BIOCHEMIE
STS
1. Inleiding: chemische begrippen
2. De bouwstenen: AZ, suikers-polysacchariden, nucleotiden (nucleïnezuren), lipiden en
membranen
3. Eiwitten en hun structuur
4. Functie van eiwitten
5. Biomedische toepassingen
HOOFDSTUK 1: INLEIDING
1.1 Algemene situering
• Biochemie = studie van de scheidkundige processen van het leven
• Hoofdthema”s zij structurele biologie, metabolisme en opslag en overdracht van informatie
• Biochemie vormt samen met de celbiologie en genetica de moderne moleculaire biologie
• Gebaseerd op reductionisme: het opdelen van het geheel in kleinere stukken om elk stukje apart te
bestuderen (= individuele moleculen afzonderlijk bestuderen en zo afleiden hoe de biomoleculen
samenwerken en intrigeren tot een grotere functionele eenheid)
• Strucuur, organisatie en functie van levende materie beschrijven
• Hoofdvraag van deze cursus: “waaruit is het lichaam opgebouwd?”
1.2 Biomoleculen
1.2.1 Inleiding
• Beperkt aantal elementen ingebouwd in biomoleculen
• F,Al,Si zeer abudnant in aardkorst maar komen niet of in zeer lage concentraties voor
• C,N,O,H meest voorkomend in biologische systemen
• Ca,P,K,S,Cl,Na & Mg essentieel
• ook eventueel (niet-essentiele) sporenelementen (Fe)
• Voornamelijk onder luik van organische chemie [hoog gehalte C (61,7%) impliceert
verwantschap]
Functionele groepen
1
,1.2.2 4 belangrijke groepen
• (Bio)macromoleculen (= biopolymeren) opgebouwd uit bouwstenen/monomeren die we in 4
groepen kunnen indelen
• Voorkomen van biomamacromoleculen kenmerkend voor levende cellen
• Deze 4 groepen beschikken over meerdere leden maar beschikken over gemeenschappelijke
functionele groepen
a) Aminozuren
• Aminofunctie & zuurfunctie gebonden aan centraal
koolstofatoom
• Fysiologische omstandigheden: geïoniseerd => zwitterion
• Varierende zijkenten R
• Bouwstenen van eiwitten
b) Koolhydraten
• Monosacharide = suikers = (CH2O)n —>
bouwstenen voor de polysachariden
• Monosacharide = poly-alcohol met aldehyde of
ketonfunctie (goed te zien in lineaire stuctuur)
• Glucose in oplossing: cyclisch, kan ook lineair
getekend worden
• -OH groepen
c) Nucleotiden
• Bouwstenen van RNA & DNA
• 5 koolstofsuiker (bv. Monosacharide
ribose) + stikstofbevattende ring (base) +
1 of meerdere fosfaatgroepen
• bv. ATP
d) Lipiden
• Verzameling voor stoffen die zeer lage oplosbaarheid in water hebben
• Palmitinezuur (koolstofketen + carbonzure functie) => geïoniseerd bj fysiologische
omstandigheden = palmitaat
• Oliën - vetten
• Cholesterol
1.2.3 Biologische polymeren
• Bouwstenen worden aan elkaar gehecht tot macromoleculen (grote variatie mogelijk) [kop-
staatsituatie]
• Ingebouwde monomeren = residuen
• Lipiden vormen niet echt polymere verbindingen maar assembleren tot membranen
• + beperkte hoeveelheid ruwe materialen nodig om te overleven voor cel
• + Polymeren maken = manier om informatie vast te leggen (volgorde)=> diversiteit in
eigenschappen van polymeren
2
,a) Eiwitten (proteïnen = polypeptiden)
• Lineaire ketens van AZ (20 verschillende AZ mogelijk)
• Functie en conformatie (3D) hangen af van aminozuursamenstelling en volgorde
• Opvouwing
• Grootste structurele variabiliteit => grootste variatie aan functie van alle biopolymeren
• Enzymen, structurele eiwitten, signalisatie, transport,……
b) nucleïnezuren
• = polymeren van nucleotiden (volgorde belangrijk)= DNA/RNA
• Uit 4 bouwstenen: Adenine, Guanine, Cytosine en uracil (meer regelmatige vormen)
• Dragers van genetische informatie
c) polysachariden
• Opeenvolging van monosachariden
• Meesten zijn homogene polymeren en bestaan uit 1 type monosachcaride => structurele diversiteit is
beperkter
• Stockagemoleculen voor cellulaire energie
• Structurele steun voor cel en herkenning
• Kan ook vertakte structuren vormen
• bv. Cellulose
=> uitzonderingen wel altijd mogelijk (bv. Proteïne die als energiebron dient)
1.3 Energie en metabolisme
1.3.1 Inleiding
Cellen hebben veel energie nodig voor levensfuncties, groeien en vermenigvuldigen (assemblage tot
polymeren, synthiseren van bouwstenen wanneer nodig, beweging, celdeling, ..)
1.3.2 Thermodynamica
1e wet thermodynamica: energie kan alleen worden omgezet in andere vorm (creeren - doden)
2e wet: entropie van een systeem neemt toe
• Gibbs vrije energie bestaat uit entropie (S, mate van wanorde) en enthalpie (H,warmte-inhoud)
• Werken met vrije energieveranderingen (anders niet makkelijk meetbaar)
• deltaH + = endotherm, deltaH - = extherm
• G = H - TS
• Drukveranderingen in biologische systemen zijn verwaarloosbaar
• Spontane reactie (deltaG moet negatief zijn)
(Zie cursus algemene chemie)
Veel cellulaire metabole processen zijn enedergonisch en gaan niet spontaan door => processen gaan wel
door omdat in de cel gelijkertijdig vele andere reacties ebeuren die thermodynamisch wel gunstig zijn =>
koppeling van ongunstige reacties aan gunstige reacties (vb. Reductie en oxidatie)
=> Zonlicht levert E voor reductie van Co2 tot bruikbare koolhydraten => verbranding daarvan levert E op
voor chemische levensfuncties
=> ook energie halen uit voeding (mens) of bij fotosynthetische organismen uit zonlicht
=> bij deltaG = 0 (evenwicht) zal organisme sterven
=> gekoppelde katabolisme en anabolisme (verbranding voedingsstoffen levert E voor aanmaak complexe
verbindingen)
1.4 Oorsprong & evolutie leven
1.4.1 Inleiding
• Replicatie
• Genetische informatie en cellulaire machinerie die het ondersteund onderzoeken => beeld krijgen
van evolutie [moleculaire opmaak heeft dus ook bijgedragen om beeld te krijgen van evolutie]
3
, 1.4.2 De prebiotische wereld
•Start 4,6 miljard jaar geleden
•Vroegste bacteriele leven 3,5 - 4 miljard jaar geleden
•Theoretische overwegingen + experimentele gegevens =>
verschillende mogelijke scenario’s over onstaan leven uit niet-
biologische (=prebiotische) materialen
•Haldane & Operin: in de atmosfeer voorkomende enkelvoudige
verbindingen zoals NH3 met reacties aangedreven door UV
straling(zon) en elektrische ontladingen(bliskem) aanleiding gaven
tot ontstaan eenvoudige organische moleculen (zoals AZ)
•1953: Experiment van Miller: nabootsing van vroegaardse atmoseer
in proefopstelling
=> bevestigde theorie Haldane & Oparin (ontstaan org. verbindingen
die uitgroeien tot bouwstenen van grotere aminozuren)
MILLER
•Verder nog analoge experimenten in aanwezigheid HCN =>
pyrimidine en purinebasen worden geormd en in aanwezigheid van
H2C=O (formaldehyde) werden suikers gevormd => belangrijkste
functionele groepen die bij deze reacties ontstaan zijn essentieel voor
voornaamste biologische processen
[Wikipedia: In het experiment wordt een mengsel van methaan, ammoniak, waterdamp en diwaterstof verwarmd en
blootgesteld aan elektrische ontladingen, die de bliksem op de vroege Aarde moest simuleren. Men veronderstelt dat de
wrijving van de stofdeeltjes die vrijkwamen bij vulkanische uitbarstingen verantwoordelijk waren voor deze bliksem.
De samenstelling van het mengsel werd gekozen op grond van wat men op dat moment aannam over de atmosfeer van
de jonge Aarde voor er leven was.
Na een week continu te hebben gedraaid met hun opstelling vonden Miller en Urey dat 10 tot 15% van de koolstof in
het systeem zich nu in organische verbindingen bevond. Twee procent had aminozuren gevormd, waaronder 13 van de
22 die tegenwoordig door levende cellen worden gebruikt, glycine kwam hiervan het meest voor. Er werden
ook suikers en lipiden gevormd. Echter de bouwstenen van DNA en RNA (nucleotiden) ontbraken in zijn geheel.
Simpele versies van nucleotiden zoals nucleosiden (nucleotiden zonder de fosfaatgroep) werden ook niet gevonden.
Voor het vormen van deze organische moleculen moet de vroegere atmosfeer van de Aarde een reducerend karakter
gehad hebben. Recent onderzoek wijst uit dat de vroegere atmosfeer noch reducerend noch oxiderend was. De theorie
van Miller is hiermee achterhaald. De samenstelling van de oeratmosfeer blijkt anders geweest te zijn dan in het
experiment werd aangenomen en bestond waarschijnlijk vooral uit stikstofgas en koolstofdioxide.[1] Maar het is wel nog
steeds aannemelijk dat er bepaalde "pakketjes" atmosfeer een reducerend karakter hadden, bijvoorbeeld in de nabijheid
van de vulkanische openingen. Een tweede hypothese is dat de abiotische synthese van deze moleculen heeft
plaatsgevonden onder water, in de nabijheid van onderwatervulkanen, of diepzeeschoorsteenkanalen (hier was tevens
veel zwavel en ijzer aanwezig, wat vandaag nog steeds bij veel organismen gebruikt wordt voor de ATP-synthese).]
=> Chemische evolutie: hoe komen we tot biopolymeren?
• Condensatie van eenvoudige moleculen tot complexere in prebiotische poel (katalyse voor polymerisatie
waarschijnlijk door klei en andere mineralen voornamelijk ijzerbevattend)
• Eenvoudige bouwstenen zouden na verloop van tijd voldoende geaccumuleerd zijn om grotere structuren
te vormen (in plassen water door verdamping) => uiteindelijk zouden omstandigheden gusntig geweest
zijn voor vorming van functionele levende cellen
Alternatief scenario: cellen zijn onststaan in hydrothermale diepzeebronnen [ondersteund door studie van
metabolisme bij hedendaagse diepzeebacteriën]
• Door contact magma en water + wolken van H2S en metaalsulfiden => condities laten toe dat AZ spontaan
korte polypeptideketens vormen maar stabiliteit bij deze temperatuur? (…toch in poelen?)
• Bij incubatie van kleine moleculen bij 100° in aanwezigheid Fe- en nikkelsulfide kan men azijnzuur
vormen
Primitieve polymeren moeten kunnen aan zelf-replicatie doen => RNA eerste zelfreplicerende biomoleculie
(kopie door complement te maken dat weer complement maakt dus dan krijg je molecule die identiek is aan
oorspronkelijke molecule)
4
