundaire structuren. Bovendien wordt de algehele tertiaire structuur van een eiwit voornamelijk gestabiliseerd door chemische bindingen tussen de zijketens van een aminozuur – de unieke chemische groepen die aminozuren van elkaar onderscheiden. Deze zijketens zijn positief of negatief geladen, polair ongeladen of apolair.
De aminozuren hebben unieke fysische en chemische eigenschappen, afhankelijk van hun zijketens. Polaire en geladen aminozuren staan bijvoorbeeld in wisselwerking met water om waterstofbruggen te vormen en worden hydrofiel genoemd ; terwijl de apolaire aminozuren interacties met water vermijden en hydrofoob worden genoemd. Vandaar dat wanneer een eiwit wordt gevouwen in een cellulaire omgeving, zijketens van hydrofobe aminozuren worden verborgen in de kern van het eiwit, weg van de waterige omgeving, terwijl de zijketens van hydrofiele aminozuren zich aan het oppervlak van het eiwit bevinden.
De dicht opeengepakte hydrofobe aminozuren in de eiwitkern leiden tot de vorming van zwakke Van der Waals-interacties tussen de zijketens. De aanwezigheid van deze Van der Waals-krachten geeft extra stabiliteit aan het gevouwen eiwit. De polaire aminozuren die aan het oppervlak van het eiwit zitten, kunnen waterstofbruggen vormen met watermoleculen van polaire zijketens van andere aminozuren. De positief en negatief geladen aminozuren zijn ook aanwezig aan de buitenkant van een eiwit, waar ze ionische bindingen kunnen vormen met andere nabijgelegen, tegengesteld geladen aminozuren.
Disulfidebindingen zijn bindingen tussen twee sulfhydryl- of SH-groepen op het aminozuur cysteïne. Dit is een zeer robuuste interactie die dienen als versterking op het gevouwen eiwit. De aanwezigheid van disulfidebindingen houdt het gevouwen eiwit in zijn meest favoriete driedimensionale conformatie. De juiste vouwing van een eiwit hangt ook af van andere factoren van de cellulaire omgeving, zoals pH, zoutconcentratie, temperatuur, etc. Fysische en chemische veranderingen in een eiwitomgeving beïnvloeden de chemische interacties die het eiwit bij elkaar houden en kunnen ervoor zorgen dat het eiwit verkeerd vouwt of zich ontvouwen en zijn biologische functie verliezen – een proces dat bekend staat als eiwitdenaturatie.
