Biochemie - deel 1
Celbiologie partim medische biochemie
Introductie tot biochemie en enzymologie
Basisprincipes
Leven = organisatie, groei, energie, reproductie, evolutie, interactie met omgeving,
homeostase, …
Ontdekking biochemie - Claude Bernard:
- Milieu interieur: strikt gecontroleerd milieu in een afgescheiden organisme, staat
allemaal met elkaar in verbinding, endogeen, afgeschermd metabolisme
- Open systeem in interactie met zijn omgeving: opname van voeding en zuurstof,
uitwisseling van water, excretie van CO2 en afvalstoffen
- Precaire balans: bij malnutritie, obesitas, toxicologie… is de balans verstoord en
wordt het organisme ziek
Relevantie van biochemie !
Gezondheid volgens WHO:
- Complete fysieke, mentale en sociale welgesteldheid
- Niet enkel afwezigheid van ziekte of invaliditeit
Ziekte is een verstoring van de balans of homeostase, deze processen zijn normaal gezien
nauw gebalanceerd. Biochemie is de wetenschap achter de processen die deze balans in
stand houden. Vele ziekten hebben een biochemisch aspect. Kennis van de biochemie helpt
bij het inzicht, de diagnose en de behandeling van ziekten.
Er zijn maar enkele elementen die gebruikt worden:
De essentiële bouwstenen: CHNOPS
,Koolstof en waterstof - de ruggengraat van organische chemie
Koolstof - atoomnummer (Z) = 6, massagetal (A) = 12:
- Max. 4 bindingspartners in 3 configuraties
- sp3 - orbitalen (hoek van 109° met veel vertakkingen)
- sp2 - orbitalen: beschikbaar p-orbitaal → elektron distributie (3
bindingspartners, er is een extra e- vrij om te binden en de binding te
versterken)
- sp - orbitaal: lineaire oriëntatie (max. binding efficiëntie)
- Middelmatige elektronegativiteit
- Versatiele bindingspartner
- Ketens zijn karakteristiek voor organische chemie
- Alkanen, alkenen, alkynen, ringstructuren…
Waterstof:
- Dezelfde elektronegativiteit als C
- Gebonden met C → “neutrale” afsluiting of end-capping
- Er is maar 1 proton dus als het elektron weggenomen wordt hebben we een pure
pos. lading → essentieel voor de pH en ladingen
- Speelt een frequente rol bij dipoolmomenten met hetero-atomen zoals N en O →
verschil in lading verbetert de interacties tussen moleculen
Zuurstof en zwavel - de reactieve partners
Ze hebben beide een relatief sterke elektronegatieve waarde → elektronzuigers (krijgen een
neg. lading) → door de e- bij zich te houden introduceren ze een binding
Zuurstof:
- Verhoging van de polariteit
- Combinatie van verschillende zuurstofatomen → mesomere resonantie: het e- dat de
ene O opneemt kan doorgeschoven worden naar de andere O. Hierdoor kunnen er
zure functies gebonden worden → carbonzuur
- Stabiele bindingen → macromolecules kunnen gevormd worden
Zwavel:
- Extra elektronenschil dan zuurstof
- Tijdelijke binding → molecule gekoppeld aan zwavel wordt geactiveerd voor
metabole processen
- Reactieve zone vormt de target voor enzymatische conversie omdat die reactiever is
- Sulfaat-ion: grote polaire kap (4 O’s rond 1 S), kan gebruikt worden voor de
hydrofiele eigenschappen van een molecule te beïnvloeden
Stikstof en fosfor - de mediatoren
“Middelmatige” elektronegativiteit → 1 vrij elektronenpaar, kan bij aromatische structuren of
zuur/base balans participeren)
,Stikstof:
- Gelijkaardige grootte aan koolstof en zuurstof
- Onderdeel van macromolecules want alles zit op dezelfde hoogte en kan goed
verdeeld worden
- Het vrije elektronenpaar kan een p+ opnemen = base → stikstof heeft in een
fysiologisch milieu vaak een positieve lading
- Vrije elektronenpaar kan deelnemen aan dubbele bindingen van C en de aromaticiteit
verhogen
Fosfor:
- Extra elektronenschil → kan fungeren als elektrondonor
- Koppeling aan zuurstof = fosfaat-ion
- Grote polaire molecule (polaire kap)
- Wordt vooral gebruikt om energie op te slaan of om proteïnen af te regelen door
fosforylatie (de aanwezigheid van fosfor op de enzyme verstoord de originele
hydrofiele interacties en zorgen ervoor dat het proteïne anders functioneert)
Metabole processen !
- Zijn chemische reacties
- Bedoeling = conversie van grondstoffen uit de omgeving naar essentiële
bouwstenen, dit zorgt voor:
- Groei
- Reproductie
- Homeostase
- Voor al deze processen is er heel veel energie nodig, voornamelijk in de vorm van
ATP maar het kan ook in de vorm van reducerend vermogen bv. NAD+ en NADH,H+)
Biomoleculen !
Biomoleculen kunnen we indelen in 2 grote categorieën:
- Micromoleculen = essentiële bouwstenen: water, ionen, AZ, organische zuren,
koolhydraat (bv. glucose), basenparen
- Macromoleculen = modulaire systemen die aan elkaar gekoppeld zijn: koolhydraten
(vele suikerketens achter elkaar), lipiden (vetzuren), eiwitten (AZ), nucleïnezuren
(basenparen)
Al de ketens van de macromolecules ontstaan door een polymerisatie van de essentiële
micromolecules. We kunnen dus met een beperkt aantal bouwstenen heel veel verschillende
variaties maken. Dit is terug te vinden in alle levende cellen op aarde.
Water - de belangrijkste molecule !
- 70% van de massa in het lichaam
- 2 waterstofatomen + 1 centraal zuurstofatoom
- O = elektronacceptor, H = elektrondonor → dipoolmoment
- 2 vrije elektronenparen
- Polariteit laat structuur toe
- Waterstofbruggen
, - Oplosbaarheid ionen
- Interactie met biomolecules
- Polaire molecules - hydrofiel
- Apolaire molecules - hydrofoob
Interacties !
Polair:
- Ion-dipool interacties - de negatieve kant van het water (O), neutraliseert de
positiviteit van het Na
- Dipool-dipool interacties - negatieve en positieve kanten zorgen voor een stabilisatie
van de molecule
Apolair:
- Van der Waals interactie - heel zwakke kracht die pas optreed wanneer molecules
heel dicht bij elkaar liggen bv. bij lipiden
Relevantie van interacties
Deze interacties komen voor in elk systeem:
- Celmembranen = soort van barrière met binnenkant en buitenkant:
- Meestal opgebouwd uit een polaire kap (fosfo) en een apolaire staart (lipide)
→ fosfolipidedubbellaag
- De fosfaat kopjes zijn vormen de afscherming van het membraan en de
vetzuurketens zijn naar binnen georiënteerd → stabiel membraan waar we
compartimentalisatie kunnen uitvoeren
- Door deze compartimenten kunnen we onze energie beter afstemmen en
kunnen we ook verschillende interacties doen en onze chemische pathway
beter controleren
- Huid = extreme vorm van compartimentalisatie en barrière:
- Organisme wordt goed beschermt tegen de omgeving
- Opgebouwd uit een sterke apolaire vetlaag en een keratine laag
- DNA = hele lange keten waar 2 basenparen aan elkaar gelinkt zijn en 2 of 3
waterstofbruggen vormen
, - Proteïnen
- De vorming van 3D-structuren, stabiel of niet, hangt af van de
waterstofbruggen, de ionaire interacties en de van der waals interacties
- Enzymen hebben een katalytisch centrum waarbij de reacties belangrijk zijn
om hun eigen functie te kunnen uitvoeren
- Receptoren: er gebeurt geen echte omzetting maar een docking van het
messenger molecule aan de receptor van de betrokken cel om het signaal te
kunnen doorgeven en dat is op basis van de interacties
Basismodel van biochemische pathways
We willen A omzetten in D. C is een kruispunt molecule en kan via een andere pathway
omgezet worden in E. Bij een metabole aandoening is er een deficiëntie in een bepaald
enzym (bv. C kan niet omgezet worden naar D) waardoor we een tekort hebben aan het
finaal product. Er zijn verschillende mogelijkheden:
- Opstapeling van C
- C kan omgezet worden naar het toxische D
Fenylketonurie
= ziekte door tekort en toxiciteit
- Probleem = deficiëntie in fenylalanine hydroxylase
- Fenylalanine wordt omgezet in tyrosine, door de deficiëntie is er een tekort aan
tyrosine, dit zorgt voor:
- Verstoorde proteïnesynthese
- Verstoorde neurotransmitters
- Verlaagd thyroxine
- Verlaagd melanine
- Ook is er door de deficiëntie een opstapeling van fenylalanine, dit wordt omgezet
naar neurotoxische metabolieten
- Mensen die volledig ontregeld zijn kunnen permanente hersenschade oplopen door:
- Epilepsie
- Mentale retardatie
- Psychiatrische problematieken
Therapie: fenylalanine reguleren en tyrosine supplementeren.
,Enzymologie
Introductie
Bepaalde moleculen bevatten veel energie maar zijn toch stabiel in onze omgeving (bv.
suiker), dit komt doordat ze heel traag worden afgebroken in onze omgeving. Wanneer we
het gaan opnemen of er bv. bier van gaan brouwen, is er een biologische reactie die heel
wat sneller loopt. Dit is een soort van fermentatie of oxidatie. Louis Pasteur gaf er een naam
aan → enzym:
- Enzymen versnellen de omzetting van substraat vaan product
- Ze worden zelf niet verbruikt maar zijn katalysatoren → een kleine hoeveelheid
enzym kan een grote hoeveelheid substraat omzetten
Fysiologisch voorbeeld - eiwitten in de huid en spieren:
- Onder fysiologische omstandigheden zijn de eiwitten stabiel
- Bij mummificatie zorgt een beperkte hoeveelheid water ervoor dat de hydrolyse niet
plaatsvindt
- In spijsvertering is er een versnelde afbraak door pancreatische enzymen, het proces
wordt gekatalyseerd → tot een miljard keer sneller afgebroken
Chemische reacties !
Chemische reacties kunnen gedefinieerd worden dmv enthalpie, entropie en Gibbs vrije
energie:
- Enthalpie (ΔH) = energie beschikbaar in de molecule zelf
- Entropie (ΔS) = energie in het systeem dat niet kan worden aangewend
- Gibbs vrije energie (ΔG) = het verschil in de energiestatus voor en na de reactie
Negatieve ΔG:
- Er komt energie vrij die gebruikt kan worden
- De reactie verloopt spontaan = exergoon
- De omzetting is niet noodzakelijk snel
Positieve ΔG:
- Er wordt energie opgenomen
- De reactie verloopt niet spontaan = endergoon
ΔG = ong. 0 → reactie kan in beide richtingen verlopen
Voorbeeld: glucose → om glucose instabiel te krijgen is er
heel veel energie nodig. Wanneer er een soort transitiefase
bereikt wordt kan de energie vrijkomen en krijgen we de
vrijgave van bv. CO2. Een enzyme medieert dat door de
tussenstadia te stabiliseren waardoor er veel minder energie
nodig is om in de transitiefase te raken en de energie vrijgave
veel makkelijker gefaciliteerd kan worden.
,Typische enzymatische reactie heeft verschillende bulten waarbij een opstapeling is van
energie naar een transitie modus. Nadien is er een vrijgave van energie.
Katalyse van endergone reacties !
Bij deze reacties is er energie nodig om de reactie te laten doorgaan. Ze zullen dus niet
spontaan gebeuren. Een enzym kan ook geen energie produceren, enkel conversies
faciliteren en probeert de energie bij die conversie te gebruiken.
Ons lichaam heeft dit opgelost door een samenwerking van een endergone en een
exergone reactie. De energie uit exergone reactie 1 wordt gebruikt in endergone reactie 2.
Het is een paradoxale beweging:
- Reactie tegen Gibbs vrije energie in
- Totale stijging van entropie in de vorm van warmte
ATP !
ATP heeft 3 fosfaatgroepen die alle drie negatief geladen zijn. Er zijn dus drie negatieve
ladingen die worden gestabiliseerd door Mg2+.
Bij een hydrolyse van ATP komt er energie vrij, kan gebruikt worden voor een fosforylatie
(directe transfer van de P-groep op de gewenste moleculen) of het wordt vrije energie die
kan gebruikt worden voor een katalyse.
Homeostase → heel veel ATP nodig → constante productie ATP. Dieren gebruiken een
externe bron = heterotrofie, zij nemen dingen op uit de omgeving en zetten dit om.
Er zijn ook andere energiedragers bv. NADH, FAD. Zij dragen elektronen rond die energierijk
zijn, die kunnen worden toegepast in andere processen.
Enzymen zijn specifiek
Elk enzym heeft:
- Een eigen functie
- Specifieke substraten
- Eigen snelheid → kan uitgedrukt worden in de katalytische enzymatische activiteit op
basis van gestandaardiseerde omgevingen (dezelfde bufferoplossing, pH en
temperatuur), zo zal hetzelfde experiment op verschillende plaatsen dezelfde
resultaten genereren
- De activiteit van het enzym hangt af van de omgeving
- Temperatuur → elk enzym heeft zijn optimale temperatuur, wanneer de temp.
hoger of lager is zal de enzymactiviteit lager zijn (wij zijn homeotherm, we
kunnen dus de omgeving van onze enzymen optimaal houden = voordeel)
- pH → de meeste fysiologische processen gebeuren tussen 6,8 - 7,4 voor de
meeste eiwitten (sommige wijken hiervan af bv. in de maag of darm)
- Aanwezigheid van cofactoren en inhibitoren
,Voorbeeld specificiteit - de docking site bepaald de hydrolyse:
Creatinebepalingen voor de nier
Jaffé methode - vroeger:
- Chemisch
- Goedkoop
- Snel interferentie → door ketonlichamen, glucose, geneesmiddelen…
- Grote variatie tussen fabrikanten
Enzymatische methode - vandaag:
- Enzymatisch
- Duurder
- Weinig interferentie
- Gestandaardiseerd
Het actief centrum !
Enzymen zijn geëvolueerd om optimale bindingen met de substraten te kunnen realiseren.
Enzymen die in meerdere organismen gebruikt worden, worden goed bewaard doorheen de
evolutie:
- Homologen - gelijkaardige werking
- Iso-enzymen - orgaanspecifiek (lever vs. spieren)
- Species-afhankelijke variatie (mens vs. rund)
De 3D-positionering van het substraat laat de reactie optimaal verlopen:
- Op het katalytisch centrum gebeurt een docking. De AZ gaan met behulp van
hydrofobe pockets, dipoolinteracties of ionaire interacties de reactie laten doorgaan
,Homologen
Voorbeeld - lactaat dehydrogenase (LDH):
- Voornaamste functie = omzetting van pyruvaat naar lactaat
- Gestegen LDH geeft schade, maar we kunnen niet zeggen waar deze schade
vandaan komt want het zit in alle cellen
- Door onderzoek zijn ze erachter gekomen dat er tetrameren (combinaties van H en
M vormen) zijn die specifiek zijn voor de weefsels → diagnostische meerwaarde
- Methode diagnose: LDH scheiden (arbeidsintensieve methode)
Homologen en iso-enzymen
Voorbeeld - creatine kinase (CK):
- Creatine is een energie-molecule, vooral aanwezig in spieren
- CK is een merker voor spierschade
- Waar is deze spierschade? Spieren, hersenen of hart? Door gebruik te maken van
elektroforese kunnen we een onderscheid maken tussen 3 dimeertypes (MM - spier,
MB - hart of BB)
Voorbeeld - glucose-transporters:
- Transport van glucose van ECM naar ICM
- Verschillende substraat-affiniteiten → verschillende acties
Voorbeeld - amylase:
- Enzym dat verantwoordelijk is voor de omzetting van zetmeel
- Aanwezig in speeksel en pancreas
- Oorsprongsbepaling in bv. pleuraal vocht (aspiratie of cyste)
De eigenlijke katalyse !
Door enzymen is er veel minder energie nodig om de reactie te laten
doorgaan.
1. Docking: substraat wordt blootgesteld in het katalytisch centrum en de
reactie kan plaatsvinden
2. (Instabiele) transitie-status van enzym-substraat
3. Resolutie van eerste spanning door vrijgave product 1
4. Nieuwe transitie status van enzym-substraat 2
5. Resolutie spanning door nieuwe transitie status
6. Resolute spanning door vrijgave product 2
7. Repeat (enzyme is volledig gerecupereerd)
Als de amide binding in de natuur moet
gebeuren zou dit heel veel energie nodig
zijn, maar door de verschillende
tussenstappen en stabilisaties van het
enzym kan dit veel sneller en efficiënter
gebeuren.
, Verschillende reactietypes
Enzymen zijn specifiek !
- Enzymen zijn niet star
- Er is een opening voor het specifieke substraat, van zodra het substraat op het actief
centrum in valt en zich koppelt aan de docking site, kan de molecule dichtklappen
- Docking initieert conformationele veranderingen:
- Oiv. ionische, dipool en/of van der waals interacties
- Katalytisch centrum wordt geconserveerd
- Elk enzym heeft zijn specifieke acties
Induced fit
Voorbeeld - hexokinase:
- Eerste stap glycolyse → glucose wordt door ATP omgezet in G6P
- Bij de endergone reactie waarbij we de glucose willen fosforyleren door het af te
schermen → enzym klapt dicht
- Induced fit voorkomt blootstelling ATP aan water en hydrolyse → fosfaatgroep moet
op glucose binden → verhoogd efficiëntie van het enzym
Cofactors en coenzymes !
Ze spelen een cruciale rol in de katalyse:
Cofactors - inorganisch:
- Staat vaak in complex met je enzym of substraat
- Metallo-enzymen → aanwezigheid van zink of ijzer centraal
- Kan redoxreacties veroorzaken
- Helpt in de oriëntatie van de substraten
- Stabiliseren van reactieve partners
Coenzymes - organisch:
- Vaak shuttle functie → transport van elektronen
- Assistentie in reactie door activatie substraat 2
Cosubstraten zijn tijdelijk en uitwisselbaar, ze zijn geen vast deel van het enzym. Ze
faciliteren de werking van het enzym wel.
Celbiologie partim medische biochemie
Introductie tot biochemie en enzymologie
Basisprincipes
Leven = organisatie, groei, energie, reproductie, evolutie, interactie met omgeving,
homeostase, …
Ontdekking biochemie - Claude Bernard:
- Milieu interieur: strikt gecontroleerd milieu in een afgescheiden organisme, staat
allemaal met elkaar in verbinding, endogeen, afgeschermd metabolisme
- Open systeem in interactie met zijn omgeving: opname van voeding en zuurstof,
uitwisseling van water, excretie van CO2 en afvalstoffen
- Precaire balans: bij malnutritie, obesitas, toxicologie… is de balans verstoord en
wordt het organisme ziek
Relevantie van biochemie !
Gezondheid volgens WHO:
- Complete fysieke, mentale en sociale welgesteldheid
- Niet enkel afwezigheid van ziekte of invaliditeit
Ziekte is een verstoring van de balans of homeostase, deze processen zijn normaal gezien
nauw gebalanceerd. Biochemie is de wetenschap achter de processen die deze balans in
stand houden. Vele ziekten hebben een biochemisch aspect. Kennis van de biochemie helpt
bij het inzicht, de diagnose en de behandeling van ziekten.
Er zijn maar enkele elementen die gebruikt worden:
De essentiële bouwstenen: CHNOPS
,Koolstof en waterstof - de ruggengraat van organische chemie
Koolstof - atoomnummer (Z) = 6, massagetal (A) = 12:
- Max. 4 bindingspartners in 3 configuraties
- sp3 - orbitalen (hoek van 109° met veel vertakkingen)
- sp2 - orbitalen: beschikbaar p-orbitaal → elektron distributie (3
bindingspartners, er is een extra e- vrij om te binden en de binding te
versterken)
- sp - orbitaal: lineaire oriëntatie (max. binding efficiëntie)
- Middelmatige elektronegativiteit
- Versatiele bindingspartner
- Ketens zijn karakteristiek voor organische chemie
- Alkanen, alkenen, alkynen, ringstructuren…
Waterstof:
- Dezelfde elektronegativiteit als C
- Gebonden met C → “neutrale” afsluiting of end-capping
- Er is maar 1 proton dus als het elektron weggenomen wordt hebben we een pure
pos. lading → essentieel voor de pH en ladingen
- Speelt een frequente rol bij dipoolmomenten met hetero-atomen zoals N en O →
verschil in lading verbetert de interacties tussen moleculen
Zuurstof en zwavel - de reactieve partners
Ze hebben beide een relatief sterke elektronegatieve waarde → elektronzuigers (krijgen een
neg. lading) → door de e- bij zich te houden introduceren ze een binding
Zuurstof:
- Verhoging van de polariteit
- Combinatie van verschillende zuurstofatomen → mesomere resonantie: het e- dat de
ene O opneemt kan doorgeschoven worden naar de andere O. Hierdoor kunnen er
zure functies gebonden worden → carbonzuur
- Stabiele bindingen → macromolecules kunnen gevormd worden
Zwavel:
- Extra elektronenschil dan zuurstof
- Tijdelijke binding → molecule gekoppeld aan zwavel wordt geactiveerd voor
metabole processen
- Reactieve zone vormt de target voor enzymatische conversie omdat die reactiever is
- Sulfaat-ion: grote polaire kap (4 O’s rond 1 S), kan gebruikt worden voor de
hydrofiele eigenschappen van een molecule te beïnvloeden
Stikstof en fosfor - de mediatoren
“Middelmatige” elektronegativiteit → 1 vrij elektronenpaar, kan bij aromatische structuren of
zuur/base balans participeren)
,Stikstof:
- Gelijkaardige grootte aan koolstof en zuurstof
- Onderdeel van macromolecules want alles zit op dezelfde hoogte en kan goed
verdeeld worden
- Het vrije elektronenpaar kan een p+ opnemen = base → stikstof heeft in een
fysiologisch milieu vaak een positieve lading
- Vrije elektronenpaar kan deelnemen aan dubbele bindingen van C en de aromaticiteit
verhogen
Fosfor:
- Extra elektronenschil → kan fungeren als elektrondonor
- Koppeling aan zuurstof = fosfaat-ion
- Grote polaire molecule (polaire kap)
- Wordt vooral gebruikt om energie op te slaan of om proteïnen af te regelen door
fosforylatie (de aanwezigheid van fosfor op de enzyme verstoord de originele
hydrofiele interacties en zorgen ervoor dat het proteïne anders functioneert)
Metabole processen !
- Zijn chemische reacties
- Bedoeling = conversie van grondstoffen uit de omgeving naar essentiële
bouwstenen, dit zorgt voor:
- Groei
- Reproductie
- Homeostase
- Voor al deze processen is er heel veel energie nodig, voornamelijk in de vorm van
ATP maar het kan ook in de vorm van reducerend vermogen bv. NAD+ en NADH,H+)
Biomoleculen !
Biomoleculen kunnen we indelen in 2 grote categorieën:
- Micromoleculen = essentiële bouwstenen: water, ionen, AZ, organische zuren,
koolhydraat (bv. glucose), basenparen
- Macromoleculen = modulaire systemen die aan elkaar gekoppeld zijn: koolhydraten
(vele suikerketens achter elkaar), lipiden (vetzuren), eiwitten (AZ), nucleïnezuren
(basenparen)
Al de ketens van de macromolecules ontstaan door een polymerisatie van de essentiële
micromolecules. We kunnen dus met een beperkt aantal bouwstenen heel veel verschillende
variaties maken. Dit is terug te vinden in alle levende cellen op aarde.
Water - de belangrijkste molecule !
- 70% van de massa in het lichaam
- 2 waterstofatomen + 1 centraal zuurstofatoom
- O = elektronacceptor, H = elektrondonor → dipoolmoment
- 2 vrije elektronenparen
- Polariteit laat structuur toe
- Waterstofbruggen
, - Oplosbaarheid ionen
- Interactie met biomolecules
- Polaire molecules - hydrofiel
- Apolaire molecules - hydrofoob
Interacties !
Polair:
- Ion-dipool interacties - de negatieve kant van het water (O), neutraliseert de
positiviteit van het Na
- Dipool-dipool interacties - negatieve en positieve kanten zorgen voor een stabilisatie
van de molecule
Apolair:
- Van der Waals interactie - heel zwakke kracht die pas optreed wanneer molecules
heel dicht bij elkaar liggen bv. bij lipiden
Relevantie van interacties
Deze interacties komen voor in elk systeem:
- Celmembranen = soort van barrière met binnenkant en buitenkant:
- Meestal opgebouwd uit een polaire kap (fosfo) en een apolaire staart (lipide)
→ fosfolipidedubbellaag
- De fosfaat kopjes zijn vormen de afscherming van het membraan en de
vetzuurketens zijn naar binnen georiënteerd → stabiel membraan waar we
compartimentalisatie kunnen uitvoeren
- Door deze compartimenten kunnen we onze energie beter afstemmen en
kunnen we ook verschillende interacties doen en onze chemische pathway
beter controleren
- Huid = extreme vorm van compartimentalisatie en barrière:
- Organisme wordt goed beschermt tegen de omgeving
- Opgebouwd uit een sterke apolaire vetlaag en een keratine laag
- DNA = hele lange keten waar 2 basenparen aan elkaar gelinkt zijn en 2 of 3
waterstofbruggen vormen
, - Proteïnen
- De vorming van 3D-structuren, stabiel of niet, hangt af van de
waterstofbruggen, de ionaire interacties en de van der waals interacties
- Enzymen hebben een katalytisch centrum waarbij de reacties belangrijk zijn
om hun eigen functie te kunnen uitvoeren
- Receptoren: er gebeurt geen echte omzetting maar een docking van het
messenger molecule aan de receptor van de betrokken cel om het signaal te
kunnen doorgeven en dat is op basis van de interacties
Basismodel van biochemische pathways
We willen A omzetten in D. C is een kruispunt molecule en kan via een andere pathway
omgezet worden in E. Bij een metabole aandoening is er een deficiëntie in een bepaald
enzym (bv. C kan niet omgezet worden naar D) waardoor we een tekort hebben aan het
finaal product. Er zijn verschillende mogelijkheden:
- Opstapeling van C
- C kan omgezet worden naar het toxische D
Fenylketonurie
= ziekte door tekort en toxiciteit
- Probleem = deficiëntie in fenylalanine hydroxylase
- Fenylalanine wordt omgezet in tyrosine, door de deficiëntie is er een tekort aan
tyrosine, dit zorgt voor:
- Verstoorde proteïnesynthese
- Verstoorde neurotransmitters
- Verlaagd thyroxine
- Verlaagd melanine
- Ook is er door de deficiëntie een opstapeling van fenylalanine, dit wordt omgezet
naar neurotoxische metabolieten
- Mensen die volledig ontregeld zijn kunnen permanente hersenschade oplopen door:
- Epilepsie
- Mentale retardatie
- Psychiatrische problematieken
Therapie: fenylalanine reguleren en tyrosine supplementeren.
,Enzymologie
Introductie
Bepaalde moleculen bevatten veel energie maar zijn toch stabiel in onze omgeving (bv.
suiker), dit komt doordat ze heel traag worden afgebroken in onze omgeving. Wanneer we
het gaan opnemen of er bv. bier van gaan brouwen, is er een biologische reactie die heel
wat sneller loopt. Dit is een soort van fermentatie of oxidatie. Louis Pasteur gaf er een naam
aan → enzym:
- Enzymen versnellen de omzetting van substraat vaan product
- Ze worden zelf niet verbruikt maar zijn katalysatoren → een kleine hoeveelheid
enzym kan een grote hoeveelheid substraat omzetten
Fysiologisch voorbeeld - eiwitten in de huid en spieren:
- Onder fysiologische omstandigheden zijn de eiwitten stabiel
- Bij mummificatie zorgt een beperkte hoeveelheid water ervoor dat de hydrolyse niet
plaatsvindt
- In spijsvertering is er een versnelde afbraak door pancreatische enzymen, het proces
wordt gekatalyseerd → tot een miljard keer sneller afgebroken
Chemische reacties !
Chemische reacties kunnen gedefinieerd worden dmv enthalpie, entropie en Gibbs vrije
energie:
- Enthalpie (ΔH) = energie beschikbaar in de molecule zelf
- Entropie (ΔS) = energie in het systeem dat niet kan worden aangewend
- Gibbs vrije energie (ΔG) = het verschil in de energiestatus voor en na de reactie
Negatieve ΔG:
- Er komt energie vrij die gebruikt kan worden
- De reactie verloopt spontaan = exergoon
- De omzetting is niet noodzakelijk snel
Positieve ΔG:
- Er wordt energie opgenomen
- De reactie verloopt niet spontaan = endergoon
ΔG = ong. 0 → reactie kan in beide richtingen verlopen
Voorbeeld: glucose → om glucose instabiel te krijgen is er
heel veel energie nodig. Wanneer er een soort transitiefase
bereikt wordt kan de energie vrijkomen en krijgen we de
vrijgave van bv. CO2. Een enzyme medieert dat door de
tussenstadia te stabiliseren waardoor er veel minder energie
nodig is om in de transitiefase te raken en de energie vrijgave
veel makkelijker gefaciliteerd kan worden.
,Typische enzymatische reactie heeft verschillende bulten waarbij een opstapeling is van
energie naar een transitie modus. Nadien is er een vrijgave van energie.
Katalyse van endergone reacties !
Bij deze reacties is er energie nodig om de reactie te laten doorgaan. Ze zullen dus niet
spontaan gebeuren. Een enzym kan ook geen energie produceren, enkel conversies
faciliteren en probeert de energie bij die conversie te gebruiken.
Ons lichaam heeft dit opgelost door een samenwerking van een endergone en een
exergone reactie. De energie uit exergone reactie 1 wordt gebruikt in endergone reactie 2.
Het is een paradoxale beweging:
- Reactie tegen Gibbs vrije energie in
- Totale stijging van entropie in de vorm van warmte
ATP !
ATP heeft 3 fosfaatgroepen die alle drie negatief geladen zijn. Er zijn dus drie negatieve
ladingen die worden gestabiliseerd door Mg2+.
Bij een hydrolyse van ATP komt er energie vrij, kan gebruikt worden voor een fosforylatie
(directe transfer van de P-groep op de gewenste moleculen) of het wordt vrije energie die
kan gebruikt worden voor een katalyse.
Homeostase → heel veel ATP nodig → constante productie ATP. Dieren gebruiken een
externe bron = heterotrofie, zij nemen dingen op uit de omgeving en zetten dit om.
Er zijn ook andere energiedragers bv. NADH, FAD. Zij dragen elektronen rond die energierijk
zijn, die kunnen worden toegepast in andere processen.
Enzymen zijn specifiek
Elk enzym heeft:
- Een eigen functie
- Specifieke substraten
- Eigen snelheid → kan uitgedrukt worden in de katalytische enzymatische activiteit op
basis van gestandaardiseerde omgevingen (dezelfde bufferoplossing, pH en
temperatuur), zo zal hetzelfde experiment op verschillende plaatsen dezelfde
resultaten genereren
- De activiteit van het enzym hangt af van de omgeving
- Temperatuur → elk enzym heeft zijn optimale temperatuur, wanneer de temp.
hoger of lager is zal de enzymactiviteit lager zijn (wij zijn homeotherm, we
kunnen dus de omgeving van onze enzymen optimaal houden = voordeel)
- pH → de meeste fysiologische processen gebeuren tussen 6,8 - 7,4 voor de
meeste eiwitten (sommige wijken hiervan af bv. in de maag of darm)
- Aanwezigheid van cofactoren en inhibitoren
,Voorbeeld specificiteit - de docking site bepaald de hydrolyse:
Creatinebepalingen voor de nier
Jaffé methode - vroeger:
- Chemisch
- Goedkoop
- Snel interferentie → door ketonlichamen, glucose, geneesmiddelen…
- Grote variatie tussen fabrikanten
Enzymatische methode - vandaag:
- Enzymatisch
- Duurder
- Weinig interferentie
- Gestandaardiseerd
Het actief centrum !
Enzymen zijn geëvolueerd om optimale bindingen met de substraten te kunnen realiseren.
Enzymen die in meerdere organismen gebruikt worden, worden goed bewaard doorheen de
evolutie:
- Homologen - gelijkaardige werking
- Iso-enzymen - orgaanspecifiek (lever vs. spieren)
- Species-afhankelijke variatie (mens vs. rund)
De 3D-positionering van het substraat laat de reactie optimaal verlopen:
- Op het katalytisch centrum gebeurt een docking. De AZ gaan met behulp van
hydrofobe pockets, dipoolinteracties of ionaire interacties de reactie laten doorgaan
,Homologen
Voorbeeld - lactaat dehydrogenase (LDH):
- Voornaamste functie = omzetting van pyruvaat naar lactaat
- Gestegen LDH geeft schade, maar we kunnen niet zeggen waar deze schade
vandaan komt want het zit in alle cellen
- Door onderzoek zijn ze erachter gekomen dat er tetrameren (combinaties van H en
M vormen) zijn die specifiek zijn voor de weefsels → diagnostische meerwaarde
- Methode diagnose: LDH scheiden (arbeidsintensieve methode)
Homologen en iso-enzymen
Voorbeeld - creatine kinase (CK):
- Creatine is een energie-molecule, vooral aanwezig in spieren
- CK is een merker voor spierschade
- Waar is deze spierschade? Spieren, hersenen of hart? Door gebruik te maken van
elektroforese kunnen we een onderscheid maken tussen 3 dimeertypes (MM - spier,
MB - hart of BB)
Voorbeeld - glucose-transporters:
- Transport van glucose van ECM naar ICM
- Verschillende substraat-affiniteiten → verschillende acties
Voorbeeld - amylase:
- Enzym dat verantwoordelijk is voor de omzetting van zetmeel
- Aanwezig in speeksel en pancreas
- Oorsprongsbepaling in bv. pleuraal vocht (aspiratie of cyste)
De eigenlijke katalyse !
Door enzymen is er veel minder energie nodig om de reactie te laten
doorgaan.
1. Docking: substraat wordt blootgesteld in het katalytisch centrum en de
reactie kan plaatsvinden
2. (Instabiele) transitie-status van enzym-substraat
3. Resolutie van eerste spanning door vrijgave product 1
4. Nieuwe transitie status van enzym-substraat 2
5. Resolutie spanning door nieuwe transitie status
6. Resolute spanning door vrijgave product 2
7. Repeat (enzyme is volledig gerecupereerd)
Als de amide binding in de natuur moet
gebeuren zou dit heel veel energie nodig
zijn, maar door de verschillende
tussenstappen en stabilisaties van het
enzym kan dit veel sneller en efficiënter
gebeuren.
, Verschillende reactietypes
Enzymen zijn specifiek !
- Enzymen zijn niet star
- Er is een opening voor het specifieke substraat, van zodra het substraat op het actief
centrum in valt en zich koppelt aan de docking site, kan de molecule dichtklappen
- Docking initieert conformationele veranderingen:
- Oiv. ionische, dipool en/of van der waals interacties
- Katalytisch centrum wordt geconserveerd
- Elk enzym heeft zijn specifieke acties
Induced fit
Voorbeeld - hexokinase:
- Eerste stap glycolyse → glucose wordt door ATP omgezet in G6P
- Bij de endergone reactie waarbij we de glucose willen fosforyleren door het af te
schermen → enzym klapt dicht
- Induced fit voorkomt blootstelling ATP aan water en hydrolyse → fosfaatgroep moet
op glucose binden → verhoogd efficiëntie van het enzym
Cofactors en coenzymes !
Ze spelen een cruciale rol in de katalyse:
Cofactors - inorganisch:
- Staat vaak in complex met je enzym of substraat
- Metallo-enzymen → aanwezigheid van zink of ijzer centraal
- Kan redoxreacties veroorzaken
- Helpt in de oriëntatie van de substraten
- Stabiliseren van reactieve partners
Coenzymes - organisch:
- Vaak shuttle functie → transport van elektronen
- Assistentie in reactie door activatie substraat 2
Cosubstraten zijn tijdelijk en uitwisselbaar, ze zijn geen vast deel van het enzym. Ze
faciliteren de werking van het enzym wel.
