Biochemie: Wat kennen en kunnen (korte samenvatting)
LES1
Wat moet je kennen/kunnen na hoofdstuk 1?
1. Parate kennis
De gemeenschappelijke biomoleculen / bouwstenen en macromoleculen kennen
Biomoleculen bestaan uit 2 groepen, de bouwstenen en de biopolymeren. Biopolymeren, zoals proteïnen,
nucleïnezuren, polysachariden, membraanstructuren en lipiden, … zijn opgebouwd uit bouwstenen, respectievelijk
aminozuren, nucleotiden, koolhydraten, vetzuren, … Wanneer we het over grote moleculen zoals nucleïnezuren
hebben, spreken we over macromoleculen, in tegenstelling tot metabolieten, dit zijn kleine moleculen zoals glucose.
De metabolieten zijn dus de bouwstenen en de macromoleculen de biopolymeren. Om chemische verbindingen te
vormen is er energie nodig, processen moeten gecontroleerd gebeuren. Tot slot wordt het idee van een
gemeenschappelijk voorouder bevestigd door het feit dat deze interacties en moleculen in heel erg diverse soorten
gelijkaardig zijn. Door Woese is er een gemeenschappelijke stamboom opgesteld, gebaseerd op 16S rRNA.
Soorten chemische bindingen tussen de biomoleculen kennen: voorbeelden kunnen geven
Welke zijn de sterkste, welke de zwakste bindingen? → grootte-orde van sterkte kennen
Sterkst: covalente bindingen (elektronpaar delen)
Krachten die de structuur maken
o Werkzame afstand: 1-2 Å
Minder sterk niet covalente bindingen:
Dit zijn krachten die de structuur stabiliseren
- H bruggen
o Wordt gevormd tussen een H-atoom aan een elektronegatief geladen atoom en een ander
elektronegatief atoom
o ion-interacties met partiële ladingen op dichtbij gelegen atomen
o Werkzame afstand 2-3 Å
- Elektrostatische krachten
o Groepen met dezelfde lading stoten elkaar af, groepen met verschillende lading trekken elkaar
aan
o ~> Coulombkracht
o Afgezwakt door diëlektricum en het solvent (bv water), dit betekent dat de
kracht kleiner wordt, maar water (en andere polaire solventen) heeft wel als
gevolg dat het moleculen makkelijker gepolariseerd kan worden
o Vb. afstoting fosfaatgroepen in DNA, afgezwakt door solevent (water) en
aanwezigheid kationen zoals Na+ en Mg+
o Werkzame afstand 30 Å
- Van der Waals krachten
o Krachten tussen 2 atoomkernen
o Trekken elkaar aan, maar vanop te dichte afstand is er afstoting
o Bepaalt mee de afstand tussen 2 opeenvolgende planaire basen
o Werkzame afstand 5 Å
- Hydrofoob effect
o neiging van hydrofobe (waterafstotende) moleculen om zich te clusteren en weg te bewegen
van watermoleculen.
o Niet-polaire moleculen kunnen niet deelnemen in H-bindingen en elektrostatische interacties
met water
o Kooi-effect
, De afstand (in Angstrom (Å) )tussen de atomen waarbij de binding gevormd wordt
- 1 Å = 0,1 nm
- C-C(enkele bind): 1,54 Å, C=C (dubbele bind): 1,34 Å en C-C (resonantie) 1,40 Å
De structuur en eigenschappen van water kennen
Water is het solvent waarin de meeste biochemische reacties plaatsvinden. Nucleïnezuren, proteïnen,
polysachariden en membranen vertonen hun karakteristieke vorm in aanwezigheid van water. Het bestaat uit 1 H
atoom en 2 O atomen. Tussen de 2 covalente bindingen is er een hoek van 104,5°. Deze OH-bindingen zijn polair
zodat er een ongelijke ladingsverdeling is, O is partieel negatief en de H-atomen partieel positief geladen. Door
de ruimtelijke schikking van water vormt het dan ook een permanente dipool. Daarnaast zijn watermoleculen
cohesief, dit betekent dat ze onderling veel interageren door H bruggen te vormen. Wanneer andere moleculen
zich in een waterige omgeving bevinden kunnen zijn ook met H 2O interageren door H bruggen en ionische
interacties.
- Polair, permanente dipool
- Cohesief
- Vormen veel H bruggen
- Watervrije niches ook cruciaal
Wetten van de thermodynamica kunnen toepassen op de biologische systemen
Terminologie en verband kennen tussen Gibbs vrije energie, entropie, enthalpie
ΔG = ΔH – T ΔS
- H enthalpy (ΔH>0 endotherm, ΔH<0 exotherm)
- S entropie dS/dT >0
- Reactie spontaan (exergonisch) als ΔG <0
Bij chemische bindingen te vormen is er energie vereist, deze moet ofwel gebruikt worden om andere bindingen te
breken oftewel worden vrijgezet als licht of hitte of tot slot gestockeerd worden onder een andere vorm (vb. ATP). Dit
is een gevolg van de 1ste wet van de thermodynamica die stelt dat alle energie in een systeem en omgeving constant
blijft. De 2de wet stelt dat entropie altijd stijgt. Wanneer sommige structuren gevormd worden, neemt de wanorde
juist af, dit spreekt dan toch tegen? Ja, daarom moet in een ander deel van het universum (de omgeving) de energie
net toenemen bijvoorbeeld onder de vorm van hitte.
Zuurheid en buffers:
De zuurheid in de cel is erg belangrijk omdat er in zuur-base reacties H-atomen worden toegevoegd of onttrokken en
dit dus de covalente binding beïnvloedt. Bijvoorbeeld DNA, hierin wordt er een proton van het stikstofatoom van
guanine onttrokken in een basisch milieu (vanaf pH9). Wanneer dit gebeurt is er geen baseparing meer mogelijk
tussen guanine en cytosine en valt de dubbele helix structuur uit elkaar. Een oplossing hiervoor zijn buffers, deze
gaan de plotselinge veranderingen in pH tegen.
pKa = -log Ka pH = pKa ; concentratie geprotoneerde vorm = concentratie gedeprotoneerde vorm
Basiskennis van (organische) chemie is noodzakelijk!
2. Inzicht
Begrijpen dat gemeenschappelijke metabolieten gevormd/afgebroken worden in gemeenschappelijke
reactiewegen (zie latere hoofdstukken)
Begrijpen dat er een verband is tussen de structuur en de functie van de bouwstenen en macromoleculen (zie
voorbeeld DNA en ook verder in de cursus)
Inzien dat water een invloed heeft op de bindingssterkte tussen biomoleculen
Begrijpen dat de concepten van de chemie de eigenschappen van de biologische moleculen verklaren (=
biochemie)
,LES 2
Wat moet je kennen/kunnen na hoofdstuk 2?
1. Parate kennis
De structuur van de 20 aminozuren kunnen tekenen
De universele drielettercode van deze aminozuren kennen
Weten welke lading de aminozuren met ioniseerbare groepen dragen bij welke pH
pKa-waarde kennen; tabel 2.1 in handboek
zie ook kennisclip lading van proteïnen)
Aminozuren zijn opgebouwd uit aminogroep, carboxylgroep, alfa-koolstofatoom, wateratoom en een variabele
zijketen. Onder normale cellulaire omstandigheden komen ze voor als zwitterionen. Dit betekent dat de aminogroep
geprotoneerd (NH3+) is en de carboylgroep gedeprotoneerd (COO-). Deze protonatie/deprotonatie is afhankelijk van
de pH en de pKa van de betreffende groepen (zie lijst).
pKa = pH waarbij [geprotoneerde vorm] = [ niet-geprotoneerde vorm]
De verschillende structuurniveaus van proteïnen kennen en kunnen uitleggen
Proteïnen zijn macromoleculen opgebouwd uit aminozuren en zijn één van de belangrijkste componenten in de cel.
Ze kennen tal van functies en kunnen met elkaar interageren of met andere macromoleculen ter vorming van een
complex. Ze worden gebruikt voor opbouw van chemische componenten zoals het spierweefsel, hebben
transportfuncties, kunnen enzymatische activiteit bezitten, belangrijk in het immuunsysteem, zorgen voor opslag en
transport van zuurstof , leveren van kracht , doorgeven zenuwimpulsen , hormonen en hormonenreceptoren en
van controle van groei en differentiatie, …
Er zijn 4 niveaus, deze gaan we een voor een bespreken.
Allereest de primaire structuur. De primaire structuur is de aminozuursequentie. Deze is gebaseerd op
peptidebindingen/ amidebindingen. Deze binding is de condensatie van de alfa-carboxylgroep van het ene AZ met
de alfa-aminogroep van het andere AZ, waarbij een H2O molecule verloren gaat. In deze structuur komt ook cross-
linking voor, dit zijn disulfide bruggen. De peptidebinding is eigenlijk een vlak van 6 atomen en heeft een dubbele
bindingskarakter, met als gevolg dat er geen rotatie mogelijk is. Meestal komt ze voor in de trans-conformatie,
omdat hier het minste sterische hinder ondervonden wordt en wordt ze gestabiliseerd door resonantie. Er is
beperkte rotatie mogelijk rond N- αC ( ) of rond αC-C ( ψ). De toegelaten draaihoeken worden weergegeven in een
Ramchandran diagram.
De secundaire structuur wordt gevormd door niet covalente bindingen. Er zijn verschillende mogelijke structuren,
Α helices, B platen, B strengen, … We bespreken ze om de beurt.
α-helix
- gevormd door waterstofbrug tussen C=O van aminoresidu i met de waterstof van de amidegroep van residu
i+4.
- Er zijn 3,6 AZ per helix winding en de spoed is 5,4 Å (de polypetideketen beweegt 5,4 Å langs de as, vr elke 360°
van de helix. De lengtetoevoeging per AZ is 1,5 Å.
- Draairichting in de meeste proteïnen is rechts.
B-plaat
, - Opgebouwd uit zij-aan-zij gerangschikte B-strengen (uitgerekte polypeptide ketens)
- Gestabiliseerd door H-bruggen tussen C=O en NH van naburige AZ
- Kunnen parallel of antiparallel zijn (of gemengd)
o Antiparallel: H-bruggen loodrecht op de strengen, dus stabieler
- De lengtetoename per AZ is 3,5 Å
- Zijketens in -platen strekken zich alternerend uit boven en onder het vlak
α-helices en B-platen worden verbonden via draaien en lussen. Een B-draai verbindt antiparallelle B-platen door H-
bruggen tussen C=O van residu i met NH van residu i+3. -lus heeft geen periodische structuur, maar maakt een
structuur wel rigide.
We gaan verder met de tertiaire structuur. Dit is de vouwing van polypeptideketens in een 3D structuur. Deze
vouwing kan globulair (compact) of vezelachtig zijn, hiervan zien we zo dadelijk voorbeelden. De 3D structuur is
thermodynamisch stabiel. Dit komt door niet-covalente interacties, met name het hydrofoob effect. De
eiwitvouwing wordt gedreven door een sterke neiging van hydrofobe residu’s om zich af te zonderen van water.
Vb1: Myoglobine = compact/globulair
- O2 drager in spierweefsel
- 153 AZ in keten
- 70% helix
- Heemgroep zit in compacte structuur genesteld
- Binnenin: niet-polaire az (val, leu, meth, phe)
o Enige polaire az binnenin: his (O2 -binding)
- Buitenzijde: polair (zijketens op oppervlak) en niet-polair (zijketens naar binnen)
Vb2: Porine = globulair
- Porine is een kanaal eiwit dat het membraan overspant
- -strengen
- omgekeerde verdeling van polaire (binnen)/niet-polaire az (buiten)
- ZIE LES 9
Vb3: α-keratine = vezelachtig
- Structuurproteine in wol en haar
- Twee rechtsdraaiende α-helices en één linksdraaiende supercoil
- Grootte is tot 1000 Å
- 3,5 az per winding (i.p.v. 3,6)
- Zwakke hydrofobe Van der Waals krachten tussen leucine-residu’s
- Cross-linking tussen cysteïne residu’s; hoe minder cross-linking hoe flexibeler (wol <-> hoorn)
Vb4:collageen= vezelachtig
- Belangrijkste componenten proline, hydroxyproline en glycine
- aanwezig in huid, beenderen, tanden, kraakbeen
- 3x linksdraaiende alfa-helix + rechtsdraaiende supercoil
- Tot 3000 Å (= 0,3 µm)
- 3 az per winding (strakker) getallen niet heel belangrijk
- Gly aan binnenzijde Pro en HO-Pro aan buitenzijde
- Toepassing: scheurbuik
o Gebrek aan vitamine C
o Vit C een co-enzym van prolylhydroxylase, dat OH groep op proline plaatst ter vorming van
hydroxyproline
o Wanneer er geen hydroxyproline gevormd wordt gaat collageen zijn stabiliteit verliezen.
Als we de tertiaire structuur kort samenvatten, spreken we over een globulaire structuur als het over
wateroplosbare, compacte structuren gaat. Deze proteïnen zijn vaak hydrofoob aan binnenzijde en hydrofiel aan
het oppervlak. Vezelachtige proteïnen zijn vooral belangrijk vr de structuur en opgebouwd uit lange draden.
Tot slot bespreken we de quaternaire structuur. Dit is een organisatie van meerdere subeenheden of
