Biomoleculen PDF

Preview

Summary

dit is een samenvatting van het deel biomoleculen gebaseerd op de lessen ...

Description

Hoofdstuk 1: Inleiding Nieuwe eenheid als we over biomoleculen spreken: Angstrom (10-10 m) Meeste chemische processen gebeuren extreem snel. Bijvoorbeeld zien, scharnierbeweging van eiwit, ontrollen DNA, enzymatische reactie, vorming van eiwit (1s), vorming van bacterie. De evolutie van eiwitten duurt wel extreem lang: miljoenen jaren. Besproken biomoleculen: eiwitten, suikers (sachariden), nucleïnezuren en de vetten (lipiden). Onze biomoleculen leven in een waterige omgeving. Het effect van water is erg belangrijk.

Chemische samenstelling Primaire elementen: C, H, O (94%), 75% van het lichaamsgewicht is water Secundaire: N, P, S, Cl, K, Ca, Mg (6%) Microbestanddelen (komen in hele lage concentraties voor, maar een tekort is problematisch): ijzer Fe, Zn, I  Sporen (zeer lage concentratie, een tekort heeft een enorm effect): Mn, Cu, Co, F, Se Bij te weinig ijzer gaat de hoeveelheid hemoglobin in het bloed dalen -> vermoeid gevoel.   

Drie dimensionale structuur De belangrijkste factor die de functie van uw biomoleculen gaat verklaren. Als we de structuur veranderen, verandert de functie ook. Sleutel-slot-principe: alleen als het substraat perfect past in het enzyme zal enzymatische reactie doorgaan. Bij mutaties gaat het niet meer door.

3D-structuur Elk atoom krijgt zijn eigen kleur. Space-filling: atomen worden voorgesteld als bollen welke overeenkomen met de werkelijke ruimte dat een atoom inneemt. Ball and stick: de atomen worden voorgesteld als bollen en de bindingen als de sticks, handig voor bindingen te bekijken.

Bindingen en functionele groepen Interacties tussen atomen van biomoleculen Zeer verschillende interacties mogelijk Onderverdeling tussen covalente en niet covalente interacties

Covalente bindingen Een binding waarbij de atomen elektronen gaan delen. Het is geen ionaire binding (= complete transfer van elektronen, het ene atoom gaat het elektron van het andere overnemen).

1

Soorten covalente binding:  Ether binding: een zuurstof dat 2 verschillende of 2 dezelfde restgroepen gaat verbinden. Ze komen voor bij membraanlipiden.  Ester: komen voor bij triglyceriden.  Fosfaat ester: met fosfaatgroep. Komen voor bij fosfo eiwitten.  Fosfodiester: 2 zuurstoffen langs elke kant. Ze komen voor bij nucleïnezuren, fosfolipiden.  Amide: stikstof. Ze komen voor bij polypeptiden.  Thioester: zwavel. Komt voor bij acetyl-Co enzym A.  Thioether: zwavel tussen 2 restgroepen. Komt voor bij methione.

Niet-covalente interacties Zorgen ervoor dat de structuur zoals die voorkomt in de biomoleculen dat die plastisch is, door individueel zwakke bindingen te hebben. Samengesteld zorgen de bindingen wel voor stabiliteit van de macromoleculen. Dipoolinteracties Een structuur waarbij de lading van de structuur ongelijk verdeeld is. Sommige zijn permanent, en sommige zijn geïnduceerd. Bijvoorbeeld water. Permanente dipolen:  Moleculen met ongelijke verdeling van hun lading, ze zijn polair  Ze bezitten al dan niet een lading van 0 Geïnduceerde dipolen:  Ze kunnen dipolair worden in aanwezigheid van een elektrisch veld  Aromatische verbindingen kunnen makkelijk geïnduceerd worden omdat de elektronen gemakkelijk verplaatst kunnen worden Van der Waals krachten Atoom heeft elektronenwolk rond zich die een bepaalde ruimte inneemt. Als atomen dichtbij elkaar komen gaan die elektronenwolken elkaar afstoten. Het zijn zwakke tot zeer zwakke krachten die optreden bij intermoleculaire interacties tussen neutrale atomen. De minimumafstand waarop 2 atomen kunnen naderen is de Van Der Waals radius R. Waterstofbruggen Intermoleculaire kracht tussen een elektronenpaar op een elektronegatief atoom en een waterstofatoom. Ze komen niet uitsluiten voor bij watermoleculen. Zoutbruggen Elektrostatische binding tussen 2 tegengesteld geladen atomen. Meest sterke niet-covalente binding. Hydrofobe interacties Bij groepen die geen interactie aangaan met water. Minimaliseren van het contactoppervlakte tussen de hydrofobe structuren en water. 2

Overzicht functionele groepen -> kijk cursus pagina 14-15!

Water     

Alle biomoleculen komen voor in een waterige omgeving. Heeft effect op de vorm van het molecule Water zal zorgen voor transport van biomoleculen Water speelt actieve rol bij chemische processen. Ionaire componenten , H+ en OHkunnen optreden als reactieve groepen in zeer veel biologische moleculen. Fotosynthese: oxidatie van water met vorming van zuurstof Tetraedische vorm

Water is een polair molecule: er kunnen elektrostatische interacties ontstaan tussen de dipolen van watermoleculen. Deze zijn cruciaal voor de eigenschappen van water en voor zijn rol als biochemisch solvent. Water kan waterstofbruggen vormen: het vrije elektronen paar van een zuurstof gaat zich oriënteren naar een waterstof. Elk molecule kan 4 waterstofbruggen aangaan. Water is een vloeistof waarbij er een enorme cohesie is: hangt aan elkaar (in de vorm van druppels). Fysische eigenschappen van water:

Ijs In ijs is elke watermolecule omgeven door 4 aanpalende watermleculen die zoals een tetraëder gerangschikt zijn. De watermolecule vormt een waterstofbrug met al de 4 omliggende watermoleculen. Er is ruimte tussen de watermoleculen, meer dan bij de vloeibare vorm -> water zet uit bij het bevriezen. Ijs drijft dus ook op water, heeft enorme effecten (bv ijstijd). Er is een continue beweging van de waterstofbruggen en de watermoleculen die met elkaar gaan binden.

Oplosmiddel Oplosbaarheid product: kan beter interageren met solvent dan met eigen moleculen. Moleculen die oplossen in water noemen we hydrofiel: vooral polaire en ionaire moleculen. Moleculen die niet oplossen in water noemen we hydrofoob: apolair moleculen. Als we spreken van een opgeloste structuur, zit er een watermantel rond de structuur. Hoe zout oplost in water: polaire solventen zullen aantrekkingskrachten tussen de tegengesteld geladen ionen afzwakken en kunnen daardoor ionen uit elkaar houden. Een ion dat ondergedompeld wordt in water zal het tegenovergesteld geladen deeltje van e dipool water aantrekken. Het ion wordt dus omgeven door verschillende lagen van solvent moleculen. Zulke ionen zijn opgelost (of in het geval van water gehydrateerd). Op dezelfde manier zullen ongeladen polaire moleculen oplosbaar zijn in water. De polaire groepen zullen een waterstofbrug vormen met de watermoleculen.

3

Hydrofobe effect Het contact met water minimaliseren. Is een belangrijke drijvende kracht voor veel processen. Amfipatische moleculen: heeft een hydrofoob gedeelte en een klein hydrofiel gedeelte. Bijvoorbeeld lipide structuur (micel (vetdruppel) of membraan). In een waterige oplossing zal het hydrofiele uiteinde gehydrateerd worden en het hydrofobe gedeelte afgestoten worden van water. Chemische eigeschappen van water: (kijk deel cursus p 20-24)

Ionisatie van water Water heeft een kleine neiging tot ionisatie (het uiteenvallen tot een H+ en een OH-) met het ontstaan van een proton H3O+. Als proton ontstaat, blijft het niet zitten. Het gaat razend snel bewegen door waterige omgeving: protonjumping. Reacties waarbij zo’n proton aanwezig is, gebeuren zeer snel (redoxreacties).

Dissociatie van water Dissociatieconstante K Nieuwe schaal pH: pH is het negatief logaritme van de concentratie van H + Hoe hoger de pH -> hoe lager de concentratie H + Hoe lager de pH -> hoe hoger de concentratie H +

Zuren en basen Zeer veel biomoleculen hebben zure of basische groepen.  Zure groep: geeft proton af  Basische groep: neemt proton op Henderson-Hasselbalch vergelijking!

Buffers De pH in een cel moet redelijk stabiel zijn. Metabole processen kunnen enkel doorgaan in zeer nauwe pH regio. De oplossing hiervoor is buffers die ervoor zorgen dat de pH stabiel blijft (binnen bepaalde grenzen). Polyprotische zuren Bloed buffer systeem

Hoofdstuk 2: Eiwitten = proteïnen Alle stikstofbevattende componenten uit de voeding. Eiwitten doen alle functies. Alle processen die gebeuren, gebeuren door eiwitten.

4

Functies eiwitten Een van de belangrijkste functie van eiwitten: katalyse. Het versnellen van biochemische processen zonder er zelf aan deel te nemen. Enzymen zijn eiwitten, een kleine klasse ervan. Zijn nodig om enzymatische reactie te laten doorgaan. Bijna alle enzymes zijn eiwitten uitgezonderd RNA enzymen. De structuur van bv de huid wordt geregeld door structurele eiwitten. Ze geven vorm en stevigheid aan weefsels. Nog voorbeelden: collageen, elastine, amylopectine. Beweging: Beweging van organellen en macromoleculen in de cel. Er is transport van componenten in de cel. Dit gebeurt gestructureerd. Transport en opslag: bv in de bloedbaan en doorheen het celmembraan. In de bloedbaan wordt er ijzer getransporteerd. Ijzer kan snel reageren en kan schade veroorzaken. Het wordt dus getransporteerd via een transferine. Albumine is eveneens een transporteiwit, gaat verschillende componenten in de bloedbaan op zich binden. Alles wat niet vrij mag zitten in de bloedbaan bindt met albumine. Bv bilirubine. Bij baby’s is er een opstapeling van bilirubine en zal het kind een gele schijn krijgen. Als het te erg is, leggen ze het pasgeboren kind in het licht zodat het bilirubine wordt afgebroken (of UV-licht als het heel erg is). Transporteiwitten in het celmembraan. In een membraan zitten membraaneiwitten die kanalen kunnen vormen. Deze kanalen kunnen spontaan zijn die alle moleculen doorlaten maar ze kunnen ook actief zijn waarbij er een signaal moet komen en dan pas zal het kanaal open gaan. Intercellulaire communicatie: cellen moeten met elkaar communiceren om informatie door te geven. Deze communicatie gebeurt door receptoren die op de celmembranen zitten. Daar op gaan signaalmoleculen binden en dat zijn vooral eiwitten. Pijn is bv een belangrijke functie. Om zoneen signaal snel door te sturen gaan signaal moleculen vrijkomen en op een receptor binden en zo het signaal doorgeven. Intracellulaire communicatie: Kan zijn dat de cel actie moet ondernemen, er moet iets in gang gezet worden, signaaltransductie. Dit kunnen simpele tot zeer ingewikkelde pathways zijn. Er wordt gewerkt met negatieve feedback, op een bepaald moment moet het signaal stoppen (simpel pathway). Apopthose is een veilige manier van celdood. Immunologische afweer: onderdeel van ons immuunsysteem. Als we worden aangevallen door bacteriën of virussen moeten we deze zo snel mogelijk elimeneren. Meestal worden er antilichamen aangemaakt, deze antilichamen zijn eiwitten. Na dat deze antilichamen zijn aangemaakt en het virus is bestreden zijn er geheugencellen die deze ziekte ‘herinneren’. En bij een volgende infectie zullen deze geheugencellen direct actief worden en zal je niet meer ziek worden. Dit is bijvoorbeeld ook het principe van vaccineren.

5

Structuur van eiwitten Er zijn 4 verschillende niveaus.  Primaire structuur: de opeenvolging van alle aminozuren. Er is nog geen enkele interactie  Secundaire structuur: welke interacties maken de aminozuren die dicht bij elkaar liggen op basis van hun primaire structuur.  Tertiaire structuur: aminozuren gaan interacties met andere aminozuren die op basis van hun primaire structuur ver van elkaar liggen. Geeft een verdere opvouwing van het eiwit.  Quaternaire structuur: sommige bestaan uit verschillende onderdelen, hoe deze onderdelen samenkomen. Elk onderdeel heeft een eigen primaire, secundair en een tertiaire structuur. Niet elk eiwit heeft een quaternaire structuur, wél primaire, secundaire en tertiaire structuur.

Aminozuren en primaire structuur Aminozuur zijn de bouwblokjes waar we de eiwitten gaan opbouwen. Elk aminozuur heeft dezelfde basisstructuur. De basisstructuur: in het midden staat een koolstofatoom. Er zit altijd een aminegroep op gebonden, ook een carboxylgroep, een waterstof en een variabele groep, de R-groep. Die verschilt tussen de aminozuur. Er zijn 20 verschillende R-groepen. Bij pH 7,4 gaat aminegroep een proton opnemen en gaat de carboxylgroep een proton afgegeven hebben. Bij fysiologische pH komt een aminozuur voor met een H3N+ en een COODeze vorm noemt men een zwitterion. We gaan de aminozuren indelen volgens de polariteit van hun R-groep  Apolaire aminozuren  Polaire, ongeladen aminozuren  Polaire, geladen aminozuren Elk aminozuur heeft een 3 lettercode en een 1 lettercode. Naamgeving: BELANGRIJK!!

Apolaire aminozuren Er zijn 9 apolaire aminozuren. Het allerkleinste aminozuur is glycine. Zijn restgroep is een H-groep. Waar we weinig plaats hebben, zal er glycine zitten omdat H totaal geen plaats in neemt. Deze hebben een alfatische zijketen:  Alanine  Valanine  Leucine  Isoleucine Methionine, heeft een thiolgroep (zwavelatoom) in zijn restgroep. Het is een grote zijketen. Komt voor op plaatsen waar we bijvoorbeeld een ruimte willen afsluiten of waar er veel plaats is. Aromatische zijketens: 6

 

Phenylalanine Tryptofaan

Proline is een cyclisch aminozuur. Er is een interne ringsluiting gebeurd. Komt in de meeste eiwitten in zeer lage concentraties voor. Is een eiwit dat zeer weinig plaats inneemt. In een heel specifieke groep van eiwitten heeft hij een hoge concentratie.

Polaire, ongeladen aminozuren Er kunnen waterstofbruggen ontstaan, maar er zit geen lading op. Het zijn er 6. Reactieve polaire alifatische alcoholgroep:  Serine  Threonine Tyrosine heeft een fenolgroep met alchoholgroepen Amidegroep:  Asparagine  Glutamine Cysteïne bezit ee zwavelgroep en kan disulfidebruggen vormen. Deze bepalen vaak de 3Dstructuur van het eiwit.

Polaire, geladen aminozuren Deze bezit 5 aminozuren. Kunnen waterstofbruggen vormen maar ze hebben een lading. Lysine: heeft een zeer lange zijketen met op het laatste een geladen groep. Het is dus een zeer lange alifatische zijketen met sterk positieve lading. Araginine: is een positief geladen guanidogroep. Histidine: positief geladen imidazolgroep Negatief geladen:  Asparaginezuur  Glutaminezuur

Essentiële aminozuren Wij kunnen niet alle aminozuren zelf aanmaken, deze moeten we opnemen uit onze voeding. Gevarieerd eten is heel belangrijk om essentiële aminozuren op te nemen.

Stereochemie en chiraliteit Hoe gaan aminozuren zich gedragen als chemische moleculen. Ze gaan een bepaald gedrag hebben afhankelijk van hun omgeving. Hun eerste gedrag is stereochemisch gedrag. Als er gepolariseerd licht op laten vallen, dan kunnen ze het vlak van gepolariseerd licht laten draaien. 7

Chirale structuur: asymmetrische moleculen. Chiraliteit is een typisch fenomeen voor een koolstof atoom dat 4 verschillende groepen op zijn gebonden. Als je daar het spiegelbeeld van neemt, zal het nooit hetzelfde zijn. Enantiomeren: verschillende structuren waar het chirale centrum in voorkomt. Fysisch en chemisch zijn ze heel moeilijk te onderscheiden van elkaar. Zulke chirale moleculen worden getekend volgens bepaalde afspraken: fisher conventie.

Fisher conventie Er waren 2 vormen van glyceraldehyde. Het D-glyceraldehyde en de L-glyceraldehyde. De D draaide het gepolariseerde licht naar rechts en de L naar links. Nieuwe schrijfwijze:  Bindingen horizontaal: boven het vlak van het blad  Bindingen verticaal: onder het vlak van het blad Bij een L-vorm staat de OH groep altijd langs links en bij een D-vorm altijd langs rechts. Bij aminozuren groepen kijken we naar de positie van NH3+. Als deze links staat is het een Lalanine en rechts, D-alanine. Bij alle natuurlijk voorkomende aminozuren: L-aminozuren. Dit is belangrijk vij onder andere geneesmiddelen (bv softenon) waarbij bv 1 enantiomeer actief is en het andere inactief of zelfs schadelijk.

Elektrolietgedrag van aminozuren Lading in functie van pH Wat is het effect van de pH op de aminozuren. De aminefunctie in het aminozuur is een zwakke base en kan omgezet worden naar zwak zuur. De carboxylgroep is de zure functie met een pKa rond 3,5 Polyprotische zuren: stapsgewijs titreren van de ene vorm naar de andere vorm laten overgaan. Diverse groepen reageren apart! Als er veel protonen zijn, gaat elke groep die geprotoneerd kan worden, geprotoneerd zijn. Bij een lage pH is het aminozuur positief geladen Bij een neutrale pH is het ongeladen en bij een hoge pH is het aminozuur negatief geladen.

Isoelektrisch punt: pI De pH waarde waarbij de globale lading van de molecule 0 is. De pI kan voor elk aminozuur berekend worden. Hierbij moet er rekening gehouden worden met alle ladingen van het volledige eiwit! Als het 2 eenheden hoger ligt dan de pKa ligt alles in de basische vorm. Als het 2 eenheden lager ligt dan de pKa ligt alles in de zure vorm. Berekening pI: kijk powerpoint 8

Als de pH gelijk is aan de pKa dan komt 50% voor in de zure vorm en 50% in de basische vorm.

Chemische modificaties van aminozuren Post translationele modificaties. DNA -> RNA - > eiwitten; translatie. Na de translatie zijn er soms nog modificaties nodig.  Hydroxilatie: OH-groep  Acetylatie: acetylgroep (COCH3)  Carboxylatie: carboxylgroep (COOH)  Fosforylatie: fosfaatgroep (PO3-)  Glycosilisatie: suikergroepen Komt zeer veel bij o.a. neurotransmitters bijvoorbeeld adrenaline: afgeleide van aminozuur tyrosine.

Primaire structuur van eiwit Hoe gaan aminozuur aan elkaar binden. Deze binding is een peptidebinding. Er gebeurt een reactie tussne 2 aminozuur. COOH-groep van het eerste aminozuur en de aminogroep van het tweede aminozuur. Er zit GEEN zuurstof in de peptidebinding. De zuurstof O, wordt afgesplitst met het water. (!!!!!) De R-groep is niet betrokken in de peptidebinding! Elk aminozuur kan binden aan elk ander willekeurig aminozuur. Bij een peptidebinding kan resonantie ontstaan. De dubbele binding tussen koolstof en zuurstof kan verspringen naar de bindig tussen koolstof en stikstof. Resonantie: dubbele binding die van plaats verspringt. Het is een vlakke binding.

Cis of trans De positie van de R-groepen gaat altijd in de trans richting gericht zijn. Als bijvoorbeeld voor de binding de R-groep naar beneden zit, dan zit hij na de binding naar boven. Dit is om sterische hinder te voorkomen. Cis is energetisch minders stabiel (zijn voor en na de binding hetzelfde gericht).

Dipeptide Een dipeptide is dat 2 aminozuren gebonden zijn Het aminozuur dat zijn carboxylgroep behoudt, behoudt zijn naam. Het andere aminozuur krijgt het achtervoegsel -yl. Structuren die kleiner dan 20 aminozuren zijn: oligopeptide Tussen de 20-100 aminozuren: polypeptide (met een aminoterminaal uiteinde en carboxylterminaal einde) Bij meer dan 100 aminozuren: eiwit 1 aminozuur: residu

Backbone De atomen die in de peptidebinding zitten of het c α . 9

Beweeglijkheid peptidebindingen Er is beperkte bewegelijkheid. Er zijn 2 hoeken waarober we kunnen draaien. Volgens de phihoek of de psi-hoek. Als we volgens de wijzers van de klok draaien gaat de hoek groter worden en omgekeerd. Als atomen in elkaar met elkaar in contact komen, stopt het draaien door de sterische hinder.

Ramachandran plot Voor alle mogelijke phi en psi hoeken, alle mogelijke sterische conformaties berekend. Alle gekleure regio’s, zijn toegelaten regio’s (kijk powerpoint afbeelding p15). De groene zijn toegelaten mara de blauwe zijn de ideale situaties. Er zijn 2 aminozuren die niet voldoen aan deze regel: proline en glycine (meer mogelijkheden van beide hoeken)

Interacties van aminozuren

Secundaire structuren Interacties tussen naastliggende aminozuren

Alpha-helix (Linus Pauling) Wordt voorgesteld als een gedraaid lint. De enige helix die kan ontstaan tussen aminozuren waarbij het waterstofbrugpatroon tussen de aminozuren gunstig is. Dit zorgt voor stabiliteit. Phi en psi hoeken liggen in toegelaten regio’s. Het is een rechtsdraaiende helix. Per draai zitten er ongeveer 4 aminozuren. R-ketens zijn niet betrokken bij de waterstofbruggen, ze zijn niet betrokkken bij de stabilisatie. De interactie voor je stabilisatie, is tussen de backbone. Een aminozuur vormt waterstofbrug met een aminozuur, 4 verder. De R-ketens steken naar de buitenkant zodat er geen steris...