Module 1: Biomoleculen en inleiding
1 Inleiding
Metabolisme of stofwisseling is de verzamelnaam voor alle chemische reacties die het leven nodig heeft om zichzelf in stand te
houden, te groeien, zich als soort te verdedigen en nakomelingen te produceren.
2 Koolhydraten (suikers)
Men onderscheidt monosachariden (enkelvoudige) van di-, oligo- en polysachariden (meervoudige). Samen vertegenwoordigen
koolhydraten grootste deel biomassa op aarde, dit vooral vanwege cellulose en chitine. Belangrijkste functies van koolhydraten:
Metabool: enkelvoudige suikers, disachariden, glycogeen en zetmeel zijn bijzonder belangrijk voor het energiemetabolisme
Structureel: ribose en deoxyribose zijn structuurgevende elementen van ruggengraat RNA en DNA. Glycosaminoglycanen
zijn geladen suikerpolymeren die zeer veel water binden en vorm geven aan de intercellulaire matrix.
Cel-celinteracties: waargenomen door vertakte oligosachariden van membraanglycoproteïnen en membraanglycolipiden.
De koolhydraten van deze moleculen zijn verantwoordelijk voor onder andere cel-celinteracties.
Diverse functies: het bepalen van levensduur van een in het bloed circulerend eiwit, de eiwitadressering, het voorkomen van
bloedstolling en het moleculair ‘smeren’ van gewrichten
2.1 Monosachariden
Fischer-projectie monosachariden. Fischer ontdekte de chirale centra van suikers.
Glyceraldehyde D-mannose D-glucose D-galactose
Haworth-projectie monosachariden. Haworth bedacht ringstructuur van suikers en vitamine C. Hemi-acetaalbinding (rood) zorgt
ervoor dat C1 nieuw chiraal centrum wordt en dat alfa- en bèta-anomeren bestaan. Blauwe pijltjes wijzen op bèta-configuratie.
1
,2.2 Disachariden
Disachariden worden gekenmerkt door aard suikerbouwstenen en type glycosidebinding. Belang in voeding en spijsvertering:
Sucrose (glucose + fructose) heeft een relatie met cariës en met obesitas en diabetes.
Lactose (galactose + glucose) is de belangrijkste suiker in moedermelk en koemelk.
Maltose (glucose + glucose) is een tussenproduct in spijsvertering van zetmeel en in bierproductie (mouten).
Sucrose (alfa 1-2 binding) Lactose (bèta 1-4 binding) Maltose (alfa 1-4 binding)
2.3 Polysachariden
2.3.1 Cellulose en chitine
Cellulose en chitine hebben gelijksoortige opbouw met bèta-1,4-glycosidebindingen en extra verstevigende H-bruggen.
Cellulose is meest voorkomende biomolecuul op aarde. Cellulose vormt belangrijke component celwand van plantaardige
cellen en geeft stevigheid. Cellulose vormt belangrijke hoofdbestanddeel hout, zo is papier vrij zuivere vorm van cellulose.
Vezels polysacharide worden stevig bijeengehouden door hemicellulose, een complex mengsel structuurpolysachariden.
Chitine is de structuurpolysacharide van het exoskelet van insecten en schaaldieren. Bij schaaldieren is het polysacharide
op bepaalde posities sterk gemineraliseerd. Na cellulose is chitine het meest voorkomende biomolecuul op aarde.
2.3.2 Dextranen, zetmeel en glycogeen
Polyglucosesachariden vormen ook een opslagplaats voor energie, deze wordt opgebouwd in tijden van metabole overvloed en
weer afgebroken op momenten van schaarste aan directe brandstoffen. Bacteriën gebruiken dextranen, planten zetmeel en dieren
glycogeen. Dextranen vormen tandplaque. Glycogeen is vertakt glucosepolymeer dat lijkt op amylopectine. Zetmeel komt voor
als grote korrels in het cytoplasma van plantaardige cellen. Zetmeel bestaat uit vertakte amylopectine (alfa-1,4-glucose met alfa-
1,6-vertakkingen) en onvertakte amylose (alfa-1,4-glucosebindingen).
De mens bezit spijsverteringsenzymen om de alfa-1,4-glucosebindingen van zetmeel te hydrolyseren. Hierdoor ontstaat maltose
dat verder wordt afgebroken tot D-glucose. De mens bezit geen enzymen om de bèta-1,4-bindingen van cellulose af te breken.
Deze komt terecht in dikke darm en zal daar door micro-organismen worden afgebroken. Voldoende hoeveelheid onverteerbare
vezels in voedsel vergemakkelijkt stoelgang. Sommige eencelligen kunnen cellulose wel hydrolyseren omdat ze cellulase bezitten.
2
,2.4 Glycosaminoglycanen
Functie in de intercellulaire matrix: hydratatie, structuur, cel-cel-signalling en regeling groei en differentiatie. Deze stoffen bestaan
voor 95% uit suikers en voor 5% uit eiwit, zijn sterk negatief geladen, binden daardoor veel water en kationen en vormen de basis
van de extracellulaire matrix.
Glycosaminoglycaan (suikergedeelte) bestaat uit repeterende disachariden, waaronder minstens 1 aminosuiker. Deze suikers zijn
negatief geladen door een carboxylgroep of door sulfatering van een amino- of alcoholgroep. De ladingen zorgen voor binding van
watermantels en interactie met positieve ladingen van andere macromoleculen. Voorbeelden dergelijke glycosaminoglycanen zijn
hyaluronzuur, heparine, heparaansulfaat, chondroïtinesulfaat en kerataansulfaat.
Hyaluronzuur: polymeer glucuronzuur en N-acetylglucosamine. Aanwezig in synoviale vloeistof van gewrichten, glasachtig
lichaam van oog en in geleiachtige structuur in navelstreng. Het verhoogt viscositeit van vochten en smeert gewrichten.
Vormt eveneens onderdeel van gigantisch proteoglycaan in kraakbeen.
Heparine: belangrijk in verband met de bloedcirculatie. Aanwezig in suikerrijke bekleding endotheelcellen (bloedvatwanden
vormen). Heparine bindt sterk aan eiwit antithrombine III van de bloedbaan. Het complex tussen beide macromoleculen
voorkomt bloedstolling omdat het de geactiveerde trombine verhindert om in te werken op fibrinogeen. Op deze wijze zal
de bloedstolling in principe alleen starten op plaatsen waar de vaatwand beschadigd is, bijvoorbeeld na een verwonding.
Vanwege deze werking wordt heparine in de geneeskunde veel gebruikt als antistollingsmiddel.
2.5 Complexe suikers van de celmembraan
In de celmembraan van dierlijke cellen bevinden zich vaak complexe suikers die een nog onvolledig opgehelderde rol spelen in de
biologie en pathologie van cellen. De suikers zitten aan buitenkant van de membraan in de vorm van vertakte oligosachariden, die
covalent verbonden zijn met serine-/threonine- of asparaginezijketens van glycoproteïnen.
1) O-gebonden oligosachariden: zitten vast aan het ceramidegedeelte van glycolipiden.
2) N-gebonden oligosachariden: zitten vast aan een asparagineresidu.
Het aantal verschillende oligosachariden is enorm omdat er veel chemische bouwstenen zijn en omdat elk suikerresidu op een
verschillende manieren (alfa- en bèta-; 1→2, 1→3, 1→4, 1→6) aan een ander suikerresidu kan vastzitten.
3
,3 Lipiden (vetten)
3.1 Opbouw en eigenschappen
3.1.1 Hydrofobe effect
Lipiden bestaat overwegend uit koolstof en waterstof en bevatten hierdoor apolaire groepen. Vet- of olieachtige substanties
hebben de eigenschap dat ze ‘waterafstotend’ zijn.
Intermezzo water:
Water interageert sterk met zichzelf, natriumionen en polaire stoffen zoals D-glucose. Dit komt door de dipool-dipoolinteracties
en de waterstofbruggen. Watermoleculen omhullen een ion door elektrostatische aantrekking met de dipolen (solvatie). Polaire
glucose kan waterstofbruggen aangaan met watermoleculen.
Het hydrofobe effect van apolaire vetzuren. Links heb je twee vetzuurmoleculen, die elk zwak interageren met watermoleculen
(veel zwakker dan watermoleculen onderling doen). Rechts krijg je door de vetzuurmoleculen bijeen te drijven, er watermoleculen
bij (in blauwe kaders) die sterk met andere watermoleculen interageren. Het bijeendrijven van vetzuren en het scheiden van water
en vet is exergonisch proces (er komt meer energie vrij dan nodig) dat spontaan optreedt. Tussen de vetzuurstaarten bestaat door
zeer dichte toenadering tot de molecuuloppervlakte wederzijdse aantrekkende vanderwaalskrachten.
Bijdragen tot het hydrofobe effect:
1) Weinig niet-covalente interacties tussen water en vetten. Water reageert veel liever met zichzelf dan met vetmoleculen,
waarbij ze in exergonisch proces worden ‘weggedreven’ van watermoleculen en ‘bijeengedreven’ tot een vetdruppel.
2) Toename van entropie: aan contactoppervlak tussen watermoleculen en vetzuurmoleculen zijn de watermoleculen sterk
geordend. Bij het bijeendrijven van vetzuurmoleculen neemt het aantal contactoppervlakken af en daarmee ook het aantal
sterk geordende watermoleculen waardoor de entropie stijgt.
4
,3.1.2 Vanderwaalskrachten en oplosbaarheid
Lipiden zijn slecht oplosbaar in water en goed oplosbaar in apolaire organische solventen (zoals benzeen, ether of chloroform).
De zwakke interacties tussen de vetzuurstaarten bestaan uit wederzijds aantrekkende vanderwaalskrachten.
Eigenschappen:
Vanderwaalscontact tussen de koolwaterstofstaarten van verzadigde vetzuren is groot.
Vanderwaalscontact tussen de koolwaterstofstaarten van onverzadigde vetzuren met cis-dubbele binding is klein. Deze cis-
dubbele bindingen veroorzaken een verlaging van het smeltpunt en zorgen voor een ‘knik’ in het verloop.
➢ Dierlijke vetten (verzadigde vetzuren) zijn hard terwijl plantaardige oliën (onverzadigde vetzuren) vloeibaar blijven.
Het smeltpunt neemt toe met een stijgende ketenlengte door meer vanderwaals contactoppervlak.
Enkele belangrijke vetzuren:
Te herkennen en benoemen met triviale naam
Structuur Lengte Triviale naam
CH3(CH2)12COO- C14 Myristaat
CH3(CH2)14COO- C16 Palmitaat
CH3(CH2)16COO- C18 Stereaat
CH3(CH2)18COO- C20 Arachidaat
CH3(CH2)20COO- C22 Behenaat
CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COO- C16 cis-9 Palmitoleaat
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COO- C16 cis-9 Oleaat
CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6COO- C18 cis-9,12 Linoleaat
CH3CH2(CH=CHCH2)3(CH2)6COO- C18 cis-9,12,15 Linolenaat
CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2COO- C20 cis-5,8,11,14 Arachidonaat
5
,3.2 Vetzuren maken esterverbindingen
3.2.1 Triglyceriden (triacylglycerol)
Het ontstaat door verestering tussen de COOH-groepen van 3 vetzuren aan 3 OH-groepen van glycerol.
Een strategische brandstofvoorraad dat wordt opgeslagen in de vetcellen lichaam (gemiddelde volwassenen 10-15kg).
3.2.2 Glycerolipiden
Het ontstaat door verestering tussen de COOH-groepen van 2 vetzuren aan 2 OH-groepen glycerol.
Wanneer de derde OH-groep van glycerol veresterd is met een fosfaatgroep, spreken we van fosfatidylgroep.
Er zijn 4 verschillende klassen (afhankelijk extra groep op fosfatidyl): choline, esthanolamine, serine of inositol.
3.2.3 Sfingolipiden
Het ontstaat door verestering van aminoalcohol sfingosine met een vetzuur en het geladen fosfocholine.
Lipiden met sfingosine als bestanddeel zijn vooral van belang in de dubbele fosfolipidenlaag van celmembranen.
3.2.4 Lipidendubbellaag
De staarten worden door hydrofobe effect bijeengedreven in dubbellaag. Verzadigde en onverzadigde glycero- en sfingolipiden:
6
,3.3 Glycolipiden
3.3.1 Glycolipiden
Glycolipiden zijn sfingolipiden die een suikerkop (en geen fosfaat) als polaire kop dragen.
Ze komen alleen in buitenste laag van celmembraan voor, waarbij de suikers in extracellulaire ruimte steken en de polaire
interacties met de waterfase enorm vergroten.
Functie: rol in weefselherkenning, rol in cel-cel interacties, herkennen immuunsysteem en herkennen ziektekiemen.
Twee groepen:
o Cerebrosiden: bevatten glucose of galactose als monosacharide.
o Gangliosiden: vertakte oligosachariden, samengesteld uit verschillende suikers (meer complex).
De ABO-bloedgroepen zijn oligosachariden op gangliosiden in de buitenste laag van de celmembraan. De aan sfingosine
verbonden suikers zijn:
1) N-acetylgalactosamine
2) Galactose
3) Siaalzuur
4) Fucose
3.3.2 Cholesterol
Cholesterol is een membraanlipide bij mens en dier. Het is alcohol want polaire OH-groep op de eerste koolstofring.
Cholesterol is de voorloper van steroïdhormonen, zoals cortisol, aldosteron, oestrogenen, progesteron en testosteron.
Wanneer de vrije alcoholgroep covalent verbonden wordt met vetzuur, spreekt men van cholesterolesters:
➢ Indien niet veresterd: in membraan
➢ Indien veresterd: vetdruppeltjes in bloedbaan (LDL) of in cel
Opbouw: 4 ringen in stoelconfiguratie (= sterolkern)
o A-ring: OH-groep
o B-ring: één dubbele binding
o D-ring: vertakte koolwaterstofgroep
o Tussen A-B en C-D ringen: twee methylgroepen.
Medische context: stapelingsziekten van gangliosiden
Er bestaat een groep erfelijk bepaalde ziekten, waarbij telkens één specifiek enzym ontbreekt dat de gangliosiden in de lysosomen
moet afbreken, zodat deze moleculen (of half afgebroken) zich opstapelen in de lysosomen van de cel. Uiteindelijk zal de cel door
dit defect zelf kunnen sterven. Deze ziekten worden samen de gangliosidosen genoemd, een voorbeeld van stapelingsziekten.
7
,3.4 Membranen
Membraan bevat twee verschillende membraaneiwitten:
1) Perifere membraaneiwitten: losser aan membraan verbonden door niet-covalente interacties met een integraal eiwit.
2) Integrale membraaneiwitten: stevig in lipidenlaag verankerd door het hydrofobe gedeelte van het eiwit dat direct in contact
staat met de vetzuurstaarten.
De integrale membraaneiwitten (1) dobberen rond in fluïde lipidendubbellaag doordat de lipiden met onverzadigde vetzuurketens
vloeibaar zijn. De perifere eiwitten (2) binden aan deze integrale eiwitten via niet-covalente interacties. De suikergroepen op eiwitten
(3) of op de glycolipiden (4) bevinden zich aan de extracellulaire zijde en maken deze zeer polair.
3.5 Overige lipiden
Er bestaan ook nog andere interessante lipiden:
1) Vet oplosbare vitaminen
2) Eicosanoïden: vetzuurafgeleiden
3) Cardiolipine (difosfatidylglycerol): binnenste mitochondriale membraan. Verantwoordelijk ontstaan eiwitsupercomplexen.
4) Plasmalogenen: geproduceerd door peroxisomen. Hebben cytoprotectieve eigenschappen, vooral in neuronmembranen om
deze te beschermen tegen het effect van zeer lange vetzuurketens. Een tekort aan plasmalogenen kan bijdragen tot de
peroxisoomziekten, zoals X-gebonden adrenoleukodystrofie of het Zellweger-syndroom.
5) N-arachidonyl-fosfatidyl-ethanolamine (NAPE) (een endocannabinoïde): stof die wij zelf aanmaken en die op receptoren
gaan binden als het actieve bestanddeel van cannabis. Deze wordt tijdens de maaltijden door de darm aangemaakt en blijkt
een verzadigingssignaal door het bloed naar de hersenen te sturen om daar het hongergevoel te doen afnemen.
8
,4 Aminozuren, peptiden en proteïnen (eiwitten)
4.1 Aminozuren, peptiden en proteïnen
Peptiden zijn korte tot zeer lange onvertakte ketens van aminozuren, waarvan er 20 soorten nodig zijn om peptiden van menselijke
cellen te maken. Deze omvatten korte kettingen (oligopeptiden) en lange bindingen (polypeptide). De kettingen met meer dan 100
aminozuurschakels noemt men eiwitten of proteïnen. Deze hebben veel functies, waaronder:
De meeste enzymen zijn eiwitten.
Honderden eiwitten controleren de werking van deze enzymen.
Honderden andere eiwitten zijn betrokken bij de aanmaak of afbraak van deze eiwitten.
Aminozuren:
Er zijn 20 soorten aminozuren, dit zijn de bouwstenen van alle eiwitten.
en samenstelling onveranderd gebleven gedurende evolutie met uitzondering van selenocysteïne (21ste bouwsteen).
Het zijn voorlopers van afgeleide moleculen (bv. heem, schildklierhormoon, neurotransmitters).
Niet alle aminozuren worden aangemaakt door het lichaam, deze zijn essentieel in de voeding.
Opbouw: aminogroep, carboxylgroep, H-atoom en variabele zijketen (R) op centraal chiraal C-atoom
Meestal is dit een chiraal centrum en heeft het 2 ruimtelijke conformaties (enantiomeren). Uitsluitend L-aminozuren worden in de
menselijke eiwitten ingebouwd. Enige uitzondering is glycine, omdat dit aminozuur geen chiraal centrum heeft. Proline is afwijkend
ten aanzien van de basisstructuur links, omdat zijketen covalent reageert met de alfa-aminogroep en een vijfring creëert.
Proteïnen:
De meest prominente uitvoerders van functie (structuur, signaaloverdracht, bescherming en metabolisme).
Ongeveer 15% van het lichaamsgewicht (op water na) zijn eiwitten.
Ze liggen gecodeerd in genen in het genoom (1 gen komt overeen met 1 uniek eiwit).
Het is belangrijkste voedingsgroep van macronutriënten.
Wereldwijd is eiwitondervoeding één van meest voorkomende oorzaken van kindersterfte.
9
, 4.2 Polaire en apolaire zijketens
Zijketens vormen variabele gedeelte van aminozuren en bevatten chemische informatie die specifiek en belangrijk is voor functie.
Glycine Bevatten slechts een H-atoom.
Proline Legt een sterische beperking op aan de ruggengraat van de peptidenketen. Het zit met zijn zijketen
tweemaal covalent vast aan het centrum zodat een ring ontstaat.
Alanine, valine, Apolaire aminozuren met een alifatische koolwaterstofketen..
leucine en isoleucine
Cysteïne en Bevatten een zwavelatoom.
methionine De sulfhydrylgroep (-SH) van cysteïne is redoxgevoelig: er bestaat gereduceerde en geoxideerde
toestand. Hierdoor kunnen 2 SH-groepen omgezet worden in een zwavelbrug, waarbij twee
cysteïnezijketens in een peptide aan elkaar vast komen te zitten.
Tyrosine De OH-groep kan ook posttranslationeel gemodificeerd worden. Dit is een belangrijk onderdeel
van de regeling van de enzymatische activiteit.
Serine en threonine Bevatten reactieve hydroxylgroepen.
Daarom ondergaan serine- of threoninezijketens vaak posttranslationele modificaties: O-gebonden
glycosylering of reversibele eiwitfosforylering/-defosforylering, die wordt gekatalyseerd door
proteïnekinasen en proteïnefosfatasen.
Lysine, arginine en Dragen een positieve lading bij neutrale pH.
histidine
Aspartaat, glutamaat Hun zijketens ioniseren in waterige oplossing bij neutrale pH tot anionen.
10
