Biochemie Deck 1 PDF

Biochemie 22/9 online, geen opname Inleiding Hoofdstuk 1: basisconcepten vh metabolisme 1. Fotosynthese en celademhaling Fotosynthese → zuurstof en suikers (sucrose, glucose,...) → energie afkomstig v zonlicht = oxidatiereactie Celademhali...

Biochemie 22/9 online, geen opname Inleiding Hoofdstuk 1: basisconcepten vh metabolisme 1. Fotosynthese en celademhaling Fotosynthese → zuurstof en suikers (sucrose, glucose,...) → energie afkomstig v zonlicht = oxidatiereactie Celademhaling → CO2 en zuurstof → zuurstof en suikers nodig = reductie 2. Reacties 2.1 oxidaties herkennen è Hoe meer bindingen met O2, hoe minder energie er vrijkomt è Hoe meer een molecule kan geoxideerd worden, hoe meer energie het kan opleveren ‼Vetzuren geven meer energie dan suikers WANT hebbben minder bindingen met O2 1 2.2 energie wordt opgevangen Glucose verbranden → activeringsenergie nodig Geactiveerde carrier molecule → slaan energie op = energierijke verbindingen - als gemakkelijk transfereerbare groep (vb. fosfaathoudende moleculen zoals ATP) - als hoge-energie elektronen (vb. elektronendragers NADH en FADH2) Kennen! 2.3 ∆G, de verandering van Gibbs vrije energie = gedeelte energie dat beschikbaar is voor arbeid 2  A→B ∆G = GB – GA EA = activeringsenergie DG0’ → onder STDvoorwaarden in biologische omstandigheden Principe v gekoppelde reacties = ‘Een thermodynamisch ongunstige reactie kan aangedreven worden door een thermodynamisch gunstige reactie.’ 2.4 Overzicht vd reactiewegen ih katabolisme CZ = citroenzuur (= C6) cyclus / Krebcyclus 3  Metabolisme vd KH - Polysachariden → Glucose = VERTERING / GLYCOGEENAFBRAAK - Glucose (na opname in cellen dunne darm) → GLYCOLYSE Vorming van 2 moleculen pyrodruivenzuur Winst van ATP en energierijke elektronen 2x doorlopen → 4ATP Oxidatieve decarboxylatie Pyrodruivenzuur → Acetyl-CoA + CO2 Winst van energierijke elektronen (opgevangen door NADH) CZ cyclus / Krebcyclus Acetyl-CoA → 2 CO2 Winst van 1 GTP (» 1 ATP) Winst van 8 energierijke elektronen (opgevangen door 3 NADH en 1 FADH2) = belangrijke (maar niet enige!) leverancier v energierijke eleketronen vr de oxidatieve forsforylatie‼ 8 reacties vd Krebcyclus → gegeven op examen 4  Oxidatieve fosforylatie Transport van energierijke elektronen van NADH/FADH2 naar O2 in de mitochondriën Dit leidt tot de vorming van ATP door mitochondriaal ATP-synthase = cellulaire ademhaling Conc- & chem. gradiënt → Oxidatie fosforylatie Metabolisme vd lipiden Lipiden (triglyceriden) → vetzuren + glycerol (= LIPOLYSE) Glycerol (C3) → GLYCOLYSE Vetzuren → ß -OXIDATIE na activatie met CoA → altijd inkorten per 2C en telkens opnieuw CoA koppelen Metaboilisme van proteïnen Proteïnen → aminozuren Aminozuren → C-skelet + NH4+ = schadelijk voor de hersenen → ureumcyclus ook andere delen afh. v AZ → pyrodruivenzuur → Acetyl-coA →… 3. Energie: ATP = nucleotide → petose en ribose en purine (adenine) Uiterste fosfaatgroepen = enrgierijk → wnr afsplitsen, komt er energie vrij → afstotende ladingen dicht bijeen → minder kans op resonantie (mesomerie) dan in vrij fosfaat = delokalisatie v e- → stabieler → minder vrije energie 5 Hydrolyseren v ATP tot ADP = sterk exergonisch → energie komt vrij (intermediair) DG0’ < 0 ATP → ADP DG0’ = -30,5 kJ/mol 1 fosfaat afsplitsen en energie: → kan gebruikt worden om een andere reactie te doen opgaan (= principe van gekoppelde reacties) Gebruik v hydrolyse v ATP om endergonisch proces mogelijk te maken Gecombineerd met transfer v gamma-fosfaat v ATP nr glycerol → gaat vanzelf, maar niet snel DAAROM gebruik v katalysator 6 Omgekeerde reactie = synthese v ATP 1. Adhv transfer energierijke fosfaat nr ADP 30kJ/mol nodig om ATP aan te maken 2. Substraat-niveau fosforylatie Deze 3 molecule hebben VOLDOENDE energie voor synthese ATP > 30kJ/mol 3. Uit ADP en Pi: oxidatieve fosforylatie = meeste ATP w hier aangemaakt fosfaat uit milieu aan ADP koppelen adhv e- transport mitochondriale binenste membraan = gespecialiseerd in ox. Fosforylatie alleen onder AEROBE omstandigheden → zuurstof nodig‼ 7 Hoofdstuk 2: Enzymen 1. Inleiding Enzym = proteïne → ≠ AZ Structuur (= natieve conformatie) verliezen → functie v enzym gaat verloren = katalysator → versnelt reactie dmv activeringsenergie te verlagen Substraat (S) → product (P) E ES = enzymsubstraatcomplex → enzym verandert niet tijdens reactie Waar bindt S aan E? Op actieve plaats van enzym (groeve/holte) → AZ zijketens = belangrijk voor binding vh S (meestal niet-covalente binding: H-bruggen, ion-ion, Vanderwaalkrachten) = belangrijk voor vorm actieve plaats = katalyse 2 modellen voor vorming van ES complex: → transitietoestand 8 Transitietoestand & activeringsenergie DG < 0 → spontane reactie = exergonisch (Ea) = activeringsenergie = energie vereist om het substraat van de grondtoestand naar een instabiele transitietoestand te brengen è Enzymen = bio-katalysatoren Met hoge specificiteit: - Reactiespecificiteit - Substraatspecificiteit - Stereospecificiteit Classificatie v enzymen Naamgeving: - Triviale naam (reactie niet kunnen afleiden) & niet triviaal - Uitgang → -ase Indeling: 6 klassen vgl reactie kunnen afleiden, niet VB! 1. Oxidoreductasen: transfer van elektronen 2. Transferasen: transfer van een functionele groep 3. Hydrolasen: hydrolyse (hydrolytische splitsing) 4. Lyasen: verwijderen of toevoegen van een groep aan een dubbele binding / splitsing met herschikking van bindingen 5. Isomerasen: intramoleculaire herrangschikking 6. Ligasen: verbinden van 2 moleculen via covalente binding 9 Voorbeelden enzymwerking: Kinasen → fosfaatgroep ergens op binden 31 Kjoule/mol komt vrij bij splitsen v ATP Chymotrypsine: 10 2. Kinetica van enzymatische reacties Snelheid beïnvloedt door: 1. Enzymconcentratie [E] 2. Substraatconcentratie [S] 3. pH 4. Temperatuur 5. Aanwezigheid van activatoren en inhibitoren Bij kinetische studies: één factor veranderen, andere constant houden 11 2.1 Invloed vd enzymconcentratie 2.2 Invloed vd substraatconcentratie !!! wat is Km en Vmax? 12 Kwalitatieve uitleg vh bifatisch verloop vd curve: Kwantitatieve uitleg vh bifatisch verloop vd curve: Wet v Michaëlis eb Menten 13 Steady-state Betekenis van Km 14 Betekenis van Vmax Bepaling van Km & Vmax Lineweaver-Burk methode: 1/v in functie van 1/[S] → bekomt een rechte vgl Y = ax + b 15 2.3 Invloed vd pH VOORBEELDEN: Oorzaken v pH afh v enzymatische reactie a) Maximale activiteit bij bepaalde graad van dissociatie van ioniseerbare groepen van het enzym (aminozuurzijketens in actieve plaats) b) Ionisatietoestand van het substraat c) Stabiliteit van het enzym zelf (elektrostatische interacties tussen aminozuurzijketens bepalen ruimtelijke structuur) Hoe pH optimum bepalen? 1° Stabiliteitsgebied bepalen - Enzymen zijn proteïnen! - Gebied met constante molmassa i.f.v. de pH 2° pH optimum bepalen binnen stabiliteitsgebied 16 2.4 Invloed vd temperatuur Chemische reacties Biomedishce (enzymatische) reacties: 17 3. Verandering & controle vd enzymatische activiteit 3.1 Activatie en inhibitie 3.1.1 Activatie Mechanismen? - metaalion doet dienst als primair katalytisch actief centrum en is dus noodzakelijk voor de binding van het substraat of stabilisatie van de transitietoestand ® enzym = metallo-enzym → koolzuuranhydrase - ion is bindingsbrug tss enzym en substraat → magnesium - ion werkt stabiliserend op de conformatie vh enzym → calcium 18 3.1.2 Inhibitie Inhibitoren = organische of anorganische stoffen die binden aan een enzym en de reactie verhinderen of vertragen Omkeerbare vs onomkeerbare inhibitie Enzym kan weer herstellen na inhiibitie → meestal covalente binding Competitieve inhbitie = Competitie voor actieve plaats Km = groot → lage affiniteit voor substraat vh enzym Grafiek, invloed Vmax en Km voorbeeld Toepassing id toxicologie → Voorkomen van gevolgen v inname gifstof Inname v Ethyleenglyccol = antivries Gevolgen voorkomen dmv ethanol = inhibitor v dehydrogenase (enzym) Toepassing id farmacologie Minder cholesterolsynhtese id lever adhv statins (inhibitor) → enzym inhiberen 19  Niet-competitieve inhibitie Variant‼ → het is mogelijk dat de inhibitor de actieve plaats wijzigt waardoor ook Km stijgt Ander vormen van omkeerbare inhibitie Anticompetitieve of uncompetitieve inhibitie: I bindt enkel aan ES Gemengde inhibitie: I bindt aan E en aan ES maar met verschillende affiniteit Onomkeerbaare inhibite Stevige binding van inhibitor aan enzym, meestal covalent ® blijvende wijziging of vernietiging van 1 of meerdere functionele groepen ® inactivatie Toepassingen Cyanide (CN-): reageert met metaalionen, belangrijk voor de werking van enzymen in de elektronentransportketen (cellulaire ademhaling) → te veel amandelen kunnen fataal zijn Penicilline: inhibeert enzymen voor synthese van de bacteriële celwand ® toepassing als antibioticum Glyfosaat: Inhibeert enzymen voor synthese aromatische aminozuren in planten Toegepast als niet-selectief totaalherbicide: op landbouwgronden, weilanden en spoorwegen → onkruid vernietigen Toxisch en kankerverwekkend? In België verboden voor niet-professioneel gebruik Transgene soja = chem. gemodificeerd → bestand tegen glysofaat 20  (acetyl)cholinesterase = AchE → Verwijderen acetylcholine uit synaptische spleet 1. Competitieve (omkeerbare) inhibitie Voorbeelden: enzym op positieve manier geïnhibeerd Physostigmine: antidotum voor anticholinergica Bepaalde geneesmiddelen voor de behandeling van Alzheimer dementie (met verlies van delen van het cholinerge systeem) 2. Onomkeerbare inhibitie inhibitie van de afbraak van Ach → hoge conc. Ach in synaptische spleet → parasympathicomimetische werking Voorbeelden: Zenuwgassen (terroristische aanslagen) en insecticiden (effecten: toegenomen speekselproductie, diarree, bronchoconstrictie met ademhalingsproblemen, daling hartfrequentie en contractiliteit van het hart,...) Disulfiram → alcoholverslaving Meer acetylaldehyde → heel slecht voelen (katergevoel) Dmv Aldehyde dehydrogenase inhiberen 3.2 Allosterische enzymen & voorbeelden geven = belangrijke enzymen voor de regulatie van het metabolisme. Op cruciale plaatsen in het metabolisme: regulatie van een ‘groter geheel’, via eindproduct-inhibitie = feedback-inhibitie = negatieve feedback. 3.2.1 Eigenschappen a) Structuur ‘allos stereos’ = ‘een andere ruimtelijke structuur hebbend’ 1.Twee niet-overlappende receptorplaatsen - Actieve plaats: binding van substraat - Allosterische plaats: binding van allosterische effector (positief of negatief) 2.oligomere proteïnen → groot bv. glycogeen fosforylase 21  b) Kinetica Sigmoïde: sigmoïdaal in plaats van bifasisch verloop bij stijgende [S] - geen Michaëlis-Menten kinetica !!! - een kleine verandering in substraatconcentratie kan de reactiesnelheid snel doen wijzigen 3.2.2 Mechanisme Twee extreme conformatievormen: 1) T of ‘Tense’ vorm: subeenheden zijn zwak bindend 2) R of ‘Relaxed’ vorm: subeenheden zijn sterk bindend Homoallosterie of coöperatieve substraatbinding Vanaf bepaalde conc. substraat → R-vorms w gestimuleerd → sterkere activiteit Heteroallosterie: allosterische activitoren en inhibitoren inhibitor → → T-vorm w gestabiliseerd Activator → R-vorm w gestabiliseerd 3.2.3 Voorbeelden v allosterische enzymen 1. Fosfofructokinase = tertrameer → 4 polypetideketens = Katalysator v 3e reactie vd glycolyse - Binding vr substraat, inhibitor ATP en activator AMP (= weinig ATP) - veel citraat → inhibitie w versterkt 2. Glycogeenfosforylase = dimeer - glucose vrijzetten uit glycogeen (lever en spieren) - fosfaatgroep w gekoppeld tijdens afsplitsing uit glycogeen - id spier: inhibitie dr een hoge ATP conc Activatie dr een hoge AMP conc - id lever: inhibitie dr hoge glucose conc Activatie dr lage glucose conc Beschrijf allosterische enzymen en hun eigenschappen 22 3.3 Covalente modificatie vh enzym 3.3.1 Splitsing/Doorbraak v peptidebindingen - Beperkte en beheerste proteolyse van een inactieve pro-vorm (zymogenen of pro-enzymen) - Omzetting naar actieve vorm dmv knippen v stuk voorbeeld - Door peptidasen (enzymen → hydrolasen) - Spijsverteringsenzymen en bloedstollingsenzymen → chymotripsine 3.3.2 Insertie v kleine moleculen (dikwijls fosfaatgroepen) - Covalente verandering van aminozuurzijketens - Vb: reversiebele fosforylering dr proteïne kinasen & proteïne fosfatasen - Geregeld door chemische stimuli (hormonen, groeifactoren, neurotransmitters) die van belang zijn voor de signaaltransductie - Negatieve ladingen zorgen vr conformatieverandering met mogelijke verandering van actieve plaats, stabiliteit, interacties,... hormonen beïnvloeden kinasen: fosforylering → + fosfaatgroep fosfatasen: defosforylering → - fosfaatgroep voorbeeld: glycogeenfosforylase → mobilistaie v glucose uit glycogeen‼ 2 reguleringen: 1. Hormonale regeling 2. Allosterische regeling → conc. ih bloed Hormonen: Fosforylase a = gefosforyleerd (actief id lever) Fosforylase b = gedefosforyleerd (actief in spier) Welk hormoon zou dit kunnen beïnvloeden? → glucagon 23  3.4 Regulatie op een hoger niveau → vd enzymexpressie Constitutieve enzymen: altijd aanwezig in de cel Induceerbare enzymen: aanwezigheid bepaald door situatie Inductie = verhoogde expressie Repressie = verminderde expressie Voorbeeld: pyruvaatkinase (laatste stap glycolyse) wordt geïnduceerd door veel koolhydraatopname Glucose → glycolyse → 2 pyruvaat + 2ATP + 2 NADH è kennis v enzymen = v klinisch belang Veel ziekten worden veroorzaakt door - een abnormaal hoge of lage werking van bepaalde enzymen - een ophoping of tekort aan metabolieten Geneesmiddelen zijn vaak inhibitoren van enzymen Weefselbeschadiging leidt tot vrijkomen van enzymen in het bloed = belangrijk voor diagnose Meestal 1 vraag over dit hoofdstuk 24 Hoofdstuk 3: vitaminen en co-enzymen 1. Inleiding Co-enzymen = hulp voor enzymen Co-substraat of prosthetische groep Activatie en overdracht van groepen of drager van elektronen Afgeleid van de wateroplosbare vitaminen van de B-groep 2. Niacine – NAD+ en NADP+ Welk co-enzym w er gevormd uit een vitamine en welk type reactie Niacine = vit B3 = nicotinaat = nicotinezuur Biochemisch actieve vorm = nicotinamide -COOH → -NH2 NAD+ = nicotine adenine dinucleotide met positieve lading kennen schetsen Voorkomen niacine Zeer stabiel In ongeraffineerde granen, melk, vlees en lever Gebrek veroorzaakt pellagra “Ziekte van de 4 D’s” In streken waar basisvoeding bestaat uit maïs Zelf aanmaken uit tryptofaan (60 mg Trp » 1 mg nicotinamide) = AZ → komt niet veel voor DUS grote hoeveelheid nodig 25 Functie NAD(P)+ Co-enzym in redoxreacties Co-substraat (niet covalent gebonden aan enzym) Opvangen van 2 e- = oxidatie → NAD+ w gereduceerd Acceptor v een energierijk eletronenpaar Voorbeeldreactie kunnen geven/uitleggen - Oxidatie van malaat tot oxaloacetaat in citroenzuurcyclus: katalyse door malaat dehydrogenase (MDH) - Isocitraat → a-ketoglutaraat (oxidatie + decarboxylatie) - Glyceraldehyde-3-fosfaat → 1,3-bisfosfoglycerinezuur (oxidatie en fosforylatie; in glycolyse) Regeneratie v NAD+ NAD+ (gereduceerd) → NADH + H+(geoxideerd) 1) Aëroob: oxidatieve fosforylatie Bv. in mitochondriën NADH geeft e- af → NAD+ → protonen nr intramembanaire ruimte → stromen terug → synthese ATP è veeeel energie uithalen 2) Anaëroob: melkzuurfermentatie = lactaatferlentatie è geen energie vrij 26 3. Riboflavine – FAD (flavine adenine dinucleotide) Structuur: schetsen Voorkomen riboflavine Wijd verspreid Tekort is zeldzaam, in combinatie met andere vitamine deficiënties → dermatitis (Ontstekingen thv de huid), scheuren in de mondhoeken, glossitis (ontsteking vd tong) Functie FAD Co-enzym in redoxreacties Covalent gebonden aan enzym (prosthetische groep van flavoproteïnen) Opvangen van 2 e- en beide H-atomen Voorbeeldreactie Oxidatie van succinaat → fumaraat door succinaat dehydrogenase; niet VB in citroenzuurcyclus zie formularium → intrepeteren 27 4. Thiamine – TPP (tyamine pyrofosfaat) Thiamine = vit B1 structuur Thiazolring! Voorkomen thiamine In volkorenbrood, granen, vis, vlees en melk Gebrek veroorzaakt beri beri Neurologische problemen Cardiologische problemen Vooral in het Oosten (gepelde rijst!) Avitaminose B1 bij alcoholverslaafden Functie TPP – decarboxylatie van alfa-ketozuren Pyruvaat decarboxylase → -CO2 afsplitsen (1ste stap in de alcoholische fermentatie door gisten) Alcohol aanmaken uit suikers adhv pyruvaat Wat vormt de mens uit pyruvaat? → Acetyl-co-enzyme-A Pyruvaat dehydrogenase complex (oxidatieve decarboxylatie) Glucose → pyruvaat na glycolyse → co-enzyme-A na Oxidatieve decarboxylering Aerobe omstandigheden → (zuurstof en mitochondirën) → -CO2 afsplitsen en pyruvaat binden aan co-enzyme-A 5. Liponzuur / lipoïnezuur Structuur - Covalent gebonden aan lysine zijketen van het enzym = lipoamide - komt voor geoxideeerd (lipoamide) en gereduceerd (dihydro-lipoamide) Voorkomen Groeifactor voor sommige bacteriën Anti-oxidans 28