SAMENVATTING – Hoorcolleges
Cellulaire biochemie en moleculaire biologie
Door Bonifiya Visuvasam
,Cellulaire biochemie
Hoorcollege 1
Cellen spelen een belangrijke rol bij essentiële aspecten van minimaal leven met behulp van
macromoleculen. Voorbeelden hiervan zijn:
Er zijn 3 essentiële macromoleculen +1 (tussenproducten). De lipide bilaag (membraan) dient voor bijeen
houden van de cel componenten. Eiwitten zijn belangrijk voor de katalyse van reacties. DNA dient voor
het geheugen van de cel. Metabole intermediairen (de +1) zijn tussenproducten die worden geleverd
door Gibbs energie en redox co-enzymen (elektronen dragers zoals NAD+ en FAD+). Redox gibbs energie
+ proton gradiënt Gibbs energie → ATP productie. Gibbs energie is de bruikbare (vrije) energie die wordt
opgenomen uit voedingsstoffen in de vorm van ATP, en vervolgens gebruikt wordt om macromoleculen
productie mee aan te drijven. Kleinere bouwblokken van de cel kunnen worden gebruikt om grotere
macromoleculen te produceren (zie bovenstaand schema).
Een eiwit is een keten van aminozuren, die processen katalyseert. Het macromolecuul heeft een
signalerende functie. Aminozuren zelf zijn opgebouwd uit peptideketens die zijn gevormd door koppeling
van peptiden. Ieder eiwit heeft een sterk ruggengraat (bouw) door de kenmerkende
polypeptidebindingen in de keten. De 20 soorten aminozuren hebben ieder één kenmerkend zijketen (zie
figuur). De zijketens van aminozuren hebben invloed op de elektrische lading van het eiwit en de
vouwing. Negatiever geladen eiwitten kunnen beter standhouden in een zure omgeving, terwijl positiever
geladen eiwitten juist beter standhouden in een basische omgeving. Er zijn vele combinaties van
aminozuren mogelijk, en dat leidt tot een grote verscheidenheid van eiwitten. Daarnaast wordt deze
variatie vergroot door eventuele binding van een prosthetische groep (organisch molecuul, zoals een
metaal).
• Als een aminozuur uiteindelijk voor een transporteiwit "verkeerd" wordt getranscribeerd door
een mutatie in het gen, dan past het transporteiwit niet goed op/in het membraan. De vorm
(vouwing)/eigenschap (hydrofiel/hydrofoob/grootte zijketens) heeft invloed op het wel/niet
passen van een eiwit op het membraan.
,De lipide bilaag (dubbele fosfolipide membraan) zorgt voor amfipatische zelforganisatie. De combinatie
van hydrofiel (kop) en hydrofoob (staart, bestaande uit 2 vetzuurketens), om de (hydrofiele) moleculen
de cel in te houden. De staarten zijn opgebouwd uit vetzuren. Onverzadigde vetzuur staarten maken
vloeibare membranen mogelijk. De hydrofiele kop en hydrofobe staart zijn verbonden doormiddel van
een esterbinding. De esterbinding speelt een belangrijke rol bij de ruggengraat van vetten.
DNA is gediend voor het geheugen van de cel. De ruggengraat (backbone) van DNA is erg stevig door de
covalente fosfaat-di-ester bindingen tussen OH op 3’C atoom en het fosfaat op het 5’ C atoom. De
interactie van de losse nucleotiden (bouwblokken) zijn echter minder sterk, namelijk waterstofbruggen
(zie figuur). De covalente bindingen tussen nucleotiden van DNA kunnen tot stand worden gebracht door
de energie van de trifosfaatgroepen op losse nucleotiden. De basenparen interacties (complementariteit)
tussen de twee DNA strengen wordt tot stand gebracht door waterstofbruggen.
Suiker/monosaccharide is ook een essentieel macromolecuul. Condensatie van kleinere monosacchariden
leidt tot polymerisatie naar disachariden of grotere koolhydraten. Hydrolyse van grotere polysacchariden
leidt weer tot kleinere monosacchariden. De alpha-glycosidische binding is cruciaal voor de backbone van
suikers.
Tussen atomen kunnen er sterke of zwakke interacties bestaan. Bij sterke interacties delen de twee
atoomkernen een elektron, en dit wordt een covalente binding genoemd. Er is een enzym nodig om deze
sterke binding te maken en te breken. Covalente bindingen zorgen voor en sterk ruggengraat. Bij zwakke
interacties is er geen enzym nodig voor de aanmaak en afbraak (echter wel chaperonins voor hulp bij de
juiste vouwing). Zwakke interacties maken vouwing mogelijk. Er bestaan 4 typen zwakke bindingen:
• Elektrostatisch: aantrekking van positieve en negatieve zijketens van bijvoorbeeld twee
verschillende eiwitten.
• Waterstofbruggen: water, eiwitten, DNA. Heeft netto een neutrale lading, maar de lading is wel
verdeeld binnen het molecuul → elektropositieve en elektronegatieve regio, dat leidt tot een
polariteit van watermoleculen → elektrostatische aantrekking en H-bruggen tussen
watermoleculen → vorming van 3D dynamisch netwerk van watermoleculen.
• Van der waals binding: hangt af van de afstand tussen de twee kernen van de atomen. Bij een
korte afstand stoten de kernen elkaar af.
• Hydrofobe interactie: wanneer niet-polaire moleculen worden opgelost in water, wordt er ruimte
ingenomen en gaan de watermoleculen een sterkere interactie aan. Zo worden de niet-polaire
moleculen bij elkaar gebracht.
Hydrofiele moleculen zoals ionen en polaire moleculen kunnen oplossen in water door de
elektrostatische aantrekkingskracht met watermoleculen / de vorming van waterstofbruggen (zie figuur).
,Binnen een macromolecuul zijn er allemaal sterke (permanente) interacties, zodat het molecuul intact
blijft. Buiten de macromolecuul zijn er wel zwakke interacties mogelijk.
• Eiwitmodificaties bij gesecreteerde eiwitten: suikerketens en zwavelbruggen.
• Trypthophan en proline komen niet voor in secundaire structuren zoals a/B sheets → proline
verbreekt/stopt juist een secundaire structuur, want komt voor op scharnierpunten.
• Krachten van sterk naar zwak: covalente binding – ion-dipool interactie – waterstofbruggen –
van der waals – hydrofobe interacties
• Hydrofobe zwakke interacties tussen koolwaterstofketens helpen bij het ‘sluiten’ van de lipide
laag van een membraan.
• Hystidine wordt in een polypeptideketen positief geladen bij pH<6.
,Cellulaire biochemie
Hoorcollege 2
Chemische elementen kunnen niet worden gemaakt. Ze worden opgenomen door het organisme, en
vervolgens doet de biochemie de rest. Echter kunnen we de bruikbare energie nodig voor de essentiële
processen niet genereren. Het is energie die we uit katabolisme kunnen gebruiken voor anabolisme
(groei). Dit is de Gibbs energie (G).
De balanswet geldt voor alle transporteerbare substanties (X). De toename van een bepaalde substantie X
is gelijk aan wat binnenkomt (min wat eruit gaat) plus wat gemaakt wordt (min wat verbruikt wordt). Zie
figuur voor formule.
Energie (U) kan worden opgenomen als warmte Q, arbeid W, of in geïmporteerde stoffen. Hiervoor geldt
de formule:
Ook voor energie (U) geldt een balanswet (zie bovenstaand figuur). Wanneer je de balanswet combineert
met de 1e wet van thermodynamica, kan de toename in U worden berekend. Deze wet zegt dat energie U
niet verloren kan gaan of uit het niets kan ontstaan (behoud van energie). Energie kan alleen omgezet
worden. De 1e hoofdwet kan worden gebruik met behulp van bijvoorbeeld calorimetrie (zie bovenstaand
figuur). Warmte Q kan zonder beperkingen over biomembranen van cellen beide kanten op stromen.
Entropie (S) is ook wel de neiging tot chaos, oftewel van het onwaarschijnlijke (lage entropie) naar het
waarschijnlijke (hoge entropie). Er is maar één manier van orde voor onze cellen om te functioneren,
echter zijn er vele manieren om juist dezelfde chaos (hoge entropie) in cellen te creëren. De natuurkunde
creëert chaos, en de biologie creëert juist structuur. Dit principe wordt ook wel de Schrödinger paradox
genoemd. Lage entropie, dus orde/structuur in een cel, kan alleen bereikt worden wanneer er moleculen
naar buiten de cel worden getransporteerd om daar een hoge entropie/chaos te creëren. Andersom geldt
dit ook: hoge entropie (chaos) in de cel kan alleen wanneer er stoffen worden opgenomen door de cel en
er buiten de cel orde (lage entropie) is. De biologie kan alsnog ordenen wanneer de door de natuurkunde
gecreëerde chaos groter wordt, door de chaos op te ruimen/exporteren. Er geldt ook een entropie (S)
balanswet.
,De 2e hoofdwet van thermodynamica houdt in dat opruimen/export van de chaos leidt tot een lagere
entropie (S). Voor ordenen moet er namelijk veel warmte afgevoerd worden, of er moeten chaotische
stoffen (zoals gassen) geproduceerd worden uit ordelijke (vaste) stof (voedsel) om geëxporteerd te
worden naar buiten (zie figuur). Deze wet betekent dus ook dat zelforganisatie/ordening (lage entropie
(S)) in een chaotisch systeem (hoge entropie) alleen mogelijk is als er vrije/bruikbare Gibbs energie wordt
toegevoegd. Wanneer er dus te weinig energie is voor ordenen, kan de entropie niet worden geëxporteerd,
en zal de entropie in het systeem (bijvoorbeeld een cel) dus toenemen. Daarnaast gebruikt de cel een deel
van de opgenomen Gibbs energie (G) om het proces van ordening snelheid te geven.
• G wordt dus door de cel geïmporteerd om deels zijn interne Gibbs energie mee op te bouwen
voor ordening (entropie afname en energie toename) en deels om processen aan te drijven
(snelheid).
Gibbs energie import door cellen (‘energie eten’) is dus essentieel voor het leven: bron voor orde (S),
bron voor energie (U), en snelheid van levensprocessen. Een belangrijk principe is dat endergone (G-
absorberende) reacties nodig zijn voor het leven van exergone (G-verschaffende/vrijkomende) reacties.
• Bij een endorgene reactie wordt er een Gibbs energierijke stof geproduceerd. VB: aminozuur →
eiwit. Echter moet hier een exorgene reactie aan worden gekoppeld zodat de verloren Gibbs
energie ook weer aangemaakt wordt!
• Daarom wordt een Gibbs energie verbruikende reactie gekoppeld aan een Gibbs energie
producerende reactie.
• Zo kan een deel van de geproduceerde Gibbs energie in het eiwit terechtkomen, waardoor die
Gibbs energierijker is dan een aminozuur (zie figuur).
Deze koppelingsreacties zijn mogelijk door de werking van koppelingsenzymen. ATP/ADP vormen
bijvoorbeeld een co-enzym koppel die ieder katabolisch (exergoon) proces aan ieder anabolisch
(endergoon) proces koppelt. Een reactie met een positieve ΔG (endergoon) die energie vereist moet
gekoppeld worden aan een reactie met een negatieve ΔG (exergoon) zoals ATP hydrolyse, waarbij energie
vrijkomt! Een deel van de vrijgekomen energie van de exergone reactie komt in het eindproduct van de
endergone reactie, en een deel van energie verloren → eindproduct hogere Gibbs energie dan substraat.
,Handhaven van orde (in de cel) en het doen verlopen van processen binnen de cel vereisen voortdurend
verbruik van Gibbs energie, en dat gebeurt voornamelijk via ATP. ATP is dus een essentieel
energiebetaalmiddel van het leven. Vooral de laatste fosfaatgroep van ATP is belangrijk voor de
energielevering (heeft veel enthalpie = energie). De glycolyse voor ATP productie levert ook NADH op. De
Gibbs energie die nodig is voor ATP productie zit in een protonengradiënt over het mitochondriale
binnenmembraan. Via transporters in het membraan wordt de geproduceerde ATP vervolgens
geëxporteerd naar plekken waar energie nodig is.
De Gibbs vrije energie van een molecuul X neemt toe met de concentratie van X. De enthalpie
(energie/warmte) van bijvoorbeeld ATP als stof X en hogere concentraties ervan helpen bij het aandrijven
van anabole reacties. Gibbs energie associatie reactie: concentraties, temperatuur, en gasconstante R.
Wanneer er geen drijvende kracht -ΔG (exergone) reactie gekoppeld is aan de anabole reactie, is er
sprake van een evenwicht (equilibrium) en geldt er: ΔG = 0. De concentraties van de stoffen van de
evenwichtsreactie hebben een invloed op de mate van entropie!
De vrije energie verandering G geeft informatie over de spontaniteit van de reactie:
1. Een reactie kan spontaan plaats vinden alleen als ∆G negatief is en de totale ΔS groter is dan 0. Zulke
reacties zijn exergonisch (energie wordt gemaakt en komt vrij).
2. Een systeem is in equilibrium en er is geen netto verandering die kan plaatsvinden als ∆G is nul.
3. Een reactie kan niet spontaan plaats vinden als ∆G positief is.
4. De ∆G van een reactie hangt alleen af van de vrije energie van de producten min de vrije energie van
de reactanten. ∆G van een reactie is onafhankelijk van het moleculaire mechanisme van de transformatie.
5. De ∆G geeft geen informatie over de snelheid van de reactie. Alleen of die reactie spontaan kan
plaatsvinden of niet.
Schödinger paradox: de thermodynamica van een cel voldoet "schijnbaar" niet aan de tweede hoofdwet van de thermodynamica
(delta S> 0). De thermodynamica van een cel lijkt gericht op sorteren, het realiseren van méér ordening (bv. membranen),
macromoleculen uit kleine units (ATP -> DNA = minder 'toestanden'):
1) Wel, enzymen doen de job. Zij zorgen dat er twee reacties gekoppeld worden in een enzym.
deltaG(totaal) = deltaG(reactie A) + deltaG(reactie B) < 0.
De cel blijkt dit proces reactiekoppelingen veelal georganiseerd te hebben via (protonen)gradiënten, energie en redox carriers
(NADH, FADH, co-enzyme-A, ATP, GTP, UTP,).
2) De cel export warmte; er gaat dus bij elke biochemische reactie in de cel een deel van de beschikbare energie verloren.
,Cellulaire biochemie
Hoorcollege 3
DNA en eiwit kennen een sterk ruggengraat door covalente bindingen. De macromolecuul fosfolipiden
bilaag heeft dit niet, maar is toch heel sterk. Dit komt door de zwakke hydrofiele interacties tussen
watermoleculen, die leidt tot hydrofobe interactie tussen de vetzuurstaarten (zie hoorcollege 1).
Een eiwit is voorbeeld van een complex atoomnetwerk. Alleen het L-isomere aminozuur is effectief in een
eiwit (zie figuur). Aminozuren hebben een lading veroorzaakt door de ionen van de zuurgroep en de
aminogroep. De pH heeft invloed op deze lading (zie figuur). Bij een lagere pH is het aminozuur positief
geladen (H+ gebonden) en bij een hoge pH juist negatief geladen (H+ afgestaan).
De aminozuren van een eiwit zijn verbonden doormiddel van typische peptidebindingen (zie figuur). Een
peptidebinding tussen twee aminozuren kan worden gevormd doormiddel van waterafsplitsing. Zo
ontstaat er bij koppeling van meerdere aminozuren dezelfde polypeptide ruggengraat voor ieder soort
eiwit, met alleen verschil in de R-groepen. De primaire structuur van eiwitten is gebaseerd op covalente
bindingen, en daardoor stevig. De hogere orde structuur van een eiwit wordt veroorzaakt door de
vouwing van de polypeptide keten:
• Secundaire structuur: α-helix of β-sheet mogelijk gemaakt door waterstofbruggen tussen C=O en
NH-groepen van de ruggengraat. Welke van de twee wordt bepaald door de R-groepen. Er
kunnen H-bruggen gevormd worden binnen ketens in α-helices (zie onderstaand figuur). In β-
sheets kunnen er ook H-bruggen gevormd worden tussen ketens (zie onderstaand figuur). Proline
is een belangrijk aminozuur: komt voor op scharnierpunten van secundaire structuren. Proline en
tryptophan komen nooit voor in een α-helix.
• Tertiaire structuur: verdere vouwing van: α-helix of β-sheet door interacties tussen R-groepen. De
interacties tussen R-groepen zijn allemaal zwak: elektrostatisch, waterstofbruggen, van der waals,
of hydrofoob. Echter is er één uitzondering: sterke S-S bruggen (zwavelbruggen) tussen twee
cysteines.
• Quaternaire structuur: associatie/vouwing verschillende polypeptideketens door interacties
tussen R-groepen.
• Een eiwit kan denatureren bij hoge temperatuur of door hydrofobe interactie (met bijvoorbeeld
ether).
De verschillen tussen de aminozuren (R-groepen) zijn essentieel voor interactiemogelijkheden,
verschillende posities kunnen innemen, en verschillen in vorm (klein/groot/bulkiness). De R-groepen
kunnen ingedeeld worden in de groepen negatief, positief, ongeladen polair, en niet-polair (zie figuur).
Ook heeft ieder aminozuur specifieke eigenschappen zoals H-brug vormend, aromatisch, lading,
polariteit, volume, of helix breking (ieder aminozuur geen, één, of meer van deze eigenschappen).
,Cysteïnes maken meestal een S-S brug / disulfidebinding door de twee vrije SH groepen te oxideren (zie
figuur). S-S bruggen kunnen ook gevormd worden tussen twee polypeptideketens die beide een cysteïne
bevatten met een vrije SH groep (zie het figuur mbt. insuline).
Een eiwit heeft een hydrofobe buitenkant, zodat het kan dienen als een integraal membraaneiwit (VB:
transporteiwit in celmembraan). Op deze manier kan het eiwit zich invoegen in de hydrofobe binnenkant
van het celmembraan. Een porine is bijvoorbeeld een eiwit met een hydrofobe buitenkant en een
hydrofiel waterkanaal in de binnenkant (zie figuur).
Een belangrijke functie van eiwitten is de betrokkenheid bij biologische processen. Eiwitten koppelen
bijvoorbeeld G energie opwaartse (endergoon) processen aan neerwaartse aandrijfprocessen (exergoon).
Daarnaast transporteren ze stoffen over membranen (transporteiwitten; katalytisch of gekoppeld; pomp).
Enzymen kunnen neerwaartse processen versnellen doormiddel van katalyse. Eiwitten spelen ook een rol
bij signaaltransductie. Ten slotte kunnen ze processen targeten die door andere eiwitten gekatalyseerd
worden (VB: transcriptieregulatie).
Ieder enzym heeft een specificiteit voor een eigen substraat (VB: receptor en een hormoon) en een
specificiteit van reactie (“wat moet er gebeuren met het substraat?” Soms irreversibele stap). Uiteindelijk
leidt de interactie tot een product. Het enzym heeft meestal een hoge affiniteit voor het substraat, en
bijvoorbeeld een lage affiniteit voor het product. De interactie van het substraat en het enzym gaat met
niet-covalente / zwakke bindingen, zodat het product makkelijker los kan. Het substraat past precies in
het enzym (key and lock model). Wanneer het enzym bindt aan een substraat X kan er soms een
evenwicht bereikt worden (equilibrium, zie figuur). Hiermee kan onder andere berekent worden welke
fractie van het enzym gebonden is met substraat.
• De actieve binding site voor de ligand wordt gevormd door secundaire+tertiaire vouwinteracties
tussen zijketens van aminozuren in eiwitten (R-groepen).
, Cellulaire biochemie k2
Hoorcollege 4
k1
De binding tussen een ligand en een eiwit kan in sommige gevallen ook flexibel zijn: wanneer één ligand
bindt aan het eiwit kunnen de volgende liganden gemakkelijker binden aan hetzelfde eiwit (VB:
hemoglobine + zuurstof). Dit principe ook wel coöperativiteit genoemd. De michaelis-mentenvergelijking
beschrijft de reactiesnelheid van de reactie van eiwit en ligand/enzym en substraat → enzym-substraat
complex → enzym en product. De Km (hoge Km = lagere affiniteit van enzym voor het substraat) zit
halverwege de Vmax. De reactie wordt versneld door de kcat (snelheidsconstante)
topoprima
Soms bindt het enzym ook een andere stof op dezelfde plaats als substraat X, zoals een competitieve
remmer (VB: antibioticum tetracycline = remt translatie). Zo kan er dus ook een enzym-remmer complex
ontstaan (met een eigen reactie/evenwicht) in plaats van een enzym-substraat complex. Het enzym
wordt zo geremd. De fractie enzym dat gebonden is aan remmer/substraat kan bepaald worden (zie
figuur). Een competitieve remmer zorgt voor een hogere Km, waardoor de affiniteit van het enzym voor
substraat afneemt, maar Vmax blijft hetzelfde. Oncompetitieve remmers binden niet aan de actieve site
van het enzym (substraat kan niet meer worden omgezet in product), zorgen voor verlaging van Km EN
Vmax. Noncompetitieve remmers en verlagen Vmax, maar Km verandert niet.
Normaal gesproken (zonder enzym) is er een grote hoeveelheid activeringsenergie (Gibbs) nodig voor de
reactie X → P. Wanneer er een enzym aanwezig is om de reactie te katalyseren, zal het enzym de
activatie Gibbs energie die nodig is verlagen en de Kkat verhogen (snelheid). Zo verloopt de reactie sneller
en gemakkelijker. Het enzym heeft ook een transitietoestand: toestand waarbij het reagenscomplex het
meest instabiel is. Enzymen helpen daarnaast ook moleculen om elkaar te vinden, en vervangen de hoge
temperatuur (warmte) die normaal gezien nodig is om de reactie X → P plaats te laten vinden. Het enzym
kan de ΔG substraat – product niet beïnvloeden!
