Biochemie Past Paper 2024-2025 PDF

Biochemie 2024 - 2025 2 Inhoud 1. VERSCHILLENDE ORGANISMEN – VERSCHILLEND METABOLISME __________________ 9 1.1. Autotrofe en heterotrofe organismen _______________________________________________ 9 1.2. De prokaryote en eukaryote cel ___________________________________________________ 9 1.2.1. Prokaryote cel________________________________________________________________ 10 1.2.1.1. Kernmateriaal (bacterieel chromosoom of nucleoid) __________________________________ 10 1.2.1.2. Cytoplasma__________________________________________________________________ 11 1.2.1.3. Cytoplasmamembraan of plasmalemma ___________________________________________ 11 1.2.1.4. Celwand 12 1.2.1.5. Kapsel (glycocalyx)____________________________________________________________ 15 1.2.1.6. Pili en flagellen (Pilus, Flagellum en Fimbrae) _______________________________________ 15 1.2.2. Eukaryote cel ________________________________________________________________ 16 1.2.2.1. Grootte 17 1.2.2.2. Membranen _________________________________________________________________ 17 1.2.2.3. Cytoplasma__________________________________________________________________ 18 1.2.2.4. Organellen __________________________________________________________________ 18 2. ENZYMEN __________________________________________________________________ 22 2.1. Naamgeving van enzymen ______________________________________________________ 23 2.2. Indeling van enzymen__________________________________________________________ 23 2.2.1. Oxidoreductasen _____________________________________________________________ 24 2.2.2. Transferasen ________________________________________________________________ 26 2.2.3. Hydrolasen __________________________________________________________________ 26 2.2.4. Lyasen 27 2.2.5. Isomerasen __________________________________________________________________ 28 2.2.6. Ligasen _____________________________________________________________________ 29 2.3. Werking van enzymen _________________________________________________________ 30 De katalytische activiteit van een enzym is gelokaliseerd in een zeer beperkt gebied van een enzymmolecuul, bekend als de actieve plaats. _____________________________________ 30 2.4. Coënzymen _________________________________________________________________ 32 2.5. Factoren die enzymactiviteit beïnvloeden __________________________________________ 33 2.6. Kinetiek van de enzymkatalyse __________________________________________________ 33 3 2.7. Controlemechanismen voor enzymactiviteit : ________________________________________ 34 Allosterische effecten __________________________________________________________________ 34 3. CO-ENZYMES _______________________________________________________________ 35 3.1. ATP (adenosine-5’-trifosfaat) en de ander nucleoside di- en trifosfaten ____________________ 35 3.2. NMN (nicotinamidemononucleotide) – NAD+ (nicotinamide-adenine-dinucleotide) – NADP+ (nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat) ___________________________________ 37 3.3. FMN (flavinemononucleotide) – FAD (flavine-adenine-dinucleotide) ______________________ 38 3.4. cAMP (cyclisch AMP – 3’-5’-adenosinemonofosfaat) __________________________________ 39 3.5. Coënzyme A of CoA-SH ________________________________________________________ 39 3.6. S-adenosylmethionine _________________________________________________________ 40 3.7. Pyridoxaalfosfaat (PLP) of vitamine B6 ____________________________________________ 40 3.8. Foliumzuur __________________________________________________________________ 41 3.9. Vitamine B12 of cobalamine _____________________________________________________ 42 3.10. Biotine of vitamine H of vitamin B8 ________________________________________________ 43 3.11. Thiaminepyrofosfaat of geactiveerd vitamine B1 _____________________________________ 44 3.12. Lipoïnezuur __________________________________________________________________ 45 4. TRANSPORT VAN BIOMOLECULEN DOORHEEN CELMEMBRANEN __________________ 46 4.1. Passief transport______________________________________________________________ 48 4.1.1. Vrije diffusie _________________________________________________________________ 48 4.1.2. Osmose ____________________________________________________________________ 48 4.1.3. Versnelde diffusie (‘facilitated diffusion’) ____________________________________________ 49 4.2. Actief transport _______________________________________________________________ 49 4.3. Groepstranslocatie ____________________________________________________________ 50 5. METABOLISCHE CYCLI _______________________________________________________ 53 6. METABOLISME VAN DE POLYSACCHARIDEN ____________________________________ 54 6.1. Glycogeen metabolisme ________________________________________________________ 54 6.1.1. Glycogenolyse _______________________________________________________________ 55 6.1.1.1. Reactiemechanisme ___________________________________________________________ 55 6.1.1.2. regulatie 57 6.1.2. Glycogenese_________________________________________________________________ 57 6.1.2.1. Reactiemechanisme ___________________________________________________________ 57 6.1.2.2. regulatie 58 A. de glycogeenafbraak __________________________________________________________ 58 B. de glycogeenopbouw __________________________________________________________ 59 C. relatie glycogeenopbouw - glycogeenafbraak _______________________________________ 59 4 6.2. Glycolyse ___________________________________________________________________ 61 6.2.1. Algemene reactie _____________________________________________________________ 61 6.2.2. Cyclus 62 6.2.3. Cyclus met structuurformules ____________________________________________________ 63 6.2.4. Samengevat _________________________________________________________________ 64 6.2.5. Belangrijke aspecten __________________________________________________________ 65 Reactie 1: glucose + ATP → glucose-6-fosfaat + ADP _________________________________________ 65 Reactie 3: fructose-6-fosfaat + ATP → fructose-1,6-bifosfaat + ADP ______________________________ 66 Reactie 6: glyceraldehyde-3-fosfaat → 1,3-bifosfoglycerinezuur _______________________________ 66 Reactie 7: 1,3-bifosfoglycerinezuur + ADP → 3-fosfoglycerinezuur + ATP _______________________ 66 Reactie 10: fosfoënolpyrodruivenzuur → enolpyrodruivenzuur → pyrodruivenzuur __________________ 67 6.2.6. Na de glycolyse ______________________________________________________________ 67 6.2.7. Andere monosacchariden_______________________________________________________ 68 6.2.8. Regulatie ___________________________________________________________________ 69 i. hexokinase __________________________________________________________________ 69 ii. fosfofructokinase _____________________________________________________________ 70 iii. pyrodruivenzuur kinase en fosfoglycerinezuur kinase _________________________________ 70 6.3. Anaerobe ademhaling (gisting)___________________________________________________ 71 6.3.1. Melkzuurgisting_______________________________________________________________ 71 6.3.2. Alcoholgisting ________________________________________________________________ 71 6.3.3. Energetische overwegingen _____________________________________________________ 72 6.4. Aerobe ademhaling ___________________________________________________________ 73 6.4.1. Oxidatieve decarboxylatie van pyrodruivenzuur ______________________________________ 73 6.4.1.1. algemene reactie _____________________________________________________________ 73 6.4.1.2. cyclus 74 6.4.1.3. regulatie 75 6.4.2. Citroenzuurcyclus (Krebscyclus) _________________________________________________ 76 6.4.2.1. algemene reactie _____________________________________________________________ 76 6.4.2.2. Cyclus 77 5 6.4.2.3. Belangrijke aspecten __________________________________________________________ 78 6.4.2.4. Regulatie ___________________________________________________________________ 80 6.4.2.5. anaplerotische reacties_________________________________________________________ 80 6.4.3. Elektrontransferketen – oxidatieve fosforylatie _______________________________________ 82 6.4.3.1. algemene reactie _____________________________________________________________ 83 6.4.3.2. cyclus 83 6.4.3.3. Reacties 85 6.4.3.4. regulatie 87 6.5. Energie berekening bij de oxidatieve afbraak van polysacchariden _______________________ 87 6.6. Pentosefosfaatweg ____________________________________________________________ 88 6.6.1. algemene reactie _____________________________________________________________ 89 6.6.2. cyclus 89 6.6.3. Belangrijke aspecten __________________________________________________________ 89 6.6.3.1. oxidatieve fase _______________________________________________________________ 89 6.6.3.2. Niet-oxidatieve fase ___________________________________________________________ 90 6.6.4. regulatie ____________________________________________________________________ 91 6.7. Gluconeogenese _____________________________________________________________ 92 6.7.1. algemene reactie _____________________________________________________________ 92 6.7.2. cyclus 93 6.7.3. Belangrijke reacties ___________________________________________________________ 94 1. omzetting van pyrodruivenzuur in fosfoënolpyrodruivenzuur ____________________________ 94 2. omzetting van fructose-1,6-bifosfaat in fructose-6-fosfaat ______________________________ 94 3. omzetting van glucose-6-fosfaat in glucose _________________________________________ 94 6.7.4. regulatie ____________________________________________________________________ 95 6.8. Samenvatting regulatie van het glucose metabolisme _________________________________ 97 7. METABOLISME VAN DE LIPIDEN _______________________________________________ 98 7.1. Inleiding ____________________________________________________________________ 98 7.2. Transport naar weefsels _______________________________________________________ 100 7.2.1. Lipoproteinen _______________________________________________________________ 101 7.2.2. Exogene en endogene pathway van vet __________________________________________ 101 7.2.3. Gebruik van vetten uit de voeding _______________________________________________ 102 6 7.2.3.1. Rol van gal en pancreas _______________________________________________________ 102 7.2.3.2. Vorming chylomicronen _______________________________________________________ 103 7.3. Lipolyse ___________________________________________________________________ 104 7.3.1. reactie 104 7.3.2. regulatie ___________________________________________________________________ 105 7.4. Afbraak glycerol _____________________________________________________________ 107 7.5. β-oxidatie (vetzuurafbraak) _____________________________________________________ 108 7.5.1. Algemene reactie ____________________________________________________________ 108 7.5.2. Cyclus 108 7.5.3. Belangrijke aspecten _________________________________________________________ 108 7.5.3.1. activatie en transport _________________________________________________________ 108 7.5.3.2. oxidatie 110 7.5.4. Afbraak van mono-onverzadigde vetzuren _________________________________________ 112 7.5.5. Afbraak van meervoudig onverzadigde vetzuren ____________________________________ 112 7.5.6. regulatie ___________________________________________________________________ 112 7.6. Energieberekening ___________________________________________________________ 114 7.7. Ketonlichamen ______________________________________________________________ 116 7.8. Vetzuursynthese _____________________________________________________________ 119 7.8.1. Algemene reactie ____________________________________________________________ 119 7.8.2. Cyclus 119 7.8.3. Belangrijke aspecten _________________________________________________________ 120 7.8.4. Regulatie __________________________________________________________________ 122 7.9. Vergelijking anabolisme-katabolisme van de lipiden _________________________________ 123 7.10. Synthese triglyceriden ________________________________________________________ 124 8. INTERORGANISCHE EN INTRACELLULAIRE COORDINATIE VAN HET ENERGIEMETABOLISME IN VERTEBRATEN (APLLING, 2018) ______________________ 125 8.1. Inleiding ___________________________________________________________________ 125 8.2. Onderlinge afhankelijkheid van de belangrijkste organen in het brandstofmetabolisme van gewervelde dieren ______________________________________ 125 8.2.1. Brandstof input en output ______________________________________________________ 125 8.2.2. Verdeling metabole processen tussen de belangrijkste organen ________________________ 126 8.2.2.1. Hersenen __________________________________________________________________ 127 8.2.2.2. Spieren 127 7 8.2.2.3. Hart 128 8.2.2.4. Vetweefsel _________________________________________________________________ 128 8.2.2.5. Lever 128 8.2.2.6. Bloed 129 8.3. Hormonale regulatie van het brandstof metabolisme _________________________________ 130 8.3.1. Acties van de belangrijkste hormonen ____________________________________________ 130 8.3.1.1. Insuline 130 8.3.1.2. Glucagon __________________________________________________________________ 131 8.3.1.3. Epinefrine of adrenaline _______________________________________________________ 132 9. METABOLISME VAN N-BEVATTENDE STOFFEN _________________________________ 133 9.1. Inleiding ___________________________________________________________________ 133 9.2. Vertering van eiwitten _________________________________________________________ 134 9.2.1. Inleiding ___________________________________________________________________ 134 9.2.2. Vertering van eiwitten in de maag _______________________________________________ 134 9.2.3. Vertering van eiwitten in de dunne darm en de rol van de alvleesklier (pancreas) __________ 134 9.2.4. Opname van eiwitten in de dunne darm ___________________________________________ 135 9.3. Katabolisme van de aminozuren ________________________________________________ 136 9.3.1. Transaminatiereacties ________________________________________________________ 136 9.3.2. Detoxificatie en excretie van ammoniak ___________________________________________ 137 9.3.3. Transport ammoniak naar lever _________________________________________________ 137 9.3.4. Ureum cyclus _______________________________________________________________ 138 9.3.4.1. Algemene reactie ____________________________________________________________ 138 9.3.4.2. Cyclus 139 9.3.4.3. Meer in detail _______________________________________________________________ 139 9.3.5. Katabolisme : C-skelet van aminozuren (Aplling, 2018) _______________________________ 143 9.4. Anabolisme aminozuren _______________________________________________________ 143 9.4.1. De novo synthese van aminozuren. ______________________________________________ 144 10. METABOLISME IN PLANTEN (EN SOMMIGE MICRO-ORGANISMEN) _________________ 146 10.1. Fotosynthese _______________________________________________________________ 146 10.1.1. algemene reactie ____________________________________________________________ 147 10.1.1.1. lichtreacties_________________________________________________________________ 147 8 10.1.1.2. donkere reacties _____________________________________________________________ 147 10.1.2. Fotosynthetiserende pigmenten _________________________________________________ 147 10.1.2.1. caroteen 147 xanthofyl 148 10.1.2.2. chlorofyl 148 10.1.3. Cyclus _____________________________________________________________________ 148 10.1.3.1. lichtreacties_________________________________________________________________ 148 10.1.3.2. donkere reacties (Calvin-Benson-cyclus) __________________________________________ 149 10.1.4. Belangrijke aspecten _________________________________________________________ 149 10.1.4.1. lichtreacties_________________________________________________________________ 149 10.1.4.2. donkere reacties _____________________________________________________________ 152 10.2. Fotorespiratie _______________________________________________________________ 154 10.2.1. C4 -planten _________________________________________________________________ 157 10.2.2. CAM -planten _______________________________________________________________ 158 10.3. Vorming van zetmeel en saccharose in de plant ____________________________________ 158 10.4. Afbraak van zetmeel __________________________________________________________ 160 10.5. De glyoxylaatcyclus : anabole variant op de citroenzuurcyclus (Aplling, 2018) _____________ 162 10.5.1. Inleiding ___________________________________________________________________ 162 10.5.2. Cyclus _____________________________________________________________________ 162 9 1. Verschillende organismen – verschillend metabolisme 1.1. Autotrofe en heterotrofe organismen De meeste organismen halen hun materiaal en energie voor de biosynthese uit ‘brandstof’-moleculen zoals glucose, vetten,... In alle aerobe organismen bestaat het reactiemechanisme uit een oxidatie van ‘brandstof’-moleculen en de synthese van biomoleculen uit de ontstane fragmenten. Bij de aerobe organismen is er wel een onderscheid in keuze van ‘brandstof’-moleculen. De autotrofen zullen glucose en alle andere organische moleculen synthetiseren uit anorganisch koolstof zoals CO 2. Heterotrofen echter kunnen de noodzakelijke organische verbindingen alleen synthetiseren uit andere organische verbindingen, die zij dus via voedsel moeten opnemen. Planten zijn autotroof en dieren zijn heterotroof. Planten, op enkele uitzonderingen na, bekomen hun organische koolstof via fotosynthetische fixatie van CO2. Dieren nemen planten of andere dieren als voedselbron en vormen de opgenomen organische verbindingen om in bruikbare verbindingen. Figuur 1-1 fotosynthese versus respiratie De aerobe organismen hebben zuurstof nodig voor de ademhaling, waarbij O2 noodzakelijk is bij de aanmaak van energie. (zie later stap 4 van het metabolisme van koolhydraten). Micro-organismen hebben meerdere mogelijkheden om aan biosynthese te doen en energie op te nemen. (Dit werd besproken in de lessen microbiologie van het eerste jaar.) Vele micro-organismen kunnen ook overleven in anaerobe omstandigheden. Zij halen hun metabolische energie uit processen die geen O2 vereisen. 1.2. De prokaryote en eukaryote cel Uit de classificatie van de levende organismen weten we dat er twee typen cellen bestaan, de prokaryote en de eukaryote cel. De prokaryote cel is de meest eenvoudige en bevat nagenoeg geen compartimentering. De meeste metabolische reacties verlopen dan ook in het cytosol of in de buurt van het plasmamembraan. 10 De eukaryote cel is veel complexer en bevat verschillende organellen die elk nog eens door een membraan zijn omgeven en dus aparte compartimenten binnen de cel vormen. Dit heeft als voordeel dat er verschillende metabolische processen binnen de compartimenten kunnen doorgaan zonder dat deze elkaar verstoren. Verteringsenzymen bijvoorbeeld worden gevormd in het RER en vervolgens verpakt in lysosomen, want zouden ze vrijkomen in het cytoplasma, dan zouden ze de cel zelf afbreken, met vaak de celdood tot gevolg. We bespreken hier kort de verschillende onderdelen van de twee typen cellen. 1.2.1. Prokaryote cel In onderstaande figuur wordt een schematische voorstelling gegeven van een prokaryote cel. Figuur 1-2 Prokaryote cel 1.2.1.1. Kernmateriaal (bacterieel chromosoom of nucleoid) Een prokaryote cel is een cel zonder celkern, wat inhoudt dat het DNA zich niet in een door een membraan afgescheiden compartiment (de celkern) bevindt binnen de cel, maar los door de cel zweeft. Het kernmateriaal bestaat meestal uit ringvormig dubbelstrengig DNA. Er kunnen gelijktijdig meerdere kopieën in de cel voorkomen. De lengte van het kernmateriaal kan sterk verschillen. Het kernmateriaal is niet verder georganiseerd in histonen en chromatine zoals bij de eukaryoten, maar kan wel ‘supercoiled’ zijn. Naast het chromosomaal DNA kunnen prokaryote cellen soms ook nog kleine stukjes DNA bevatten die men plasmiden noemt. 11 1.2.1.2. Cytoplasma Het cytoplasma bestaat uit het cytosol (de vloeibare basissubstantie) en de insluitsels die erin drijven. Het cytosol bestaat uit water, eiwitten, RNA, aminozuren (de bouwstenen van eiwitten), suikers, ionen, en vele andere. Het cytoplasma bestaat voor 60 tot 95% uit water. Tot het cytosol behoort ook het cytoskelet. Het cytoskelet is een netwerk van eiwitten dat zich ook in het cytoplasma bevindt en o.a. stevigheid en vorm geeft aan de cel. De aanwezige insluitsels zijn o.a. ribosomen, polysomen en vacuolen of granulen. Het ribosoom is een complex van eiwitten en RNA ketens in de cel dat heel belangrijk is voor de opbouw van eiwitten. Ribosomen bestaan uit twee delen, een groot en een klein deel (zie nucleïnezuren). Soms worden nog andere insluitsels aangetroffen die men granulen of vacuolen noemt, zij bevatten meestal reservemateriaal voor de cel. Bij vele bacteriën komen instulpingen voor van het cytoplasmamembraan die mesosomen genoemd worden. Ze zijn vaak spiraalvormig opgerold of buisvormig. Ze spelen een rol bij de celdeling. 1.2.1.3. Cytoplasmamembraan of plasmalemma Het celmembraan of plasmamembraan is een structuur rond een cel, opgebouwd uit een dubbele fosfolipide laag, eiwitten en cholesterol. Het celmembraan is semipermeabel ofwel selectief doorlatend. Sommige van de eiwitten spelen een rol in het transport van stoffen, andere zijn dan weer enzymen of dienen als herkenningspunten voor regulerende stoffen zoals hormonen. Figuur 1-3 Plasmamembraan Het celmembraan bestaat in de eenvoudigste vorm uit een dubbele laag fosfolipiden. Dit zijn langgerekte, sterk polaire moleculen bestaande uit een sterk hydrofiele kop en een lange, hydrofobe staart (=amfipatisch). De staarten steken naar elkaar toe terwijl de koppen aan weerszijden van het membraan naar de waterige celinhoud, respectievelijk naar de waterige omgeving van de cel gekeerd zijn. Vetoplosbare stoffen hebben de neiging in de binnenlaag te gaan zitten en kunnen zich daar gemakkelijk bewegen. Mogelijke fosfolipiden in het celmembraan zijn: fosfatidylinositol en fosfatidylcholine (vooral in 12 de buitenste lipidenlaag aanwezig)en fosfatidylserine en fosfatidylethanolamine (vooral in de binnenste lipidenlaag aanwezig). Het celmembraan bestaat echter niet alleen uit fosfolipiden. Sommige lipiden zoals sfingomyeline, cholesterol, galactocerebroside,... maken de membraan minder vloeibaar. Geladen moleculen en ionen kunnen in principe niet zonder meer door een celmembraan heen. Een belangrijk deel van de functies van de cel maakt hier gebruik van, bv. bij fotosynthese is de ladingsscheiding van vitaal belang. Bij celademhaling is het essentieel dat protonen (waterstofionen) aan weerszijden van het membraan in verschillende concentratie kunnen voorkomen. Bij signaaloverdracht en spiercontractie speelt de gereguleerde doorlaatbaarheid voor allerlei andere ionen (Na+, K+, Ca2+) een rol. De kanalen in het celmembraan zijn voor hun doorgankelijkheid vaak afhankelijk van de celpotentiaal. Het celmembraan kan voor enkele stoffen ook via osmose doorlaatbaar zijn. Op deze manier is het celmembraan van groot belang voor de samenstelling van onder andere het cytoplasma. Een beschadigd celmembraan betekent meestal de dood van de cel. Het celmembraan speelt een belangrijke rol in de relatie tussen een cel en haar omgeving. Door haar actieve rol kan de cel reageren op uitwendige stimuli. 1.2.1.4. Celwand De celwand bevindt zich buiten het celmembraan. De celwand is een dun en elastisch omhulsel en is aanwezig in praktisch alle bacteriënsoorten. In tegenstelling tot het plasmalemma is de celwand permeabel voor zouten en talrijke laagmoleculaire stoffen; hij belet echter wel de doorgang van grote moleculen. De functie van de celwand is in de eerste plaats mechanisch: om fysische krachten op te vangen, waaronder ook bescherming tegen indringers. De celwand speelt een rol bij het tot stand komen van turgor; ze zorgt voor tegendruk als de cel door wateropname opzwelt. Het steunskelet van de celwand wordt gevormd door een peptidoglycan.Het peptidoglycan bestaat uit ketens waarin N-acetylglucosamine (NAG) en N-acetylmuraminezuur (een melkzuurether van N-acetylglucosamine) (NAM) afwisselen en door β-1,4-bindingen verbonden zijn. Deze ketens zijn onderling verbonden door korte peptideketens, waarin ook D-aminozuren voorkomen. De peptideketens verschillen naargelang de soort bacterie. Bij Gram-positieve bacteriën bestaat het peptidoglycan uit meerdere lagen van het polysaccharide- peptide complex. De lange polysaccharideketens die bestaan uit strikt alternerende NAM en NAG zijn onderling verbonden, via het melkzuurgedeelte van NAM, door ltetrapeptiden met als sequentie: (L-Ala)- (D-Glu)-(L-Lys)-(D-Aa). Aan de aminogroep van elk lysine-residu is een pentapeptide gebonden, bestaande uit allemaal glycineresidu’s, dat op zijn beurt aan het andere uiteinde gebonden is aan het terminaal D-alanine residu van een aanliggende keten. Op deze manier wordt een covalent gecrosslinkte stuctuur bekomen die de hele cel omsluit. De hele celwand kan gezien worden als één enkel enorm molecule dat bestaat uit verschillende lagen gecrosslinkte peptidoglycanketens. Verder komen er bij Gram-positieve bacteriën ook lange lipiden-oligosaccharide-complexen voor, lipoteichoïnezuren genaamd. De teichoïnezuren zijn gebonden aan lipiden in het celmembraan of aan 13 alanine. Ze geven steun aan de celwand. De wand is negatief geladen vanwege de fosfodiësterbindingen in de teichoïnezuren. Figuur 1-4 Peptidoglycan Figuur 1-5 Teichoïnezuur Bij Gram-negatieve bacteriën is de peptidoglycanlaag veel dunner, het bestaat uit slechts één laag met daarbovenop een buitenste fosfolipidendubbellaag. De polysaccharidestructuur is hetzelfde maar de peptideketens en hun binding met de polysacchariden is verschillend (zie figuur). De fosfolipidendubbellaag maakt de celwand ondoordringbaar voor geladen deeltjes. Tussen de twee fosfolipidendubbellagen bevindt zich het periplasma. Het periplasma bevat ionen, suikers, aminozuren en de peptidoglycanlaag. Verder bevat het ook proteïnen verantwoordelijk voor substraatbinding, hydrolyse en het ontvangen van extracellulaire signalen. Figuur 1-6 peptidoglycanlaag van Gram-negatieve bacteriën 14 Figuur 1-7 Celwand van Gram-positieve- en Gram-negatieve bacteriën Het enzym lysozyme kan de binding tussen NAM en NAG hydrolyseren. Hiervan kan gebruik gemaakt worden om de celwand van bacteriën te verwijderen. Penicilline belemmert de vorming van dwarsverbindingen tussen de peptideketens. Bacteriën beschikken over penicilline bindingsproteïnes (PBP). Deze bindingsproteïne binden penilcilline dat op zijn beurt de dwarsverbinding tussen het peptidoglycan kapot maakt. Figuur 1-8 Werking van lysozyme (hydrolyse van NAG-NAM binding) 15 Figuur 1-9 Werking van penicilline 1.2.1.5. Kapsel (glycocalyx) Kapsels worden door diverse bacteriën gemaakt. Het kapsel is niet onmisbaar voor de levensvatbaarheid. In het algemeen is het wel zo dat een pathogene bacterie alleen ziekteverwekkend is wanneer het kapsel aanwezig is. Bacteriën met kapsels vormen ‘gladde’ kolonies op kweekplaten; kapselloze stammen vormen ruwe kolonies. Kapsels kunnen uit diverse polysacchariden bestaan of uit polypeptiden. Bij groei op saccharose produceren sommige bacteriën een dextraan of een levaan. Dit zijn polymeren die hoofdzakelijk uit glucose respectievelijk fructose bestaan. 1.2.1.6. Pili en flagellen (Pilus, Flagellum en Fimbrae) Flagellen en pili zijn lange structuren die door de celwand heen naar buiten steken en uit speciale eiwitmoleculen bestaan. De pili zijn opgebouwd uit één enkel soort eiwit, piline, met een relatieve molecuulmassa van 16.600. Er bestaan twee typen pili; de F-pili helpen bij de overbrenging van nucleïnezuren bij de conjugatie en bij de infectie door bepaalde virussen. De gewone pili zorgen ervoor dat de cel zich aan bepaalde oppervlakken kan hechten. Flagellen bestaan ook uitsluitend uit één eiwit, flagelline. Flagellen zorgen voor de voortbeweging van een eencellig organisme. Beweging door middel van flagellen vindt meestal plaats in water. 16 1.2.2. Eukaryote cel 17 1.2.2.1. Grootte De grootte van cellen is zeer variabel; de kleinste dierlijke cellen zijn ongeveer 4 µm in diameter, de grootste – bijv. de dooier van een vogelei – enige centimeters. In geïsoleerde toestand zijn dierlijke cellen gewoonlijk bolrond of spoelvormig; in weefselverband zijn zij plat prismatisch, langgerekt prismatisch of kubisch; door wederzijdse samendrukking worden het veelvlakken. Sommige cellen hebben geen vaste vorm, maar zijn variabel, zoals de cellen uit het bloed. De cellen van planten lopen in vorm en grootte sterk uiteen. Gemiddelde afmetingen zijn 15 – 100 µm, maar plantenvezels kunnen zeer lang zijn, bijv. bij katoen, hennep en vlas tot 50 mm. Bij enkele zeewieren (Valoniaceae) bereiken de cellen een inhoud van 10 ml. Men vindt bij de hogere planten bolronde, cilindrische, kubus -, plaat - of vezelvormige cellen. Ook de eencelligen vertonen een grote vormverscheidenheid. 1.2.2.2. Membranen De cellen van eukaryote organismen bevatten verschillende typen membranen. Eukaryote cellen bestaan steeds uit een door een celmembraan omgeven hoeveelheid cytoplasma, waar een aantal celorganen (organellen) van verschillende vorm, grootte en functie in zijn ingebed. Alle organellen (behalve de ribosomen) zijn omgeven door een membraan:de intracellulaire membraan. Bij sommige organellen is deze membraan in feite een dubbele membraan, hetgeen een aanwijzing is dat dit organel vroeger zelfstandig was. Alle membranen bestaan uit lipiden en eiwitten. De lipiden zijn voornamelijk fosfolipiden, hoewel in sommige membranen ook cholesterol een belangrijk bestanddeel vormt. De fosfolipiden vormen een dubbellaag met een dikte van 8–10 nanometer waarbij hun hydrofiele groepen naar buiten zijn gekeerd terwijl de hydrofobe vetzuurstaarten naar elkaar toe zijn gericht. De eiwitten die deel uitmaken van het membraan worden onderverdeeld in twee groepen. De intrinsieke of integrale eiwitten bevinden zich geheel of gedeeltelijk in de fosfolipide-dubbellaag. Sommige van deze eiwitten steken zelfs dwars door de dubbellaag heen. In dat geval spreekt men van een transmembraaneiwit. Naast homogene eiwitten komen in het membraan ook glycoproteïnen en glycolipiden voor. Saccharideketens spelen een belangrijke rol bij de communicatie tussen verschillende cellen (herkenning, hechting). De laag sacchariden speelt een rol bij de tot standkoming van de celmantel (glycocalyx) aan de buitenzijde van het celmembraan. Zowel de fosfolipidemoleculen als de eiwitten bezitten een zekere beweeglijkheid in het vlak van het membraan (laterale diffusie). Er vindt daarbij echter geen uitwisseling van moleculen tussen de beide helften van de dubbellaag plaats. Ook de oriëntatie van de eiwitmoleculen ten opzichte van beide helften van de dubbellaag blijft hetzelfde. De beide zijden van het membraan zijn dus niet identiek, iets wat direct samenhangt met de biologische functie van biomembranen. De mate van vloeibaarheid is afhankelijk van de samenstelling van het membraan. De aanwezigheid van bijv. onverzadigde vetzuurketens in de fosfolipiden verhoogt deze vloeibaarheid. De aanwezigheid van cholesterol daarentegen verlaagt de beweeglijkheid van de moleculen in de dubbellaag. De betekenis van de membranen is tweeledig, aan de ene kant die van een scheiding tussen de cel (het organel) en de omgeving, aan de andere kant juist die van een verbinding tussen beide: alle stoffen die de cel of het organel in - of uitgaan moeten de membraan passeren. De membranen zijn selectief permeabel, dwz. zij laten sommige stoffen gemakkelijk, andere moeilijk tot vrijwel niet door. 18 1.2.2.3. Cytoplasma Het cytoplasma bevat eiwitten die deels een enzymfunctie hebben; het heeft in actieve cellen een hoog watergehalte (60–95%, in plantaardige weefsels soms tot 98%). In het water zijn ionen en tal van laagmoleculaire organische stoffen opgelost, zoals aminozuren en suikers. 1.2.2.4. Organellen In het cytoplasma is een netwerk van vertakte buisjes aanwezig, die door een membraan zijn omgeven, het endoplasmatisch reticulum (= endoplasmatisch netwerk, veelal afgekort als ER). Deze buisjes staan in verbinding met de kernmembraan en zijn van belang voor het transport van stoffen binnen de cel. Men onderscheidt glad en ruw ER. Het ruwe is bezet met een groot aantal ribosomen, deze ontbreken in het gladde ER. Het gladde ER staat vaak in verbinding met het ruwe ER. Toch betreft het een geheel ander organelcomplex dat in de meeste cellen minder op de voorgrond treedt, maar betrokken kan zijn bij zeer uiteenlopende celfysiologische processen (bijv. de productie van steroïde hormonen in de schors van de bijnier). De ribosomen zijn zeer kleine lichaampjes die uit ribonucleïnezuur (RNA) en eiwit zijn opgebouwd en verantwoordelijk zijn voor de synthese van de eiwitten. Ribosomen bevinden zich in het cytoplasma, op het RER, in de mitochondriën en bij planten in de plastiden. Het zijn de enige organellen die niet door een membraan zijn omgeven. De eiwitten die in de ribosomen van het ruw ER gemaakt worden, zullen veelal later naar verschillende celorganellen getransporteerd worden, maar kunnen door de cel ook naar buiten gebracht worden (transporteiwitten), bijv. in de vorm van een secretieproduct. De verdeling van deze eiwitten over hun verschillende eindbestemmingen vindt meestal plaats in een tussenstation, het Golgi-apparaat. Dit is een groepje van door een membraan omgeven kleine holtes waarin de synthese van stoffen voltooid wordt. Dit betreft met name het modificeren, sorteren en afleveren van producten die door het ruwe ER zijn aangevoerd. Van het Golgi-apparaat kunnen zich kleine transportblaasjes afsnoeren die zich verplaatsen naar de buitenmembraan. Hier zullen de blaasjes versmelten met het membraan. Hun inhoud komt zo aan de buitenzijde van de cel terecht. In de mitochondriën wordt de in sacchariden en vetten aanwezige energie omgezet in ATP, wat ter beschikking wordt gesteld van energie vragende reacties in de cel. Het aantal van de hiervoor genoemde soorten organellen per cel is zeer verschillend en hangt nauw samen met de activiteitstoestand van de cel. Zo vindt men er in de cellen van rustende plantenzaden weinig en neemt hun aantal bij beginnende kieming sterk toe. De celkern (nucleus) is het grootste en duidelijkste lichaampje in iedere cel. Meestal is de kern bolrond, soms langgerekt; bij de meeste organismen is er één per cel. De grootte van de celkern ligt veelal tussen ca. 5 en 20 µm. De rustende kern is omgeven door een membraan (soms dubbel) waar poriën in voorkomen. De membraan omsluit de kernvloeistof, waar zich de chromosomen en één of meer kernlichaampjes (nucleoli) in bevinden. Trilharen (ciliën), soms ook zweepharen (flagellen), komen op het buitenoppervlak van de cel voor bij eencelligen, sommige wieren, in trilhaarepitheel bij dieren en bij de spermatozoa van dieren en de spermatozoïden van de lagere planten (tot en met de varens en sommige naaktzadigen). 19 Opmerking: De plantencel verschilt van dierlijke cellen door : het bezit van een buiten het celmembraan gelegen celwand. Deze bestaat uit polysacchariden, meestal cellulose. het bezit van plastiden in jonge cellen het bezit van een aantal vochtblaasjes, de alveolen, die bij volwassen cellen veelal tot één centrale vacuole zijn verenigd. het optreden van fotosynthese in de chloroplasten. 20 Figuur 1-10 Overzicht waar alle processen optreden in de eukaryote cel. 21 Figuur 1-11 Belangrijkste verschillen tussen de prokaryote en de eukaryote cel 22 2. Enzymen Het unieke van een levende cel is, dat deze in staat is een grote verscheidenheid aan reacties met grote efficiëntie en specificiteit te laten verlopen. De belangrijkste stoffen die tussenkomen in de processen in de cel zijn de enzymen. De verbindingen die door de enzymen worden omgezet noemt men substraten. Enzymen zijn eiwitten die ieder op een eigen, specifieke wijze zeer efficiënt de omzetting van een substraat katalyseren. De molecuulmassa en de structuur van enzymen kan zeer sterk variëren. Ribonuclease bijvoorbeeld is een relatief klein eiwit met een molecuulmassa van 13700u. Het bestaat uit één enkele polypeptideketen van 124 aminozuureenheden. Figuur 2-1 Ribonuclease Pyruvaatdehydrogenase is een multi-enzymcomplex met een molecuulmassa van ongeveer 10 miljoen u en bevat ten minste 42 verschillende polypeptiden en cofactoren, die allen nodig zijn voor de biologische activiteit. Figuur 2-2 Pyruvaatdehydrogenase complex 23 Naast het polypeptidegedeelte hebben veel enzymen nog een niet-eiwit component nodig om hun werking te kunnen uitoefenen. Deze component wordt een cofactor genoemd. Wanneer een cofactor nodig is, wordt het eiwitgedeelte het apoënzym genoemd. De cofactor kan een metaalion zijn dat complex aan het enzym gebonden is. Deze wordt dan de metaalionactivator genoemd. Veel enzymen hebben een organisch reagens nodig om de omzetting van substraat naar product tot stand te brengen. Dit kan een verbinding zijn die bijvoorbeeld een hydride-ion, een methylgroep of een acetylgroep overdraagt naar het substraat. Dergelijke organische verbindingen die in vergelijking met het enzym relatief klein zijn, worden coënzymen genoemd. Er zijn coënzymen voor oxidatie, reductie, alkylering, acylering, isomerisatie, decarboxylering,… Een coënzyme is zelf niet specifiek voor een bepaald substraat; het is de combinatie (apo)enzyme + coënzyme die de specificiteit bepaalt. Als een cofactor stevig aan het enzym gebonden zit door middel van covalente of coördinatieverbindingen, dan wordt de cofactor een prosthetische groep genoemd. Sommige coënzymen zitten stevig gebonden aan het enzym als prosthetische groep, andere komen vrij voor en kunnen door verschillende enzymen gebruikt worden. De heemgroep is een bekend voorbeeld van een prosthetische groep en is onder meer gebonden aan de cytochromen en aan hemoglobine. Zoals alle biologische verbindingen hebben enzymen en coënzymen slechts een beperkte levensduur en ze moeten op tijd vervangen worden. Daarom moeten er in een dieet voldoende essentiële aminozuren, vitaminen en metaalionen aanwezig zijn om afgebroken enzymen en coënzymen tijdig te kunnen vervangen. Vitaminen zijn organische moleculen, die onmisbaar zijn voor de opbouw van enzymen en coënzymen, en die niet door het organisme zelf kunnen gemaakt worden. 2.1. Naamgeving van enzymen Vele enzymen kregen in de pionierstijd van de biochemie reeds een naam door toevoeging van de uitgang –ase aan de naam van het substraat bv. urease (hydrolyseert ureum), fosfatase (hydrolyseert fosfaatesters). Deze oudere nomenclatuur is in vele gevallen onpraktisch en soms verwarrend. Het probleem werd erger door het gebruik van heel wat triviale namen, die weinig of geen informatie geven bv. pepsine, chymotrypsine, catalase. Hierdoor en door het steeds maar stijgend aantal ontdekte enzymen werd een systematische nomenclatuur en indeling ontworpen. Dit nieuwe systeem verdeelt de enzymen in zes klassen, elk verdeeld in sub- en subsubklassen. Ieder enzym krijgt een identificatienummer en een systematische naam, steunend op de gekatalyseerde reactie. Voor dagelijks gebruik wordt meestal een triviale naam behouden. Voorbeeld: reactie: hexose + ATP → hexosefosfaat + ADP tiviale naam: hexokinase systematische naam: ATP:hexosefosfaattransferase nummer: EC.2.7.1.1. klasse 2: transferasen subklasse 7: transfer van fosfaat subsubklasse 1: transfer van fosfaat op een alcoholfunctie 2.2. Indeling van enzymen Men kan enzymen indelen op grond van het proces dat zij katalyseren. Ze kunnen ingedeeld worden in zes hoofdgroepen of klassen: 24 Groep 7 : translocasen wordt niet besproken in deze cursus. 2.2.1. Oxidoreductasen Deze enzymen katalyseren redoxprocessen. Elke reactie waarbij een functionele groep met een lage oxidatiestaat omgezet wordt in een functionele groep met een hogere oxidatiestaat, is een oxidatiereactie. Gebeurt het omgekeerde, dan spreekt men van een reductiereactie. Bijvoorbeeld: primaire alcoholen worden in eerste instantie tot het aldehyde en dan tot het carbonzuur met het zelfde aantal koolstofatomen (en structuur) geoxideerd, secundaire alcoholen worden tot het keton met het zelfde koolstofskelet geoxideerd. Tertiaire alcoholen worden niet geoxideerd. Figuur 2-3 Oxidatie van primaire alcoholen Tot de oxidoreductasen behoren de hydrogenasen, dehydrogenasen, oxidasen, reductasen, transhydrogenasen en hydroxylasen,…. Coënzymen die bij deze groep enzymen voorkomen zijn NAD+ en FAD. Enkele voorbeelden van biologische oxidatiereacties met NAD+: 25 Algemene reactie: Sred + S’ox ↔ Sox + S’red Voorbeeld en reductiereacties met NADH vormen CH-OH ketonen omzetten naar chirale alcoholen Dit is een voorbeeld van een dehydrogenatie (van onder naar boven bekeken), een type reactie, die in de cursus nog vaak voorkomt. Dehydrogeneren is in de chemie een reactie waarbij waterstof, hydrogenium, onttrokken wordt aan een molecule. 26 vormen CH-NH2 2.2.2. Transferasen Deze enzymen versnellen overdrachtreacties van groepen zoals methyl-, carboxyl-, acyl-, glycosyl-, amino-, of fosfaat. Tot deze groep behoren onder meer de transfosfatasen (kinasen) en de transaminasen. Een coënzyme dat bij transaminasen een rol speelt is pyridoxaalfosfaat (zie later bij metabolisme van eiwitten). Algemene reactie: S-G + S’ ↔ S + S’-G (G mag niet H zijn) Voorbeeld: 2.6: transfer van N-bevattende groepen 2.1: transfer van een 1-C groep 2.7: transfer van fosfaat EC 2.7.1.1 hexosekinase ATP + hexose à ADP + hexose-6-fosfaat 2.2.3. Hydrolasen Deze enzymen katalyseren hydrolysereacties. Tot deze groep behoren de peptidasen, de esterasen, de glycosidasen en de fosfatasen. Coënzymen zijn niet nodig want water is uiteraard het reagens. Hydrolyse is een type chemische reactie waarbij een chemische verbinding reageert met een watermolecuul en daarbij in tweeën gesplitst wordt. Hydrolyse is in feite het omgekeerde van een condensatiereactie met afsplitsing van water. 27 Er zijn verschillende typen hydrolysereacties: Hydrolyse van een ester levert een carbonzuur en een alcohol (esterasen). Hydrolyse van een amide levert een carbonzuur en een amine op (peptidasen). Hydrolyse van di- en polysacchariden geeft uiteindelijk monosacchariden (suikers) (glycosidasen). Hydrolyse van vetten levert glycerol en vetzuren (lipasen). Hydrolyse van de peptidebinding in eiwitten breekt de eiwitten af tot kleinere polypeptiden en uiteindelijk tot aminozuren (peptidasen). Algemene reactie: S-S’ + H2O ↔ S-H + S’-OH Voorbeeld: hydrolyse van esterbindingen (lipase) hydrolyse van C-N binding die geen peptidebinding is (nitrilase) 2.2.4. Lyasen De lyasen katalyseren de splitsing van C-C-, C-O- en C-N-bindingen door middel van eliminatiereacties ter vorming van een dubbele binding. Tot deze groep behoren de decarboxylasen en de dehydratasen. Algemene reactie: S-C-C-S’ ↔ S-S’ + -C=C- Voorbeeld: C-C lyasen 28 Dit is een voorbeeld van een decarboxylatie. Decarboxylatiereacties komen ook vaak voor bij de studie van het metabolisme. De term decarboxylering beschrijft een reactie waarbij een carboxylgroep afsplitst van de rest van het molecuul in de vorm van een koolstofdioxide (CO2). C-N lyasen C-O lyasen EC 4.2.1.2 fumaraat hydratase (fumarase); (malaat = appelzuur) De reactie is een eliminatiereactie van H2O (dehydratatie). Alcoholen kunnen zulke eliminatiereacties ondergaan. Tertiaire alcoholen ondergaan gemakkelijker dehydratatie dan secundaire en deze weer gemakkelijker dan primaire. 2.2.5. Isomerasen Deze enzymen katalyseren isomerisatiereacties. Ze versnellen dus omzettingen van optische, geometrische en plaatsisomeren. Tot deze groep behoren de isomerasen, de racemasen en de epimerasen. Algemene reactie: S ↔ S’ Voorbeeld: intramoleculaire isomeratie 29 racemisatie epimerisatie : (c) EC 5.1.3.1 ribulose 5-phosphate 3-epimerase 2.2.6. Ligasen Deze enzymen katalyseren de koppeling van twee substraten waarbij een binding van een C-atoom met een O-, N-, S- of een ander atoom gevormd wordt. De energie die voor de bindingsvorming nodig is wordt meestal geleverd door hydrolyse van ATP. Tot deze groep behoren de synthetasen en de carboxylasen. Coënzymen die bij deze categorie enzymen voorkomen zijn coënzyme A en biotine. Algemene reactie: S + S’ + ATP ↔ S-S’ + ADP + Pa Voorbeeld: vorming van C-N-bindingen EC 6.3.1.2 L-glutamaat: NH3 ligase (glutaminesynthetase) L-glutamaat L-glutamine 30 2.3. Werking van enzymen In principe katalyseren enzymen hun reacties op dezelfde wijze als normale anorganische en organische laboratoriumkatalysatoren. Elke katalysator, van welke soort ook, combineert met een reactant en activeert het. In het geval van enzymkatalyse, combineert het enzym (E) met het substraat tot een enzym-substraat- complex (ES), waarna de eigenlijke chemische omzetting van substraat naar product plaatsvindt (EP). Het product (P) en het enzym (E) dissociëren vervolgens, waarna het vrije enzym een nieuw substraatmolecuul kan opnemen. E+S ↔ E.S ↔ E.P ↔ E+P Figuur 2-5 De enzymatische reactie met 1 substraat Zoals reeds eerder vermeld kan een actief enzym bestaan uit een apoproteïne en een coënzyme. In dit geval zijn beiden essentieel voor de katalyse van een specifieke reactie. Beiden zijn dan afzonderlijk niet werkzaam. Biokatalysatoren versnellen een beperkt aantal, meestal slechts één reactie, men zegt dat ze specifiek zijn. Daar in de cel vele reacties opgaan veronderstelt dit een enorm aantal enzymen. Er zijn echter maar een beperkt aantal coënzymen. De katalytische activiteit van een enzym is gelokaliseerd in een zeer beperkt gebied van een enzymmolecuul, bekend als de actieve plaats. Er zijn enzymen die zeer specifiek zijn voor een bepaald substraat (substraatspecificiteit), maar er zijn ook enzymen die een groot aantal verschillende substraten aan één bepaald type reactie kunnen onderwerpen (reactiespecificiteit). Figuur 2-4De enzymatische reactie met Een voorbeeld van een enzym met een absolute substraatspecificiteit is urease; dit 2 substraten enzym hydrolyseert alleen de amidebindingen van ureum maar niet die van andere amiden. Chymotrypsine is een voorbeeld van een enzym met reactiespecificiteit; dit enzym katalyseert de hydrolyse van eiwitten maar ook van eenvoudige esters en amiden. Het feit dat elk enzym voor zijn werking een pH-optimum heeft, hangt nauw samen met de verandering in de interacties tussen substraat en enzym die ontstaan bij verandering van de pH. Doordat in het enzym de bindingsplaatsen die het substraat binden en de groepen die de omzetting van het substraat katalyseren (katalytische groepen) in één bepaalde ruimtelijke oriëntatie ten opzichte van elkaar staan, werken enzymen vaak zeer stereospecifiek. Dit noemt men ook het sleutel-slot model van Fischer 31 Figuur 2-6 Sleutel slot model van Fischer Volgens dit model passen enkel speciale bestanddelen in het actieve centrum van het enzyme, zoals een sleutel in een slot of zoals twee puzzelstukken die in elkaar klikken. De complementaire vorm laat één enkel bestanddeel juist passen en sluit andere uit, die de juiste vorm en afmeting niet bezitten. Een voorbeeld is hieronder weergegeven; alleen het biologisch actieve D (R)-glyceraldehyde heeft een goede binding met het enzyme en wordt enzymatisch omgezet. Indien het actief centrum slechts langs één zijde benaderd kan worden, is er ook slechts één optisch isomeer dat gebonden wordt. Voor enzymen met een brede substraatspecificiteit wordt vaak uitgegaan van het induced-fit-model van Koshland. De bindingsplaatsen aan het enzym zijn niet zo sterk vastgelegd en verschillende substraten kunnen interactie met één of meerdere bindingsplaatsen geven. Door het vormen van zwakke bindingen tussen substraat en enzym ontstaan conformatie-veranderingen in het enzym, waardoor de pasvorm beter wordt en de katalytische groepen zodanig georiënteerd worden dat ze de omzetting van het substraat kunnen katalyseren. Figuur 2-7 Induced-fit-model van Koshland 32 2.4. Coënzymen Vele enzymen versnellen alleen maar biochemische reacties in aanwezigheid van specifieke anorganische ionen of thermostabiele organische moleculen, gekend als coënzymen. Coënzymen nemen deel aan het katalytisch proces tijdens of na de vorming van het enzyme-substraat-complex, terwijl andere factoren, zoals activators, nodig kunnen zijn voor de binding van het substraat aan het enzyme. De coënzymen blijken een rol te spelen in groepstransfer-, isomerie- en redoxreacties en omzetting waar covalente bindingen gevormd worden. De hydrolasen bevatten geen coënzymen. (zie ook indeling van enzymen) Typisch voor de werking van coënzymen is de regeneratie van de cofactor in zijn oorspronkelijke vorm, gekoppeld aan een tweede reactie. Op deze wijze wordt de continue vraag naar coënzymen laag gehouden, want ze pendelen voortdurend van de ene reactie naar de andere. Figuur 2-8 Reductie van NAD+ tot NADH in glycolyse en regeneratie van NAD+ bij de vorming van melkzuur De belangrijkste (organische) coënzymen kunnen in drie groepen ingedeeld worden: 1. coënzymen die zorgen voor de transfer van fosfaten: ATP, GTP, TTP, UTP, CTP 2. coënzymen die zorgen voor de transfer van protonen en elektronen, die dus een rol spelen bij redoxreacties: NAD+, NADP+, FMN, FAD, lipoïnezuur, coënzyme Q,… 3. coënzymen die zorgen voor de transfer van andere groepen en zo de structuur en samenstelling van een substraat wijzigen zodat het gemakkelijker reageert: S-adenosylmethionine (-CH3), coënzyme A (-CO-R), thiaminepyrofosfaat (TPP) (CO2), pyridoxaalfosfaat (CO2, -NH2), lipoïnezuur (-CO-CH3), biotine (CO2),… Sommige metalen (zoals Fe, Mg, Mn, Cu, Zn, Ca) spelen een essentiële katalytische of structurele rol in enzymen. Deze sporenelementen zorgen voor de binding tussen substraat en enzym of bezitten een katalytisch effect. Zo is bijvoorbeeld de aanwezigheid van Mg2+ noodzakelijk bij fosfotransferasen. Mg2+ vormt een complex met de fosfaatgroep en destabiliseert zo de anhydrische binding in ATP. In alcoholdehydrogenase zorgen Zn2+-ionen voor de juiste oriëntatie van NAD+ op het actieve centrum. 33 2.5. Factoren die enzymactiviteit beïnvloeden De enzymactiviteit gaat in functie van de temperatuur door een optimum. Dit is het resultaat van twee tegengestelde effecten: een verhoging van de temperatuur heeft een versnellend effect op alle chemische reacties. Door verhoging van de temperatuur worden vanaf een bepaald punt de enzymen gedenatureerd waardoor de reactiesnelheid dan ook vrij sterk afneemt. De enzymactiviteit manifesteert zich ook slechts tussen bepaalde pH-grenzen waarbinnen een optimum voorkomt. De pH beïnvloedt inderdaad de ruimtelijke structuur van het enzym en ook de dissociatietoestand van de actieve centra en de substraten. Afwijkingen van de optimale pH bemoeilijken de binding tussen enzyme en substraat. Een hoge substraatconcentratie leidt tot een maximale enzymactiviteit. Men zegt dat het enzym dan gesatureerd is, onder normale omstandigheden is een enzym echter nooit gesatureerd. 2.6. Kinetiek van de enzymkatalyse Bij de katalyse van een reactie wordt door de katalysator de activeringsenergie in de snelheidsbepalende stap van de reactie verlaagd. De reactiesnelheid (v) van de meeste enzym gekatalyseerde reacties is recht evenredig met de enzymconcentratie; als dus de concentratie van het enzym verdubbeld wordt, neemt de omzettingssnelheid van het substraat ook met een factor twee toe. Voor substraatconcentraties die veel lager zijn dan de enzymconcentratie geldt: 34 v = k[E].[S] waarbij: k: reactieconstante [E]: enzymconcentratie [S]: substraatconcentratie 2.7. Controlemechanismen voor enzymactiviteit : De enzymen die in een cel aanwezig zijn, kunnen niet allemaal tegelijk actief zijn, want dan zou zich binnen de cel als het ware een chemische explosie voordoen. De reacties die zich binnen de cel moeten afspelen variëren met de tijd. Als er bijvoorbeeld vanuit de hersenen een signaal komt dat er ergens een spier moet samentrekken, dan moet zeer snel een stel enzymen in actie komen. Wanneer de spier moet ontspannen, dan moeten deze enzymen hun activiteiten staken en moeten andere enzymen actief worden. De enzymactiviteiten moeten dus streng gereguleerd worden. Soms is activering nodig, soms remming. Daarbij spelen verschillende controlemechanismen een rol. Allosterische effecten Enzymen met allosterische effecten hebben twee of meer actieve plaatsen. Wanneer geen of nog slechts één van de actieve plaatsen van het enzym bezet is door een substraat, dan past het substraat nog niet goed in de holte, maar zodra beide plaatsen bezet zijn, wordt het enzym in goede conformatie gedwongen en vindt er een goede katalyse plaats. Dit verschijnsel wordt allosterische activering genoemd. Dit houdt dus in dat een actieve plaats van het enzym wordt geactiveerd door een conformatieverandering en deze wordt veroorzaakt door een interactie van een verbinding met het enzym op een andere plaats. Allosterische activering kan worden veroorzaakt door een substraatmolecuul maar ook door een geheel andere verbinding, bijvoorbeeld een hormoon. 35 3. Co-enzymes 3.1. ATP (adenosine-5’-trifosfaat) en de ander nucleoside di- en trifosfaten ATP wordt beschouwd als een energierijke verbinding, omdat bij hydrolyse van de trifosfaatgroep energie vrijkomt die voor andere doeleinden in het metabolisme gebruikt kan worden. Daardoor is deze verbinding geschikt om energie te leveren bij spiercontractie, actief transport, signaalversterking en biosynthese. De hydrolyse van de fosfaat in ATP is een thermodynamisch gunstige reactie; de energie die vrijkomt maakt het mogelijk dat in het metabolisme een thermodynamisch ongunstige reactie toch kan plaatsvinden door deze te koppelen aan de hydrolyse van een voldoende aantal moleculen ATP. In de biosynthese worden daartoe niet-reactieve verbindingen met ATP eerst omgezet in reactieve tussenproducten die daarna vlot de vereiste reactie kunnen uitvoeren. Veel voorkomend is de omzetting door ATP van een hydroxylgroep van een alcohol of een carbonzuur in een fosfaatgroep. De hydroxylgroep met zijn slechte vertrekkende eigenschappen, wordt omgezet in een goede leavinggroep, namelijk in het fosfaatanion. 36 Figuur 3-1Fosfaat binding op een substraat (alcohol of zuur) om een reactie tussenproduct aan te maken Na deze defosforylatie worden ADP en AMP terug gefosforyleerd tot ATP tijdens de ademhaling en fotosynthese. Ook GTP, UTP, TTP en CTP kunnen optreden als coënzyme. Figuur 3-2 ATP, GTP, UTP, CTP en TTP Behalve als energiedragers spelen nucleosidedi- en trifosfaten ook een rol als dragers voor specifieke bouwsteenmoleculen. Uridinedifosfaat (UDP) is een specifieke drager van suikerresidu’s in de biosynthese van di- en polysacchariden. Zo zal UDP-glucose optreden als glucose donor in de biosynthese van glycogeen. Analoog hiermee is cytidinedifosfaatcholine (CDP-choline) een donor van choline tijdens de biosynthese van fosfolipiden. 37 3.2. NMN (nicotinamidemononucleotide) – NAD+ (nicotinamide- adenine-dinucleotide) – NADP+ (nicotinamide-adenine- dinucleotidefosfaat) NMN (nicotinamidemononucleotide) is een mononucleotide want het bestaat uit een suiker een fosfaatgroep en een N-base, nl. nicotinamide. Nicotinamide is het amide van nicotinezuur. De nicotinamidegroep speelt een belangrijke rol in biologische oxidatie- en reductieprocessen, daar hij reversiebel oxidatie en reductie kan ondergaan. nicotinezuur nicotinamide nicotinamidemononucleotide NMN is een voorloper van NAD+ (nicotinamide-adenine-dinucleotide), een zeer belangrijk tussenproduct bij de celademhaling. NAD+ is betrokken bij een groot aantal enzymatische oxidatiereacties van brandstofmoleculen (katabole processen). Het NADH dat bij deze reacties gevormd wordt, treedt op zijn beurt weer op als reductiemiddel in enzymatische reductiereacties (bv. in de elektronentransportketen), waarbij NAD + weer terug gevormd wordt en het energierijke ATP opgebouwd wordt. Op deze wijze speelt het NAD+/NADH-koppel op tal van plaatsen een belangrijke rol in biologische oxidatie- en reductieprocessen. Voor veel enzymen is het een noodzakelijk hulpreagens om een oxidatie- of reductiereactie te kunnen uitvoeren. NAD+ is een coënzyme bij dehydrogenatiereacties waar een hydroxylgroep geoxideerd wordt tot een carbonylgroep. 38 Een analoog derivaat is NADP+ (nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat), dat in gereduceerde vorm (NADPH) een rol speelt bij de reductie van moleculen, gebruikt in biosynthesereacties (anabole processen). Het bevat een extra fosfaatgroep op de 2’-plaats van ribose. Bij de biosynthese van de vetzuren, bijvoorbeeld, worden de vier elektronen die nodig zijn voor de reductie van een carbonylgroep tot een methyleengroep, geleverd door twee moleculen NADPH. NADPH wordt vooral gebruikt in enzym gekatalyseerde anabole reacties, d.i. biosynthese reacties. NAD + wordt gebruikt in enzym gekatalyseerde katabole reacties, bv. de afbraak van suikers. Door twee verschillende energiedragers te gebruiken kan de cel de snelheid van het anabolisme en het katabolisme regelen. 3.3. FMN (flavinemononucleotide) – FAD (flavine-adenine- dinucleotide) FMN (flavinemononucleotide) en FAD (flavine-adenine-dinucleotide) zijn belangrijke coënzymen in enzymatische redoxreacties. De coënzymen zijn enzymatisch gemodificeerde versies van vitamine B 2 (riboflavine) en bevatten als chemisch actief deel het flavinefragment (isoalloxazinering). Fosforylering van de 5’-OH van ribitol (en niet ribose!) geeft FMN en adenosinylering van FMN geeft FAD. 39 Het flavine-ribitolgedeelte van deze moleculen is strikt genomen geen nucleotide omdat de binding tussen het ring-N-atoom en het C-atoom van het alcohol geen glycosidebinding is. De foutieve aanduiding dinucleotide wordt echter toch algemeen gebruikt. Het reactieve gedeelte in dit dinucleotide is de isoalloxazinering. Evenals bij NAD+ worden in totaal twee elektronen door dit ringsysteem opgenomen. FAD is een zwakker oxidatiemiddel dan NAD+. FAD treedt onder andere op als elektronenacceptor in oxidaties van alkanen naar alkenen waarbij FAD gereduceerd wordt tot FADH2. 3.4. cAMP (cyclisch AMP – 3’-5’-adenosinemonofosfaat) cAMP is een ongewoon, maar zeer belangrijk adenosinederivaat. Het wordt gevormd uit adenosinetrifosfaat door adenylaatcyclase, een enzyme, dat beïnvloed wordt door meerdere hormonen o.a. adrenaline. Cyclisch AMP speelt zelf een rol bij de hormonale controle van het suiker- en vetmetabolisme. In cAMP is één fosfaatgroep cyclisch gebonden aan zowel de 5’- als de 3’-OH groep van ribose. 3.5. Coënzyme A of CoA-SH Coënzyme A is opgebouwd uit een cysteamine-eenheid, een panthoteenzuurfragment en adenosinedifosfaat. Het chemisch actieve gedeelte van dit coënzyme is de thiolgroep, vandaar dat het vaak wordt afgekort als CoA-SH. Het lange CoA-gedeelte van CoA-SH dient om goede bindingsinteracties aan te gaan met de enzymen die van dit coënzyme gebruik maken. 40 Het thiolaatanion is door zijn goede polariseerbaarheid een zeer goed nucleofiel en bovendien een zeer goede vertrekkende groep. Deze eigenschap maakt coënzyme A bijzonder geschikt om op te treden in omesteringsreacties. Zo wordt acetylcoënzyme A gebruikt in de biosynthese van vetzuren. Acetylcoënzyme A treedt op als algemeen reagens voor acetyloverdracht op talrijke plaatsen in de cel. 3.6. S-adenosylmethionine S-adenosylmethionine is een actieve vorm van methionine. Het dient als methyldonor in verschillende methylatiereacties, vooral bij afbraak en synthese van aminozuren. Het heeft een positieve lading op zwavel (sulfoniumion). 3.7. Pyridoxaalfosfaat (PLP) of vitamine B6 Pyridoxaalfosfaat is een coëenzyme dat bij transaminasen een rol speelt. Bij transaminasereacties wordt een NH2 groep overgedragen op een ketozuur. Deze reactie speelt een belangrijke rol in het aminozuurmetabolisme. 41 Figuur 3-3 Pyridoxaalfosfaat Figuur 3-4 Transaminasereacties 3.8. Foliumzuur Foliumzuur (vitamine B11 of B9) is nodig voor de groei en goede werking van het lichaam en voor de aanmaak van witte en rode bloedcellen. Foliumzuur is ook belangrijk voor de vroege ontwikkeling van het ongeboren kind. Foliumzuur komt van nature voor in groenten, vooral de groene soorten, volkorenproducten, brood, vlees en zuivel. Natuurlijk voorkomende folaten worden gevormd uit drie verschillende moleculen: een bicyclische, heterocyclische pteridinering; p-aminobenzoëzuur (PABA), die zelf nodig is voor de groei van veel bacteriën; een "staart" van glutamaatresiduen, variërend van drie tot acht of meer residuen. Deze residuen zijn met elkaar verbonden door een amidebinding tussen de γ-carboxyl groep van het eerste glutamaat en de α-aminogroep van de volgende. Deze drie delen worden weergegeven in de algemene structuur van de actieve vorm van het co-enzym tetrahydrofolaat (THF) 42 Figure 3-1 Tetrahydrofolaat (THF) De coenzymatische functie van tetrahydrofolaat (THF) bestaat uit de overdracht van groepen bestaande uit 1 C atoom: methyl, methyleen, en formylgroepen. 3.9. Vitamine B12 of cobalamine Vitamine B12 zit alleen in dierlijke producten, zoals melk, melkproducten, vlees, vleeswaren, vis en eieren. Ook in plantaardige producten kan vitamine B12 voorkomen, bijvoorbeeld in gedroogd zeewier en algen. Maar een groot deel hiervan is een variant die niet actief is en het lichaam niet goed opneemt. Vitamine B12 komt vrijwel alleen in dierlijke producten voor omdat het wordt gemaakt door bepaalde bacteriën in het maag-darmkanaal van dieren. Ook mensen maken op die manier vitamine B12 aan in de dikke darm, maar ons lichaam neemt deze vitamine B12 daar niet op. Daarom is het belangrijk dat we vitamine B12 via de voeding binnenkrijgen. Dieren nemen de vitamine B12 die wordt gemaakt namelijk wél op, waardoor het in hun vlees, eieren en melk terecht komt. Veganisten wordt aangeraden een vitamine B12-supplement te slikken of producten te gebruiken met toegevoegd vitamine B12. De structuur van vitamine B12 is hieronder aangegeven. De R groep kan bestaan uit een methyl, OH, CN of 5′-deoxyadenosylgroep. In de twee bekende coenzymatisch actieve vormen van B12 is ofwel een methyl- ofwel een 5′- deoxyadenosylgroep aanwezig. Methylcobalamine, of methyl-B12 wordt gebruikt in de methioninesynthase reactie, deze zet homocysteine om in methionine. 43 Figuur 3-5 Methionine synthese 5′-Deoxyadenosylcobalamine wordt gebruikt door een aantal enzymen, waaronder methylmalonyl-CoA mutase, dit is een enzyme dat voorkomt in de afbraak van oneven vetzuren. Figure 3-2 Vit B12 of cobalamine 3.10. Biotine of vitamine H of vitamin B8 Biotine speelt bij mensen een belangrijke rol bij de vet- en suikerstofwisseling en bij de productie van vetzuren. Biotine is eveneens nodig voor de opname van vitamine C uit de ingewanden. Biotine is de co-factor van de carboxylase enzymen (specifieker: carboxytransferasen). De werking van dit enzym zorgt ervoor dat in het organisme koolstofdioxide gefixeerd wordt. 44 Figuur 3-6 biotine Biotine speelt een belangrijke rol in de vorming van oxaalacetaat, wat een noodzakelijk molecule is om de citroenzuurcyclus te kunnen laten opgaan. Figuur 3-7 Omzetting pyruvaat in oxaalacetaat 3.11. Thiaminepyrofosfaat of geactiveerd vitamine B1 Thiamine, ook vitamine B1 (aneurine) genoemd, is een wateroplosbare vitamine dat betrokken is bij de energieproductie en de koolhydraatstofwisseling. Thiamine speelt ook een rol bij de geleiding van zenuwimpulsen. In geactiveerde (co-enzym) vorm speelt het een belangrijke rol bij de afbraak van glucose tot energie. Een chronisch tekort uit zich in de ziekte beriberi. 45 De actieve vorm van vitamine B1 is thiamine-pyrofosfaat (ook wel thiaminedifosfaat genoemd), afgekort: TPP. Voor de omzetting van thiamine in het werkzame co-enzym TPP is magnesium nodig. Het TPP speelt een belangrijke rol als co-enzym van decarboxyase en transketolase bij de energieproductie en de synthese van lipiden en acetylcholine in de hersenen en de spieren. Thiamine en TPP bevinden zich in de zenuwen, met name in de axonen. De exacte functie van thiamine op deze plaats is nog niet geheel duidelijk, maar elektrische stimulatie van de axonen leidt tot de vorming van TDP of TPP. Ook de conditie en de werking van het geheugen zijn afhankelijk van deze vitamine. Verder is het van belang bij het omzetten van koolhydraten in vetten. Figuur 3-8 Thiaminepyrofosfaat 3.12. Lipoïnezuur Lipoïnezuur komt voor in dehydrogenasecomplexen. Een van de belangrijkste complexen is het pyruvaatdehydrogenasecompex. Dit gaat ervoor zorgen dat pyruvaat gevormd in de glycolyse wordt omgezet in acetylcoA wat naar de citroenzuurcylcus gaat. Figuur 3-9 Lipoïnezuur 46 4. Transport van biomoleculen doorheen celmembranen Celmembranen worden semipermeabel genoemd. Ze laten niet zomaar alles door. Dit is ten dele toe te schrijven aan hun werking als “zeef”. Alleen kleine moleculen worden doorgelaten, de grotere niet. Andere oorzaken kunnen ook zijn dat opgeloste deeltjes elektrisch geladen zijn. Vermits de poriën in het membraan eveneens geladen zijn, zal het niet mogelijk zijn voor geladen deeltjes om door het membraan te diffunderen. De lading van het membraan beïnvloedt dus de mogelijkheid van de ionen om het membraan te passeren. Een andere reden kan ook zijn dat de opgeloste deeltjes slecht oplosbaar zijn in het materiaal van het membraan, met als gevolg een zeer langzame of geheel geen passage door het membraan. Figuur 4-1 Doorlaatbaarheid van de membraan voor verschillende componenten Bepaalde in water oplosbare stoffen kunnen het membraan blijkbaar ongehinderd passeren (passief transport). Voor een groot aantal stoffen vormt de membraan wel een barrière, zodat aan weerszijden van het membraan heel verschillende condities of concentraties heersen, bijv. wat betreft de concentratie van ionen en van producten van het cellulaire metabolisme. Om deze verschillen te kunnen handhaven, beschikken membranen over een groot aantal specifieke transportsystemen, elk bestaande uit één of meer eiwitten, die in staat zijn stoffen tegen een concentratiegradiënt in door het membraan heen te transporteren (actief transport). Voor dit actieve transport is er energie nodig, meestal in de vorm van ATP. 47 Figuur 4-2 Actief en passief transport doorheen de membraan Bij de reeds aangeduide transporten, actief dan wel passief, gaat het om stoffen met betrekkelijk kleine moleculen, zoals ionen, enkelvoudige suikers (monosacchariden). Grotere moleculen zoals bijv. eiwitten en polysachariden kunnen de celmembraan niet passeren, maar kunnen door vorming en fusie van door membranen omgeven blaasjes naar binnen of naar buiten worden getransporteerd. Het proces waarbij materiaal (bijv. een secretieproduct) dat in een blaasje is ingesloten naar buiten wordt gebracht heet exocytose. Figuur 4-3 Verschillende vormen van exocytose Wanneer materiaal wordt opgenomen doordat het celmembraan instulpt en een blaasje vormt, spreekt men van endocytose. Gaat het hierbij om zekere hoeveelheden vloeistof, dan spreekt men van pinocytose; betreft het microscopisch waarneembare deeltjes, bijv. bacteriën, dan spreekt men van fagocytose. 48 Figuur 4-4 verschillende vormen van endocytose Laten we de verschillende transportsystemen van passief en actief transport eens wat uitgebreider bekijken. 4.1. Passief transport Bij passief transport wordt er geen metabolische energie (ATP) verbruikt en de stoffen verplaatsen zich volgens de concentratiegradiënt. Voorbeelden van passief transport zijn (vrije) diffusie, osmose en versnelde diffusie (‘facilitated diffusion’). 4.1.1. Vrije diffusie Moleculen kunnen doorheen het plasmalemma permeëren door vrije diffusie. De verplaatsing gebeurt van de plaats van hogere concentratie naar een plaats met lagere concentratie van de betrokken stof en is onafhankelijk van andere stoffen. Of moleculen al dan niet makkelijk permeëren hangt vaak van hun grootte en fysicochemische eigenschappen af. Polaire moleculen en geladen ionen zullen niet vrij doorheen de celmembraan diffunderen vanwege de hydrofobe eigenschappen van de lipiden die de membraan dubbellaag vormen. Alleen kleine niet polaire moleculen, zoals O2, kunnen gemakkelijk door het membraan diffunderen. De andere moleculen zullen door versnelde diffusie doorheen het membraan getransporteerd worden. 4.1.2. Osmose Bij osmose gebeurt er diffusie van watermoleculen doorheen het semipermeabele membraan. Water beweegt dan van de ruimte met lage concentratie aan opgeloste stoffen naar de ruimte met een hogere concentratie aan opgeloste stof en minder vrij water. De oplossing met minder opgeloste stof noemen we de hypotonische oplossing. De oplossing met meer opgeloste stof noemen we de hypertonische oplossing. Wanneer een semipermeabel membraan de hypotonische en hypertonische oplossing scheidt zal er water verplaatst worden doorheen de membraan van de hypotonische naar de hypertonische oplossing. 49 Het is duidelijk dat osmose niet nuttig is voor het metabolisme van de cel, op deze manier wordt water getransporteerd en geen stoffen die de cel nodig heeft voor zijn metabolisme. Osmose kan wel zorgen voor plasmolyse of stevigheid van de (planten)cel. 4.1.3. Versnelde diffusie (‘facilitated diffusion’) Versnelde diffusie gebeurt eveneens exclusief in de richting van hogere naar lagere concentratie van de betrokken stof. Men neemt aan dat de transmembraaneiwitten (eiwitten die door de ganse membraan steken) een passageplaats vormen voor grotere moleculen en ionen, die uitgewisseld kunnen worden tussen het extracellulaire en het intracellulaire gedeelte. Deze eiwitkanalen vormen waterige poriën die het sommige stoffen mogelijk maakt naar de andere kant te diffunderen. Deze kanalen kunnen zich openen en sluiten zodanig dat de diffusie van ionen en kleine polaire moleculen kan geregeld worden. De carriers kunnen ook uit kleine moleculen bestaan. Deze zullen stoffen doorheen de celmembraan transporteren volgens de concentratiegradiënt. Het worden ook ionoforen genoemd. Proteïnekanalen zorgen voor een sneller transport dan ionoforen. Deze carriers hebben een hoge specificiteit. Ze transporteren meestal maar één soort substraat. Versnelde diffusie vergt een concentratieverschil. De carrier versnelt de doorgang maar wijzigt niet de uiteindelijke evenwichtstoestand. Het proces vergt geen metabolische energie. 4.2. Actief transport Bij actief transport is wel energie vereist. Door het actief transport krijgt men een hogere concentratie van de stof in de cel dan buiten de cel (of omgekeerd). Er wordt dus tegen de concentratiegradiënt in gewerkt. … 50 ATP staat in voor een conformatiewijziging van de carrier die hierdoor in staat is het substraat te binden en naar binnen (of buiten) te brengen. Actief transport gebeurt niet alleen door verbruik van ATP, men kan ook redoxenergie of lichtenergie gebruiken. Een voorbeeld van het gebruik van redoxenergie is de elektronentransportketen (ETC) die in de mitochondriën optreedt. Hierbij wordt de reductie-energie van NADH (en FADH2) gebruikt om protonen over het inwendig mitochondriaal membraan te transporteren, tegen de concentratiegradiënt in. (Dit wordt uitgebreid besproken bij het metabolisme van de suikers.) Een voorbeeld van het gebruik van lichtenergie vindt men bij de fotosynthese. Hier gebruiken proteïnen lichtenergie om een protonengradiënt te creëren over het thylakoid membraan en tegelijkertijd reducerende energie in de vorm van NADPH te vormen. (Dit wordt eveneens besproken tijdens het metabolisme van de suikers.) 4.3. Groepstranslocatie Bij de vorige vormen van transport heeft het substraat binnen dezelfde structuur als buiten. Bij groepstranslocatie behelst het transport een fosforylering van het substraat dat als dusdanig daarna ook de cel binnengaat. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij suikertransport doorheen de bacteriënmembranen volgens het fosfotransferasesysteem. Glucose blijft gefosforyleerd waardoor de membraanproteïnen het niet meer herkennen en het zich in de cel kan opstapelen. 51 Figuur 4-5 Samenvatting van de verschillende transporten 53 5. Metabolische cycli In de figuur hiernaast is een sterk vereenvoudigd schema gegeven van het metabolisme. Men neemt hier waar dat de processen van het metabolisme kunnen onderverdeeld worden in twee categorieën; het katabolisme, de afbraakreacties, en het anabolisme, de opbouw- of synthesereacties. Verder is de figuur in 3 stukken verdeeld. De katabole en anabole processen kunnen dan ook in 3 fasen opgesplitst worden. In een eerste fase gebeurt de omzetting van macromoleculen naar de eenvoudigere bouwstenen (katabolisme) of omgekeerd (anabolisme). Zo worden de lipiden, polysacchariden, proteïnen en nucleïnezuren gehydrolyseerd tot/gesynthetiseerd uit vetzuren, glycerol, suikers (hexosen en pentosen), aminozuren en nucleotiden. In een tweede fase gebeurt de omzetting van de bouwstenen naar nog eenvoudigere organische verbindingen, zoals pyrodruivenzuur, acetylCoA, … In de derde fase gebeurt de degradatie tot- of synthese uit eenvoudige anorganische verbindingen, zoals CO2, H2O, NH3.... Vaak wordt er ook nog over een vierde fase gesproken bij het katabolisme. In deze fase worden dan de elektronen die verzameld werden in de vorige fasen via verschillende carriers op zuurstof overgedragen, waarbij er ATP gevormd wordt. In het verdere verloop van de cursus zullen we het metabolisme van koolhydraten, vetten en N-houdende verbindingen in detail bespreken. 54 6. Metabolisme van de polysacchariden Het metabolisme van de polysacchariden zullen we het meest uitgebreid bespreken. In fase I van het metabolisme worden de polysacchariden omgezet in monosacchariden en omgekeerd. Wij zullen hier als algemeen voorbeeld de afbraak en opbouw van glycogeen bespreken. Deze processen worden respectievelijk de glycogenolyse en de glycogenese genoemd. Als we eerst het katabole gedeelte van het suikermetabolisme bekijken wordt op het einde van fase I glucose bekomen bij de afbraak van glycogeen. Dit glucose wordt in fase II tijdens de glycolyse omgezet in pyrodruivenzuur. Aan het begin van fase III wordt dit pyrodruivenzuur eerst via een oxidatieve decarboxylatie omgezet in acetylCoA. AcetylCoA wordt dan in de citroenzuurcyclus afgebroken tot CO2. In een fase IV worden de gereduceerde vormen van de elektronendragers terug omgezet in de geoxideerde vorm. Dit gebeurt in de elektronentransferketen. Gelijktijdig vindt er een oxidatieve fosforylatie plaats waarbij ADP wordt omgezet in ATP. Tijdens het suikerkatabolisme zijn er ook een aantal alternatieve wegen mogelijk. Hiervan bespreken we de pentosefosfaatweg en de gisting. Tot de anabole kant van het suikermetabolisme behoort de fotosynthese (die alleen bij planten, algen en sommige bacteriën voorkomt) waarbij glucose gevormd wordt via CO2-fixatie uit de lucht. Glucose kan eveneens gevormd worden uit bijv. melkzuur, glycerol en aminozuren, dit wordt de gluconeogenese genoemd. We eindigen het hoofdstuk met de bespreking van de regulatie van het suikermetabolisme. 6.1. Glycogeen metabolisme Het glycogeen metabolisme vormt fase I van het metabolisme van het polysaccharide glycogeen. Glycogeen is een polysaccharide opgebouwd uit glucosemoleculen die -1,4 en -1,6 met elkaar verbonden zijn, hierdoor bekomt men een vertakte keten. Glycogeen wordt vooral in lever en spieren opgeslagen in de zogenaamde glycogeen granules. In de levercellen is de concentratie aan glycogeen hoger dan in de spiercellen, maar de totale hoeveelheid glycogeen opgeslagen in spieren is toch groter dan in de lever. Dit komt omdat alle skeletspieren samen een veel grotere massa hebben dan de lever. In het glycogeen metabolisme wordt bij behoefte aan energie glycogeen afgebroken en bij een overmaat aan energie (glucose) wordt glycogeen opgebouwd. In het glycogeen metabolisme wordt het glucosegehalte in het bloed op peil gehouden. Glycogeen is een snel beschikbare energievoorraad. Na glycogeen worden vetten en eiwitten aangesproken als energievoorraad. 55 Glycogenolyse is het proces waarbij glycogeen wordt afgebroken en omgezet in glucose. De omzetting van glucose naar glycogeen wordt glycogenese genoemd. 6.1.1. Glycogenolyse 6.1.1.1. Reactiemechanisme Glycogeen wordt afgebroken waarbij een glucose-1-fosfaat en een glycogeenmolecule met een glucose- eenheid minder ontstaat. Dit proces is de fosforylyse (afbraak door tussenkomst van een fosfaat). De afbraakreactie van glycogeen wordt gekatalyseerd door het enzym fosforylase. Dit enzym breekt de 1,4-bindingen af aan de niet gereduceerde uiteinden van het glycogeenmolecuul. Het enzym heeft voor de afbraak van glycogeen PLP (pyridoxal 5’ fosfaat) nodig als co-enzym. Glycogeen bevat echter ook 1,6-bindingen die door fosforylase niet afgebroken kunnen worden. Hier is een andere methode voor nodig. Fosforylase breekt eerst de 1,4-bindingen van het glycogeen af tot 4 glucose-eenheden voor de splitsing. Dan komt er een transferase in actie. Dit transferase zet een blok van 3 glucoseeenheden van de ene streng over naar de andere streng. Dit doet het enzym door eerst de 1,4-binding in de ene streng te verbreken en een nieuwe te vormen in de andere streng. Nu kan een derde enzym, -1,6-glucosidase of debranching enzym, de 1,6 binding verbreken. Dit doet het enzym door de 1,6-binding te hydrolyseren, hierbij ontstaat glucose en een glycogeenmolecule met een glucose-eenheid minder. 56 Als de 1,6-binding is afgebroken kan het fosforylase weer verder gaan met de 1,4-bindingen af te breken. Het is een voordeel dat glycogeen vertakt is , fosforylase kan hierdoor op meerdere plaatsen tegelijk het glycogeen afbreken. Ook is glycogeen beter oplosbaar als het meer vertakt is. Door de fosforylering zijn een aantal glucose-1-fosfaat moleculen ontstaan. Deze moeten omgezet worden in glucose-6-fosfaat opdat ze later in de glycolyse verder zouden afgebroken kunnen worden. Deze omzetting wordt gekatalyseerd door fosfoglucomutase. De actieve zijde van het fosfoglucomutase bevat een fosfaatgroep. Het kan zijn fosfaat afgeven aan glucose-1-fosfaat, zodat er glucose-1,6-bifosfaat ontstaat. Vervolgens neemt het nu niet gefosforyleerd enzyme weer een fosfaatgroep op, en ontstaat er glucose-6-fosfaat. Het gevormde glucose-6-fosfaat kan de cel niet meer uit omdat er een fosfaatgroep aan zit; het kan er wel uit als die fosfaatgroep eraf gehaald zou worden. De lever is een orgaan dat de suiker (glucose) spiegel in je bloed op peil houdt. Als de spieren hard werken daalt de suikerspiegel, omdat de spieren dan veel brandstof (glucose) gebruiken. De lever brengt het glucosegehalte weer op peil door eerst glycogeen af te breken en er glucose-6-fosfaat van te maken. De lever kent een enzym dat de fosfaatgroep eraf kan halen, glucose-6-fosfatase. Dit enzym katalyseert de volgende reactie: Glucose-6-fosfaat + H2O → Glucose + Fosfaat Nu de fosfaatgroep eraf is kan het glucose de cel uit en in het bloed worden opgenomen. De nieren kennen, net als de lever, ook het enzym glucose-6-fosfatase. De lever en de nieren kunnen dus glucose uit hun cellen transporteren. Organen zoals de skeletspieren en de hersenen beschikken niet over dit enzym, ze kunnen glucose dus niet uit hun cellen transporteren. Dit komt omdat, wanneer deze cellen glucose hebben gevormd uit glycogeen, ze dit niet graag meer afgeven. Deze cellen gebruiken glucose als belangrijkste brandstof. De hersenen werken zelfs uitsluitend op glucose. 57 6.1.1.2. regulatie De hormonen glucagon (in de lever) en adrenaline (= epinefrine) (in de spieren) stimuleren de glycogenolyse. De daling van de concentratie aan insuline zal de glycogenolyse nog extra stimuleren. Een uitvoerige bespreking van de regulatie wordt gegeven na de glycogenese. 6.1.2. Glycogenese 6.1.2.1. Reactiemechanisme Als er voldoende glucose aanwezig is wordt dit opgeslagen in glycogeen. Glycogeen wordt dus opgebouwd uit glucose-eenheden. Eerst wordt hiervoor glucose-1-fosfaat aan UTP (uridinetrifosfaat) gekoppeld. Bij deze reactie ontstaat UDP- Glucose (uridinedifosfaat-glucose) en pyrofosfaat (PPi). De reactie wordt gekatalyseerd door het enzym UDP-glucose pyrofosforylase. Het gevormde PPi wordt in het lichaam snel afgebroken tot twee fosfaten, dit wordt gekatalyseerd door pyrofosfatase: PPi + H2O → 2Pi Omdat dit PPi meteen wordt afgebroken ligt het evenwicht van de reactie van glucose-1-fosfaat en UTP sterk naar rechts. Zodat de reactie goed kan blijven verlopen, en er dus goed UDP-glucose gevormd wordt. Het UDP-glucose kan aan een glycogeenmolecuul gekoppeld worden dat minstens 4 glucose-eenheden lang is. Hierdoor wordt het glycogeenmolecuul één glucose-eenheid langer. Deze reactie wordt gekatalyseerd door glycogeensynthase. 58 Bij deze reactie is dus altijd een beginstukje van glycogeen met minstens 4 eenheden nodig. Is in zeer extreme gevallen al het glycogeen op dan heeft de cel altijd een ander "start stukje". Voor dit "start stukje" zorgt het enzym glycogenin. Op de wijze zoals tot nu toe beschreven ontstaan er alleen -1,4 bindingen. Glycogeen bevat ook -1,6 bindingen. Deze -1,6 bindingen ontstaan doordat een enzym (het vertakkingsenzym = amylo- (1:4)→(1:6)transglycosylase) de -1,4 bindingen kapot knipt en een nieuwe -1,6 binding maakt. Dit doet hij om de ongeveer 10 eenheden. 6.1.2.2. regulatie Wanneer de bloedsuikerspiegel hoog is wordt de glycogeenopbouw in werking gesteld door het enzym protein fosfatase 1. Dit enzym wordt actief gemaakt door het hormoon insuline. De twee verschillende routes voor opbouw en afbraak van glycogeen moet goed geregeld worden. Als beide routes tegelijk zouden werken zou er onnodig veel ATP worden verbruikt. Of er glycogeen moet worden opgebouwd of afgebroken hangt af van de hoeveelheid glucose die in het organisme aanwezig is. Dit wordt onder andere geregeld door hormonen zoals: insuline, adrenaline en glucagon. Adrenaline en glucagon zorgen voor glycogeenafbraak en daardoor voor een verhoging van het glucosegehalte. A. de glycogeenafbraak Het fosforylase in skeletspieren komt voor in twee vormen. De actieve vorm, fosforylase a, en de niet actieve vorm, fosforylase b. Fosforylase b wordt omgezet in fosforylase a door fosforylering (een fosfaatgroep eraan zetten). Deze reactie wordt gekatalyseerd door fosforylase kinase. Het fosforylase a kan door hydrolyse weer worden omgevormd tot fosforylase b. Deze reactie wordt gekatalyseerd door protein fosfatase 1. Normaal zal fosforylase b altijd inactief zijn (er wordt geen glycogeen afgebroken). In normale omstandigheden wordt fosforylase b (inactief) door binding aan ATP omgezet in fosforylase a (actief) onder invloed van de hormonen (adrenaline, glucagon). Door deze hormonale controle wordt een cascade in werking gezet. Adrenaline Adenylate Adenylate cyclase cyclase ATP Cyclisch AMP Protein Protein kinase A kinase A Fosforylase Fosforylase kinase kinase Fosforylase Fosforylase b a 59 Het hormoon adrenaline bindt op bepaalde receptoren op spiercellen en glucagon bindt op receptoren in levercellen. Op het moment dat dit hormoon bindt aan de receptor wordt de bovenstaande cascade in werking gezet. Links staat de inactieve vorm en rechts de actieve. Uiteindelijk wordt dus het inactieve fosforylase b door het fosforylase kinase omgezet in actief fosforylase a. Door fosforylase a wordt het glycogeen afgebroken en komt er glucose vrij. In de lever wordt het glucose afgegeven aan het bloed, en stijgt de suiker spiegel. In de spieren is er meer glucose om te verbranden. Het nut van zo'n cascade is dat er een grote versterking optreedt. Elk enzym kan veel substraat vormen (bv. protein kinase A vormt vele actieve fosforylase kinases). En elk gevormde substraat is op zijn beurt weer een enzym dat weer nieuw substraat kan vormen (bv. fosforylase kinase vormt fosforylase a). Deze cascade geeft een versterking van ongeveer 1/1.000.000.000 (109).. In uiterst extreme gevallen van energietekort en afwezigheid van ATP, kan fosforylase b toch actief worden. Dit gebeurt dan omdat bijna al de energie op is. Er kan geen fosforylase a meer gemaakt worden omdat al het ATP op is. Als er weinig energie is, zijn er hogere concentraties AMP aanwezig in de cel. Deze AMP kan het fosforylase b zo veranderen dat het wel actief wordt (niet door fosforylering maar door allostere modificatie). Bij te lage energie-inhoud bindt AMP en treedt op als allostere activator. Dit is de niet hormonale controle van de glycogenolyse. B. de glycogeenopbouw De regulering van glycogeenopbouw door hormonen gebruikt gedeeltelijk dezelfde cascade dan die voor glycogeenafbraak. Rechts is weer actief en links inactief. Behalve bij glycogeensynthase, hier is glycogeensynthase a de actieve vorm en wordt het door de binding van adrenaline omgezet in glycogeensynthase b dat inactief is. Protein kinase zet een fosfaatgroep aan het actieve glycogeensynthase a zodat het inactief wordt (glycogeen synthase b). Adrenaline Adenylate Adenylate cyclase cyclase ATP Cyclisch AMP Protein Protein kinase A kinase A Glycogeen Glycogeen synthase a synthase b actief Door de binding van het hormoon wordt dus de aazézeexxxxxfbraak van glycogeen in werking gezet en de opbouw, door glycogeensynthase, stopgezet. Dit komt omdat protein kinase A twee substraten heeft namelijk: inactief fosforylasekinase en actief glycogeensynthase a. C. relatie glycogeenopbouw - glycogeenafbraak Als de suikerspiegel in het bloed is gedaald stopt eerst de opbouw van glycogeen en start daarna pas weer de afbraak. Dit komt doordat de affiniteit van het protein kinase A voor glycogeen synthase a groter is dan voor het inactieve fosforylase kinase. Eerst wordt glycogeen synthase a omgezet in glycogeen synthase b (opbouw stopt). En daarna wordt inactief fosforylase kinase omgezet in actief fosforylase kinase waardoor fosforylase b wordt omgezet in fosforylase a (de afbraak start). 60 En andersom als de bloedsuikerspiegel in het bloed stijgt wordt eerst de afbraak stopgezet en daarna wordt de opbouw aangezet. Dit stoppen van de afbraak en starten van de opbouw wordt in werking gesteld door het enzym protein fosfatase 1. Dit enzym wordt actief gemaakt door het hormoon insuline. 61 6.2. Glycolyse De glycolyse bestaat uit tien reacties waarin glucose wordt omgezet in pyrodruivenzuur. Drie van de tien stappen zijn onomkeerbaar, een belangrijk gegeven bij de regulatie van de glycolyse. Tijdens de glycolyse wordt chemische energie geproduceerd die opgeslagen wordt in de vorm van ATP en NADH. Hoe pyrodruivenzuur verder wordt omgezet wordt bepaald door de aan- of afwezigheid van zuurstof alsook van het type organisme. Afhankelijk van het organisme wordt pyrodruivenzuur verder omgezet in bijvoorbeeld melkzuur of CO2 en ethanol. Enkel in aanwezigheid van zuurstof is een volledige afbraak van pyrodruivenzuur tot CO2 en H2O mogelijk. De functie van de glycolyse is dan ook drieledig: vorming van sterk energetische moleculen (ATP en NADH) vorming van pyrodruivenzuur vorming van 6C en 3C verbindingen als tussenproducten van de cyclus die dan ook voor andere processen in de cel gebruikt kunnen worden. De glycolyse treedt bij de prokaryoten en de eukaryoten op in het cytoplasma van de cel. In plantencellen kunnen glycolytische reacties ook voorkomen in de chloroplasten. Het meest voorkomende en best gekende type glycolyse wordt ook de Emden-Meyerhof-(Parnas) weg (EM(P)-weg) genoemd. 6.2.1. Algemene reactie D-Glucose + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2Pyrodruivenzuur + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O 62 6.2.2. Cyclus 63 6.2.3. Cyclus met structuurformules 64 6.2.4. Samengevat Een C6 molecule wordt omgevormd in 2 C3 moleculen. Het eindproduct zijn 2 pyrodruivenzuurmoleculen. Tijdens de 10 reacties worden 2 ATP verbruikt, 4 ATP gevormd en 2 NADH gevormd. 65 6.2.5. Belangrijke aspecten Reactie 1: glucose + ATP → glucose-6-fosfaat + ADP De eerste stap is een fosforylatie van glucose door de enzymen hexokinase (een transferase) met Mg2+ als cofactor. Hierbij wordt ATP verbruikt. Door de fosforylatie kan de glucose ook niet meer weg uit de cel. Deze reactie is irreversibel (enkele pijl). Hexokinase wordt geïnhibeerd door zijn reactieproduct glucose-6-fosfaat. Dit heeft een regelende werking op de invoer van substraat in de glycolyse. In de spier-, hersen- en vetcellen wordt deze reactie gekatalyseerd door hexokinase. In levercellen echter gebeurt de katalyse door glucokinase. Dit is alleen werkzaam bij hoge concentraties aan glucose in het bloed. Het doel van dit enzym is dan ook het verwijderen van glucose uit het plasma na maaltijden, dus controle van het bloedsuikergehalte. 66 Reactie 3: fructose-6-fosfaat + ATP → fructose-1,6-bifosfaat + ADP De reactie wordt gekatalyseerd door fosfofructokinase (een transferase) met Mg2+ als cofactor. In deze stap wordt weer een ATP verbruikt. Het is energetisch gezien een heel gunstige reactie wat deze stap irreversibel maakt. Hier wordt beslist of de suiker al dan niet verder afgebroken wordt. Fructose-2,6-bifosfaat is een allosterische activator voor fosfofructokinase. In een ‘vastenperiode’ (weinig glucose in bloed en daardoor adrenaline en glucagon actief) is de concentratie aan fructose-2,6-bifosfaat laag en daardoor ook de activiteit van fosfofructokinase. Hierdoor zal de omgekeerde reactie (gluconeogenese) meer opgaan. Opmerking: let op de benaming fructose-1,6-bifosfaat om te benadrukken dat de fosfaatgroepen op twee verschillende C-atomen zitten. Reactie 6: glyceraldehyde-3-fosfaat → 1,3-bifosfoglycerinezuur Er treedt een oxidatieve fosforylatie op en NAD+ wordt gereduceerd. De aldehydegroep wordt geoxideerd tot een carboxylgroep en een anorganische fosfaatgroep vormt een esterbinding met deze carboxylgroep. Het gevormde 1,3-bifosfoglycerinezuur heeft een hoge energetische waarde. De reactie wordt gekatalyseerd door glyceraldehydefosfaat dehydrogenase, een oxidoreductase. Reactie 7: 1,3-bifosfoglycerinezuur + ADP → 3-fosfoglycerinezuur + ATP Deze reactie wordt gekatalyseerd door fosfoglycerinezuur kinase (een transferase), met Mg2+ als cofactor. 1,3-bifosfoglycerinezuur heeft een hogere fosfaattransfer-potentiaal dan ATP en geeft een fosfaatgroep af aan ADP. Dit wordt substraatfosforylatie genoemd. We krijgen de oorspronkelijk geïnvesteerde ATP terug. Op dit ogenblik zijn er 2 ATP moleculen geïnvesteerd en 2 nieuwe ATP moleculen gevormd. (Denk eraan dat elke glucose twee triosefosfaten vormt!) 67 Deze stap vereist ADP. Wanneer in de cel voldoende ATP aanwezig is, en dus weinig ADP, zal deze reactie niet opgaan. Opmerking: in deze stap treedt de eerste van twee substraatfosforylaties, die opgaan bij de glycolyse, op. Bij een substraatfosforylatie wordt een fosfaatgroep van een hoog-energetische verbinding (bevat meer energie dan ATP) overgedragen op ADP, ter vorming van ATP. Later zullen we ook nog kennis maken met de oxidatieve fosforylatie waarbij de drijvende kracht achter de vorming van ATP komt van elektronentransport. Als derde type fosforylatie bestuderen we ook nog de fotofosforylatie, waarbij licht gebruikt wordt als drijvende kracht voor de ATP vorming. Reactie 10: fosfoënolpyrodruivenzuur → enolpyrodruivenzuur → pyrodruivenzuur Deze reactie wordt gekatalyseerd door pyrodruivenzuur kinase, met Mg2+ en K+ als cofactoren. Er wordt nog meer ATP gevormd doordat 2-enolpyrodruivenzuurfosfaat een fosfaatgroep transfereert naar ADP, de tweede substraatfosforyla

Biochemie Past Paper 2024-2025 PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue