Zelfstudie 1
De belangrijkste klassen biomoleculen zijn:
- Eiwitten: signaalmoleculen, receptoren, structuur, bescherming, enzymen.
- Nucleïnezuren: opslaan en transporteren informatie, DNA of RNA.
- Lipiden: brandstof, signaalmoleculen, celmembranen.
- Koolhydraten: brandstof.
Elke cel is omgeven door een celmembraan. Deze bestaat uit een bilaag van fosfolipiden. Het
membraan is selectief permeabel. De cel bevat cytoplasma waarin zich een cytoskelet bevindt voor
stevigheid en verschillende celorganellen:
- Nucleus: opslag genetische informatie.
- Mitochondriën: productie ATP.
- Chloroplast (plantencellen): fotosynthese.
- Endoplasmatisch reticulum (ER): eiwitbewerking.
- Golgicomplex: eiwitbewerking.
- Secretieblaasjes: vervoeren eiwitten naar
membraan en scheiden deze uit via exocytose.
- Endosoom: endocytose van materiaal buiten de cel.
- Lysosoom: bevat verteringsenzymen om grotere
stoffen te verteren.
- Planten vacuoles: opslag water, ionen en
voedingsstoffen.
Watermoleculen zijn polair; het zuurstofatoom is
negatief geladen en de wateratomen positief. Hierdoor kunnen ze waterstofbruggen vormen.
Hydrofobe moleculen kunnen niet oplossen in water. Ze vormen een cluster door het hydrofobe
effect.
Er zijn drie soorten niet-covalente bindingen:
- Elektrostatische of ionbindingen: binding tussen geladen deeltjes.
- Waterstofbruggen: tussen N en H of O en H.
- Vanderwaalskrachten: elektrostatische krachten tussen deeltjes die niet geladen of polair zijn.
Doordat de elektronen bewegen veranderen de ladingen van de atomen constant, waardoor
deeltjes elkaar aantrekken bij korte afstand.
De tweede wet van de thermodynamica luidt als
volgt: de totale wanorde neemt toe in spontane
reacties. Dit speelt bijvoorbeeld een rol bij het
hydrofobe effect, omdat de apolaire moleculen
naar elkaar toegedreven worden en
watermoleculen loslaten (wanorde neemt toe).
Ook de vorming van membranen en
eiwitvouwing worden gedreven door het
hydrofobe effect.
De functionele groepen aan moleculen spelen
een belangrijke rol bij de interactie tussen
moleculen.
,De pH is een maat voor de concentratie waterstofionen in een oplossing. pH verandering verandert de
elektrostatische omgeving en kan dus de zwakke interacties tussen moleculen beïnvloeden. Hierdoor
kunnen structuren veranderen en dat leidt vaak tot verlies van functie. Buffers zijn daarom cruciaal in
organismen. pH = -log[H +] [H +] = 10-pH
Voor een oplossing geldt de volgende evenwichtsvergelijking: HA ↔ H+ + A-
+ ¿¿
H
¿
De evenwichtsconstante is dan Ka = −¿
A¿
¿
¿
¿
−¿¿
A
De pH kan dan met de Henderson-Hasselbach vergelijking worden berekend: pH = pKa + log ¿
¿
¿
¿
De pK is een waarde waarbij de helft van de zuurmoleculen zijn H + heeft afgestaan.
In de bovenstaande oplossing kan een buffer worden toegevoegd; de evenwichtsvergelijking luidt dan
als volgt: HA + OH- ↔ A- + H2O.
Eiwitten hebben een bufferende werking omdat ze groepen bevatten die protonen kunnen opnemen
of afstaan. Aminozuren hebben ten minste twee groepen betrokken bij zuur-base evenwichten,
namelijk de carboxylgroep en de aminogroep. Daarnaast kan de restgroep hier ook bij betrokken zijn.
Eiwitten hebben een karakteristiek iso-elektrisch punt (IEP); de pH waarbij de netto lading van het
eiwit nul is. De eiwitoplossing is dan minder stabiel, omdat er minder interactie is met
watermoleculen en de eiwitmoleculen zo kunnen neerslaan. Met name het aminozuur histidine is
belangrijk in buffers, omdat de lading verandert in het fysiologische gebied (pH 7-7,8). Een belangrijke
eiwitbuffer is hemoglobine in de erythrocyten.
Naast eiwitten, zijn fosfaten en bicarbonaten ook belangrijke biologische buffers. Bicarbonaat is de
belangrijkste buffer in het bloed. Er zijn 3 belangrijke evenwichten in het CO 2-koolzuur-bicarbonaat
buffersysteem:
1. Koolzuur dissocieert tot bicarbonaat en H +: H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
2. Bovenstaand evenwicht wordt beïnvloed door een tweede evenwicht waarbij opgelost
kooldioxide in evenwicht is met zijn gehydrateerde vorm, koolzuur: CO 2 (aq) + H2O ↔ H2CO3
3. En CO2 in de gasfase is in evenwicht met CO2 in de vloeistoffase, CO2 (g) ↔ CO2 (aq)
Een schematisch beeld van de regulering van de pH van bloed is hier onder weergegeven:
HCO3- + H+ ↔ H2CO3 ↔ CO2 (aq) + H2O ↔ CO2 (g)
Als de pH van het bloed daalt, stijgt de [H 2CO3] tijdelijk, maar door verlies van water ontstaat CO 2
dat overgaat in de gasvorm en wordt uitgeademd.
Als de pH van het bloed stijgt, zal de [HCO 3-] tijdelijk stijgen, maar dit herstelt snel doordat CO 2
wordt opgenomen en wordt omgezet in H2CO3.
Zelfstudie 2 Eiwitstructuren
Een aminozuur bestaat uit een centraal koolstofatoom, aminogroep, zuurgroep en een restgroep. De
restgroep verschilt per aminozuur. De aminozuren in eiwitten zijn allemaal L-2-aminozuren; dit
, betekent dat zowel de amino- als de zuurgroep aan C-atoom 2 bevestigd zijn. De L duidt erop dat in
natuurlijke eiwitten alleen L-optische isomeren worden aangetroffen.
Aminozuren kunnen op de volgende manier worden ingedeeld:
- Aminozuren met hydrofobe zijketen (R-groep bevat alleen C en H). De zijketens steken meestal
naar binnen in het eiwit, omdat ze een afkeer voor water hebben. Hierbij horen: glycine, alanine,
valine, leucine, isoleucine, methionine, proline, phenylalanine en tryptofaan.
- Aminozuren met polaire zijketens bij neutrale pH (R-groep bevat N-H, O-H of S-H). De zijketens
hebben geen lading, maar zijn wel polair. Deze zijn hydrofiel en kunnen waterstofbruggen
vormen. Hierbij horen: serine, cysteïne, asparagine, glutamine, threonine en tyrosine.
- Aminozuren met positieve lading bij neutrale pH: lysine, arginine en histidine.
- Aminozuren met negatieve lading bij neutrale pH (R-groep bevat zure groep): asparaginezuur
(aspartaat) en glutaminezuur (glutamaat).
De primaire structuur is de volgorde van aminozuren in een eiwit. De aminozuren zijn aan
elkaar gebonden door peptidebindingen. De primaire structuur bepaalt de
driedimensionale structuur van het eiwit, omdat de peptidebinding deels
dubbelgebonden is, in een plenair vlak ligt en ongeladen is.
De secundaire structuur ontstaat door waterstofbruggen tussen de NH en CO-groepen
van de backbone van de aminozuren. Hierdoor kunnen α-helixen of β-sheets vormen.
In de α-helix vormt een waterstofbrug tussen de CO-groep van een aminozuur
met een NH-groep van het vierde aminozuur ernaast, waardoor dus alle CO en
NH-groepen verbonden zijn. Twee helixen vormen een coiled coil (keratine) en
drie helixen een superhelix (collageen).
De β-sheet bestaat uit meerdere ketens, dat een sheet vormt door
waterstofbruggen tussen de ketens; in parallelle of anti-parallelle richting.
De tertiaire structuur wordt bepaald door interactie tussen de zijgroepen van aminozuren. Elk eiwit
kent slechts één natuurlijke vouwing; natieve structuur. Het hydrofobe effect (van hydrofobe
zijketens) vormen de drijvende kracht achter de vouwing van een eiwit.
De quaternaire structuur is een interactie tussen meerdere eiwitten, gevormd door zwakke bindingen.
Zelfstudie 3 Enzymologie: thermodynamica
Enzymen zijn katalysatoren; ze versnellen reacties. Daarnaast zijn ze substraatspecifiek. Er zijn zes
belangrijke enzymklassen:
1. Oxidoreductases: katalyseren redoxreacties. Dehydrogenasen.
2. Transferasen: katalyseren transfer van functionele groepen tussen moleculen. Aminotransferasen
en kinases.
3. Hydrolyasen: katalyseren hydrolysereacties. Esterasen, fosfatasen, peptidasen, glycosidasen.
4. Lyasen: katalyseren additie aan of vorming van dubbele bindingen. Hydratasen, decarboxylasen,
aldolasen.
5. Isomerasen: katalyseren intramoleculaire omzettingen. Racemasen, mutasen, isomerasen.
6. Ligasen: katalyseren vorming van bindingen gepaard met hydrolyse van ATP. Carboxylasen.
Enzymen bevatten vaak cofactoren: kleine moleculen, stevig gebonden in de buurt van het actieve
centrum en essentieel voor de katalytische functie van het enzym. Een inactief enzym, zonder co-
factor, heet een apo-enzym. Na koppeling van een co-factor, heet het een holo-enzym. Cofactoren
worden verdeeld in:
De belangrijkste klassen biomoleculen zijn:
- Eiwitten: signaalmoleculen, receptoren, structuur, bescherming, enzymen.
- Nucleïnezuren: opslaan en transporteren informatie, DNA of RNA.
- Lipiden: brandstof, signaalmoleculen, celmembranen.
- Koolhydraten: brandstof.
Elke cel is omgeven door een celmembraan. Deze bestaat uit een bilaag van fosfolipiden. Het
membraan is selectief permeabel. De cel bevat cytoplasma waarin zich een cytoskelet bevindt voor
stevigheid en verschillende celorganellen:
- Nucleus: opslag genetische informatie.
- Mitochondriën: productie ATP.
- Chloroplast (plantencellen): fotosynthese.
- Endoplasmatisch reticulum (ER): eiwitbewerking.
- Golgicomplex: eiwitbewerking.
- Secretieblaasjes: vervoeren eiwitten naar
membraan en scheiden deze uit via exocytose.
- Endosoom: endocytose van materiaal buiten de cel.
- Lysosoom: bevat verteringsenzymen om grotere
stoffen te verteren.
- Planten vacuoles: opslag water, ionen en
voedingsstoffen.
Watermoleculen zijn polair; het zuurstofatoom is
negatief geladen en de wateratomen positief. Hierdoor kunnen ze waterstofbruggen vormen.
Hydrofobe moleculen kunnen niet oplossen in water. Ze vormen een cluster door het hydrofobe
effect.
Er zijn drie soorten niet-covalente bindingen:
- Elektrostatische of ionbindingen: binding tussen geladen deeltjes.
- Waterstofbruggen: tussen N en H of O en H.
- Vanderwaalskrachten: elektrostatische krachten tussen deeltjes die niet geladen of polair zijn.
Doordat de elektronen bewegen veranderen de ladingen van de atomen constant, waardoor
deeltjes elkaar aantrekken bij korte afstand.
De tweede wet van de thermodynamica luidt als
volgt: de totale wanorde neemt toe in spontane
reacties. Dit speelt bijvoorbeeld een rol bij het
hydrofobe effect, omdat de apolaire moleculen
naar elkaar toegedreven worden en
watermoleculen loslaten (wanorde neemt toe).
Ook de vorming van membranen en
eiwitvouwing worden gedreven door het
hydrofobe effect.
De functionele groepen aan moleculen spelen
een belangrijke rol bij de interactie tussen
moleculen.
,De pH is een maat voor de concentratie waterstofionen in een oplossing. pH verandering verandert de
elektrostatische omgeving en kan dus de zwakke interacties tussen moleculen beïnvloeden. Hierdoor
kunnen structuren veranderen en dat leidt vaak tot verlies van functie. Buffers zijn daarom cruciaal in
organismen. pH = -log[H +] [H +] = 10-pH
Voor een oplossing geldt de volgende evenwichtsvergelijking: HA ↔ H+ + A-
+ ¿¿
H
¿
De evenwichtsconstante is dan Ka = −¿
A¿
¿
¿
¿
−¿¿
A
De pH kan dan met de Henderson-Hasselbach vergelijking worden berekend: pH = pKa + log ¿
¿
¿
¿
De pK is een waarde waarbij de helft van de zuurmoleculen zijn H + heeft afgestaan.
In de bovenstaande oplossing kan een buffer worden toegevoegd; de evenwichtsvergelijking luidt dan
als volgt: HA + OH- ↔ A- + H2O.
Eiwitten hebben een bufferende werking omdat ze groepen bevatten die protonen kunnen opnemen
of afstaan. Aminozuren hebben ten minste twee groepen betrokken bij zuur-base evenwichten,
namelijk de carboxylgroep en de aminogroep. Daarnaast kan de restgroep hier ook bij betrokken zijn.
Eiwitten hebben een karakteristiek iso-elektrisch punt (IEP); de pH waarbij de netto lading van het
eiwit nul is. De eiwitoplossing is dan minder stabiel, omdat er minder interactie is met
watermoleculen en de eiwitmoleculen zo kunnen neerslaan. Met name het aminozuur histidine is
belangrijk in buffers, omdat de lading verandert in het fysiologische gebied (pH 7-7,8). Een belangrijke
eiwitbuffer is hemoglobine in de erythrocyten.
Naast eiwitten, zijn fosfaten en bicarbonaten ook belangrijke biologische buffers. Bicarbonaat is de
belangrijkste buffer in het bloed. Er zijn 3 belangrijke evenwichten in het CO 2-koolzuur-bicarbonaat
buffersysteem:
1. Koolzuur dissocieert tot bicarbonaat en H +: H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
2. Bovenstaand evenwicht wordt beïnvloed door een tweede evenwicht waarbij opgelost
kooldioxide in evenwicht is met zijn gehydrateerde vorm, koolzuur: CO 2 (aq) + H2O ↔ H2CO3
3. En CO2 in de gasfase is in evenwicht met CO2 in de vloeistoffase, CO2 (g) ↔ CO2 (aq)
Een schematisch beeld van de regulering van de pH van bloed is hier onder weergegeven:
HCO3- + H+ ↔ H2CO3 ↔ CO2 (aq) + H2O ↔ CO2 (g)
Als de pH van het bloed daalt, stijgt de [H 2CO3] tijdelijk, maar door verlies van water ontstaat CO 2
dat overgaat in de gasvorm en wordt uitgeademd.
Als de pH van het bloed stijgt, zal de [HCO 3-] tijdelijk stijgen, maar dit herstelt snel doordat CO 2
wordt opgenomen en wordt omgezet in H2CO3.
Zelfstudie 2 Eiwitstructuren
Een aminozuur bestaat uit een centraal koolstofatoom, aminogroep, zuurgroep en een restgroep. De
restgroep verschilt per aminozuur. De aminozuren in eiwitten zijn allemaal L-2-aminozuren; dit
, betekent dat zowel de amino- als de zuurgroep aan C-atoom 2 bevestigd zijn. De L duidt erop dat in
natuurlijke eiwitten alleen L-optische isomeren worden aangetroffen.
Aminozuren kunnen op de volgende manier worden ingedeeld:
- Aminozuren met hydrofobe zijketen (R-groep bevat alleen C en H). De zijketens steken meestal
naar binnen in het eiwit, omdat ze een afkeer voor water hebben. Hierbij horen: glycine, alanine,
valine, leucine, isoleucine, methionine, proline, phenylalanine en tryptofaan.
- Aminozuren met polaire zijketens bij neutrale pH (R-groep bevat N-H, O-H of S-H). De zijketens
hebben geen lading, maar zijn wel polair. Deze zijn hydrofiel en kunnen waterstofbruggen
vormen. Hierbij horen: serine, cysteïne, asparagine, glutamine, threonine en tyrosine.
- Aminozuren met positieve lading bij neutrale pH: lysine, arginine en histidine.
- Aminozuren met negatieve lading bij neutrale pH (R-groep bevat zure groep): asparaginezuur
(aspartaat) en glutaminezuur (glutamaat).
De primaire structuur is de volgorde van aminozuren in een eiwit. De aminozuren zijn aan
elkaar gebonden door peptidebindingen. De primaire structuur bepaalt de
driedimensionale structuur van het eiwit, omdat de peptidebinding deels
dubbelgebonden is, in een plenair vlak ligt en ongeladen is.
De secundaire structuur ontstaat door waterstofbruggen tussen de NH en CO-groepen
van de backbone van de aminozuren. Hierdoor kunnen α-helixen of β-sheets vormen.
In de α-helix vormt een waterstofbrug tussen de CO-groep van een aminozuur
met een NH-groep van het vierde aminozuur ernaast, waardoor dus alle CO en
NH-groepen verbonden zijn. Twee helixen vormen een coiled coil (keratine) en
drie helixen een superhelix (collageen).
De β-sheet bestaat uit meerdere ketens, dat een sheet vormt door
waterstofbruggen tussen de ketens; in parallelle of anti-parallelle richting.
De tertiaire structuur wordt bepaald door interactie tussen de zijgroepen van aminozuren. Elk eiwit
kent slechts één natuurlijke vouwing; natieve structuur. Het hydrofobe effect (van hydrofobe
zijketens) vormen de drijvende kracht achter de vouwing van een eiwit.
De quaternaire structuur is een interactie tussen meerdere eiwitten, gevormd door zwakke bindingen.
Zelfstudie 3 Enzymologie: thermodynamica
Enzymen zijn katalysatoren; ze versnellen reacties. Daarnaast zijn ze substraatspecifiek. Er zijn zes
belangrijke enzymklassen:
1. Oxidoreductases: katalyseren redoxreacties. Dehydrogenasen.
2. Transferasen: katalyseren transfer van functionele groepen tussen moleculen. Aminotransferasen
en kinases.
3. Hydrolyasen: katalyseren hydrolysereacties. Esterasen, fosfatasen, peptidasen, glycosidasen.
4. Lyasen: katalyseren additie aan of vorming van dubbele bindingen. Hydratasen, decarboxylasen,
aldolasen.
5. Isomerasen: katalyseren intramoleculaire omzettingen. Racemasen, mutasen, isomerasen.
6. Ligasen: katalyseren vorming van bindingen gepaard met hydrolyse van ATP. Carboxylasen.
Enzymen bevatten vaak cofactoren: kleine moleculen, stevig gebonden in de buurt van het actieve
centrum en essentieel voor de katalytische functie van het enzym. Een inactief enzym, zonder co-
factor, heet een apo-enzym. Na koppeling van een co-factor, heet het een holo-enzym. Cofactoren
worden verdeeld in:
