Hoofdstuk 3 - Macromoleculen PDF

Hoofdstuk 3: Macromoleculen  Hfd 1 Inleiding Hfd 2 Chemie van de cel Hfd 3 Macromoleculen Hfd 5 Bio-energetica Polypeptid Polysacharide DNA R...

Hoofdstuk 3: Macromoleculen  Hfd 1 Inleiding Hfd 2 Chemie van de cel Hfd 3 Macromoleculen Hfd 5 Bio-energetica Polypeptid Polysacharide DNA RNA en Lipiden n Eiwitten Hfd 6 Enzymen Hfd 9 Chemotroof energiemetabolisme: Glycolyse en fermentatie Hfd 10 Chemotroof energiemetabolisme: Aerobe ademhaling 2 Hfd 16/17/18/19/20 Centrale dogma van de moleculaire biologie bordschema  Macromoleculen 3.1 Eiwitten 3.2 Nucleïnezuren 3.3 Polysachariden 3.4 Lipiden  Macromoleculen en hun bouwstenen Table 3-1 4 3.1 Eiwitten Samenstelling van een bacteriële cel 6  Functionele diversiteit 1. Enzymen (bio-katalysatoren) 2. Structuureiwitten (ondersteuning en vorm) 3. Motiliteit (contractie en beweging) 4. Regulerende eiwitten (controle en coördinatie van celfuncties) 5. Transporteiwitten (transport van ionen, bouwstenen, macromoleculen, …) 6. Hormonen (communicatie tussen cellen) 7. Receptoreiwitten (mediëren respons op externe stimuli) 8. Defensie (bescherming tegen ziekte)  Aminozuren: structuur = ‘zijketen’ Figure 3-1 pH = pKa + log [A-] / [HA] +/- 14 +/- 14  Aminozuren: zwitterionen pH = pKa + log [A-] / [HA] Henderson-Hasselbalch pH = pKa + log [A-] / [HA] Carboxylgroep: pKa ≈ 2 7 = 2 + log 100 000/1 Carboxylgroep vrijwel volledig geioniseerd by fysiologische pH pH = pKa +log [B] / [BH+] Aminogroep: pKa ≈ 9 7 = 9 + log 1/100 Aminozuren: zwitterionen pH 7,4 Aminozuren: zwitterionen Carboxyl groepen en amino groepen ondergaan een condensatie reactie, enkel N- terminus en C-terminus zijn hierin niet betrokken! De aard vanpH de 7,4 zijketen (R) bepaalt de specifieke eigenschappen van het aminozuur. Aminozuren: zijketens (R groepen) De aard van de zijketen bepaalt de specifieke eigenschappen van het aminozuur. Figure 3-2 Aminozuren: niet-polair (hydrofoob) propyl (iso)butyl phenyl thio-ether indol Aminozuren: polair, ongeladen (hydrofiel)  Aminozuren: polair, geladen (hydrofiel) butylammonium imidazol guanidine * pH = pKa + log [A-] / [HA] pH = pKa + log [A-] / [HA] 7 = 4 + log 1000/1 7 = 11 + log 1/10 000  Histidine * Histidine komt vaak voor in de actieve site van enzymen. De imidazol groep kan H+ binden of afstaan afhankelijk van de lokale omgeving (effect op pKa). pH = pKa + log [A-] / [HA] 7 = 6 + log 10/1 17  Aminozuren: nomenclatuur Table 3-2 Post-translationele modificaties van aminozuren Covalente modificatie van zijketens (R-groepen) na eiwitsynthese Uitbreiding van de functionaliteit van aminozuren! Voorbeelden: -fosforylatie (Ser, Thr, Tyr): effect op eiwit stabiliteit, lokalisatie, interactiepartners, activiteit (enzymen) … vb. pyruvaat dehydrogenase -acetylatie (Lys): vb. histonen (+ lading verdwijnt, minder interactie met DNA) -hydroxylatie (Pro): vb. collageen (zie scheurbuik)  Polypeptiden: de peptide binding Resonantie van de peptidebinding: 40% dubbele bindingskarakter => peptide binding heeft planaire structuur, geen rotatie rond C-N mogelijk Figure 3-3 ‘Cis’ versus ‘trans’ configuratie van de peptide binding ‘Trans’ configuratie is energetisch gunstiger dan ‘cis’ configuratie omwille van sterische hindering. Uitzondering: X-Pro  Eiwitvouwing: prachtig voorbeeld van ‘self-assembly’ omoleculen nemen spontaan een 3D structuur aan. matie voor 3D-structuur is inherent aanwezig in de polymeren. ende krachten: -Hydrofoob effect -Vorming van zoveel mogelijk niet-covalente interacties o Hydrofobe interacties o H-bruggen o Ionische interacties o Van der Waals interacties Niet-covalente interacties: hydrofobe interacties Neiging van hydrofobe moleculen om interacties met water zo veel mogelijk te vermijden Hydrofobe zijketens vouwing Hydrofob e interactie s Hydrofiele zijketens  Niet-covalente interacties: waterstofbruggen -DONOR: heeft (H-brug) een H atoom (d ) covalent + gebonden aan een meer elektronegatief atoom (d-) (vb. O of N) Voorbeelden: -OH, -NH2, -NH-, … -ACCEPTOR: heeft een elektronegatief atoom (d-) dat het H atoom (d+) aantrekt. Voorbeelden: C=O, SH, =N-, … -Bindingsenergie: 1-5 kcal/mol (vs. 70–100 kcal/mol enkele covalente binding)  Elektronegativiteit Elektronegativiteit geeft aan in welke mate een atoom elektronen in een covalente binding naar zich toetrekt. Periodiek systeem met aanduiding van elektronegativiteit per element  Niet-covalente interacties: ionische interacties -Elektrostatische interacties tussen tegengesteld volledig geladen R groepen  H brug: partieel geladen (d+ en d-) -De binding is sterk afhankelijk van de pH (denaturatie bij hoge of lage pH) -Bindingsenergie: ong. 3 kcal/mol  Niet-covalente interacties: van der Waals interacties -Transiënte elektrostatische interacties tussen niet-polaire zijketens, gevolg van kortstondige asymmetrische elektronenverdelingen. -Enkel van belang op korte afstand (< 0,2 nm); zorgen voor de compactheid van eiwitten. -Bindingsenergie: 0,1-0,2 kcal/mol  Covalente interacties: disulfidebruggen (zwavelbruggen) 2 cysteines cystine + 2 H + + 2 e- -Vorming door oxidatie van 2 cysteine zijketens -Dissociatie door reductive (vb. b-mercaptoethanol) -Intra- of intermoleculair -Stabiliseert structuur maar is geen drijvende kracht.  Polypeptiden: 4 structuurniveaus Figure 3-6 Table 3-3 Polypeptiden: primaire structuur Figure 3-7  Dalton Massa uitgedrukt in Dalton (Da) of kilo-Dalton (kDa) Vb. aminozuren: tussen 75 en 204 Da (afgerond) albumine:  66 kDa 1 Da = 1 amu = 1/12 van de massa van een neutraal atoom 12C De massa van 1 mol van een molecule waarvan één enkel molecule een (relatieve) atoommassa van m Da heeft, is gelijk aan m gram.  Primaire structuur bepaalt Evidentie: conformatie renaturatie experiment van het enzyme ribonuclease (C. Anfinsen, 1950) (natuurlijke conformatie) Figure 2-17  Experiment Anfinsen (1950): renaturatie van ribonuclease Ureum: breken van niet-covalente interacties -mercaptoethanol: reductie van disulfidebruggen  Polypeptiden: 4 structuurniveaus Figure 3-6 Table 3-3  Polypeptiden: secundaire structuur Het ‘hydrofoob effect’ heeft als gevolg dat CO-NH groepen (peptide bindingen) in de ruggengraat van de polypeptideketen in het opgevouwen eiwit niet langer in staat zijn om waterstofbruggen te vormen met water, waardoor deze groepen met elkaar moeten interageren. Dit is de basis van de meest voorkomende structurele motieven in eiwitten: α-helices, β-strengen/platen en β- turns. Polypeptiden: secundaire structuur Er is slechts een beperkte combinatie van draaiingshoeken (F phi, Y psi) mogelijk tussen het Ca atoom en de vlakken van de vorige en volgende peptide binding. Op basis van experimenteel bepaalde hoeken werden minstens 2 soorten repetitieve structuren voorgesteld: a-helix en b-plaat. Ramachandran-diagram Ramachandran diagram: ter illustratie Bij conventie worden Φ en Ψ gedefinieerd als 180° wanneer het polypeptide in zijn volledig uitgerekte conformatie zit en alle peptide groepen in hetzelfde vlak liggen.  Secundaire structuur: -helix 1 1 Gestabiliseerd door H-bruggen 2 1 (steeds intramoleculair) tussen 3 3 2 2 C=O and NH groepen van de 4 ruggengraat (O(i) - N(i+4)). 3 4 5 4 R-groepen zijn naar buiten gericht en 5 5 stabiliseren de helix (sommige aminozuren komen preferentieel in een -helix voor). 3 tot 4 aminozuren per winding Hydrofobe helices (membranen), amfipatische helices, … Figure 3-8a De -helix is een rechtsdraaiende helix Secundaire structuur: -helix  Secundaire structuur: -plaat Gestabiliseerd door H-bruggen (intra- of intermoleculair) tussen C=O en NH groepen van de ruggengraat van ten minste twee b-strengen. Minimale sterische hindering van R-groepen (sommige aminozuren komen preferentieel in b-platen voor) Parallel of anti-parallel Hydrofiel, hydrofoob, amfipatisch Figure 3-8b b-plaat: parallel of antiparallel? C N Antiparallel N C N C Parallel N C Secundaire structuur: -streng en - plaat Secundaire structuur: b-turn (haarspeldbocht) Proline wordt vaak teruggevonden in ‘turns’ en ‘loops’.  Proline en Glycine: buitenbeentjes Proline: o destabiliserende ‘knik’ in een α-helix o bocht indien X-Pro in ‘cis’ conformatie o de N in Pro heeft geen H-atoom om deel te nemen aan stabiliserende waterstofbruggen met andere residu’s. Glycine o heeft GEEN zijketen, kan dus de helix niet stabiliseren. Ter illustratie: aminozuren hebben een verschillende voorkeur voor -helix, -plaat en b- turn Eiwitmotieven: combinaties van secundaire structuurelementen Figure 3-9  Polypeptiden: 4 structuurniveaus Figure 3-6 Table 3-3  Polypeptiden: tertiaire structuur Tertiaire structuur -heeft niet te maken met waterstofbruggen tussen CO-NH groepen (peptide bindingen) in de ruggengraat van de polypeptideketen. -heeft wel te maken met niet-covalente interacties tussen de R groepen van de verschillende aminozuren, ongeacht wat hun plaats is in de primaire structuur. -is niet repetitief noch voorspelbaar. -kan gestabiliseerd worden door disulfidebruggen.  Primaire structuur bepaalt Evidentie: conformatie renaturatie experiment van het enzyme ribonuclease (C. Anfinsen, 1950) (natuurlijke conformatie) Figure 2-17  Experiment Anfinsen (1950): renaturatie van ribonuclease Ureum: breken van niet-covalente interacties -mercaptoethanol: reductie van disulfidebruggen  Experiment Anfinsen (1950): renaturatie van ribonuclease m: breken van niet-covalente interacties rcaptoethanol: reductie van disulfidebruggen eum + b-mercaptoethanol => denaturatie rwijderen van ureum + b-mercaptoethanol enaturatie van natieve conformatie ootstellen aan de lucht => stabilisatie van gerenatureerde structuur rwijderen van b-mercaptoethanol (ureum nog aanwezig) en ootstellen aan de lucht erkeerde disulfidebruggen, niet-natieve conformatie  Experiment Anfinsen (1950): renaturatie van ribonuclease m: breken van niet-covalente interacties rcaptoethanol: reductie van disulfidebruggen eum + b-mercaptoethanol => denaturatie rwijderen van ureum + b-mercaptoethanol Conclusie: enaturatie van natieve conformatie Disulfidebruggen stabiliseren tertiaire ootstellen aan de lucht => stabilisatie van gerenatureerde structuur structuur maar zijn geen drijvende kracht! rwijderen van b-mercaptoethanol (ureum nog aanwezig) en ootstellen aan de lucht erkeerde disulfidebruggen, niet-natieve conformatie  Tertiaire structuur: Fibreuze (fibrillaire) eiwitten nmerken: cundaire structuur over het algemeen belangrijker dan tertiaire struc aak uitgerekte filament structuur 1) Fibroïne – in zijde (de stof)Figure 3-10 – anti-parallele b-platen – vooral glycine, alanine, serine (kleine aminozuren) – niet uitrekbaar, wel kreukbaar Tertiaire structuur: Fibreuze (fibrillaire) eiwitten 2) a-Keratine – in haar, wol, huid, nagels, …. – amfipatische a-helix (2), coiled coil (2), protofilament (8), intermediair filament (bundel), haar – Uitrekbaar (disulfidebruggen verhinderen breuk) – Disulfidebruggen (aantal bepaalt de hardheid) Figure 3-11  Tertiaire structuur: Fibreuze (fibrillaire) eiwitten 3) Collageen -onoplosbare extracellulaire vezels => stevigheid van huid, beenderen, pezen, kraakbeen, tanden. -3 linksdraaiende helices rond elkaar gewikkeld ter vorming van een rechtsdraaiende helix -aminozuursequentie: tripeptide-eenheid, Gly-X-Y (bevat veel glycine, proline en hydroxyproline) -glycine is het enige aminozuur dat past in het centrum van de superhelix (glycine komt voor op iedere 3e plaats in iedere collageen  Tertiaire structuur: Fibreuze (fibrillaire) eiwitten 3) Collageen (vervolg) -scheurbuik: vitC tekort => geen vorming van hydroxyproline -osteogenesis imperfecta: andere AZ in plaats van glycine => broosheid van beenderen  Tertiaire structuur: Globulaire eiwitten Meestal mengsel van -helices, -strengen, haarspeldbochten en niet-benoemde secundaire structuurelementen: vb. ribonuclease Draadmodel Lintmodel Figure 3-12  Tertiaire structuur: Globulaire eiwitten Figure 3-13 Vb. GFP: b-barrel: 11 β-strands die een plaat vormen in de vorm van een ‘vat’, met een a-helix covalent gebonden aan het chromofoor.  Tertiaire structuur: Globulaire eiwitten Modulaire structuur: Een domein vouwt onafhankelijk van de rest van het polypeptide Domeinen vormen functionele delen van een eiwit Figure 3-14  Polypeptiden: 4 structuurniveaus Figure 3-6 Table 3-3  Polypeptiden: quaternaire structuur Enkel voor eiwitten met meerdere subeenheden! Figure 3-4  Covalente interacties: disulfidebruggen (zwavelbruggen) 2 cysteïnes cystine + 2 H + + 2 e- -Vorming door oxidatie van 2 cysteïne zijketens -Dissociatie door reductie (vb. b-mercaptoethanol) -Intra- of intermoleculair -Stabiliseren quaternaire structuur maar zijn geen drijvende kracht.  Eiwitten: hogere structuurniveaus Multi-eiwit complexen (moleculaire machines) Voorbeelden: pyruvaat dehydrogenase complex, a-ketoglutaraat dehydrogenase complex, respirasoom, replisoom, spliceosoom, ribosoom … Human Connections: Puntmutatie (Glu6Val) in hemoglobine b- subeenheid=> fibreuze aggregaten=> sikkelcelanemie 65 Human Connections: Puntmutatie (Glu6Val) in hemoglobine b- subeenheid=> fibreuze aggregaten=> sikkelcelanemie Sikkelcel rode bloedcellen komen vast te zitten in de haarvaten=> schade aan organen door verminderde bloedcirculatie (ook pijnen) Sikkelcel rode bloedcellen zijn fragieler, hemolyseren, kortere levensduur => minder hemoglobine => anemie 66 Human Connections: Problemen met eiwitvouwing=> aggregatie=>Alzheimer’s Figure 3A-1 Figure 3A-2 - Fibrillen van Amyloid-b (Ab) peptide, dat ontstaat na klieving van amyloid precursor protein (APP) => onoplosbare extracellulaire ‘amyloid plaques’ nabij synapsen - Polymeer van hypergefosforyleerd Tau (= stabilisator van microtubuli) => neurofibrillaire ‘tangles’ in het cytoplasma van neuronen.  Key technique: X-Stralen Kristallografie zoutoplossing ‘Hanging-drop’ methode voor eiwitkristallisatie diffractiepatr elektronendicht oon heid Figure 3B-2 Ordening in Figure 3B-3 eiwitkristal 3.2 Nucleïnezuren Figure 1-8  Hfd 1 Inleiding Hfd 2 Chemie van de cel Hfd 3 Macromoleculen Hfd 5 Bio-energetica Polypeptid Polysacharide DNA RNA en Lipiden n Eiwitten Hfd 6 Enzymen Hfd 9 Chemotroof energiemetabolisme: Glycolyse en fermentatie Hfd 10 Chemotroof energiemetabolisme: Aerobe ademhaling 70 Hfd 16/17/18/19/20 Centrale dogma van de moleculaire biologie bordschema Samenstelling van een bacteriële cel 71 Nucleïnezuren: opbouw uit nucleotiden Figure 3-15 72 Nucleïnezuren: nomenclatuur Table 3-4 74 g b a Figure 3-16 75 DNA en RNA: opbouw uit nucleotiden Figure 3-17 76  DNA is dubbelstrengig Figure 3-18 77  DNA is dubbelstrengig De vorming van dubbelstrengig DNA gebeurt spont ook in een proefbuis. Drijvende krachten: -Hydrofoob effect -Vorming van zoveel mogelijk niet-covalente interacties o H-bruggen (tussen purine en pyrimidine bas o Van der Waals interacties Figure 3-19 78 DNA is dubbelstrengig 79 X-stralen diffractiepatro on DNA (Rosalind Franklin, 1953) 80  DNA: major en minor groove eng met 3’ uiteinde bovenaan de figuur van deoxyribose naar beneden gericht) chter streng in slide 55) Streng met 5’ uiteinde bovenaan de figuu (O van deoxyribose naar boven gericht) (linker streng in slide 55) Als je de minor groove volgt langsheen de hel blijft dat minor groove. DNA: major en minor groove 82 3.3 Polysachariden 83  Hfd 1 Inleiding Hfd 2 Chemie van de cel Hfd 3 Macromoleculen Hfd 5 Bio-energetica Polypeptid Polysacharide DNA RNA en Lipiden n Eiwitten Hfd 6 Enzymen Hfd 9 Chemotroof energiemetabolisme: Glycolyse en fermentatie Hfd 10 Chemotroof energiemetabolisme: Aerobe ademhaling 84 Hfd 16/17/18/19/20 Centrale dogma van de moleculaire biologie bordschema Samenstelling van een bacteriële cel 85  Polysachariden Polymeren van monosachariden (suikers): energiereserve (vb. glycogeen, zetmeel), structuurfunctie (vb. cellulose), oligosachariden vastgehecht aan eiwitten voor celherkenning. Monosachariden: aldehyde (aldose) of keton (ketose) met 2 of meer hydroxylgroepen (CnH2nOn) Triosen, tetrosen, pentosen, hexosen, heptosen Figure 3-20 Aldotriose Ketotriose 86  D-Glucose (aldohexose) 4 asymmetrische C- atomen 24 stereo-isomeren (16) D-glucose is meest stabiel Pyranose vorm stabieler dan de lineaire vorm Figure 3-21 87  a-D-Glucose Figure 3-21 Figure 3-22 88 Disachariden: glycoside binding 1 1 1 Maltose: glucose + glucose 1 1 Lactose: glucose + galactose Sucrose: glucose + fructose 1 2 Figure 3-23 89  Polysachariden: glycogeen en zetmeel Glycogeen: vertakking om de 8-10 glucose monomeren (groter oppervlak voor snelle afbraak door enzymen) Amylopectine: vertakking om de 12-25 glucose monom Figure 3-24 90  Polysachariden: cellulose Zoogdieren bezitten geen enzyme om b(1- >4) bindingen te hydrolyseren. Cellulose vezels zijn belangrijk voor de transit doorheen de darm. Figure 3-25 91  Andere structurele polysachariden Lysozyme (in tranen, speeksel, …) doodt bacteriën door hydrolyse van de β(1→4)-binding tussen GlcNAc en MurNAc in hun celwand. Komt voor in celwanden van fungi, exoske van insecten, spinnen, weekdieren, schaaldieren, … Figure 3-26 92 Verschil in stereochemie ligt aan de basis van verschillende eigenschappen en biologische functie. Glycogeen en zetmeel: a(1->4) binding: holle, losse helices, zijketens => energie opslag Cellulose: b(1->4) binding: strakke, lineaire structuur, geen zijketens, vezels met grote tre => structurele functie 3.4 Lipiden 94  Hfd 1 Inleiding Hfd 2 Chemie van de cel Hfd 3 Macromoleculen Hfd 5 Bio-energetica Polypeptid Polysacharide DNA RNA en Lipiden n Eiwitten Hfd 6 Enzymen Hfd 9 Chemotroof energiemetabolisme: Glycolyse en fermentatie Hfd 10 Chemotroof energiemetabolisme: Aerobe ademhaling 95 Hfd 16/17/18/19/20 Centrale dogma van de moleculaire biologie bordschema Samenstelling van een bacteriële cel 96  Lipiden Per definitie: onoplosbaar in water Hydrofoob of amfipatisch Rol ? bron van energie geconcentreerde opslag van energie signaaloverdracht component van biologische membranen 97  Lipiden 6 klassen: – Vetzuren – Tri(acyl)glyceriden – Fosfolipiden – Glycolipiden – Steroïden – Terpenen 98  Vetzuren Amfipatisch, variabele lengte (12-20 C, meestal even aantal), verzadigd of onverzadigd Figure 3-27a Figure 3-28 99  Vetzuren Amfipatisch, variabele lengte (12-20 C, meestal even aantal), verzadigd of onverzadigd Table 3-5 100  Vetzuren Amfipatisch, variabele lengte (12-20 C, meestal even aantal), verzadigd of onverzadigd Figure 3-27a In de natuur meestal cis! Figure 3-28 16:0 18:1 (mono-onverzadigd) 101  Vetzuren Eigenschappen zijn afhankelijk van ketenlengte en (on)verzadiging korte keten: lager smeltpunt onverzadigd: lager smeltpunt Figure 3-27a Þ Effect op vloeibaarheid van etten die vetzuren bevatten! In de natuur meestal cis! Figure 3-28 16:0 18:1 102  Tri(acyl)glyceriden (TAG) Vetzuren worden opgeslagen als tri(acyl)glyceriden. 1 g vet levert ongeveer 2 x meer energie op dan 1 g koolhydraten. Vetzuren zijn veel sterker gereduceerd dan koolhydraten. Vetten zijn niet gehydrateerd (ratio 6x). Vetten versus oliën (dierlijk versus plantaardig) Figure 3-27b 103  (Partiële) hydrogenatie van poly- onverzadigde vetzuren Omzetting tot verzadigde of mono-onverzadigde vetten Ongewenste isomerisatie van cis dubbele bindingen Ongewenste productie van trans onverzadigde vetzuren => ‘trans vetten’ Trans vetten gedragen zich meer als verzadigde vetten (meer ‘lineaire’ packing van alifatische ketens) Gezondheidsrisico’s … https://en.wikipedia.org/wiki/Fat_hydrogenation  Fosfolipiden: fosfoglyceriden Membraanlipiden Amfipatisch Bestaat uit 4 componenten: -glycerol -vetzuren (twee) -fosfaat -alcohol veresterd met fosfaat Figure 3-29 105  Fosfolipiden: sfingolipiden Membraanlipiden, vooral in cellen van centraal zenuwstelsel Amfipatisch Bestaat uit 4 componenten: sfingosine (amine-alcohol met alifatische keten), vetzuur, fosfaat, alcohol veresterd met fosfaat Indien R-P = OH => ceramide Figure 3-27c 106  Glyco(sfingo)lipiden Membraanlipiden Amfipatisch Bestaat uit 3 componenten: glycerol (sfingosine), vetzuur, R-groep bestaande uit 1- 6 monosachariden of glycerol Figure 3-27d 107  Steroïden Membraanlipiden Amfipatisch Figure 3-27e 108  Steroïden: hormonen Figure 3-30 109  Terpenen Terpenen of isoprenoïden worden gevormd uitgaande van isopreen (C5 molecule) Vb. vitamine A, dolicholen (activering suikers), co- enzyme Q (elektronen carrier), … Figure 3-27f 110