Leerdoelen:
• Je kan de bouwstenen van de macromoleculen benoemen en de typen verbindingen en
interacties daartussen.
• Je kan de invloed van temperatuur en pH op de structuur van biomoleculen beschrijven.
• Je kan de invloed van zouten, detergens, organische oplosmiddelen, zware metalen en
mechanische stress op de structuur en functie van eiwitten beschrijven.
• Je kan de invloed van chemische groepen op de structuur en functie van eiwitten
beschrijven.
• Je kan uitleggen hoe eiwitten gezuiverd kunnen worden door middel van uitzouten en
verschillende chromatografietechnieken, die eiwitten scheiden op basis van affiniteit,
lading en grootte.
Deel 1: Eiwitten en andere biomoleculen
Klassen macromoleculen
1. Nucleïnezuren: DNA en RNA
2. Eiwitten
3. Koolhydraten
4. Lipiden
Invloed pH
De pH van de omgeving heeft een grote invloed op de stabiliteit van macromoleculen. Bij zeer
lage pH-waarden (sterk zure omstandigheden) kunnen bindingen tussen de bouwstenen van
macromoleculen worden verbroken. Hierdoor vallen deze grote moleculen uiteen in hun
afzonderlijke monomeren. Dit proces wordt hydrolyse genoemd.
Een voorbeeld van een sterk zure omgeving is de maag: in de maag is de pH dermate laag, dat dit
helpt bij de vertering van ons eten. De koolhydraten, eiwitten en nucleïnezuren vallen uiteen in
hun bouwstenen. Welke verbindingen worden verbroken?
• Nucleïnezuren: Fosfodi-ester verbinding tussen nucleotiden
• Eiwitten: Peptidebindingen tussen aminozuren
• Koolhydraten: Glycosidische bindingen tussen monosachariden
• Lipiden: Ook lipiden kunnen onder zure omstandigheden worden gehydrolyseerd. Bij de
hydrolyse van (tri)glyceriden worden de esterbindingen verbroken, waardoor glycerol en
vrije vetzuren ontstaan. Omdat deze reactie plaatsvindt in een omgeving met een hoge
concentratie H⁺-ionen (lage pH), blijven de vetzuren geprotoneerd en zijn ze elektrisch
ongeladen. Hierdoor ontstaan glycerol en ongeladen vetzuurketens.
Wanneer (tri)glyceriden worden gehydrolyseerd ontstaat glycerol en losse vetzuurketens.
Wanneer dit onder basische condities (dus in de aanwezigheid van OH- ionen) gebeurt,
ontstaan er negatief geladen vetzuurketens.
Zo’n base-gekatalyseerde hydrolyse noemen we ook wel een verzeping.
Bouwstenen eiwitten
Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten. De aminogroep en de carboxylgroep zijn voor elk
aminozuur hetzelfde. De zijketens (R, restgroepen) bepalen de eigenschappen van het
aminozuur.
Noem 7 soorten bindingen of interacties waardoor de structuur van een eiwit bepaald wordt:
• Aminozuur sequentie
• Van der Waals krachten
• Waterstofbruggen
• Ionische/elektrostatische interacties
• Hydrofobe interacties
, • Zwavelbruggen
• Invloeden van buitenaf (pH, ion sterkte, temperatuur, etc.)
Invloed pH
De pH van de omgeving waar een eiwit zich in bevindt beïnvloedt de lading, structuur en
stabiliteit van een eiwit.
De lading van een eiwit wordt bepaald door de zure en basische zijketens van aminozuren. Deze
zijketens kunnen namelijk een lading kunnen krijgen. Deze lading is afhankelijk van de pH van de
omgeving.
• Asparaginezuur en glutaminezuur zijn de zure aminozuren. Deze aminozuren bevatten
een carboxylgroep in hun zijketen. Deze carboxylgroepen kunnen geprotoneerd zijn
(COOH), of gedeprotoneerd zijn (COO-). De pKa geeft aan bij welke pH waarde 50% van
de carboxylgroepen geprotoneerd is en 50% van de carboxylgroepen geprotoneerd is. De
pKa geeft dus het omslagpunt aan. Bij een pH onder de pKa is de omgeving zuurder, en
raakt de carboxylgroep meer geprotoneerd (lagere pH wil zeggen: meer H+-jes). Dat
betekent dat de carboxylgroep zijn lading verliest. Bij een pH boven de pKa is die
andersom: de omgeving is basischer en de carboxylgroep raakt meer gedeprotoneerd.
Dat wil zeggen dat de carboxlgroep een negatieve lading krijgt. Bijvoorbeeld, voor
asparaginezuur:
o De carboxylgroep in de zijketen van asparginezuur heeft een pKa van 3.9.
o Bij pH = 3.9 is deze carboxylgroep 50/50 ongeladen en negatief geladen.
o Bij een pH > 3.9 is deze carboxylgroep negatief geladen.
o Bij een pH < 3.9 is deze carboxylgroep ongeladen.
o Bij neutrale pH (pH 7) zijn de zijketens van zure aminozuren dus negatief geladen.
• Lysine, arginine en histidine zijn de basische aminozuren. Voor basische zijgroepen geldt
dit op eenzelfde manier, maar dan voor de basische aminogroepen in de zijketens van de
aminozuren.
o De aminogroep in de zijketen van lysine heeft een pKa van 10.5.
o Bij pH = 10.5 is deze aminogroep 50/50 ongeladen en negatief geladen.
o Bij een pH > 10.5 is deze aminogroep ongeladen.
o Bij een pH < 10.5 is deze aminogroep positief geladen.
o Bij neutrale pH (pH 7) zijn de zijketens van basische aminozuren dus positief
geladen.
De zijketens van zure en basische aminozuren kunnen dus geladen of ongeladen zijn. Maar hoe
beïnvloedt dit nu de totale lading van een eiwit?
De totale lading van een eiwit is van 2 factoren afhankelijk:
• De totale optelsom van zure en basische aminozuren die dat specifieke eiwit bevat.
• De pH van de omgeving waarin het eiwit zich bevindt.
Stel, een eiwit heeft één asparaginezuur en één lysine als zijketen.
• Asparaginezuur heeft een pKa van 3.9 en lysine heeft een pKa van 10.5.
• Bij een pH hoger dan 3.9 is asparaginezuur negatief geladen.
• Bij een pH lager dan 10.5 is lysine positief geladen
• Hieruit kunnen we de pI berekenen: de pH waarde waarbij dit eiwit netto geen lading
heeft. Dit wordt berekend door het gemiddelde te nemen van alle pKa’s van de zure en
basische aminozuren. In dit voorbeeld: (3.9 + 10.5)/2= 7.2
• De pI van dit eiwit is 7.2: bij pH 7.2 heeft dit eiwit netto geen lading. Het eiwit heeft dus
nog wel een negatieve lading en een positieve lading, maar deze vallen tegen elkaar weg.
• Bij een pH > pI heeft het eiwit netto een negatieve lading
• Bij een pH < pI heeft het eiwit netto een positieve lading.
• Hierbij geldt: hoe groter het verschil tussen pH en pI, hoe groter de lading.
• Je kan de bouwstenen van de macromoleculen benoemen en de typen verbindingen en
interacties daartussen.
• Je kan de invloed van temperatuur en pH op de structuur van biomoleculen beschrijven.
• Je kan de invloed van zouten, detergens, organische oplosmiddelen, zware metalen en
mechanische stress op de structuur en functie van eiwitten beschrijven.
• Je kan de invloed van chemische groepen op de structuur en functie van eiwitten
beschrijven.
• Je kan uitleggen hoe eiwitten gezuiverd kunnen worden door middel van uitzouten en
verschillende chromatografietechnieken, die eiwitten scheiden op basis van affiniteit,
lading en grootte.
Deel 1: Eiwitten en andere biomoleculen
Klassen macromoleculen
1. Nucleïnezuren: DNA en RNA
2. Eiwitten
3. Koolhydraten
4. Lipiden
Invloed pH
De pH van de omgeving heeft een grote invloed op de stabiliteit van macromoleculen. Bij zeer
lage pH-waarden (sterk zure omstandigheden) kunnen bindingen tussen de bouwstenen van
macromoleculen worden verbroken. Hierdoor vallen deze grote moleculen uiteen in hun
afzonderlijke monomeren. Dit proces wordt hydrolyse genoemd.
Een voorbeeld van een sterk zure omgeving is de maag: in de maag is de pH dermate laag, dat dit
helpt bij de vertering van ons eten. De koolhydraten, eiwitten en nucleïnezuren vallen uiteen in
hun bouwstenen. Welke verbindingen worden verbroken?
• Nucleïnezuren: Fosfodi-ester verbinding tussen nucleotiden
• Eiwitten: Peptidebindingen tussen aminozuren
• Koolhydraten: Glycosidische bindingen tussen monosachariden
• Lipiden: Ook lipiden kunnen onder zure omstandigheden worden gehydrolyseerd. Bij de
hydrolyse van (tri)glyceriden worden de esterbindingen verbroken, waardoor glycerol en
vrije vetzuren ontstaan. Omdat deze reactie plaatsvindt in een omgeving met een hoge
concentratie H⁺-ionen (lage pH), blijven de vetzuren geprotoneerd en zijn ze elektrisch
ongeladen. Hierdoor ontstaan glycerol en ongeladen vetzuurketens.
Wanneer (tri)glyceriden worden gehydrolyseerd ontstaat glycerol en losse vetzuurketens.
Wanneer dit onder basische condities (dus in de aanwezigheid van OH- ionen) gebeurt,
ontstaan er negatief geladen vetzuurketens.
Zo’n base-gekatalyseerde hydrolyse noemen we ook wel een verzeping.
Bouwstenen eiwitten
Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten. De aminogroep en de carboxylgroep zijn voor elk
aminozuur hetzelfde. De zijketens (R, restgroepen) bepalen de eigenschappen van het
aminozuur.
Noem 7 soorten bindingen of interacties waardoor de structuur van een eiwit bepaald wordt:
• Aminozuur sequentie
• Van der Waals krachten
• Waterstofbruggen
• Ionische/elektrostatische interacties
• Hydrofobe interacties
, • Zwavelbruggen
• Invloeden van buitenaf (pH, ion sterkte, temperatuur, etc.)
Invloed pH
De pH van de omgeving waar een eiwit zich in bevindt beïnvloedt de lading, structuur en
stabiliteit van een eiwit.
De lading van een eiwit wordt bepaald door de zure en basische zijketens van aminozuren. Deze
zijketens kunnen namelijk een lading kunnen krijgen. Deze lading is afhankelijk van de pH van de
omgeving.
• Asparaginezuur en glutaminezuur zijn de zure aminozuren. Deze aminozuren bevatten
een carboxylgroep in hun zijketen. Deze carboxylgroepen kunnen geprotoneerd zijn
(COOH), of gedeprotoneerd zijn (COO-). De pKa geeft aan bij welke pH waarde 50% van
de carboxylgroepen geprotoneerd is en 50% van de carboxylgroepen geprotoneerd is. De
pKa geeft dus het omslagpunt aan. Bij een pH onder de pKa is de omgeving zuurder, en
raakt de carboxylgroep meer geprotoneerd (lagere pH wil zeggen: meer H+-jes). Dat
betekent dat de carboxylgroep zijn lading verliest. Bij een pH boven de pKa is die
andersom: de omgeving is basischer en de carboxylgroep raakt meer gedeprotoneerd.
Dat wil zeggen dat de carboxlgroep een negatieve lading krijgt. Bijvoorbeeld, voor
asparaginezuur:
o De carboxylgroep in de zijketen van asparginezuur heeft een pKa van 3.9.
o Bij pH = 3.9 is deze carboxylgroep 50/50 ongeladen en negatief geladen.
o Bij een pH > 3.9 is deze carboxylgroep negatief geladen.
o Bij een pH < 3.9 is deze carboxylgroep ongeladen.
o Bij neutrale pH (pH 7) zijn de zijketens van zure aminozuren dus negatief geladen.
• Lysine, arginine en histidine zijn de basische aminozuren. Voor basische zijgroepen geldt
dit op eenzelfde manier, maar dan voor de basische aminogroepen in de zijketens van de
aminozuren.
o De aminogroep in de zijketen van lysine heeft een pKa van 10.5.
o Bij pH = 10.5 is deze aminogroep 50/50 ongeladen en negatief geladen.
o Bij een pH > 10.5 is deze aminogroep ongeladen.
o Bij een pH < 10.5 is deze aminogroep positief geladen.
o Bij neutrale pH (pH 7) zijn de zijketens van basische aminozuren dus positief
geladen.
De zijketens van zure en basische aminozuren kunnen dus geladen of ongeladen zijn. Maar hoe
beïnvloedt dit nu de totale lading van een eiwit?
De totale lading van een eiwit is van 2 factoren afhankelijk:
• De totale optelsom van zure en basische aminozuren die dat specifieke eiwit bevat.
• De pH van de omgeving waarin het eiwit zich bevindt.
Stel, een eiwit heeft één asparaginezuur en één lysine als zijketen.
• Asparaginezuur heeft een pKa van 3.9 en lysine heeft een pKa van 10.5.
• Bij een pH hoger dan 3.9 is asparaginezuur negatief geladen.
• Bij een pH lager dan 10.5 is lysine positief geladen
• Hieruit kunnen we de pI berekenen: de pH waarde waarbij dit eiwit netto geen lading
heeft. Dit wordt berekend door het gemiddelde te nemen van alle pKa’s van de zure en
basische aminozuren. In dit voorbeeld: (3.9 + 10.5)/2= 7.2
• De pI van dit eiwit is 7.2: bij pH 7.2 heeft dit eiwit netto geen lading. Het eiwit heeft dus
nog wel een negatieve lading en een positieve lading, maar deze vallen tegen elkaar weg.
• Bij een pH > pI heeft het eiwit netto een negatieve lading
• Bij een pH < pI heeft het eiwit netto een positieve lading.
• Hierbij geldt: hoe groter het verschil tussen pH en pI, hoe groter de lading.
