Biomoleculen
advertisement
Samenvatting Biomoleculen 1 Biomoleculen I. Inleiding 1. Cellen zijn de eenheid van leven Verschijnsel leven verklaren of oorzaken ervan achterhalen bestuderen op moleculair niveau Leven speelt af op niveau van de cellen Cellen = eenheid van leven Alle macroscopische levensprocessen herleid tot cellulaire processen CEL = theater waar toneelstuk leven wordt gespeeld Biomoleculen + precursoren (voorlopers) = figuranten noodzakelijk deze van nabij te bekijken en bouw en vorm te bestuderen in relatie tot hun functie om idee te krijgen van hun rol Fysische + chemische processen bestudeerd dynamisch aspect van moleculen naar voren treedt. 2. Samenstelling van de levende fase Alle organismen in levende fase 1)reusachtige hoeveelheid water 2)Anorganische bestanddelen organisme = talrijke zouten -Komen voor als vrije ionen + spelen rol in elektrostatisch evenwicht en goede werking talrijke enzymatische processen -Onopgeloste zouten vooral fosfaten, sulfaten en carbonaten van Ca2+ aanwezig in skelet en spelen belangrijke rol in stevigheid van het skelet en als mineraalreserven 3)biomoleculen (proteïnen, nucleïnezuren, sacchariden, lipiden) = hoofdbestanddelen van levende stof -Eenvoudige kleine moleculen = monomeren -Zeer grote reuze moleculen = macromoleculen = polymeren van monomeren Synthese van polymeren = aan elkaar hangen van monomeren en dit door afsplitsen van een molecule water (dehydratatie) met hulp van enzymen + vergt energie Afbraak polymeren = hydrolyse waarbij water nodig is voor splitsen in afzonderlijke monomeren specifieke enzymen nodig 2 Verschillende monomeren op verschillende wijzen aan elkaar kunnen gebonden worden in theorie onbeperkt aantal soorten polymeren *Voor proteïnen en nucleïnezuren heerst er een enorme verscheidenheid relatief aandeel in organisme = vrij constant *Verscheidenheid in suikers en vetten sterk beperkt relatief aandeel per organisme sterk verschillen Meeste biomoleculen kunnen opgebouwd worden uitgaande van slechts 30tal kleine precursoren 3. Water: zo algemeen maar toch zeer bijzonder Vertegenwoordigt 70 tot 90% van de levende stof Door vormen van maximaal aantal H-bruggen water sterk gestructureerde vloeistof met grote stabiliteit + vertoont fysische karakteristieken die sterk verschillen van andere vloeistoffen Hoog smelt- en kookpunt Grote soortelijke warmte Goed geleidingsvermogen Grote oppervlaktespanning Sterk oplossend en ioniserend vermogen Met deze eigenschappen enkele bijzondere fysiologische karakteristieken van water verklaard -Hoge kookpunt en grote soortelijke warmte temperatuur lichaam perfect te regelen -grote geleidbaarheid warmte snel afgevoerd van de ene plaats naar de andere -goed oplosmiddel + ioniserende eigenschappen talrijke biomoleculen en zouten in oplossing goed transporteerbaar II. Biomoleculen: bouw en functie 1. Koolhydraten Eenvoudige koolhydraten samengesteld uit C, H en O komen voor in vaste verhouding Brutoformule: Cx(H2O)y naam koolhydraten Uitzonderingen 1) Rhamnose + desoxyribose = koolhydraten chemische formule voldoet niet 2) Azijnzuur en melkzuur ≠ koolhydraten Koolhydraatderivaten ook N, P en S bevatten Kunnen bindingen aangaan met andere biomoleculen glycoproteïnen en glycolipiden gevormd 3 Tot groep koolhydraten behoren : Suikers, zetmeel, cellulose, dextrines en gommen Verschillende functies: Energiebron C-bron Structuur en steunfunctie Herkenningsfunctie Afgeleiden met bijzondere functie o Ascorbinezuur o Inositol Koolhydraten kwantitatief meer aangetroffen in planten (75% droge stof) structuurfunctie (plant ondersteunen) = cellulose energiebron = zetmeel Cellulose = belangrijkste component steunweefsel Zetmeel = belangrijkste molecule voor opstapeling energie Koolhydraten = eenvoudige kleine moleculen (monomeren) goed oplosbaar in water = grote macromoleculen (polymeren) niet oplosbaar geen invloed op osmotisch potentiaal van oplosmiddel Onderscheidt in functie van grootte : Mono-, di-, oligo- en polysacchariden 1.1. 1.1.1. Monosacchariden (= enkelvoudige suikers) Structuur Monosacchariden = organische verbindingen met een aldehyde of ketongroep + minstens 2 hydroxylgroepen = polyhydroxyaldehyden of polyhydroxylketonen Eenvoudigste suikers 3 koolstofatomen D-glyceraldehyde L-glyceraldehyde 1,3-dihydroxyaceton Asymmetrisch koolstofatoom (AKA) = C-atoom verbonden met 4 verschillende groepen (vb:glyceraldehyde) plaats gebonden groepen = zeer belangrijk + niet verwisseld worden (anders ander molecule) Van D-glyceraldehyde en 1-3-dihydroxyaceton alle biologische suikers afgeleid Aldose of ketose (afhankelijk van aanwezigheid aldehyde of ketonfunctie) + subfix ifv aantal C-atomen 4 3C 4C 5C 6C aldotriose aldotetrose aldopentose aldohexose ketotriose ketotetrose ketopentose ketohexose Vb. Afgeleide suikers van D-glyceraldehyde Nieuw koolstofatoom onder aldehydefunctie toegevoegd steeds AKA 2 mogelijke moleculen (stereo-isomeren) 1) OH links 2) OH rechts allemaal D-suiker OH op voorlaatste C-atoom aan zelfde zijde OH van AKA in D-glyceraldehyde Alle suikers in natuur = D-suikers Vb: D- glucose D-galactose Voorbeel Ketose : D-fructose In werkelijkheid suikers geen rechte moleculen hexosen bijna ringormig OH hoogst genummerd AKA zeer dicht bij aldehyde of ketonfunctie reageren met elkaar ringsluiting ontstaat Vb: D-glucose (aldohexose) Ring bij D-hexose steeds op dezelfde wijze voorgesteld Substituenten boven ring in rechte notatie aan linker zijde (en omgekeerd) C-atoom 6 buiten ring Door ringsluiting op C-atoom 1 nieuwe hydroxylgroep plaats in ringvorm kan verschillend zijn 2 manieren (door draaibaarheid) Catoom 1 wordt bij ringsluiting AKA -D-glucose, β-D-glucose ontstaan 5 : OH groep onder ring Β: OH groep boven ring In waterige oplossing 3 vormen aanwezig en met elkaar in evenwicht (gaan over in elkaar) Nieuwe OH groep vrij reactief + belangrijke rol in aangaan van bindingen bij polymerisatie OH groep vormt glycosidische binding glycosidische hydroxylgroep Bij ketohexose 5-ring gevormd (ketonfunctie op C-atoom 2) Vb: D-fructose Ringsluiting met ketonfunctie op C-atoom 2 gevestigd ontstaan 5-ring met Catoom 1 en 6 buiten ring Nieuwe glycosidische hydroxylgroep op C-atoom 2 2 stereo-isomeren 1.1.2. Enkele belangrijke monosacchariden 1.1.2.1. Glucose = bloedsuiker, druivesuiker,dextrose = meest bekende HEXOSE = aldose aangetroffen in honing, vruchtensappen, plantensappen, bloed en dierlijke weefsels -Onmiddellijke energiebron voor energievereisende cellulaire reacties (weefselherstel, …) Vrijgesteld tijdens energieleverende stofwisselingsprocessen (glycolyse + krebscyclus) -Normale bloedglucosespiegel volwassene is ongeveer constant slechts 15min energiebehoefte + constant houden wordt hormonaal gereguleerd (pancreashormoon glucagon en insulinge) -Bouwsteen van ≠ di en polysacchariden + vrijgesteld hieruit door hydrolyse -Commercieel geproduceerd door hydrolyse maïszetmeel -Hoofdrol in koolhydraatmetabolisme van het lichaam 1.1.2.2. Fructose = levulose, fruitsuiker =Ketohexose in vruchtensappen en honing -Zoetste gekende suiker -Deel van disaccharide sachharose -bouwsteen polysacchariden inuline en oligofructose 6 1.1.2.3. Galactose 1.1.2.4. Niet aangetroffen als vrij monosaccharide Gevormd door hydrolyse grotere koolhydraten Deel van lactose (aangetroffen in melk) en glycolipiden (vetrijke substanties die voorkomen in hersenen en zenuwstelsel) Agar-agar = polymeer van galactose Verdikkingsmiddel in sauzen en ijscrème Bereiding van vaste en semi-vaste voedingsbodems Johannesbroodpitmeel = polymeer galactose Pentosen -bevatten vijf C-atomen -Vb: arabinose (hydrolyse van Arabische gom) Xylose (component van hout, stro, maïskolven, zemelen) Ribose + deoxyribose (belangrijke rol in metabolisme + onderdelen nuclëinezuren) 1.1.3. Chemische eigenschappen en afgeleide suikers Natuurlijke cellulaire processen + labohandelingen functionele groepen suikermoleculen wijzigen via 1.1.3.1. reductie oxidatie dehydratatie ester- en ethervorming hemi-acetaalvorming Estervorming -Biochemie fosfaatesters koolhydraten belangrijk Nemen niet deel aan stofwisseling maar veresterd met fosforzuur Vb: Verestering glucose tot glucose-1-fosfaat 1.1.3.2. Reductie -monosaccharide gereduceerd tot meerwaardig alcohol aldehyde- of ketonfunctie omgezet tot alcoholfunctie suikeralcoholen -Na reductie geen aldehyde of ketonfunctie geen ringsluiting 7 Vb: Sorbitol (suikeralcohol van glucose) + 1.1.3.3. Mannitol Oxidatie -Reducerende suikers = suikers die door aanwezigheid van vrije of potentieel vrije, aldehyde of ketonfunctie kunnen geoxideerd worden -oxidatie van alcoholfunctie tot karboxylfunctie (-COOH) hexuronzuren Vb: glucose geoxideerd tot glucuronzuur galactose geoxideerd tot galakturonzuur belangrijke component van celwand (middenlamel) -Door polymerisatie grote lineaire makromoleculen samen met Ca+ en Mg+ pectaten 1.1.3.4. Aminatie -Ontstaan Hexosaminen: vervang van hydroxylgroep op C-atoom 2 door een aminofunctie (NH2) Vb: Glucose glucosamine Galactose galactosamine -Aminofunctie geacetyleerd met azijnzuur N-acetyl-hexosamine Ketens van hexosen, hexuronzuren en N-acetyl-glucosamine komen voor in oligosacchariden van glycoproteinen en glycolipiden N-acetyl-glucosamine = belangrijk bestanddeel celwand schimmels en bacteriën 8 1.2. Disacchariden 1.2.1. Algemeen -Glycosidische hydroxylgroep reageert met hydroxylgroep van andere saccharide molecule H2O afgesplitst + ontstaan disaccharide -ontstane binding = glycosidische binding + zeer stabiel reageert niet met basen enkel zuren of specifieke enzymes in staat deze binding te breken ontstaan monosacchariden 1.2.2. Enkele voorbeelden 1.2.2.1. Maltose = moutsuiker =disaccharide bestaande uit 2 glucosemoleculen -Ontstaan door onvolledige hydrolyse van zetmeel, glycogeen of dextrines -geproduceerd door kiemend graan onder welbepaalde gecontroleerde condities te brengen -glycosidische binding in maltose tss C-atoom 1 glucosemolecule in vorm en C-atoom 4 van andere glucose eenheid -1-4-glycosidische binding 1.2.2.2. Lactose = melksuiker (aangetroffen in melk zoogdieren) -synthese in melkklieren vanuit glucose en galactose gereguleerd door hormonen geproduceerd na het baren -kleurloos poeder + smaakloos -gevormd door condensatiereactie tss glucose en galactose (binding tss C-atoom 1 galactose in βvorm en C-atoom 4 glucose β-1-4 glycosidische binding 9 1.2.2.3. Cellobiose = hydrolyseproduct van cellulose (hoofdcomponent ui celwand plantaardige cellen -2 moleculen D-glucose -1ste glucose via β-glycosidische binding verbonden met C-atoom 4 2de glucose molecule β-1-4 glycosidische binding 1.2.2.4. Saccharose of Sucrose = tafelsuiker, bietsuiker of rietsuiker -aangetroffen in vruchtensap, groenten en honing -commercieel geproduceerd uit suikerriet of biet (keukensuiker) -bestaat uit -D-glucose en β-D-fructose -beide glucosidische hydroxylfuncties betrokken bij glycosidische binding verdere polymerisatie niet mogelijk -β-glycosidische binding -gehydrolyseerd door zuren of enzymes aangetroffen in darmen en gist levert mengsel van fructose en glucose = invertsuiker door aanwezigheid van fructose zoeter dan oorspronkelijk sucrose Mono- en disacchariden zijn relatief kleine moleculen met hydrofiel karakter + goed oplosbaar in water 1.3. 1.3.1. Oligo- en polysacchariden Algemeen In levende natuur meeste koolhydraten = polysacchariden Polysacchariden = polymeren van veel monosacchariden gekoppeld door glycosidische bindingen Algemene structuurformule = [C6H10O5]n Theorie Polysacchariden > 10 monomeren Oligosacchariden < 10 monomeren Praktijk Scheiding gebaseerd op oplosbaarheid van koolhydraten in waterige ethanoloplossing (80vol%) Alcoholoplosbaarheid niet alleen afhankelijk van polymerisatiegraad ook van moleculaire structuur Vb: sterk vertakte koolhydraten met polymerisatiegraad aanzienlijk groter dan 10 nog oplosbaar in 80% ethanol 10 -scheiding gebeurt empirisch + geen exacte scheiding enkel en alleen gebaseerd op polymerisatiegraad -Oligosacchariden dikwijls = kleine suikers covalent verbonden aan eiwitten of lipiden belangrijke rol in herkenningsmechanisme -Polysacchariden = niet zoet + geen reducerend vermogen belangrijke rol als reservevoedsel of als steunvezels in weefsels van organismen 1.3.2. Structuur en kenmerken van polysacchariden Op basis van structuur polysacchariden onderverdeeld in HOMOPOLYMEREN -1 soort monosacchariden -vb: zetmeel cellulose Glycogen HETEROPOLYMEREN -verschillende monosacchariden -onderverdeeld in -heteropolymeren met periodiek voorkomende monosacchariden -heteropolymeren met niet periodiek voorkomende monosacchariden Meestal segmenten met periodiek terugkomende suikers afgewisseld met niet periodieke segmenten gelvorming Vb: pectine, chitine, alginaat, carragenaat Op basis van ruimtelijke structuur polysacchariden onderverdeeld in LINEAIRE -vb: cellulose, amylose -onoplosbaar in water -ideaal voor vormen van interacties tussen ketens -ontstaan geordende structuren die gedeeltelijk kristalijne zones vormen VERTAKTE -vb: amylopectine, glycogeen -beter oplosbaar in water -makkelijker te rehydrateren na drogen -lagere viscositeit Viscositeit = weerstand tegen stromen Viscositeit polysaccharide = functie effectief volume macromolecule =volume van een bol met als diameter de langste lineaire extensie Hoe groter de diameter hoe groter de viscositeit 1.3.3. Voorbeelden van homopolysacchariden 1.3.3.1. Zetmeel = stapelingsvorm van glucose in plantencellen -aangetroffen onder de vorm van korrels in bladeren wortels en zaden -sfero-kristallijne structuren -amylose-kern met amylopectine-omhulsel 11 -onoplosbaar in water toch mengen met water noodzakelijk buitenste laag te breken door warmte ontstaan colloïdaal mengsel waarvan dichtheid toeneemt (verdikkingsmiddel) -natuurlijk zetmeel = mengsel van 2 types polysacchariden: amylose + amylopectine Amylopectine = sterk vertakt glucosepolymeer -lineaire deel = glucosemoleculen via -1-4glycosidische binding met elkaar gelinkt -vertakking op elke 20 tot 24 glucose-eenheden resultaat van -1-6 glycosidische binding tss glucose-eenheden -beter oplosbaar in water -toename viscositeit van een oplossing Amylose =kleiner, lineair polysaccharide -glucose-eenheden verbonden via -1-4glycosidische bindingen lineaire spiraalvormig gewonden keten met 6 glucosemoleculen per winding -afgebroken door enzyme -amylase verbreekt -1-4-glycosidische bindingen -lange amyloseketen neemt meer ruimte in beslag dan vertakte amylopectinemolecule langgerekte structuur maakt verbindingen met andere moleculen waarschijnlijker amylose = effectiever bindmiddel dan amylopectine 1.3.3.2. Dextrines = korte polysaccharides -gevormd door gedeeltelijke hydrolyse van zetmeel door zuren, enzymes of droge hitte -kleverig wanneer ze nat worden gebruikt als kleefmiddel op postzegels, enveloppen en behangerslijm 1.3.3.3. Glycogeen = sterk vertakte molecule + stapelingsvorm glucose in dierlijke cellen -structuur = structuur van amylopectine --1-6-glycosidische bindingen komen frequenter voor dan in amylopectine (8 à 12 eenheden) -vermogen van lichaam om uit glycogeen glucose te vormen en omgekeerd = enorm belangrijk glucose = belangrijkste energiebron voor alle cellen -grote vertakte glycogeenmolecule = uitstekend geschikt voor stockage kan celmembraan niet passeren 12 1.3.3.4. Cellulose = glucosepolymeer geproduceerd door planten =steunstof in wand van plantencellenhoofdbestanddeel in hout, katoen, vlas, papier, karton -hangen via β-1-4-glycosidische bindingen aan elkaar -vormen lange lineaire ketens goed stapelbaar - β-1-4 binding afgebroken door enzym emulsine (niet bij hogere dieren) -Cellulose dat wij eten spijsverteringsstelsel onverteerd passeren zorgt voor noodzakelijke ruwe vezels in dikke darm -Sommige micro-organismen kunnen cellulose wel verteren Zetmeel + cellulose beide opgebouwd uit uitsluitend glucosemoleculen beide stoffen niet afbreekbaar door hetzelfde enzym amylase herkent alleen -bindingen cellulose herkent alleen β-bindingen -Cellulosebelangrijkste structureel onderdeel van planten waarvan cellen deze component vrijstellen om buitenste celwand te vormen -Cellulosemolecullen = onoplosbaar in water grootte en structuur -Stevigheid en rigiditeit die cellulose aan plant geeft = resultaat van H-bruggen tussen parallel gerangschikte celluloseketens Opmerking: zowel zetmeel; glycogeen als cellulose uitsluitend opgebouwd uit glucosemoleculen. Verschil: In zetmeel en glycogeen verbonden door -glycosidische bindingen In cellulose verbonden door β-bindingen Dit veroorzaakt totaal andere structuur macromoleculen geschikt voor totaal uiteenlopende functies 1.3.3.5. Inuline = polymeer van fructosemoleculen -door sommige planten geproduceerd als reservestof + gewonnen in vorm van een mengsel van fructoseketens (2-60 fructose eenheden) -mbv bacteriële enzymen ketens afgebroken worden tot fructose als alternatieve zoetstof gebruikt -goed oplosbaar + aangename zoete smaak -door specifieke bindingen onverteerbaar voedingsvezels -talrijke positieve eigenschappen (goed oplosbaar, lage cariogeniteit…) veel toepassingen in voedingsindustrie 1.3.3.6. Chitine = polymeer van N-acetyl-D-glucosamine -aangetroffen in celwand schimmels + exoskelet crustacea en insecta geïnpregneerd met CaCO3 13 1.3.4. Voorbeelden van heteropolysacchariden 1.3.4.1. Pectine -groep van polysacchariden -oplosbaar in warm water -aangetroffen in primaire celwand -lineaire ketens van D-galacturonzuur binnen ketens nog ander suikers aanwezig -Vertakt 1.3.4.2. Hemicellulose -groep zeer heterogene polysacchariden -belangrijke polysacchariden in celwand -in basisch midden oplosbaar -Ketens met D-glucose, D-galactose, D-mannose, D-xylose en L-arabinose verschillende manieren aan elkaar verbonden -Vb: grassen hemicellulosen die bestaan uit hoofdketens van xylanvertonen zijketens bestaande uit methylglucuronzuur, glucose, galactose en arabinose 1.4. Suikers en smaak Aantal mono- en disacchariden zoete smaak waargenomen met punt tong Waarnemen smaak gebeurt door vrije zenuwuiteinden gelegen in onze smaakpapillen zijn voorzien van receptoren Receptoren = eiwitten die bepaalde structuren kunnen herkennen en binden ontstaan signaal via zenuwcel doorgegeven aan hersenen Binden aan receptor volgens principes van chemisch evenwicht veel stof veel receptoren binden met stof veel signalen weinig stof receptoren binden niet met stof geen signaal Alle zoetstoffen 1zelfde gedeelte aan molecule = structuur die herkend wordt doro receptor Zoet structuur = glucofoor door 2 H-bruggen gebonden aan receptor hoe beter de vorm glucofoor beantwoord aan vorm receptor hoe sneller en gemakkelijker zoetstof herkend + binden aan receptor Zoetkracht stof uitgedrukt t.o.v. sucrose -Stof met zoetkracht n smaak n maal verdund even zoet als standaardoplossing sucrose -stof met n<1 = minder zoet dan sucrose Mono- en disacchariden = energierijke verbindingen andere zoetstoffen toegevoegd aan voedingswaren van biologische of synthetische oorsprong caloriearm (veel zoeter) Vb: sorbitol en xylitol: slecht opneembaar in de darm caloriearm In kauwgom en dieëten voor diabetespatiënten Kunstmatige zoetstoffen (cyclamaat + saccharine) jaren 60 veel gebruikt omwille van gezondheidsredenen gebruik sterk afgenomen 14 Aspartaam = Nu veel gebruikte zoetstof =verbinding van aminozuren asparaginezuur en fenylalanine -Nadeel = vrij onstabiele stof = kan niet tegen warmte vrij snel na productie geconsumeerd + niet gebruikt in banket of warme gerechten Binnen groep van stropen HFCS = meest verkochte product = high fructose corn syrup -geproduceerd uit maïszetmeel na hydrolyse ontstane glucose enzymatisch omgezet tot zoetere fructose dmv enzym glucose-isomerase Wortels cichorei inuline geraffineerd = polymeer van fructose enzymatisch afgebroken tot fructose zoetstof bekomen die zoeter en caloriearmer is dan saccharose Thaumatine = plantaardige oorsprong Vandaag geproduceerd door gisten die genetisch gemodificeerd werden met plantaardige gen voor thaumatine Suikers en gezondheid -consumeren van veel suikers geen nadeel op directe gezondheid -algemeen aanbevolen matig te zijn met suikers omdat: Bevorderen tandbederf Opname veel calorieën Consumeren van veel zoetwaren als tussendoortje gaat ten koste van producten met weinig calorieën en veel vitaminen en mineralen 2. Lipiden = zeer heterogene groep van lange koolwaterstofverbindingen die onoplosbaar zijn in water maar goed oplosbaar in organische oplosmiddelen (aceton, chloroform, ether, ethanol, …) = apolaire of hydrofobe moleculen Onderscheiden 3tal belangrijke groepen Vetten/triglyceriden fosfolipiden steroïden/sterolen Wassen + aantal pigmenten lipiden 4 belangrijke biologische functies 1. 2. 3. 4. Deel van het celmembraan en oppervlakkige beschermingslagen Vormen energiereserve Voorlopers van hormonen, vitaminen of andere regelmoleculen Galzouten helpen bij vertering van andere lipiden 2.1. Glyceriden Glyceriden gevormd door dehydratatiereactie glycerolmolecule en 1, 2 of 3 vetzuren tussen hydroxylgroepen van 15 2.1.1. Vetzuren Vetzuren belangrijk onderdeel glyceriden + bepalen vet-karakter lange onvertakte C-ketens met even aantal C-atomen en met aan 1 uiteinde een zuurfunctie (-COOH) ingedeeld op basis van ketenlengte of verzadigingsgraad keten Naargelang ketenlengte Korte ketenvetzuren (2-4 C-atomen) Middellange ketenvetzuren (6-14 C-atomen) Lange ketenvetzuren (>16 C-atomen) Naargelang vezadigingsgraad Verzadigde vetzuren = alle C-atomen (behalve carboxylgroep) zijn bezet met Hatomen geen dubbele bindingen tussen C-atomen Onverzadigde vetzuren =1 of meerdere dubbele bindingen tussen C-atomen per dubbele binding ontbreken 2 H-atomen naargelang aantal dubbele bindingen onderscheid tussen mono- en polyonverzadigde vetzuren Mono-onverzadigde vetzuren : 1 dubbele binding Polyonverzadigde vetzuren : meer dan 1 dubbele binding Binnen onverzadigde vetzuren cis- en transvormen onderscheiden 2.1.1.1. Naamgeving vetzuren Vetzuren systematische naam, triviale naam of afkorting Systematische naam afgeleid van naam van koolwaterstofmolecule met = aantal Catomen met achtervoegsel –zuur Onverzadigde vetzuren aantal dubbele bindingen, plaats dubbele binding en Cisof transvorm weergegeven plaats 1ste dubbele binding tellen vanaf –COOH groep + C-atomen 2 en 3 enz aangeduid met ,β enz. Methylkoolstofatoom (einde keten) = OMEGA C-atoom Voedingsindustrie 2de werkwijze gehanteerd = ώ-systeem positie eerste dubbele binding geteld vanaf CH3 groep Bij vetzuren lange C-ketens geen geladen of partieel geladen groeppen hydrofoob Vanaf 10 C-atomen onoplosbaar in water neiging zich te associëren tot aggregaten Naargelang ketens langer worden aggregatie vaster vetzuren hoger smeltpunt Transvetzuren van nature voor in melk en vlees van herkauwers Rumen herkauwers bacteriën uit poly-onverzadigde vetzuren via biohydrogenatie transvetzuren vormen ontstaan tijdens industriële verwerkingsprocessen van plantaardige oliën + tijdens braden en frituren Gehydrogeneerde vetten minder gevoelig voor oxidatie bederf door ranzigheid beperkt Partieel gehydrogeneerde vetten verwerkt in frituurvetten en margarines transport van vetten vereenvoudigd 16 In ons lichaam verzadigde vetzuren geproduceerd + onverzadigde vetzuren met 1 dubbele binding geen linolzuur of linoleenzuur aangemaakt essentiële vetzuren ontbreken in voeding kinderen leidt tot gewichtsverlies en eczeem Arachidonzuur = essentieel vetzuur aangetoond dat dieren arachidonzuur kunnen synthetiseren vanuit linoleenzuur niet in voldoende mate om in dagelijkse behoefte te voorzien Linolzuur, linoleenzuur, arachidonzuur door lichaam gebruikt voor synthese van prostaglandines componenten die in meeste weefsels aangetroffen worden + brede waaier van fysiologische effecten 2.1.2. Vetten en oliën (triglyceriden) 2.1.2.1. Structuur Glyceriden = lipiden waarbij 3-waardig alcohol, glycerol, veresterd is met willekeurig vetzuur Ester = verbinding tussen zuurgroep (-COOH) en alcoholgroep water afgesplitst 3 alcoholfuncties veresterd = TRIGLYCERIDEN = chemische naam voor vet Kwaliteit + eigenschappen triglyceriden bepaald door verschillende vetzuren waaruit opgebouwd Glycerol slechts met 2 of 1 vetzuur veresterd diglyceriden of monoglyceriden Biologische vetstoffen = willekeurige mengsels van verschillende triglyceriden belangrijkste vorm van vetvoorraden in planten en vetweefsel of vetcellen van dieren Triglyceriden + derivaten van zeer groot commercieel belang in productie van zepen, vernissen, oliekleding, linoleum, drukinkt, zalven en crèmes 2.1.2.2. Eigenschappen Smeltpunt Smeltpunt bepaald door ketenlengte en aantal dubbele bindingen in vetzuurresten Triglyceriden hoofdzakelijk korte of onverzadigde vetzuren laag smeltpunt Hoog smeltpunt triglyceriden die bestaan uit verzadigde vetzuren Het joodadditiegetal of joodgetal Onverzadigde vetten I2 geaddeerd op dubbele binding(en) Aantal gram I2 dat kan binden met 100g vetstof = joodadditiegetal zo aantal dubbele bindingen in vetzuurrest bepalen Algemeen vetten = joodadditiegetal < 70; oliën = joodadditiegetal > 70 17 Hydrogenatie Oliën omgezet in vaste vetten door HYDROGENATIE = additie van diatomair H-molecule (H2) aan dubbele binding in aanwezigheid van een katalysator Vb: plantaardige margarines gedeeltelijke hydrogenatie soja- of maïsolie Natuurlijke plantaardige oliën alleen cis-isomeren hydrogenatieproces mengsel van cis- en trans-isomeren van vetzuren tijdens Ranzig worden Vetten + oliën ontwikkelen onaangename geur en smaak ranzig 2 oorzaken 1. Hydrolyse 2. Oxidatie Vb: Boter te lang op kamertemperatuur ranzig vet in boter hydrolyseert versneld door enzymes van microörganismen uit de lucht levert boterzuur Zuurstof in lucht onverzadigde vetzuurresten oxideren ontstaan vluchtige, korte keten aldehyden of zuren slechte geur en smaak veroorzaken (vertraagd door anti-oxidantia) Hydrolyse Hydrolyse vetten optreden onder invloed van zeer hoge temperaturen, anorganische zuren of specifieke enzymes levert glycerol en 3 vrije vetzuren Verzeping Hydrolyse uitgevoerd in aanwezigheid van sterke base (natriumhydroxide/ kaliumhydroxide) glycerol en natrium- of kaliumzouten van vetzuren gevormd. Verzepingsgetal gedefinieerd als aantal mg KOH die nodig is om 1g vet te verzepen = omzetten naar glycerol en zouten van vetzuren Zulke zouten = zepen Harde zeep bevat veel groter aantal verzadigde vetzuren dan vloeibaar zeep Detergenten = stoffen die oppervlaktespanning van water verlagenWater slecht reinigingsmiddel voor vet en olie watermoleculen sterk polair blijven aan elkaar vastzitten dan dat ze apolaire gebied binnendringen en vet oplossen Zeep vergroot zuiverende werking van water zeer sterk vormt micellen in water 18 Zeepmolecule 2 delen Apolaire staart: gevormd door koolwaterstofketen Polaire kop: gevormd door carboxylgroep Micellen ontstaan doordat hydrofobe (apolaire) delen zich naar elkaar richten verminderen oppervlaktespanning water vetdeeltjes gemakkelijk opgenomen + oplossen binnen micellen Zo verdeelt zeep het apolaire vet in kleine colloïdale druppels vet geëmulgeerd 2.1.3. Fosfoglyceriden 2.1.3.1. Bouw Fosfoglyceriden glycerol maar 2 maal veresterd met vetzuur 3de OH-groep gebruikt voor verestering met fosforzuur -Polaire kop apolaire staart Fosforzuur opnieuw veresterd met stikstof bevattend alcohol geeft fosfatidyl-X 2.1.3.2. Eigenschappen Amfiphatisch karakter apolair gedeelte (vetzuurketen) en polair gedeelte (fosfaat veresterd met alcohol) in water richten zich met de polaire groepen naar water en apolaire groepen naar elkaar Hydrofobe interacties houden moleculen bij elkaar in water ontstaan 3 verschillende structuren Micellen Liposomen Monolayers In celmembranen fosfolipiden vormen bilayer Belangrijk voor transport van vetten in ons lichaam Vb: Lecithine of fosfatidylcholine belangrijke rol in vetmetabollisme van lever transport van vetten van ene deel van het lichaam naar andere = anorganische fosfaatbron tijdens weefselvorming + uitstekende emulgator door micelvorming. Fosfatidylcholine commercieel gebruikt als emulgator in producten. 2.2. Sfingolipiden Sfingolipiden = fosfolipiden waarbij het alcohol = sfingosine ipv glycerol Meest voorkomende sfingomyeline Aangetroffen in membranen van hersencellen, zenuwweefsel + belangrijk onderdeel van myelinehuls (beschermende laag rond zenuwen) 19 2.3. Wassen Wassen = esters van lange-keten vetzuren en lange-keten alcoholen onoplosbaar in water, flexibel, niet reactief uitstekende deklagen die bescherming biedt tegen uitdroging aangetroffen in beschermende laag van huid, vacht, veren, bladeren, fruit Commercieel geproduceerde wassen gebruikt in cosmetica, vloerwas, meubel en autopolish, zalven, crèmes 2.4. Sterolen en steroïden Steroïden en sterolen algemeen dezelfde basisbouw 4 koolwaterstofringen (drie 6-ringen en een 5-ring) Bezit basisskelet een hydroxylgroep sterolen Bezit basisskelet een carbonylgroep (C=O) steroïden Belangrijkste sterol = Cholesterol belangrijke component in membranen van dierlijke cellen nestelen zich tussen fosfolipiden hydroxylgroep (polair) richt zich naar water Of nestelen zich tussen fosforgroepen van fosfolipiden in membraan Hydroxylgroep van cholesterol veresterd ontstaan stabiele cholesterol-ester zo cholesterol aanwezig binnen Low-Density-Lipoproteinen vervoerd in bloed Cholesterol gesynthetiseerd uit acetyl-CoA door dierlijke cellen + vormt onderdeel van alle celmembranen Lever belangrijke rol in cholesterolbalans van het lichaam Cholesterol = belangrijke vertrekstof voor synthese van andere steroïden en sterolen of afgeleiden (galzuur, geslachtshormonen, aantal bijnierhormonen + andere stoffen uit bijnier, drugs en vitaminen) Steroïde hormonen niet afgebroken tijdens spijsvertering maar wel opgenomen in bloedbaan vervoerd naar alle cellen Groot gevaar dat via voeding (analogie dierlijke steroïden met menselijke steroïde hormonen) steroïde hormonen ons lichaam binnentreden functioneren met nadelige gevolgen 20 Door bestraling met UV cholesterol in onze huid omgezet tot vitamine D3 2.5. Enkele andere vetten Vetten = zeer heterogene groep van verbindingen 2.5.1. Terpenen en terpenoïden Terpenen = groep van zeer complexe vetten voorlopers vitaminen A, D, E, K en coenzyme Q Verklaart vet oplosbaar zijn van deze verbindingen =polymerisatieprodyct van isopreen: 2-methyl 1,-3-butadiëen (C5H8) 2.5.1.1. Rubber Rubber = zeer groot polymerisatieproduct van isopreen aanwezig als gesuspendeerde deeltjes in melksap of latex van de hevea-boom 2.5.1.2. Carotenoïden Carotenoïden = -, β-, γ- carotenen + lycopeen β-caroteen = rood-oranje kleurstof in wortelen voorloper vitamine A1 (ontstaat door splitsen) 2.5.1.3. Mengsels Etherische oliën vloeibare mengsels van terpenen met vluchtige stoffen (alcoholen, aldehyden, ketonen) vb: Kamfer, menthol Balsems + harsen harde mengsels met terpenen 2.5.2. Prostaglandines Prostaglandines = groep van componenten die wat hun fysiologische effecten betreft gelijken op hormonen chemisch gezien totaal verschillend biologisch zeer actieve vetten bevatten 20 C-atomen + in celmembraan gesynthetiseerd vanuit onverzadigde vetzuren Basisstructuur = prostaanzuur 21 Wijze waarop prostaglandines hun functies uitoefenen onvoldoende bekend -Betrokken bij groot aantal activiteiten Vb: Vaatverwijdend effect + gebruikt bij behandeling van astma (bronchodilatator) -Zeer actief -voorkomen en genezen maag- en darm zweren door remmende werking op maagsapsecretie -spelen rol in pijngewaarwording, ontstaan koorts + ontstekingsreacties 3. Proteïnen (eiwitten) 3.1. Inleiding Proteïnen = grote polymeren van aminozuren -Bevatten ook zwavel, sommige bevatten ijzer, zink, koper = uiterst belangrijke biologische macromoleculen molecuulmassa bedraagt verscheidene mijloenen dalton = meest complexe en gevarieerde groep van moleculen die in levende organismen worden aangetroffen komen voor in alle cellen + biologisch belang niet onderschatten = werkende moleculen van de cel katalyseren chemische reacties + zorgen voor structuur en stevigheid + hoofdbestanddeel spieren (instaan contractie en beweging) + contoleren permeabiliteit membranen + regelen fysiologische processen + concentratie van noodzakelijke metabolieten herkennen en binden niet-covalent andere biomoleculen + zorgen voor werking van genen + sommige hebben beschermende functie ook giftige eigenschappen Ongelofelijke verscheidenheid uitgevoerd door moleculen die zelf maar gesynthetiseerd zijn m.b.v. 20 verschillende soorten AZ Bestaan eiwitten uitsluitend uit AZ holoproteïnen Bestaan eiwitten uit aminozuren en andere chemische verbindingen heteroproteïnen 2de indeling gebaseerd op fysische eigenschappen Globulaire eiwitten bolvormig en oplosbaar in water, fragiel + actieve functie voornamelijk werkende moleculen Kunnen niet doorheen semi-permeabel membraan Vezelvormige eiwitten onoplosbaar in water + structurele/beschermende functie zowel in als tussen de cellen. AZ ook belangrijke bron van C, N, S 3.2. 3.2.1. Aminozuren Structuur AZ = organische zuren die aminogroep (-NH2) bevatten Natuurlijke AZ aminogroep op hetzelfde C-atoom als zuurgroep (-C-atoom) 3de valentie-elektron -C-atoom gebruikt voor binding van Hatoom + 4de voor binding met restgroep 22 Bepaalt welk AZ het is -C-atoom bezet met 4 verschillende groepen asymmetrisch (AKA) Voor ieder AZ 2 vormen D- en L- vorm spiegelbeeld van elkaar In D-vorm aminogroep aan rechterkant In L-vorm aminogroep aan linkerkant Alle AZ aangetroffen in eiwitten L-vorm D-vorm in natuur aangetroffen isomeren nooit voor in eiwitten Carboxylfunctie = zuur, aminogroep = base bij normale pH deze 2 functies geïoniseerd AZ onderverdeeld in functie van eigenschappen restgroep Hydrofobe restgroep Polaire maar niet geladen restgroep Polair geladen restgroep In functie van restgroep AZ bepaalde interacties aangaan met andere groepen 3.2.2. Essentiële aminozuren Lichaam 10 van de 20 AZ aangetroffen in eiwitten zelf synthetiseren Andere 10 = essentiële AZ niet altijd in voldoende mate aangemaakt moeten aanwezig zijn in voeding 8 vd 10 AZ noodzakelijk gedurende het ganse leven, 2 vereist in voeding van kinderen tijdens periodes van snelle groei 3.2.3. Eigenschappen van aminozuren 3.2.3.1. Zuur-base eigenschappen In vele gevallen eiwitten gezien als veelvoud van aminozuren kennis zuur-base eigenschappen grote hulp in begrijpen van sommige eigenschappen van eiwitten AZ zowel zure groep als basische groep In water AZ zich gedragen als zuren en als basen = amfoteren 23 AZ oplosbaar in water + zeer hoog smeltpunt komen niet als ongeladen moleculen voor maar wel onder de vorm van sterk polair zwitterion of dipolair ion Gervormd doordat zure carboxylgroep een proton afstaat aan de basische aminogroep Structuur AZ ongeladen vorm geschreven meestal aangetroffen als dipolair ion 3.2.3.2. Iso-elektrisch punt Voor elk AZ en eiwit specifieke pH waarbij deze moleculen elektrisch neutraal zijn migreren niet in elektrisch veld Deze pH = iso-elektrisch punt symbool = pI Als pH meer basisch is dan iso-elektrisch punt draagt AZ netto-positieve lading Sommige AZ ioniseerbare restgroep ieder aminozuur + eiwit heeft specifiek isoelektrisch punt 3.2.3.3. Bufferende eigenschappen AZ zowel zure als basische eigenschappen vormen efficiënte buffers in waterige oplossing Bufferend vermogen eiwitten gevolg van aanwezigheid van zure en basische restgroepen 3.3. De peptidebinding AZ aan elkaar binden tot korte ketens = oligopeptide aan elkaar binden tot lange ketens = polypeptide Polymerisatie gebeurt door peptidebinding 2 AZ met elkaar reageren door afsplitsen van water Binding tussen aminogroepen en carboxylgroep van -C-atoom zo meer AZ aan elkaar gebonden ontstaan keten Keten vertoont oriëntatie ene uiteinde voorzien van aminogroep (NH2) andere uiteinde zuurgroep (COOH) Molecule volledig gestrekt zigzagvorm -Catoom vormt knikpunten binnen keten en de Rest groepen Structuur polypeptide zelden rechte keten rond -C-atoom bestaat vrije draaibaarheid 3.4. De structuur van een polypetide 4 verschillende niveaus 24 3.4.1. Primaire structuur = lineaire opeenvolging (sequentie) van AZ in een keten + covalente bindingen (vb: -S-S bindingen (zwavelbruggen)) tussen ketens 1ste eiwit waarvoor primaire structuur achterhaald werd = insuline 3.4.1.1. Zwavel- of disulfiet-bruggen 2 cysteïne restgroepen (-SH) elkaar voldoende naderen door oxydatie 2H-atomen afgestaan ontstaan covalente binding tussen beide zwavelatomen = -S-S-brugen Bepaalde omstandigheden binding door reductie terug verbroken Geen enzymatische reactie -S-S-bindingen belangrijke kracht die vorm van een proteïne bepalen stabiliseren sterk de conformatie van het proteïne Vb: Insuline klein eiwit bestaande uit 2 polypeptiden A- keten en B-keten met 21 en 30 AZ 1 S-S-brug verbindt 2 cysteine restgroepen van A-keten en 2 andere S-Sbruggen verbinden beide ketens 3.4.2. Secundaire structuur = regelmatig terugkerende structuren in 1 keten of tussen ketens Regelmatig driedimensionale structuur gevolg van H-bruggen die gevormd worden tussen –N-H en –C=O groepen gemeenschappelijke delen v.d. AZ 3.4.3. Tertiaire structuur = uiteindelijke en globale driedimensionale structuur van een keten Niet alleen waterstofbruggen –N-H en –O=C vd gemeenschappelijke delen spelen een belangrijke rol voornamelijk de interacties die aangegaan worden door de restgroepen zorgen voor stabilisatie van de structuur Deze interacties zijn in functie van de aanwezige aminozuren volgorde AZ bepaalt de driedimensionale structuur. Veranderen 1 AZ in eiwit beperkte verandering van vorm tot gevolg kan ernstige gevolgen hebben 3.4.4. Quaternaire structuur = interacties die verschillende polypeptide ketens (sub-units) bij elkaar houden 3.5. Beschrijving van enkele structuren en de interacties die deze bepalen 3.5.1. Globulaire en fibreuze proteïnen Eiwitten zijn geplooid tot compacte sferische of ellipsoïde vormen = Globulaire proteïnen 25 Sommige draadvormige structuur aannemen = fibreuze of vezelproteïnen 3.5.2. Vezelige proteïnen 3.5.2.1. Vezels met een uitgesproken -helix structuur Delen polypeptideketen, soms hele ketens rechtsdraaiende spiraal vormen per winding 3 tot 6 AZ = -helix structuur gestabiliseerd doordat iedere (-C=O) van een peptidebinding zich op ideale afstand van een –N-H bevindt van een andere peptidebinding vormt H-brug -helix gestabiliseerd door max aantal H-bruggen tussen AZ Restgroepen zijn naar buiten gericht maximaal van elkaar weggericht Zorgen voor interacties met de omgeving Interacties tss verschillende helixen en/of verschillende delen van een geplooide helix hydrofobe interacties of S-S-bruggen In contact met water hydrofiele interacties Ketens = rekbaar slechts enkele H-bruggen moeten verbroken worden om de lengte te wijzigen Na verstoring molecule naar oorspronkelijke vorm terugkeren structuren = elastisch Vb: Keratine vertoont -helix structuur 3 -helixen tot protofibril in elkaar gedraaid Binnen cel verschillende protofibrillen samengebundeld tot 1 microfibril Vele 100den microfibrillen = macrofibril = vezel in haarcel Vanuit deze structuur enkele eigenschappen verklaren Aantal S-bruggen tussen protofibrillen bepaalt hardheid keratine Keratine = quaternaire structuur van talrijke -helixen 3.5.2.2. Vezels met een vouwbladstructuur of β-sheet Vouwbladstructuur ontstaat doordat verschillende polypeptide ketens, of stukken uit eenzelfde keten, zich evenwijdig langs elkaar gaan leggen (anti-parallel) Ketens zo georiënteerd dat –N-H groep gericht is naar C=O groep andere keten Ontstaan H-bruggen tussen beide ketens zorgen voor stabilisatie van vouwbladstructuur -C-atomen op plooien + restgroepen weggericht van vouwblad Vouwbladstructuur = treksvast + niet elastisch Iedere keten is gerekt + ketens onderling verbonden door zeer veel H-bruggen ketens kunnen moeilijk naast elkaar glijden gebeurt dit wel geen terugkeer naar oorspronkelijke toestand op andere plaatsen H-bruggen gevormd Vb: draden spinnenweb + zijde 26 3.5.3. De globulaire proteïnen Iedere polypeptide eigen specifieke driedimensionele structuur niet resultaat van S-Sen H- bruggen wel gevolg van interacties tussen restgroepen AZ ontstaan in de ruimte opgeplooide structuren bolvormig (globulair) Globulaire eiwitten in oplossing hydrofobe restgroepen meestal naar elkaar toegericht in inwendige van eiwit Hydrofiele restgroepen naar buiten gericht maximaal aantal interacties met water eiwit in oplossing Driedimensionale structuur van een eiwit deels bepaald door aanwezigheid van andere groepen in het eiwit Vb: myoglobine eiwit dat zorgt voor transport van O2 in de spiercellen Ook in globulaire proteïnen quaternaire structuren Vb: hemoglobine verantwoordelijk voor transport van O2 in bloed 4 afzonderlijke polypeptideketens elke afzonderlijk bolvormig 4 subeenheden 2 aan 2 gelijk (2 -ketens en 2 β-ketens) passen volledig in elkaar + vormen groot bolvormig molecule AZvolgorde in eiwit bepalend voor vorm en functie zeer belangrijk voor biologische activiteit van eiwit Wijziging van 1 AZ kan functie van eiwitmolecule verstoren 3.6. 3.6.1. Proteïnen als bio-katalysatoren: de enzymen Inleiding In levende cel 1000den verschillende reacties optreden Alle reagentia niet zomaar met elkaar reageren heel wat reagentia willen met elkaar reageren maar kunnen dit net niet hulpmiddel nodig = Katalysator Biologische wereld katalysatoren bijna alle chemische reacties in levende cel worden gekatalyseerd = enzymen eiwitten bestaande uit 1 of meerdere polypeptide ketens 3.6.2. Het katalyse verschijnsel Moleculen slechts met elkaar reageren als ze elkaar treffen met een energie die voldoende is om arbeid van de chemische reactie te leveren Reactie slechts opgaan als de totale hoeveelheid energie van de reagentia voor de reactie > dan na de reactie Vrije energie (G) = maar om arbeid te kunnen leveren Vrije energie na reactie < dan die van moleculen voor de reactie reactie mogelijk Verschil in vrije energie aangewend om reactie uit te voeren afgegeven als warmte aan omgeving Reactie = exergonisch zal niet steeds spontaan optreden alleen maar doorgaan als de energie van de moleculen groot genoeg is. Kinetische energie groot genoeg moleculen met elkaar reageren Kinetische energie onvoldoende groot energie verhoogd door energie toe te voegen = ACTIVERINGSENERGIE 27 Niet steeds mogelijk om aan een systeem activeringsenergie toe te voegen onder de vorm van warmte Katalysatoren bieden oplossing verminderen de nodige activeringsenergie verhogen de kans dat stoffen elkaar gunstig treffen en exergonische reactie uitvoeren verhogen de snelheid waarmee een reactie afloopt maar het chemisch evenwicht wordt niet gewijzigd wel sneller bereikt Niet biologische wereld naast het gebruik van katalysator verhoging van temperatuur aangewend om reactie te bespoedigen. Biologische wereld gebeurt stofwisselingsreactie bij constante temperatuur = Fysiologische temperatuur. Veel stofwisselingsreacties = exergonisch maar niet spontaan optreden eisen nodige activeringsenergie Activeringsenergie is nodig omdat Verbindingen verbroken worden vooraleer andere tot stand komen e- moeten geëxciteerd worden vooraleer ze deelnemen aan covalente binding moleculen voldoende energie moeten hebben om de elektrostatische afstoting te overwinnen voldoende dicht kunnen naderen en reageren fysiologische temperatuur te laag om activeringsenergie te leveren Stofwisselingsreacties beroep doen op andere middelen = enzymen of biokatalysatoren Enzymen brengen reagentia in ideale omstandigheden activeringsenergie verlaagt reagentia gemakkelijker en sneller gaan reageren Enzymatische reactie verloopt veel sneller evenwicht vlugger bereikt Enzymatisch gekatalyseerde reacties verlopen 106 tot 1012 keer sneller dan dezelfde reacties zonder enzymen bij gelijke omstandigheden 3.6.3. Werking van een enzym 3.6.3.1. Actief centrum en herkenning 2 eigenschappen die werking van een enzym karakteriseren Katalytische activiteit specificiteit Enzym heeft hiervoor 2 gebieden ene gebied herkent en bindt de substraatmoleculen andere katalyseert de reactie Beide plaatsen zijn dichtbij elkaar gelegen = ACTIEF CENTRUM = aantal restgroepen van AZ, zo georiënteerd dat een specifiek substraat stevig gebonden kan worden Binding van substraatmolecule aan enzym gevolg van de vorming van verschillende niet covalente bindingen Moleculen met analoge vorm kunnen als substraat passen in actief centrum niet binden omdat er geen juiste interacties ontstaan Herkenning substraat berust op 2 fenomenen: VORMSPECIFICITEIT en AANGAAN JUISTE INTERACTIES 28 3.6.3.2. De katalyse Katalyse berust op vorming van zeer kortstondig maar reactief complex tss substraatmolecule S en het actief centrum = Enzym-substraatcomplex (ES-complex) Substraat = 1 enkele molecule reactie monomoleculair Substraat = meerdere moleculen reactie bi- of multimoleculair In ES-complex omstandigheden optimaal activeringsenergie vrij laag reactie kan snel verlopen ontstaan enzym-productiecomplex (EP-complex) valt snel uiteen in onveranderd enzym en het reactieproduct P E + S ES EP E + P Verschillende stappen terug in energiediagram vanberust enzymreactie Katalyse op het vormen van een complex waarbij ideale omstandigheden worden gecreëerd weinig activeringsenergie nodig om reactie te laten verlopen reactie enorm versnellen. Verschillende factoren binnen ES-complex bijdragen tot het verlagen van activeringsenergie: 3.6.3.3. Oriëntatie van substraatmolecule is zodanig dat spanningen ontstaan in bepaalde bindingen en deze daarom gemakkelijk breken. Door oriëntatie en neutraliseren van lading in complex substraatmoleculen voldoende naderen zodat ze gaan reageren Rond substraat restgroepen fungeren als donor of acceptor lokaal een zuur- of basisch milieu verkregen Soms ES-complex kortstondig covalent grote wijzigingen in het substraat zeer reactief Twee verschillende vormen van substraatbinding Binding van substraat aan enzyme is het gevolg van het perfect passen in het actief centrum + aangaan van de juiste interacties ontstaan ES-complex gestabiliseerd door verschillende niet-covalente interacties. Dergelijke binding vergeleken met het passen van een sleutel op een slot =lock and key mechanisme Sommige enzymen binden juiste substraat conformatie(vorm) van enzym wijzigen katalytische restgroepen actief centrum perfect georiënteerd + enzyme neemt juiste vorm aan + kan katalytische rol vervullen = induced fit mechanisme Onderscheid maken tussen herkennen van substraatbindingsplaats en het induceren van een conformatiewijziging Zo bepaalde analoge moleculen wel binden maar niet gekatalyseerd worden veroorzaken geen juiste conformatiewijziging. 29 Glycerol, ribose, water binden op substraatbindingsplaats maar induceren niet de nodige conformatiewijziging geen substraten van het enzym Kunnen wel de werking van het enzymen beletten. 2 stoffen die perfect in elkaar passen = COMPLEMENTAIR 1 stof/molecule is template van de andere moleculen Complementariteit van bepaalde moleculen stoffen elkaar kunnen herkennen Na herkenning gestabiliseerd d.m.v. zwakke moleculaire interacties 3.6.4. Cofactoren, coënzymen en prosthetische groepen Veel enzymen bestaan uit 1 of meerdere polpeptideketens functioneren onder deze vorm Andere enzymen samengestelde enzymen voor werking nog een bijkomende component nodig = COFACTOREN Cofactor = complexe organische moleculen sterk gebonden met het enzym = prosthetische groep Cofactor niet verbonden met enzym = Coënzymen Wateroplosbare vitaminen belangrijke rol als coënzym of precursoren van coënzym 3.6.5. Factoren die een enzymatische reactie beïnvloeden 3.6.5.1. Enzymconcentratie Concentratie enzym in milieu stijgt reactiesnelheid toenemen evenwicht vroeger bereikt Hoe meer enzymen hoe groter de kans dat een substraatmolecule een enzym ontmoet en kan binden 3.6.5.2. Substraatconcentratie Lage substraatconcentratie niet alle enzymmoleculen actief Toenemende substraatconcentratie snelheid van de reactie (V) toenemen kans groter dat substraatmolecule gaat binden met enzym Vanaf bepaalde concentratie alle actieve centra bezet met substraat reactie verloopt op zijn snelst (Vmax) Ieder enzym eigen Vmax afhankelijk van de enzymconcentratie voor karakteriseren van een enzymreactie parameter gehanteerd die onafhankelijk is van de concentratie van het enzy Km of Michaelisconstante Km = substraatconcentratie waarbij V = ½ Vmax helft v.d. enzymmoleculen actief er is evenveel vrij enzym als er enzymesubstraatcomplex is [E] = [ES] Parameter Km niet afhankelijk van de enzymconcentratie beschrijft de affiniteit van een enzym voor zijn substraat Hoe kleiner Km des te beter (sneller) enzym het substraat binden in een verdunde oplossing concentratie aan substraat [S] lager om helft maximale snelheid te bereiken Enzymen met grote affiniteit kleine Km en omgekeerd 30 Concentratie van verschillende kleine moleculen in een cel erg verschillend als gevolg van de Km waarde van de verschillende enzymen die werken met deze moleculen Enzymen met een zeer kleine Km snel reageren op concentratietoename van het substraat substraatconcentratie blijft laaf Dikwijls intracellulaire concentratie substraat ongeveer van dezelfde grootte of groter dan de Km-waarde van het enzym waarmee het bindt Km meeste enzymen tussen 10 -2 en 10 -5 mol/l Stoffen die in cel of organismen aanwezig zijn in heel lage concentratie alleen herkend worden door enzymen met een hoge affiniteit Enzymen + receptoren die hormonen moeten herkennen zeer hoge affiniteit voor deze hormonen 3.6.5.3. Regulatie ter hoogte van het enzym Meeste reacties in cel niet steeds aan dezelfde snelheid Katalytische activiteit enzym geregeld worden zodat hoeveelheid product juist gelijk is aan de nood van de cel enzymen mogen niet van bij het begin actief zijn Enzymen vertonen naast bindingsplaats voor substraat andere bindingsplaatsen voor moleculen die na binding de activiteit van het enzymen doen toenemen of afnemen = EFFECTOREN Door te binden aan enzymen conformatie van het enzym wijzigen vorm van het actief centrum wijzigt resulteert in het winnen of verliezen van de katalytische activiteit = ALLOSTERISCHE enzymen Bindingsplaats voor effectoren = allosterisch centrum Inhibitoren = negatieve effectoren na binding conformatie van enzym zo wijzigen dat actief centrum niet meer functioneel is = ALLOSTERISCHE INHIBITIE Veel voorkomende vorm van inhibitie = feedbackinhibitie Biochemische metabolische pathways bestaan uit reeks van enzymen die een reeks verzorgen om een bepaald eindproduct te maken meetal 1 enzym dat sleutelrol speelt in reguleren van de concentratie van het eindproduct = eerste enzym van de reeks Indien eindproduct in voldoende hoge concentratie gesynthetiseerd werd eindproductmoleculen binden op specifieke bindingsplaats regulerend enzym enzym verliest katalytische activiteit Inhibitoren = moleculen die erg analoog zijn aan substraat binden op actief centrum enzym bezet geraakt + kan functie niet meer vervullen = SUBSTRAATANALOGE INHIBITIE ACTIVATOREN = positieve effectoren na binding op allosterisch centrum conformatie zo wijzigen dat het enzym actief wordt = ALLOSTERISCHE ACTIVATIE Veel cofactoren fungeren als activatoren belang van verschillende mineralen in onze voeding Binding van effectoren aan enzym eveneens beschreven door chemische reactie met haar evenwicht ieder allosterisch centrum heeft haar eigen affiniteit voor haar effector Multimere enzymen bevatten meerdere exemplaren van eenzelfde subeenheid (elk met eigen actief centrum) door inden van activator of substraat subeenheid van conformatie 31 veranderen beïnvloeden andere subeenheden wijzigen ook affiniteit verhoogt voor bindend substraatmolecule = COÖPERATIEVE INTERACTIE Interactie tussen actieve centra multimeer enzym laat toe enzym sterk te laten reageren op zeer kleine wijzigingen aan effectoren of substraat Vb: binding van O2 aan hemoglobine 3.6.5.4. Invloed van temperatuur en pH Zowel temperatuur als pH sterke invloed op werking van enzymen Temperatuur neemt toe activiteit en reactiesnelheid nemen ook toe Sterke temperatuursverhoging eiwit bezit te veel energie secundaire bindingen verbroken conformatie enzym wijzigt + enzym wordt inactief Temperatuur waarbij enzym maximaal werkt = temperatuuroptimum pH bepaalt ionisatie van de restgroepen en hierdoor de interacties en de conformatie van het enzym ook de lading van het substraat wordt bepaalt door pH Indien pH wijzigt kan lading substraat en enzym wijzigen juiste interacties kunnen niet meer ontstaan systeem zal niet meer functioneren Voor iedere enzymatische reactie bestaat een optimale pH enzym en substraat reageren hier het best en de reactiesnelheid is het grootst 3.6.6. Indeling en naamgeving van enzymen Enzymen dikwijls aangeduid met de naam van het substraat gevolgd door achtervoegsel –ase Voor vele enzymen niet-relevante namen (vb: pepsine, trypsine) International Enzymen Commission classificatie en nomenclatuur voor enzymen basis systeem = aard van de chemische reactie die gekatalyseerd wordt 6 hoofdklassen + subklassen 1. Oxidoreductasen: zorgen voor oxidatie en reductiereacties elektronentransfer Meestal dehydrogenase 2. Transferasen: zorgen voor transfer van bepaalde functionele groep van 1 molecule naar een andere moleculen bekomen naam in functi van de groep die ze transfereren 3. Hydrolasen: Hydrolytische splitsingen meeste verteringsenzymen 4. Lyasen: Katalyseren eliminatie van groepen op naburige atomen ontstaan dubbele bindingen of omgekeerde (additiereacties) 5. Isomerasen: katalyseren isomerisatiereacties wijzigingen in het substraat zonder dat de brutoformule verandert 6. Ligasen: = synthetasen katalyseren het binden van 2 moleculen aan elkaar enzymen voert reactie uit met energie afkomstig van het splitsen van ATPmolecule 3.7. Andere functionele eiwitten Werking van andere eiwitten (hormonen, receptoren, transporteiwitten, antilichamen) erg analoog met deze van enzymen Eiwitten vertonen pas activiteit na binding met een andere molecule = LIGAND 32 Binding met ligand = scheikundige reactie met haar eigen evenwichtsconstante Ligand tal van functies bepaald door ligand zelf en door eiwit waarmee ze gaan binden Receptoren = eiwitten die meestal gebonden zijn aan membranen hebben functie om signalen door te geven + bepaalde stoffen te transporteren Na binding met ligand conformatie wijzigen eiwit vervult specifieke functie Bij receptoren affiniteit voor ligand zeer hoog Receptoren voor hormonen zeer hoge affiniteit concentratie van hormoon in lichaamsvloeistoffen zeer laag. Antilichamen = eiwitten die specifiek gemaakt worden als reactie op het indringen van vreemde lichamen Antilichaam heeft herkenningsplaats sterk kan binden met antigen meestal eiwit of een saccharide gebonden aan het oppervlakte van de vreemde indringer Alle vertebraten zeer uitgebreid gamma aan antilichamen produceren in verschillende klassen onderverdeeld i.f.v. samenstelling 4. Nucleïnezuren Nucleïnezuren bevinden zich zowel in de kern als buiten de kern Nucleïnezuren = polymeren met een hoog moleculair gewicht opgebouwd uit nucleotiden dragers erfelijke informatie + belangrijke rol in het doorgeven van deze informatie bij de celdeling en eiwitsynthese Belangrijke rol in de vertaling van informatie in een opeenvolging van aminozuren Afzonderlijke nucleotiden tal van andere functies vervullen Energieoverdracht in de cel Signaal Onderdeel van een co-enzym Nucleotiden opgebouwd uit een nucleoside en een fosfaat Nucleosiden opgebouwd uit een ribose suiker en een heterocyclische base 4.1. Heterocyclische base Base die deel uitmaken van de nucleosiden behoren tot de organische heterocyclische verbindingen = cyclische verbindingen waarbij naast C nog andere atomen aangetroffen in de ring N maakt deel uit van ring basische eigenschap heterocyclische base 5 organische heterocyclische basen belangrijke rol als bouwstenen voor nucleoside 2 afgeleid van purine (Guanine, adenine) 3 afgeleid van pyrimidine (cytosine, thymine, uracil) 33 4.2. Nucleosiden Elk vd 5 heterocyclische base met ribose of deoxyribose verbonden nuclieoside Verbinding tussen glycosidische hydroxylgroep suikermolecule + aminogroep (N-H) heterocyclische base afsplitsen 1 molecule water 4.3. Nucleotiden Nucleotide = nucleoside waarbij het ribose of deoxyribose veresterd is met fosforzuur Verestering gebeurt met hydroxylgroep op C-atoom 5 suikermolecule Indien nucleotide slechts 1 fosfaatgroep draagt nucleoside monofosfaat Verschillende nucleotiden afgekort door 3 hoofdletters 4.4. AMP: adenosine monofosfaat dAMP: deoxyadenosine monofosfaat GDP: guanosine difosfaat ATP: adenosine trifosfaat Enkele bijzondere nucleotiden Nucleoside monofosfaten verder veresteren di- en trifosfaten Fosforzuur veresterd met reeds aanwezige fosforzuren ontstaan di- en trifosfaten Maken fosfoanhydride binding vergt energie 34 Hydrolyse levert veel energie op (G=-7,3 kcal/mol) ATP = biologisch belangrijkste energieleverancier in de cel Fosfaatgroep 5’-mononucleotide door 2de verestering binden met hydrocylgroep op Catoom 3 pentose ontstaan cyclische nucleotide Vb: cyclisch adenosine monofosfaat (cAMP) belangrijke rol 2de boodschapper Nucleotiden tevens onderdeel van co-enzymen 4.5. 4.5.1. Nucleïnezuren Fosfodiësterbinding Nucleïnezuren = polymeren van nucleotiden verschillende nucleotiden met elkaar verbonden door fosfordiësterverbinding (1x fosforzuur veresterd met hydroxylgroep op Catoom 5 pentose, 1x fosforzuur veresterd met hydroxylgroep op C-atoom 3 pentose ander nucleotide) ontstaan lange ketens = nucleïnezuren 1 uiteinde = 3’-uiteinde hydroxylgroep op C-atoom 3 pentose is onveresterd Ander uiteinde = 5’-uiteinde fosfaat verbonden met C-atoom 5 niet verder veresterd 2 groepen nucleïnezuren: DNA (deoxyribonucleïnezuur) en RNA (ribonucleïnezuur) Pentosesuiker Organische basen 4.5.2. DNA Deoxyribose C, T, A, G RNA Ribose C, U, A, G DNA DNA-molecule 2 verschillende polynucleotideketens evenwijdig maar in omgekeerde zin georiënteerd (antiparallel) + met elkaar verbonden + spiralig om eenzelfde as wentelen = DUBBELE HELIXSTRUCTUUR Heterocyclische basen naar elkaar toegericht + liggen in vlakken loodrecht op lengterichting van molecule Telkens 1 pyrimidine tegenover een purine T tegenover A en C tegenover G ontstaan H-bruggen (2 tss A –T en 3 tss G-C) ketens aan elkaar verbonden door talrijke H-bruggen stabiele structuur Door complementariteit beide ketens in DNA-molecule complementair aan elkaar ene keten past precies op de andere + verbonden door juist passende H-bruggen Primaire structuur 1 keten gegeven structuur complementaire keten ligt vast 1 keten bevat structurele informatie nodig voor de constructie van de complementaire de ene keten = template van de andere ontzettend veel DNA-moleculen kunnen bestaan Door specifieke opeenvolging van basenparen molecule drager van genetische informatie Dankzij complementariteitsprincipe genetische informatie doorgegeven op beide strengen een kopie gemaakt = DNA DUPLICATIE (voor celdeling) Of Van klein gedeelte (operon) kopie gemaakt = DNA TRANSCRIPTIE RNA gemaakt 35 4.5.3. RNA 3 groepen RNA-moleculen 1. Boodschapper- of messenger RNA (mRNA) 2. Transfer RNA (tRNA, sRNA soluble RNA) 3. Ribosomaal RNA (rRNA) Iedere groep eigen karakteristieken in bouw en functie Allen functie in eiwitsynthese RNA-moleculen enkele ketens door inwendige basencomplementariteit verkrijgen complexe 3D structuur (klaverblad) 5. Vitaminen en co-factoren Vitaminen = groep van heterogene verbindingen stoffen die met kleine hoeveelheden aanwezig zijn in onze voeding en noodzakelijk voor ons lichaam kunnen ze zelf niet synthetiseren + fysiologisch belangrijk Tekort of afwezigheid stoffen veroorzaken deficiëntieveverschijnselen Op basis van chemische en fysiologische eigenschappen vitaminen onderverdeeld in 2 groepen. Degene die niet als co-factoren functioneren = vetoplosbare vitaminen (A,D,E,K) Degene die een functie hebben als precursor van een welbepaalde co-factor = wateroplosbare vitaminen Deze co-factoren zowel co-enzym als een prosthetische groep voor enzymen 5.1. Een overzicht Vitaminen Vet-oplosbare: Vit.A = retinal Vit.D2 = ergocalciferol Functie Fotochemie van het zien Hormoon: regulatie van het Ca- en fosfaat metabolisme (beendervorming) 36 Vit D3 = cholecalciferol Vit E Vit.K1 = fyllochinon Water-oplosbare Vit.B1 = thiamine Vit B2 = riboflavine Vit B3 = nicotinezuur Vit B5 = pantotheenzuur Vit B6 = pyridoxine Biotine Foliumzuur Vit B12 = cyanocobalamine Vit C = L. ascorbinezuur Idem o.a. anti-oxidans, beschermt membranen tegen oxidatie, in virtro E.306-E.309 Co-factor van het enzyme dat verantwoordelijk is voor de vorming van prothrombine in de lever (bloedstollingenzyme Decarboxylatie van het -ketonzuur H-transfer (oxidoreductie reactie) H-transfer (oxidoreductie reactie) Acyl-transfer Amino-transfer (transaminatie reacties) (transaminase) ook decarboxylatie (decarboxylase) Carboxy-transfer (carboxylatie reacties) 1C-groep transfer o.a. CH, CH2 CH3 CHO 1-2 waterstof shift (isomerase reacties) Co-factor in hydroxylatie reacties Meeste co-factoren afgeleid van vitaminen belangrijke rol in transfer van groepen tijdens enzymatische reactie bepalen niet alleen actieve vorm van het enzym ook belangrijke rol in het katalyseren van reactie 5.2. NAD+ en NADP+ Nicotinezuur = bestanddeel van het toxisch alkaloïde nicotine in tabak Vertrekkende van andere precursoren (tryptofaan) door planten en meeste dieren gesynthetiseerd Nicotinezuur en nicotinamide (Vit B3, Vit PP) precursoren van de co-enzymen nicotinamide-adenine-dinucleotide Basische stikstof van nicotinamide binden met ribose-fosfaat vorming van mononucleotide binden met ander mononucleotide (ATP) vorming dinucleotide 2 fosfaten afgesplitst Verschil tussen nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD+) en nicotinamide-adeninedinucleotide-fosfaat (NADP+) gesubstitueerd zijn van een –OH door een fosfaat Beide co-enzymen vervullen rol als H-overdragers noodzakelijke co-enzymen van verschillende enzymen verantwoordelijk voor oxido-reductiereacties Algemeen: NAD+ + 2H NADH + H+ Geoxideerde vorm (NAD+) als oxidans optreedt substraat wordt geoxideerd co-enzym wordt gereduceerd (NADH) (neemt elektron op) 5.3. FMN en FAD Riboflavine (vit B2) = precursor van de co-factoren flavinemononucleotide (FMN) en flavine adenine dinucleotide (FAD) FMN suiker D-ribitol = gereduceerd ribose geen ringsluiting mogelijk 37 FAD ontstaat door binding van FMN met ATP 2 fosfaten afgesplitst Beide co-factoren (FMD, FAD) sterk gebonden aan hun enzym prosthetische groepen deze enzymen = flavoproteïne vervullen rol van H-overdragers bij oxidoreductiereacties flavinedeel hiervoor verantwoordelijk Algemeen: FAD + 2H FADH2 5.4. Co-enzym A Vitamine panthotheenzuur = precursor van co-enzym A Pathotheenzuur opgebouwd uit β-alanine verbonden door peptidebinding met een zuur (2,4-dihydroxy-3,3 dimetylbutaanzuur) In co-enzym A β-amino-ethaan-thiol rest gebonden aan panthoteenzuur op zijn beurt verbonden met ATP CoA zorgt voor overbrengen van acylgroep tijdens enzymatische reactie HS-groep van CoA veresterd met HOOC-groep organisch zuur thio-esterbinding gevormd acyl-CoA ontstaat Acyl-CoA = energierijke verbinding vorming wordt activering van betrokken zuur genoemd Belangrijkste acyl-CoA onstaat door verestering met azijnzuur acetyl-CoA (geactiveerd azijnzuur) Azijnzuur + CoA acetyl-CoA + H2O III. Bio-energie 1. Inleiding Leven energie nodig noodzakelijk voor verschillende doeleinden Bouw van biomoleculen (groei) Fysiologische en biochemische processen o Transport o Celdeling o Spiercontractie enz. Niet alle energie aangewend voor deze doeleinden deel verloren als warmte 2. Waarvan komt deze energie Globale metabolisme 2 groepen van reacties 1. Synthese of anabolische reacties = creëren biologische orde 2. Afbraak of katabolische reacties = reacties die energie vrijgeven Biomoleculen bezitten hoge energiewaarde 38 Aanwezige potentiële energie door afbraak, oxydatie vrijkomen katabolisme = exergonisch Deel van de vrijgekomen energie die opnieuw bruikbaar is = G (Gibbs vrije energie) G = negatief daling in vrije energie-inhoud reactie gaat spontaan op = exergonische reactie Cellulair metabolisme 1000den biochemische reacties talrijke reacties vergen energie (endergonische) andere geven energie vrij (exergonisch) Energie die tijdens reacties vrij komt in staat om arbeid te leveren idem in onze mechanische omgeving Globaal systemen met veel vrije energie zijn niet stabiel kunnen vrije energie afstaan arbeid wordt geleverd Hierna systeem minder vrije energie meer stabiel + niet meer in staat om arbeid te leveren Biologische wereld energie geleverd door de afbraak van moleculen Energetisch stabielste vorm koolstof = CO2, van waterstof = H2O Ieder biochemische spontane reactie verloopt ontzettend traag nodige activeringsenergie ontbreekt Versnellen van afzonderlijke reacties mogelijk dankzij enzymatische katalyse iedere reactie nauwkeurig gecontroleerd Afbraak of oxydatie proces waarbij elektronen worden onttrokken en overgedragen aan een andere verbinding met lagere energie-inhoud (G<0) energie komt vrij Afbraak van biomoleculen met het oog op bekomen van vrije energie gebeurt in stappen niet alle energie komt gelijktijdig vrij als warmte komt geleidelijk vrij kan gebruikt worden Belangrijkste afbraak ten behoeve van energie = oxidatie van glucose tot CO2 Stapsgewijze oxidatie CH4 H3COH Methaan methanol H2CO formaldehyde HCOOH mierenzuur CO2 koolstofdioxide Biologische oxidatie in stappen gekoppeld aan vorming van ATP 3. ATP Binnen cel energie continu ter beschikking voor verschillende processen op verschillende plaatsen Productie energie beperkt tot enkele plaatsen (mitochondriën, chloroplasten) 39 Stof dat in alle cellen wordt aangetroffen = ATP = universele leverancier van energie ATP = adenosine trifosfaat = hoogenergetische verbinding die ontstaat uit adenosine difosfaart en fosforzuur (fosforylatie) endergonische reactie + vergt veel energie Reactie gebeurt in de cel gekoppeld aan exergonische reactie = oxidatie van biomoleculen Vrije energie aanwezig in ATP bij hydrolyse vrijkomen + benut voor tal van levensprocessen ATP = opslagplaats voor energie Hoge G verklaard worden door grote stabiliteit van de eindproducten na hydrolyse of de onstabiele toestand van het beginproduct Binnen 2 of 3 fosfaatgroepen die met elkaar verbonden zijn talrijke zuurstofatomen dicht bij elkaar negatieve en partieel negatieve ladingen van O stoten elkaar af alleen een heel sterke binding kan fosfaten bij elkaar houden Enzym dat verantwoordelijk is voor synthese van ATP vanuit ADP + P zeer hoge activeringsenergie moeten omzeilen gebeurt door tijdelijk de deelladingen af te zwakken tijdens het enzymatisch proces fosfaat kan voldoende dicht ADP naderen beide groepen reageren Hydrolyse van ADP en AMP kunnen ook energie leveren Hydrolyse ATP en ADP leveren veel energie op Wanneer verbindingen een energie-inhoud hebben van meer dan 20kJ/mol energierijke verbindingen Naast ATP verschillende andere energierijke bindingen in de cel verbindingen met fosfaat of zwavel (thio-esterverbindingen) Veel van deze bindingen ontstaan juist om een molecule een hogere vrije energie te geven geactiveerde molecule heeft extra energie en kan gemakkelijker verder reageren 4. Biosynthese is meestal rechtstreeks gekoppeld aan de hydrolyse van ATP Enzymen kunnen reactiesnelheid doen toenemen maar kunnen geen energetische ongunstige reactie doen verlopen Meeste synthese en fysiologische processen endergonisch vergen energie probleem kan opgelost worden doordat enzymen deze endergonische reactie koppelt aan een exergonische reactie (vb: hydrolyse van ATP energie die vrijkomt bij exergonische deelreactie > energie nodig voor endergonische reactie) Vb: 2 monomeren A en B verenigen door hydratatie A-H + B-OH A-B + H2O 40 Synthese reactie = endergonisch vergt energie kan pas opgaan indien ze gekoppeld wordt aan hydrolyse van ATP Reactie 1: A+B A-B G = 5kal/mol (endergonisch) Reactie 2: ATP ADP + P G = -7,3 kal/mol (exergonisch) Totaal: A+B+ATP AB + ADP + P G = -2,3 kal/mol (exergonisch) Koppeling synthesereactie aan hydrolyse van ATP op verschillende manieren gebeuren Dikwijls gebruikt systeem = activeren van 1 vd 2 substraten B omgezet tot een intermediair met hogere energie inhoud gaat snel en spontaan reageren met A Eenvoudigste mechanisme = transfer van fosfaat van ATP naar B ontstaan Bfosfaat B-P = energierijke verbinding door hydrolyse veel energie vrij snel reageren met A B + ATP B-P + ADP B-P + A A-B + P Transfereren van fosfaat van ATP naar andere moleculen in intermediair metabolisme regelmatig aangetroffen Enzymen hiervoor verantwoordelijk = fosfotransferasen Aantal gevallen 2 fosfaten P-P (pyrofosfaat) getransfereerd naar molecule of molecule rechtstreeks verbonden met ATP vrijkomen fosfor of pyrofosfor activatie van het molecule 4.1. Enkele voorbeelden 1. Glutaminezuur Door binden met amoniak (NH3) omgezet tot aminozuur glutamine Eerst glutaminezuur geactiveerd worden (gefosforyleerd) ontstaan energierijke glutamylfosfaat door hydrolyse fosfaatverbinding genoeg energie vrij om reactie te laten verlopen 2. Biosynthese van RNA en DNA Nucleotiden eerst geactiveerd tot nucleosidetrifosfaat (energijrijke stoffen) door hydrolyse met elkaar verbonden tot polynucleotideketen (biosynthese van DNA of RNA) Enzymen hiervoor = DNA- of RNA-polymerase 3. eiwitsynthese 41 tRNA brengt aminozuren aan Op ieder tRNA passend AZ gebonden wroden Voor elk tRNA bestaat een overeenkomstig AZ Vooraleer AZ gebonden kan worden aan tRNA AZ geactiveerd worden door een binding aan ATP P-P(pyrofosfaat) afgesplitst ontstaan geactiveerd AZ (amino-acyl-AMP) 2de stap geactiveerd AZ gebonden aan tRNA komt tot stand door estervorming tussen HOOC-groep van het aminozuur en de 3’ –OH-groep van de terminale ribose van het tRNA Beide stappen gebeuren door hetzeldfe enzym Voor iedere tRNA bestaat eigen enzymen = aminoacyl-t-RNA synthetase moeten juiste AZ, ATP molecule en overeenkomstig tRNA(te herkennen aan anticodon) binden 5. ATP-cyclus ATP door energierijke verbinding = opslagplaats voor energie Hydrolyse van ATP gebonden aan noodzaak van energie voor talrijke cellulaire processen ATP op zijn beurt alleen gemaakt worden met behulp van energie afkomstig van licht (fotosynthese) of hoge potentiële energie aanwezig in verbindingen (gereduceerde verbindingen) en vrijgekomen tijdens de afbraak (oxidatie) van deze verbindingen 42 Biomoleculen I. Inleiding 1. Cellen zijn de eenheid van leven 2. Samenstelling van de levende fase 3. Water: zo algemeen maar toch zeer bijzonder II. Biomoleculen: bouw en functie 1. Koolhydraten 1.1. Monosacchariden (= enkelvoudige suikers) 1.1.1. Structuur 1.1.2. Enkele belangrijke monosacchariden 1.1.2.1. Glucose 1.1.2.2. Fructose 1.1.2.3. Galactose 1.1.2.4. Pentosen 1.1.3. Chemische eigenschappen en afgeleide suikers 1.1.3.1. Estervorming 1.1.3.2. Reductie 1.1.3.3. Oxidatie 1.1.3.4. Aminatie 1.2. Disacchariden 1.2.1. Algemeen 1.2.2. Enkele voorbeelden 1.2.2.1. Maltose 1.2.2.2. Lactose 1.2.2.3. Cellobiose 1.2.2.4. Saccharose of Sucrose 1.3. Oligo- en polysacchariden 1.3.1. Algemeen 1.3.2. Structuur en kenmerken van polysacchariden 1.3.3. Voorbeelden van homopolysacchariden 1.3.3.1. Zetmeel Amylopectine Amylose 1.3.3.2. Dextrines 1.3.3.3. Glycogeen 1.3.3.4. Cellulose 1.3.3.5. Inuline 1.3.3.6. Chitine 1.3.4. Voorbeelden van heteropolysacchariden 1.3.4.1. Pectine 1.3.4.2. Hemicellulose 1.4. Suikers en smaak 2. Lipiden 2.1. Glyceriden 2.1.1. Vetzuren 2.1.1.1. Naamgeving vetzuren 2.1.2. Vetten en oliën (triglyceriden) 2.1.2.1. Structuur 2.1.2.2. Eigenschappen 2.1.3. Fosfoglyceriden 2.1.3.1. Bouw 2.1.3.2. Eigenschappen 2.2. Sfingolipiden 2.3. Wassen 2.4. Sterolen en steroïden 43 2.5. Enkele andere vetten 2.5.1. Terpenen en terpenoïden 2.5.1.1. Rubber 2.5.1.2. Carotenoïden 2.5.1.3. Mengsels 2.5.2. Prostaglandines 3. Proteïnen (eiwitten) 3.1. Inleiding 3.2. Aminozuren 3.2.1. Structuur 3.2.2. Essentiële aminozuren 3.2.3. Eigenschappen van aminozuren 3.2.3.1. Zuur-base eigenschappen 3.2.3.2. Iso-elektrisch punt 3.2.3.3. Bufferende eigenschappen 3.3. De peptidebinding 3.4. De structuur van een polypetide 3.4.1. Primaire structuur 3.4.1.1. Zwavel- of disulfiet-bruggen 3.4.2. Secundaire structuur 3.4.3. Tertiaire structuur 3.4.4. Quaternaire structuur 3.5. Beschrijving van enkele structuren en de interacties die deze bepalen 3.5.1. Globulaire en fibreuze proteïnen 3.5.2. Vezelige proteïnen 3.5.2.1. Vezels met een uitgesproken -helix structuur 3.5.2.2. Vezels met een vouwbladstructuur of β-sheet 3.5.3. De globulaire proteïnen 3.6. Proteïnen als bio-katalysatoren: de enzymen 3.6.1. Inleiding 3.6.2. Het katalyse verschijnsel 3.6.3. Werking van een enzym 3.6.3.1. Actief centrum en herkenning 3.6.3.2. De katalyse 3.6.3.3. Twee verschillende vormen van substraatbinding 3.6.4. Cofactoren, coënzymen en prosthetische groepen 3.6.5. Factoren die een enzymatische reactie beïnvloeden 3.6.5.1. Enzymconcentratie 3.6.5.2. Substraatconcentratie 3.6.5.3. Regulatie ter hoogte van het enzym 3.6.5.4. Invloed van temperatuur en pH 3.6.6. Indeling en naamgeving van enzymen 3.7. Andere functionele eiwitten 4. Nucleïnezuren 4.1. Heterocyclische base 4.2. Nucleosiden 4.3. Nucleotiden 4.4. Enkele bijzondere nucleotiden 4.5. Nucleïnezuren 4.5.1. Fosfodiësterbinding 4.5.2. DNA 4.5.3. RNA 5. Vitaminen en co-factoren 5.1. Een overzicht 44 5.2. 5.3. 5.4. III. 1. 2. 3. 4. 4.1. 5. NAD+ en NADP+ FMN en FAD Co-enzym A Bio-energie Inleiding Waarvan komt deze energie ATP Biosynthese is meestal rechtstreeks gekoppeld aan de hydrolyse van ATP Enkele voorbeelden ATP-cyclus 45
