2019-2020
Samenvatting
moleculen
Eiwitten & enzymen
Moleculen - Periode 3
Door Nicole (studente BMW)
,Inhoudsopgave
Thermodynamica, structuur en katalyse................................................................................................2
Thermodynamica................................................................................................................................2
Eiwitstructuur.....................................................................................................................................3
Katalyse..............................................................................................................................................4
Enzymen.........................................................................................................................................4
Proteolyse.......................................................................................................................................6
Lysozym..........................................................................................................................................8
Myoglobine en hemoglobine..................................................................................................................9
Algemene eiwitstructuur....................................................................................................................9
Myoglobine.........................................................................................................................................9
Kristalstructuur...............................................................................................................................9
Hemoglobine....................................................................................................................................11
Concerted model..........................................................................................................................12
Sequentieel model........................................................................................................................12
Hemoglobine bij foetussen...........................................................................................................13
Allosterie......................................................................................................................................14
Sikkelcelanemie............................................................................................................................14
Enzymkinetiek en regulatie..................................................................................................................15
Enzymkinetiek...................................................................................................................................15
Michaelis-Menten vergelijking.....................................................................................................16
Enzymremmers.............................................................................................................................20
Regulatie van enzymactiviteit.......................................................................................................24
Analysetechnieken...............................................................................................................................25
Eiwitonderzoek.................................................................................................................................25
Analysemethoden.........................................................................................................................25
Preparatieve methoden................................................................................................................27
Detectiemethoden........................................................................................................................34
Bepaling van de primaire structuur..................................................................................................38
Edman degradatie.........................................................................................................................38
Massaspectrometrie.....................................................................................................................39
Bepaling van de 3D structuur...........................................................................................................39
X-Ray kristallografie......................................................................................................................40
Nuclear magnetic resonance........................................................................................................40
Structuren van de aminozuren.............................................................................................................43
1
,Thermodynamica, structuur en katalyse
Thermodynamica
Hoofdwetten thermodynamica:
1. Energie gaat niet verloren en kan niet uit niets ontstaan. Het gaat om de totale energie van
het hele systeem. Energie kan wel van de ene vorm overgaan in de andere vorm.
2. Processen kunnen alleen verlopen als de mate van entropie (chaos) toeneemt. Chaos
ontstaat vanzelf. Het opruimen kost energie. Er komt dus energie uit chaos.
De tweede hoofdwet van de thermodynamica bepaalt waar het evenwicht licht.
De zon ‘levert’ uiteindelijk energie voor alle biologische processen op Aarde. De netto energie van
het melkwegstelsel/heelal blijft gelijk. Lokaal kan een proces best tot minder chaos leiden in een
systeem, maar de totale entropie moet toenemen.
Na verloopt van tijd diffundeert en verdeelt het zich gelijkmatig over een systeem en uiteindelijk het
heelal. Entropie is een maat voor diffusie (chaos) van energie. Als de energie op meer manieren te
verdelen is, is de entropie toegenomen.
Verandering van de Gibbs vrije energie is een maat voor of reacties of processen wel of niet
verlopen. Eenheid: J/mol.
ΔG = ΔH -TΔS
ΔH = verandering van enthalpie (hitte-inhoud).
ΔS = verandering in entropie.
T = absolute temperatuur in Kelvin (K).
Bepalen op reacties of processen wel of niet kunnen verlopen:
ΔG negatief Reactie verloopt spontaan.
ΔG nul Reactie is in evenwicht.
ΔG positief Reactie verloopt niet.
Let op:
ΔG zegt niets over de ‘route’ van de reactie.
ΔG zegt niets over hoe snel de reactie verloopt, maar of het proces kan verlopen.
Bij een reactie worden verbindingen verbroken. Een proces kan ook een fysisch proces zijn.
Voorbeeld: De overgang van vloeistof naar gas.
[ C ]∗[ D]
ΔG = ΔG0 + RT ln waarbij de reactie A + B C + D is.
[ A ]∗[ B]
R (gasconstante) = 8,314 J K-1 mol-1
ΔG0 Gibbs vrije energie onder standaardomstandigheden voor deze reactie, hierbij geldt:
Concentratie van alle reactanten = 1M
Temperatuur = 298 K
Standaard druk = 1 atmosfeer
ΔG0' Gibbs vrije energie onder standaardomstandigheden (die hierboven staan) en waarbij ook
nog geldt pH = 7,0.
2
,Het kan handig zijn om het natuurlijk logaritme om te schrijven naar 10log:
[ C ]∗[ D]
ΔG = ΔG0 + RT 2,3 10log waarbij de reactie A + B C + D is.
[ A ]∗[ B]
Als de reactie in evenwicht is, geldt: ΔG = 0. Hieruit volgt:
[ C ]∗[ D]
ΔG0 = - RT 2,3 10log als de concentratie van A, B, C en D gemeten worden, kan vervolgens
[ A ]∗[ B]
ΔG0 bepaald worden.
Om een reactie die niet spontaan verloopt (positieve ΔG) op gang te brengen, kan de reactie
gekoppeld worden aan een andere reactie met een sterk negatieve ΔG.
Eiwitstructuur
Eiwitten streven naar een zo laag mogelijk Gibbs vrije energie, de situatie die energetisch het meest
gunstig is. De conformatie die aangenomen wordt, wordt een natieve structuur genoemd. Hydrofobe
zijketens clusteren samen naar de binnenkant van het eiwit, geladen en hydrofiele ketens steken
naar buiten.
Het vouwen van een eiwit zorgt ervoor dat de entropie van de omgeving toeneemt. Bovendien
worden er zoutbruggen (ionbindingen) gevormd en dat levert een negatieve verandering in
enthalpie op.
ΔG = ΔH – TΔS is dus negatief voor de transitie van een ongevouwen eiwit naar een gevouwen eiwit
in een waterige oplossing.
Voor de driedimensionale structuur van een eiwit zijn de primaire structuur, secundaire structuur,
tertiaire structuur en in sommige gevallen de quaternaire structuur van belang:
Primaire structuur Wordt bepaald door de aminozuurvolgorde.
Secundaire structuur Wordt bepaald door de waterstofbruggen tussen NH-groepen en
OH-groepen van de aminozuren.
Tertiaire structuur Wordt bepaald door non-covalente integraties tussen de zijketens van
de aminozuren en door zwavelbruggen (covalente interactie) tussen cysteïnes.
Quaternaire structuur Wordt bepaald door interacties van verschillende peptideketens.
De peptidebinding tussen aminozuren is stijf en vlak en is dus niet vrij draaibaar, dit komt door
resonantie. Bijna alle peptidebindingen binnen een eiwitten zijn trans. Daarnaast bestaan eiwitten
enkel uit L-aminozuren.
Secundaire structuur
Er zijn twee vormen van secundaire structuren:
α-helix:
Touwachtige structuur met een sterk gekronkelde backbone.
Waterstofbruggen tussen NH-groepen en OH-groepen op dezelfde streng.
Per winding 3,6 residuen, 1,5 Å tussen aminozuren (zeer compact), rechtsdraaiend.
Zijketens steken naar buiten.
β-sheet:
Uitgerekte structuur, 3,5 Å tussen aminozuren.
Bestaat uit twee of meer polypeptideketens.
Zijketens van aangrenzende aminozuren zijn tegengesteld gericht.
3
, Antiparallel of parallel
Tertiaire structuur
Eiwitten zijn vaak amfipatisch, waarbij de binnenkant apolair (hydrofoob) is en de buitenkant polair
(hydrofiel). 3D structuren worden bepaald door de aminozuurvolgorde en gevormd door een
toename van entropie van het systeem (eiwit/water) en van non-covalente (vanderwaalskrachten,
zoutbruggen, H-bruggen) en soms covalente (S-S brug) interacties.
Belangrijke punten
Hoofdwetten thermodynamica
Entropie/wanorde
Hoe weet je bij welke verhouding reactanten en producten een reactie in evenwicht is?
Hoe kunnen zeer geordende biologische processen bestaan zonder de Tweede Hoofdwet te
overtreden?
Waarom vouwt een eiwit in een oplossing vanzelf in de natieve structuur?
Katalyse
Leven is organisatie, in feite vechten tegen de tweede hoofdwet van thermodynamica (chaos).
Enzymen zorgen voor organisatie. De energie van het systeem neemt toe, maar van de omgeving
blijft gelijk.
Enzymen
Eigenschappen enzymen:
Enzymen hebben een enorm katalytisch vermogen.
Enzymen versnellen een chemische reactie naar het evenwicht.
Evenwicht wordt bepaald door de wetten van thermodynamica.
Enzymkinetiek wordt bepaald door Vmax en KM
Enzymen zijn de schakelaars van reacties in cellen.
Bijna alle medicijnen zijn remmers van enzymen.
Waar het evenwicht ligt wordt bepaald door de wetten van de thermodynamica. Hier verandert een
enzym niets aan. Een enzym versnelt de omzetting van een substraat in een product. Daarnaast zijn
enzymen zeer specifiek, ze kunnen voor een specifiek product zorgen. Enzymen zorgen ook voor de
juiste volgorde van reacties.
Er zijn drie effecten die enzymen kunnen bewerkstelligen:
Twee reactanten bij elkaar brengen.
Lading van een reactant veranderen.
Conformatie van een reactant veranderen.
4
, Figuur 1 Weergave van de effecten die enzymen kunnen bewerkstelligen.
Er zijn twee soorten
actieve bindingsplaatsen van een enzym:
Sleutel-slot Het substraat past perfect in de actieve site.
Induced fit De actieve site vormt zich naar het substraat.
Figuur 2 Weergave van de twee soorten actieve bindingsplaatsen van enzymen.
Enzymen werken (bijna) nooit alleen. Ze maken gebruik van co-factoren:
Anorganisch (bijvoorbeeld metaalion)
Organisch (co-enzym/prostetische groep)
Holo-enzym = een cofactor + apo-enzym (zonder co-factor).
Co-factoren kunnen in tegenstelling tot enzymen wel veranderd zijn na een katalytische reactie.
Organische co-factoren:
Co-enzym Niet-eiwitmolecuul, vaak complex en betrokken bij de binding van substraat of
bij de katalyse. Een co-factor neemt deel aan de reactie.
Vitaminen Essentiële bouwstenen van de vaak complexe co-enzymen. Sommigen zijn
direct een co-enzym.
Prostetische groep Zeer vast gebonden co-factor, een voorbeeld hiervan is heem.
Enzymen werken twee kanten op. De snelheid wordt bepaald door de activeringsenergie. Enzymen
zorgen ervoor dat de activeringsenergie verlaagd wordt.
S (substraat) X‡ (transition state) P (product)
De binding van een enzym aan een substraat met een aantal zwakke interacties verlaagt de Gibbs
vrije energie van het enzym. De vrijgekomen energie wordt gebruikt om de ΔG ‡ (activeringsenergie)
te verlagen. Specifiekere substraten hebben een sterkere binding en zorgen voor een grotere
verlaging van de Gibbs vrije energie van het enzym. De interacties van substraat met enzym zijn
optimaal als het substraat zich in overgangstoestand bevindt Stabilisatie van overgangstoestand.
5
Samenvatting
moleculen
Eiwitten & enzymen
Moleculen - Periode 3
Door Nicole (studente BMW)
,Inhoudsopgave
Thermodynamica, structuur en katalyse................................................................................................2
Thermodynamica................................................................................................................................2
Eiwitstructuur.....................................................................................................................................3
Katalyse..............................................................................................................................................4
Enzymen.........................................................................................................................................4
Proteolyse.......................................................................................................................................6
Lysozym..........................................................................................................................................8
Myoglobine en hemoglobine..................................................................................................................9
Algemene eiwitstructuur....................................................................................................................9
Myoglobine.........................................................................................................................................9
Kristalstructuur...............................................................................................................................9
Hemoglobine....................................................................................................................................11
Concerted model..........................................................................................................................12
Sequentieel model........................................................................................................................12
Hemoglobine bij foetussen...........................................................................................................13
Allosterie......................................................................................................................................14
Sikkelcelanemie............................................................................................................................14
Enzymkinetiek en regulatie..................................................................................................................15
Enzymkinetiek...................................................................................................................................15
Michaelis-Menten vergelijking.....................................................................................................16
Enzymremmers.............................................................................................................................20
Regulatie van enzymactiviteit.......................................................................................................24
Analysetechnieken...............................................................................................................................25
Eiwitonderzoek.................................................................................................................................25
Analysemethoden.........................................................................................................................25
Preparatieve methoden................................................................................................................27
Detectiemethoden........................................................................................................................34
Bepaling van de primaire structuur..................................................................................................38
Edman degradatie.........................................................................................................................38
Massaspectrometrie.....................................................................................................................39
Bepaling van de 3D structuur...........................................................................................................39
X-Ray kristallografie......................................................................................................................40
Nuclear magnetic resonance........................................................................................................40
Structuren van de aminozuren.............................................................................................................43
1
,Thermodynamica, structuur en katalyse
Thermodynamica
Hoofdwetten thermodynamica:
1. Energie gaat niet verloren en kan niet uit niets ontstaan. Het gaat om de totale energie van
het hele systeem. Energie kan wel van de ene vorm overgaan in de andere vorm.
2. Processen kunnen alleen verlopen als de mate van entropie (chaos) toeneemt. Chaos
ontstaat vanzelf. Het opruimen kost energie. Er komt dus energie uit chaos.
De tweede hoofdwet van de thermodynamica bepaalt waar het evenwicht licht.
De zon ‘levert’ uiteindelijk energie voor alle biologische processen op Aarde. De netto energie van
het melkwegstelsel/heelal blijft gelijk. Lokaal kan een proces best tot minder chaos leiden in een
systeem, maar de totale entropie moet toenemen.
Na verloopt van tijd diffundeert en verdeelt het zich gelijkmatig over een systeem en uiteindelijk het
heelal. Entropie is een maat voor diffusie (chaos) van energie. Als de energie op meer manieren te
verdelen is, is de entropie toegenomen.
Verandering van de Gibbs vrije energie is een maat voor of reacties of processen wel of niet
verlopen. Eenheid: J/mol.
ΔG = ΔH -TΔS
ΔH = verandering van enthalpie (hitte-inhoud).
ΔS = verandering in entropie.
T = absolute temperatuur in Kelvin (K).
Bepalen op reacties of processen wel of niet kunnen verlopen:
ΔG negatief Reactie verloopt spontaan.
ΔG nul Reactie is in evenwicht.
ΔG positief Reactie verloopt niet.
Let op:
ΔG zegt niets over de ‘route’ van de reactie.
ΔG zegt niets over hoe snel de reactie verloopt, maar of het proces kan verlopen.
Bij een reactie worden verbindingen verbroken. Een proces kan ook een fysisch proces zijn.
Voorbeeld: De overgang van vloeistof naar gas.
[ C ]∗[ D]
ΔG = ΔG0 + RT ln waarbij de reactie A + B C + D is.
[ A ]∗[ B]
R (gasconstante) = 8,314 J K-1 mol-1
ΔG0 Gibbs vrije energie onder standaardomstandigheden voor deze reactie, hierbij geldt:
Concentratie van alle reactanten = 1M
Temperatuur = 298 K
Standaard druk = 1 atmosfeer
ΔG0' Gibbs vrije energie onder standaardomstandigheden (die hierboven staan) en waarbij ook
nog geldt pH = 7,0.
2
,Het kan handig zijn om het natuurlijk logaritme om te schrijven naar 10log:
[ C ]∗[ D]
ΔG = ΔG0 + RT 2,3 10log waarbij de reactie A + B C + D is.
[ A ]∗[ B]
Als de reactie in evenwicht is, geldt: ΔG = 0. Hieruit volgt:
[ C ]∗[ D]
ΔG0 = - RT 2,3 10log als de concentratie van A, B, C en D gemeten worden, kan vervolgens
[ A ]∗[ B]
ΔG0 bepaald worden.
Om een reactie die niet spontaan verloopt (positieve ΔG) op gang te brengen, kan de reactie
gekoppeld worden aan een andere reactie met een sterk negatieve ΔG.
Eiwitstructuur
Eiwitten streven naar een zo laag mogelijk Gibbs vrije energie, de situatie die energetisch het meest
gunstig is. De conformatie die aangenomen wordt, wordt een natieve structuur genoemd. Hydrofobe
zijketens clusteren samen naar de binnenkant van het eiwit, geladen en hydrofiele ketens steken
naar buiten.
Het vouwen van een eiwit zorgt ervoor dat de entropie van de omgeving toeneemt. Bovendien
worden er zoutbruggen (ionbindingen) gevormd en dat levert een negatieve verandering in
enthalpie op.
ΔG = ΔH – TΔS is dus negatief voor de transitie van een ongevouwen eiwit naar een gevouwen eiwit
in een waterige oplossing.
Voor de driedimensionale structuur van een eiwit zijn de primaire structuur, secundaire structuur,
tertiaire structuur en in sommige gevallen de quaternaire structuur van belang:
Primaire structuur Wordt bepaald door de aminozuurvolgorde.
Secundaire structuur Wordt bepaald door de waterstofbruggen tussen NH-groepen en
OH-groepen van de aminozuren.
Tertiaire structuur Wordt bepaald door non-covalente integraties tussen de zijketens van
de aminozuren en door zwavelbruggen (covalente interactie) tussen cysteïnes.
Quaternaire structuur Wordt bepaald door interacties van verschillende peptideketens.
De peptidebinding tussen aminozuren is stijf en vlak en is dus niet vrij draaibaar, dit komt door
resonantie. Bijna alle peptidebindingen binnen een eiwitten zijn trans. Daarnaast bestaan eiwitten
enkel uit L-aminozuren.
Secundaire structuur
Er zijn twee vormen van secundaire structuren:
α-helix:
Touwachtige structuur met een sterk gekronkelde backbone.
Waterstofbruggen tussen NH-groepen en OH-groepen op dezelfde streng.
Per winding 3,6 residuen, 1,5 Å tussen aminozuren (zeer compact), rechtsdraaiend.
Zijketens steken naar buiten.
β-sheet:
Uitgerekte structuur, 3,5 Å tussen aminozuren.
Bestaat uit twee of meer polypeptideketens.
Zijketens van aangrenzende aminozuren zijn tegengesteld gericht.
3
, Antiparallel of parallel
Tertiaire structuur
Eiwitten zijn vaak amfipatisch, waarbij de binnenkant apolair (hydrofoob) is en de buitenkant polair
(hydrofiel). 3D structuren worden bepaald door de aminozuurvolgorde en gevormd door een
toename van entropie van het systeem (eiwit/water) en van non-covalente (vanderwaalskrachten,
zoutbruggen, H-bruggen) en soms covalente (S-S brug) interacties.
Belangrijke punten
Hoofdwetten thermodynamica
Entropie/wanorde
Hoe weet je bij welke verhouding reactanten en producten een reactie in evenwicht is?
Hoe kunnen zeer geordende biologische processen bestaan zonder de Tweede Hoofdwet te
overtreden?
Waarom vouwt een eiwit in een oplossing vanzelf in de natieve structuur?
Katalyse
Leven is organisatie, in feite vechten tegen de tweede hoofdwet van thermodynamica (chaos).
Enzymen zorgen voor organisatie. De energie van het systeem neemt toe, maar van de omgeving
blijft gelijk.
Enzymen
Eigenschappen enzymen:
Enzymen hebben een enorm katalytisch vermogen.
Enzymen versnellen een chemische reactie naar het evenwicht.
Evenwicht wordt bepaald door de wetten van thermodynamica.
Enzymkinetiek wordt bepaald door Vmax en KM
Enzymen zijn de schakelaars van reacties in cellen.
Bijna alle medicijnen zijn remmers van enzymen.
Waar het evenwicht ligt wordt bepaald door de wetten van de thermodynamica. Hier verandert een
enzym niets aan. Een enzym versnelt de omzetting van een substraat in een product. Daarnaast zijn
enzymen zeer specifiek, ze kunnen voor een specifiek product zorgen. Enzymen zorgen ook voor de
juiste volgorde van reacties.
Er zijn drie effecten die enzymen kunnen bewerkstelligen:
Twee reactanten bij elkaar brengen.
Lading van een reactant veranderen.
Conformatie van een reactant veranderen.
4
, Figuur 1 Weergave van de effecten die enzymen kunnen bewerkstelligen.
Er zijn twee soorten
actieve bindingsplaatsen van een enzym:
Sleutel-slot Het substraat past perfect in de actieve site.
Induced fit De actieve site vormt zich naar het substraat.
Figuur 2 Weergave van de twee soorten actieve bindingsplaatsen van enzymen.
Enzymen werken (bijna) nooit alleen. Ze maken gebruik van co-factoren:
Anorganisch (bijvoorbeeld metaalion)
Organisch (co-enzym/prostetische groep)
Holo-enzym = een cofactor + apo-enzym (zonder co-factor).
Co-factoren kunnen in tegenstelling tot enzymen wel veranderd zijn na een katalytische reactie.
Organische co-factoren:
Co-enzym Niet-eiwitmolecuul, vaak complex en betrokken bij de binding van substraat of
bij de katalyse. Een co-factor neemt deel aan de reactie.
Vitaminen Essentiële bouwstenen van de vaak complexe co-enzymen. Sommigen zijn
direct een co-enzym.
Prostetische groep Zeer vast gebonden co-factor, een voorbeeld hiervan is heem.
Enzymen werken twee kanten op. De snelheid wordt bepaald door de activeringsenergie. Enzymen
zorgen ervoor dat de activeringsenergie verlaagd wordt.
S (substraat) X‡ (transition state) P (product)
De binding van een enzym aan een substraat met een aantal zwakke interacties verlaagt de Gibbs
vrije energie van het enzym. De vrijgekomen energie wordt gebruikt om de ΔG ‡ (activeringsenergie)
te verlagen. Specifiekere substraten hebben een sterkere binding en zorgen voor een grotere
verlaging van de Gibbs vrije energie van het enzym. De interacties van substraat met enzym zijn
optimaal als het substraat zich in overgangstoestand bevindt Stabilisatie van overgangstoestand.
5
