1. Inleiding biochemie (H1)
2. Nucleotiden en nucleïnezuren (H4)
3. Studie van genen en genomen (H5)
4. Koolhydraten (H11)
5. Lipiden (H12)
6. Proteïnen: samenstelling en structuur (H2)
Inleiding: lading van proteïnen
- Proteïnen of peptideketens bestaan uit een aaneenschakeling van aminozuren, die
weergegeven worden door een 1- of 3-lettercode (namen, structuren en
lettercodes moeten gekend zijn van de 20 aminozuren)
- Aminozuren met een ioniseerbare functionele groep kunnen een lading dragen;
dit kan een positieve lading zijn in geprotoneerde toestand (arginine, histidine,
lysine) of een negatieve in gedeprotoneerde toestand (asparginezuur, cysteïne,
glutaminezuur, tyrosine)
® Van deze 7 aminozuren moeten ook de mogelijke ladingen en pKa’s
gekend zijn
® Of deze aminozuren in ge(de)protoneerde toestand voorkomen, hangt af
van de pH; bij een extreem zuur milieu (pH = 0) zijn alle groepen
geprotoneerd en bij een extreem basisch milieu (pH = 14) zijn alle groepen
gedeprotoneerd
- Elk vrij aminozuur heeft ook een amino- en carboxylgroep, die beide ioniseerbaar
zijn; bij lage pH zijn beide groepen geprotoneerd (à positieve lading op
aminogroep, geen lading op carboxylgroep) en bij hoge pH zijn beide groepen
gedeprotoneerd (à geen lading op aminogroep, negatieve lading op
carboxylgroep)
® Rond pH 7 komt het aminozuur voor met een positieve lading op de
aminogroep en een negatieve lading op de carboxylgroep (zwittervorm)
® Als er een peptidebinding tussen 2 aminozuren gevormd wordt, zijn deze
groepen niet meer ioniseerbaar (enkel aan het begin en einde van de
peptideketen zullen er nog een ioniseerbare amino- en carboxylgroep zijn)
- Wanneer de pH gekend is, zijn ook alle ladingen gekend en moeten deze enkel
nog opgeteld worden om de netto lading van een peptide/proteïne te weten
1
,- Bv. keten Ser-Lys-His bij pH = 12 (hierbij is het eerste aminozuur, dus serine, het
aminozuur met de vrije aminogroep, en het laatste, histidine, het aminozuur met
de vrije carboxylgroep):
o Serine is polair, maar niet ioniseerbaar à geen lading
o Lysine en histidine dragen wel een ioniseerbare zijketen; bij pH = 12 komen
beide in gedeprotoneerde vorm voor à beide geen lading
o De eindstandige amino- en carboxylgroep zijn ook beide gedeprotoneerd
à de aminogroep heeft geen lading, de carboxylgroep heeft lading -1
® Netto lading = -1
- Samengevat is het stappenplan:
o 1. 1- of 3-lettercode ontcijferen
o 2. Ioniseerbare groepen bepalen
o 3. N-begin en C-uiteinde in rekening nemen
o 4. Kijken naar pH en lading afleiden per ioniseerbare groep
o 5. Ladingen optellen
6.1. Aminozuren als bouwstenen van proteïnen
- Proteïnen zijn veelzijdige moleculen: kunnen optreden als enzymen, staan in voor
opslag en transport van zuurstof, leveren kracht, geven zenuwimpulsen door,
spelen een cruciale rol als hormonen en hormoonreceptoren en bij het
immuunsysteem (antilichamen), controleren groei en differentiatie…
- De bouwstenen van proteïnen zijn aminozuren, die bestaan uit een 𝛼-
koolstofatoom waarop een aminogroep, een carboxylgroep, een waterstofatoom
en een variabele zijketen zitten
® De variabele zijketen bepaalt het type aminozuren en de eigenschappen
hiervan
® Het 𝛼-koolstofatoom is het chiraal centrum van de 𝛼-
aminozuren; alle 20 natuurlijk voorkomende 𝛼-
aminozuren zijn L-isomeren (aminozuur zo plaatsen
dat de R-groep naar boven, de aminogroep naar
beneden en de carboxylgroep naar boven wijst à als
het H-atoom links staat, is het aminozuur een L-
isomeer, anders is het een D-isomeer)
- Aminozuren in oplossing bij neutrale pH zijn zwitterionen:
dipolaire ionen met een positieve lading op de amino- en een negatieve lading
op de carboxylgroep
® pH < 3: protonatie
® pH > 8/9: deprotonatie
- De 20 aminozuren verschillen in grootte, vorm, lading, polair of hydrofoob karakter
en chemische reactiviteit; op basis van de eigenschappen van de zijketen (R)
worden ze in groepen opgedeeld:
2
, o Hydrofobe aminozuren
o Polaire aminozuren
o Positief geladen aminozuren
o Negatief geladen aminozuren
- Zie p. 33-36 voor de structuren van de aminozuren in de verschillende groepen
® Het eenvoudigste hydrofobe alifatische aminozuur, glycine, is niet chiraal
® Proline = speciaal hydrofoob alifatisch aminozuur: geen vrije aminogroep
want deze is gebonden aan het 𝛼-koolstofatoom ter vorming van een
pyrroolring
® Tryptofaan en fenylalanine zijn hydrofobe aromatische aminozuren
® Threonine (polair niet-ioniseerbaar aminozuur) heeft 2 chirale centra
- Zie p. 36 voor de ioniseerbare groepen (met pKa) en de aminozuren met 1- en 3-
lettercodes
- Naast de 20 te kennen aminozuren komen er nog meer dan 200 voor in de natuur,
meestal precursoren van algemene aminozuren of chemisch gemodificeerde
afgeleiden (sommige aminozuren worden pas gemodificeerd na incorporatie in
een polypeptide)
6.2. Primaire structuur (aminozuursequentie)
- De primaire structuur is de opeenvolging van aminozuren of aminozuursequentie:
aminozuren worden gekoppeld door een peptidebinding (= amidebinding) ter
vorming van een polypeptideketen of proteïne
® Deze binding wordt gevormd door condensatie van de 𝛼-carboxyl van 1
aminozuur met de 𝛼-amino van een ander aminozuur (à verlies van 𝐻! 𝑂)
- Een proteïne wordt in een bepaalde richting gevormd en afgelezen: beginnend
bij N en eindigend bij C
- De massa van proteïnen wordt uitgedrukt in de eenheid “dalton”: 1 aminozuur =
110 g/mol = 110 Da
- Tussen de ketens kan cross linking ontstaan: vorming van een disulfidebrug tussen
2 cysteïnes (sterk bepalend voor de uiteindelijke eiwitstructuur)
® Deze sterke zwavelbruggen ontstaan door een oxidator en kunnen door
een reductor weer gebroken worden
® Ook tussen cysteïnes uit dezelfde keten kan een disulfidebrug gevormd
worden
- De peptidegroep bestaat uit 6 atomen, gelegen in 1 vlak: de C uit de
carboxylgroep en de N uit de aminogroep + de O op deze C en de H op deze N
+ de 𝛼-koolstofatomen van de 2 aminozuren
- De peptidebinding tussen C en N heeft een dubbele bindingskarakter: er is geen
rotatie mogelijk (à beperkte wissel tussen cis- en trans-configuratie, waarbij cis
meestal minder gunstig is omwille van sterische hinder; bij proline zijn cis en trans
even ongunstig)
3
, - Figuur A: binnen de kader is 1 aminozuur weergegeven, dat links en rechts
gebonden is met het vorige en volgende aminozuur; binnen het aminozuur is
rotatie mogelijk tussen:
o N en C𝛼 (draaihoek 𝜙)
o C𝛼 en C (draaihoek 𝜓)
- De verschillende rotatiemogelijkheden
worden weergegeven in het Ramachandran
diagram
® Op de x-as worden de
mogelijkheden voor draaihoek 𝜙
weergegeven
® Op de y-as worden de mogelijkheden voor draaihoek 𝜓 weergegeven
® In het lichtgroen worden alle mogelijke combinaties van draaihoeken 𝜙 en
𝜓 weergegeven
® In het donkergroen worden de meest stabiele combinaties van draaihoeken
𝜙 en 𝜓 weergegeven
- Slechts een beperkt aantal combinaties is toegestaan, te wijten aan de rigiditeit
van de peptidebinding
6.3. Secundaire structuur (𝛼-helix, 𝛽-plaat, bochten en lussen)
6.3.1. 𝛼-helix
- De 𝛼-helix wordt gevormd door een waterstofbinding tussen de -C=O-groep van
aminozuur i met het amidewaterstof van aminozuur i + 4
® Hierbij treedt de -C=O-groep dus op als waterstofacceptor
- De waterstofbindingen lopen bijna parallel aan de lengteas van de helix à
stabilisatie
- Per draai van de helix zijn er 3,6 aminozuren en de lengte van de keten totdat een
volledige draai is gemaakt (“spoed”) is 0,54 nm (5,4 Å) à de toename per
aminozuur is 0,15 nm (1,5 Å)
- De meeste 𝛼-helices van proteïnen zijn rechtsdraaiend
- De 𝛼-helix is de stabielste secundaire structuur, maar voor bepaalde aminozuren
kan deze problemen opleveren à komen voor als 𝛽-plaat
4
2. Nucleotiden en nucleïnezuren (H4)
3. Studie van genen en genomen (H5)
4. Koolhydraten (H11)
5. Lipiden (H12)
6. Proteïnen: samenstelling en structuur (H2)
Inleiding: lading van proteïnen
- Proteïnen of peptideketens bestaan uit een aaneenschakeling van aminozuren, die
weergegeven worden door een 1- of 3-lettercode (namen, structuren en
lettercodes moeten gekend zijn van de 20 aminozuren)
- Aminozuren met een ioniseerbare functionele groep kunnen een lading dragen;
dit kan een positieve lading zijn in geprotoneerde toestand (arginine, histidine,
lysine) of een negatieve in gedeprotoneerde toestand (asparginezuur, cysteïne,
glutaminezuur, tyrosine)
® Van deze 7 aminozuren moeten ook de mogelijke ladingen en pKa’s
gekend zijn
® Of deze aminozuren in ge(de)protoneerde toestand voorkomen, hangt af
van de pH; bij een extreem zuur milieu (pH = 0) zijn alle groepen
geprotoneerd en bij een extreem basisch milieu (pH = 14) zijn alle groepen
gedeprotoneerd
- Elk vrij aminozuur heeft ook een amino- en carboxylgroep, die beide ioniseerbaar
zijn; bij lage pH zijn beide groepen geprotoneerd (à positieve lading op
aminogroep, geen lading op carboxylgroep) en bij hoge pH zijn beide groepen
gedeprotoneerd (à geen lading op aminogroep, negatieve lading op
carboxylgroep)
® Rond pH 7 komt het aminozuur voor met een positieve lading op de
aminogroep en een negatieve lading op de carboxylgroep (zwittervorm)
® Als er een peptidebinding tussen 2 aminozuren gevormd wordt, zijn deze
groepen niet meer ioniseerbaar (enkel aan het begin en einde van de
peptideketen zullen er nog een ioniseerbare amino- en carboxylgroep zijn)
- Wanneer de pH gekend is, zijn ook alle ladingen gekend en moeten deze enkel
nog opgeteld worden om de netto lading van een peptide/proteïne te weten
1
,- Bv. keten Ser-Lys-His bij pH = 12 (hierbij is het eerste aminozuur, dus serine, het
aminozuur met de vrije aminogroep, en het laatste, histidine, het aminozuur met
de vrije carboxylgroep):
o Serine is polair, maar niet ioniseerbaar à geen lading
o Lysine en histidine dragen wel een ioniseerbare zijketen; bij pH = 12 komen
beide in gedeprotoneerde vorm voor à beide geen lading
o De eindstandige amino- en carboxylgroep zijn ook beide gedeprotoneerd
à de aminogroep heeft geen lading, de carboxylgroep heeft lading -1
® Netto lading = -1
- Samengevat is het stappenplan:
o 1. 1- of 3-lettercode ontcijferen
o 2. Ioniseerbare groepen bepalen
o 3. N-begin en C-uiteinde in rekening nemen
o 4. Kijken naar pH en lading afleiden per ioniseerbare groep
o 5. Ladingen optellen
6.1. Aminozuren als bouwstenen van proteïnen
- Proteïnen zijn veelzijdige moleculen: kunnen optreden als enzymen, staan in voor
opslag en transport van zuurstof, leveren kracht, geven zenuwimpulsen door,
spelen een cruciale rol als hormonen en hormoonreceptoren en bij het
immuunsysteem (antilichamen), controleren groei en differentiatie…
- De bouwstenen van proteïnen zijn aminozuren, die bestaan uit een 𝛼-
koolstofatoom waarop een aminogroep, een carboxylgroep, een waterstofatoom
en een variabele zijketen zitten
® De variabele zijketen bepaalt het type aminozuren en de eigenschappen
hiervan
® Het 𝛼-koolstofatoom is het chiraal centrum van de 𝛼-
aminozuren; alle 20 natuurlijk voorkomende 𝛼-
aminozuren zijn L-isomeren (aminozuur zo plaatsen
dat de R-groep naar boven, de aminogroep naar
beneden en de carboxylgroep naar boven wijst à als
het H-atoom links staat, is het aminozuur een L-
isomeer, anders is het een D-isomeer)
- Aminozuren in oplossing bij neutrale pH zijn zwitterionen:
dipolaire ionen met een positieve lading op de amino- en een negatieve lading
op de carboxylgroep
® pH < 3: protonatie
® pH > 8/9: deprotonatie
- De 20 aminozuren verschillen in grootte, vorm, lading, polair of hydrofoob karakter
en chemische reactiviteit; op basis van de eigenschappen van de zijketen (R)
worden ze in groepen opgedeeld:
2
, o Hydrofobe aminozuren
o Polaire aminozuren
o Positief geladen aminozuren
o Negatief geladen aminozuren
- Zie p. 33-36 voor de structuren van de aminozuren in de verschillende groepen
® Het eenvoudigste hydrofobe alifatische aminozuur, glycine, is niet chiraal
® Proline = speciaal hydrofoob alifatisch aminozuur: geen vrije aminogroep
want deze is gebonden aan het 𝛼-koolstofatoom ter vorming van een
pyrroolring
® Tryptofaan en fenylalanine zijn hydrofobe aromatische aminozuren
® Threonine (polair niet-ioniseerbaar aminozuur) heeft 2 chirale centra
- Zie p. 36 voor de ioniseerbare groepen (met pKa) en de aminozuren met 1- en 3-
lettercodes
- Naast de 20 te kennen aminozuren komen er nog meer dan 200 voor in de natuur,
meestal precursoren van algemene aminozuren of chemisch gemodificeerde
afgeleiden (sommige aminozuren worden pas gemodificeerd na incorporatie in
een polypeptide)
6.2. Primaire structuur (aminozuursequentie)
- De primaire structuur is de opeenvolging van aminozuren of aminozuursequentie:
aminozuren worden gekoppeld door een peptidebinding (= amidebinding) ter
vorming van een polypeptideketen of proteïne
® Deze binding wordt gevormd door condensatie van de 𝛼-carboxyl van 1
aminozuur met de 𝛼-amino van een ander aminozuur (à verlies van 𝐻! 𝑂)
- Een proteïne wordt in een bepaalde richting gevormd en afgelezen: beginnend
bij N en eindigend bij C
- De massa van proteïnen wordt uitgedrukt in de eenheid “dalton”: 1 aminozuur =
110 g/mol = 110 Da
- Tussen de ketens kan cross linking ontstaan: vorming van een disulfidebrug tussen
2 cysteïnes (sterk bepalend voor de uiteindelijke eiwitstructuur)
® Deze sterke zwavelbruggen ontstaan door een oxidator en kunnen door
een reductor weer gebroken worden
® Ook tussen cysteïnes uit dezelfde keten kan een disulfidebrug gevormd
worden
- De peptidegroep bestaat uit 6 atomen, gelegen in 1 vlak: de C uit de
carboxylgroep en de N uit de aminogroep + de O op deze C en de H op deze N
+ de 𝛼-koolstofatomen van de 2 aminozuren
- De peptidebinding tussen C en N heeft een dubbele bindingskarakter: er is geen
rotatie mogelijk (à beperkte wissel tussen cis- en trans-configuratie, waarbij cis
meestal minder gunstig is omwille van sterische hinder; bij proline zijn cis en trans
even ongunstig)
3
, - Figuur A: binnen de kader is 1 aminozuur weergegeven, dat links en rechts
gebonden is met het vorige en volgende aminozuur; binnen het aminozuur is
rotatie mogelijk tussen:
o N en C𝛼 (draaihoek 𝜙)
o C𝛼 en C (draaihoek 𝜓)
- De verschillende rotatiemogelijkheden
worden weergegeven in het Ramachandran
diagram
® Op de x-as worden de
mogelijkheden voor draaihoek 𝜙
weergegeven
® Op de y-as worden de mogelijkheden voor draaihoek 𝜓 weergegeven
® In het lichtgroen worden alle mogelijke combinaties van draaihoeken 𝜙 en
𝜓 weergegeven
® In het donkergroen worden de meest stabiele combinaties van draaihoeken
𝜙 en 𝜓 weergegeven
- Slechts een beperkt aantal combinaties is toegestaan, te wijten aan de rigiditeit
van de peptidebinding
6.3. Secundaire structuur (𝛼-helix, 𝛽-plaat, bochten en lussen)
6.3.1. 𝛼-helix
- De 𝛼-helix wordt gevormd door een waterstofbinding tussen de -C=O-groep van
aminozuur i met het amidewaterstof van aminozuur i + 4
® Hierbij treedt de -C=O-groep dus op als waterstofacceptor
- De waterstofbindingen lopen bijna parallel aan de lengteas van de helix à
stabilisatie
- Per draai van de helix zijn er 3,6 aminozuren en de lengte van de keten totdat een
volledige draai is gemaakt (“spoed”) is 0,54 nm (5,4 Å) à de toename per
aminozuur is 0,15 nm (1,5 Å)
- De meeste 𝛼-helices van proteïnen zijn rechtsdraaiend
- De 𝛼-helix is de stabielste secundaire structuur, maar voor bepaalde aminozuren
kan deze problemen opleveren à komen voor als 𝛽-plaat
4
