Metabolisme Hoofdstuk 2
Eigenschappen waardoor eiwitten betrokken zijn bij veel verschillende functies:
1. Eiwitten zijn lineaire polyneren opgebouwd uit monomeer eenheden, de aminozuren. De
primaire structuur is de sequentie van de aminozuren. Door waterstofbruggen tussen de
aminozuren worden de eiwitten in de driedimensionale secundaire structuur gevouwen. De
tertiaire structuur wordt gevormd door interacties tussen aminozuren over langere
afstanden. Eiwitten zijn in feite het resultaat van het vertalen van de lineaire sequentie naar
een driedimensionale structuur in staat tot verschillende processen.
2. Eiwitten bevatten veel verschillende functionele groepen. Veel van deze groepen (zoals
alcoholen, carboxylzuren en ethers) zijn reactief. Deze reactiviteit is essentieel voor het
functioneren van de eiwitten als bijvoorbeeld enzymen.
3. Eiwitten kunnen interacties aangaan met andere macromoleculen om complexe
samenstellingen te vormen. Onderdelen van deze samenstellingen kunnen functioneren op
een manier waar een individueel macromolecuul dit niet kan.
4. Eiwitten kunnen stijf of flexibel zijn. De stijve eiwitten kunnen functioneren als structurele
elementen (zoals in het cytoskelet) waar flexibele eiwitten kunnen functioneren als veren.
Door conformatie veranderingen in eiwitten kan informatie worden doorgegeven en kunnen
grotere eiwitcomplexen gevormd worden.
Een alfa-aminozuur bestaat uit een centraal koolstofatoom (alfa carbon), gelinked aan een amino
groep, een carboxyl zuur groep en een specifieke R-groep (ook wel de zijketen). Omdat de alfa
carbon vier verschillende groepen heeft zijn de alfa aminozuren chiraal. De aminozuren kunnen dus
voorkomen in het L of het D-isomeer.
In de eiwitten komen enkel de L-isomeren voor. Waarom dit zo is, is vooralsnog niet bekend. Echter
is wel bekend dat de L-isomeren beter oplosbaar zijn. De L-isomeren kunnen voorkomen als een S-
configuratie (meest voorkomend), afhankelijk van de zijketens hebben sommige aminozuren een R-
configuratie.
Aminozuren in oplossing bij een neutraal pH (2 tot ongeveer 9) komen voor als dipolaire ionen (ook
wel zwitterions). Een zwitterion is een molecuul met een positieve en een negatieve lading maar die
gemiddeld een neutrale lading heeft. In dit geval is de aminogroep ‘protonated’ (NH 3+), en de
carboxygroep is ‘deprotonated’ (COO-).
- In een zure oplossing (pH = 1) is de aminogroep protonated (NH 3+) en is de carboxylgroep
neutraal.
- In een basische oplossing (pH = 14) geeft de carboxygroep als eerste zijn proton af en raakt
dus deprotonated.
De aminozuren worden aan de hand van de zijgroep ingedeeld in vier klassen (op basis van
chemische eigenschappen):
1. Hydrofobe aminozuren met een niet-polaire R-groep. Voor deze aminozuren geldt dat de
driedimensionale structuur van het eiwit verstevigd wordt door hydrofobe interacties.
a. Glycine is het simpelste (en tevens het enige niet-chirale) aminozuur met enkel een
waterstofatoom als zijketen.
b. Alanine is het een na simpelste aminozuur en heeft een methyl-groep als zijketen.
c. Valine, Leucine en Isoleucine (met een tweede chiraal C-atoom) hebben grotere
hydrofobe zijketens.
d. Methionine heeft een zwavelgroep (ook wel thioether).
e. Proline heeft een ring structuur waardoor de conformatie van het aminozuur meer
beperkt is.
, f. Phenylalanine heet een phenyl ring op de plek van een waterstofmolecuul van
alanine.
g. Tryptofaan heeft een indole groep (twee gefuseerde ringen met NH-groepen).
Tryptofaan is minder hydrofoob dan bijvoorbeeld phenylalanine door de N-groep.
2. Polaire aminozuren met een neutrale R-groep waarbinnen de lading niet gelijk verdeeld is.
a. Drie aminozuren, serine, threonine en thyrosine, hebben hydroxyl groepen aan een
hydrofobe zijketen. Door de hydroxyl groep zijn deze aminozuren meer hydrofiel en
reactief. Threonine heeft net als isoleucine een tweede chiraal C atoom.
b. Twee aminozuren, asparagine en glutamine, hebben terminaal een carboxamide
groep.
c. Cysteine heeft een thiol of sulfhydryl (SH) groep. De sulfhydryl groep is reactiever
dan een hydroxyl groep. Een paar van sulfhydryl groepen kan een zwavelbrug
vormen.
3. Positief geladen aminozuren met een R-groep die positief geladen is bij een neutraal pH (ook
wel basische zijketens)
a. Lysine en arginine hebben een lange koolstofketen met terminaal een positieve
lading (bij neutraal pH).
b. Histidine heeft een aromatische ring die ook positief geladen kan zijn. De ring laat
gemakkelijk protonen vrij en neemt ook gemakkelijk weer protonen op.
4. Negatief geladen aminozuren met een R-groep die negatief geladen is bij een neutraal pH
(ook wel zure zijketens)
a. Aspartaan zuur en glutamaat zuur hebben een zure zijketen en missen dus een
proton bij een neutraal pH.
Waarom precies deze 20?
Gezamenlijk hebben al deze aminozuren veel verschillende eigenschappen die nodig zijn voor de
biochemie. De aminozuren konden ook al gemaakt worden voor er leven aanwezig was op aarde.
Daarnaast zouden andere aminozuren waarschijnlijk te reactief zijn.
Proline is een alipathisch (niet aromatisch) aminozuur, maar verschilt van de andere aminozuren
omdat de zijketen gebonden is aan de stikstof-groep en het alfa carbon molecuul van de backbone.
De pKa van de zijketen is altijd lager dan de pKa van de carboxylgroep.
Als de zijketen een proton heeft (‘protonated’ is), hoeft de carboxyl groep dit niet te zijn. Het
aminozuur is een zwitterion boven een pH van 4.1 waar de zijketen wel al een proton opgenomen
kan hebben op dit punt.
De primaire structuur van eiwitten wordt gevormd door een peptide of amide binding, waarbij de
alfa carboxylgroep een binding aangaat met de alfa aminogroep van het volgende aminozuur. Bij de
formatie van een dipeptide gaat een watermolecuul verloren. Omdat het evenwicht richting de
hydrolyse is er energie nodig voor het vromen van de verbinding. Omdat de snelheid van hydrolyse
enorm traag is zijn de bindingen voor een lange periode stabiel.
Elk aminozuur in een polypeptide keten wordt een residu genoemd. Een polypeptide keten heeft een
richting omdat de twee uiteinde verschillend zijn. De aminozijde wordt genomen als het begin van
een keten. Dus de keten wordt geschreven met het begin aan het amino-terminale residu.
Eigenschappen waardoor eiwitten betrokken zijn bij veel verschillende functies:
1. Eiwitten zijn lineaire polyneren opgebouwd uit monomeer eenheden, de aminozuren. De
primaire structuur is de sequentie van de aminozuren. Door waterstofbruggen tussen de
aminozuren worden de eiwitten in de driedimensionale secundaire structuur gevouwen. De
tertiaire structuur wordt gevormd door interacties tussen aminozuren over langere
afstanden. Eiwitten zijn in feite het resultaat van het vertalen van de lineaire sequentie naar
een driedimensionale structuur in staat tot verschillende processen.
2. Eiwitten bevatten veel verschillende functionele groepen. Veel van deze groepen (zoals
alcoholen, carboxylzuren en ethers) zijn reactief. Deze reactiviteit is essentieel voor het
functioneren van de eiwitten als bijvoorbeeld enzymen.
3. Eiwitten kunnen interacties aangaan met andere macromoleculen om complexe
samenstellingen te vormen. Onderdelen van deze samenstellingen kunnen functioneren op
een manier waar een individueel macromolecuul dit niet kan.
4. Eiwitten kunnen stijf of flexibel zijn. De stijve eiwitten kunnen functioneren als structurele
elementen (zoals in het cytoskelet) waar flexibele eiwitten kunnen functioneren als veren.
Door conformatie veranderingen in eiwitten kan informatie worden doorgegeven en kunnen
grotere eiwitcomplexen gevormd worden.
Een alfa-aminozuur bestaat uit een centraal koolstofatoom (alfa carbon), gelinked aan een amino
groep, een carboxyl zuur groep en een specifieke R-groep (ook wel de zijketen). Omdat de alfa
carbon vier verschillende groepen heeft zijn de alfa aminozuren chiraal. De aminozuren kunnen dus
voorkomen in het L of het D-isomeer.
In de eiwitten komen enkel de L-isomeren voor. Waarom dit zo is, is vooralsnog niet bekend. Echter
is wel bekend dat de L-isomeren beter oplosbaar zijn. De L-isomeren kunnen voorkomen als een S-
configuratie (meest voorkomend), afhankelijk van de zijketens hebben sommige aminozuren een R-
configuratie.
Aminozuren in oplossing bij een neutraal pH (2 tot ongeveer 9) komen voor als dipolaire ionen (ook
wel zwitterions). Een zwitterion is een molecuul met een positieve en een negatieve lading maar die
gemiddeld een neutrale lading heeft. In dit geval is de aminogroep ‘protonated’ (NH 3+), en de
carboxygroep is ‘deprotonated’ (COO-).
- In een zure oplossing (pH = 1) is de aminogroep protonated (NH 3+) en is de carboxylgroep
neutraal.
- In een basische oplossing (pH = 14) geeft de carboxygroep als eerste zijn proton af en raakt
dus deprotonated.
De aminozuren worden aan de hand van de zijgroep ingedeeld in vier klassen (op basis van
chemische eigenschappen):
1. Hydrofobe aminozuren met een niet-polaire R-groep. Voor deze aminozuren geldt dat de
driedimensionale structuur van het eiwit verstevigd wordt door hydrofobe interacties.
a. Glycine is het simpelste (en tevens het enige niet-chirale) aminozuur met enkel een
waterstofatoom als zijketen.
b. Alanine is het een na simpelste aminozuur en heeft een methyl-groep als zijketen.
c. Valine, Leucine en Isoleucine (met een tweede chiraal C-atoom) hebben grotere
hydrofobe zijketens.
d. Methionine heeft een zwavelgroep (ook wel thioether).
e. Proline heeft een ring structuur waardoor de conformatie van het aminozuur meer
beperkt is.
, f. Phenylalanine heet een phenyl ring op de plek van een waterstofmolecuul van
alanine.
g. Tryptofaan heeft een indole groep (twee gefuseerde ringen met NH-groepen).
Tryptofaan is minder hydrofoob dan bijvoorbeeld phenylalanine door de N-groep.
2. Polaire aminozuren met een neutrale R-groep waarbinnen de lading niet gelijk verdeeld is.
a. Drie aminozuren, serine, threonine en thyrosine, hebben hydroxyl groepen aan een
hydrofobe zijketen. Door de hydroxyl groep zijn deze aminozuren meer hydrofiel en
reactief. Threonine heeft net als isoleucine een tweede chiraal C atoom.
b. Twee aminozuren, asparagine en glutamine, hebben terminaal een carboxamide
groep.
c. Cysteine heeft een thiol of sulfhydryl (SH) groep. De sulfhydryl groep is reactiever
dan een hydroxyl groep. Een paar van sulfhydryl groepen kan een zwavelbrug
vormen.
3. Positief geladen aminozuren met een R-groep die positief geladen is bij een neutraal pH (ook
wel basische zijketens)
a. Lysine en arginine hebben een lange koolstofketen met terminaal een positieve
lading (bij neutraal pH).
b. Histidine heeft een aromatische ring die ook positief geladen kan zijn. De ring laat
gemakkelijk protonen vrij en neemt ook gemakkelijk weer protonen op.
4. Negatief geladen aminozuren met een R-groep die negatief geladen is bij een neutraal pH
(ook wel zure zijketens)
a. Aspartaan zuur en glutamaat zuur hebben een zure zijketen en missen dus een
proton bij een neutraal pH.
Waarom precies deze 20?
Gezamenlijk hebben al deze aminozuren veel verschillende eigenschappen die nodig zijn voor de
biochemie. De aminozuren konden ook al gemaakt worden voor er leven aanwezig was op aarde.
Daarnaast zouden andere aminozuren waarschijnlijk te reactief zijn.
Proline is een alipathisch (niet aromatisch) aminozuur, maar verschilt van de andere aminozuren
omdat de zijketen gebonden is aan de stikstof-groep en het alfa carbon molecuul van de backbone.
De pKa van de zijketen is altijd lager dan de pKa van de carboxylgroep.
Als de zijketen een proton heeft (‘protonated’ is), hoeft de carboxyl groep dit niet te zijn. Het
aminozuur is een zwitterion boven een pH van 4.1 waar de zijketen wel al een proton opgenomen
kan hebben op dit punt.
De primaire structuur van eiwitten wordt gevormd door een peptide of amide binding, waarbij de
alfa carboxylgroep een binding aangaat met de alfa aminogroep van het volgende aminozuur. Bij de
formatie van een dipeptide gaat een watermolecuul verloren. Omdat het evenwicht richting de
hydrolyse is er energie nodig voor het vromen van de verbinding. Omdat de snelheid van hydrolyse
enorm traag is zijn de bindingen voor een lange periode stabiel.
Elk aminozuur in een polypeptide keten wordt een residu genoemd. Een polypeptide keten heeft een
richting omdat de twee uiteinde verschillend zijn. De aminozijde wordt genomen als het begin van
een keten. Dus de keten wordt geschreven met het begin aan het amino-terminale residu.
