Biomoleculen Cursus PDF

UCLL MBT54f: Biomoleculen Auteur: Sara Moens, Lector: Maarten Kostermans © UCLL 2023-2024 Biomoleculen - Inhoud I Alle rechten voorbehouden. Buiten de context van deze cursus mag niets uit deze uitgave worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand, of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen, of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming. Deze cursus is bestemd voor strikt persoonlijk gebruik door de student aan de UCLL hogeschool. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Biomoleculen - Inhoud II INHOUD Hoofdstuk 1: INLEIDING....................................................................................... 4 1. Situering............................................................................................................. 5 2. De elementaire samenstelling van organismen......................................................... 6 3. De moleculaire samenstelling van organismen....................................................... 11 Hoofdstuk 2: VETTEN............................................................................................ 16 0. Inleiding tot de vetten........................................................................................ 18 1. Vetzuren........................................................................................................... 19 2. Triglyceriden, triacylglycerolen of neutrale vetten................................................... 25 3. Fosfolipiden en sfingolipiden................................................................................ 31 4. Terpenen of isoprenoïden.................................................................................... 40 5. Steroïden.......................................................................................................... 46 6. Oefeningen op vetten en derivaten....................................................................... 56 Hoofdstuk 3: SUIKERS.......................................................................................... 60 0. Inleiding tot de suikers....................................................................................... 62 1. Monosachariden................................................................................................. 63 2. Glycosidische binding.......................................................................................... 82 3. Disachariden...................................................................................................... 84 4. Polysachariden................................................................................................... 90 5 Andere suikers en suikerafgeleiden....................................................................... 98 6. Toepassingen van suikers.................................................................................. 107 7. Oefeningen op suikers en derivaten.................................................................... 110 Hoofdstuk 4: EIWITTEN of PROTEÏNEN............................................................... 112 0. Inleiding tot de eiwitten.................................................................................... 114 1. Aminozuren..................................................................................................... 115 2. Peptiden.......................................................................................................... 135 3. Proteïnen........................................................................................................ 137 4. Fysische eigenschappen van proteïnen................................................................ 168 5. Enzymen......................................................................................................... 177 6. Oefeningen op eiwitten en derivaten................................................................... 180 Hoofdstuk 5: NUCLEÏNEZUREN............................................................................ 185 0. Inleiding tot de nucleïnezuren............................................................................ 186 1. Nucleobasen, nucleosiden en nucleotiden............................................................ 187 2. Nucleïnezuren.................................................................................................. 197 3. Eigenschappen van dsDNA................................................................................ 202 4. Oefeningen op nucleïnezuren en derivaten.......................................................... 205 Bibliografie ………………………………………………………………………………………………….207 BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Biomoleculen - Studiewijzer III Studiewijzer Biomoleculen (theorie & oefeningen), deel van Bio-organische chemie Deze studiewijzer is een verdere toelichting bij de OLA ‘Biomoleculen’ uit de ECTS-fiche met code MBT54B. De ECTS-fiche, de Aanvullingen bij de programmagids en de Studiewijzer dienen samen gelezen te worden. Organisatie Organisatie van de lessen Interactieve hoorcolleges met powerpoint-presentaties en bordschema's. Begeleide oefeningensessies. Verdiepingsmateriaal Op Toledo staan (vrijblijvend) zelftests over verschillende delen van de cursus ter beschikking van de student. Achtergrondliteratuur: (niet verplicht) Principles of biochemistry, 5th ed., MORAN et al., (Pearson Education Ltd, 2014) Andere: zie Bibliografie Evaluatie Evaluatievormen 100% contactexamen (S), geïntegreerd met Bio-organische chemie: theorie & oefeningen, in examenzittijd Opzet van de Op het examen wordt zowel gepeild naar kennis als naar evaluatieactiviteit inzicht (bv. structuren herkennen, kunnen tekenen, eigenschappen, plaats van voorkomen, biosynthese, …). Meer informatie over het examen wordt gegeven tijdens de contactmomenten, en komt op Toledo. Beoogde doelstellingen De student: kan de structuur en eigenschappen van de basisbouwstenen van de biomoleculen (monosachariden, vetzuren, aminozuren, nucleotiden) herkennen, benoemen en weergeven. heeft inzicht in de structuur van biopolymeren (polysachariden, vetten, eiwitten en nucleïnezuren): kan structuren herkennen, de onderdelen aanduiden, de structuren beschrijven, en kan zelf de hoofdaspecten van de structuren weergeven. kan van de verschillende groepen biomoleculen relevante eigenschappen, functies en plaats van voorkomen in de cel beschrijven. kent het basisprincipe van enkele eenvoudige analyse- methodes voor biomoleculen en kan de eigenschappen van biomoleculen hierbij toepassen. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 4 Hoofdstuk 1: INLEIDING Inhoud 1. Situering........................................................................................................... 5 1.1 Biomoleculen................................................................................................. 5 1.2 Metabolisme.................................................................................................. 5 2. De elementaire samenstelling van organismen................................................. 6 2.1 Bouwelementen, oligo-elementen en spoorelementen......................................... 6 2.2 Enkele voorbeelden van oligo-elementen........................................................... 8 2.2.1 Jood (I)..................................................................................................... 8 2.2.2 Ijzer (Fe)................................................................................................... 9 2.2.3 Koper (Cu)............................................................................................... 10 2.2.4 Zink (Zn)................................................................................................. 10 2.2.5 Andere oligo-elementen............................................................................. 10 3. De moleculaire samenstelling van organismen................................................ 11 3.1 Biomoleculen............................................................................................... 13 3.2 Vitaminen................................................................................................... 14 3.3 Hormonen................................................................................................... 15 BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 5 1. Situering Tot de biomoleculen behoren alle chemische stoffen die een levend organisme nodig heeft om te leven en te overleven. De biomoleculen vormen dan ook de basis van de Biochemie (de wetenschap die de chemische aspecten van levende wezens bestudeert). Het studiedomein Biochemie omvat: 1) De studie van chemische stoffen waaruit een organisme samengesteld is en van stoffen die door het organisme geproduceerd worden. 2) De opheldering van de fysiologische functie die de onderdelen van levende wezens uitoefenen. 3) De studie van biochemische reacties en van vele fysische processen die voortdurend in ieder levend organisme plaatsvinden en waardoor het organisme ‘leeft’. Topics 1 en 2 worden besproken in dit OPO. Topic 3 behoort tot een ander OPO. 1.1 Biomoleculen In deze cursus worden de verbindingen bestudeerd waaruit het organisme, of zijn functionele eenheid, de cel, is samengesteld. Deze moleculaire componenten van de cel worden biomoleculen genoemd. De cursus bespreekt het voorkomen, de structuur, de fysiologische functie, de fysische en chemische eigenschappen van de grote groepen grondstoffen van de cel, namelijk suikers, lipiden en proteïnen en van nucleïnezuren, vitaminen en hormonen. Het is immers belangrijk te weten welke stoffen in het organisme aanwezig zijn om hun belang in dat organisme te kunnen bestuderen. 1.2 Metabolisme Het geheel van de chemische reacties die optreden in een levende cel of in een organisme wordt metabolisme genoemd. Het metabolisme wordt onderverdeeld in katabolisme en anabolisme. Het katabolisme is de degradatie-fase van het metabolisme. Organische voedselmoleculen zoals suikers, vetten en proteïnen, afkomstig uit de buitenwereld of van de voedselopslag van de cel zelf, worden afgebroken (gewoonlijk door oxidatie) tot kleine, eenvoudige eindproducten zoals melkzuur, CO 2, H2O, NH3,... Die katabole reacties gaan gepaard met een vrijmaking van energie die bewaard en vervoerd wordt onder de vorm van ATP. Deze energie kan dan door het organisme gebruikt worden om allerlei energie-vragende processen uit te voeren (beweging, osmotische arbeid, opbouw van nieuwe moleculen en nieuwe celstructuren,...). Het anabolisme is de opbouw- of synthesefase van het metabolisme. Uit eenvoudige, kleine moleculen (precursors of voorlopermoleculen) worden relatief grote celcomponenten zoals polysachariden, lipiden en eiwitten gevormd. Deze biosynthese, die dikwijls gepaard gaat met reductiereacties, vereist energie die grotendeels afkomstig is van de hydrolyse van ATP. Katabolisme en anabolisme treden gelijktijdig op in de cel en zijn zo aan elkaar gekoppeld dat een dynamisch evenwicht ontstaat. Gedurende groei en weefselherstel domineren de anabole (energie-vragende) reacties terwijl bijvoorbeeld bij sommige pathologische toestanden of bij langdurig vasten het katabolisme (energieleverende reacties) overheerst. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 6 2. De elementaire samenstelling van organismen 2.1 Bouwelementen, oligo-elementen en spoorelementen De fundamentele chemische bestanddelen van een organisme zijn de elementen. Sommige elementen blijken meer geschikt dan andere om de verbindingen van levende wezens of om BIOMOLECULEN te vormen. Van de 90 natuurlijke elementen worden er nog geen 30 teruggevonden als essentiële componenten van verschillende levende wezens. Er is een ongelijke verdeling van de elementen in de aardkorst en in levende organismen (zie Tabel 1-1); de vier elementen die kwantitatief het sterkst vertegenwoordigd zijn in de aardkorst zijn: zuurstof, silicium, aluminium en ijzer, terwijl dit in organismen waterstof, zuurstof, koolstof en stikstof zijn. Tabel 1-1: Elementaire samenstelling van de aardkorst, zeewater en het menselijk lichaam Bij de kwantitatieve elementaire analyse van gelijk welk organisme zijn er steeds 11 elementen die samen 99,95% van het totaal uitmaken. We noemen ze de 11 BOUWELEMENTEN van het organisme: O, C, H, N, Ca, P, K, S, Na, Cl en Mg Zes elementen, O, C, H, N, P en S (meer dan 97% van het gewicht van de meeste organismen) kunnen stabiele covalente bindingen vormen (water, organisch materiaal). De relatieve hoeveelheid van deze elementen wisselt van organisme tot organisme. Vijf elementen zijn als ionen essentieel in organismen: Ca 2+, K+, Na+, Mg2+ en Cl-, zie ook Figuur 1-1. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 7 Figuur 1-1: Periodic table of the Elements The important elements found in living cells are shown in color. The brown elements (CHNOPS) are the six abundant elements. The five essential ions are purple. The trace elements are shown in dark blue (more common) and light blue (less common.) The five essential ions, in numerical order, are sodium, magnesium, chloride, potassium and calcium. The more common trace elements, in numerical order, are manganese, iron, cobalt, copper and zinc. The less common trace elements, in numerical order, are boron, fluorine, aluminum, silicon, vanadium, chromium, nickel, gallium, arsenic, selenium, molybdenum, tin and iodine. Naast deze 11 bouwelementen bevat ieder organisme ook nog elementen in microhoeveelheden (het verschil van 0,05%). Dit noemt men de SPOORELEMENTEN. Met voldoende gevoelige analysemethoden zijn bijna alle natuurlijke elementen ontdekt in bepaalde organismen (o.a. bij de mens). Sommige van deze spoorelementen zijn absoluut noodzakelijk voor het normaal functioneren van het organisme. Deze spoorelementen noemt men OLIGO-ELEMENTEN. Samen met de 11 bouwelementen zijn het dus ook bio-elementen. Een spoorelement dat oligo-element is voor een bepaald organisme zoals de mens, is dit niet noodzakelijk voor alle levende wezens. Voorbeelden van oligo-elementen voor het menselijk organisme zijn: I, Fe, Si, F, Cu, Co, Mn, Zn, Se, B, Al, Mo, V, Cr, Ni, Ga, As, Sn Het is van belang te weten of een spoorelement een oligo-element is of slechts een toevallig element. Met twee reeksen experimenten (criteria) wordt dit achterhaald: 1) Bij gebrek aan een spoorelement dat een oligo-element is, treedt (gebreks-)ziekte op (uitvalsverschijnselen); na toedienen van het oligo-element zal de ziekte weer verdwijnen. 2) In sommige gevallen werd achterhaald in welke verbinding (structuurformule) het spoorelement voorkomt in het organisme. Als die verbinding noodzakelijk blijkt te zijn voor het organisme, dan is dat spoorelement een oligo-element. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 8 De meeste essentiële spoor-elementen zijn betrokken bij de activiteit van specifieke enzymen. Aangezien enzymen een katalytische functie vervullen, wordt het meteen duidelijk waarom spoor-elementen slechts in micro-hoeveelheden nodig zijn. Bij te grote hoeveelheden van de oligo-elementen in het organisme worden in de meeste gevallen vergiftigingssymptomen waargenomen. Figuur 1-2 toont het algemeen verloop van een dosis-respons verband van een essentieel element. Figuur 1-2: Dose response range of an essential element Estimates of specific requirements in terms of micrograms per day for Selenium or milligrams per day for Fluorine are included. Van andere spoorelementen wordt verondersteld dat ze slechts toevallig in het organisme aanwezig zijn. Het zijn dan ook de TOEVALLIGE SPOORELEMENTEN. Voorbeelden van toevallige spoorelementen zijn Br, Hg, Ag, Pb, Ti,... BIO-ELEMENTEN omvatten de bouwelementen en de oligo-elementen. Levende organismen zijn ‘open systemen’, die onophoudelijk materie en energie uitwisselen met hun omgeving. Uit een organisme worden voortdurend elementen, dus ook bio-elementen, verwijderd. Bij de mens gebeurt dit bv. langs de huid, de urine en faeces. Indien via het voedsel of de drank of via de ademhaling de bio-elementen niet vervangen worden treedt ziekte op. Zulke gebrekziekten zijn ook zeer belangrijk in de land- en tuinbouw voor de planten. 2.2 Enkele voorbeelden van oligo-elementen 2.2.1 Jood (I) Zeewieren bevatten veel jood. Zeewinden, golven en regen brengen jood naar de akkers waar de planten het jood dan opnemen. Ganse streken krijgen op die manier voldoende van dit oligo- element. Bij gebrek aan I, mogelijk in landen of streken die door bergketens afgesloten zijn van zeewinden, ontstaat endemische krop en cretinisme. De ziekte verdwijnt bij toedienen van jodium bv. onder de vorm van KI, dat wordt toegevoegd aan het keukenzout of aan het drinkwater. Jood is een bestanddeel van de schildklierhormonen, zoals thyroxine (zie Figuur 1-3), die bij hogere organismen belangrijke rollen hebben in de regulatie van het metabolisme. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 9 Figuur 1-3: Structuurformules van schildklierhormonen (triiodothyronine en thyroxine) 2.2.2 Ijzer (Fe) Fe is het langst gekend oligo-element. Het menselijk lichaam bevat 4 tot 5 gram ijzer, dit is ongeveer 0,005% van zijn gewicht. Bij de mens en bij alle vertebraten is het grootste gedeelte daarvan (ongeveer 70%) aanwezig als essentieel bestanddeel van hemoglobine, het zuurstofoverdragend proteïne in hun bloed (zie Figuur 1-4 links). Er is ook veel ijzer aanwezig in myoglobine (zuurstofbindend eiwit in de spieren), in ferritine en in hemosiderine (opstapelingsijzer). Ijzerdeficiëntie leidt tot ferriprieve anemie, een soort bloedarmoede, die kan genezen worden door ijzerpreparaten toe te dienen. Fe-S cluster (Cys = cysteine = een aminozuur) Figuur 1-4: Structuur van de heemgroep in hemoglobine (zuurstofoverdragend eiwit) (links) en inbouw van Fe in Fe-S-proteinen (rechts) Fe komt ook voor als enzym-ijzer in de cytochromen van de ademhalingsketen en van de elektronentransportketen van de fotosynthese, in katalasen en peroxidasen, in ijzer- zwavelproteinen (zie Figuur 1-4 rechts) zoals sommige dehydrogenasen (zelfs bij anaerobe organismen aangetroffen). Fe is bijgevolg een bio-element voor alle levende wezens. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 10 2.2.3 Koper (Cu) Koper is eveneens een spoorelement dat in alle levende wezens aangetroffen wordt. Grote hoeveelheden Cu zijn gevonden bij sommige geleedpotigen (kreeft, krab) en weekdieren (mossel) omdat Cu een bestanddeel is van hemocyanine, hun zuurstofoverdragend proteïne. De mens bevat ongeveer 0,0002% Cu. Koper zit ingebouwd in de koperstockage proteïnen (zoals hepatocupreïne, cerebrocupreïne en erythrocupreïne) en in het koperoverdragend eiwit, ceruloplasmine, dat koper transporteert in het bloedplasma. Koper heeft diverse functies, zoals in de vorming van rode bloedcellen, van bind- en botweefsel, van haarpigmenten. Koper is tevens een cofactor van verschillende oxidatieve enzymen: bv. van difenoloxidasen (in schimmels, planten en dieren); van het nitrietreductase (in bacteriën) en van het cytochroomoxidase (in aerobionten). Ziekten, veroorzaakt door een gestoorde koperstofwisseling, komen slechts uiterst zelden voor omdat koper voldoende aanwezig is in bijna alle voedsel. 2.2.4 Zink (Zn) Zink (0,002% van de mens) is essentieel voor de werking van het enzym koolzuuranhydrase (zie Figuur 1-5), een vitaal enzym voor vele diersoorten waaronder de mens. Figuur 1-5: Aanwezigheid van Zn in het enzym koolzuuranhydrase Andere Zn-bevattende enzymen zijn alcoholdehydrogenase, glutamaat-dehydrogenase en carboxypeptidase. Zink komt ook in andere eiwitten voor, onder andere in zogenaamde ‘zinc fingers’, structurele motieven die bv. aanwezig zijn in transcriptiefactoren en die belangrijk zijn bij de binding aan DNA of RNA. Zinkdeficiëntie kan leiden tot zeer uiteenlopende symptomen (groeivertraging, haaruitval, verminderde vruchtbaarheid, achteruitgang zicht…). 2.2.5 Andere oligo-elementen Mn (mangaan) is een cofactor van verscheidene oxidatieve enzymen, Mo (molybdeen) is aanwezig in vele flavoproteïnen, Co (cobalt) is een bestanddeel van vitamine B12 en van zijn co-enzymen BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 11 3. De moleculaire samenstelling van organismen Zoals eerder vermeld kunnen 6 elementen, (O, C, H, N, P en S) stabiele covalente bindingen vormen. Hiermee worden de grote groepen biomoleculen en water gevormd. Water is een zeer belangrijk bestanddeel van cellen en organismen. De moleculen in een organisme bevinden zich in een waterige omgeving, en water doet dienst als reactiemedium, transportomgeving,... Het vaste materiaal van een cel is voornamelijk opgebouwd uit koolstof-houdende verbindingen. Deze verbindingen worden ook bestudeerd in de cursus Organische chemie. In deel (a) van Figuur 1-6 kan je de types van organische moleculen vinden die aan bod komen in Biomoleculen. Biochemische reacties vinden plaats ter hoogte van ‘functionele groepen’ waarvan een overzicht gegeven wordt in deel (b) van de figuur. Deel (c) van de figuur illustreert het soort bindingen dat gevormd wordt tussen de moleculen beschreven in deel (a) van de figuur. Figuur 1-6: Structuren van (a) organische moleculen, (b) functionele groepen en (c) bindingen die aanwezig zijn in biomoleculen* BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 12 *Voor de ionisatie van fosforzuur H3PO4 gelden de volgende zuurconstanten bij 25°C: pKa1 = 2,15 pKa2 = 7,09 pKa3 = 12,32 Fosforzuur komt dus onder fysiologische condities (pH 7) voor als mono/dianion, vandaar dat in Biochemie gesproken wordt over fosfaat (afgekort als P of Pi of P ). De verbindingen waaraan fosfaat gebonden is krijgen dan ook een negatieve lading. Figuur 1-7: Verschillende manieren om organische moleculen weer te geven BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 13 3.1 Biomoleculen De vier grote groepen grondstoffen van een organisme zijn - de eiwitten of proteïnen: zie Hoofdstuk 4 - de vetten of lipiden: zie Hoofdstuk 2 - de suikers of (poly)sachariden: zie Hoofdstuk 3 - de nucleïnezuren: zie Hoofdstuk 5 Ze bestaan uit relatief grote structuren met een hoge molaire massa; ze worden dan ook macromoleculen genoemd. Benaderende samenstelling van een E. coli-cel (gewichts%) water 70% anorganische ionen 1% proteïnen 15% vetten 2% suikers 3% nucleïnezuren DNA 1% nucleïnezuren RNA 6% bouwsteenmoleculen en intermediairen 2% Biologische macromoleculen (of biopolymeren) zijn opgebouwd uit meerdere kleinere organische moleculen (of monomeren). (Mono = 1; Oligo = enkele; Poly = Veel) Deze koppeling van meerdere kleinere organische moleculen gebeurt in condensatiereacties, met het afsplitsen van één molecule H2O per koppelingsreactie. De opsplitsing van het macromolecule in haar monomeren gebeurt door reactie met H2O, hydrolysereactie genoemd. Figuur 1-8 toont het algemeen principe van beide reacties. Figuur 1-8: Een condensatiereactie (a) en een hydrolysereactie (b) In biologische systemen worden deze reacties gekatalyseerd door enzymen, anders zouden ze oneindig traag verlopen. Voor elke reactie (elk soort monomeer, elk soort macromolecule, …) is er een specifiek enzym vereist. In sommige polymeren (bv. bepaalde polysachariden) wordt steeds hetzelfde monomeer herhaald, in andere polymeren (bv. eiwitten, nucleïnezuren) wordt een aantal verschillende monomeren verbonden in een welbepaalde volgorde. Macromoleculen hebben andere eigenschappen dan de monomeren waaruit ze zijn samengesteld. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 14 De monomeren/bouwstenen van de biomoleculen zijn de volgende: Eiwitten: aminozuren (20 verschillende) Lipiden of vetten: dikwijls vetzuren Polysachariden: monosachariden, meestal beperkt aantal soorten per polysacharide Nucleïnezuren: nucleotiden (suiker-fosfaatgroep-organische N-base) Proteïnen of eiwitten zijn, na water, procentueel de belangrijkste componenten in levende wezens. Ze bestaan altijd uit C, H, O en N, en veelal is er S of P aanwezig. Soms zijn er andere oligo-elementen aanwezig. Ze zijn de rechtstreekse vertaling van de genetische informatie van een cel. Vele eiwitten zijn biokatalysatoren (enzymen). Andere zijn structureel belangrijk of staan in voor transport of regulatie. De vetten of lipiden bestaan uit C, H en O. Sommige bevatten ook P en N. Ze hebben een belangrijke rol als energie-reserve en het zijn ook belangrijke structuurcomponenten (membranen). De suikers of polysachariden bestaan steeds uit C, H en O. Soms ook uit N, P of S. Ze functioneren als energie-reserve of als (extracellulair) structuurelement. De nucleïnezuren DNA en RNA bestaan uit C, H, O, N en P. Ze hebben een functie in de opslag en vertaling van de genetische informatie in een cel. 3.2 Vitaminen Vitaminen zijn complexe organische verbindingen die in kleine hoeveelheden samen met de voeding opgenomen moeten worden. Men onderscheidt 2 grote klassen: de vetoplosbare (zie Figuur 1-9) en de wateroplosbare vitaminen (zie Figuur 1-10): Vetoplosbare: vitamine A, vitamine D, vitamine E en vitamine K (ADEK) Wateroplosbare: de B-groep (thiamine, biotine, pathoteenzuur, cyanocobalamine, riboflavine, niacine, pyridoxine, foliumzuur) en vitamine C. Figuur 1-9: Structuren van enkele vetoplosbare vitaminen Wat betreft chemische structuur kunnen sommige vitaminen ondergebracht worden bij de lipiden (A, D, E en K) of de suikerderivaten (C). BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 1: Inleiding 15 De B-groep vitaminen zijn chemisch divers en niet meteen onder te brengen in één van de grote groepen biomoleculen. Deze vitaminen moeten na opname meestal nog omgevormd worden tot hun functionele vorm als co-enzym (hulpje van een enzym). Niacine komt voor in NAD+ en riboflavine in FAD. NAD+ en FAD zijn beide nucleotiden. Sommige vitaminen/co-enzymen bevatten aminozuren als onderdeel. Figuur 1-10: Structuren van enkele wateroplosbare vitaminen 3.3 Hormonen Hormonen zijn signaalmoleculen die in multicellulaire organismen door klieren geproduceerd worden, en vervolgens via het transportstelsel getransporteerd worden naar organen om daar de fysiologie en het gedrag te regelen. De chemische structuur van hormonen is divers (zie Figuur 1-11). Hormonen kunnen ondergebracht worden in de groep van de eiwitten of de groep van de vetten. Voorbeelden zijn (poly)peptiden zoals insuline en glucagon aminozuur-afgeleiden zoals de schildklierhormonen cholesterol-afgeleiden zoals de steroïdhormonen. Figuur 1-11: Structuren van enkele hormonen BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 16 Hoofdstuk 2: VETTEN Inhoud 0. Inleiding tot de vetten.................................................................................... 18 0.1 Definitie en functie....................................................................................... 18 0.2 Indeling...................................................................................................... 18 1. Vetzuren.......................................................................................................... 19 1.1 Verzadigde vetzuren..................................................................................... 20 1.2 Onverzadigde vetzuren................................................................................. 21 2. Triglyceriden, triacylglycerolen of neutrale vetten.......................................... 25 2.1 Structuur en samenstelling............................................................................ 25 2.2 Eigenschappen van triglyceriden.................................................................... 27 2.2.1 Smeltpunt................................................................................................ 27 2.2.2 Hydrolyse en verzeping.............................................................................. 27 2.2.2.1 Enzymatisch: lipasen........................................................................... 28 2.2.2.2 Chemische hydrolyse en verzeping........................................................ 28 2.2.3 Joodgetal (bepaling van de graad van onverzadiging).................................... 29 2.2.4 Oxidatie van onverzadigde vetten............................................................... 29 3. Fosfolipiden en sfingolipiden........................................................................... 31 3.1 (Glycero-)fosfolipiden................................................................................... 31 3.1.1 Fosfatidinezuren....................................................................................... 31 3.1.2 Fosfatidyl-aminen...................................................................................... 32 3.1.2.1 Lecithinen.......................................................................................... 32 3.1.2.2 Kefalinen........................................................................................... 32 3.1.3 Verwante moleculen binnen de klasse van glycerofosfolipiden......................... 33 3.1.3.1 Fosfatidyl inositol................................................................................ 33 3.1.3.2 Cardiolipine........................................................................................ 33 3.1.3.3 Plasmalogenen................................................................................... 33 3.2 Sfingolipiden................................................................................................ 34 3.2.1 Sfingosine................................................................................................ 34 3.2.2 Ceramide................................................................................................. 34 3.2.3 Sfingomyelinen......................................................................................... 34 3.2.4 Glycosfingolipiden..................................................................................... 35 3.2.4.1 Cerebrosiden...................................................................................... 35 3.2.4.2 Sulfolipiden of sulfatiden...................................................................... 35 3.2.4.3 Gangliosiden...................................................................................... 36 3.3 Eigenschappen van fosfolipiden en sfingolipiden............................................... 36 3.3.1 Hydrolyse van fosfolipiden en sfingolipiden................................................... 36 3.3.1.1 Chemische hydrolyse........................................................................... 36 3.3.1.2 Enzymatische hydrolyse....................................................................... 37 3.3.2 Vorming dubbellagen (membranen)............................................................. 37 4. Terpenen of isoprenoïden................................................................................ 40 4.1 Isopreen..................................................................................................... 41 4.2 Monoterpenen.............................................................................................. 41 4.3 Sesquiterpenen............................................................................................ 42 4.4 Diterpenen.................................................................................................. 42 4.4.1 Fytol........................................................................................................ 42 4.4.2 Vetoplosbare vitaminen............................................................................. 43 4.4.2.1 Vitamine A......................................................................................... 43 4.4.2.2 Vitamine E......................................................................................... 43 4.4.2.3 Vitamine K......................................................................................... 43 4.5 Triterpenen................................................................................................. 44 4.6 Tetraterpenen.............................................................................................. 44 4.6.1 Lycopeen................................................................................................. 44 4.6.2 -caroteen................................................................................................ 44 BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 17 4.7 Polyterpenen............................................................................................... 45 4.7.1 Natuurlijk rubber....................................................................................... 45 4.7.2 Ubiquinon................................................................................................ 45 4.7.3 Dolichol................................................................................................... 45 4.7.4 Bactoprenol.............................................................................................. 45 5. Steroïden......................................................................................................... 46 5.1 Sterolen...................................................................................................... 46 5.1.1 Cholesterol............................................................................................... 47 5.1.1.1 Functies van cholesterol....................................................................... 47 5.1.1.2 Lipoproteïnen..................................................................................... 48 5.1.2 Vitamine D3 of cholecalciferol..................................................................... 49 5.2 Galzuren en galzouten.................................................................................. 50 5.2.1 Structuur................................................................................................. 50 5.2.2 Functie van galzouten................................................................................ 51 5.3 Steroïdhormonen......................................................................................... 52 5.3.1 C21-steroïden........................................................................................... 53 5.3.1.1 Progesteron........................................................................................ 53 5.3.1.2 Aldosteron......................................................................................... 53 5.3.1.3 Cortisol.............................................................................................. 53 5.3.2 C19-steroïden........................................................................................... 54 5.3.2.1 Testosteron........................................................................................ 54 5.3.2.2 Androsteron....................................................................................... 54 5.3.3 C18-steroïden........................................................................................... 54 5.3.3.1 Oestrogenen....................................................................................... 54 5.3.4 Toepassingen: contraceptieve pil en anabole steroïden.................................. 55 6. Oefeningen op vetten en derivaten................................................................. 56 BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 18 0. Inleiding tot de vetten 0.1 Definitie en functie Onder de groep van de lipiden of vetten rangschikt men in de biochemie alle biomoleculen die overeenkomst vertonen voor wat betreft hun oplosbaarheid: ze zijn onoplosbaar, of slechts zeer beperkt oplosbaar in water en goed oplosbaar in niet-polaire organische oplosmiddelen zoals ether, chloroform en benzeen. Met zulke solventen kunnen de lipiden dan ook geëxtraheerd worden uit biologisch materiaal. Vetten zijn ofwel hydrofoob (apolair) ofwel amfipatisch (bevatten apolaire en polaire gedeeltes). Het hydrofoob karakter van de lipiden is te wijten aan het feit dat het overgrote gedeelte van hun structuur uit koolwaterstoffen bestaat. De lipiden zijn niet alleen kwantitatief belangrijk, maar vervullen ook zeer uiteenlopende fundamentele biologische functies in het organisme. Er zijn lipiden die dienst doen als structuurcomponenten van membranen; andere doen vooral dienst als opslag van metabolische brandstof, nog andere hebben heel specifieke functies (bv. hormonen). 0.2 Indeling De zeer heterogene groep van de lipiden kan op verschillende manieren ingedeeld worden. Deze indeling is gebaseerd op structurele aspecten van de verschillende lipiden. 1. Vetzuren Basisbouwsteen van veel vetten 2. Triglyceriden Neutrale vetten (dierlijk vet, plantaardige olie): dit zijn esters van glycerol met vetzuren. 3. Fosfolipiden en sfingolipiden Structuurcomponenten van membranen: ze bevatten een alcohol (nl. glycerol of sfingosine) als basis, met daaraan gebonden vetzuren (apolaire staarten) en fosfaat/suikers/… (polair). 4. Terpenen Basisbouwsteen is isopreen; bv. vetoplosbare vitaminen A, E en K 5. Steroïden Steraanskelet (4 ringen); bv. cholesterol en steroïdhormonen Figuur 2-1 geeft een overzicht van de klassen binnen de lipiden. Behalve de triglyceriden, die apolair zijn, zijn de meeste ander lipiden amfipatisch: ze bevatten zowel een hydrofiel als een hydrofoob gedeelte, waarbij het hydrofobe gedeelte veel groter is dan het hydrofiele. Triglyceriden, fosfolipiden en sfingolipen zijn hydrolyseerbare (of verzeepbare) vetten. Terpenen en steroïden zijn niet-verzeepbare vetten. Vetzuren zijn de eenvoudigste lipiden. Veel andere klassen zijn afgeleid van of bevatten vetzuren. Glycerofosfolipden en sfingomyelinen bevatten fosfaat en worden geklasseerd als fosfolipiden. Cerebrosiden en gangliosiden bevatten sfingosine en suikers, en worden geklasseerd als glycosfingolipiden. Isoprenoïden zijn afgeleid van het C5-molecule isopreen, en niet van vetzuren. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 19 Figuur 2-1: Structurele verwantschappen tussen verschillende klassen lipiden 1. Vetzuren Vetzuren komen slechts in zeer kleine hoeveelheden voor in vrije toestand in het organisme, maar in grote hoeveelheden als bouwstenen van meer complexe lipiden zoals eigenlijke vetten, fosfolipiden, …. Ze zijn verbonden aan andere moleculen door een esterbinding (of amidebinding) via hun terminale carboxylgroep. Uit dieren, planten en micro-organismen zijn reeds meer dan 100 verschillende vetzuren geïsoleerd en geïdentificeerd (bv. door gaschromatografie van hun methylesters). Ze verschillen in lengte, aantal en plaats van de C=C dubbele bindingen, en aantal vertakkingen. Hier worden vooral de vetzuren besproken die het overvloedigst voorkomen. Deze vetzuren hebben volgende eigenschappen: a) het zijn alifatische monocarbonzuren; b) ze hebben een niet-vertakte koolstofketen; c) ze hebben een even aantal koolstofatomen (vetzuren worden in het organisme afgebroken tot en opgebouwd uit twee-koolstof fragmenten); d) het kleinste vetzuur is boterzuur (CH3-CH2-CH2-COOH) en de meeste vetzuren bezitten 12 tot 20 koolstofatomen. De carboxyl-C wordt C1 genoemd, en de volgende C-atomen worden gewoon verder genummerd, zie Figuur 2-2. Soms worden Griekse letters gebruikt voor de ‘nummering’ van de C-atomen: de C meteen naast de COOH-C is dan ‘’, de volgende ‘’ enzoverder. De Griekse letter omega ‘’ wordt gebruikt voor de laatste C van de keten, onafhankelijk van de lengte van de keten. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 20 Figuur 2-2: Structuur en C-nummering in vetzuren; Bij fysiologische pH (= pH 7) komen de vetzuren meestal voor als anionen, aangezien de pKa waarde van de –COOH groep meestal 4,5 tot 5 is. De vetzuren worden ingedeeld in verzadigde en onverzadigde vetzuren, naargelang het al dan niet aanwezig zijn van dubbele bindingen. 1.1 Verzadigde vetzuren De verzadigde vetzuren hebben als brutoformule C nH2n+1COOH. Ze worden soms symbolisch weergegeven, met aanduiding van het aantal koolstofatomen en aantal dubbele bindingen: het symbool voor palmitinezuur is dan C16:0 en voor stearinezuur C18:0, zie Tabel 2-1. Tabel 2-1: Voornaamste verzadigde vetzuren Triviaalnaam IUPAC-naam Aantal C- Moleculaire Smeltpunt atomen formule ( C) Boterzuur C4 CH3-(CH2)2-COOH -7,9 (butyraat) Laurinezuur dodecaanzuur C12 CH3-(CH2)10-COOH 44 (lauraat) Myristinezuur tetradecaanzuur C14 CH3-(CH2)12-COOH 52 (myristaat) Palmitinezuur hexadecaanzuur C16 CH3-(CH2)14-COOH 63 (palmitaat) Stearinezuur octadecaanzuur C18 CH3-(CH2)16-COOH 70 (stearaat) Arachidezuur eicosaanzuur C20 CH3-(CH2)18-COOH 75 (arachidaat) Volgende voorstelling van een vetzuur is beter, ze toont duidelijk de lange, hydrofobe koolwaterstofketen: Figuur 2-3: Structuur van palmitinezuur (C16:0) BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 21 In het algemeen hebben alle levensvormen een karakteristiek patroon van vetzuren: zo zijn bepaalde vetzuren zelfs niet in zeer kleine hoeveelheden aanwezig in dierlijke vetten, maar vormen ze het hoofdbestanddeel van plantaardige vetstoffen of oliën. Veruit de meest voorkomende verzadigde vetzuren zijn palmitinezuur (C16:0), dat praktisch in alle vetten voorkomt, en stearinezuur (C18:0), dat 10 tot 30% uitmaakt van de dierlijke reservevetten. Het smeltpunt in bovenstaande reeks van verzadigde vetzuren neemt toe met de ketenlengte (en dit geldt ook voor de serie van de onverzadigde vetzuren, zie 1.2). Verzadigde vetzuren hebben een uitgestrekte conformatie en kunnen zo heel compact gestapeld worden, met een grote stabilisatie door de aantrekkingskrachten tussen de moleculen onderling (van der Waals interacties). Dit verklaart het hoge smeltpunt. 1.2 Onverzadigde vetzuren Onverzadigde vetzuren bevatten minstens 1 dubbele binding (C=C). Mono-onverzadigde vetzuren (enkelvoudig onverzadigd, MUFA) bevatten 1 dubbele binding, poly-onverzadigde vetzuren (meervoudig onverzadigd, PUFA) bevatten 2 of meer dubbele bindingen, zie Tabel 2-2. Tabel 2-2: Voornaamste onverzadigde vetzuren Formule Smeltpunt (°C) a) Met één C=C: CnH2n-1COOH Palmitoleïnezuur (C16:19) C15H29COOH - 0,5 Oliezuur (oleaat) (C18:19) C17H33COOH 13,4 Nervonzuur (C24:115) C23H45COOH 42,5 b) Met twee C=C: CnH2n-3COOH Linolzuur (linolaat) (C18:2 9,12 ) C17H31COOH -5 c) Met drie C=C: CnH2n-5COOH Linoleenzuur (linolenaat) (C18:39,12,15) C17H29COOH -11 d) Met vier C=C: CnH2n-7COOH Arachidonzuur (C20:4 ) 5,8,11,14 C19H31COOH -49,5 De plaats van iedere dubbele binding wordt aangegeven door één cijfer; bijvoorbeeld 9 (oliezuur) wil zeggen een C=C binding tussen C 9 en C10. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 22 In de onverzadigde vetzuren van natuurlijke oorsprong met meerdere dubbele bindingen (de poly-onverzadigde vetzuren) zijn de dubbele bindingen niet-geconjugeerd: ze zijn altijd gescheiden door een -CH2- (methyleen) groep. In het algemeen komen onverzadigde vetzuren meer voor dan verzadigde, en dit vooral in hogere planten en vissen. De drie belangrijkste onverzadigde vetzuren zijn oliezuur, linolzuur en linoleenzuur, zie Figuur 2-4. Oleaat Linolaat Linolenaat Figuur 2-4: Structuren van de belangrijkste onverzadigde vetzuren Oliezuur is universeel verspreid en komt van alle vetzuren het overvloedigst voor. Linolzuur (rijkelijk aanwezig in planten) en linoleenzuur moeten met de voeding opgenomen worden en worden essentiële vetzuren genoemd (‘vitamine F’). De benaming ‘essentieel’ omdat zoogdieren linolzuur of linoleenzuur niet zelf kunnen synthetiseren aangezien ze de enzymen die nodig zijn voor deze synthese niet aanmaken. Toch hebben wij deze vetzuren nodig om bepaalde biochemische processen uit te voeren (o.a. voor het synthetiseren van prostaglandines). Zoogdieren kunnen wel andere meervoudig onverzadigde vetzuren aanmaken vanuit een voldoende aanvoer van linolaat en linolenaat. Naar de dubbele binding dichtst bij de methylgroep wordt vaak verwezen met een omega- nummer (-). Linolzuur en linoleenzuur zijn resp. -6 en -3 vetzuren. Omega-3 vetzuren zijn populaire voedingssupplementen. Ze zijn aanwezig in vis en aangerijkt in visolie. Aangetoond werd dat ze een beschermend effect hebben tegen cardiovasculaire aandoeningen. Door de aanwezigheid van één of meerdere dubbele bindingen is geometrische isomerie (cis- trans vormen) mogelijk. De meeste natuurlijke onverzadigde vetzuren komen in de cis-vorm voor. De aanwezigheid van cis-dubbele bindingen introduceert een knik in de keten aangezien rotatie rond de C=C binding gehinderd wordt. Hierdoor kunnen deze vetzuren niet zo dicht gestapeld worden als verzadigde, met als gevolg een lager smeltpunt, zie Figuur 2-5. Het smeltpunt van de vetzuren daalt dus niet alleen met het minder lang zijn van de ketens, maar ook met het aantal dubbele bindingen. Vergelijk bv. het smeltpunt van stearinezuur, oliezuur, linolzuur en linoleenzuur, die allemaal 18 koolstofatomen bezitten, zie ook Tabel 2-3. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 23 Stearinezuur Oliezuur Elaïdinezuur (Smp. 70°C) (Smp. 13,4C) (Smp. 45C) C18:0 (cis) C18:1c9 (trans) C18:1t9 Figuur 2-5: Vergelijking van de structuren van C18-vetzuren (verzadigd-onverzadigd cis/trans) Tabel 2-3: Overzicht van enkele biologische belangrijke vetzuren BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 24 Opmerking: Eicosanoïden Eicosanoïden zijn fysiologisch belangrijke moleculen, afgeleid van vetzuren. Ze hebben een sterke biologische (hormoonachtige) activiteit in zeer lage concentraties: specifieke fysiologische invloed op doelcel, maar werking lokaal (in tegenstelling tot ‘echte’ hormonen). Deze moleculen vertonen een snelle turnover (snel katabolisme). Tot de eicosanoïden behoren prostaglandines, leukotriënen, thromboxanen, en nog enkele andere groepen. Ze hebben allemaal een gemeenschappelijke oorsprong. De eicosanoiden zijn afgeleid van C20- polyonverzadigde vetzuren, eicosanoeen-vetzuren, zoals arachidonzuur. In een leukotrieen is de C20-keten van arachidonzuur en de carboxylgroep ervan ongewijzigd. Prostaglandines zijn analoog hieraan maar hebben een cyclopentaan ring die gevormd wordt tussen C8 en C12 van de koolwaterstofketen. Thromboxanen hebben in plaats van de cyclopentaan ring een 6-ring met een etherbinding tussen C8 en C12. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 25 2. Triglyceriden, triacylglycerolen of neutrale vetten De natuurlijke vetten en oliën (verschil in aggregatietoestand bij kamertemperatuur) zijn ingewikkelde mengsels van (vooral) triacylglycerolen. Het zijn verzeepbare vetten die zeer hydrofoob zijn. De structuur van deze lipiden kan beschreven worden als esters van vetzuren met een alcohol. Voor de triglyceriden of triacylglycerolen is dit alcohol glycerol. De koppeling van deze monomeren gebeurt in condensatiereacties, zie eerder in Hoofdstuk 1, 3.1. 2.1 Structuur en samenstelling De vetzuren vormen esters met glycerol (= propaantriol): CH2 -OH CH2 -O-CO - R1 │ │ CH- OH + HOOC-R1 → CH- OH + H2O │ │ CH2 -OH CH2OH glycerol vetzuur 1-monoacylglycerol (monoglyceride) CH2-O-CO - R1 CH2 -O-CO - R1 │ │ CH -OH + HOOC-R2 → CH - O-CO - R2 + H2O │ │ CH2 -OH CH2- OH 1,2-diacylglycerol (diglyceride) CH2-O-CO - R1 CH2 -O-CO - R1 │ │ CH -O-CO - R2 + HOOC-R3 → CH - O-CO - R2 + H2O │ │ CH2 -OH CH2- O-CO - R3 1,2,3 triacylglycerol (triglyceride ) Mono- en diglyceriden komen in de natuur slechts in kleine hoeveelheden voor. Triacyl- glycerolen of triglyceriden zijn de klasse van lipiden die het overvloedigst voorkomen: het is onder deze vorm van triësters van glycerol dat het organisme (zowel dieren als planten) een grote hoeveelheid van energierijke vetzuren opstapelt als energiereserve. Dit depot-vet (reservevetstoffen) is in grote mate aanwezig in noten, zaden en in het vetweefsel van hogere dieren. Depot-vet is steeds een ingewikkeld mengsel van (vooral) verschillende triacylglycerolen, zowel eenvoudige (waarin R1 = R2 = R3) als gemengde (met 2 of 3 verschillende vetzuren). Enkele voorbeelden. van triacylglycerolen zijn tripalmitine (dierlijk vet) en trioleïne (olijfolie). Triacylglycerolen zijn zeer hydrofoob en kunnen daardoor zeer efficiënt opgeslagen worden (ter vergelijking: suikers zijn steeds gesolvateerd met water, wat voor een groter volume en massa zorgt). Triglyceriden zijn zo goed als onoplosbaar in water. Voor het vervoer van lipiden in het lichaam, zoals in het bloed, moeten daarom speciale vervoermechanismen gebruikt worden (bv. galzuren, lipoproteïnen, …). BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 26 Onverzadigde vetten (met als componenten onverzadigde vetzuren) worden beschouwd als ‘gezonde’ vetten, omdat zij een belangrijke rol spelen bij het voorkomen van hart- en vaatziekten. Onverzadigde vetzuren helpen mee om het cholesterolgehalte van het bloed gezond te houden. Onderstaande tabellen illustreren de verschillende samenstellingen van dierlijke en plantaardige vetten of oliën. Tabel 2-4: Lipidensamenstelling van menselijk depot-vet Onverzeepbare lipiden 0,60% Cholesterol 0,40% Fosfolipiden 0,20% Triacylglycerolen 99% Vetzuren 95% (nagenoeg allen veresterd in triacylglycerolen) Benaderende distributie van de vetzuren: Palmitinezuur C16 25% van totaal aantal vetzuren Stearinezuur C18 7% Myristinezuur C14 3% Oliezuur C18:1 45% Palmitoleïnezuur C16:1 6% Linolzuur C18:2 10% Linoleenzuur C18:3 1% Arachidonzuur C20:4 2% Het gehalte aan de verschillende vetzuren varieert, bv. met de leeftijd en de voeding. Tabel 2-5: Gemiddeld vetzuurgehalte (in % van totaal vetzuren) van diverse dierlijke vetten (of oliën) Vet of olie van verzadigd oliezuur Meerdere C=C opmerking C16 C18 1 2 3 4 Mens 25 7 45 10 1 2 6% palmitoleïnezuur Varken 26 14 43 10 - - Rund 25 30 40 2 - - Haring 14 1 20 11 - 26 Veel meervoudig onverzadigde vetzuren Boter 27 10 32 4 0,5 0,2 25% vetzuren met C14 Vetten van waterdieren bezitten een grote verscheidenheid aan vetzuren; een laag gehalte aan verzadigde ketens en een hoog gehalte aan hogere, sterk onverzadigde vetzuren (bv. C20 en C22). Tabel 2-6: Plantaardige vetten en oliën Vet of olie van verzadigd oliezuur meerdere C=C opmerking C16 C18 1 2 3 4 Palm 45 4 40 10 - - Olijf 10 2 80 5 1 - Arachis hypogaea 7 4 56 26 - - 6% arachide- (grondnoot, pinda) zuur (C20:0) Lijnzaad 5 4 25 10 55 - Soja 7 5 30 50 7 - Maïs 8 4 46 42 - - Zonnebloem 3 3 33 60 - - BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 27 2.2 Eigenschappen van triglyceriden 2.2.1 Smeltpunt Triacylglycerolen kunnen vast zijn (vetten) of vloeibaar (olie), afhankelijk van de vetzuursamenstelling en de temperatuur. Het smeltpunt van de triacylglycerolen is lager, naarmate de samenstellende vetzuren korter zijn en meer dubbele bindingen bevatten; zo is bv. trioleïne vloeibaar bij kamertemperatuur (= een olie) en tristearine vast. Omdat natuurlijk vet steeds een mengsel is, dat voor ongeveer 99% bestaat uit diverse triacylglycerolen en voor ongeveer 1% uit andere vetoplosbare stoffen zoals mono- en diacylglycerolen, vetzuren, fosfolipiden, sterolen, carotenoïden, vetoplosbare vitaminen enz., heeft het geen scherp smeltpunt. Door hydrogenatie, met bijvoorbeeld Ni of Pt als katalysator, kunnen uit vloeibare plantaardige oliën, vaste vetten bereid worden (harding van vetten, proces dat bv. toegepast wordt/werd in de margarine-industrie). katalysator bv. CH3- (CH2)7 -CH = CH-(CH2)7- COOH + H2 → CH3-(CH2)7 -CH2 - CH2 - (CH2)7- COOH oliezuur stearinezuur In het hydrogenatieproces ondergaan sommige cis-dubbele bindingen echter een omzetting naar trans-dubbele bindingen. Door hun afwijkende chemische structuur hebben trans-vetzuren hetzelfde nadelige effect als verzadigde vetten (ze verhogen het cholesterolgehalte in het bloed en zijn dus ongunstig voor hart- en bloedvaten). 2.2.2 Hydrolyse en verzeping Acylglycerolen zijn esters en kunnen bijgevolg hydrolyse ondergaan; ze splitsen dan in hun samenstellend alcohol (glycerol) en zuur (vetzuren): BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 28 2.2.2.1 Enzymatisch: lipasen In een organisme gebeurt de hydrolyse door inwerking van enzymen: de lipasen (o.a. afgescheiden door de pancreas). De meeste lipiden in het menselijk dieet zijn triglyceriden. In de dunne darm worden ze afgebroken door lipasen (die als zymogeen in de pancreas geproduceerd worden, en in de dunne darm in hun actieve vorm omgezet worden). De lipasen hydrolyseren de esterbinding op C1 en C3 en hierdoor ontstaan vetzuren en monoacylglycerolen. De hydrolyse gebeurt in aanwezigheid van galzouten (sterke detergenten, amfipatische afgeleiden van cholesterol, zie 5.2 p.50) die ervoor zorgen dat de afbraakproducten oplosbaar zijn opgenomen kunnen worden door de weefsels. 2.2.2.2 Chemische hydrolyse en verzeping De hydrolyse van triglyceriden wordt meestal uitgevoerd onder sterke verwarming en met zuur als katalysator. Voert men de hydrolyse uit in alkalisch midden dan worden de oplosbare, geïoniseerde zouten vrijgezet en dus niet de onoplosbare, niet-geïoniseerde vetzuren. Deze alkalische hydrolyse van esters wordt verzeping genoemd. De alkalizouten van de hogere vetzuren worden zepen genoemd (bv. Na- of K-palmitaat, Na- of K-stearaat ). In tegenstelling met de vetzuren zelf zijn de alkalizouten van de hogere vetzuren wel in water oplosbaar: C17H35COONa → C17H35COO- + Na+ Zepen zijn amfipatische stoffen: ze bezitten zowel een hydrofiel gedeelte, nl. de geïoniseerde zuurfunctie, als een hydrofoob gedeelte, namelijk de lange koolwaterstofketen. Zulke amfipatische deeltjes hebben de neiging zich op te hopen in grenslagen: ze verlagen sterk de oppervlaktespanning van hun oplossingen (tensio-actieve of grenslaagactieve stoffen), en in oplossing vormen ze micellen (zie Figuur 2-6). Hun reinigende werking steunt eveneens op hun amfipatische structuur: ze kunnen een vet- of oliedruppeltje (=vuildeeltje) in oplossing brengen door er een micel mee te vormen. De lipofiele of hydrofobe koolwaterstofketen wordt naar het vetdeeltje toe georiënteerd en het polair negatief geladen hydrofiel gedeelte naar het water toe. De vuildeeltjes worden hierdoor negatief geladen en stoten elkaar af: ze zijn geëmulgeerd of er wordt een emulsie gevormd. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 29 Figuur 2-6: Reinigende werking van zepen De Ca2+- en Mg2+-zouten van vetzuren zijn onoplosbaar, vandaar dat zepen minder goed bruikbaar zijn in "hard" water. In deze gevallen worden detergentia gebruikt om te reinigen, zoals SDS (zie Figuur 2-7) of Triton X-100. Figuur 2-7: SDS – Natrium lauryl-sulfaat – sodium dodecyl sulfate 2.2.3 Joodgetal (bepaling van de graad van onverzadiging) Door halogenatie wordt de graad van onverzadiging van vetten bepaald. De mate van onverzadigdheid van een vet wordt uitgedrukt in zijn ‘joodgetal’. Dit is het aantal gram jood dat addeert op 100 g vet. 2.2.4 Oxidatie van onverzadigde vetten Oxidatie leidt tot verschillende reactieproducten, o.a. tot epoxiden en glycolen, en bij zeer sterke oxidatie zelfs tot doorbraak van het molecule. Dit kan resulteren in onaangename geuren en smaken, maar kan ook aanleiding geven tot potentieel carcinogene verbindingen. In natuurlijke producten worden deze processen vertraagd door de aanwezigheid van bv. vitamine E. De oxidatie kan ook vermeden worden door levensmiddelen rijk aan onverzadigde vetzuren in het donker en luchtdicht te bewaren. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 30 sterke oxidatie CH3 - (CH2)7- CH = CH - (CH2)7-COOH ---------> CH3-(CH2)7-COOH + HOOC - (CH2)7 – COOH Opmerking: Wassen (ceriden) De wassen, die zeer verspreid voorkomen in de natuur, zijn niet-polaire esters van hogere vetzuren. Het alcohol is hierbij niet glycerol, maar een hoger alifatisch monohydroxy-alcohol. Wassen zijn meestal uitscheidingsproducten of beschermingsstoffen, (dus geen reservelipiden), die o.a. voorkomen als secreties van sommige insecten (bv. bijenwas), in de beschermende vetlaag op de huid en het bont van dieren, of als beschermende watervaste laag op bladeren en de schil van vruchten. In feite zijn de natuurlijke wassen niet homogeen, maar ingewikkelde mengsels: de hogervermelde esters zijn de belangrijkste componenten, maar daarnaast bevatten ze nog vrije vetzuren, lange hydroxy-vetzuren, hogere alcoholen en koolwaterstoffen, esters van sterolen en sterolen zelf. Een voorbeeld van een was is bijenwas. Een belangrijke component ervan is myricylpalmitaat, het ester van palmitinezuur en myricylalcohol (C30H61OH). C15H31- CO - O - C30H61 Door de hydrofobiciteit van myricylpalmitaat is bijenwas zeer wateronoplosbaar en het hoge smeltpunt van deze verbinding (door de lange verzadigde koolwaterstofketens) zorgt ervoor dat bijenwas hard en stevig is bij normale omgevingstemperaturen. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 31 3. Fosfolipiden en sfingolipiden Alle organismen bevatten een groot aantal lipiden die ingewikkelder van samenstelling zijn dan de triacylglycerolen. Ze bevatten naast een alcohol en vetzuren nog andere bestanddelen zoals fosfaatgroepen, aminoalcoholen, suikers, sulfaatgroepen... waardoor ze een duidelijk polair gedeelte krijgen, zie Figuur 2-8. Deze amfipatische vetachtige substanties vervullen vooral een structurele rol, als componenten van celmembranen. Bij glycerofosfolipiden is het centrale alcohol glycerol, bij sfingolipiden is dat sfingosine. De bouwstenen zijn aan elkaar gekoppeld via condensatiereacties. Figuur 2-8: Vergelijking van de structuur van fosfolipiden en sfingolipiden 3.1 (Glycero-)fosfolipiden Zoals afgeleid kan worden uit de naam zijn fosfolipiden vetten die fosfaat bevatten. Ze worden ook wel fosfatiden genoemd. In glycerofosfolipiden zijn de C1 en C2 van glycerol meestal veresterd met een verzadigd en een onverzadigd vetzuur resp., en C3 is veresterd met een N- houdend alcohol. Op basis van het polaire gedeelte van deze moleculen (aanwezig op C3) ontstaan verschillende klassen van fosfolipiden. 3.1.1 Fosfatidinezuren Fosfatidinezuren zijn esters van glycerol met twee vetzuren en een molecule fosforzuur:  CH2 - O - CO - R1 CH2 - O - CO - R1 │ │  CH - O - CO - R2 CH - O - PO – (OH)2 │ │  CH2 - O - PO – (OH)2 CH2 - O - CO - R2  - fosfatidinezuren - fosfatidinezuren De natuurlijke fosfatidinezuren behoren tot de -reeks. Meestal is R1-COOH een verzadigd vetzuur en R2-COOH onverzadigd. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 32 In vrije toestand komen de fosfatidinezuren slechts in zeer kleine hoeveelheden voor in de cel. Ze vervullen nochtans een zeer belangrijke rol als tussenproduct bij de biosynthese van de andere fosfolipiden. 3.1.2 Fosfatidyl-aminen Deze fosfolipiden kunnen afgeleid worden van de fosfatidinezuren: één van de vrije zuurfuncties van fosfaat is veresterd met een aminoalcohol (R3-OH), zodat de algemene structuur de volgende wordt:  CH2 - O - CO - R1 │  CH - O - CO - R2 │  CH2 - O – PO(O-) - O - R3 3.1.2.1 Lecithinen De naam lecithinen komt van het Grieks ‘lekithos’ (=eidooier) omdat deze verbindingen daaruit voor het eerst geïsoleerd werden. In de lecithinen is R3-OH, het aminoalcohol dat aan de fosfaatgroep veresterd is, choline. CH3 │ Structuur van choline: HO-CH2 - CH2 - N+ - CH3 │ CH3 De structuur van een lecithine is dan de volgende:  CH2 - O - CO - R1 │  CH - O - CO - R2 │  CH2 - O – PO(O-) - O - CH2 - CH2- N+(CH3)3 Systematische benamingen van lecithine zijn fosfatidyl-choline of choline fosfoglyceride. Er bestaan vele lecithinen (zoals ook fosfatidinezuren en kefalinen, zie 3.1.2.2 p.32) omdat de twee vetzuren alle mogelijke hoger besproken vetzuren kunnen zijn. Meestal is het -vetzuur onverzadigd (oliezuur, linolzuur, arachidonzuur...), en het -zuur verzadigd (stearinezuur, palmitinezuur...). 3.1.2.2 Kefalinen Hun structuur is dezelfde als die van de lecithinen, behalve dat choline vervangen is door ethanolamine (colamine) of door serine (een aminozuur). Ethanolamine Serine CH2-CH2-OH CH2 – OH │ │ NH3+ + H3N - CH – COOH BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 33 De overeenkomstige structuur van een kefaline ziet er dan als volgt uit: CH2-O-CO - R1 CH2-O - CO - R1 │ │ CH -O-CO - R2 CH -O - CO - R2 NH3+ │ │ │ CH2-O- PO(O-) -O-CH2-CH2-NH3+ CH2- O – PO(O-) - O -CH2-CH-COO- Fosfatidyl-ethanolamine Fosfatidyl-serine (Colamine-kefaline) (Serine-kefaline) 3.1.3 Verwante moleculen binnen de klasse van glycerofosfolipiden 3.1.3.1 Fosfatidyl inositol Dit molecule speelt een belangrijke rol in signaaltransductie over biologische membranen (secundaire boodschapper). In deze verbinding is de OH van fosfaat veresterd met het cyclische alcohol inositol. 3.1.3.2 Cardiolipine Dit is een dubbel fosfoglyceride. Het wordt aangetroffen in de binnenste membraan van mitochondriën. (Dit bijzondere lipide in membranen wordt soms ook cardiolipide genoemd.) 3.1.3.3 Plasmalogenen Hierin is een etherbinding aanwezig op C1. De fosfaatgroep is meestal veresterd met ethanolamine of choline. Plasmalogenen vertegenwoordigen 23% van de glycerofosfolipiden in het menselijke centrale zenuwstelsel, maar komen ook voor in de membranen van perifere zenuwen en spierweefsel. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 34 3.2 Sfingolipiden Sfingolipiden bevatten, in plaats van het driewaardige alcohol glycerol, een lang amino-dialcohol sfingosine (C18) of een derivaat ervan. Alle sfingolipiden zijn opgebouwd uit één molecule sfingosine, één molecule vetzuur (C 18 tot C26 - in amide-binding aan de aminofunctie), en een polaire kop, die verschilt naargelang de soort sfingolipide, en die zeer ingewikkeld kan zijn. Zoals de fosfolipiden zijn de sfingolipiden belangrijke membraancomponenten van planten en dieren. In zoogdieren zijn ze uitgesproken aanwezig in het centraal zenuwweefsel. De belangrijkste groepen sfingolipiden zijn cerebrosiden, sfingomyelinen en gangliosiden. 3.2.1 Sfingosine Sfingosine is de ruggengraat van de sfingolipiden. Het is een amino-dialcohol, met een trans- dubbele binding tussen C4 en C5, waarop andere groepen gebonden kunnen worden (via de amino- en de C1 hydroxylfuncties). 3 CH(OH) – CH = CH – (CH2)12 – CH3 │ 2 CH - NH2 hierop komt in de sfingolipiden een vetzuur (amidebinding) │ 1 CH2 -OH hierop komt in de sfingolipiden een polaire kop (esterbinding) (fosfocholine of suiker) 3.2.2 Ceramide Dit is sfingosine waaraan een vetzuur (R-COOH) gebonden is via de amino-functie (amide). Ceramiden zijn de metabole voorlopers van alle sfingolipiden. CH(OH) – CH = CH – (CH2)12 – CH3 │ CH - NH – CO – R │ CH2 -OH 3.2.3 Sfingomyelinen De sfingomyelinen komen van alle sfingolipiden het overvloedigst voor in weefsels van hogere dieren. De polaire kop bevat naast fosfaat ook choline (ofwel ethanolamine). Hun naam danken ze aan het feit dat ze in grote hoeveelheden voorkomen in de myelineschede van de zenuwvezels (mergschede), zie Figuur 2-9. Omdat de sfingomyelinen ook nog fosfaat bevatten, kan men ze ook beschouwen als behorend tot de fosfolipiden of fosfatiden. In tegenstelling met de andere fosfatiden, zoals lecithinen en kefalinen, zijn het geen ‘glycerol’fosfatiden, maar ‘sfingosine’fosfatiden. Voorbeeld van een sfingomyeline met fosfocholine als polaire kop. CH(OH) – CH = CH – (CH2)12 – CH3 │ CH - NH – CO – R │ CH2 – O – PO(O-)- O - CH2 - CH2- N+(CH3)3 BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 35 Figuur 2-9: Zenuwcel (links) en doorsnede van het axon (rechts) Op de doorsnede van het gemyelineerd axon zijn de verschillende lagen van de myelineschede duidelijk te zien. De myelinelagen zorgen voor isolatie van het axon. Sfingolipiden zijn overvloedig aanwezig in deze membranen. 3.2.4 Glycosfingolipiden Glycosfingolipiden bevatten geen fosfaat, maar wel suikers. 3.2.4.1 Cerebrosiden Cerebrosiden (‘cerebrum’ = hersenen) zijn glycosfingolipiden die één suikermolecule bevatten (in een -glycosidische binding, zie Hoofdstuk 3), dat verbonden is aan de C1 van een ceramide, ofwel monoglycosylceramiden, zie Figuur 2-10. In ‘galacto’cerebrosiden is één enkel galactosyl-residu de polaire kop. Galactocerebrosiden (ook wel galactosylceramiden genoemd) zijn overvloedig aanwezig in zenuwweefsel en omvatten 15% van de lipiden van myelineschedes. Vele andere zoogdierweefsels bevatten ‘gluco’cerebrosiden, zijnde ceramiden met een glucosyl- residu als polaire kop. Figuur 2-10: Structuren van enkele cerebrosiden 3.2.4.2 Sulfolipiden of sulfatiden Dit zijn cerebrosiden waarin de alcoholfunctie van het hexose (glucose of galactose) veresterd is met zwavelzuur, zie Figuur 2-11. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 36 Figuur 2-11: Structuur van een sulfolipide of sulfatide 3.2.4.3 Gangliosiden Figuur 2-12 toont dat een ganglioside een complex koolhydraatgedeelte bevat: een oligosacharideketen waarin N-acetyl-neuraminezuur (een derivaat van siaalzuur), hexosen en aminohexosen voorkomen. Figuur 2-12: Structuur van een ganglioside De –COOH groep van N-acetyl-neuraminezuur maakt de kopgroep van de gangliosiden anionisch. Gangliosiden zijn aanwezig aan het celoppervlak, waarbij de oligosachariden uitsteken aan het extracellulaire oppervlak. Gangliosiden, samen met andere moleculen die suikers voorzien aan het celoppervlak (andere glycosfingolipiden of glycoproteïnen), zorgen ervoor dat cellen verschillende oppervlaktemerkers hebben, wat van belang is in celherkenning en cel-cel communicatie. 3.3 Eigenschappen van fosfolipiden en sfingolipiden 3.3.1 Hydrolyse van fosfolipiden en sfingolipiden Omdat fosfolipiden en sfingolipiden vetzuren als bouwstenen bevatten zijn ze zoals triglyceriden, verzeepbaar. 3.3.1.1 Chemische hydrolyse Zachte alkalische hydrolyse geeft de twee vetzuren vrij als zouten (zepen), glycerol-3- fosforylcholine blijft over. Met sterke base wordt ook choline afgesplitst, glycerolfosfaat blijft over. Glycerolfosfaat zelf kan door zure hydrolyse gesplitst worden in glycerol en fosforzuur. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 37 3.3.1.2 Enzymatische hydrolyse In de organismen zijn specifieke fosfolipasen aanwezig, die de hydrolyse van fosfolipiden katalyseren. Het zijn belangrijke enzymen om de structuur van fosfolipiden op te helderen, zie Figuur 2-13. Fosfolipase A1 verwijdert specifiek het vetzuur van C1. Fosfolipase A2 verwijdert specifiek het vetzuur van C2. (Fosfolipase B is een mengsel van A1 en A2 en splitst dus de twee vetzuren af). Fosfolipase C hydrolyseert de binding tussen fosfaat en glycerol. Fosfolipase D verwijdert het choline en laat een fosfatidinezuur over. Figuur 2-13: Werking van diverse fosfolipasen op een fosfoglyceride Fosfolipase A1 en A2 kunnen aangewend worden om de specifieke positie van vetzuren te bepalen. Fosfolipase A2 is het belangrijkst lipase in het pancreassap en zorgt mee voor het verteren van membraanlipiden uit het voedsel. Fosfolipase A2 is eveneens aanwezig in slangen-, bijen- en wespengif. 3.3.2 Vorming dubbellagen (membranen) Typisch voor deze klasse van lipiden is dat ze allemaal een hydrofiele polaire kop bevatten, naast twee lange hydrofobe, niet-polaire staarten. De fosfolipiden en sfingolipiden zijn dus polaire vetstoffen, in tegenstelling met de triacylglycerolen die neutrale vetten zijn. Alle fosfolipiden dragen minstens één negatieve lading bij pH 7, omdat de zuurfunctie van fosfaat dan gedissocieerd is. Bij vele lipiden komen hier nog ladingen bij door aanwezigheid van polaire koppen zoals choline en ethanolamine. Bij de glyco-sfingolipiden is het polair karakter soms alleen te wijten aan de vele hydroxylgroepen van het suiker-gedeelte, zonder dat er effectieve ladingen aanwezig zijn. Deze verbindingen vormen zeer gemakkelijk dubbellagen, hetgeen hun zeer geschikt maakt om membranen te vormen. De meeste membranen bevatten ongeveer 25-50% lipiden en 50-75% proteïnen (massa), en minder dan 10% suikers (aanwezig als onderdeel van glycolipiden en glycoproteïnen), zie Tabel 2-7. De membraansamenstelling kan wel sterk variëren. De myelinemembraan, die zenuwcellen isoleert, bevat bijvoorbeeld zeer weinig eiwit, terwijl de binnenste membraan van een mitochondrie (hoge metabole activiteit) rijk aan eiwitten is. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 38 Tabel 2-7: Samenstelling van membranen De lipiden van de membranen zijn hoofdzakelijk fosfolipiden (lecithinen, kefalinen, sfingomyeline...) en in mindere mate glycosfingolipiden en cholesterol, zie Tabel 2-8. Intracellulaire membranen bevatten weinig of geen cholesterol, terwijl in de plasmamembraan van hogere dieren cholesterol een even groot aandeel kan hebben als de fosfolipiden. Het relatief gehalte van de verschillende lipiden in membranen is karakteristiek voor het membraantype, voor het orgaan en voor de soort (zie Tabel 2-8). Membranen van hersenweefsel bijvoorbeeld bevatten veel fosfatidylserines, terwijl membranen in hart en longen veel fosfatidylglycerolen en sfingomyelines bevatten. Daarbij komt nog dat fosfolipiden asymmetrisch verdeeld liggen in de dubbellaag. Sfingomyelinen komen bv. bij zoogdieren voor 90% in de buitenste laag voor, terwijl fosfatidylserines voor 90% aan de cytoplasmatische zijde voorkomen. Tabel 2-8: Benaderende lipidensamenstelling van verschillende celmembranen In een lipidendubbellaag zijn de lipiden gebonden door niet-covalente interacties (hydrofobe interacties), waardoor de membranen flexibel zijn. Een lipidendubbellaag bevat twee bladen of monolagen. In iedere laag zijn de polaire groepen van de amfipatische lipiden in contact met de waterige omgeving, terwijl de niet-polaire koolwaterstofstaarten naar elkaar wijzen binnenin de dubbellaag. Cholesterol, zie verder in 5.1.1 p.47, is ook licht amfipatisch, maar kan zelf geen dubbellagen vormen. Cholesterol wordt gestabiliseerd door de andere lipiden in de dubbellaag. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 39 Naast de lipiden bevat ieder membraantype ook verschillende soorten proteïnen. De membraaneiwitten worden ingedeeld in drie categorieën: de integrale (of intrinsieke) eiwitten of transmembranaire eiwitten: deze eiwitten overspannen de volledige dubbellaag waarbij het ene uiteinde uitsteekt aan het buitenoppervlak en het andere uiteinde aan het binnenoppervlak. Integrale eiwitten bevatten hydrofobe zones die ingebed liggen in de hydrofobe binnenzijde van de dubbellaag. de perifere (of extrinsieke) eiwitten: deze eiwitten zijn geassocieerd met 1 zijde van de membraan. De interactie is bijvoorbeeld een ladingsinteractie of de vorming van H- bruggen met integrale eiwitten of met polaire kopgroepen van membraanlipiden. de lipide-verankerde membraaneiwitten: deze eiwitten zijn covalent gebonden aan een lipide-anker, bijvoorbeeld via een aminozuurzijketen veresterd aan een vetzuur. Sommige van de eiwitten zijn glycoproteïnen en in dit geval zal het suikergedeelte steeds uitsteken uit de membraan omdat koolhydraten te polair zijn om zich tussen de hydrofobe vetzuurketens te nestelen. Een beschrijving van de ligging van de lipiden en eiwitten in een membraan wordt gegeven door het ‘fluid mosaic’ model, zie Figuur 2-14. Dit model beschrijft de membraan als een dynamische structuur waarin eiwitten en vetten relatief vlug en willekeurig kunnen bewegen (diffunderen) of draaien. De vloeibaarheid van lipidedubbellagen hangt samen met de flexibiliteit van de vetzuurketens. Bij lage temperaturen zijn verzadigde vetzuurketens volledig uitgestrekt en vormen ze een geordende stapeling. Bij hogere temperatuur is de stapeling minder dicht doordat de vetzuurketens eerder ongeordend zijn. De aanwezigheid van onverzadigde vetzuren verstoort de ordening en verhoogt de fluiditeit. Cholesterol, voor 20-25% aanwezig in de lipidemassa in een plasmamembraan van een zoogdier, beinvloedt drastisch de fluiditeit. Cholesterol is een rigide molecule. Wanneer het zich tussen de vetzuurketens positioneert wordt de mobiliteit van de membraan beperkt en verlaagt de fluiditeit bij hoge temperatuur. Bij lage temperatuur verstoort cholesterol de geordende stapeling van de uitgestrekte vetzuurketens en zorgt het voor een stijging van de fluiditeit. Cholesterol is dus een noodzakelijk structuurcomponent in dierlijke celmembranen vermits het voor een constante fluiditeit zorgt bij temperatuur-schommelingen. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 40 Figuur 2-14: Structuur van een biologische plasmamembraan: fluid mosaic model Opmerking: Emulgatoren en vorming van emulsies Als men aan een twee fasensysteem (bv. triglyceriden en water) een polair lipide toevoegt, dan zullen de onoplosbare triglyceriden, door emulsievorming, toch schijnbaar in oplossing gaan. Het polaire lipide wordt dan emulgator genoemd. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 41 4. Terpenen of isoprenoïden Terpenen en steroïden (zie 5.) zijn in de natuur voorkomende koolwaterstoffen. De meeste komen slechts in kleine hoeveelheden voor, en dan voornamelijk bij planten. Andere zijn typisch voor dieren en vervullen in kleine concentraties zeer belangrijke functies zoals de vetoplosbare vitaminen en de steroïdhormonen. Deze verbindingen worden isoprenoïden genoemd omdat hun structuur afgeleid is van het C5- molecule isopreen (zie 4.1). Isoprenoïden zijn verbindingen die lineair en/of cyclisch kunnen zijn. In de terpenen zijn de verschillende isopreen-eenheden meestal nog te onderscheiden, in de steroïden zijn ze gefusioneerd tot 4 ringen. In tegenstelling met de tot nu toe behandelde lipiden, bevatten deze verbindingen geen vetzuren, en zijn ze niet-verzeepbaar. De verschillende terpenen die hier besproken worden, zijn ingedeeld volgens het aantal isopreen-eenheden waaruit ze zijn opgebouwd. 4.1 Isopreen Isopreen (of hemiterpeen) is 2-methyl-1,3 butadieen (brutoformule is C5H8). Het is een onverzadigde, vertakte, koolwaterstofverbinding. De structuur van isopreen is: Isopreen is de bouwsteen van alle isoprenoïden, verbindingen die lineair en/of cyclisch kunnen zijn. 4.2 Monoterpenen Monoterpenen bestaan uit twee isopreen-eenheden, en hun brutoformule is dus C10H16, of een derivaat hiervan. Een typisch voorbeeld hiervan zijn plantaardige (‘etherische’, ‘essentiële’) oliën zoals limoneen (citrusvruchten), geraniol (geranium), menthol (pepermunt), kamfer (kamferboom) en pineen (coniferen), producten die dikwijls een karakteristieke geur hebben. menthol limoneen geraniol BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen menthol limoneen Hoofdstuk 2: Vetten geraniol 42 pineen kamfer 4.3 Sesquiterpenen Sesquiterpenen zijn opgebouwd uit 3 isopreen-eenheden. Een voorbeeld is farnesyl-pyrosfosfaat, een C15 molecule dat een tussenstap is in de biosynthese van cholesterol. 4.4 Diterpenen Diterpenen zijn samengesteld uit 4 isopreen-eenheden (C20). Belangrijke voorbeelden zijn fytol, een onderdeel van chlorofyl, en 3 vetoplosbare vitaminen, vitamine A, E en K. 4.4.1 Fytol Fytol is een lineair terpenoid alcohol dat belangrijk is voor de opbouw van het pigment chlorofyl, het molecule dat licht absorbeert in fotosynthetische organismen. Chlorofyl is een ester van fytol met een porfyrinering waarin centraal een Mg2+ atoom zit. De porfyrinering is een groot geconjugeerd systeem van dubbele bindingen dat in staat is om zichtbaar licht te absorberen. Het fytolgedeelte is hydrofoob en functioneert als membraananker (bv. in de thylakoidmembraan van de chloroplasten). BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 43 4.4.2 Vetoplosbare vitaminen De structuur van de 4 vetoplosbare vitamines bestaat uit ringen met lange alifatische zijketens. Deze verbindingen zijn zeer hydrofoob, hoewel ze allemaal minstens één polaire groep dragen. Vitaminen A, E en K worden bij de terpenen geplaatst, vitamine D is een isoprenoide afgeleide van cholesterol (zie 5.1.1). Ze hebben zeer uiteenlopende functies. 4.4.2.1 Vitamine A Vitamine A, of retinol, is een C20 lipide, dat rechtstreeks uit de voeding kan bekomen worden, of onrechtstreeks bekomen kan worden door de splitsing van -caroteen (zie 4.6.2 p.44). Wortelen en andere gele groenten zijn rijk aan -caroteen (provitamine), een C40 plantaardig lipide, dat enzymatisch oxidatief kan gesplitst worden in vitamine A. Er bestaan 3 vormen van vitamine A, verschillend in de terminale functionele groep: retinol (alcohol), retinal (aldehyde) of retinoinezuur. Ze hebben alle drie retinol belangrijke biologische functies (groei, zicht). Retinal bijvoorbeeld is lichtgevoelig en speelt een belangrijke rol in het zicht. Het vormt de prosthetische groep van het eiwit rhodopsine (lichtgevoelige component in retinal retina). 4.4.2.2 Vitamine E Vitamine E, of -tocoferol, is een component met een bicyclisch, O-bevattend, ringensysteem, met een hydrofobe zijketen. Vitamine E heeft een belangrijke functie als antioxidans, waarbij het zuurstof en vrije radicalen vangt. De fenolgroep van -tocoferol wordt hierbij geoxideerd tot een stabiel vrij radicaal. Vitamine E is dan ook belangrijk in het beletten van oxidatieve schade aan vetzuren in biologische membranen. 4.4.2.3 Vitamine K Vitamine K of phylloquinon is een vitamine afkomstig van planten dat een rol speelt in de synthese van bepaalde eiwitten die betrokken zijn bij bloedklontering (omzetting van prothrombine in thrombine, het eiwit dat verantwoordelijk is voor de vorming van een fibrinenetwerk uit fibrinogeen; K komt van ‘Koagulation’). BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 44 4.5 Triterpenen De triterpenen bestaan uit 6 isopreen-eenheden, en zijn dus C30 moleculen. Een belangrijk voorbeeld is squaleen, een verbinding die in grote hoeveelheden voorkomt in haaienlever (geslacht Squalus), maar ook aanwezig is in sommige plantaardige oliën en gist. Squaleen is ėėn van de onmiddellijke voorlopers van cholesterol, maar kan ook belangrijk zijn als zuurstofbindend molecule. 4.6 Tetraterpenen Deze groep bevat 8 isopreen-eenheden (C40), en deze moleculen zijn belangrijke vertegenwoordigers in carotenoiden, zoals in lycopeen (tomaat) en -caroteen (wortelen). Het zijn gekleurde, vetoplosbare stoffen, afkomstig van planten. 4.6.1 Lycopeen Lycopeen is een rode kleurstof in tomaten en in sommige rode vruchten (watermeloen). Het heeft belangrijke antioxiderende eigenschappen. 4.6.2 -caroteen -caroteen of provitamine A kan door oxidatieve klieving aanleiding geven tot vitamine A. -caroteen retinal retinol BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 45 4.7 Polyterpenen Polyterpenen bevatten een groot aantal isopreen-eenheden. Enkele voorbeelden: 4.7.1 Natuurlijk rubber Natuurlijk rubber, afkomstig van het sap van planten van de Hevea soort, is een isopreen-polymeer waarin duizenden isopreen-eenheden aan elkaar gekoppeld zijn. 4.7.2 Ubiquinon Ubiquinon of co-enzym Q, is opgebouwd uit een ring met een lange hydrofobe zijketen. Deze zijketen bestaat uit 6 tot 10 isopreen-eenheden en zorgt ervoor dat dit molecule in lipidenmembranen kan aanwezig zijn. Het speelt een belangrijke rol in membraangebonden elektronentransport (ademhaling). Geoxideerde vorm van co-enzym Q (Q, ubiquinon) Semiquinon intermediair Gereduceerde vorm van co-enzym Q (QH2, ubiquinol) 4.7.3 Dolichol Dolichol (17-21 isopreen-eenheden, waarbij de eenheid met de –OH groep verzadigd is) is een dierlijk polyprenol. Het komt in het organisme voornamelijk voor als dolichol-fosfaat en speelt een rol in de biosynthese van glycoproteïnen en glycolipiden. In de biosynthese van deze verbindingen is dolichol de drager van de ‘suikerboom’ tijdens de biosynthese van deze oligosacharideketen en transporteert het de suikers doorheen de membraan van het endoplasmatisch reticulum of Golgi-apparaat. 4.7.4 Bactoprenol CH2OH Bactoprenol (ook undecaprenyl alcohol of undecaprenol) is een bacterieel lipide. Bactoprenol is een zeer hydrofoob C55 alcohol dat de precursoren voor de bacteriële celwand draagt. Bactoprenol pyrofosfaat draagt de voorlopers tijdens de synthese aan de cytoplasmatische zijde van de celmembraan en transporteert ze vervolgens doorheen de cytoplasmatische membraan, waar ze in de groeiende celwand worden ingebouwd. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 46 5. Steroïden Steroïden behoren ook tot de isoprenoïden, hun structuur is afgeleid van het C5 molecule isopreen. Het zijn dus onverzeepbare lipiden. Tot deze groep behoren de sterolen, de steroïdhormonen en de galzouten. De basisstructuur van de steroïden bestaat uit 4 gefusioneerde ringen: drie C6 ringen (A, B en C) en één C5 ring (D). Deze polycyclische basisstructuur wordt gonaan of steraan genoemd, en is afgeleid van squaleen, zie Figuur 2-15. Figuur 2-15: Het steraan- of gonaanskelet is de basisstructuur in steroïden De grote variëteit van de in de natuur voorkomende steroïden, die in de organismen zeer diverse functies vervullen, en waarin dus telkens dit gonaan-skelet wordt teruggevonden, is te wijten aan: het aantal en de plaats van eventuele dubbele bindingen; aard, plaats en aantal van substituenten. De meeste natuurlijke derivaten vertonen substituenten in C3, C10, C13 en C17; deze substituenten kunnen onder (- configuratie) of boven (-configuratie) het ringvlak uitsteken. de mogelijkheid tot stereoisomerie. Bij gonaan zelf zijn er reeds zes asymmetrie- centra aanwezig (C5, C10, C8, C9, C13 en C14); als er substituenten bij komen vermeerdert het aantal mogelijke isomeren nog. De formule van gonaan, zoals ze hierboven getekend is, is een vereenvoudigde projectieformule: de zesringen komen, zoals bij cyclohexaan, in de meest stabiele stoelvorm voor. 5.1 Sterolen Sterolen zijn vaste alcoholen met een secundaire alcoholfunctie in C3. In C17 dragen ze een alifatische zijketen van acht of meer koolstofatomen. Naargelang hun voorkomen in de organismen onderscheidt men: a) de zoösterolen: worden aangetroffen bij hogere dieren; bv. cholesterol b) de fytosterolen: komen voor in hogere planten; bv. stigmasterol, sitosterol c) de mycosterolen: komen voor in lagere organismen zoals schimmels (bv. gist); bv. ergosterol. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 47 De sterolen worden in de natuur zowel in vrije toestand (als alcohol) als in gebonden toestand aangetroffen; in het laatste geval is de hydroxyl van C3 veresterd met een vetzuur en spreekt men soms van een steride, zie Figuur 2-16. Figuur 2-16: Vorming van een cholesterol-ester of steride 5.1.1 Cholesterol Het steraan-skelet van cholesterol is als volgt aangepast, zie Figuur 2-17: - in C3 een hydroxylgroep - in C10 en C13 een methylgroep - in C17 een vertakte koolstofketen met acht koolstofatomen - tussen C5 en C6 zit een dubbele binding. Figuur 2-17: Structuur van cholesterol 5.1.1.1 Functies van cholesterol Cholesterol komt voor in alle cellen van hogere dieren en neemt er deel, samen met fosfolipiden en sfingolipiden, aan de opbouw van de plasmamembranen. Grote hoeveelheden cholesterol worden dan ook aangetroffen in hersenweefsel en in zenuwcellen. Het kleine, weinig flexibele, molecule beïnvloedt de fluïditeit van de membranen, zie eerder in 3.3.2. BIOMOLECULEN: theorie & oefeningen Hoofdstuk 2: Vetten 48 Naast zijn functie als structuurelement van celmembranen is cholesterol ook het uitgangsproduct voor de biosynthese van talrijke andere belangrijke steroïde verbindingen zoals vitamine D, de galzuren en de steroïdhormonen. Het menselijk lichaam synthetiseert zelf zoveel cholesterol als nodig wanneer cholesterol onvoldoende in het dieet aanwezig is. Cholesterol speelt een belangrijke rol in de ontwikkeling van hart- en vaatziekten. Normaalgezien (bij een goed werkend lipide-transport systeem en geen abnormaal hoge cholesterolinname) wordt cholesterol uit de bloedstroom verwijderd met behulp van lipoproteïnen. Aderverkalking (of artherosclerose) is de ontwikkeling van cholesterol(ester)rijke plaques in de arteriën ten gevolge van een heleboel factoren (erfelijkheid, dieet, levensstijl…). Dit kan resulteren in een hartaanval of herseninfarct. 5.1.1.2 Lipoproteïnen Transport van stoffen tussen organen gebeurt via het plasma, een waterig systeem. Lipiden zijn wateronoplosbare verbindingen en worden daarom vervoerd als complexen met andere moleculen. Deze macromoleculaire complexen zijn wel oplosbaar. Het eenvoudigste systeem is een complex van vetzuren met albumine (een eiwit uit het plasma). Een meer ingewikkeld systeem zijn de lipoproteinen. Dit zijn micellen van allerlei soorten lipiden en specifieke proteïnen, zie Figuur 2-18. Figuur 2-18: Algemene voorstelling van een lipoproteïne Er zijn vijf belangrijke soorten lipoproteïnen: chylomicronen, lipoproteïne met zeer lage dichtheid (VLDL), lipoproteïne met middelmatige dichtheid (IDL), lipoproteïne met lage dichtheid (LDL) en

Biomoleculen Cursus PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue