Syllabus Chemie & Inleiding tot de Biochemie Bachelor 1 PDF

CHEMIE & INLEIDING TOT DE BIOCHEMISCHE PROCESSEN PARTIM 2 Prof. Marleen Van Troys Versie academiejaar 2024-2025: Bachelor 1 Revalidatiewetenschappen en Kinesitherapie Oorspronkelijk aangepast door M. Van Troys vanuit de 2018 versie van Dr. B. Vanloo Kennis van biomoleculen Dit partim levert jullie antwoorden op vragen als: Wat is de structuur van de moleculen die instaan voor onze suikerreserve? Welke vorm heeft een functioneel eiwit? Hoe kunnen deze eiwitten samenwerken in onze cellen? Hoe kunnen ze de levensnoodzakelijke processen in ons lichaam voldoende snel en specifiek laten doorgaan en dus als katalysator optreden? Hoe helpen eiwitten om de levensnoodzakelijke molecule zuurstof die aanwezig is in de lucht die we inademen, maximaal te gebruiken? Is er een plan B bij zuurstoftekort, bijv. in onze spieren? Zijn vetmoleculen enkel aanwezig in vetcellen of hebben ze een bredere rol in ons lichaam? Dit zijn vragen waarmee jullie lichaamsfuncties beter leren kennen, maar we beantwoorden ze hier op een bijzondere manier. We vertrekken namelijk van de chemische opbouw en de functionele 3D-structuur van de biomoleculen. Biomoleculen zoals suikers, vetten, eiwitten zijn de moleculaire hoofdspelers die aan de basis liggen van alle leven. De structurele kennis die dit partim jullie oplevert, is complementair met de inzichten die jullie bijv. in celbiologie leerden kennen én vormt een belangrijke basis voor tal van andere vakken in jullie opleiding. In dit onderdeel zal jullie duidelijk worden dat de processen die doorgaan in menselijk weefsel en cellen in basis steunen op chemische basisprincipes en op moleculaire herkenning. Het partim vormt bijgevolg bijvoorbeeld een geschikte ‘kennisbrug’ tussen chemie en ondermeer het vak Biochemie waarin jullie de metabole processen in detail leren kennen. Op tal van plaatsen wordt hiernaar verwezen via: Biochemie/metabolisme. Op langere termijn ondersteunt een grondige kennis van de moleculaire hoofdspelers jullie inzichten in de problemen en behandeling van toekomstige patiënten in een fysiotherapeutische praktijk of van atleten die je als toekomstige kinesist zal helpen tot het verbeteren van zijn/haar prestaties. Als ‘teasers’ vind je hieronder een beknopte beschrijving van (i) een ziekte vanuit het oogpunt van de biomolecule en (ii) een vrij directe toepassing van biomoleculen na inspanning. Case study 1 : ‘Cystic fibrosis’ en de behandeling van deze ziekte Cystic fibrosis (CF, mucoviscidose of taaislijmziekte) is een genetische ziekte die jonge mensen treft. Om hun klachten in te perken, is een dagelijkse, intensieve fysiotherapie-behandeling nodig. Wat is de moleculaire oorzaak van deze ziekte? Wijzigingen (mutaties) in het genetisch materiaal zorgen voor een wijziging in één biomolecule (blauw in figuur, bron figuur: doi: https://doi.org/10.1038/d41586-020-02114-w). Deze biomolecule bevindt zich normaal aan het oppervlak van cellen in bijv. de longen (zie figuur: wat roze is het binnenmilieu van de cel en de celbegrenzing). Deze biomolecule speelt een directe rol in het transport van chloride-ionen (groengekleurd in figuur) in en uit cellen en als gevolg daarvan een indirecte rol in het transport van watermoleculen in en uit cellen. Wanneer dit transport niet voldoende of helemaal niet kan doorgaan, ontstaan buiten de cel ‘taaie’ slijmen (wit in figuur rechts). De defecte biomolecule is een eiwit bestaande uit ongeveer 1500 bouwstenen. Indien één bouwsteen in dit eiwit afwezig of gewijzigd is, is dit eiwit niet functioneel (zie figuur rechts, geen transport van chloride- ionen) of komt het eiwit helemaal niet op de normale plaats aan het oppervlak van o.a. de longcellen terecht. (Dechecchi en coauteurs Molecular basis of cystic fibrosis: from bench to bedside. Ann Transl Med. 2018 6(17):334. doi: 10.21037/atm.2018.06.48) De gevolgen voor patiënten zijn groot: bekijk dit in: https://www.youtube.com/watch?v=6IbP1ASGv9w (mucus = slijm). De verhoogde slijmopbouw in ondermeer de longen vormt een constant gevaar voor infectie en zorgt ervoor dat deze jonge patiënten bijna dagelijks hulp van een kinesitherapeut nodig hebben: zie https://ww.muco.be/nl/wat-is-muco/behandeling/kinesitherapie. Cystic fibrosis wordt door de kinesist behandelt via respiratoire revalidatie (om slijmen naar buiten te brengen). Recent werd ook moleculaire therapie ontwikkeld (bijv het medicijn trikafta, https://www.trikafta.com/sites/default/files/patient-brochure_0.pdf): de moleculen in deze medicijnen binden op het defecte eiwit en kunnen de functie ervan deels herstellen. Deze medicijnen konden worden ontwikkeld op basis van een grondig inzicht in de structuur en functie van de betrokken biomolecule!. Case study 2 Biomoleculen in een fles: BCAA’s of branched chain amino acids. Recuperatiedranken na inspanning zijn vandaag meer en meer ingeburgerd bij recreatief en competitief sporten. In hoofdstuk 2 leren jullie de structuur van de 20 aminozuren kennen als bouwstenen van eiwitten. Negen van deze bouwstenen kunnen we zelf niet maken en dienen we dus via de voeding op te nemen. Drie hiervan worden samen de BCAA’s genoemd. Inname van BCAA als voedingssupplement wordt toegepast met als doel de heropbouw van spiereiwit te versnellen na inspanning. Of, hoe en wanneer deze voedingsupplementen het meest nuttig kunnen zijn bij sporten is nog steeds onderwerp van discussie en wetenschappelijk onderzoek, zie recente systematische review: Martinho, D. V., Nobari, H., Faria, A., Field, A., Duarte, D., & Sarmento, H. (2022). Oral Branched- Chain Amino Acids Supplementation in Athletes: A Systematic Review. Nutrients, 14(19), 4002. https://doi.org/10.3390/nu14194002 Bronnen gebruikt voor deze syllabuseditie (exclusief internetsites of aparte vermeldingen) Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al., Molecular Biology of the Cell, 5 th edition Garland Science, New York, 2008; 6th edition 2014 Ampe, C., Devreese, B., Algemene Biochemie: Functionele bouwstenen van het leven, 1ste editie Acco, Leuven, 2020 Van Troys Marleen Chemie en Inleiding tot de Biochemie, versie 2021 (voor Ba1 Logopedie/Audiologie UGent) Vanloo Berlinda, Algemene Biochemie syllabus versie 2008 Berg, J.M., L. Stryer, J.L. Tymoczko, and G.J. Gatto. Biochemistry. Macmillan Learning, 2015. Nelson, D.L., Cox, M.M. & Lehninger, A.L., 2021. Lehninger principles of biochemistry, New York: WH Freeman. Inleiding I.1 Biomoleculen zijn organische (macro)moleculen In biochemie bestudeert men de ‘moleculen van het leven’ of biomoleculen. Dit omvat een heel gevarieerd gamma: van kleine moleculen zoals eenvoudige suikers (bijv. glucose), vitaminen, hormonen (bijv. testosteron) tot heel omvangrijke moleculen (macromoleculen) zoals eiwitten en nucleïnezuren. Biomoleculen zijn verwant met de moleculen die in de organische chemie worden bestudeerd en bevatten als hoofdelementen koolstof en waterstof (C en H) maar ook vaak zuurstof, stikstof, zwavel en fosfor (O,N,S en P). De chemische structuur van biomoleculen wordt voorgesteld met de vereenvoudigde skeletvoorstellingen. Dit is in figuur I.1 voorgesteld voor de suikermolecule glucose en voor een vetzuur (bouwsteen van vetten of lipiden). Figuur I.1 Structuur van glucose (brutoformule C6H12O6) (boven) en het vetzuur palmitinezuur (C10H32O2) (midden). In de vereenvoudigde skeletvoorstelling zijn de C-atomen en H- atomen niet expliciet getoond. De structuur van glucose en van palmitinezuur vormen voorbeeldstructuren voor de basisopbouw van biomoleculen: ze bevatten een koolstofskelet (een ring van van voornamelijk C- atomen in glucose en een lineaire koolstofketen van 16 C-atomen in palmitinezuur) en groepen die naast C ook andere atomen bevatten (hier O- atomen) en die we verder met de term functionele groepen gaan benoemen. (onderaan) Voorstelling van de structuur van een aminozuur waarbij de 3D-vorm en de relatieve oriëntatie van de groepen op het centrale C- atoom worden benadrukt (zie ook organische chemie). De functie van biomoleculen hangt ook samen met hun driedimensionale vorm. Om deze voor te stellen gebruikt men ondermeer een voorstelling zoals getoond in Figuur I.1 onderaan (zie ook 3D structuur van glucose, ruimtevullende voorstelling in diareeks). Om de werking van de biomoleculen te begrijpen, verdiepen we ons dus niet enkel in hun chemische opbouw maar ook in hun driedimensionale architectuur (vorm) en in de manier waarop ze met elkaar of met andere moleculen grotere eenheden vormen (complexen, supramoleculaire structuren) om een bepaalde functie uit te oefenen. Als we inzoomen op de interacties tussen biomoleculen, dan is het duidelijk dat dit interacties van chemische aard zijn: soms covalente chemische bindingen (voornamelijk in de opbouw van de macromoleculen, zie lager I.2 en I.4) maar heel vaak ook niet-covalente interacties of zwakke krachten tussen de chemische groepen die ze op hun oppervlak dragen (zie lager I.4). 1 I.2 Overzicht van de biomoleculen. De vier hoofdtypes van biomoleculen zijn de eiwitten, de nucleïnezuren, de polysachariden (of complexe suikers) en de vetten (of lipiden). De eerste drie types zijn biopolymeren. Deze macromoleculen zijn opgebouwd door het covalent op elkaar binden van stabiele eenheden of monomeren. Homobiopolymeren bestaan uit slechts één type monomeer. Eiwitten en nucleïnezuren (DNA, RNA) zijn echter steeds heterobiopolymeren: ze zijn opgebouwd uit verschillende monomere bouwstenen. Het schema toont een overzicht van de bouwstenen van de drie types polymere biomoleculen. Monosachariden zijn de moleculen die we kennen als eenvoudige suikers (glucose, fructose,...) (figuur I.1). Ze komen als kleine moleculen voor maar ook als bouwsteen van grotere moleculen. Lactose of sucrose (respectievelijk de suiker in melk en in ‘sukerklontjes’) bestaan uit 2 monosachariden covalent op elkaar gekoppeld. In de macromoleculaire polysachariden zijn honderden tot duizenden suikermoleculen covalent op elkaar gekoppeld. Deze suikerpolymeren bevinden zich in onze voeding bijv. in zetmeel maar vormen ook onze eigen energiereserve (figuur I.2). De structuur van suikers komt aan bod in hoofdstuk 1. De processen om uit suiker energie te halen (glycolyse, glycogenolyse) en deze nodig om deze suikerreserves op te bouwen (glycogenese) leren jullie later kennen in Biochemie/metabolisme. Eiwitten of proteïnen bestaan uit aminozuren. Deze bouwstenen zijn covalent op elkaar gekoppeld zijn tot een lange keten. De structuur van de 20 mogelijke aminozuurbouwstenen en hoe ze covalent op elkaar gebonden zijn in een eiwit, komt aan bod in hoofdstuk 2. De 3D-architectuur van eiwitten (essentieel voor hun functie) wordt besproken in hoofdstuk 3. In figuur I.2 is voor het eiwit myoglobine de aminozuurketen bestaande uit meer dan 150 aminozuren vereenvoudigd als een lint voorgesteld. Myoglobine is een essentieel eiwit voor de werking van bijv. de hartspier en was het eerste eiwit waarvoor de ‘opvouwing’ van de keten werd opgehelderd (zie https://pdb101.rcsb.org/motm/1). Eiwitten gaan in ons lichaam continue specifieke partner-interacties aan met elkaar en binden ook kleinere moleculen. Myoglobine bindt bijv. een zuurstofgasmolecule en we bestuderen eiwit-eiwitinteracties en eiwitligandinteracties in detail in hoofdstuk 4. We bestuderen ook enzymen, een speciale groep van eiwitten die als kleine nanomachines op heel efficiënte wijze chemische reacties bijv. tussen bepaalde biomoleculen regelen (hoofdstuk 5). Het derde type biopolymeer zijn de nucleïnezuren (DNA/RNA). De chemische opbouw van dit biopolymeer komt niet in detail aan bod in dit onderdeel maar we leren wel de structuur van één bouwsteen kennen. Figuur I.2 toont de molecule ATP of adenosinetrifosfaat. Naast bouwsteen in ons erfelijk materiaal, is ATP ook een molecule van groot belang als energiedrager in alle cellen van ons lichaam: dit laatste aspect wordt besproken in hoofdstuk 7. 2 Figuur I.2: Linksboven: Glycogeen als voorbeeld van een polysacharide. Dit is het polysacharide waarmee de reserve aan glucose (dus energie) wordt gestockeerd in zoogdieren/mens o.a. in de lever- en spiercellen. Rechts: Voorstelling van het eiwit myoglobine opgebouwd uit een polymeervan covalent op elkaar gebonden aminozuren (voorgesteld door de blauwe lintstructuur). De basisstructuur van één aminozuur is getoond onder de structuur van myoglobine. Linksonder: De structuur van de energiedrager ATP met aanduiding van de hoogenergetische binding. Lipiden of vetten, het vierde hoofdtype biomolecule, zijn een gamma van kleinere moleculen. Ze zijn essentieel als energiebron en vormen vnl. via zwakke (niet-covalente) krachten (zie lager) heel belangrijke complexe structuren vormen zoals celmembranen. De structuur van vetmoleculen komt aan bod in hoofdstuk 6. Hoe vetten uit onze voeding ‘verteerd’ worden en hoe we onze eigen vetreserve opbouwen leren jullie later in Biochemie/metabolisme. I.3 Functionele groepen en hun eigenschappen: een overzicht. Biomoleculen bestaan uit een koolstofskelet met daarop functionele groepen (zie voorbeelden in Figuur I.1).  Het koolstofskelet wordt in een molecule vaak voorsteld met ‘R’. Het koolstofskelet kan verschillende vormen aannemen. Het kan een lineaire (onvertakte) keten zijn van op elkaar gebonden koolstofatomen. Deze keten worden alkylgroep genoemd. Afhankelijk van de lengte krijgt de alkylgroep dan de benaming methyl-, ethyl, propylgroep enz (zie tabel, zie ook chemie). De R-groep kan ook bestaan uit een hoofdketen en een zijketen (dus uit een vertakte koolstofketen) of kan uit één of meerdere koolstofringen bevatten. Het koolstofskelet is het apolaire (hydrofobe, watervrezende) deel van een biomolecule 3 Net als de zuivere koolwaterstoffen kunnen beschouwd worden als apolair, geldt hetzelfde voor het koolstofskelet in een biomolecule. De oorzaak hiervan ligt in de weinig polaire of apolaire covalente bindingen (C-C en C-H) die door bijv. de tetraëder omringing rond sp3 koolstofatomen (zie VSEPR in chemie, vergelijk met bijv. methaan CH3) niet tot een netto-dipoolmoment> 0 leiden.  Functionele groepen bestaan uit groepen van atomen (S,O,P,N en ook C) die samen covalent op het koolstofskelet gebonden zijn (bijv. –OH, -SH, COOH). Door het sterk elektronegatief karakter van atomen zoals O, N (in vergelijking met C, P en S) zijn covalente bindingen (zoals C-O, C-N en O-P) in de functionele groepen gepolariseerd. Hierdoor zijn de functionele groepen polair. Hun aanwezigheid voorziet de biomolecule van polaire eigenschappen. Polair of deels polair karakter (hydrofiel, ‘water-loving’) is een belangrijke eigenschap voor biomoleculen wanneer ze aanwezig zijn in bijv. de bloedbaan, het celmilieu... die allen waterige (dus polaire) oplossingen zijn. Men vindt polaire functionele groepen op alle biomoleculen: op suikermoleculen, op eiwitmoleculen, in hormonen,... In Tabel I.1 zijn de functionele groepen die voorkomen in biomoleculen opgelijst. Het is belangrijk deze groepen bij start van een cursus Biochemie te kennen (herkennen), te kunnen benoemen en hun eigenschappen en onderlinge relaties te begrijpen (zie kader). Te kennen (check ook diareeks en extra files op ufora): -Naam en structuur van de functionele groepen. -Polair vs apolair karakter van de functionele groepen met polair synoniem voor hydrofiel of waterminnend en apolair een andere term voor hydrofoob of watervrezend. In een polaire functionele groep bestaat een asymmetrische ladingsverdeling (aangeduid met + en -) op basis van verschillen in elektronegativiteit van de atomen in de groep. - Het zwak zuur of basisch karakter van de functionele groepen waardoor ze afhankelijk van de pKa van de zure functie in de functionele groep en de pH waarbij ze zich bevinden negatief, niet- geladen of positief geladen kunnen zijn (zie tabel en ook later). - De mate waarin functionele groepen met andere functionele groepen zwakke krachten kunnen aangaan (bijv. de mogelijkheid tot H-brugvorming, zoutbrugvorming): zie ook lager en in hoofdstuk 2. Tal van functionele groepen voldoen bijv. aan de voorwaarden om H-bruggen te vormen met watermoleculen of andere biomoleculen. 4 Tabel I.1 Functionele Structuur Eigenschappen groepen* (R, R’=alkyl)** Geen (enkel koolstofketen) R-CH3 Hydrofoob apolair Hydroxylgroep (ook R-O-H Polair alcoholfunctie hydrofiel Thiolgroep R-SH Polair hydrofiel Amine (amino)groep R-NH2, R-NH-R’ of Polair, hydrofiel (vergelijk met ammoniak NH3) R3N Base, neemt H+ op en vormt hierdoor een kation bijv. R-NH3+, R2NH2+ of R3NH+ Aldehyde (eindstandige R-CHO Polair, hydrofiel carbonylfunctie O C R H Ketongroep (carbonylgroep) R-CO-R’ Polair, hydrofiel O C R R' Carboxylgroep (carbonzure R-CO-OH Polair, hydrofiel functie) O Zuur, zal H+ afstaan en wordt Vergelijlk met azijnzuur - C carboxylaatanion RCOO R OH (negatieve lading) Ester (alkylalkanoaat) R-(CO)-OR’ Polair, hydrofiel O C R OR' Amidegroep R-CO-NH2 of R-CO-NHR Polair, hydrofiel O C R NH2 Ether R-O-R’ Eerder zwak polair Thioëther R-S-R’ (Zwak polair , eerder apolair) Fosfaatgroep Polair hydrofiel Vergelijk met fosforzuur Zuur, kan 2x een waterstofkation afstaan (2 negatieve ladingen) *Vrije elektronenparen op O,N en S zijn in de tabel niet getoond; voor O en N zijn deze belangrijk bij bijv. H-brugvorming ( zie lager) bijv.vrije elektronenparen op O in de carboxylfunctie ** Ken het onderscheid tussen: alkylgroep –R), acylgroep (R-CO-) en acetylgroep (CH3-CO-) 5 Verdere opmerkingen bij functionele groepen  Ken het verschil tussen de keton- of aldehydefunctie (deze bevatten beide de carbonylgroep); Ken het verschil tussen deze carbonylfunctie en de carboxylfunctie R-(CO)-OH. De carboxylfunctie heeft zwak zure eigenschappen, de corresponderende base is het negatief geladen carboxylaat-anion (vergelijk met waterstofacetaat (ethaanzuur, azijnzuur) en het acetaat-anion).  Ken het verschil tussen de aminefunctie -NH2 en de amidefunctie –(CO)-NH2. De amine-functie is een zwak basische functie en de zure vorm is het positief geladen –NH3+. In tegenstelling tot de aminefunctie is de amide-functie geen base (neemt dus geen waterstofkation op, zal dus nooit een lading dragen). De amine als amide functie zijn wel beide polair.  Ken de mogelijke chemische reactiviteit tussen functionele groepen: o bijv. een ester vormt zich bij de reactie tussen een carboxyl-functie en een hydroxylfunctie: R-(CO)-OH + R’-OH  R-(CO)-OR’ + H2O o bijv. een amide vormt zich bij de chemische reactie tussen een aminefunctie en een geactiveerde carboxylfunctie. o Zowel een ester- als een amide-binding kunnen door reactie met water hydrolyseren. Bijv ester R-(CO)-OR’ + H2O  R-(CO)-OH + R’-OH I.4 Belang van niet-covalente aantrekkingskrachten (zwakke krachten) en functionele groepen in de structuur, stabiliteit en functie van biomoleculen. (Deze paragraaf werd opgesteld vertrekkend vanuit ‘Biochemistry Concepts and Connections’, p 52 - ISBN 10: 1-292-11200-X) 1. Rol van zwakke krachten in de stabiliteit van biomolecule Voor de basisopbouw van de polymere ketens van de macromoleculaire biopolymeren zijn covalente bindingen tussen de monomere eenheden essentieel. De stabiele structuur en bijgevolg de functie van de biopolymeren steunt echter ook in sterke mate op niet-covalente zwakke elektrostatische aantrekkingskrachten tussen delen van deze grote moleculen. Functioneel DNA komt bijv. voor als welgekende dubbelhelix waarin de twee lange polymere ketens via heel specifieke H-brugvorming samen blijven. Analoog, het eiwit myoglobine (Figuur I.2) kan enkel zijn functie uitoefenen als de keten op de getoonde complexe wijze is opgevouwen. Het eiwit blijft in deze vorm niet door covalente bindingen maar door heel specifieke zwakke elektrostatische aantrekkingen tussen verschillende delen van de polymere eiwitketen (zie ook hoofdstuk 3). 2. Rol van zwakke krachten in communicatie tussen biomoleculen Biomoleculen gebruiken zwakke krachten ook volop in hun communicatie met andere biomoleculen. Eiwitten vormen bijv. complexen met1 andere moleculen door het vormen van tal van zwakke aantrekkingskrachten ter hoogte van het contactoppervlak tussen de partnermoleculen. Deze vorm van interactie kan het best met de term: moleculaire herkenning worden aangeduid (hoofdstuk 4). Dit laat heel efficiënte en specifieke interactie toe tussen biologische moleculen zowel in als buiten het cellulair milieu (vergelijkbaar met de handdruk of een knuffel tussen mensen). Eiwitten interageren 1‘Een complex vormen met’ of: interageren met, associëren met of binden op niet-covalente wijze met: dit zijn allen uitdrukkingen met zelfde betekenis! 6 op deze wijze bijv. met andere eiwitten, met kleine moleculen (bijv. medicijnen, O 2, ATP), met ionen, met vitaminen, met DNA-moleculen. Moleculaire herkenning tussen biomoleculen steunt op de aanwezigheid van chemische groepen met welbepaalde eigenschappen, meer bepaald de functionele groepen genoemd (zie hoger) op het oppervlak van de biomoleculen. Een voorbeeld is de interactie van het insulinehormoon (een klein eiwit) dat specifiek interageert met zijn ‘receptor’-eiwit (groter eiwit dat op het celmembraan zit en extracellulaire signalen ontvangt en doorgeeft naar het celmilieu). Insuline is een regulator van het bloedsuikerniveau (bloedsuikerspiegel) en dus uitermate belangrijk. De werking van insuline is verbonden met ziektes zoals diabetes. De interactie van insuline met de insulinereceptor zet cellen (spiercellen, levercellen) aan om glucosemoleculen op te nemen bij een te hoge glucoseconcentratie in het bloed. Pas sinds 2013 zijn de details van de contactzone tussen deze twee eiwitten (insuline en zijn receptoreiwit) gekend: Figuur I.3 toont de vele ‘chemische vingers’ in deze contactzone (pijl in figuur) onder de vorm van tal van functionele groepen die elkaar via niet-covalent krachten aantrekken en zo het contact tussen de eiwitten mogelijk maken. Hoe beter deze contacten gekend zijn hoe meer mogelijkheden dit schept om bijv. insuline-analogen te ontwikkelen die diabetespatiënten kunnen helpen. Figuur I.3 Links is in lichtblauw de insulinereceptor getoond (die zelf al uit twee polymere ketens bestaat) in complex met kleinere insuline-eiwit (in roze getoond links of omcirkeld midden en rechts). In de rechtse figuur is de contactzone uitvergroot waar de aantrekkingen (niet-covalent) tussen de functionele groepen van insuline enerzijds en de receptor anderzijds optreden. De functionele groepen zijn de chemische groepen aanwezig in de aminozuurbouwstenen met specifieke eigenschappen (bijv. polair, apolair,...); Rood wijst op O in de functionele groep, blauw op N. Voor een aantal polaire groepen is de samenstelling (hydroxylgroep, amidegroep, carboxylgroep) aangeduid. Bronnen: https://www.nature.com/articles/nature11781; https://www.rcsb.org/structure/5KQV. Voorbeeld 2: de moleculaire herkenning op basis van zwakke krachten vormt de basis van SARS-CoV-2 infectie. Het stekeleiwit (Spike protein) en de varianten ervan herkennen een eiwit op menselijke cellen waarna ze de cel kunnen binnendringen (infectie). De interacties tussen dze eiwitten via zwakke aantrekkingskrachten in het contactoppervlak tussen de partnermoleculen (hier viruseiwit en menseiwit) hebben in dit geval wereldwijde gevolgen gehad! 7 Echter door vaccinatie ontwikkelen wij antilichamen (eiwitten) die op hun oppervlak een regio bevat die functionele groepen draagt waarmee het spike-eiwit kan gebonden worden zodat het niet meer in cellen kan binnendringen. Dit levert bescherming tegen infectie. Biomoleculen hebben op hun oppervlak specifieke functionele groepen die een belangrijke rol spelen in de moleculaire herkenning met andere biomoleculen door middel van niet-covalente zwakke aantrekkingen. De chemische basis hiervan in detail begrijpen voor verschillende biomoleculen is één van de doelen van dit cursusdeel. Net-covalente zwakke aantrekkingen kennen jullie reeds uit chemie. Deze krachten worden in de paragraaf hieronder herhaald met specieke focus op biomoleculen in waterige oplossingen. I.5 Zwakke krachten tussen biomoleculen Biochemische processen kunnen vaak doorgaan omdat biologische moleculen (eiwitten, lipiden,…) met elkaar of met kleine moleculen ‘interageren’ of complexen vormen. Deze interacties zijn soms gebaseerd op covalente bindingen maar veel vaker op verschillende zwakke, niet-covalente aantrekkingskrachten tussen functionele groepen van de interagerende (bio)moleculen. Men noemt deze aantrekkingkrachten ook wel elektrostatisch omdat het steeds een aantrekking tussen ladingen of tussen partiële ladingen is. Verschillende types zwakke krachten komen voor. Welk type optreedt tussen twee moleculen of twee functionele groepen in moleculen wordt bepaald door het polair/apolair karakter van de moleculen of de functionele groepen in de moleculen die elkaar aantrekken:  tussen polaire moleculen of polaire functionele groepen (zie I.5.1) : o ionaire aantrekking indien er ladingen aanwezig zijn: aantrekking tussen een kation en een anion (zoutbrug) o dipoolinteracties indien er partiële ladingen aanwezig zijn (ook dipool- dipoolkrachten of Keesomkrachten) o waterstofbrugvorming (H-brugvorming) indien er bijzonder sterke partiële ladingen aanwezig zijn en een O-H of N-H binding voorkomt.  tussen apolaire moleculen of apolaire functionele groepen: de Londonkrachten (hier ook soms met de term ‘van der Waals krachten’ benoemd) (zie I.5.2). I.5.1 Zoutbrug, dipool-dipoolkracht en waterstofbrug tussen polaire functionele groepen 1. Zoutbrug: Wanneer een negatief geladen functionele groep (anion met lading q1) in de buurt komt van een positief geladen functionele groep (kation met lading q2) oefenen deze een elektrostatische aantrekkingskracht op elkaar uit waarvan de sterkte wordt gegeven door de wet van Coulomb (formule op volgende pagina). De aantrekkingskracht F is rechtevenredig met de ladingen van de twee groepen (q1 en q2) en is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand r tussen de twee groepen en met de dielektriciteitsconstante (D) van de omgeving waarin de aantrekkingskracht wordt uitgeoefend. In het 8 luchtledige is D = 1 en in water is D = 80. In water zal deze aantrekkingskracht dus afgezwakt worden (zie ook lager). r² in de noemer van de formule voor de Coulombkracht betekent: als de afstand tussen 2 tegengesteld ionen verdubbeltd, vermindert hun onderlinge aantrekking met een factor 4 (2²) (of vice versa). anion kation q1q2 O H + F =~ C O H N R r2D R H De elektrostatische aantrekking tussen ionen wordt in de biochemie ook een zoutbrug genoemd. Zoutbruggen spelen een belangrijke rol bij heel wat biologische processen zoals bij eiwitopvouwing, bij de werking van biokatalysatoren (= enzymen) etc. Zoals getoond in de figuur kan een zoutbrug. gevormd worden in eiwitten tussen een negatief geladen carboxylaatgroep (bijv. aanwezig in de eiwitbouwstenen glutaminezuur en asparaginezuur, zie hoofdstuk 2) en een positief geladen aminefunctie (bijv. aanwezig in de eiwitbouwsteen lysine, zie hoofdstuk 2). De energie geassocieerd met een zoutbrug, bedraagt ongeveer 33 kJ/mol. 2. Dipool-dipoolkracht Tussen polaire moleculen of polaire functionele groepen met partiële positieve of partieel negatieve ladingen (+ en -) zal ook elektrostatische aantrekking (niet-ccvalent) kunnen optreden: deze wordt dipool-dipoolinteractie, dipool-dipoolkracht of Keesomkracht genoemd. Deze krachten zijn zwakker dan deze tussen ionen en rechtevenredig met het product van de nettodipoolmomenten van elke molecule (of van de functionele groepen in een biomolecule) en omgekeerd evenredig met r³ (met r de onderlinge afstand tussen de twee moleculen of functionele groepen). 3. Waterstofbrugvorming is de niet-covalente elektrostatische aantrekking waarmee watermoleculen elkaar aantrekken (zie Chemie). Onderlinge aantrekking via waterstofbrugvorming kan ook optreden tussen moleculen met geschikte functionele groepen waarin atomen voorkomen die een sterk elektronegatief karakter hebben (zuurstof- en stikstofatomen). Verdere voorwaarde: Waterstofbruggen kunnen in een biomolecule of tussen biomoleculen optreden tussen O-H of N-H groepen enerzijds (met H-rechtstreeks gebonden op O of N) en de elektronegatieve atomen N en O anderzijds op voorwaarde dat deze laatste een vrij elektronenpaar ter beschikking hebben (zie extra figuren in de diareeks). Als voorbeeld nemen we als functionele groepen een alcoholgroep (hydroxylgroep) enerzijds en een aminogroep anderzijds (figuur I.4). Deze groepen beschikken beiden over waterstofatomen gebonden op O of N en een vrij elektronenpaar op O of N (voorwaarden). Hierdoor vormt zich een sterk positieve partiële lading op het H-atoom en een sterk negatieve lading op het N- of O-atoom. Op basis hiervan kunnen deze groepen elkaar elektrostatisch aantrekken (rode lijn in de figuur). Men noemt de twee ‘partners’ in deze aantrekking respectievelijk waterstofdonor en waterstofacceptor. De donor is de functionele groep met H-gebonden op O of N en met + op het H-atoom. De waterstofbrugacceptor is de functionele groep die - draagt en die op het H-atoom van de andere functionele groep een aantrekking uitoefent. 9 Waterstofbrugvorming is net als een zoutbrug en een dipooldipoolkracht een elektrostatische aantrekking tussen atomen met tegengestelde partiële ladingen in functionele groepen in verschillende moleculen of in groepen van verschillende delen van één molecule. Dit is heel verschillend van een covalente binding tussen atomen in een molecule waarbij atomen elektronen delen. H-brugvorming is in vergelijking met bijv. een covalente binding slechts een zwakke aantrekkingskracht (ter info: de energie die ermee gepaard gaat varieert tussen 10-30 kJ/mol). De sterkte van de aantrekking via waterstofbrugvorming hangt ook af van de relatieve positie van de betrokken atomen: lineaire waterstofbruggen zijn het sterkst (Fig. I.4). Figuur I.4 Waterstofbrugvorming tussen polaire functionele groepen in biomoleculen. (links) Het vrije elektronenpaar op het stikstofatoom van een aminogroep vormt een waterstofbrug (dikke rode lijn) met een waterstofatoom van een hydroxylgroep (links): de aminofunctie is de acceptor, de alcoholfunctie is de donor. (rechts) aminogroep donor en hydroxylgroep de acceptor. Een H-brug is een aantrekking tussen partiële ladingen en GEEN covalente binding. Links is de waterstofbrug lineair omdat de drie deelnemende atomen (O,H,N) op een rechte liggen. Waterstofbruggen zijn uitermate belangrijk bijv. in de opvouwing van de polymere keten van eiwitten tot een functionele 3D-vorm. Delen van de polymere keten vormen bijv. spiralen (-helices) die gestabiliseerd worden door waterstofbruggen tussen -NH en -CO groepen van de aminozuren aanwezig in de spiraal (zie hoofdstuk 3). Analoog spelen waterstofbruggen (en andere zwakke krachten) een rol bij het interageren van verschillende eiwitten tot een niet-covalent complex dat functie heeft in ons lichaam (basis van moleculaire herkenning, zie § I.4 en hoofdstuk 4) I.5.2 Londonkrachten: zwakke krachten tussen apolaire (delen van) moleculen Tussen niet-polaire (apolaire, hydrofobe) moleculen of tussen apolaire delen van moleculen (bijv. een methyl-groep (-CH3) of een langer deel van het koolstofskelet) kan ook een elektrostatische aantrekking ontstaan wanneer deze voldoende dicht samenkomen. Dit kan doordat een tijdelijke dipool in één apolaire molecule een dipool induceert in een tweede molecule: dit resulteert in een zwakke aantrekking tussen deze apolaire moleculen die de Londonkracht (of soms van der Waals interactie) wordt genoemd (zie ook chemie). Dit is mogelijk doordat de verdeling van de elektronen rond de atomen in een apolaire molecule varieert in functie van de tijd en dus op één welbepaald kort tijdsmoment altijd asymmetrisch is (zie figuren in diareeks en info op ufora). Deze aantrekkingskracht is nog zwakker en nog meer afhankelijk van de onderlinge afstand tussen de moleculen (of molecuuldelen) dan de niet-covalente aantrekkingskrachten tussen polaire delen van moleculen. De sterkte van de London-kracht is dus eerder gering (ter info: ongeveer 4 kJ/mol, dus tot 10 maal lager dan voor een zoutbrug bijv.). Dit betekent echter niet dat deze aantrekkingskracht tussen biomoleculen niet belangrijk is (zie bijv. in hoofdstuk 6). 10 I.5.3 Het effect van water op zwakke aantrekkingsinteracties tussen biomoleculen Levende organismen bevatten 70 tot 80% water. Water heeft dus een grote invloed op alle interacties tussen moleculen in biologische systemen. Herhaling: Water is een polaire molecule en watermoleculen trekken elkaar sterk aan via H-brugvorming. In één watermolecule geldt: Door de hogere elektronegativiteit van het zuurstofatoom zuigt dit de gemeenschappelijke elektronen in de covalente bindingen met de waterstofatomen naar zich toe. Door de gebogen geometrie van de watermolecule (zie chemie, VSEPR-theorie) resulteert dit in een polaire structuur (figuur I.5). Er ontstaat een permanente dipool waarbij het zuurstofatoom en de twee waterstofatomen respectievelijk een partieel negatieve + en een partieel positieve + lading krijgen. Watermoleculen oriënteren zich ten opzichte van elkaar zodanig dat het vrije elektronenpaar van een zuurstofatoom (met -) zich positioneert naar een waterstofatoom (met +) van een naburige watermolecule; Zo trekken watermoleculen elkaar uitgebreid aan via waterstofbruggen in bijv. vloeibaar water. Iedere watermolecule kan twee maal als waterstofbrugdonor en twee maal als waterstofbrugacceptor optreden (zie figuur). Figuur I.5 (links) Ladingsverdeling in een watermolecule en het dipoolmoment. (rechts): capaciteit van één watermolecule tot waterstofbrugvormign als donor en als acceptor.H-bruggen zijn voorgesteld met zwarte stippen. Effecten van watermoleculen op de zwakke krachten tussen polaire moleculen  Bovenbeschreven eigenschappen van watermoleculen zorgen er voor dat water een excellent solvent (oplosmiddel) is voor polaire (bio)moleculen en ionen. In een waterige oplossing zullen kleine ionen (figuur I.6), polaire moleculen (zoals een suikermolecule) en ook geladen en polaire functionele groepen van grotere moleculen gehydrateerd worden. Ze krijgen een watermantel doordat watermoleculen ermee op non-covalente wijze (via H-bruggen, ion-dipoolkrachten of dipool-dipoolkrachten) in interactie gaan.  Water werkt echter ook competitief versus niet-covalente interacties tussen geladen functionele groepen in biomoleculen. Door de watermantel worden de (partiële) ladingen van de geladen/polaire groepen in de biomoleculen afgeschermd en is die (partiële) lading minder beschikbaar voor interactie met andere geladen groepen in dezelfde of andere biomoleculen (zie figuur 1.6). Ionaire interacties en waterstofbruggen tussen biomoleculen worden afgezwakt in water. Zoutbruggen komen bijgevolg vooral voor in een watervrije omgeving in biomoleculen (bijv. binnenin een 11 opgevouwen eiwit, zie hoofdstuk 3). Dit volgde ook reeds uit de waarde 80 voor de diëlektriciteitsconstante D van water in de wet van Coulomb (§ I.5.1). Figuur I.6 (links) Hydratatie van een natriumkation en een chloride-anion in water met een vereenvoudigde voorstelling van de watermantel rond de gehydrateerde ionen op basis van ion-dipoolinteracties. Bron figuur: ‘Anatomy & Physiology, Connexions Web site. Jun 19, 2013 http://cnx.org/contents/e4e45509-bfc0-4aee-b73e-17b7582bf7e1@4 (rechts): H-brugvorming (stippellijnen) tussen functionele groepen in de biomoleculen zelf ondervindt cometitie van aanwezige watermoleculen. Figuur aangepast uit: Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., et al., Molecular Biology of the Cell, 5th edition Garland Science, New York, 200 Het hydrofoob effect Naast polaire of hydrofiele moleculen komen in ons lichaam ook apolaire verbindingen die moeilijk oplosbaar zijn in water. Vetmoleculen en bepaalde vitamines zijn (grotendeels) hydrofoob (watervrezend). Indien men apolaire molecule in een waterige oplossing brengt, is dit energetisch ongunstig omdat het waterbrug-netwerk tussen de watermoleculen sterk verstoord wordt. In aanwezigheid van hydrofobe deeltjes worden de watermoleculen rond deze hydrofobe moleculen gefixeerd en wordt meer orde gecreëerd (figuur I.7, links). De entropie S daalt en bijgevolg stijgt de vrije energie G (= H-TS, zie chemie) van het systeem: dit is energetisch ongunstig. Dit ongunstige effect vermindert echter sterk wanneer meerdere hydrofobe moleculen met elkaar associëren zodat het totale hydrofobe oppervlakte voor de omliggende watermoleculen verkleint (figuur I.7, rechts). De associatie die aldus ontstaat tussen de hydrofobe moleculen in water treedt als gevolg daarvan spontaan op. In biochemische systemen is dit een fenomeen met een belangrijk organisatorisch vermogen. Apolaire moleculen gaan immers spontaan aggregeren (zelfassemblage) doordat ze uit de 12 waterige fase ‘verdreven’ worden, dichter bij elkaar komen en elkaar gaan aantrekken via Londonkrachten. Dit levert bijv. de basis voor de organisatie van de celmembraan (zie hoofdstuk 6). Figuur I.7 Vereenvoudigde voorstelling van het hydrofoob effect. Dit zorgt ervoor dat de twee getoonde water-onoplosbare (hydrofobe, apolaire) moleculen voorgesteld met de oranje ovalen spontaan met elkaar via Londonkrachten interageren (rechts). De belangrijkste basis van deze hydrofobe interactie is de toename in vrijheid (wanorde, entropie) van de omringende watermoleculen. Oranje: hydrofobe moleculen; blauw: watermoleculen. Bron: figuur, Biochemistry, W.H Freeman, 2002) I.6 Het waarom van ‘zwakke’ krachten? Hoe kunnen zwakke krachten van belang zijn in biologische systemen als ze ‘zwak’ zijn? Het antwoord is analoog aan de uitspraak: Vele kleintjes maken één groot; nuttige vergelijking: Velcro Wanneer zich tussen twee macromoleculen slechts enkele niet-covalente (zwakke) interacties zouden vormen, zou dit niet voldoende zijn om deze grote moleculen bij elkaar te houden. Immers de individuele zwakke krachten dragen energetisch weinig bij tot de stabiliteit van het complex (de vrije energiedaling is klein). Echter, tussen de contactoppervlakken van grote biomoleculen zoals DNA en eiwitten treden heel veel dergelijke zwakke aantrekkingen op (Figuur I.8). De som van de individuele energiebijdragen van elk van deze interacties resulteert in voldoende stabiliteit voor de interactie. Bovendien is het zo dat tussen twee macromoleculen die elkaar aantrekken de krachten niet onafhankelijk werken. Wanneer tussen een deel van de chemische groepen aantrekking optreedt, brengt dit weer andere groepen dicht genoeg bij elkaar om attracties op elkaar uit te oefenen. Dit wordt co-operativiteit genoemd. Welk extra voordeel levert het zwak karakter van de interacties tussen biomoleculen vanuit biologisch standpunt? Het zwak karakter van de complexvorming tussen biomoleculen maakt complexvorming dynamisch (dus: niet statisch of onveranderlijk). Als je elkaar-aantrekkende moleculen beschouwt als onderdelen van machines op moleculaire schaal dan vereist hun werking vaak een delicate balans tussen samenwerken en loslaten. Een dergelijke subtiele werking is enkel mogelijk door zwakke interacties aangezien sterke krachten de machines rigid en weinig regelbaar zouden maken. 13  De DNA dubbelhelix illustreert dit: de waterstofbrugvorming moet op welbepaalde plaatsen of tijdstippen opgeheven worden (a.h.w. openritsen) opdat de DNA moleculen kunnen dupliceren (bij celgroei) of worden ‘overgeschreven’ (‘transcriptie’ of maken van RNA kopijen met een boodschapperfunctie).  Een ander fascinerend voorbeeld zijn de motormoleculen die in cellen over lange eiwitvezels bewegen en dankzij zwakke krachten telkens weer met de vezels interageren en loslaten (bekijk http://i.imgur.com/vEOPekG.gif).  Een analoog voorbeeld (het effect is macroscopisch waarneembaar) vindt men bijv. bij gekko’s die via een heel groot aantal zwakke Londonkrachten t.h.v. hun pootbasis niet alleen heel stevig op een verticale wand of plafond kunnen vasthangen maar deze ook kunnen beklimmen (door kracht uit te oefenen onder een bepaalde hoek kunnen de Londonkrachten één voor één en dus met weinig energiekost losgemaakt worden. Wetenschappers onderzoeken dit in functie van het ontwikkelen van ‘superlijm’. 2 Figuur I.8 Vele zwakke krachten treden tegelijk op tussen de oppervlakken van met elkaar interagerende eiwitten A en B 2 Uit Tian Y, Pesika N, Zeng H, Rosenberg K, Zhao B, McGuiggan P, Autumn K, Israelachvili J. Adhesion and friction in gecko toe attachment and detachment. Proc Natl Acad Sci U S A. 2006 Dec 19;103(51):19320-5.; bekijk ook http://www.geek.com/news/humans-finally-figure-out-how-to-climb-buildings-using-artificial-gecko-feet- 1609924/. 14 Hoofdstuk 1: Suikers Suikers zijn heel belangrijk als energiebron in onze voeding en we gebruiken suikermoleculen (onder de vorm van een polysacharide) ook als opslag van energie. De metabole reacties waarmee wij suikers ‘verbranden’ (= energie uithalen) in elk van onze cellen leren jullie kennen in Biochemie/metabolisme. Uit de belangrijke energiemolecule D-glucose kan immers stapsgewijs energie worden gehaald via een aaneenschakeling van chemische reacties die gestuurd worden door de werking van enzymen (= eiwitten met katalytische werking, zie hoofdstuk 6). Anderzijds worden suikermoleculen in ons lichaam ook gebruikt om andere biomoleculen ‘te decoreren’ (wetenschappelijke term: modificering). Op meerdere eiwitten in levende organismen zijn suikermoleculen of ketens van suikermoleculen covalent gebonden. Voorbeelden: antilichamen in de bloedbaan (zie hoofdstuk 3), eiwitten en vetmoleculen aanwezig in de begrenzing van onze cellen (celmembraan, zie hoofdstuk 6), virale eiwitten zoals het SARS-CoV-2 spijkereiwit. Men noemt deze met suiker gedecoreerde biomoleculen algemeen glycoconjugaten en deze suikermodificaties beÏnvloeden de functie van de biomoleculen (bijv. de moleculaire herkenning van andere biomoleculen). De chemische structuur van suikermoleculen van verschillende complexiteit leren jullie in dit hoofdstuk kennen. 1.1 Eenvoudige suikers 1.1.1 Basisstructuur van een eenvoudig suiker of monosacharide Figuur 1.1 toont de structuur van drie voorbeelden van monosachariden in lineaire vorm (openketen- vorm). Hieruit blijkt dat deze gekarakteriseerd worden door het voorkomen van een carbonylfunctie en meerdere hydroxylgroepen (zie Tabel I;1): het zijn polyhydroxyaldehyden (bijv. ribose en glucose) of polyhydroxyketonen (bijv. fructose). Glucose is een 2,3,4,5,6-pentahydroxyhexanal (-al is de uitgang gebruikt voor een aldehyde). De koolstofketen wordt steeds zo genummerd dat de carbonylfunctie een zo laag mogelijk nummer krijgt. In glucose krijgt de C van de aldehydefunctie als nummer:1. De monosachariden worden ingedeeld in aldosen (bevatten de aldehyde functie -CHO met C als eerste C-atoom van de keten) en ketosen (bevatten -CO- in koolstofketen). Tussen het voorvoegsel aldo- of keto en de karakteristieke uitgang voor suikers -ose wordt met een telwoord de lengte van de keten aangegeven: aldo- of ketotriosen, -tetrosen, -pentosen en -hexosen voor suikers met 3, 4, 5 en 6 C- atomen in de keten. D-Glyceraldehyde en dihydroxy-aceton zijn respectievelijk een aldotriose en ketotriose. Ribose is een voorbeeld van een aldopentose, glucose is een aldohexosen, fructose is een ketohexose. Suikermoleculen dragen duidelijk polaire functionele groepen. Via deze groepen zijn intermoleculaire aantrekkingen (zwakke niet-covalente aantrekkingskrachten waaronder H-bruggen) mogelijk met andere polaire biomoleculen en met de alomtegenwoordige watermoleculen (bijv. in de bloedbaan, in cellen). 15 Figuur 1.1. De structuur van belangrijke eenvoudige suikers. De getoonde voorstelling van de suikermoleculen is de Fischerprojectie. Je dient deze te zien als een 2D-voorstelling waarin ruimtelijke informatie vervat zit (zie lager 1.1.2, zie ook daar voor uitleg ‘D’ in naamgeving)). 1.1.2 D-Glucose en stereoisomeren van D-glucose D-Glucose (Figuur 1.1) is een aldohexose met brutofomule C6H12O6. In levende organismen is deze suiker de hoofdbron van energie en essentieel voor overleving. Ter info: Menselijk bloed bevat, normaal gesproken, tussen de 4 en 7 mM D-glucose. Alle cellen in het menselijk lichaam halen hun energie uit de ‘verwerking’ van het glucose dat door het bloed wordt aangevoerd. Het belang hiervan wordt duidelijk uit het volgende: Wanneer in de hersenen van de mens de glucoseconcentratie lager wordt dan 1mM (door vasten of ondervoeding) kan verwarring en zelfs coma optreden. De concentratie D-glucose in het bloed (de bloedsuikerspiegel) wordt in ons lichaam dan ook sterk gecontroleerd (onder andere door de werking van het hormoon insuline, zie ter info https://vcell.science/project/insulinsignaling ). D-glucose heeft een unieke 3D-structuur met een heel specifiek oriëntatie van de groepen die op de C- atomen staan (Figuur 1.2A, zie ook extra figuur in diareeks). De voorstellingswijze die gebruikt is in Figuur 1.1 en 1.2A (rechts) is een tweedimensionale voorstelling (een projectie van de 3D-vorm in één vlak) waaruit men toch de informatie over de driedimensionale suikermolecule kan afleiden (zie Box1). Men noemt deze voorstelling de Fischerprojectie3. Vier van de C-atomen in D-glucose (en in andere aldohexosen) zijn chirale of asymmetrische koolstofatomen: koolstofatomen (AKA): C-atomen waarop 4 verschillende groepen staan via enkelvoudige bindingen. De AKA in D-glucose zijn de C-atomen 2,3,4 en 5 (Figuur 1.2A). Voor een chiraal koolstofatoom zijn 2 verschillende ruimtelijke vormen mogelijk waarin de 4 gebonden groepen verschillend geörienteerd staan ten opzichte van elkaar. Voor D-glucose 3 Emil Fischer, Duits chemicus, 1902 Nobelprijs voor zijn werk in suikerchemie 16 bestaat bijgevolg een variant, het ‘isomeer’ L-glucose, waarin voor C2, C3, C4 en C5 de oriëntatie anders is dan in D-glucose (dus voor elk AKA) (Figuur 1.2B). D en L-glucose zijn elkaars spiegelbeeld (zie ook Box 1) en kunnen in de ruimte niet overlappen dus het zijn twee verschillende moleculen. Het worden stereoisomeren en meer specifiek enantiomeren genoemd. In de Fischerprojectie reflecteert zich dit in het ofwel links of ofwel rechts staan van de -OH-groepen op de AKA’s (t.o.v. de verticale koolstofketen). In Box 1 worden chirale koolstofatomen, stereo-isomeren en de Fisherprojectie in meer detail behandeld. Figuur 1.2. D-glucose en stereoisomeren van D-glucose. (A) De Fischerprojectie van D-glucose is een 2D-projectie (rechts) van de 3D-vorm met specifieke oriëntatie van de groepen gebonden op elk van de vier chirale koolstofatomen (omcirkeld) (zie ook hoofdtekst en box 1). (B) De enantiomeren D-en L-Glucose. De relatieve positie in de ruimte van de OH-groepen op ieder van de vier chirale C-atomen (2,3,4 en 5) is hierin verschillend. De D/L naam is gebaseerd op de positie van de -OH op koolstofatoom 5 (rood kader). (C) D-Glucose en 7 andere D-aldohexosen. Deze verschillen onderling slechts in ruimtelijke vorm (configuratie) rond één (kader met stippellijn, enkel aangeduid bij mannose en galactose) of meerdere van de chirale koolstofatomen. (D) Stereospecifieke herkenning van D-glucose door de glucosekanalen (blauw) van cellen. De kanalen bevinden zich in de celmembraan (hier schematisch voorgesteld in grijs) 17 BOX 1 Stereo-isomerie en chirale koolstofatomen; Fischerprojectie en D-en L-suikers Stereo-isomeren zijn moleculen die identiek zijn qua samenstelling en qua wijze waarop de atomen in de moleculen via covalente bindingen gekoppeld zijn. Echter, de relatieve ruimtelijke positie van de atomen verschilt in de verschillende isomeren. Sommige stereo-isomeren (ook optische isomeren genoemd) worden gekenmerkt door het feit dat ze elkaars spiegelbeeld zijn en elkaar in de ruimte dus niet volledig kunnen overlappen. Eén voorwaarde (waar we ons hier toe beperken) is de aanwezigheid in een molecule van een sp3-gehybridiseerd C-atoom met vier verschillende substituenten. Een dergelijk C-atoom wordt ook een asymmetrisch koolstofatoom genoemd (afkorting AKA) omdat doorheen een molecule met een C-atoom met vier verschillende substituenten geen symmetrievlak of -as kan getrokken worden. De figuur illustreert dat van een molecule die een asymmetrisch koolstofatoom bevat, twee driedimensionale vormen mogelijk zijn (de molecule en het spiegelbeeld ervan) die op geen enkele manier in overlap te brengen zijn en dus twee verschillende moleculen vormen. In de figuur is het grijze vlak een spiegel. De zwart-ingekleurde wigvormige binding in de onderste voorstelling wijst naar voor, de gearceerde bindingen wijzen naar achteren. Deze spiegelisomeren worden ook enantiomeren genoemd (enantios: Grieks, tegengesteld) of chirale moleculen genoemd. Deze term stamt van het Griekse cheir: hand. Net als bij enantiomeren, is de linkerhand het spiegelbeeld van de rechterhand en zijn beide functioneel verschillend. Een asymmetrisch C-atoom (AKA) wordt op basis hiervan ook een chiraal koolstofatoom genoemd. Een molecule kan ook meerdere chirale koolstofatomen hebben (D-glucose heeft er vier); indien het aantal AKA’s in een molecule ‘n’ is, bestaan er van de molecule 2n stereo-isomeren (bijv. # AKA=4; aantal stereo-isomeren van D-glucose is 24=16 (8 D-vormen en 8 L-vormen). In de suikerchemie werd lang geleden een vereenvoudigde voorstellingswijze en stereospecifieke naamgeving geïntroduceerd die nog steeds wordt gehanteerd in de biochemie: de Fischerprojectie en de D/L nomenclatuur. De Fischerprojectie is een tweedimensionale voorstelling van de driedimensionale suikermolecule die bijzonder handig is om de verschillen rond de hierin voorkomende chirale C-atomen voor te stellen. Het vereenvoudigt het neerschrijven van de suikermolecule (zonder verlies van 3D-info) vooral wanneer meerdere chirale centra aanwezig zijn. In de Fischerprojectie geldt (zie Figuur 1.2A en B):  De vertikale keten is de hoofdkoolstofketen, met C1 bovenaan (nummering zo dat C-atoom van C=O in aldosen en ketosen het laagste nummer krijgt)  De verticale bindingen zijn telkens gericht naar achteren in de ruimtelijke structuur (achter het schrijfvlak, je bekijkt dit per AKA). De horizontale bindingen zijn steeds naar voren gericht in de ruimtelijke structuur (voor, boven schrijfvlak).(zia figuur 1.2A)  De chirale C-atomen, zijn de kruispunten tussen de horizontale en verticale bindingen.  Belangrijk: Om de enantiomeren (spiegelbeelden) te onderscheiden en benoemen baseert men zich op de positie van de functionele groep (in suikers de hydroxyl-groep) op het hoogstgenummerde AKA in de Fischerprojectie (dit is C5 in D- en L-Glucose). Staat de functionele groep aan de rechterzijde in de Fischerprojectie dan wordt de configuratie ‘D’ genoemd; staat de groep links op het hoogstgenummerde AKA dan wordt het enantiomeer ‘L’ genoemd. (ter info In organische chemie gebruikt een recentere methode die voor elk AKA de specidieke oriëntatie van de groepen bevat: R/S nomenclatuur) Zie ook verdere uitleg in § 1.1.2 Doordat ze verschillend van ‘vorm’ zijn worden D- en L-glucose ook verschillend ‘waargenomen’ door andere biomoleculen. Een gevolg daarvan is dat enkel D-glucose en niet L-glucose een rol heeft als energiebron voor levende organismen op aarde! De voornaamste reden hiervoor is dat de natuur zo geëvolueerd is dat de transporteiwitmoleculen die glucose in de cellen toelaten (de GLUT-eiwitten of 18 glucosekanalen op de membraan van cellen) via stereospecifieke moleculaire herkenning enkel het D- glucose herkennen (Figuur 1.2D). In andere stereoisomeren van D-glucose is de spiegeling niet voor alle chirale koolstofatomen aanwezig: voor D-mannose bijv. is dit enkel het geval ter hoogte van het tweede C-atoom. D-mannose wordt een C2-epimeer van D-glucose genoemd (Figuur 1.2C). Bijgevolg bestaan er 7 andere D-aldohexosen met dezelfde brutoformule maar dus verschillende vorm als D-glucose (zie Figuur 1.2C). Het is duidelijk dat in de natuur de structuur van de eenvoudige suikers op bijzonder creatieve wijze gebruikt wordt! 1.1.3 D-Glucose in biologische systemen: pyranosevormen In natuurlijk processen is de meest voorkomende vorm van de monosachariden niet de open-keten of lineaire vorm maar wel een cyclische vorm. De cyclische vorm van D-glucose ontstaat door een chemische reactie tussen de hydroxylgroep op het C5 koolstofatoom en het koolstofatoom (partieel positief geladen) van de aldehydefunctie op C1 van dezelfde suikermolecule. Het reactieproduct is een zesring met C1-C5 en O (van OH op C5) in de ring. Deze cyclische vorm wordt D-glucopyranose genoemd: zie Figuur 1.3A 4. Een voorstelling die vaak gebruikt wordt voor een cyclisch suiker is de Haworthstructuur (zie Figuur 1.3A). Het is een vereenvoudigde voorstelling want in werkelijkheid is D-glucopyranose niet vlak (zie analogie: stoelvorm bij cyclohexanen organische chemie). In de Haworthstructuur van een aldohexose wordt het zuurstofatoom (O) in de ring steeds rechtsboven geplaatst. Het C6-koolstof zit niet in de ring en wordt naar boven getekend. (boven het vlak van de ring). Substituenten aan C2, C3 en C4 (de H-atomen en de OH-groepen) die links staan in de Fischerprojectie wijzen in de Haworthstructuur naar boven (boven vlak van de ring). Substituenten (H of OH) die rechts staan in de Fischerprojectie wijzen in de Haworthstructuur naar beneden (onder vlak van de ring). Op deze manier wordt de ruimtelijke info aanwezig in de Fischerprojectie ook in de Haworth projectie weergegeven (zie bijv. verschil D-glucopyranose en D-galactopyranose ter hoogte van C4, Figuur 1.3B). Doorgaans worden enkel de -OH-groepen getoond in de Haworth-voorstelling (niet de H-atomen op de ring). Aangezien rond de C1-C2-binding vrije rotatie mogelijk is vóór de ring sluit, kan de -OH-groep op C1 na ringsluiting ofwel boven ofwel onder het vlak van de ring terechtkomen (dus aan dezelfde zijde van het C6-koolstof of niet). Deze twee verschillende moleculen worden respectievelijk het -D- glucopyranose en -D-glucopyranose genoemd (Figuur 1.3C). C1 is een nieuw chiraal C-atoom in de gesloten structuur en wordt het anomere koolstof genoemd. -D-glucopyranose en -D- glucopyranose zijn bijgevolg ook stereo-iosmeren van elkaar. -D-glucopyranose is de meest stabiele vorm voor het monosacharide maar beide vormen komen wel voor in de meer complexe suikers. Door de inwerking van enzymen kunnen suikers in onze cellen chemische veranderingen ondergaan. Dit gebeurt bijv. bij hun afbraak (zie Biochemie/metabolisme) waar de eerste stap een fosforylering van D-glucopyranose is. Dit wordt verder besproken in hoofdstuk 5 waar we de werking van het betrokken enzym of biokatalysator hexokinase bestuderen. 4 Ook ketoaldosen zoals fructose komen voor als cyclische vormen: doorgaans zijn dit vijfringen of furanosen (zie https://en.wikipedia.org/wiki/File:Fructoseisomers.jpg). 19 Figuur 1.3: (A) Ringsluiting van D-glucose tot D-glucopyranose (-vorm) voorgesteld met behulp van Haworth- voorstelling; verduidelijking van de relatie tussen Fischerprojectie en Haworth voorstelling (B) Haworthstructuur van -D-galactopyranose (verschillend van D-glucopyranose op C4). (C) De twee stereovormen van glycopyranose op basis van de verschillende positie van OH groep op C1 (omcirkeld). 1.2 Disachariden en polysachariden Tussen twee cyclische monosachariden kan een chemische reactie optreden waarbij de OH-groep op C-1 van suikermolecule 1 reageert met de -OH functie op C2, C3, C4 of C6 van suikermolecule 2. De covalente binding tussen twee monosachariden wordt een O-glycosidische binding genoemd. Figuur 1.4 toont het disacharide maltose waarin twee D-glucosemoleculen via een -14 koppeling op elkaar gebonden zijn. De figuur toont ook lactose waarin een D-galactopyranose en D- glucopyranose via een  14 koppeling covalent gebonden zijn. Tafelsuiker (of sucrose) is ook een disacharide dat bestaat uit glucose en fructose (niet getoond). Zowel maltose (komt vrij bij afbraak van de polysachariden in zetmeel) als lactose (melksuiker) zijn belangrijke componenten van onze voeding. Om D-glucose als energiebron uit deze disachariden te halen moet de O-glycosidische binding gehydrolyseerd worden (hydrolyse= reactie met water). Om dit efficiënt te laten verlopen, beschikken wij over biokatalysatoren (enzymen, eiwitten). Deze herkennen stereospecifiek de disachariden (dus de aard van elke mono-sacharide bouwsteen en van hun koppeling). Om lactose te hydrolyseren beschikken wij bijv. over het enzym lactase. Bij personen met lactose- intolerantie is minder of geen lactase aanwezig. 20 Figuur 1.4. Structuur van de disachariden maltose (links) en lactose (rechts). In de natuur komen ook complexe suikers of polysachariden voor waarin tot duizenden monosacharide-eenheden covalent op elkaar gekoppeld zijn in lange lineaire of vertakte ketens. In Figuur 1.5 is de opbouw van glycogeen voorgesteld. In de mens wordt glycogeen voornamelijk opgeslagen in cellen van spieren en de lever en dient het als korte termijn energieopslag (versus vetreserve in vetweefsel die dient als langdurige energieopslag,). Glycogeen is samengesteld uit D- glucose en de koppelingen zijn -1-4 behalve voor de start van de vertakkingen waar 1-6 glycosidische bindingen voorkomen. Figuur 1.5: Structuur van het polysacharide glycogeen aanwezig in lever en spieren als energiereserve. In de cellen is het glycogeen aanwezig als granules. Eén glycogeengranule kan tot 30.000 glucose-eenheden bevatten. In de vorming van de glycogeengranules speelt ook een eiwit (glycogenin) een rol. (bron figuren:wikipedia en https://basicmedicalkey.com) In ons lichaam komen extracellulair (buiten de cellen) ook polysachariden voor met belangrijke functies. Een voorbeeld is de biomolecule hyaluronzuur. Hyaluronzuur-bevattende hydrogels spelen op tal van plaatsen in ons lichaam een rol: in slijmlagen, in oog, in stembanden (rol: vochtigheid op peil houden en/of en elastisch houden), in gewrichten (smeerfunctie, schokdempfunctie), in de huid (soepelheid, elastisch karakter behouden).... (zie https://nl.wikipedia.org/wiki/Hyaluronan voor meer details en ook voor medische of cosmetische toepassingen). 21 22 Hoofdstuk 2: Aminozuren en peptiden Twee van de biopolymeren uit I.2 namelijk de nucleïnezuren en de eiwitten zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden aangezien de informatie in de nucleinezuren (DNA of erfelijk materiaal) wordt ‘vertaald’ in de eiwitten die in levende organismen gevormd worden. Eiwitten hebben tal van functies gaande van transport, het geven van structuur, verdediging tegen infectie, instaan voor bloedstolling bij verwonding, het sturen van reacties die energie halen uit opgenomen voedsel en deze energie inzetten voor weefselwerking (bijv. spierwerking) en voor de aanmaak van alle moleculen nodig voor leven. Deze complexe functies vereisen een grote variatie aan eiwitmoleculen. Elk eiwit heeft een complexe structuur en vorm die perfect toelaat een heel welbepaalde functie op heel specifieke wijze uit te oefenen (hoofdstuk 3-5). Een eerste stap in het begrijpen van de structuur van eiwitten is de kennis van de structuur en eigenschappen van de monomere bouwstenen waaruit ze zijn opgebouwd: de aminozuren. Verder is het van belang de manier te kennen waarmee deze bouwstenen covalent op elkaar gekoppeld kunnen worden: de peptidebinding. Dit is het onderwerp van dit tweede hoofdstuk. 2.1 Eiwitten zijn opgebouwd op basis van 20 verschillende aminozuren. De 20 verschillende aminozuren die in eiwitten in de natuur voorkomen worden de standaardaminozuren genoemd. Ze hebben alle dezelfde basisstructuur: een centraal koolstofatoom met daarop vier substituenten of functionele groepen: een aminogroep, een carboxylgroep, een waterstofatoom en een variabele zijketen (de zijketen wordt voor aminozuren vaak aangeduid met R (let op R is hier soms een alkylgroep maar soms ook een meer complexe structuur met extra functionele groepen, zie lager). Het centrale koolstofatoom in een aminozuur wordt ook het C-alfa koolstofatoom (C genoemd) en aminozuren worden ook alfa-aminocarbonzuren genoemd. Deze R-groep (zijketen) verschilt in ieder aminozuur en bepaalt de specifieke chemische eigenschappen van elk van de 20 verschillende aminozuren. Figuur 2.1 Algemene structuur van een aminozuur met centrale C-alfa atoom (C). NH2 R is de aminozuurzijketen die een verschillende samenstelling heeft in de twintig verschillende standaardaminozuren. H C COOH H R 2.1.1 Stereochemie van standaardaminozuren: enkel L-enantiomeer In de standaardaminozuren is het centrale koolstofatoom een asymmetrisch koolstofatoom (AKA) en dus een chiraal centrum. Dit komt (zie ook suikers) omdat het centrale koolstofatoom vier verschillende groepen bindt. Dit geldt voor 19 van de 20 standaardaminozuren; enkel glycine met twee H-atomen op het C-atoom heeft geen AKA (zie lager). Het voorkomen van één chiraal centrum betekent dat van het aminozuur wee enantiomere vormen bestaan die elkaars spiegelbeeld zijn en die in de ruimte niet volledig kunnen overlappen. Figuur 2.2A toont de twee enantiomere vormen van een aminozuur. 23 Figuur 2.2A De twee enantiomere vormen van het aminozuur waarin de zijketen R een methylgroep is. Ruimtevullend model met koolstofatomen (donkergrijs), waterstof (lichtgrijs), zuurstof (rood) en stikstof (blauw). H H Het H-atoom gebonden op C is naar voor georiënteerd. Figuur 2.2B toont ter vergelijking de twee ruimtelijke isomeren van het triose suiker glyceraldehyde en hun naam. Zoals hoger besproken in Hoofdstuk 1 en Box 1, zijn glyceraldehyde met de -OH links en rechts in de Fischerprojectie respectievelijk L- en D-glyceraldehyde. De configuratie van groepen in andere chirale moleculen zoals de aminozuren wordt gerelateerd aan de structuur van D en L- glyceraldehyde. Voor alfa-aminozuren komen in de Fischerprojectie de amino-, carboxyl-, R- en H- groepen overeen met respectievelijk de hydroxyl-, aldehyde-, CH2OH- en H-groep in glyceraldehyde. Bijgevolg bepaalt de positie van de aminefunctie in deze voorstellingswijze de toewijzing van L- en D. Figuur 2.2B (boven en midden) De structuur en Fischerprojectie van het suiker L-glyceraldehyde (met -OH links) en D-glyceraldehyde (met -OH naar rechts). (onder) Een L- en D alfa-aminozuur. In de Fischerprojectie van een aminozuur staat de COOH groep (met C-atoom C1) steeds per conventie bovenaan; in de L-vorm staat de aminogroep naar links. Leven op aarde is zo geëvolueerd dat de standaardaminozuren (aminozuren die in eiwitten voorkomen) enkel L-aminozuren zijn (Figuur 2.2B). De machinerie die in cellen (van dieren, planten...) eiwitten bouwt kan enkel de L-vormen inbouwen. Bijgevolg bestaan eiwitten die rechtstreeks gecodeerd worden door de genetische informatie uitsluitend uit L-aminozuren en zitten in het voedsel dat wij opnemen ook in hoofdzaak L-aminozuren. D-aminozuren komen voor in de natuur maar zijn zeldzaam: In de celwand van bacteriën zijn bijv. korte eiwitten met D-aminozuren aanwezig. Het feit dat de bouwstenen van de biologische polymeren zoals de aminozuren in eiwitten (maar ook de bouwstenen van nucleïnezuren en polysachariden) chiraal zijn en dat in organismen slechts één van beide enantiomere vormen voorkomt heeft gevolgen voor de functie van deze polymeren. In de interacties met andere chirale biomoleculen vertonen biologische polymeren zoals eiwitten stereoselectiviteit: slechts één enantiomeer is de geschikte interactiepartner (Figuur 2.3). Eiwitten die bijvoorbeeld een aminozuur doorheen een membraan transporteren, zullen alleen L-aminozuren 24 herkennen, binden en verplaatsen naar de cel. Enzymen (eiwitten met een katalytische werking (zie hoofdstuk 5 in dit partim) die bepaalde eiwitten verknippen, zullen dit alleen kunnen doen voort eiwitten opgebouwd uit L-aminozuren. Figuur 2.3: Vereenvoudigde voorstelling van stereoselectiviteit tussen chirale moleculen bijv. in de werking van biokatalysatoren of enzymen. Slechts één van det twee enantiomeren kan op het enzym binden. BOX 2 Toepassing van stereospecifieke herkenning Ter info Veel geneesmiddelen worden door chemische synthese gemaakt en zijn dus racemische mengsels: beide enantiomeren zijn in gelijke mate aanwezig. Meestal is slechts één van de enantiomeren biologisch actief en de andere inert. Dit laatste dient grondig onderzocht te worden want ze zijn wel samen aanwezig. Soms kan het niet-actieve enantiomeer schadelijke neveneffecten hebben (voorbeeld toedienen van softenon als racemisch mengsel aan zwangere vrouwen tegen ochtendmisselijkheid waarbij het veronderstelde niet-actieve enantiomeer leidde tot ernstige afwijkingen bij de pasgeborenen). Het veelgebruikte medicijn ibuprofen bij pijn, ontsteking en koorts wordt eveneens als racemisch mengsel aangeboden. Het werkzame enantiomeer bindt niet-covalent op verschillende enzymen betrokken in ontstekingsreacties en verhindert zo hun normale werking. Men heeft vastgesteld dat in het lichaam het niet actieve enantiomeer wordt omgezet in het actieve monomeer en op die manier worden mogelijk negatieve effecten van het niet actieve enantiomeer vermeden. 2.1.2 Algemene eigenschappen van de standaardaminozuren De amino- en carboxylgroep in een aminozuur kunnen gemakkelijk ioniseren daar ze beide zuur-base eigenschappen hebben (Tabel I.1). De pKa-waarde van de carboxyl-groep (-COOH, geprotoneerde vorm, geen lading) is ongeveer 2,2 (dus zwak zuur), de corresponderende basische vorm is -COO- (negatief geladen). De pKa-waarde van de zure vorm van de aminogroep (-NH3+, positief geladen) is ongeveer 9,4 (dus zwakker zuur dan –COOH functie); de corresponderende base van -NH3+ is uiteraard -NH2 (deze basische vorm is ongeladen). Herhaling uit de cursus chemie (basiskennis van buffers, zie Henderson-Hasselbach vergelijking): Bij een pH = pKa van een zwak zuur is 50% van de moleculen in zure vorm en de helft is in de basische vorm. Wanneer een zure functionele groep (bijv. -COOH, bijv. -NH3+) in een oplossing aanwezig is bij een pH die aanzienlijk lager is dan de pKa van deze groep, zal de groep voornamelijk geprotoneerd is (dus ‘in zure vorm’). Anderzijds wanneer een zure groep (bijv. –COOH, bijv. -NH3+) in een oplossing aanwezig is bij een pH die aanzienlijk hoger is dan de pKa van deze groep dan is het proton voornamelijk afgestaan en is de groep hoofdzakelijk in de basische vorm aanwezig (bijv. -COO-, bijv. –NH2). Fysiologische pH (de pH in de meeste van onze lichaamvochten: bloed, intracellulair milieu) bedraagt 7,3-7,4 en deze pH-waarde is dus hoger dan de pKa van de –COOH op C in een aminozuur en lager dan de pKa van -NH3+ op Cin een aminozuur. Hierdoor zal een alfa-aminozuur bijgevolg voorkomen onder de vorm zoals getoond in Figuur 2.4A: met -COO- en -NH3+ (Let op: voorlopig houden we geen rekening met de R-zijketen). Omdat deze vorm één negatieve en één positieve lading draagt wordt dit 25 een zwitterion genoemd. Deze term wordt gebruikt voor chemische verbindingen die ladingen dragen maar netto neutraal zijn: de som van de ladingen of nettolading is 0. Figuur 2.4B toont extra hoe de lading van de carboxy- en aminofuncties op C in een aminozuur wijzigen als de pH van de oplossing waarin ze aanwezig zijn, wijzigt. Naast het gemeenschappelijk deel bevat elk aminozuur een zijketen. Deze zijketen (R-groep) is verschillend in de twintig standaardaminozuren en bepaalt dus de verschillende chemische eigenschappen van elk aminozuur. Merk op dat in de zijketen van sommige aminozuren ook zure functies (-COOH, -NH3+ of andere) kunnen voorkomen en ook deze hebben een specifieke pKa waarde. Bij fysiologische pH kan dus ook een lading (+ of -) in de zijketen voorkomen! Aminozuren kunnen ingedeeld worden in subgroepen op basis van de polariteit (dus het hydrofiel/hydrofoob/geladen of ongeladen karakter) van de zijketen. In de volgende §-en worden de de aminozuren per subgroep besproken. 26 Om over eiwitbouw, eiwitfunctie, eiwit-interactie, enzymwerking, … te kunnen redeneren is belangrijk de structuren van alle 20 L-aminozuren te kennen. Kennen:  relatie naam (ook in drielettercode) – structuur (Fischerprojectie)  eigenschappen: polair karakter, lading bij pH 7,3  welke zwakke krachten ze met elkaar of met water kunnen vormen  aminozuren kunnen toewijzen aan een subgroep 2.1.3 Negen aminozuren met hydrofobe (apolaire) zijketen Negen van de standaardaminozuren bevatten een zijketen die enkel uit C en H-atomen bestaat en daardoor APOLAIR is. Deze zijketen zal slechts weinig of helemaal niet met water in interactie gaan. De zijketens van alanine (Ala, A), valine (Val, V), leucine (Leu, L) en isoleucine (Ile, I) zijn lineaire alkylketen en apolair5 (figuur 2.5). Isoleucine werd pas na leucine ontdekt en kreeg zijn ‘biochemische’ naam op basis van het feit dat het bij ontdekking ‘een isomeer van leucine’ bleek te zijn’ (dus zelfde brutoformule, maar atomen zijn anders op elkaar gebonden). Merk op dat isoleucine een tweede AKA bevat (C3). Doordat de koolwaterstofketen langer wordt van alanine naar isoleucine neemt de hydrofobiciteit toe in die volgorde. Glycine (Gly, G) is een buitenbeentje: het is het kleinste aminozuur met een waterstofatoom als zijketen en ook het enige aminozuur met een niet-chiraal C-atoom. Aangezien de zijketen van glycine niet polair is (C-H binding, geen O, N etc), wordt het bij de aminozuren met apolaire zijketen gerekend. Figuur 2.5 De aminozuren met apolaire zijketen: Gly, Ala, Val, Leu en Ile. De zijketens van fenylalanine (Phe, F) en tryptofaan (Trp, W) zijn eveneens hydrofoob: deze aminozuren bevatten in hun zijketen een koolstofzesring met aromatisch karakter6 (Figuur 2.6A). De aanwezigheid van de vlakke aromatische ringen maakt de zijketen van deze aminozuren heel omvangrijk (‘bulky’). Samen met het hydrofoob karakter van de zijketen zal dit van belang zijn in de opvouwing van eiwitten tot hun functionele vorm (zie hoofdstuk 3). Trp kan omwille van de NH-groep (aanwezig in de vijfring van het aanwezige aromatisch ringsysteem dat bestaat uit een vijf- en zesring 5 De zijketen van alanine is een methylgroep, van valine een isopropylgroep, van leucine een isobutylketen en van isoleucine een secundaire (sec.) butylgroep (zie ook organische chemie). 6 Aromatisch karakter (zie organische chemie en diareeks). Een aromatische C-ring is herkenbaar aan afwisselend voorkomen van enkele en dubbele bindingen tussen de C-atomen en 4n+2 elektronen met n=1,2,.... (Hückel-regel). In werkelijkheid treedt elektronendelokalisatie op; de ring is vlak en chemisch stabiel. In een ring met N of O naast levert het vrij elektronenpaar op dit atoom ook elektronen om aan de Hückel regel te voldoen. Aromatisch karakter kan over meerdere aaneengesloten ringen optreden. 27 en dat indol wordt genoemd) via de zijketen ook een waterstofbrug vormen met H2O of andere moleculen/functionele groepen. Proline (Pro, P) (Figuur 2.6B) is een uniek aminozuur omdat de zijketen covalent gebonden is aan de aminogroep op het C-alfa-atoom. Hierdoor heeft proline een ongewone cyclische structuur die in zijn geheel ruimtelijk vrij rigid is (dus de vorm ligt vast, weinig flexibiliteit). Methionine (Met, M) (Figuur 2.6B) bevat een zwavelatoom in de zijketen in een thio-ether functionele groep. Door de gelijkaardige electronegativiteitswaarde van de atomen C en S, gedraagt methionine zich in veel gevallen apolair en daarom wordt het hier ook bij de aminozuren met hydrofobe zijketens gerekend. Figuur 2.6A De aminozuren met apolaire Figuur 2.6B De aminozuren met apolaire aromatische zijketen: Phe en Trp zijketen Met en Pro. Algemeen: Aminozuren met apolaire zijketens worden in opgevouwen eiwitten vaak teruggevonden in het centrum van de opgevouwen eiwitstructuur waar ze afgeschermd van water voorkomen. De interacties tussen deze hydrofobe zijketens (via Londonkrachten) draagt sterk bij tot de stabiliteit en vorm van functionele eiwitten (zie Hoofdstuk 3). 2.1.4 Zes aminozuren met polaire, ongeladen zijketen Zes van de standaardaminozuren bevatten een polaire zijketen die geen lading draagt bij fysiologische pH. Serine (Ser, S), threonine (Thr, T) en tyrosine (Tyr, Y) (Figuur 2.7) bevatten een hydroxylgroep (- OH) in hun zijketens. Daarenboven is tyrosine ook een aromatisch aminozuur. Net zoals isoleucine bevat threonine een extra chiraal koolstofatoom in de zijketen, maar slechts één isomeer van threonine komt voor in eiwitten (isomeer getoond in figuur 2.7). De -OH groep van deze aminozuren heeft slechts heel zwak zure eigenschappen (pKa ~ 9,1-9,2 voor Ser en Thr en pKa 10,46 voor Tyr, dus > dan pH 7,3) en zal dus steeds als de ongeladen -OH- vorm voorkomen bij fysiologische pH. Cysteine (Cys, C) (Figuur 2.7) bevat een thiolgroep (-SH). Deze -SH groep heeft als pKa 8,37 en zal doorgaans ongeladen zijn. Uitzonderlijk (in heel bepaalde context) kan het gedeeltelijk ioniseren. Cysteine is bijzonder omdat de -SH functie kan leiden tot de vorming van een disulfidebrug of zwavelbrug via een oxidatiereactie tussen de zijketens van twee cysteines. Dit kan optreden wanneer twee cysteines op geschikte posities aanwezig zijn in een opgevouwen eiwitketen. Een zwavelbrug is een covalente binding en de eiwitstructuur wordt hierdoor sterk gestabiliseerd worden. Zwavelbrugvorming komt bijv. voor in het kleine eiwit insuline en in antilichamen (zie ook later). 28 Figuur 2.7 Aminozuren Ser, Thr, Tyr, Cys, Asn en Gln. onder : zwavelbrugvorming tussen 2 Cys met vorming van een S-S covalente binding Asparagine (Asn, N) en glutamine (Gln, Q) bevatten een amidegroep (zie Tabel I.1) en verschillen onderling enkel in de lengte van hun zijketen (ofwel 1 ofwel 2 -CH2-groepen) (figuur 2.7). Merk op dat de amidegroep geen zure eigenschappen heeft en dus niet zal ioniseren (zie inleiding en Tabel I.1). Algemeen: De zijketens van de aminozuren met polaire zijketens kunnen via waterstofbruggen of via dipoolkrachten elkaar, watermoleculen of andere moleculen met geschikte polaire groepen elektrostatisch aantrekken. Daarom komen deze aminozuren als bouwsteen van functioneel opgevouwen eiwitten vaak op het oppervlak van het eiwit voor (zie hoofdstuk 3). 2.1.5 Vijf aminozuren met polaire zijketen met lading bij fysiologische pH Vier aminozuren die ook bij de polaire aminozuren behoren, hebben een zijketen die altijd geladen is bij fysiologische pH 7,4. Asparaginezuur (Asp, D) en glutaminezuur (Glu, E) dragen een carboxylgroep (-COOH) in hun zijketen (pKa 3,9 - 4,0). Deze groep is negatief geladen bij fysiologische pH en komt voor als een carboxylaatanion (-COO-) (figuur 2.8). Meestal worden Asp en Glu respectievelijk aspartaat en glutamaat genoemd. Lysine (Lys, K) en arginine (Arg, R) (Figuur 2.8) hebben steeds een positief geladen zijketen bij fysiologische pH. Lysine bevat in de zijketen een extra primair amine als functionele groep met pKa 10,5. Arginine bevat de meer complexe guanidine-groep (-NH-(C=N)-NH2) met pKa 12,5 in de zijketen. Aangezien deze pKa waarden zijn hoger dan 7,3, zijn deze functionele groepen n zure vorm is en dus geprotoneerd (bijv. –NH3+ in Lysine). Algemeen: Asp,Glu, Lys en Arg kunnen H-bruggen en zoutbruggenvormen via hun zijketens. 29 Figuur 2.8 Boven: Polaire negatief geladen zijketen in Asp en Glu bij pH 7,4 (Merk op: gelijkaardige structuur met Asn en Gln maar wel andere eigenschappen) Onder: Polaire positief geladen zijketen in Lys, Arg en His bij pH 7,4 Figuur 2.9 Zoutbrug tussen positief geladen zijketen van lysine en negatief geladen zijketen van glutaminezuur en lysine. In lesdia’s: Regulatie van een kanaaleiwit door zoutbrugvorming tussen zijketens van polaire aminozuren (voorbeeld). Een ander polair aminozuur dat een positieve lading kan dragen is histidine (His, H) (figuur 2.8). Het bezit in de zijketen een polaire aromatische vijfring (die ook een imadazolgroep wordt genoemd). Histidine is een bijzonder omdat de pKa van deze imidazolgroep (pKa = 6,0) dicht bij fysiologische pH ligt. Hierdoor kan de imidazolgroep zowel ongeladen of positief geladen zijn bij 7,4 naargelang de lokale omgeving waarin het aminozuur zich bevindt. In enzymen is His vaak aanwezig op plaatsen waar de katalytische reactie doorgaat (zie ook hoofdstuk 5). 30 2.1.6 Essentiële aminozuren Van de 20 standaardaminozuren kunnen mensen er negen niet zelf synthetiseren: Phe, Val, Thr, Trp, Met, Leu, Ile, Lys en His. Dit zijn essentiële aminozuren die via de voeding moeten worden opgenomen (door het eten en verteren van dierlijk of plantaardig materiaal waarin eiwitten zitten met deze aminozuren). Deze essentiële aminozuren zijn ook nodig voor de aanmaak van andere aminozuren: bijv. vanuit het essentiële leucine worden Glu, Ala en Gln gemaakt (zie ook later: biochemie/metabolisme) 2.2 Gemodificeerde aminozuren en aminozuurderivaten Naast de twintig gebruikelijke standaardaminozuren komen permanent of tijdelijk chemisch gemodificeerde vormen van aminozuren voor in eiwitten. Deze covalente modificaties die aminozuren ondergaan nadat ze zijn ingebouwd in eiwitten, noemt men posttranslationele modificaties. Ze ontstaan als additie-product van chemische reacties waarbij extra chemische groepen covalent aan bepaalde zijketens worden gekoppeld. Dit proces wordt door andere eiwitten nl. enzymen gekatalyseerd en wordt sterk gecontroleerd in cellen. De modificatie van een aminozuur beïnvloedt de eigenschappen van het aminozuur (lading, polair karakter, grootte, capaciteit tot het vormen van zwakke krachten). De gemodificeerde aminozuren zijn bijgevolg vaak belangrijk in de (regulatie van de) eiwitfunctie (voorbeelden in volgende hoofdstukken). Zoals getoond voor een aantal voorbeelden in Figuur 2.11 zijn de mogelijke chemische veranderingen:  hydroxylering of toevoeging van een -OH-groep; bijv. aan proline  methylering of toevoeging van een -CH3; bijv. op de aminegroep in de zijketen van lysine  acetylering of toevoeging van een -CH3CO; bijv. op een aminogroep in de zijketen van lysine. In veel eiwitten van hogere eukaryoten is de NH2-groep op het C--atoom van het eerste aminozuur geacetyleerd (zie ook lager).  Carboxylering of toevoeging van een -COO- ; bijv. in de zijketen van glutaminezuur  fosforylering of toevoeging van een fosfaatgroep –OPO32- Ook vetten (lipidatie) en suikers (glycosylering) worden covalent gekoppeld aan specifieke zijketens van aminozuren in een eiwit (zie hoofdstuk 3-5). Figuur 2.11 31 Fosforylering is voorbeeld een omkeerbare (reversible) covalente modificatie. Deze modificatie komt enkel voor op de zijketens van de aminozuren Ser, Thr en Tyr. Dit resulteert in fosfoserine, fosfothreonine en fosfotyrosine (Figuur 2.12, vergelijk met de structuur van de niet-gefosforyleerde vormen). De enzymen die een fosfaatgroep koppelen op de –OH groep in de zijketens van deze aminozuren wanneer deze op een specifieke plaats in een eiwit aanwezig zijn, worden kinasen genoemd; deze die de fosfaatgroep er opnieuw afhalen (door hydrolyse) worden fosfatasen genoemd (zie ook later). Figuur 2.12 Sommige aminozuren die we zelf aanmaken of deze die we halen uit de vertering (via metabole afbraak) van eiwitten in ons voedsel kunnen door chemische reacties omgebouwd worden tot nieuwe moleculen die een eigen biologische functie hebben (dus niet als bouwsteen in een eiwit). Deze worden aminozuurderivaten genoemd. Goed gekende voorbeelden zijn dopamine (een neurotransmittor aangemaakt in de hersenen uit de aminozuren Phe en Tyr), histamine (dit wordt vrijgesteld bij allergische reacties en gemaakt uit His) en thyroxine (een schildklierhormoon dat de snelheid van bepaalde metabole processen regelt en gemaakt wordt uit het aminozuur Tyr). 2.3. De peptidenbinding Alfa-aminozuren kunnen covalent op elkaar binden met vorming van lange lineaire ketens (zie biopolymeer, inleiding). Bij deze chemische reactie ontstaat een CO-NH binding (amidebinding). Bij de koppeling van aminozuren wordt deze een peptidenbinding genoemd. De reactie treedt op tussen de -COOH-groep (op C) van een eerste aminozuur en de NH2-groep (op C) van het volgend aminozuur. Hierbij wordt een watermolecule afgesplitst wordt (Figuur 2.13). Deze reactie vereist input van vrije energie. Figuur 2.13: Vorming van de peptidenbinding (een amidebinding, in kader); Let wel: de functionele groepen zijn hier niet getoond bij fysiologische pH. Dipeptiden, tripeptide en oligopeptiden bevatten twee, drie of een beperkt aantal aminozuren (

Syllabus Chemie & Inleiding tot de Biochemie Bachelor 1 PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue