Dictaat BC-1 Eiwitten PDF

lOMoARcPSD|3911037 Dictaat BC-1 Eiwitten Biochemie 1 (Universiteit Leiden) StudeerSnel wordt niet gesponsord of ondersteund door een hogeschool of universiteit Gedownload door BFW Schatten ([email protected]) ...

lOMoARcPSD|3911037 Dictaat BC-1 Eiwitten Biochemie 1 (Universiteit Leiden) StudeerSnel wordt niet gesponsord of ondersteund door een hogeschool of universiteit Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 DICTAAT BIOCHEMIE 1 (EIWITTEN) HC1 – DE BOUWSTENEN VAN EIWITTEN Eiwitten zijn de werkpaarden van de cel. De functies en het uiterlijk van eiwitten zijn zeer uiteenlopend. In totaal kent de cel ongeveer 100.000 verschillende eiwitten (>21.000 door bv. splicing). Structuur van eiwitten: Eiwitten zijn lineaire ketens (polymeren) van 20 verschillende aminozuren (afkorting/groep kennen!). Ondanks deze relatief eenvoudige opbouw bestaan er dus toch heel veel verschillende aminozuren. De lineaire keten vormt een 3D structuur na vouwing. De volgorde van de aminozuren ‘codeert’ voor de betreffende (3D) vouwing. Structuur van aminozuren: Aminozuren kennen een amino- en een carboxygroep (zuurgroep in bovenstaande afbeelding). De restgroep is ook wel de zijketen van een aminozuur en deze verschilt tussen de 20 aminozuren. Het middelste koolstofatoom in een aminozuur is een asymmetrisch koolstofatoom (‘pyramide vormig’). Er zijn daardoor zowel L als D aminozuren. Regel is dat alleen L aminozuren voorkomen in eiwitten (uitzonderingen: bv. celwand bacteriën m.b.v. speciale enzymen). Groepen aminozuren: Op basis van de eigenschappen van de zijketens van aminozuren zijn ze in te delen in groepen. Alifatische (apolaire) aminozuren o Glycine: heeft als zijketen enkel een waterstofatoom en dus zijn er twee H’tjes aan het asymmetrische koolstofatoom verbonden → de L en D vorm zijn daardoor hetzelfde. o Proline: maakt een ringetje met zijn eigen zijketen (sec. structuur!) o Methionine: kent een zwavelgroep (echter ingebouwd waardoor deze ‘niet zo veel kan’) en een methylgroep Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Aromatische aminozuren (d.w.z. met benzeenring) o Een benzeenring als zijgroep heet een fenylgroep, deze is apolair. o Fenylalanine: alanine (alleen een methylgroep) met een benzeenring eraan. o Tyrosine: fenylalanine + OH groep. Apolair afgezonderd van de zuurstof. o Tryptofaan: fenylgroep met nog een vijfring met erin een stikstof. Polaire ongeladen aminozuren o Serine: lijkt op alanine maar dan met een extra OH. o Threonine: serine + extra methylgroep o Cysteïne: zwavelgroep aan het uiteinde → kan S-bruggen vormen (proton afgeven) ▪ Cysteïne en methionine zijn de enige aminozuren die zwavel bevatten. o Asparagine en glutamine: kennen beide een (ongeladen) amidegroep (NH2) Negatief geladen aminozuren o Aspartaat en glutamaat zijn ‘neefjes’ van asparagine en glutamine. Echter ze bevatten een carboxygroep i.p.v. een amidegroep. o Bij een pH van 7 hebben ze een proton afgestaan (bij een lagere pH zouden ze asparaginezuur en glutaminezuur heten). Positief geladen aminozuren: o Lysine: kent een aminogroep (NH3) in de restgroep o Arginine: kan veel H-bruggen maken door de grote hoeveelheid N-atomen (bv. belangrijk in DNA herkennende eiwitten, kan H- bruggen aangaan met guanine) Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 o Histidine: kent een zuurconstante rond neutraal (pH ca. 6, meeste cellen zijn neutraal) en kan daardoor makkelijk protonen opnemen of afstaan Histidine: in een zuur milieu zal deze met de onderste N een proton opnemen. (carboxygroep in afbeelding rechts moet ook een H’tje hebben, zal immers opnemen in de aanwezigheid van veel H3O+ ionen) Bijzondere aminozuren: Cysteïne aminozuren kunnen met elkaar zwavelbruggen (S-bruggen) vormen. Dit is een covalente binding waarbij 2H+ en 2 elektronen vrijkomen. Deze reactie kan dan ook niet plaatsvinden als er te veel elektronen in de cel zijn. Daarom vindt je het bijvoorbeeld in eiwitten in het bloed (i.i.g. buiten de cel) (daar is ook voldoende zuurstof dat kan functioneren als elektronenacceptor). S-bruggen zijn belangrijk voor de stevigheid van een eiwit maar ze komen niet veel voor in eiwitten, en daarom hangt het opvouwen van eiwitten niet af van zwavelbruggen. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Tyrosine en tryptofaan (aromatische aminozuren) absorberen UV-licht. Eiwitten met deze aminozuren absorberen dus, afhankelijk van de hoeveelheid van deze aminozuren, een bepaalde hoeveelheid Uv-licht. Deze eigenschap kan gebruikt worden om de concentratie van een eiwit te bepalen (bij een bekende aminozuur sequentie). (er wordt gemeten bij 280 nm) Absorptie spectrum van tyrosine, tryptofaan en fenylalanine: Afkortingen van aminozuren: (kennen!) Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Zuren en basen: Bij een neutrale pH komen aminozuren voor als zwitterion: een ion met twee ladingen in één molecuul. Bij een lage pH zal de carboxygroep een proton opnemen waardoor het aminozuur een positieve lading krijgt. Bij een hoge pH zal de amidegroep een proton afgeven zodat het aminozuur een negatieve lading krijgt. (hogere pH; meer OH- ionen, dus dan zal de aminogroep een proton afstaan. Lagere pH: meer H30+ dus dan zal de carboxygroep een H+ opnemen) Aminozuren kennen eigen zuurconstanten (pKa) voor bovenstaande beschreven evenwichtsreacties. (hoe zuurder, hoe lager de pKa) Bij deze pH heeft de helft van de groep nog lading en de andere helft is neutraal geworden. Titratieurve van glycine: pKa van 4.8 De vlakkere gebieden in bovenstaande afbeelding kennen een bufferwerking. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 pKa waarden van de zijketens (Dit is dus niet van de standaard amino- en carboxygroep!) pKa Asp 3.6 (bij neutraal dus negatief) Glu 4.3 (extra koolstof dus hogere pH nodig) His 6.0 (rond neutraal en kan daardoor makkelijk protonen opnemen en afstaan) Cys 8.2 Tyr 10.1 (neutraal) (hele hoge pH nodig om proton af te staan) Lys 10.5 (de zijketen is dus eigenlijk altijd positief bij neutrale pH) Arg 12.5 (bij neutrale pH positief) Titratiecurve van glutamaat: Iso-elektrisch punt (Pi): de pH waarde waarbij er precies evenveel positieve als negatieve lading is in een eiwit (netto dus geen elektrische lading). Voor een aminozuur is dit het gemiddelde van de pKa waarden. Voor een eiwit is dit te bepalen m.b.v. van een apparaat. Tevens zou het voor een eiwit theoretisch berekend kunnen worden. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Het vormen van een eiwit: De volgorde van de aminozuren ligt in het DNA vastgelegd. Ze worden aaneengekoppeld m.b.v. amidebindingen (specifiek peptidebindingen) waarbij water vrijkomt (condensatiereactie). Deze binding is neutraal i.t.t. de ladingen eerst. Echter: de uiteinden van een eiwit kennen nog steeds lading (een eiwit is daardoor nog steeds een Zwitter-ion). Een eiwit begint altijd met de N-terminus, een eiwit kent dus een richting. Algemene structuur van een polypeptideketen: Vorming van een peptideband (condensatiereactie): Grootte van eiwitten: Naam Lengte Oligopeptide Ca. 30 aminozuren* Polypeptide >30 aminozuren* *eigenlijk ‘aminozuur residuen’: de aminozuren die in een eiwit zijn gebouwd De structuur van eiwitten (vervolg): 1. Primaire structuur: aantal, volgorde en type aminozuren 2. Secundaire structuur: o.a. alfa helices en bèta sheets (lokale vouwing) 3. Tertiaire structuur: verdere vouwing tot de 3D structuur (vouwing van het eiwit als geheel) 4. Quaternaire structuur: meerdere polypeptideketens (dus ook meerdere genen) die samen één eiwit vormen a. Subunit: 1 polypeptideketen als onderdeel van een eiwit b. Bv. Hb Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Protomeer: een functionele eenheid van een eiwit, zoals een actief centrum, gevormd door meerdere subunits. Een eiwit kan meerdere protomeren kennen. Modificaties en cofactoren: Lipo-eiwit Eiwit + vetzuur Membranen Glyco-eiwit Eiwit + suikergroep Fosfo-eiwit Eiwit + fosfaatgroep Regulatie eiwitten Metaaleiwit* Eiwit + metaalionen Redox reacties; mitochondriën Haemeiwit* Eiwit + ijzer Hemoglobine *cofactoren: katalyse van lastige reacties Moleculaire stambomen: M.b.v. aminozuur sequenties kan een stamboom gemaakt worden. Een gap is een loop (in de 3D structuur van een eiwit) die verdwenen is. Een gap: Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Moleculaire stamboom: Op bovenstaande afbeelding is zichtbaar dat we dichter bij de archaea staan dan bij de grampositieve en -negatieve bacteriën. (onderdelen van eubacteriën). Ook zijn op deze afbeelding de migrerende mitochondria en chloroplasten zichtbaar (endosymbiosetheorie). Aminozuren gedurende de evolutie: Aminozuren kunnen veranderen of niet veranderen gedurende de evolutie: Invariant residu onveranderd gebleven gedurende de evolutie; ‘is blijkbaar belangrijk’ Variabel residu wanneer deze gemuteerd wordt naar een aminozuur van een andere groep kan het eiwit nog steeds functioneren; ‘is blijkbaar niet zo belangrijk’ Conservatieve mutatie mutatie binnen dezelfde groep aminozuren Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 HC2 – DE 3D STRUCTUUR VAN EIWITTEN https://www.youtube.com/watch?v=z6OTR0oX3_E In de 3D structuur (bepaald door de aminozuurvolgorde) komen m.n. niet-covalente bindingen voor. De enige covalente bindingen in eiwitten zijn enkele zwavelbruggen (tussen cysteïne residuen). Interacties en bindingen Covalente binding 400 kJ/mol Zwavelbrug 220 kJ/ mol H-bruggen/ vanderwaals interacties 4-30 kJ/ mol Zwakke interacties in eiwitten: Waterstofbruggen (H-bruggen) o O, N en S zijn elektronegatieve atomen, d.w.z. ze trekken relatief ‘hard’ aan elektronen. Ze zijn daardoor een beetje negatief geladen. H trekt juist niet zo hard aan elektronen en is daardoor een beetje positief geladen. Op deze manier kunnen interacties aangegaan worden tussen O,N &S en H atomen. o Ontstaan van interne H-bruggen: De carbonylgroep (van de peptidebinding) maakt in een ongevouwen eiwit H-bruggen met water in de cel (omgeving). Het is immers gunstig om H-bruggen aan te gaan. Als het eiwit dan wordt opgevouwen kan het binnenste deel van het eiwit geen H-bruggen meer aangaan met de omgeving. Dit is ongunstig, en daarom zal het eiwit interne H-bruggen gaan vormen. (H-bruggen zijn dus eigenlijk een ‘probleem voor het opvouwen’, hieraan moet opnieuw voldaan worden) Vanderwaalsinteracties (groter bij grotere moleculen) o Interacties tussen alle atomen. Atomen willen door deze interacties op een bepaalde afstand van elkaar zijn: de vanderwaals-afstand. Hier is de interactie-energie negatief en dat is gewenst omdat een systeem streeft naar lage energie. (op een kleinere afstand gaan de atomen elkaar afstoten) o Net zoals H-bruggen moeten ook de vanderwaalsinteracties van aminozuren in ongevouwen toestand met de omgeving (bv. methylgroepen met water) opnieuw gevormd worden binnen het eiwit. Dit is waarom er binnenin een eiwit een compacte structuur is. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Kortom: H-bruggen en vanderwaalsinteracties zijn eigenlijk ongunstig voor het opvouwen van het eiwit omdat aan beide opnieuw voldaan moet worden bij het opvouwen. Er is echter ook nog het hydrofobe effect. Het hydrofobe effect: Entropie = wanorde. “Het systeem streeft naar meer wanorde” Bv. zout: ionen willen verdeeld zijn in het water en daarom lost het op. (veel wanorde kan compenseren voor een hogere energie!) Water vormt een solvatielaag om (apolaire) koolwaterstoffen (mengt niet). De watermoleculen hebben dan weinig wanorde. Dit geldt ook voor eiwitten. Als twee eiwitten echter dicht genoeg bij elkaar gebracht worden dan verdwijnen de middelste solvatielagen. Er komen dan dus een aantal watermoleculen ‘vrij’, welke een hogere entropie krijgen omdat ze meer vrijheid hebben. Dit effect is de drijvende kracht voor de eiwitvouwing. Het is heel gunstig om eiwitten op te vouwen en zo de hydrofobe groepen te scheiden van water, waardoor watermoleculen vrijkomen. In de binnenkant van een eiwit zullen dan ook zo veel mogelijk apolaire groepen zitten (om veel water ‘kwijt’ te raken) en aan de buitenkant de meeste polaire groepen. Er bevinden zich géén watermoleculen aan de binnenkant van een eiwit. Als er wel polaire groepen aan de binnenkant van een eiwit terecht komen, moeten deze H-bruggen vormen. Polaire groepen hebben overigens een minder sterke solvatielaag, doordat ze wel kunnen mengen met water met gunstige H-bruggen. Draaiing binnen een eiwit: Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Ca: centrale asymmetrische koolstofatoom. Blauwe vlakje: peptidebinding In een peptidebinding zijn zowel de dubbelgebonden zuurstof als het stikstofatoom elektronegatieve atomen. Daardoor zijn de elektronen ‘gedelokaliseerd’ en zijn er als het ware ‘twee dubbele bindingen’ (tussen C-O en tussen C-N). Om een dubbele binding kun je niet heen draaien, en daarom liggen de atomen van een peptidebinding in één vlak (om C-N kan niet gedraaid worden). (omega) Er zijn echter ook bindingen waar wel omheen gedraaid kan worden in een aminozuurketen. Ten eerste de hoek tussen een aminogroep en het volgende centrale koolstofatoom (phi, N-Ca) en ten tweede de hoek tussen een centraal koolstofatoom en de koolstofatoom van de vaste carboxylgroep (psi, Ca-C). De phi en psi hoeken kunnen verschillende waarden aannemen en daardoor kunnen allerlei conformaties van het eiwit gevormd worden, althans als het eiwit nog niet zijn 3D structuur heeft. Dan hebben alle phi en psi hoeken namelijk bepaalde waarden gekregen. Overigens kunnen de phi en psi hoeken niet alle waarden aannemen, omdat bij sommige combinaties van hoeken ‘botsingen’ ontstaan (binnen aminozuren, bv. tussen restgroep en carboxylgroep). In een zogenaamde Ramachandran plot staan de ‘toegestane’ combinaties van hoeken weergegeven. Toelichting: één aminozuur kent een phi en een psi hoek. Phi is x, psi is y. Alle blauwe gebieden zijn mogelijk combinaties van hoeken. De donkere gebieden zijn het meest gunstig en de lichte gebieden kunnen nog ‘net’. Uitzondering: glycine heeft een hele kleine restgroep (enkel een H’tje) en daardoor zijn er veel meer hoekencombinaties mogelijk dan in bovenstaande plot. Voor secundaire structuren bestaan ook weer specifieke combinaties van hoeken binnen aminozuren. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Secundaire structuren: Nadat een bepaalde volgorde van aminozuren aan elkaar is gekoppeld zullen secundaire structuren ontstaan in deze keten (door H-bruggen). Belangrijke secundaire structuren zijn alfa helices, bèta sheets en turns. Naast deze vormen bestaan nog vele andere secundaire structuren. Alfa helices Toelichting van maten op bovenstaande afbeelding:1A = 0.1 nm. 5A = 1 wending. 3.6 aa = 1 wending. Alfa helices ontstaan door waterstofbruggen tussen de carbonyl- en amidegroep (niet tussen de restgroepen) en zijn rechtsdraaiend. Dit is telkens tussen de ‘vierde volgende (zie d op bovenstaande afbeelding)’ en kan ontstaan tussen allerlei aminozuren. De zijketens (restgroepen) steken bij een alfa helix naar buiten, dit is namelijk gunstig voor het vanderwaals effect. Een alfa helix kent een ladingsverdeling. Aan de N-terminale kant is de helix delta positief, en aan de C-terminale kant delta negatief. Andere aminozuren kunnen hier weer gunstig interacties mee aangaan (en zo de helix stabiliseren) Een alfa helix kan op verschillende manieren gestabiliseerd worden. 1. Interactie van de geladen uiteinden met aminozuren met tegengestelde lading. a. Dus: (+) aminozuur aan C-terminale kant en/of (-) aminozuur aan de N-terminale kant 2. Interactie tussen opeenvolgende residuen a. Voorbeeld: negatieve aminozuren naast elkaar stoten elkaar af en destabiliseren zo een alfa-helix 3. Interacties tussen residuen op posities i/i+3 en i/i+4. a. 3 zit net iets vóór het eind van een winding en 4 er net iets na. b. Deze aminozuren zitten in de winding boven elkaar en het werkt daardoor stabiliserend als deze elkaar aantrekken. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 4. Aminozuurvoorkeur voor de helix. a. Proline (rigide door ringetje en heeft intern al een binding waardoor deze geen H- bruggen kan vormen) en glycine (maakt de helix te flexibel door vele mogelijke hoeken t.g.v. de kleine zijgroep) zitten niet graag in een helix. Bèta-strand: Een bèta strand wordt gevormd door een lang stuk polypeptideketen met naar boven en onder uitstekende zijketens. Wanneer enkele van deze structuren naast elkaar liggen en er H-bruggen gevormd worden (tussen amide- en carbonylgroepen), ontstaat een bèta sheet. Deze kan zowel parallel als anti-parallel (N- terminaal tegenover C-terminaal) zijn. In een parallelle bèta sheets zijn loops nodig om de bèta strengen met elkaar te verbinden. Anti-parallel komt hierdoor vaker voor. Bèta-sheets zijn vaak enigszins gedraaid (twisted). Op deze manier kan een bèta sheet ook een ‘cirkel’ vormen: een bèta barrel. (voorbeeld van een vouwingsmotief) Een vouwingsmotief verwijst naar de specifieke patronen of structuren die ontstaan tijdens het vouwen van eiwitten Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Turns: Turns zijn veelvoorkomende structuren in eiwitten, ze veranderen de richting van een aminozuurketen en kunnen bijvoorbeeld een alfa-helix met een bèta-sheet verbinden. Voor deze turns is proline (i.t.t. in alfa-helices) juist gunstig, deze aminozuren kunnen namelijk een ‘strakke’ draai maken door de circulaire groep. Glycine kan ook heel goed een turn maken door de kleine zijketen. Proline kent overigens een cis- en een transvorm, maar komt meestal voor in de trans vorm. De cis- vorm is erg handig voor het maken van een turn en komt dan ook vaker voor in turns dan in de rest van het eiwit. Veelvoorkomende turns zijn bèta turns, welke twee uiteinden van een anti-parallelle bèta sheet met elkaar verbinden. De meest voorkomende bèta turns: Tertiaire structuren: Nadat de secundaire structuren gevormd zijn, zullen eiwitten nog verder opgevouwen worden tot de tertiaire structuur: de functionele 3D structuur. Deze tertiaire structuren zijn onder te verdelen in fibrillaire en globulaire eiwitten. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Fibrillaire eiwitten: Fibrillaire eiwitten kennen een draadvormige structuur. Enkele voorbeelden: Keratine: bestaat uit en alfa helices. De tertiaire structuur is in feite ook een alfa-helix. Vormt samen met polypeptiden als quaternaire structuur coiled-coils. o Haar/hoorn/ nagels Collageen: bestaat uit 3 linksdraaiende helices (‘alfa-ketens’) (dit is dus géén alfa-helix!) met 3 aminozuur residuen per winding. Dit is dus een strak opgewonden helix (strakker dan alfa-helix met 3.6 az residuen/winding). Deze 3 linksdraaiende helices draaien rechtsdraaiend om elkaar heen. o Repeterende eenheid: Glycine-proline-x (dat terwijl glycine en proline juist ongunstig zijn bij het vormen van een alfa-helix!) o Pezen/ kraakbeen/ bot/ hoornvlies Fibroïne: dit eiwit bestaat uit meerdere lagen bèta sheets met erin veel alanine en glycine. Dit zijn aminozuren met kleine zijgroepen waardoor ze goed ‘gestapeld’ kunnen worden. Het eiwit kent een flexibele structuur. o Spinrag/ zijde Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Fibroïne: Globulaire eiwitten: Globulaire eiwitten kennen een bolvormige structuur. Een voorbeeld is myoglobine (op onderstaande afbeelding op verschillende manieren weergegeven). Domeinen Vaak kennen domeinen van een eiwit ook een globulaire vorm. Domeinen zijn onderdelen van polypeptideketens die zelfstandig stabiel zijn of ‘bewegingen’ kan maken losstaand van het hele eiwit. Een domein is meestal 100-200 aminozuren lang. Er kunnen bijvoorbeeld 2 globulaire domeinen aan elkaar gezet worden met een linker van aminozuren. Mogelijk zijn deze genen met verschillende domeinen gefuseerd (dus waren het eerst onafhankelijke eiwitten). Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Structurele (calcium bindende) domeinen in de polypeptide troponine C: Structuur ‘2.5’ Tussen de secundaire en tertiaire structuur bestaat eigenlijk nog een soort ‘2.5e’ structuur. Dit zijn de vouwingsmotieven (van secundaire structuren), zoals een B-a-B loop waardoor er makkelijker een loop gevormd kan worden bij een parallelle bèta sheet. Hieruit kan ook weer een a-B barrel gevormd worden. Een ander voorbeeld van een dergelijk vouwingsmotief is een bèta barrel, zoals eerder beschreven. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Regels voor het vouwingsmotieven: (blz. 137) 1. Hydrofobe contacten spelen een belangrijke rol bij de stabiliteit van eiwit structuren. a. Specifiek in een B-a-B loop en ook in de aa corner (twee alfa helices tegen elkaar aan in een bepaalde hoek) In deze structuren worden ten minste twee lagen (vereiste voor het excluderen van water) gevormd waardoor de hydrofobe aminozuur zijketens gescheiden worden van water. 2. Alfa-helices en de bèta sheets bevinden zich in verschillende lagen. Anders kunnen er geen H-bruggen gevormd worden tussen bèta strengen en kan er dus geen bèta sheet ontstaan. (een bèta sheet heeft immers zijn stabiliteit te danken aan interne H-bruggen tussen bèta strengen) 3. Nabije delen in de primaire structuur liggen in een motief. Zullen eerder samen in een vouwingsmotief terecht komen dan stukken die verder weg van elkaar liggen. Die zullen eerder aparte (wellicht globulaire) domeinen vormen. 4. Er worden geen knopen gevormd 5. Bèta sheets zijn vaak (rechtshandig) gebogen, op deze manier zijn ze het meest stabiel. Hierdoor kunnen tevens de bèta barrels ontstaan. Protein Data Bank (PDB): Een manier om de eiwitten te classificeren. Er zijn zo’n 100.000 structuren opgenomen in de PDB. Meer wanorde betekent dat de deeltjes in een systeem meer vrijheid hebben om te bewegen en zich op verschillende manieren kunnen rangschikken. Dit is dus minder geordend. Minder wanorde betekent dat de deeltjes minder vrijheid hebben en in een gestructureerde, geordende configuratie zijn, zoals de watermoleculen die rond een hydrofobe stof worden geordend. Meer entropie = meer wanorde = minder georganiseerd minder entropie= minder wanorde = meer georganiseerd Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 HC3 – MEMBRANEN EN MEMBRAANEIWITTEN Normaalgesproken geldt dat apolaire aminozuren naar binnen gericht zijn en polaire aminozuren naar buiten vanwege de waterige omgeving. De omgeving is echter niet altijd polair, bijvoorbeeld niet in membranen. Vetcellen: Vetcellen bestaan voor het grootste deel uit vet. Organellen zitten dan ook om het vet heen in vetcellen. De functies van vet zijn (1) opslag van energie en (2) isolatie. Vet is effectiever in het opslaan van energie dan glycogeen omdat het per massa meer energie bevat dan glycogeen aangezien glycogeen veel meer water bevat dan vet. Vet kan namelijk watervrij energie opslaan en heeft een lagere oxidatie graad (kan meer ATP genereren). Vetmoleculen: Er bestaan verschillende soorten vetmoleculen. Triglyceriden zijn veelvoorkomende vetmoleculen die bestaan uit glycerol veresterd met 3 vetzuren (ontstaan m.b.v. een condensatiereactie). Vetzuren kennen een even aantal koolstofatomen. De oorzaak daarvan heeft te maken met de synthese. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Verzadigde en onverzadigde vetzuren Verzadigd vetzuur Kent uitsluitend enkele bindingen Onverzadigd vetzuur Kent minstens 1 dubbele binding. (1: enkelvoudig, >1: meervoudig) Meervoudig onverzadigde vetzuren zijn de meest gezonde vetzuren. Hieruit kunnen namelijk ook o.a. signaalmoleculen en hormonen gevormd worden. Verschil in kookpunt van vetmengsels: Vetmengsels die hoofdzakelijk bestaan uit onverzadigde vetzuren hebben doorgaans een lager kook- en smeltpunt dan mengsels met voornamelijk verzadigde vetzuren. Dit is te verklaren door het feit dat een dubbele binding als het ware een ‘knik’ creëert in een molecuul. Hierdoor kunnen de moleculen minder net ‘geordend’ worden en dus kunnen ze minder goed interacties met elkaar aangaan, m.a.g. een lager kook- en smeltpunt. Voor membranen geldt dit ook. Ze moeten dan ook voldoen een specifieke samenstelling. Op de afbeelding linksonder is o.a. te zien dat olie en boter mengsels zijn die uit dezelfde stoffen bestaan, echter met een andere verhouding. Olie is hierdoor vloeibaar bij kamertemperatuur en boter vast. Membraan lipiden (vetachtige stoffen): Membraan lipiden lijken heel erg op triglyceriden, echter i.p.v. 3 vetzuren bestaan ze uit glycerol veresterd met 2 vetzuren en 1 grote polaire groep. Hierdoor zijn deze moleculen aan de ene kant zeer apolair, maar aan de andere kant polair. Van membraanlipiden wordt een bilaag gevormd (zie afbeelding rechts). Aan de buitenkant (dus naar het water gericht) bevinden zich de polaire groepen en aan de binnenkant de polaire lagen. Op deze wijze wordt dus een scheiding gevormd tussen twee compartimenten (=een membraan). Een bilaag is ca. 50-80 A dik (5-8 nm, 10 A = 1nm). Een cel bevat heel veel membraanstructuren. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Lipiden: Zeep (detergent): Zeepdeeltjes zijn vetzuren met een polaire groep. Individuele zeepmoleculen hebben een wigachtige vorm. Samen kunnen ze daardoor een micel vormen (zie onderstaande afbeelding), waarin vet kan oplossen. Daarentegen hebben membranen geen bolvormige structuur. Dit komt doordat de individuele membraanlipiden cilindervormig zijn, aangezien ze twee apolaire restgroepen hebben. Er kan ook een vesikel gevormd worden door membraanlipiden. Cholesterol: Cholesterol is een stof die o.a. belangrijk is voor de synthese van de geslachtshormonen. Tevens vormt cholesterol een belangrijk onderdeel van membranen. Cholesterol bestaat uit 4 ringen, één koolstofketen en heeft ook een OH-groep (zie onderstaande afbeelding). Hierdoor is er een kleine polaire groep en een grote apolaire groep. Dit molecuul kan zich dan ook nestelen in het celmembraan. Cholesterol verlengt op deze wijze het smelttraject van membranen. Zo is (de hoeveelheid) cholesterol belangrijk voor de regulatie van de vloeibaarheid van de membranen. Een cel is niet levensvatbaar als zijn membranen vast zijn, dit is waarom een smelttraject (i.p.v. een smeltpunt) van groot belang is. Er is daardoor een groter temperatuur bereik, waardoor speling mogelijk is (zonder celdood). Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Links: de structuur van cholesterol, Rechts: de samenstelling van verschillende membranen in de cel. Het golgi apparaat: Het golgiapparaat speelt een belangrijke rol bij de regulatie van de samenstelling van membranen. Het bepaalt namelijk waar alle geproduceerde membraanlipiden naar vervoerd worden. Zelfs de binnen- en buitenlagen (onderdelen bilaag) van membranen worden apart gereguleerd. Model van een membraan: ‘Fluid mosaic model’ Membranen zijn vloeistoffen (vast immers dodelijk en gas niet werkzaam). Alle deeltjes in een membraan kunnen dus ‘door elkaar bewegen’. De lagen in een membraan bewegen in een vlak, dus in 2D. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Afhankelijk van de temperatuur is het geheel geordend of niet geordend. Bij een hogere temperatuur hebben de moleculen een hogere bewegingsenergie waardoor het geheel minder geordend is. M.b.v. molecular dynamics kunnen moleculen iedere nanoseconde gevolgd worden. Diffusie: Lateraal versus flip-flop Laterale diffusie van membraanlipiden verloopt zeer snel. Flip-flop diffusie daarentegen verloopt zeer traag. Laterale diffusie: Energetisch gezien zijn de posities gelijk bij laterale diffusie. Bovendien is er bij laterale diffusie weinig weerstand, dus een lage energiebarrière. De snelheid van laterale diffusie kan gemeten worden door de lipiden van een cel te laten reageren met een fluorescente probe. Met een intense laser kunnen dan op een klein stukje van de cel probes verwijderd worden. Door laterale diffusie zullen de fosfolipiden met probe na verloop van tijd mengen met de gebleekte membraanlipiden. De snelheid waarmee dit gebeurd kan gemeten worden. (zie fig. 11-16, blz. 400) Flip-flop diffusie: er is een hele hoge energiebarrière doordat een polaire groep door de apolaire laag ‘heen moet’ om naar de overkant te komen. o Flippases en floppases verlagen de energiebarrière m.b.v. ATP. Met ATP- hydrolyse kan een ongunstige reactie alsnog verlopen doordat er energie wordt geïnvesteerd (komt vrij bij verbreken energierijke fosfoanhydride band). ▪ Slechts in één richting omdat het gekoppeld is aan ATP hydrolyse (conformatie van het enzym verandert op één manier, dus éen kant op) o Scramblase verlaagt de energiebarrière zonder ATP hydrolyse en kan daardoor de flip-flop diffusie in beide richtingen versnellen. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Membraaneiwitten: Oversteken van een membraan: Alfa helices kunnen (1) aan alle kanten polaire groepen, (2) amfifatisch zijn, d.w.z. aan een kant van de helix hydrofobe groepen en aan de andere kant polaire groepen of (3) volledig hydrofoob zijn. In dit laatste geval kan een membraan overgestoken worden als de helix 20-25 aminozuren lang is. Regulatie locatie (membraan) eiwitten: vastgesteld is dat eiwitten telkens binnen een bepaald domein bewegen. Dit komt doordat eiwitten (enigszins) beperkt worden in hun beweging door structuureiwitten. Dit is bijvoorbeeld nuttig voor receptoren die enigszins (maar vooral niet precies) op dezelfde plek moeten zitten. Typen membraan eiwitten 1. Integraal membraan eiwitten: eiwitten die in het membraan zitten. Ze maken contact met het hydrofobe gedeelte van een membraan. a. Enkel m.b.v. detergent te verwijderen b. Monotopic en polytonic (ten minste 1 keer overstekend) afhankelijk van aan hoeveel kanten deze eiwitten ‘uitsteken’ c. Kennen vaak een a-helix met hydrofobe groepen 2. Perifeer membraan eiwit: zitten niet in het membraan (geen contact met hydrofoob gedeelte), ‘verankeren’ enkel aan de buitenkant. (binden vaak elektrostatisch of met H- bruggen) a. Amphitronic proteins binden reversibel (binden soms wel en soms niet) (vaak gereguleerd, bv. door fosforylatie) b. Te verwijderen met buffer/ zout/ enzym (dus o.a. verbreken H-bruggen) Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Hydropathie: in hoeverre een aminozuursequentie hydrofoob is. De hydropathie kan bijvoorbeeld weergegeven worden m.b.v. een plot. Telkens wordt een deel van de aminozuursequentie (een window) genomen en bekeken hoe polair deze is. Aan de polariteit wordt een getal gekoppeld. Hoe hydrofober, hoe positiever het getal. Op deze wijze wordt de gehele aminozuursequentie gemeten. Toepassing: een hydrofoob gebied van zo’n 20 aminozuren kan een indicatie zijn voor een alfa- helix die een membraan oversteekt. Voorbeeld: Het eiwit in bovenstaande afbeelding kent 7 van deze alfa-helices. Hierdoor bevinden de N- en C-terminus zich tegenover van elkaar. Bij een even aantal helices zouden de N- en C-terminus zich vanzelfsprekend aan dezelfde kant van het membraan bevinden. Zoals eerder genoemd kent een integraal membraan eiwit vaak dergelijke alfa-helices. Toch hoeft een integraal membraan eiwit niet enkel uit alfa-helices te bestaan, zo kan er ook een bèta barrel structuur gevormd worden. Deze zijn echter lastiger terug te vinden in een DNA sequentie (vooral bij een porie die bestaat uit meerdere bèta barrels, in dit geval dus de monomeren). Dit komt doordat een bèta streng zowel een restgroep naar binnen als naar buiten heeft (die elkaar compenseren) waardoor er bij de hydropathie techniek telkens een waarde rond de nul wordt gevonden. Locatie van eiwitten in een membraan Tryptofaan en tyrosine zijn aromatische aminozuren die beide een kleine polaire groep kennen. Deze aminozuren bevinden zich dan ook graag ‘op de rand’ van een bèta barrel op de grens tussen polair en apolair (denk aan cholesterol). Zo wordt een soort ‘anker’ of ‘boei’ gevormd in het eiwit en blijft het op de juiste hoogte. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Kaliumkanalen: Kaliumkanalen moeten natuurlijk selectief zijn voor kalium, en niet op ionen die er sterk op lijken zoals natrium. Dit is lastig aangezien ionen in een waterige omgeving omgeven worden door een laag watermoleculen (hydratatie laag). Werking van kanalen: de kanalen kennen een soort trechtervorm, met een smalle opening in het midden. Het filter (de trechter) is een beetje negatief geladen (dipool alfa helix!) en trekt zo positieve ionen aan. In de trechter steken bovendien carbonylgroepen naar buiten welke de plaats in kunnen nemen van watermoleculen (H-bruggen overnemen). Ook deze groepen hebben weer een (delta) negatieve lading. Selectiviteit: het kanaal is selectief voor kalium doordat de carbonylgroepen net iets te ver van elkaar verwijderd zijn voor natrium. Natrium is immers iets kleiner dan kalium en kan hierdoor geen interactie aan gaan met de carbonylgroepen waardoor het water dat natriumionen omgeeft niet ‘verwijderd’ kan worden. De concentratiegradiënt is bepalend voor de richting van het transport. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Kaliumkanaal: Te zien is dat het kanaal bestaat uit 8 transmembraan alfa-helices, vier keer twee identieke, die samen een trechterstructuur vormen. HC4 – ENZYMEN Kenmerken van enzymen (biologische katalysatoren): Zeer hoge versnellingen Specifiek Werken onder milde condities, namelijk de condities van het lichaam. De activiteit van enzymen is regelbaar. Ze kennen een actieve plaats, waar de daadwerkelijke katalyse plaatsvindt. o De omgeving van de actieve plaats is zeer belangrijk omdat de aminozuren heel nauwkeurig gepositioneerd moeten zijn in de actieve plaats (framework en stabiliteit) Enzym met zijn actieve plaats: Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Reactie-energie: Te zien op onderstaande afbeelding zijn de energietoestanden van het substraat (S) en het product (P). In dit geval kent het product een lagere vrije energie (G) dan het substraat, de reactie verloopt daarom spontaan. In het algemeen geldt dat een reactie spontaan zal verlopen wanneer delta G negatief is. Dit zegt echter niets over de snelheid van een reactie. Op bovenstaande afbeelding is ook de zogenaamde overgangstoestand te zien. Deze toestand is instabiel en vereist daarom veel activatie-energie ‘om er te komen’ (systeem streeft immers naar lage energie, en nu moet het systeem naar een ongewenste instabiele toestand). Gevolg: slechts heel af en toe heeft een deeltje toevallig genoeg energie om over de barrière te komen. Kortom: de activatie-energie is bepalend voor de snelheid van een reactie. Hoe hoger deze is, hoe langzamer een reactie zal verlopen. Overigens: om van P naar S te komen is nog meer energie nodig dan de activeringsenergie (zie ook afbeelding) Enkele formules: Formule Eenheid Reactiesnelheid (v) 𝑣 = 𝑘 ∗ [𝑆] [v] = M/s k-waarde (specifiek voor De Arrhenius vergelijking; [k] = 1/s iedere reactie) 𝑘𝑏𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛𝑛∗𝑇 −∆𝐺∗ 𝑘= ∗ 𝑒 𝑅𝑇 ℎ h: constante van Planck T: absolute temperatuur (K) R: gasconstante Uit de Arrhenius vergelijking volgt dat een kleine verandering van delta G (in dit geval de activeringsenergie) leidt tot een grote verandering van k en daarmee van de snelheid van een reactie. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Werking van enzymen: Enzymen verlagen de activeringsenergie. De reactie van een substraat met enzym tot product en enzym verloopt als volgt: 𝑆 + 𝐸 ⇄ 𝑆𝐸 ⇄ 𝑃𝐸 ⇄ 𝑃 + 𝐸 Het is belangrijk dat de binding van het substraat aan het enzym niet te sterk is aangezien het product uiteindelijk weer moet afsplitsen. In grafiek: Te zien is dat een reactie met een enzym eigenlijk meerdere (3, want 3 overgangen) kleine energie barrières kent, i.p.v. één hele grote. Hierdoor is de reactiesnelheid veel hoger. Andere methoden van werking van enzymen: De meeste botsingen van substraten zijn niet succesvol (d.w.z. ze leiden niet tot de omzetting tot een product). Dit is helemaal lastig bij ionen die omgeven worden door watermoleculen. Een enzym kan (1) deze solvatielaag verwijderen. Ook kan een enzym (2) de entropie (wanorde/ bewegingsvrijheid) van een molecuul reduceren doordat een enzym een molecuul slechts op één manier kan binden. Echter: deze methoden kosten energie aangezien H-bruggen en entropie gunstig zijn. Er moeten dus interacties zijn om hiervoor te compenseren. Hiervoor zijn zwakke interacties (4-30 kJ/mol) verantwoordelijk, zoals vanderwaalsinteracties, H-bruggen, ionische interacties en het hydrofobe effect. Stabiliseren van de overgangstoestand: Een enzym moet de overgangstoestand stabiliseren, en niet het substraat. Als een enzym namelijk perfect complentair is aan het substraat (en niet de overgangstoestand) dan wordt ES zo stabiel (lage energie) dat er juist een nog grotere activeringsenergie nodig is om de overgangstoestand te bereiken. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 (hekje stelt de vrije energie van de overgangstoestand voor) Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Michaelis-Menten kinetiek: De Michaelis-Menten vergelijkingen beschrijven de kinetiek van reacties met enzymen. De reactievergelijking die zij gebruikten (laten EP complex weg): 𝐸 + 𝑆 ⇄ 𝐸𝑆 → 𝐸 + 𝑃 Ze gebruiken ook aannames, zoals een veel lagere enzym- dan substraatconcentratie. Ook nemen ze aan dat het binden van het enzym aan het substraat sneller verloopt dan de reacties van ES tot E + P. Reactiesnelheid: Op den duur wordt bij een bepaalde reactie het evenwicht bereikt. Tevens wordt de snelheid lager naarmate de concentratie van het substraat afneemt. De raaklijn aan het vormen van het product (productvorming), is de reactiesnelheid. V0 is de snelheid van een reactie op tijdstip t=0. V0 is o.a. afhankelijk van de hoeveelheid substraat in het begin: [S]0. Als v0 en [S]0 tegen elkaar worden uitgezet volgt echter geen lineair verband. Zie grafiek: Formule voor de reactiesnelheid op tijdstip 0: (hoort bij bovenstaande grafiek) 𝑣𝑚𝑎𝑥 ∗ [𝑆]0 𝑣0 = 𝐾𝑚 + [𝑆]0 (eenheid Km: M) Vmax (asymptoot) en Km in bovenstaande formule zijn specifiek voor een enzym. Drie hypothetische gevallen: [S]0 > Km Km kan uit de noemer weggehaald worden. [S] kan dan in zowel de teller als de noemer weggestreept worden. Gevolg: v = vmax (einde grafiek) [S]0 = Km In dat geval wordt de teller 2*[S]. In zowel de teller als de noemer kan vervolgens [S] weggestreept worden. Gevolg: v= ½ * vmax Km is dus eigenlijk de substraat concentratie op t=0 waarbij de beginsnelheid gelijk is aan de helft van de maximale snelheid. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Vmax: Wanneer meer enzym wordt toegevoegd, wordt vmax groter: 𝑣𝑚𝑎𝑥 = 𝑘𝑐𝑎𝑡 ∗ [𝐸] Kcat: de snelheidsconstante van het enzym, van de langzaamste (dus meest beperkende) stap. De eenheid van kcat is 1/s. Km en kcat: Km en kcat zeggen beide iets over het enzym. Daarom wordt m.b.v. deze twee constanten de specificiteitsconstante (kcat/ km) berekend voor ieder enzym. De eenheid van deze constante is m^-1s^-1. Als de waarde van de specificiteitsconstante ligt tussen 10^8 en 10^9 dan wordt de ‘katalytische perfectie’ genoemd. De reactiesnelheid hangt dan enkel af van de diffusiesnelheid van moleculen (hoe snel ze het enzym kunnen bereiken). De meeste enzymen zijn echter niet katalytisch perfect. Dit hoeft ook niet. Reden: In ketens hoeven de laatste reacties immers niet sneller te werken dan de eerdere stappen, ze vormen toch niet de beperkende factor. (meestal substraat beperkt) Vervolg over enzymen: Enzymen gebruiken vaak metaalionen (vooral bij redoxreacties) of organische verbindingen zoals vitaminen als cofactor/co-enzym. Zie onderstaande tabellen. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Classificatie van enzymen Er bestaan 6 klassen van enzymen. 1. Oxidoreducates: katalyseren redoxreacties 2. Transferases: katalyseren de overdracht van groepen tussen moleculen 3. Hydrolases: katalyseren de splitsing van moleculen m.b.v. water 4. Lyases: katalyseren het vormen dan wel verbreken van dubbele bindingen 5. Isomerases: katalyseren de groepsoverdracht binnen moleculen, waardoor dus isomeren gevormd worden. Voorbeeld: glucose/ fructose 6. Ligases: katalyseren de vorming van allerlei bindingen m.b.v. ATP (via condensatie) (condensatiereacties) Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Voorbeeld: Chymotripsine is een enzym dat peptidebindingen verbreekt. Te zien is dat de overgangstoestand meer wordt gestabiliseerd dan de overige toestanden. Actieve centrum: Ser/ Gly/ his Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Animatie: http://bcs.whfreeman.com/webpub/biochemistry/lehninger6e/Student%20Resources/Animated%2 0Enzyme%20Mechanisms/0621_chymotrypsin.html?page_id=lehninger6e_animations_X_X_15 Wat er gebeurt: 1. Substraat bindt. Positionering: Een carbonylgroep gaat een H-brug aan met de amidegroep van een serine aminozuur in het enzym. 2. Er wordt een soort tussenvorm gevormd waarbij een covalente koppeling wordt gemaakt tussen de carbonylgroep (van de te verbreken peptidebinding) en een serine in het enzym. De amidegroep van de te verbreken peptidebinding gaat een H-brug aan met het residu van een histidine aminozuur in het enzym. 3. Er volgt klieving van de peptidebinding. Er resteert nog steeds een covalente binding van de peptide met het enzym. 4. Water zal binden aan een aminogroep van histidine in het enzym. 5. Water valt dan de binding aan tussen het enzym en serine. Er ontstaat weer een tussenvorm. 6. Dan worden de bindingen incl. de covalente binding tussen het enzym en de peptide ook verbroken. Het enzym is dus niet meteen weer beschikbaar omdat de peptide eerst nog ontkoppeld moet worden van het enzym (er is immers o.a. een covalente koppeling!) De snelheidsbeperkende stap in bovenstaand mechanisme is dat er water bij moet komen om het rechterstuk peptide uiteindelijk te laten ontkoppelen. De snelheidsbeperkende stap is dus niet het verbreken van de peptidebinding. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 HC5 – ENZYMEN EN SPIERWERKING Enkele begrippen: Regulatie processen: doel is concentratie van stoffen constant te houden (homeostase wordt gehandhaafd m.b.v. regulatie processen) Flux: de hoeveelheid door een metabole route Controle: de flux van een metabole route veranderen Enzymactiviteit De enzymactiviteit kan op veel verschillende manieren worden veranderd. Dit kan via het reguleren van de hoeveelheid enzym, maar ook door het beïnvloeden van de activiteit van een enzym. 1. Hoeveelheid enzym: transcriptie, translatie en afbraak 2. Activiteit van een enzym a. Allosterie: het niet-covalent binden van een klein molecuul b. Covalente modificatie: de bekendste is een fosfaatgroep c. Regulatie-eiwitten d. Activatie door proteolyse: het knippen van een peptidebinding. Dit is bv. belangrijk voor spijsverteringsenzymen om te voorkomen dat ze voortdurend actief zijn en zo de cel afbreken. e. Lokalisatie (6): bv. in een lysosoom (o.a. voor degradatie van cel onderdelen) Er zijn zoveel manieren om de enzymactiviteit reguleren omdat de regulatie op veel verschillende tijdschalen plaats moet kunnen vinden (ms – jaren). Allosterie en covalente modificaties zijn voorbeelden van snelle methoden van regulatie. Het reguleren van de hoeveelheid van een enzym daarentegen is een langzamere methode. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Allosterie Het niet-covalent binden van een klein molecuul aan een enzym, waardoor de conformatie en daarmee de activiteit van een enzym verandert. Meestal zijn allosterische enzymen multi-subunit eiwitten en is de modulator een andere stof dan het substraat, dat noemt men heterotroop. Soms is het substraat ook de modulator en dat wordt homotroop genoemd. Modulatoren kunnen positief en negatief werken. Ter illustratie: op onderstaande afbeelding is C het katalytische (catalytic) domein en R het regulator domein. (Dit enzym bestaat dus uit twee polypeptide ketens en kent dus een quaternaire structuur). Wanneer het regulator domein een modulator bindt, verandert de conformatie van het eiwit zodanig dat het katalytische domein makkelijker het substraat kan binden. De binding van de modulator is reversibel. Voorbeeld van homotrope allosterie: Hb (is niet ‘echt’ een enzym). De eerste zuurstof bindt sterk en beïnvloedt de binding van het volgende substraat. Deze kan namelijk minder sterk binden dan de eerste. Het eerste zuurstofmolecuul is dus zowel substraat als (negatieve) modulator. Voorbeeld van heterotrope allosterie: Aspartaat transcarboxymoylase (ook koppeling met feedback inhibitie) Aspartaat transcarboxymoylase is het eerste enzym in een lange keten van reacties. De negatieve modulator die bindt aan dit eerste enzym is tevens het product van deze lange keten: CTP. Op deze manier remt CTP de route voor zijn eigen productie (homeostase wordt zo gehandhaafd). Dit principe heeft feedback inhibitie. Feedback inhibitie is een vorm van negatieve heterotrope allosterie. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Enzym beperkt en substraat beperkt De eerste stappen in een keten van reacties zijn vaak enzym beperkt en dus regelbaar (als de concentratie enzym enigszins laag wordt gehouden). Latere stappen zijn meestal substraat beperkt, deze enzymen zijn dus niet regelbaar (hoeven tevens niet katalytisch perfect te zijn). In de latere stappen moet er telkens veel enzym zijn zodat de concentratie van de intermediairen laag blijft. Deze hebben immers geen functie. Covalente modificaties: Covalente modificaties blijven langer bestaan dan allosterie. Voorbeelden van covalente modificaties zijn fosfaatgroepen (aan Ser-OH, Thr-OH, Tyr-OH m.b.v. ATP), AMP, UMP en methylgroepen. Fosforylering: (er wordt een H+ afgesplitst) Kinasen zijn enzymen die fosfaatgroepen aan aminozuren koppelen m.b.v. ATP. Reactie: Eiwit + ATP → eiwit-P + ADP. Fosfatases (hydrolases) verwijderen de fosfaatgroep juist weer. Fosfatases vormen echter niet weer opnieuw ATP. Fosfatasen en kinasen katalyseren dus niet de omgekeerde reactie! Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Regulatie-enzymen en Michaelis-Menten: Kinasen zijn een voorbeeld van regulatie-enzymen. Regulatie enzymen hebben vaak S-vormige substraat0, vo-curves. Ze voldoen dus niet aan de hyperbool vorm van de Michaelis-Menten kinetiek. Toch hebben regulatie-enzymen een vergelijkbare waarde als de Km constante: namelijk de K0.5 waarde. Ook dit is de concentratie van het substraat (op t=0) waarbij de helft van de maximale snelheid wordt bereikt (equivalente definitie). Wanneer een modulator wordt toegevoegd verandert de curve. Bij positieve modulatie kan de K0.5 lager worden (grafiek steiler) omdat de affiniteit van het substraat voor het enzym hoger wordt. K0.5 hoeft echter niet te veranderen omdat vmax ook kan veranderen (grafiek hoger). Het kan ook een mix van de twee zijn. De opbouw van spieren: Spieren bestaan uit hele lange (versmolten) cellen (spiervezels) die over de hele lengte van een spier lopen. De samentrekkende eenheden van spieren zijn myofibrillen (onderdeel van het cytoskelet van een spiervezel). Myofibrillen bestaan uit sarcomeren, de kleinste samentrekkende eenheden van spieren. Sarcomeren zijn vervolgens weer opgebouwd uit de eiwitten actine en myosine. Actine vormt dunne filamenten en myosine dikke filamenten. Het sarcoplasmatisch reticulum (SR) is een netwerk die de myofibrillen omgeeft, is o.a. belangrijk voor de opslag van calcium ionen. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Een sarcomeer: Actine: onder te verdelen in filamenteus actine (F-actine, dun filament) en globulair actine (G- actine, bolvormig). Filamenteus actine is opgebouwd uit G-actine subunits. De bollen zijn aan elkaar gekoppeld m.b.v. ATP en hebben daardoor allemaal een ADP gebonden. (g-actine kan ook ATP binden) Myosine: bestaat uit 6 subunits. Twee zware ketens, en vier lichte ketens. De twee zware ketens zijn aan hun C-terminale uiteinde in alfa-helix vorm en vormen samen een linkshandige coiled-coil structuur (‘de staart’). Aan het N-terminale uiteinde kent iedere zware keten een globulair domein (‘de kopjes’) met enzymatische activiteit: ze kunnen ATP hydrolyseren. De globulaire domeinen zijn ieder verbonden met twee lichte ketens. Als myosine met papaïne en trypsine wordt behandeld resteren enkele de enzymatische onderdelen verbonden met lichte ketens. (een dik myosine filament bestaat uit heel veel myosine moleculen) Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Verkrijgen van enzymatische onderdelen: Het enzymatische deel van myosine bindt een magnesium ion (als cofactor). Magnesium (+) en ADP (-) (in het actieve centrum) trekken elkaar aan. Myosine kopjes gaan een interactie aan met (G-)actine. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 De contractie van sarcomeren: Myosinekopjes zijn in eerste instantie gebonden aan de globulaire actines. Na binding van ATP door de myosine kopjes wordt deze binding verbroken. Door hydrolyse van ATP (door de globulaire domeinen) verandert dan de conformatie van de myosine kopjes (‘schuin’). Vervolgens verlaat de anorganische fosfaat die is afgesplitst in de hydrolyse van ATP de myosinekoppen, waardoor opnieuw een conformatie verandering optreedt. Er wordt hierdoor in de schuine stand een binding gevormd tussen de myosinekoppen en het globulaire actine. Daarna volgt de power stroke waarbij ADP losgelaten wordt uit het kopje. Het kopje trekt zich dan weer in de rechte positie waardoor actine wordt ‘meegetrokken’. Er wordt dan dus kracht uitgeoefend doordat dan pas de energie vrijkomt van de hydrolyse van ATP. ATP hydrolyse wordt hierdoor (met een beetje vertraging) gekoppeld aan het uitoefenen van een kracht. Dit is een voorbeeld van het feit dat enzymen energie tijdelijk kunnen opslaan. In afbeelding: Gevolg voor een sarcomeer: actine en myosine schuiven over elkaar m.a.g. dat de I-band kleiner wordt. Ook de H-band (‘onbedekt’ myosine) zal kleiner worden. De A-band verandert niet aangezien myosine niet korter wordt. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])  lOMoARcPSD|3911037 Titine en regulatie van de contractie: Titine is een eiwit dat ‘overrek’ van een spier voorkomt. Dit is dan ook ons grootste eiwit (27.000 aminozuren) omdat het de hele lengte van een spier moet overspannen. Regulatie van de contractie: Het eiwit tropomyosine (onderdeel van het troponine tropomyosine complex) schermt in ontspannen toestand G-actine af. Wanneer echter een zenuwimpuls arriveert op de motorische eindplaat wordt het SR doorlaatbaar voor het calcium. Calcium dat ligt opgeslagen in het SR kan daardoor binden aan troponine C waardoor troponine zodanig van vorm verandert dat tropomyosine verschuift. Myosine kan dan binden aan actine m.a.g. dat de samentrekking begint. Calcium pompen zullen in dat geval direct werkzaam worden en het calcium (van het cytosol) terugpompen naar het SR. De omgekeerde reactie vindt dan plaats: troponine krijgt dan weer een andere conformatie waardoor tropomyosine weer voor G-actine schuift. Gedownload door BFW Schatten ([email protected])