Biochemistry

# Equilíbrio hidro-eletrolítico e compartimentos de fluidos corporais A regulação do equilíbrio hídrico e eletrolítico é fundamental para a manutenção da vida, garantindo a estabilidade do meio interno em face de variações externas e internas [4](#page=4). ### 1.1 Adaptação e regulação do meio interno A evolução para a vida terrestre exigiu o desenvolvimento de sistemas fisiológicos sofisticados para manter a composição do meio interno nos animais, incluindo humanos. Estes sistemas incluem uma variedade de tampões químicos e mecanismos especializados nos pulmões e rins que atuam em conjunto para regular [4](#page=4): 1. Água [4](#page=4). 2. Eletrólitos [4](#page=4). 3. pH [4](#page=4). ### 1.2 Causas de variações no equilíbrio Pequenas variações nos equilíbrios dinâmicos de água, eletrólitos e pH podem surgir de: * **Externas:** trauma, mudanças de altitude, ingestão de substâncias tóxicas [5](#page=5). * **Internas:** metabolismo fisiológico e estados patológicos [5](#page=5). A correção endógena desses desequilíbrios nem sempre é adequada [5](#page=5). ### 1.3 Compartimentos dos fluidos corporais Os fluidos biológicos são distribuídos em diferentes compartimentos no corpo humano [6](#page=6). #### 1.3.1 Compartimentos extracelulares e intracelulares A água corporal total (ACT) em adultos representa cerca de 60% do peso corporal. Em um homem de 80 kg, isso corresponde a aproximadamente 48 litros. Os principais compartimentos de fluidos são [7](#page=7): * **Fluido Extracelular (FEC):** Compreende o plasma e o fluido intersticial. Constitui cerca de 1/3 do volume total de água corporal, aproximadamente 16 litros [7](#page=7). * **Plasma (FEC Intravascular):** O volume plasmático em um adulto é tipicamente entre 1300 a 1800 mL/m² de superfície corporal, representando aproximadamente 5% do volume corporal total (cerca de 3,5 a 4 litros para um indivíduo de 80 kg). O adulto médio tem cerca de 5 litros de volume sanguíneo, com um volume plasmático de cerca de 3,0 a 3,5 litros quando o hematócrito é de aproximadamente 40% [7](#page=7) [8](#page=8). * **Fluido Intracelular (FIC):** Constitui cerca de 2/3 do volume total de água corporal, aproximadamente 32 litros [7](#page=7). > **Tip:** A água corporal total e sua distribuição variam com a idade, sexo e composição corporal [7](#page=7). #### 1.3.2 Interconexão dos compartimentos O compartimento intracelular e o extracelular são fisicamente separados pela membrana plasmática celular. O FEC é subdividido em [8](#page=8): * **Líquidos intersticiais:** Correspondem a cerca de 75% do FEC [8](#page=8). * **Intravasculares:** Correspondem a cerca de 25% do FEC [8](#page=8). Estes compartimentos líquidos são separados pelo endotélio capilar [8](#page=8). > **Tip:** A compreensão da dinâmica de trocas entre estes compartimentos é crucial para entender a distribuição de água e eletrólitos no corpo [9](#page=9). #### 1.3.3 Fatores que influenciam as necessidades hídricas e eletrolíticas As necessidades diárias de água e eletrólitos são influenciadas por: 1. Atividade do indivíduo [10](#page=10). 2. Condições ambientais [10](#page=10). 3. Estados patológicos [10](#page=10). Em média, um adulto deve ingerir cerca de 1,5 a 2,0 litros de água diariamente para manter o equilíbrio hídrico [10](#page=10). > **Tip:** Os mecanismos reguladores primários são projetados para manter primeiro o estado de hidratação intracelular. Portanto, desequilíbrios na água corporal total são inicialmente refletidos apenas no compartimento do FEC [10](#page=10). #### 1.3.4 Manifestações clínicas de expansão e contração do FEC Existem causas comuns que levam à expansão ou contração do fluido extracelular, com manifestações clínicas associadas [12](#page=12). ### 1.4 Composição dos fluidos corporais: Água e Eletrólitos Os fluidos corporais são compostos por água e uma variedade de eletrólitos, além de componentes não eletrolíticos [13](#page=13). #### 1.4.1 Principais eletrólitos Os eletrólitos são substâncias que se dissociam em íons em solução. São classificados como cátions (cargas positivas) e ânions (cargas negativas) [13](#page=13). * **Catiões (+):** 1. Sódio (Na+) [13](#page=13). 2. Potássio (K+) [13](#page=13). 3. Cálcio (Ca2+) [13](#page=13). 4. Magnésio (Mg2+) [13](#page=13). * **Ânions (-):** 1. Cloreto (Cl-) [13](#page=13). 2. Bicarbonato (HCO3-) [13](#page=13). 3. Fosfato (HPO42-, H2PO4-) [13](#page=13). 4. Sulfato (SO42-) [13](#page=13). 5. Iões orgânicos (p.e., Lactato) [13](#page=13). 6. Proteínas carregadas negativamente [13](#page=13). #### 1.4.2 Eletrólitos com relevância clínica O Sódio (Na+), Potássio (K+) e Cloreto (Cl-) no plasma ou soro são habitualmente analisados em um perfil eletrolítico (ionograma). Suas concentrações fornecem informações relevantes sobre [14](#page=14): 1. Estado osmótico [14](#page=14). 2. Estado de desidratação [14](#page=14). 3. Estado ácido-base [14](#page=14). O íon hidrogénio (H+) é um cátion, mas sua concentração no plasma é significativamente menor (~10⁻⁹ mol/L) comparada aos eletrólitos principais (~10⁻³ mol/L), sendo insignificante em termos de atividade osmótica [14](#page=14). > **Tip:** O perfil eletrolítico é uma ferramenta diagnóstica fundamental para avaliar o estado hidro-eletrolítico e ácido-base do paciente [14](#page=14). #### 1.4.3 Distribuição de eletrólitos entre compartimentos A distribuição de cátions e ânions entre os compartimentos intracelular e extracelular é desigual [16](#page=16). #### 1.4.4 Componentes não eletrolíticos no plasma O plasma também contém substâncias que não se dissociam em íons, mas que contribuem para as propriedades osmóticas do fluido [17](#page=17). ### 1.5 Caracterização dos fluidos intersticial e intracelular #### 1.5.1 Fluido intersticial O fluido intersticial é essencialmente um ultrafiltrado do plasma sanguíneo. O plasma é separado do fluido intersticial pelo revestimento endotelial dos capilares, que atua como uma membrana semipermeável. Esta membrana permite a passagem de água e solutos difusíveis, mas impede a passagem de compostos de alta massa molecular, como as proteínas [18](#page=18). #### 1.5.2 Fluido intracelular (FIC) A composição exata do FIC é difícil de medir devido à indisponibilidade de células livres de contaminação. Os dados do FIC são considerados aproximações. O FIC constitui aproximadamente 66% do volume corporal total [19](#page=19). > **Tip:** A composição do FIC e do FEC difere marcadamente devido à separação desses compartimentos pela membrana celular [19](#page=19). #### 1.5.3 Transporte de íons através da membrana celular As diferenças de composição entre o FIC e o FEC são primariamente uma consequência do transporte ativo e passivo de íons através da membrana celular [19](#page=19). ##### 1.5.3.1 Transporte ativo de sódio A distribuição desigual de íons é devida ao transporte ativo de Na+ de dentro para fora da célula contra o gradiente eletroquímico. Este processo requer energia fornecida por processos metabólicos na célula, como a glicólise. A bomba de sódio ativa (Na+/K+-ATPase) requer a energia do Trifosfato de Adenosina (ATP) e está presente na maioria das membranas celulares, frequentemente acoplada ao transporte de K+ para dentro da célula [20](#page=20). > **Example:** A bomba de sódio e potássio (Na+/K+-ATPase) é um exemplo crucial de transporte ativo, mantendo baixas concentrações de sódio intracelular e altas concentrações de potássio intracelular, o que é essencial para o potencial de membrana e a homeostase celular [20](#page=20). --- # Regulação da troca de fluidos e equilíbrio osmótico Esta secção aborda os princípios fundamentais da osmose, pressão osmótica, osmolaridade dos fluidos corporais e os mecanismos que regulam o volume e a osmolalidade do líquido extracelular. ### 2.1 Princípios de osmose e pressão osmótica A distribuição de fluidos entre os compartimentos intracelular (FIC) e extracelular (FEC) é primariamente determinada pelo efeito osmótico de solutos menores, como sódio e cloreto, através da membrana celular. As membranas celulares são altamente permeáveis à água, mas relativamente impermeáveis a pequenos iões, garantindo que a água se mova rapidamente para equilibrar as concentrações de solutos. Sempre que existir uma maior concentração de soluto num lado da membrana celular, a água difunde-se em direção a essa área [24](#page=24) [25](#page=25). #### 2.1.1 Osmolalidade e osmolaridade * **Osmolalidade:** Refere-se à concentração de solutos expressa em osmoles por quilograma de água (osm/Kg H₂O) [26](#page=26). * **Osmolaridade:** Refere-se à concentração de solutos expressa em osmoles por litro de solução (osm/L solução) [26](#page=26). Em soluções diluídas, como os fluidos corporais, estes termos são frequentemente usados como sinónimos devido às pequenas diferenças [26](#page=26). #### 2.1.2 Distribuição de fluidos no líquido extracelular A distribuição de fluidos dentro do líquido extracelular (LEC), especificamente entre o plasma e o espaço intersticial, é governada pelo equilíbrio de forças hidrostáticas e coloidosmóticas através das membranas capilares [22](#page=22). > **Tip:** Embora a osmolaridade se refira a solutos por litro de solução, a osmolalidade é mais precisa para fluidos corporais, pois considera a massa de água, que é um compartimento mais estável. ### 2.2 Osmolaridade dos fluidos corporais A osmolaridade total de cada um dos compartimentos — líquido intracelular (FIC), líquido extracelular (plasma e líquido intersticial) — é de aproximadamente 300 mOsm/L. O plasma apresenta uma osmolaridade ligeiramente superior (cerca de 1 mOsm/L a mais) em comparação com os fluidos intersticial e intracelular. Esta diferença deve-se ao efeito osmótico das proteínas plasmáticas, que exercem uma pressão maior nos capilares do que nos espaços intersticiais circundantes [27](#page=27). > **Tip:** A diferença de osmolaridade entre o plasma e o líquido intersticial, embora pequena, é crucial para manter a distribuição de fluidos e a pressão intravascular. ### 2.3 Soluções isotónicas, hipotónicas e hipertónicas A figura na página 28 ilustra os efeitos de diferentes concentrações de solutos impermeáveis no líquido extracelular sobre o volume celular [28](#page=28). ### 2.4 Volume e osmolalidade dos fluidos extracelular e intracelulares em situações anormais Alterações acentuadas nos volumes intracelular e extracelular podem ser causadas por diversos fatores, incluindo: 1. Ingestão excessiva ou retenção renal de água [29](#page=29). 2. Desidratação [29](#page=29). 3. Infusão intravenosa de diferentes tipos de soluções [29](#page=29). 4. Perda de grandes volumes de fluido do trato gastrointestinal [29](#page=29). 5. Perda anormal de líquido através da transpiração ou dos rins [29](#page=29). #### 2.4.1 Osmolalidade e tonicidade dos fluidos corporais A osmolalidade do fluido corporal é rigorosamente mantida numa faixa estreita, entre 275 e 295 mmol/Kg. A osmolalidade sérica é um indicador importante do estado do líquido extracelular e pode ser avaliada de três formas [30](#page=30): * Osmolalidade medida * Osmolalidade calculada * Osmolalidade ou tonicidade efetiva #### 2.4.2 Medição da osmolalidade do plasma A osmolalidade do plasma pode ser medida diretamente com um osmómetro. Alternativamente, pode ser estimada como a soma da concentração de todos os solutos no plasma. Um osmómetro não distingue entre osmoles eficazes e ineficazes. A ureia é um exemplo de um osmol ineficaz que contribui para a osmolalidade total, mas com um impacto menor do que os osmoles eficazes [31](#page=31). > **Tip:** Na prática clínica, a ureia é considerada um osmol ineficaz em termos de movimento de água através das membranas celulares, embora contribua para a osmolaridade total medida. É possível estimar a osmolalidade por cálculo, utilizando concentrações conhecidas de substâncias como sódio, glicose e ureia. Parâmetros que mais contribuem para a osmolalidade fisiológica são o sódio, a glicose e a ureia [32](#page=32). Uma fórmula comum para estimar a osmolalidade sérica é: $$ \text{Osmolaridade Calculada} \approx 2 \times [\text{Sódio}] + \frac{[\text{Glicose}]}{18} + \frac{[\text{Ureia}]}{2.8} $$ Onde as concentrações de glicose são em mg/dL e ureia em mg/dL, e a concentração de sódio é em mmol/L. Se as concentrações de glicose e ureia estiverem em mmol/L, as fórmulas devem ser adaptadas [32](#page=32). Ao usar a fórmula de cálculo, erros opostos podem ocorrer: a sobrestimação devido à consideração de ânions como univalentes e a subestimação ao ignorar cátions não sódio e seus ânions acompanhantes. Em concentrações normais de glicose e ureia, a osmolalidade é quase igual ao dobro da concentração de sódio sérico, pois estes erros tendem a anular-se [33](#page=33). Quando a concentração osmolal do líquido extracelular aumenta devido à acumulação de **osmoles efetivos** (como glicose, manitol e sódio), o equilíbrio osmótico é restabelecido pela migração de água do interior da célula para o líquido extracelular. Isto aumenta a osmolalidade intracelular para igualar a osmolalidade extracelular [34](#page=34). ### 2.5 Regulação hormonal do volume e osmolalidade do LEC O volume e a osmolalidade do líquido extracelular são controlados por vários sistemas hormonais [35](#page=35): * Hormona antidiurética (ADH ou vasopressina) [35](#page=35). * Sistema renina-angiotensina-aldosterona [35](#page=35). * Peptídeos natriuréticos [35](#page=35). #### 2.5.1 Regulação da osmolalidade do LEC As principais respostas fisiológicas ao aumento da osmolalidade do LEC envolvem a sede aumentada e a liberação de ADH, levando à retenção de água [36](#page=36). #### 2.5.2 Correção do sódio em função da hiperglicemia A acumulação de glicose no líquido extracelular, como na hiperglicemia, é uma causa bem conhecida de hiponatremia. A glicose é osmoticamente ativa e induz a difusão de água das células para o líquido extracelular, diluindo os eletrólitos extracelulares. Embora a diluição afete todos os eletrólitos extracelulares, o seu efeito absoluto é mais pronunciado no sódio sérico, devido à sua alta concentração iónica [37](#page=37). Como regra geral, o sódio sérico é reduzido em aproximadamente 1,6 a 2,4 mmol/L para cada aumento de 100 mg/dL na glicose acima de 100 mg/dL [38](#page=38). **Exemplo de correção laboratorial do sódio em função da hiperglicemia:** * Sódio medido: 135,0 mmol/L * Glicemia: 300 mg/dL $$ \text{Na}^+ \text{ Corrigido} = 135 + 0.016 \times (300 - 100) = 138.2 \text{ mmol/L} $$ --- # Distúrbios eletrolíticos e hiato aniónico Este tópico aborda os eletrólitos cruciais para a homeostase hídrica e a determinação do hiato aniónico, focando em sódio, potássio, cloreto e bicarbonato. ### 3.1 Eletrólitos individuais com forte influência na homeostase da água Os eletrólitos individuais que exercem uma influência significativa nos distúrbios eletrolíticos e na manutenção da homeostase da água incluem [41](#page=41): * Sódio (Na+) * Potássio (K+) * Cloreto (Cl-) * Bicarbonato (HCO3-) #### 3.1.1 Sódio (Na+) O sódio é o principal catião do organismo e sua homeostase é regulada principalmente pelos rins. Alterações na homeostase do Na+ podem ocorrer devido a perda excessiva, ganho excessivo e/ou retenção de Na+ ou H2O [43](#page=43). ##### 3.1.1.1 Regulação renal do sódio A regulação renal do sódio é um processo complexo que envolve diferentes segmentos do néfron: * **Túbulos proximais:** Cerca de 70% a 80% do Na+ filtrado é ativamente reabsorvido, acompanhado passivamente por H2O e Cl- para manter a neutralidade elétrica e equivalência osmótica [44](#page=44). * **Alça de Henle descendente:** A H2O é reabsorvida passivamente devido à alta força osmótica do líquido intersticial medular renal, mas os eletrólitos não são reabsorvidos [44](#page=44). * **Alça de Henle ascendente:** O Cl- é ativamente reabsorvido juntamente com o Na+ [44](#page=44). * **Túbulo distal e ductos coletores:** A aldosterona estimula a reabsorção de Na+ (com água seguindo passivamente) e a secreção de K+ (e em menor grau, H+) para manter a neutralidade elétrica. A aldosterona é produzida pelo córtex da glândula suprarrenal em resposta à angiotensina II, que deriva da ação da renina. A secreção de renina pelas células justaglomerulares renais é estimulada por baixo teor de cloreto, atividade β-adrenérgica e baixa pressão arteriolar [45](#page=45). A regulação adicional da água nos túbulos distais e ductos coletores é influenciada pela Hormona Antidiurética (ADH), também conhecida como vasopressina. A ADH é libertada pela hipófise posterior em resposta a barorreceptores e quimiorreceptores hipotalâmicos que reagem à osmolalidade plasmática. Quando o volume sanguíneo diminui ou a osmolalidade plasmática aumenta, a ADH é secretada, aumentando a permeabilidade tubular à H2O e promovendo a sua reabsorção para restaurar o volume sanguíneo e/ou diminuir a osmolalidade. Inversamente, quando o volume sanguíneo aumenta ou a osmolalidade diminui, a secreção de ADH é inibida, levando à excreção de mais H2O (diurese). A sede é outro mecanismo para restaurar a homeostase Na+/H2O, sendo estimulada pela diminuição do volume sanguíneo ou por uma condição hiperosmótica [46](#page=46) [47](#page=47) [48](#page=48). > **Tip:** Os recetores que influenciam a regulação renal de Na+ e H2O, e a sede, são sensíveis apenas a alterações no volume sanguíneo intravascular, não no volume total do espaço extracelular (FEC). A avaliação laboratorial de distúrbios hidroeletrolíticos baseia-se principalmente no volume sanguíneo (plasma) [49](#page=49). O sistema Renina-Angiotensina-Aldosterona (RAAS) é fundamental na regulação do sódio e água [50](#page=50). ##### 3.1.1.2 Alterações na concentração de sódio As principais alterações na concentração de sódio são a hiponatremia e a hipernatremia. ###### 3.1.1.2.1 Hiponatremia A hiponatremia é definida como uma concentração plasmática de Na+ diminuída (<135 mmol/L). Clinicamente, pode manifestar-se como náuseas, fraqueza generalizada e confusão mental, com a gravidade dos sintomas correlacionada com o grau de hiponatremia. A hiponatremia pode ser classificada como hiposmótica, hiperosmótica ou isomótica, sendo a hiponatremia hiposmótica a forma mais comum [54](#page=54) [55](#page=55). * **Hiponatremia Hiposmótica:** Ocorre quando a concentração de Na+ plasmático é baixa e a osmolalidade plasmática também é baixa. Pode ser devida a [57](#page=57): * **Perda excessiva de Na+ (hiponatremia deplecional):** Geralmente acompanhada por perda de água do FEC, mas em menor grau que a perda de Na+. A hipovolemia é detetada por hipotensão ortostática, taquicardia e diminuição do turgor cutâneo. As perdas de Na+ podem ser extrarrenais (Na+ urinário baixo, <10 mmol/L, indicando retenção renal de Na+) ou renais (Na+ urinário elevado, >20 mmol/L). As causas de perda renal incluem diurese osmótica, uso de diuréticos, insuficiência renal e nefropatias perdedoras de sal [58](#page=58) [59](#page=59) [60](#page=60). * **Aumento do volume do FEC (hiponatremia dilucional):** Resulta da retenção excessiva de H2O (hipervolémica) e é frequentemente detetada por edema. Ocorre em insuficiência renal avançada, insuficiência cardíaca congestiva (ICC), cirrose hepática ou síndrome nefrótica. O aumento da aldosterona e ADH, em resposta à diminuição do volume sanguíneo (percebido pelos barorreceptores), perpetua a retenção de Na+ e H2O, agravando a diluição. Na hiponatremia hiposmótica com volume normal (euvolaémica), as causas comuns são Síndrome de ADH inapropriado (SIADH), polidipsia primária e hipotiroidismo [61](#page=61) [62](#page=62) [63](#page=63). * **Hiponatremia Hiperosmótica:** Ocorre na presença de outros solutos no FEC, causando deslocamento de água para o meio extracelular. A causa mais comum é a hiperglicemia grave, onde a redução de Na+ é proporcional ao aumento da glicose [64](#page=64). * **Hiponatremia Isosmótica:** Pode ser uma pseudohiponatremia causada pelo Efeito de Exclusão de Eletrólitos, onde eletrólitos são excluídos do volume total de plasma ocupado por sólidos, levando à subavaliação da concentração de eletrólitos [65](#page=65). O diagnóstico laboratorial da hiponatremia envolve a avaliação da osmolalidade urinária (U-osmolalidade) e da concentração urinária de sódio (U-Na+) [66](#page=66). ###### 3.1.1.2.2 Hipernatremia A hipernatremia é definida como uma concentração plasmática de Na+ >150 mmol/L e é **sempre hiperosmolar**. Os sintomas são predominantemente neurológicos devido à perda de H2O das células neuronais. A hipernatremia surge em cenários de hipovolemia (perda excessiva de água ou falha na reposição), hipervolemia (ganho de Na+ em excesso em relação à água) ou normovolemia [69](#page=69) [70](#page=70). * **Hipernatremia Hipovolémica:** Causada por perda renal ou extrarrenal de líquido hipo-osmótico, levando à desidratação. Pacientes com grandes perdas extrarrenais apresentarão urina concentrada com baixo Na+ urinário [72](#page=72). * **Hipernatremia Hipervolémica:** Indica um ganho de água e Na+, mas com ganho de Na+ em excesso em relação à água (GANHO Na+ > GANHO H2O). É rara, mas observada em pacientes hospitalizados que recebem solução salina hipertónica ou bicarbonato de sódio [73](#page=73). * **Hipernatremia Normovolémica:** Pode ser um prelúdio para a hipernatremia hipovolémica devido a perdas insensíveis pelo pulmão ou pele (urina concentrada). Outra causa é a diurese hídrica, que se manifesta por poliúria (>3 L de urina/dia). A diurese hídrica é uma manifestação da diabetes insípida (DI), que pode ser central (diminuição/ausência de ADH) ou nefrogénica (resistência renal à ADH). A diurese de solutos, como na diabetes mellitus, é caracterizada por alta osmolalidade urinária e hiponatremia [74](#page=74) [75](#page=75) [76](#page=76) [77](#page=77). O diagnóstico laboratorial da hipernatremia inclui S-osmolalidade e OU-sódio (urina) para distinguir entre perdas renais e extrarrenais [78](#page=78). #### 3.1.2 Potássio (K+) O potássio corporal total é de aproximadamente 3,6 moles (40 a 59 mmol/kg), com apenas 1,5% a 2% presentes no espaço extracelular (LEC). O K+ plasmático é frequentemente um bom indicador das reservas totais de K+, a menos que anomalias sejam devidas a deslocamentos celulares. O balanço do potássio envolve ingestão, distribuição e excreção (renal e intestinal) [81](#page=81) [82](#page=82). Perturbações na homeostase do K+ têm consequências graves [84](#page=84). * **Hipocaliemia:** Diminuição do K+ extracelular (<3,5 mmol/L), caracterizada por fraqueza muscular, irritabilidade e paralisia. Concentrações plasmáticas de K+ inferiores a 3,0 mmol/L estão associadas a sintomas neuromusculares marcantes, e em concentrações mais baixas, pode levar a taquicardia, efeitos de condução cardíaca e paragem cardíaca. As causas incluem redistribuição de K+ extracelular para o espaço intracelular (FIC) ou déficits verdadeiros de K+ devido a diminuição da ingestão ou perda de líquidos ricos em potássio [84](#page=84) [88](#page=88). * **Hipercaliemia:** Altas concentrações extracelulares de K+ (>5,0 mmol/L) podem causar confusão mental, fraqueza, formigueiro, paralisia flácida e fraqueza dos músculos respiratórios. Os efeitos cardíacos incluem bradicardia e defeitos de condução. Hipercaliemia grave (>7,0 mmol/L) pode levar ao colapso vascular periférico e paragem cardíaca. As causas incluem redistribuição (como na acidose), aumento da retenção (diminuição da filtração glomerular ou função tubular renal) ou aumento da ingestão. Condições pré-analíticas como hemólise, trombocitose e leucocitose podem causar pseudohipercaliemia [85](#page=85) [96](#page=96) [97](#page=97). Situacões clínicas onde os níveis de potássio devem ser verificados incluem doenças cardíacas, uso de medicamentos (diuréticos, inibidores da ECA, AINEs), cetoacidose diabética, administração de grandes volumes de fluidos IV, perdas de fluidos (queimaduras, diarreia), insuficiência renal e fraqueza de etiologia desconhecida [86](#page=86). ##### 3.1.2.1 Causas de hipocaliemia * **Redistribuição:** Transferência de K+ do LEC para o FIC. Ocorre na terapia com insulina na hiperglicemia diabética e na alcalose [89](#page=89). * **Verdadeiro déficit de potássio:** * **Perdas não renais:** Excreção urinária de K+ inferior a 25 mmol/dia, indicando que os rins estão a reter K+. Causas incluem diminuição da ingestão ou perda extrarrenal de fluido rico em K+ (diarreia) [91](#page=91). * **Perdas renais:** Excreção de K+ na urina superior a 25-30 mmol/dia num cenário hipocaliémico, indicando que os rins são a fonte primária de perda. Causas incluem fase diurética da necrose tubular aguda, estados de produção excessiva de mineralocorticóides ou glucocorticóides, e terapias com tiazídicos e diuréticos de alça [92](#page=92) [93](#page=93). ##### 3.1.2.2 Causas de hipercaliemia * **Redistribuição:** Transferência de K+ do FIC para o LEC. Ocorre na acidose, hipoxia tecidular, deficiência de insulina (cetoacidose diabética), hemólise maciça intravascular, queimaduras graves, atividade muscular violenta, rabdomiólise e síndrome de lise tumoral. Causas iatrogénicas incluem toxicidade por digoxina e bloqueio β-adrenérgico [98](#page=98) [99](#page=99). * **Retenção de potássio:** Diminuição da filtração glomerular ou função tubular renal. Doença renal aguda moderada e insuficiência renal terminal são causas comuns de hipercaliemia prolongada. Ocorre também na insuficiência adrenocortical (doença de Addison) e com fármacos que bloqueiam a produção de aldosterona (inibidores da ECA, AINEs, bloqueadores dos recetores da angiotensina II) [100](#page=100) . Algoritmos para o diagnóstico diferencial de hipocaliemia e hipercaliemia estão disponíveis nas páginas 94 e 102, respetivamente [94](#page=94). #### 3.1.3 Cloreto (Cl-) Na ausência de distúrbios ácido-base, as concentrações de Cl- no plasma geralmente seguem as de Na+. A determinação da concentração plasmática de Cl- é útil no diagnóstico diferencial de distúrbios ácido-base e essencial para o cálculo do hiato aniónico. Flutuações no Cl- sérico ou plasmático têm pouca consequência clínica . * **Hipocloremia:** As causas geralmente paralelam as da hiponatremia. A acidose respiratória, acompanhada por aumento de HCO3-, é outra causa comum de diminuição de Cl- com Na+ normal . * **Hipercloremia:** O aumento da concentração plasmática de Cl- ocorre com desidratação, diarreia prolongada com perda de bicarbonato de sódio, DI e tratamento excessivo com soluções salinas normais. Um aumento na concentração de Cl- também pode ser observado na alcalose respiratória devido à compensação renal para a excreção de HCO3- . #### 3.1.4 Bicarbonato (HCO3-) O conteúdo total de dióxido de carbono (CO2) do plasma consiste em dióxido de carbono dissolvido, compostos carbamino, HCO3- e pequenas quantidades de iões CO32- e ácido carbónico (H2CO3). Os iões de bicarbonato são responsáveis pela totalidade destas formas, exceto aproximadamente 2 mmol/L de CO2 total do plasma. Alterações no HCO3- e CO2 dissolvidos no plasma são características de desequilíbrios ácido-base . ### 3.2 O conceito de hiato aniónico O hiato aniónico (ou intervalo aniónico, ou anion gap) é a diferença entre os catiões presentes no sangue (principalmente sódio) e os aniões (principalmente bicarbonato e cloro). Para que a eletroneutralidade do organismo seja mantida, a soma de todos os catiões deve ser igual à soma de todos os aniões [39](#page=39). O hiato aniónico normal é de aproximadamente 12 ± 4 mEq/L. A fórmula para o cálculo do hiato aniónico é [39](#page=39) [40](#page=40): $$ \text{Hiato Aniónico} = [\text{Na}^+] - ([\text{Cl}^-] + [\text{HCO}_3^-]) $$ O cálculo do hiato aniónico é fundamental na investigação de distúrbios eletrolíticos e ácido-base, auxiliando na diferenciação de causas de acidose metabólica. Um hiato aniónico aumentado geralmente indica a presença de aniões não mensuráveis, como lactato, cetonas, ou outras substâncias tóxicas [39](#page=39). --- # Edema e efusões Edema refere-se ao acúmulo de excesso de líquido nos tecidos que pode ocorrer primariamente no compartimento de líquido extracelular ou, em alguns casos, no líquido intracelular . ### 4.1 Tipos de edema O edema pode ser classificado em dois tipos principais: intracelular e extracelular . #### 4.1.1 Edema intracelular O edema intracelular ocorre quando há um aumento do volume de líquido dentro das células. As condições que predispõem a este tipo de edema incluem : * Hiponatremia . * Depressão dos sistemas metabólicos celulares . * Aporte nutricional celular inadequado . Este processo pode levar a um aumento significativo do volume celular, por exemplo, em uma perna isquêmica, e é frequentemente um prelúdio para a morte tecidual. O edema intracelular também pode ocorrer em tecidos inflamados, onde o aumento da permeabilidade da membrana celular permite a difusão de íons para o interior da célula, seguida pela osmose de água . #### 4.1.2 Edema extracelular O edema extracelular acontece quando o excesso de líquido se acumula nos espaços extracelulares, especificamente no interstício (#page=110; 114](#page=114). As duas causas gerais para este tipo de edema são : 1. Esvaziamento anormal de fluido do plasma para os espaços intersticiais através dos capilares . 2. Falha dos vasos linfáticos em retornar o fluido do interstício de volta para o sangue, também conhecido como linfedema . A causa clínica mais comum de acumulação de líquido intersticial é o excesso de filtração de líquido capilar . ##### 4.1.2.1 Linfedema O linfedema resulta da insuficiência dos vasos linfáticos em devolver fluido e proteína à circulação sanguínea, geralmente devido a bloqueio ou perda desses vasos. A incapacidade de remover proteínas do interstício aumenta a pressão osmótica coloidal do líquido intersticial, o que, por sua vez, promove a saída de mais fluido dos capilares . O bloqueio do fluxo linfático pode ser causado por infecções, como a filariose linfática (causada por vermes microscópicos como *Wuchereria bancrofti*), que afeta milhões de pessoas em regiões tropicais e subtropicais. O linfedema também pode ocorrer após cirurgias (como mastectomia) ou em casos de câncer, onde os vasos linfáticos são removidos ou obstruídos, prejudicando a drenagem de fluidos e levando a edema temporário ou crônico . ##### 4.1.2.2 Mecanismo fisiopatológico do edema extracelular Várias condições podem levar à acumulação de líquido nos espaços intersticiais resumidas em quatro categorias principais : **I. Aumento da pressão capilar** . * **A. Retenção renal excessiva de sal e água:** Associada à insuficiência renal aguda ou crônica, e ao excesso de mineralocorticóides . * **B. Alta pressão venosa e constrição venosa:** Causadas por insuficiência cardíaca, obstrução venosa, falha de bombas venosas (paralisia muscular, imobilização), ou falha das válvulas venosas . * **C. Resistência arteriolar diminuída:** Pode ocorrer devido a calor corporal excessivo, insuficiência do sistema nervoso simpático, ou uso de medicamentos vasodilatadores . **II. Diminuição das proteínas plasmáticas** . * **A. Perda de proteínas na urina:** Comum na síndrome nefrótica . * **B. Perda de proteína de áreas desnudas da pele:** Ocorre em queimaduras e feridas . * **C. Falha na produção de proteínas:** Observada em doenças hepáticas (como cirrose) e em casos de grave desnutrição proteica ou calórica . **III. Aumento da permeabilidade capilar** . Este tipo de edema pode ser desencadeado por: * Reações imunes com liberação de histamina e outros mediadores (#page=123; 124](#page=124) . * Exposição a toxinas (#page=123; 124](#page=124) . * Infecções bacterianas (#page=123; 124](#page=124) . * Deficiência de vitaminas, particularmente vitamina C (#page=123; 124](#page=124) . * Isquemia prolongada (#page=123; 124](#page=124) . * Queimaduras (#page=123; 124](#page=124) . **IV. Bloqueio do retorno da linfa** . Refere-se ao linfedema, como detalhado anteriormente . #### 4.1.2.3 Edema por insuficiência cardíaca A insuficiência cardíaca é uma causa comum e grave de edema. O coração debilitado não consegue bombear o sangue eficientemente, elevando a pressão venosa e capilar e aumentando a filtração capilar. Adicionalmente, a queda na pressão arterial estimula a retenção renal de sal e água através do sistema renina-angiotensina-aldosterona, exacerbando o edema (#page=125; 126](#page=126) . * **Insuficiência cardíaca esquerda:** Caracteriza-se pela dificuldade do sangue em fluir do pulmão para o lado esquerdo do coração. Isso leva a um aumento significativo da pressão vascular pulmonar e capilar pulmonar, resultando em edema pulmonar grave e potencialmente fatal (#page=127; 128](#page=128) . #### 4.1.2.4 Edema causado por diminuição da excreção renal de eletrólitos e água Doenças renais que comprometem a excreção de sal e água levam ao acúmulo desses elementos no fluido extracelular. Isso resulta em : 1. Aumento generalizado do volume do líquido intersticial (edema extracelular) . 2. Hipertensão devido ao aumento do volume sanguíneo . Um exemplo é a glomerulonefrite aguda, onde a falha glomerular na filtração de fluidos causa edema extracelular grave e hipertensão . #### 4.1.2.5 Edema causado por diminuição das proteínas plasmáticas Uma concentração reduzida de proteínas plasmáticas diminui a pressão coloidosmótica plasmática, levando ao aumento da filtração capilar e edema extracelular. Causas incluem : * **Síndrome nefrótica:** Perda de proteínas na urina devido a danos nas membranas glomerulares renais (#page=131; 132](#page=132). Edema generalizado grave ocorre quando a concentração de proteína plasmática cai abaixo de 2.5 gramas por 100 mililitros . * **Cirrose hepática:** A fibrose hepática impede a produção adequada de proteínas plasmáticas. A cirrose também pode causar compressão do sistema portal abdominal, elevando a pressão hidrostática capilar gastrointestinal e aumentando a filtração de fluido. A combinação desses fatores leva à transudação de grandes volumes de fluido e proteína para a cavidade abdominal (ascite) . ### 4.2 Fluidos nos "espaços potenciais" do corpo Os espaços potenciais do corpo incluem as cavidades pericárdica, peritoneal, sinovial (articulações e bursas) e pleural. Estes espaços contêm uma fina camada de fluido lubrificante para facilitar o deslizamento das superfícies. O fluido nesses espaços troca-se com os capilares adjacentes e o fluido intersticial circundante, sendo que as proteínas que extravasam são removidas pelos vasos linfáticos (#page=137; 138](#page=138) . ### 4.3 Efusão Efusão é o termo usado para o acúmulo de fluido de edema nos espaços potenciais. Isso pode ocorrer devido a bloqueio linfático ou aumento da filtração capilar, semelhante às causas de edema intersticial. A cavidade abdominal é particularmente propensa a efusão, conhecida como ascite (um transudato), podendo acumular grandes volumes de líquido. As cavidades pleural, pericárdica e articulares também podem acumular efusões, especialmente em casos de edema generalizado. Lesões ou infecções locais nessas cavidades também podem bloquear a drenagem linfática e causar edema isolado . #### 4.3.1 Exsudatos vs. Transudatos * **Exsudatos:** São líquidos ricos em células, proteínas e outras substâncias celulares, que extravasam lentamente dos vasos sanguíneos, geralmente em tecidos inflamados . * **Transudatos:** São líquidos que passam para o espaço extracelular através de uma membrana ou sob pressão tecidual. São caracterizados por baixa quantidade de proteínas e são causados por aumento da pressão hidrostática ou redução das proteínas plasmáticas. As causas comuns incluem insuficiência cardíaca, renal e hepática . **Critério de Light:** Utilizado para determinar a origem de derrames pleurais (exsudato ou transudato) . * **Transudato:** Mais comum em insuficiência cardíaca congestiva (80% de derrames bilaterais), cirrose hepática, insuficiência renal crônica, síndrome nefrótica e diálise peritoneal . * **Exsudato:** Mais comum em condições paraneoplásicas (50-70%), neoplasias (42-60%) e tuberculose (23.5%) . --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Term | Definition | |------|------------| | Fluidos Biológicos | Referem-se a todos os líquidos encontrados no corpo humano, incluindo sangue, linfa, fluidos intracelulares e extracelulares. Estes fluidos são essenciais para o transporte de nutrientes, oxigénio, hormonas e para a eliminação de resíduos metabólicos. | | Adaptação à vida terrestre | O processo evolutivo que levou os animais terrestres a desenvolver sistemas fisiológicos capazes de manter a homeostase do meio interno, regulando a composição de água, eletrólitos e pH nos compartimentos intracelular e extracelular. | | Tampões químicos | Substâncias que resistem a alterações significativas de pH quando um ácido ou uma base é adicionado. No corpo humano, atuam para manter o pH sanguíneo e dos fluidos corporais dentro de uma faixa estreita e fisiológica. | | Fluido extracelular (FEC) | A fração do total de água corporal que se encontra fora das células. Inclui o plasma sanguíneo e o fluido intersticial. Representa aproximadamente um terço da água corporal total em adultos. | | Fluido intracelular (FIC) | A fração do total de água corporal que se encontra dentro das células. Constitui a maior parte da água corporal total em adultos, representando cerca de dois terços. | | Plasma | A porção líquida do sangue, que contém água, eletrólitos, proteínas, nutrientes e produtos de excreção. O plasma é um componente importante do fluido extracelular intravascular. | | Fluido intersticial | O fluido que preenche os espaços entre as células e os vasos sanguíneos nos tecidos. É um ultrafiltrado do plasma e constitui a maior parte do fluido extracelular. | | Endotélio capilar | A camada de células que reveste o interior dos capilares sanguíneos. Atua como uma membrana semipermeável que regula a passagem de água e solutos entre o plasma e o fluido intersticial. | | Membrana plasmática celular | A barreira que envolve cada célula, controlando a entrada e saída de substâncias. É seletivamente permeável e crucial para a manutenção da composição dos fluidos intracelular e extracelular. | | Osmolalidade | A concentração de solutos numa solução, expressa em osmoles por quilograma de água (osm/Kg água). É um indicador da tendência de uma solução para atrair água por osmose. | | Osmolaridade | A concentração de solutos numa solução, expressa em osmoles por litro de solução (osm/L solução). Semelhante à osmolalidade, é importante para entender o movimento de água entre os compartimentos hídricos. | | Soluções isotónicas | Soluções que têm a mesma osmolalidade que o fluido intracelular. Quando uma célula é colocada numa solução isotónica, não há movimento líquido de água e o volume celular permanece inalterado. | | Soluções hipotónicas | Soluções que têm uma osmolalidade inferior à do fluido intracelular. Em uma solução hipotónica, a água entra nas células, causando inchaço e possível lise celular. | | Soluções hipertónicas | Soluções que têm uma osmolalidade superior à do fluido intracelular. Em uma solução hipertónica, a água sai das células, causando enrugamento e desidratação celular. | | Osmoles eficazes | Solutos que contribuem significativamente para a pressão osmótica e que permanecem predominantemente no compartimento extracelular. Exemplos incluem sódio e cloreto. | | Osmoles ineficazes | Solutos que não contribuem significativamente para a pressão osmótica ou que podem atravessar as membranas celulares livremente. A ureia é um exemplo comum de um osmol ineficaz. | | Hormona Antidiurética (ADH) | Também conhecida como vasopressina, esta hormona é libertada pela hipófise posterior e aumenta a reabsorção de água nos rins, ajudando a regular o volume hídrico e a osmolalidade do líquido extracelular. | | Sistema Renina-Angiotensina-Aldosterona (SRAA) | Um sistema hormonal crucial na regulação da pressão arterial e do equilíbrio de fluidos e eletrólitos, especialmente o sódio e o potássio. A aldosterona, uma hormona chave neste sistema, promove a reabsorção de sódio e água e a excreção de potássio nos rins. | | Aldosterona | Um mineralocorticoide produzido pelo córtex da glândula suprarrenal. É essencial na regulação do balanço de sódio e potássio, promovendo a reabsorção de sódio e água e a excreção de potássio nos túbulos renais. | | Hipernatremia | Uma condição caracterizada por uma concentração elevada de sódio no plasma sanguíneo (geralmente > 150 mmol/L). É sempre hiperosmolar e frequentemente associada a sintomas neurológicos devido à perda de água das células neuronais. | | Hiponatremia | Uma condição caracterizada por uma concentração diminuída de sódio no plasma sanguíneo (geralmente < 135 mmol/L). Pode manifestar-se com náuseas, fraqueza, confusão mental e, em casos graves, défices neurológicos significativos. | | Hipercaliemia | Uma condição caracterizada por uma concentração elevada de potássio no plasma sanguíneo (geralmente > 5,0 mmol/L). Pode causar sintomas neuromusculares e cardíacos graves, como bradicardia e arritmias. | | Hipocaliemia | Uma condição caracterizada por uma concentração diminuída de potássio no plasma sanguíneo (geralmente < 3,5 mmol/L). Pode levar a fraqueza muscular, irritabilidade, paralisia e problemas cardíacos. | | Hipercloremia | Um aumento da concentração de cloreto no plasma sanguíneo. Pode ocorrer em situações de desidratação, diarreia prolongada ou tratamento excessivo com soluções salinas. | | Hipocloremia | Uma diminuição da concentração de cloreto no plasma sanguíneo. Frequentemente acompanha a hiponatremia e pode ocorrer em casos de acidose respiratória. | | Bicarbonato (HCO3-) | Um íon importante no sistema tampão do corpo, atuando na regulação do pH sanguíneo. Alterações na concentração de bicarbonato são características de desequilíbrios ácido-base. | | Edema | O acúmulo de excesso de líquido nos tecidos, podendo ser intracelular ou extracelular. O edema extracelular ocorre quando há acumulação de líquido no espaço intersticial. | | Edema intracelular | O acúmulo de excesso de líquido dentro das células, frequentemente associado a hiponatremia ou depressão dos sistemas metabólicos celulares. | | Edema extracelular | O acúmulo de excesso de líquido no espaço intersticial dos tecidos. Pode ser causado por um esvaziamento anormal de fluido do plasma para os espaços intersticiais ou por falha na drenagem linfática. | | Linfedema | Edema causado pela insuficiência dos vasos linfáticos em devolver fluido e proteínas à circulação sanguínea, levando a um acúmulo significativo de líquido intersticial. | | Ascite | Acúmulo de fluido na cavidade abdominal. É um tipo de efusão, geralmente classificada como transudato, e pode ser causada por várias condições, como cirrose hepática e insuficiência cardíaca. | | Efusão | Fluido de edema acumulado em espaços potenciais do corpo, como cavidades pleural, peritoneal ou pericárdica. Pode ser classificada como exsudato ou transudato. | | Transudato | Líquido que passa para o espaço extracelular dos tecidos sob pressão ou através de uma membrana, caracterizado por uma baixa quantidade de proteínas. Causado por aumento da pressão hidrostática ou redução das proteínas plasmáticas. | | Exsudato | Líquido rico em células ou outras substâncias celulares, proteínas, que sai lentamente dos vasos sanguíneos, geralmente em tecidos inflamados. | | Critério de Light | Um conjunto de critérios utilizados para distinguir entre exsudato e transudato em derrames pleurais, com base nas concentrações de proteínas e lactato desidrogenase (LDH) no líquido pleural e sérico. | | Pressão hidrostática | A pressão exercida por um fluido em repouso. No contexto vascular, refere-se à pressão dentro dos vasos sanguíneos. | | Pressão oncótica (ou coloidosmótica) | A pressão osmótica exercida pelas proteínas plasmáticas, que ajuda a reter fluido dentro dos vasos sanguíneos. | | Renal | Relacionado aos rins, órgãos responsáveis pela filtração do sangue, produção de urina e regulação do equilíbrio hídrico e eletrolítico. | | Tubulo distal | Uma porção do néfron renal onde ocorrem importantes processos de reabsorção e secreção, influenciados por hormonas como a aldosterona. | | Ducto coletor | A estrutura final do néfron renal que recolhe a urina dos túbulos distais. A permeabilidade à água neste ducto é regulada pela ADH. | | Hipófise posterior | Uma parte da glândula pituitária que armazena e liberta a hormona antidiurética (ADH) e a oxitocina. | | Hipotálamo | Uma região do cérebro que regula várias funções corporais, incluindo a sede e a libertação de ADH. | | Barorreceptores | Receptores de pressão localizados em vasos sanguíneos e no coração que monitorizam a pressão arterial e transmitem essa informação ao sistema nervoso central. | | Quimiorreceptores | Receptores que detectam alterações químicas no sangue, como a osmolalidade plasmática, e transmitem essa informação para o sistema nervoso central. | | Diurese | O processo de produção e excreção de urina. A diurese pode ser aumentada (poliúria) ou diminuída (oligúria/anúria). | | Anion Gap (Hiato Aniónico) | A diferença calculada entre os catiões (sódio) e os aniões mensuráveis (cloreto e bicarbonato) no sangue. É uma ferramenta útil para a avaliação de distúrbios metabólicos. | | Cetoacidose diabética | Uma complicação grave da diabetes mellitus caracterizada por níveis elevados de cetonas e glucose no sangue, e acidose metabólica. | | Doença de Addison | Uma condição endócrina rara em que as glândulas suprarrenais não produzem hormonas suficientes, como o cortisol e a aldosterona. | | Síndrome de Cushing | Uma condição endócrina causada pela exposição prolongada a níveis elevados de cortisol. | | Nefropatia | Qualquer doença que afete os rins. | | Tubulopatia | Doença que afeta os túbulos renais. | | Glicose | Um açúcar simples que é a principal fonte de energia para as células do corpo. | | Ureia | Um produto de excreção do metabolismo das proteínas, filtrado pelos rins e excretado na urina. | | Cloreto | Um eletrólito negativo (anião) importante no equilíbrio de fluidos e no controlo do pH. | | Bicarbonato | Um íon chave no sistema tampão do sangue, essencial para a manutenção do equilíbrio ácido-base. | | Sódio | O principal catião no fluido extracelular, crucial para a regulação do volume hídrico, da pressão arterial e da excitabilidade neuromuscular. | | Potássio | O principal catião no fluido intracelular, essencial para a função neuromuscular e cardíaca, e para o equilíbrio hídrico. | | Angiotensina II | Um potente vasoconstritor que também estimula a libertação de aldosterona, desempenhando um papel chave na regulação da pressão arterial e do volume sanguíneo. | | Renina | Uma enzima produzida pelas células justaglomerulares dos rins em resposta à diminuição da pressão arterial ou do teor de cloreto, iniciando o sistema renina-angiotensina-aldosterona. | | Vasodilatadores | Substâncias que causam o alargamento dos vasos sanguíneos. | | Minerais corticoídes | Hormonas esteroides produzidas pelo córtex suprarrenal que regulam o equilíbrio de sal e água no corpo, como a aldosterona. | | Glicocorticóides | Hormonas esteroides produzidas pelo córtex suprarrenal com múltiplas funções, incluindo a regulação do metabolismo e a supressão da resposta inflamatória. | | Nefrose | Um termo genérico para doenças renais que afetam os túbulos e os glomérulos. | | Diabetes Mellitus (DM) | Uma doença metabólica caracterizada por níveis elevados de glicose no sangue. | | Diabetes Insipidus (DI) | Uma condição rara caracterizada pela incapacidade dos rins de concentrar a urina, levando a uma sede excessiva e à produção de grandes volumes de urina diluída. Pode ser central (deficiência de ADH) ou nefrogénica (resistência renal à ADH). | | Diurese osmótica | Aumento da produção de urina devido à presença de solutos não reabsorvíveis no lúmen tubular, que retêm água por osmose. | | Transudação | A passagem de fluidos e pequenas moléculas através de uma barreira semipermeável, como a parede capilar, sem a presença de inflamação significativa. | | Vasos linfáticos | Uma rede de vasos que transportam linfa, um fluido rico em proteínas e células imunitárias, de volta para a corrente sanguínea. | | Cavidade pericárdica | O espaço entre as duas camadas da membrana pericárdica que envolve o coração. | | Cavidade peritoneal | O espaço na cavidade abdominal delimitado pelo peritoneu. | | Cavidade pleural | O espaço entre as duas camadas da membrana pleural que reveste os pulmões e a parede torácica. | | Hemólise | A destruição dos glóbulos vermelhos. | | Trombocitose | Um aumento anormal do número de plaquetas no sangue. | | Leucocitose | Um aumento anormal do número de glóbulos brancos no sangue. | | Hipoxia tecidular | Uma condição em que os tecidos do corpo recebem oxigénio insuficiente. | | Cetoacidose | Uma complicação metabólica grave em que o corpo produz excesso de ácidos no sangue. | | Rabdomiólise | A destruição do tecido muscular esquelético. | | Síndrome de lise tumoral | Uma complicação metabólica que pode ocorrer após o início do tratamento do cancro, caracterizada pela libertação rápida de conteúdo celular de células tumorais mortas. | | Digoxina | Um medicamento usado para tratar certas condições cardíacas. | | Bloqueio beta-adrenérgico | Uma classe de medicamentos que bloqueiam os efeitos da adrenalina e da noradrenalina nos receptores beta-adrenérgicos. | | Doença renal aguda | Uma perda súbita da função renal. | | Insuficiência renal terminal | A fase final da doença renal crónica, onde os rins perderam a maior parte ou toda a sua função. | | Insuficiência adrenocortical | Condição em que as glândulas suprarrenais não produzem hormonas suficientes. | | Inibidores da Enzima Conversora de Angiotensina (Inibidores da ECA) | Uma classe de medicamentos usados para tratar hipertensão e insuficiência cardíaca. | | Anti-inflamatórios não esteroides (AINEs) | Uma classe de medicamentos usados para reduzir a dor e a inflamação. | | Bloqueadores dos receptores da angiotensina II | Uma classe de medicamentos usados para tratar hipertensão e insuficiência cardíaca. | | Glomerulonefrite | Inflamação dos glomérulos renais. | | Síndrome Nefrótica | Uma condição renal caracterizada por perda de grandes quantidades de proteínas na urina, inchaço e níveis elevados de colesterol. | | Cirrose Hepática | Uma doença crónica do fígado caracterizada pela formação de tecido cicatricial, que impede o funcionamento normal do fígado. | | Pressão Portal Abdominal | A pressão nos vasos sanguíneos que drenam o sangue do abdómen e do trato gastrointestinal de volta para o fígado. | | Cavidade abdominal | A grande cavidade do corpo que contém a maioria dos órgãos digestivos. | | Ascite | Acúmulo de líquido na cavidade abdominal. | | Perda de proteínas na urina | Eliminação excessiva de proteínas da corrente sanguínea através da urina, comum em certas doenças renais. | | Desnutrição proteica ou calórica grave | Uma condição de ingestão insuficiente de proteínas ou calorias, levando a deficiências nutricionais significativas. | | Isquemia | Uma restrição do suprimento sanguíneo a um tecido ou órgão, causando danos. | | Reações imunes | Respostas do sistema imunitário a substâncias estranhas ou a células do próprio corpo. | | Histamina | Uma substância libertada durante reações alérgicas e inflamatórias, que causa vasodilatação e aumento da permeabilidade capilar. | | Vitamina C | Um nutriente essencial com propriedades antioxidantes, importante para a saúde dos vasos sanguíneos e a cicatrização de feridas. | | Insuficiência Cardíaca | Uma condição em que o coração não consegue bombear sangue de forma eficiente para atender às necessidades do corpo. | | Insuficiência Cardíaca Esquerda | O lado esquerdo do coração não consegue bombear sangue eficientemente para o corpo. | | Insuficiência Cardíaca Direita | O lado direito do coração não consegue bombear sangue eficientemente para os pulmões. | | Edema Pulmonar | Acúmulo de excesso de líquido nos pulmões. | | Glomérulos Renais | As unidades de filtração dos rins, responsáveis pela remoção de resíduos do sangue. | | Transudação | A passagem de fluidos e solutos através de uma membrana, geralmente devido a alterações na pressão hidrostática ou oncótica. |

# Wat is biochemie en de scope ervan Hier is de studiegids voor het onderwerp "Wat is biochemie en de scope ervan". ## 1. Wat is biochemie en de scope ervan Biochemie is de studie van levende organismen op moleculair niveau, waarbij de nadruk ligt op de chemische processen die ten grondslag liggen aan het leven. ### 1.1 Definitie en reikwijdte van biochemie Biochemie wordt gedefinieerd als de studie van levende organismen op moleculair niveau. Het probeert te antwoorden op de fundamentele vraag: wat onderscheidt levende materie van niet-levende materie? #### 1.1.1 De drie hoofdgebieden van biochemie Biochemie omvat drie hoofdgebieden: * **Structurele chemie:** Dit gebied bestudeert de chemische structuren van de componenten van levende materie en de relatie tussen hun biologische functie en hun chemische structuur. * **Metabolisme:** Dit omvat het totaal van chemische reacties die plaatsvinden in levende organismen. * **Genetische biochemie:** Dit onderzoekt de chemie van processen en substanties die biologische informatie bewaren en overdragen. Dit gebied omvat ook moleculaire genetica, dat erfelijkheid en expressie van genetische informatie in moleculaire termen bestudeert. #### 1.1.2 Historische context en de essentie van leven Historisch gezien werd gedacht dat chemische en fysische processen in levende materie fundamenteel verschilden van die in niet-levende materie. Deze opvatting werd echter uitgedaagd door belangrijke ontdekkingen: * In 1828 toonde Friedrich Wöhler aan dat ureum, een organische stof, kon worden gesynthetiseerd uit anorganische voorlopers zonder de noodzaak van een nier of levend organisme. * In 1897 toonden Eduard en Hans Buchner aan dat gistextracten fermentatie van suiker tot ethanol konden bewerkstelligen, zelfs zonder levende gistcellen. Deze bevindingen suggereerden dat de chemische reacties die in vitro plaatsvinden, essentieel dezelfde zijn als die in vivo. Het unieke karakter van een organisme wordt daarom niet bepaald door de aard van de reacties zelf, maar door de totaliteit en organisatie van deze chemische reacties. #### 1.1.3 Koshland's zeven "pillars of life" Daniel Koshland identificeerde zeven essentiële kenmerken, of "pillars", die kenmerkend zijn voor levende organismen: 1. **Programma:** Een georganiseerd plan voor de opbouw en regeneratie van een organisme (bijvoorbeeld DNA). 2. **Improvisatie:** Het vermogen van een levend organisme om het programma aan te passen voor overleving in veranderende omgevingen op lange termijn (bijvoorbeeld DNA-mutaties). 3. **Compartimentalisatie:** De mogelijkheid van een levend organisme om zichzelf van de omgeving af te scheiden, meestal via membranen (cellen, celorganellen). 4. **Energie:** Levende materie maakt gebruik van een complex geheel van chemische en kinetische processen om het programma en andere "pillars of life" te onderhouden, wat energie vereist. 5. **Regeneratie:** Het vermogen om "slijtage" te compenseren, zoals de synthese van nieuwe eiwitten ter vervanging van oudere, versleten eiwitten. 6. **Aanpassingsvermogen:** Het vermogen om op korte termijn te reageren op veranderende omgevingsfactoren (bijvoorbeeld eten bij honger, terugtrekken van een hand bij pijn). 7. **Afscheiding:** Metabole processen en pathways kunnen in isolatie van elkaar plaatsvinden, zelfs binnen hetzelfde celcompartiment, dankzij enzymspecificiteit. #### 1.1.4 Basisprincipes voor het onderhouden van de "pillars of life" Twee belangrijke basisprincipes helpen bij het handhaven van de zeven "pillars of life": * **Semipermeabele membranen:** Deze membranen omringen cellen en intracellulaire organellen en zijn selectief doorlatend. Ze laten bepaalde moleculen door, terwijl ze andere tegenhouden, wat essentieel is voor compartimentalisatie en homeostase. * **Homeostase:** Dit is een toestand waarbij de fysieke en chemische samenstelling van een biologisch systeem constant wordt gehouden binnen een bepaalde reeks waarden. Dit wordt deels bereikt door semipermeabele membranen en omvat het reguleren van bijvoorbeeld temperatuur, pH en ionenconcentraties. Homeostase is niet hetzelfde als chemisch evenwicht en vereist energie om te worden gehandhaafd. ### 1.2 Biochemie als chemische wetenschap Biochemie is nauw verwant aan de chemie en maakt gebruik van chemische principes om biologische systemen te begrijpen. #### 1.2.1 Elementaire samenstelling van levende materie De meest voorkomende elementen in levende materie zijn: * **Eerste rij:** Koolstof (C), Waterstof (H), Zuurstof (O) en Stikstof (N), die meer dan 99% van de celmassa uitmaken. Koolstof is bijzonder belangrijk en vormt ongeveer 50% van de droge celmassa. * **Tweede rij:** Zuur (S), Fosfor (P), Natrium (Na$^+$), Kalium (K$^+$), Chloor (Cl$^-$). * **Derde rij:** Calcium (Ca$^{2+}$), Magnesium (Mg$^{2+}$). * **Vierde rij:** IJzer (Fe). * **Lagere rangen:** Spoorelementen. #### 1.2.2 Veelzijdigheid van koolstofverbindingen Koolstof speelt een centrale rol in de biochemie vanwege zijn vermogen om vier covalente bindingen aan te gaan. Dit maakt de vorming van een enorme verscheidenheid aan organische moleculen mogelijk, waaronder complexe koolwaterstoffen, alcoholen, aldehyden, ketonen, carbonzuren en aminen. De valentie van andere veelvoorkomende elementen is: waterstof kan 1 binding aangaan, stikstof kan 3 bindingen aangaan, en zuurstof kan 2 bindingen aangaan. Deze bindingsmogelijkheden, in combinatie met de octetregel (som van valentie-elektronen en aantal bindingen is 8, behalve voor waterstof met 2), leiden tot diverse moleculaire structuren. #### 1.2.3 Macromoleculen in levende organismen Levende organismen bevatten diverse macromoleculen die essentiële bouwstenen en functionele eenheden vormen. De belangrijkste klassen zijn: * **Eiwitten (Proteïnen):** Gevormd door de polymerisatie van aminozuren, verbonden door peptidebindingen. Ze hebben diverse functies zoals structuur, enzymatische katalyse, transport en signalering. * **Koolhydraten (Polysacchariden):** Gevormd door de polymerisatie van monosacchariden, verbonden door glycosidebindingen. Ze dienen als energieopslag en structurele componenten. * **Nucleïnezuren:** Gevormd door de polymerisatie van nucleotiden, verbonden door fosfodiësterbindingen. DNA en RNA slaan genetische informatie op en spelen een rol bij de eiwitsynthese. * **Lipiden:** Hoewel niet altijd strikt polymeren, zijn lipiden belangrijke moleculen die vaak vetzuren bevatten en verbonden zijn door esterbindingen. Ze zijn essentieel voor energieopslag, celmembranen en signalering. #### 1.2.4 Chemische reacties versus biochemische reacties Chemische reacties en biochemische reacties zijn in essentie hetzelfde, maar de omstandigheden en regelgeving verschillen aanzienlijk: * **Oplosmiddelen:** Biochemie vindt plaats in waterige oplossingen, terwijl chemie zowel organische als anorganische oplosmiddelen kan gebruiken. * **Concentraties:** Reactantenconcentraties in levende organismen blijven binnen nauwe grenzen, terwijl deze in chemische reacties sterk kunnen variëren. * **Omgevingsfactoren:** Biochemische reacties vinden plaats onder relatief constante omgevingsfactoren (temperatuur, pH), terwijl chemische reacties veel extremere omstandigheden kunnen tolereren. * **Reactie-integratie:** Een complex geheel aan reacties vindt tegelijkertijd en gecoördineerd plaats in hetzelfde celcompartiment of organisme in biochemische systemen, wat zelden het geval is bij geïsoleerde chemische reacties. * **Enzymatische katalyse:** Enzymen spelen een cruciale rol in biochemie door de snelheid en specificiteit van reacties te verhogen. #### 1.2.5 Belang van stereochemie Stereochemie, de studie van de driedimensionale structuur van moleculen, is van cruciaal belang in de biochemie. * **Chirale centra:** Een koolstofatoom met vier verschillende functionele groepen is een chiraal centrum. Moleculen kunnen meerdere chirale centra bevatten. * **Isomerenactiviteit:** Verschillende stereoisomeren van een molecuul kunnen sterk verschillende biologische activiteiten hebben. Een bekend voorbeeld is thalidomide (softenon), waarbij het (R)-enantiomeer therapeutisch actief is, terwijl het (S)-enantiomeer teratogeen is. * **Enzymherkenning:** Enzymen zijn vaak zeer specifiek en herkennen meestal slechts één stereoisomeer. Penicilline werkt bijvoorbeeld alleen op D-aminozuren van bacteriën en niet op de L-aminozuren van menselijke cellen. * **Nomenclatuur:** Specifieke nomenclatuur (zoals R/S, D/L, enantiomeer, diastereomeer, epimeer) wordt gebruikt om stereoisomeren te beschrijven. ### 1.3 Biochemie als biologische wetenschap Biochemie overbrugt de kloof tussen chemie en biologie door biologische structuren en processen op moleculair niveau te verklaren. #### 1.3.1 De cel als basiseenheid De cel is de fundamentele eenheid van biologische organisatie. Er zijn twee hoofdtypen cellen: * **Prokaryoten:** Eencellige organismen (bijvoorbeeld bacteriën) met een plasma-membraan en celwand die cytoplasma en cytosol omhullen. Het DNA bevindt zich vrij in het cytosol. Ze bevatten ribosomen voor eiwitsynthese en kunnen pili en flagellae bezitten. * **Eukaryoten:** Vaak meercellige organismen. Plantencellen hebben een celwand, terwijl dierlijke cellen deze niet hebben. Het DNA is opgeslagen in de celkern. Eukaryotische cellen bevatten diverse celorganellen zoals mitochondria, het golgi-apparaat en het endoplasmatisch reticulum. Dierlijke cellen bevatten ook lysosomen. Virussen zijn geen cellen; ze bestaan uit RNA of DNA omgeven door een eiwitcapsule en gebruiken de machinerie van een gastheer om zich voort te planten. #### 1.3.2 Celspecialisatie en organisatie Niet alle cellen zijn identiek opgebouwd. Celfunctie wordt bepaald door de specifieke combinatie van eiwitten, koolhydraten en lipiden die worden geproduceerd, wat weer wordt bepaald door de expressie van DNA. Gelijkaardige cellen organiseren zich tot weefsels met specifieke functies, waarbij verschillende covalente en niet-covalente interacties de organisatie mogelijk maken. #### 1.3.3 Macromoleculen en hun functies Macromoleculen vormen de bouwstenen voor cellen en weefsels en hebben diverse biologische functies: * **Polysacchariden:** Structuur en energieopslag. * **Nucleïnezuren:** Opslag en overdracht van genetische informatie. * **Proteïnen:** Structuur, enzymen, hormonen, receptoren. * **Lipiden:** Energieopslag en celmembranen. #### 1.3.4 Cellulaire componenten en schaal Belangrijke cellulaire componenten omvatten: * **Plasma membraan:** Laat cellulaire organisatie toe en is selectief doorlatend. * **Mitochondriën:** Leveren energie aan de cel. * **Endoplasmatisch reticulum (ER):** Ruv ER (met ribosomen) en glad ER (zonder ribosomen), betrokken bij eiwitmodificatie en lipidesynthese. * **Golgi-apparaat:** Verpakking en modificatie van eiwitten en lipiden. * **Cytoskelet:** Netwerk van filamenten (actine, tubuline) voor structuur en beweging. * **Lysosomen:** Bevatten spijsverteringsenzymen. * **Nucleus:** Bevat het DNA, omgeven door een dubbele membraan. De schaal van biologische structuren kan worden gevisualiseerd met verschillende microscopische technieken, van lichtmicroscopie (resolutie van ongeveer 200 nm) tot elektronenmicroscopie (resolutie tot 2 nm) en atoomkrachtmicroscopie (resolutie tot 0.1 nm). #### 1.3.5 Oppervlakte/volume ratio en celspecialisatie De oppervlakte/volume ratio van cellen blijft over het algemeen constant, wat belangrijk is voor efficiënte uitwisseling met de omgeving. Er zijn echter uitzonderingen, zoals zenuwcellen die tot wel een meter lang kunnen zijn. Specifieke cellen, zoals rode bloedcellen (zonder kern) of vetcellen (met lipidedruppels), tonen gespecialiseerde structuren voor hun functie. ### 1.4 Biochemie en farmacie Biochemie is essentieel voor de farmacie, aangezien veel geneesmiddelen biologische moleculen of processen beïnvloeden. * Geneesmiddelen zijn vaak gerelateerd aan biochemische klassen zoals nucleïnezuren, eiwitten (inclusief enzymen), koolhydraten en vetten. Ze kunnen deel uitmaken van deze klassen of processen binnen deze klassen beïnvloeden, bijvoorbeeld als enzymremmers. * Het begrijpen van de biochemische basis van ziekten is cruciaal voor de ontwikkeling van effectieve therapieën. > **Tip:** Begrijp de chemische fundamenten van moleculen en reacties, want deze zijn de bouwstenen van alle biologische processen. Concentreer je op de structurele relaties en hoe deze de functie beïnvloeden. > **Tip:** Koshland's "pillars of life" bieden een uitstekend raamwerk om de kenmerken van leven te onthouden. Probeer voorbeelden te bedenken voor elk van deze pilaren. > **Voorbeeld:** Het verschil in activiteit tussen de (R)- en (S)-vormen van thalidomide illustreert krachtig het belang van stereochemie in de biochemie en farmacie. Dit benadrukt dat moleculaire structuur direct gekoppeld is aan biologisch effect. --- # Biochemie als chemische wetenschap Biochemie is de chemische wetenschap die zich bezighoudt met de moleculaire basis van leven, waarbij de structuur, functie en interacties van biomoleculen worden bestudeerd. ### 2.1 Elementaire samenstelling van cellen De elementaire samenstelling van cellen is overwegend gebaseerd op een beperkt aantal elementen: * De eerste rij elementen, die meer dan 99% van de celmassa uitmaken, zijn koolstof (C), waterstof (H), zuurstof (O) en stikstof (N). * De tweede rij elementen, die belangrijk zijn voor celprocessen, omvat zwavel (S), fosfor (P), natrium (Na$^+$), kalium (K$^+$), chloor (Cl$^-$), calcium (Ca$^{2+}$) en magnesium (Mg$^{2+}$). * IJzer (Fe) bevindt zich in de derde rij en is essentieel voor onder andere hemoglobine. * Daarnaast zijn er diverse spoorelementen in zeer kleine hoeveelheden aanwezig, die toch cruciale rollen kunnen spelen. > **Tip:** Het is belangrijk te onthouden dat hoewel de absolute hoeveelheden van spoorelementen klein zijn, hun biologische impact significant kan zijn. ### 2.2 Veelzijdigheid van koolstofverbindingen Koolstof is het centrale element in organische moleculen en bezit een unieke veelzijdigheid die essentieel is voor het leven: * Koolstofatomen kunnen vier covalente bindingen aangaan, wat de vorming van complexe, vertakte en cyclische structuren mogelijk maakt. * De valentie van andere belangrijke elementen in biochemie is als volgt: waterstof kan één binding aangaan, stikstof kan drie bindingen aangaan, en zuurstof kan twee bindingen aangaan. Dit conformeren aan de octetregel zorgt voor stabiele moleculaire structuren. * De mogelijkheid tot het vormen van enkelvoudige, dubbele en drievoudige bindingen tussen koolstofatomen draagt verder bij aan de diversiteit van koolstofverbindingen. > **Voorbeeld:** Acetyl-CoA is een cruciaal molecuul in het metabolisme, dat een koolstofskelet met diverse functionele groepen bevat, wat de veelzijdigheid van koolstofchemie illustreert. ### 2.3 Vorming van macromoleculen Levende organismen bouwen complexe macromoleculen op uit kleinere bouwstenen, voornamelijk via polymerisatieprocessen. De belangrijkste klassen van macromoleculen zijn: * **Proteïnen (eiwitten):** Opgebouwd uit aminozuren als monomeren, verbonden door peptidebindingen (amidebindingen). Proteïnen hebben diverse functies zoals structuurvorming, enzymatische katalyse, hormoonfunctie en als receptoren. * **Polysacchariden (koolhydraten):** Gevormd uit monosacchariden (enkelvoudige suikers) als monomeren, verbonden door glycosidische bindingen (etherbindingen). Ze dienen voornamelijk voor energieopslag en structuur. * **Nucleïnezuren (DNA en RNA):** Bestaan uit nucleotiden als monomeren, verbonden door fosfodiësterbindingen. Ze zijn cruciaal voor de opslag en overdracht van genetische informatie. * **Lipiden (vetten):** Hoewel lipiden geen ware polymeren zijn in de strikte zin, zijn ze essentiële biomoleculen die vaak worden gevormd uit vetzuren en glycerol. Ze spelen een rol in energieopslag en de vorming van celmembranen. > **Tip:** Het begrip van de monomeren en de specifieke bindingen die deze monomeren aan elkaar koppelen, is essentieel voor het begrijpen van de structuur en functie van macromoleculen. ### 2.4 Belang van stereochemie in biologische systemen Stereochemie, de studie van de driedimensionale structuur van moleculen, is van fundamenteel belang in de biochemie. * **Chirale centra:** Moleculen met een koolstofatoom gebonden aan vier verschillende groepen worden chirale centra genoemd. Moleculen met meerdere chirale centra kunnen verschillende stereoisomeren vormen (zoals enantiomeren, diastereomeren en epimeren). * **Prioriteitstoekenning:** De prioriteit van atomen rond een chiraal centrum wordt bepaald door hun atoomnummer. Een algemene prioriteitsvolgorde voor de meest voorkomende elementen in biochemie is: S > O > N > C > H. Deze prioriteiten zijn nodig om de absolute configuratie (R of S) van een chiraal centrum te bepalen volgens de Cahn-Ingold-Prelog-regels. * **Biologische specificiteit:** Veel biologische moleculen, zoals enzymen en receptoren, zijn stereospecifiek. Dit betekent dat ze vaak slechts één specifiek stereoisomeer van een substraat herkennen en binden. Verschillende stereoisomeren kunnen daardoor drastisch verschillende biologische effecten hebben. > **Voorbeeld:** Het medicijn thalidomide (softenon) illustreert het belang van stereochemie. Het R-enantiomeer had een sederende werking, terwijl het S-enantiomeer ernstige teratogene effecten (misvormingen bij foetussen) veroorzaakte. Penicilline werkt bijvoorbeeld specifiek in op D-aminozuren van bacteriën en niet op de L-aminozuren van menselijke cellen, wat de stereospecificiteit van biologische processen aantoont. ### 2.5 Vergelijking chemische en biochemische reacties Hoewel de fundamentele chemische reacties in levende organismen (in vivo) en in een laboratoriumomgeving (in vitro) essentieel dezelfde zijn, zijn er belangrijke verschillen in de context waarin ze plaatsvinden: * **Reactiemilieu:** Biochemische reacties vinden plaats in een waterig milieu, terwijl in de chemie ook organische of anorganische solventen gebruikt kunnen worden. * **Reactantconcentraties:** In biologische systemen blijven de concentraties van reactanten binnen relatief nauwe grenzen, mede dankzij regulatiemechanismen. * **Omgevingsfactoren:** Biochemische reacties vinden plaats onder relatief constante omgevingscondities wat betreft temperatuur en pH. * **Enzymatische katalyse:** Een cruciaal aspect van biochemische reacties is de rol van enzymen, die de reactiesnelheid enorm verhogen en specificiteit waarborgen. * **Geïntegreerde reactiepaden:** Biochemische reacties zijn vaak onderdeel van complexe, onderling verbonden metabole paden die gelijktijdig in hetzelfde celcompartiment plaatsvinden, wat een hoge mate van coördinatie vereist. > **Tip:** De geschiedenis van de biochemie, met name de ontdekking dat organische verbindingen zoals ureum in het laboratorium gesynthetiseerd konden worden (Friedrich Wöhler) en fermentatie kon plaatsvinden met cel-extracten (Eduard en Hans Buchner), toonde aan dat de chemische principes die gelden in de niet-levende natuur ook van toepassing zijn op levende systemen. Het unieke karakter van een organisme wordt bepaald door de totaliteit en organisatie van deze chemische reacties, niet door de aard van de reacties zelf. --- # Biochemie als biologische wetenschap Dit onderwerp verkent de biologische context van biochemie, waarbij de cel als de fundamentele eenheid van biologische organisatie centraal staat. ### 3.1 De cel als basiseenheid van biologische organisatie De cel vormt de basiseenheid van alle levende organismen en onderscheidt levende materie van niet-levende materie door middel van zeven fundamentele "pillars of life" volgens Koshland. Deze zijn: * **Programma:** Een georganiseerd plan voor de opbouw en regeneratie van een organisme, zoals DNA. * **Improvisatie:** Het vermogen van een organisme om het programma aan te passen voor overleving in veranderende omgevingen op lange termijn, bijvoorbeeld door DNA-mutaties. * **Compartimentalizatie:** De mogelijkheid van een organisme om zichzelf van de omgeving af te scheiden, typisch door middel van membranen (cellen, celorganellen). * **Energie:** Levende materie maakt gebruik van complexe chemische en kinetische processen om het programma en andere "pillars of life" te onderhouden, wat energie vereist. * **Regeneratie:** Het vermogen om "slijtage" te compenseren, bijvoorbeeld door de synthese van nieuwe eiwitten ter vervanging van oudere. * **Aanpassingsvermogen:** Het vermogen om op korte termijn te reageren op veranderende omgevingsfactoren, zoals eten bij honger of wegtrekken bij pijn. * **Afscheiding:** Metabole processen en pathways kunnen geïsoleerd van elkaar plaatsvinden, zelfs binnen hetzelfde celcompartiment, dankzij enzymspecificiteit. Twee belangrijke basisprincipes die de "pillars of life" ondersteunen zijn: * **Semipermeabele membranen:** Deze membranen omringen cellen en celorganellen en laten selectief bepaalde moleculen door, terwijl ze andere tegenhouden. Ze zijn cruciaal voor cellulaire organisatie. * **Homeostase:** Dit is een staat waarin de fysische en chemische samenstelling van een biologisch systeem binnen een bepaalde reeks constant wordt gehouden, mede door semipermeabele membranen. Voorbeelden zijn constante temperatuur, pH en ionenconcentraties. Homeostase vereist energie en is niet hetzelfde als chemisch evenwicht. #### 3.1.1 Prokaryote en eukaryote cellen Cellen kunnen worden ingedeeld in twee hoofdcategorieën: prokaryoten en eukaryoten. * **Prokaryote cellen:** * Zijn eencellig, zoals bacteriën. * Worden omgeven door een plasma membraan en een celwand. * Bevatten een plasma membraan, cytoplasma en cytosol. * Het DNA bevindt zich vrij in het cytoplasma en is niet omgeven door een kernmembraan. * Bevatten ribosomen voor eiwitsynthese. * Celoppervlakten kunnen pili (voor aanhechting aan andere cellen) en flagellen (voor beweging) bevatten. * Typische afmetingen variëren van 0.1 tot 10 micrometer ($\mu$m). * **Eukaryote cellen:** * Zijn meestal meercellig. * Hebben celwanden alleen bij plantencellen. * Het DNA is opgeslagen in de celkern, die omgeven is door een dubbel membraan. * Bevatten celorganellen zoals mitochondriën, het Golgi-apparaat, en het endoplasmatisch reticulum. Dierlijke cellen bevatten ook lysosomen. * Typische afmetingen variëren van 10 tot 100 micrometer ($\mu$m). **Opmerking:** Virussen zijn niet cellulair. Ze bestaan uit RNA of DNA omgeven door een proteïne capsule en hebben geen eigen metabole machinerie; ze gebruiken de machinerie van de gastheercel om zich voort te planten. #### 3.1.2 Macromoleculen in celfunctie en weefselorganisatie Macromoleculen zijn essentiële bouwstenen voor cellen en weefsels. De belangrijkste zijn: * **Proteïnen:** Gemaakt van aminozuurmonomeren, verbonden door peptidebindingen. Ze hebben diverse functies, waaronder structuur, enzymatische activiteit, hormonen en receptoren. * **Polysacchariden:** Gemaakt van monosaccharide monomeren, verbonden door glycosidebindingen. Ze dienen voor structuur en energieopslag. * **Nucleïnezuren (DNA en RNA):** Gemaakt van nucleotide monomeren, verbonden door fosfodiësterbindingen. Ze zijn verantwoordelijk voor de opslag en overdracht van genetische informatie. * **Lipiden:** Vormen geen echte polymeren in de zin van herhalende monomeren, maar vetzuren zijn de bouwstenen voor veel lipiden. Ze spelen een rol in energieopslag en celmembranen. De functie van een cel wordt bepaald door de specifieke combinatie van eiwitten, koolhydraten en lipiden die worden geproduceerd, wat weer afhangt van de expressie van genetische informatie uit het DNA. #### 3.1.3 Technieken voor celvisualisatie Het bestuderen van cellen en hun componenten vereist geavanceerde visualisatietechnieken: * **Lichtmicroscopie:** Heeft een resolutie van ongeveer 200 nanometer (nm). Biedt een overzicht van celstructuren, maar met beperkt detail. Fluorescentiemicroscopie, een vorm hiervan, maakt specifiekere structuren zichtbaar door aankleuring. * **Elektronenmicroscopie:** Heeft een veel hogere resolutie, tot wel 2 nanometer (nm). Hiermee kunnen fijne details van celstructuren worden waargenomen, zoals nucleaire poriecomplexen (NPCs). * **Atomic Force Microscopy (AFM):** Biedt superhoge resolutie, tot enkele Angstrom (0.1 nm). Deze techniek kan structuren visualiseren zonder de noodzaak van fluorescente kleuring en is erg gedetailleerd. * **Superresolutie microscopie:** Combineert aspecten van fluorescerende en andere microscopietechnieken om beelden met een resolutie tot ongeveer 20 nm te verkrijgen, wat meer detail biedt dan standaard lichtmicroscopie. Het is belangrijk te beseffen dat de complexiteit van een organisme niet direct gecorreleerd is met de grootte van zijn cellen; grotere organismen hebben doorgaans simpelweg meer cellen. De oppervlakte-tot-volume ratio van cellen blijft grotendeels constant, met enkele uitzonderingen zoals zenuwcellen die zeer lang kunnen zijn. > **Tip:** Het DNA-materiaal in elke cel van ons lichaam is identiek. De specifieke functie van een cel wordt bepaald door de unieke set eiwitten en enzymen die deze cel produceert, gebaseerd op de informatie in het DNA. > **Voorbeeld:** Verschillende covalente en niet-covalente interacties tussen macromoleculen maken de organisatie van cellen tot weefsels met specifieke functies mogelijk. --- # Biochemie en farmacie Dit deel onderzoekt de relatie tussen biochemie en farmacie, waarbij wordt benadrukt hoe geneesmiddelen verband houden met biochemische klassen zoals nucleïnezuren, eiwitten, koolhydraten en vetten, of hoe ze biochemische processen beïnvloeden. ### 4.1 Geneesmiddelen als biochemische entiteiten Geneesmiddelen hebben een directe relatie met de biochemische klassen die de bouwstenen van het leven vormen. Ze kunnen zelf behoren tot de klasse van nucleïnezuren, eiwitten, koolhydraten of vetten, of ze kunnen biochemische processen binnen deze klassen beïnvloeden. #### 4.1.1 Interactie met biochemische klassen * **Nucleïnezuren:** Geneesmiddelen kunnen interageren met DNA en RNA, bijvoorbeeld door replicatie, transcriptie of translatie te remmen of te bevorderen. * **Eiwitten:** Dit is een zeer belangrijke klasse voor farmacie. Geneesmiddelen kunnen binden aan eiwitten om hun functie te moduleren. Hieronder vallen: * **Enzymen:** Veel geneesmiddelen werken als enzymremmers of -activatoren, waardoor specifieke metabole routes worden beïnvloed. * **Receptoren:** Geneesmiddelen kunnen binden aan celreceptoren om signaleringscascades te activeren of te blokkeren. * **Koolhydraten:** Hoewel minder direct, kunnen geneesmiddelen de metabolisme van koolhydraten beïnvloeden, bijvoorbeeld door de opname of afbraak van glucose te moduleren. * **Vetten (Lipiden):** Geneesmiddelen kunnen invloed hebben op lipidenmetabolisme, membraanintegriteit of lipiden-oplosbaarheid van geneesmiddelen zelf. #### 4.1.2 Beïnvloeding van biochemische processen Geneesmiddelen kunnen biochemische processen op verschillende manieren beïnvloeden: * **Enzymremming:** Door de actieve site van een enzym te blokkeren, wordt de reactiesnelheid van het corresponderende substraat verlaagd. * **Enzymactivatie:** Hoewel zeldzamer, kunnen sommige geneesmiddelen de activiteit van enzymen verhogen. * **Receptoragonisten/antagonisten:** Geneesmiddelen kunnen binden aan receptoren en een fysiologische respons uitlokken (agonist) of deze respons blokkeren (antagonist). * **Intercalatie:** Sommige geneesmiddelen kunnen zich in DNA-strengen inpassen en zo de functie ervan verstoren. * **Membraanmodificatie:** Geneesmiddelen kunnen de structuur of doorlaatbaarheid van celmembranen veranderen. #### 4.1.3 Stereochemie en farmacologische activiteit Een cruciaal aspect in de farmacie is de stereochemie. Moleculen met dezelfde brutoformule maar verschillende ruimtelijke ordening (stereoisomeren) kunnen significant verschillende farmacologische effecten hebben. * **Chirale centra:** Moleculen met een chiraal centrum (een koolstofatoom gebonden aan vier verschillende groepen) kunnen enantiomeren vormen (spiegelbeelden). * **Specifieke interacties:** Enzymen en receptoren zijn vaak zeer specifiek en herkennen slechts één stereoisomeer. Het niet-actieve of zelfs schadelijke stereoisomeer kan dan ongewenste bijwerkingen veroorzaken. * **Voorbeelden:** * Thalidomide (Softenon): Het R-enantiomeer was therapeutisch, terwijl het S-enantiomeer teratogeen was. * Penicilline: Werkt selectief op D-aminozuren van bacteriën, niet op de L-aminozuren van de mens. > **Tip:** Bij de studie van geneesmiddelen is het essentieel om de driedimensionale structuur en de stereochemische eigenschappen te begrijpen om de werking en mogelijke bijwerkingen te verklaren. ### 4.2 Basisprincipes van leven en hun farmaceutische relevantie De zeven "pillars of life" die de essentie van levende organismen beschrijven, zijn direct relevant voor de farmaceutische toepassing van biochemische kennis. * **Programma (DNA):** Geneesmiddelen gericht op genetisch materiaal. * **Improvisatie (DNA mutaties):** Begrip van hoe geneesmiddelen interactie hebben met DNA en hoe mutaties de gevoeligheid voor medicatie kunnen beïnvloeden. * **Compartmentalizatie (Membranen):** Geneesmiddelen moeten membranen kunnen passeren, of juist specifiek in bepaalde compartimenten werken. Semipermeabele membranen zijn hierbij cruciaal. * **Energie:** Begrip van energie-afhankelijke processen (bv. homeostase) is nodig om de werking van geneesmiddelen te optimaliseren. * **Regeneratie:** Begrip van eiwitturnover en celvernieuwing is belangrijk voor het effect van geneesmiddelen op lange termijn. * **Aanpassingsvermogen:** Geneesmiddelen moeten rekening houden met de reactie van het lichaam op veranderende omstandigheden. * **Afscheiding (Enzymspecificiteit):** De specificiteit van enzymen maakt gerichte medicatie mogelijk. #### 4.2.1 Homeostase en semipermeabele membranen Homeostase, het constant houden van de interne omgeving, is afhankelijk van semipermeabele membranen. Geneesmiddelen beïnvloeden of worden beïnvloed door deze homeostatische mechanismen. De selectieve doorlaatbaarheid van membranen bepaalt mede hoe een geneesmiddel in de cel komt of uit de cel wordt verwijderd. > **Tip:** Begrip van homeostase is cruciaal, aangezien veel ziekten het gevolg zijn van verstoringen in deze balans. Geneesmiddelen worden vaak ingezet om de homeostase te herstellen. ### 4.3 De cel als biochemische fabriek De cel is de basiseenheid van biologische organisatie en functioneert als een complexe biochemische fabriek. De biochemie van cellen, zowel prokaryote als eukaryote, vormt de basis voor het begrijpen van geneesmiddelenwerking. * **Eukaryote cellen:** Bevatten celkern, organellen (mitochondriën, ER, Golgi, lysosomen) en worden omgeven door een plasma membraan. * **Prokaryote cellen:** Eenvoudiger van structuur, met vrij DNA in het cytoplasma. De specifieke combinatie van eiwitten, koolhydraten en lipiden bepaalt de functie van een cel en daarmee de respons op geneesmiddelen. De celmembraan, opgebouwd uit lipiden en proteïnen, is een belangrijke interactieplaats voor veel geneesmiddelen. ### 4.4 Biochemie en farmacie in de praktijk In de farmacie wordt vaak verwezen naar informatiebronnen zoals het Belgisch Centrum voor Farmacotherapeutische Informatie (BCFI). De besproken geneesmiddelen worden steeds gekoppeld aan hun biochemische klasse of de biochemische processen die ze beïnvloeden. * **Voorbeeld:** Een enzymremmer die de synthese van een bepaald molecuul in een bacterie blokkeert, beïnvloedt een specifiek biochemisch proces binnen de bacteriële cel. Het begrijpen van de moleculaire interacties tussen geneesmiddelen en biologische moleculen is fundamenteel voor de rationele ontwikkeling en toepassing van medicijnen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Biochemie | De wetenschap die de chemische processen en substanties bestudeert die plaatsvinden in levende organismen, gericht op de moleculaire basis van het leven. | | Metabolisme | De totale reeks chemische reacties die plaatsvinden binnen een levend organisme om het leven in stand te houden, inclusief de opname en transformatie van energie en materie. | | Genetische biochemie | Het onderzoeksveld binnen de biochemie dat zich richt op de chemie van de processen en substanties die biologische informatie bewaren en overdragen, zoals DNA en RNA. | | Moleculaire genetica | Een onderzoeksveld dat erfelijkheid en de expressie van genetische informatie onderzoekt op moleculair niveau, en de mechanismen achter genoverdracht en -regulatie ontrafelt. | | Programma (biologisch) | Een georganiseerd plan of blauwdruk binnen een organisme, vaak vertegenwoordigd door DNA, dat instaat voor de opbouw, het functioneren en de regeneratie ervan. | | Improvisatie (biologisch) | Het vermogen van een levend organisme om zijn genetische programma aan te passen of te wijzigen, vaak door middel van mutaties, om overleving te verzekeren in een veranderende omgeving op lange termijn. | | Compartimentalizatie | Het vermogen van levende organismen om zichzelf en hun interne processen te scheiden van de externe omgeving, typisch door middel van membraanstructuren zoals cellen en organellen. | | Energie (biologisch) | De kracht die nodig is om biologische processen in stand te houden, zoals het onderhouden van het genetisch programma, celfuncties en de algemene werking van levende materie, verkregen via chemische en kinetische processen. | | Regeneratie (biologisch) | Het vermogen van een organisme om "slijtage" of schade te compenseren, bijvoorbeeld door de synthese van nieuwe componenten ter vervanging van versleten of beschadigde delen, zoals eiwitten. | | Aanpassingsvermogen (biologisch) | Het vermogen van een levend organisme om kortetermijnreacties te vertonen op veranderende omgevingsfactoren, zoals reageren op honger door te eten of op pijn door terug te trekken. | | Afscheiding (biochemisch) | Het principe waarbij metabole processen en routes binnen een cel afzonderlijk van elkaar kunnen plaatsvinden, zelfs binnen hetzelfde celcompartiment, dankzij de specificiteit van enzymen en moleculaire interacties. | | Koshland’s zeven pillars of life | Zeven fundamentele kenmerken die het leven definiëren en onderhouden, waaronder programma, improvisatie, compartmentalizatie, energie, regeneratie, aanpassingsvermogen en afscheiding. | | Semipermeabele membranen | Membranen die cellen en intracellulaire organellen omgeven en selectief doorlaatbaar zijn voor bepaalde moleculen, terwijl ze andere tegenhouden, essentieel voor celstructuur en homeostase. | | Homeostase | De toestand van relatieve stabiliteit van de fysische en chemische samenstelling van een biologisch systeem, binnen een bepaalde reeks parameters zoals temperatuur en pH, die constant gehouden wordt ondanks externe veranderingen. | | Koolstofverbinding | Een chemische verbinding die koolstofatomen bevat, essentieel voor de organische chemie en de vorming van de complexe moleculen die de basis vormen van levende organismen. | | Valentie | Het aantal chemische bindingen dat een atoom kan vormen, bepaald door het aantal valentie-elektronen en de neiging om de octetregel te volgen. | | Octetregel | Een chemische regel die stelt dat atomen geneigd zijn om acht valentie-elektronen te bezitten om zo een stabiele configuratie te bereiken, vergelijkbaar met die van edelgassen. | | Macromoleculen | Grote, complexe moleculen die essentieel zijn voor het leven, gevormd door de herhaalde aaneenschakeling van kleinere eenheden (monomeren), zoals proteïnen, polysacchariden en nucleïnezuren. | | Polymeren | Moleculen die opgebouwd zijn uit vele herhalende structurele eenheden, genaamd monomeren, die via chemische bindingen aan elkaar gekoppeld zijn. | | Monomeren | De kleine, herhalende moleculaire eenheden die zich aan elkaar koppelen om langere ketens of polymeren te vormen, zoals aminozuren voor proteïnen. | | Peptidebinding (amidebinding) | De covalente chemische binding die ontstaat tussen twee aminozuren tijdens de vorming van een polypeptideketen in eiwitsynthese. | | Glycosidebinding (etherbinding) | Een type covalente binding die koolhydraten of suikermoleculen met elkaar verbindt, of een suikermolecuul met een andere functionele groep, zoals in polysacchariden. | | Fosfodiësterbinding | Een chemische binding die centraal staat in de structuur van nucleïnezuren (DNA en RNA), waarbij een fosfaatgroep twee suikermoleculen aan elkaar koppelt. | | Esterbinding | Een chemische binding gevormd door de reactie van een carbonzuur met een alcohol, cruciaal in de opbouw van lipiden en andere organische moleculen. | | Stereochemie | Het studiegebied binnen de scheikunde dat de driedimensionale structuur van moleculen en de effecten daarvan op hun eigenschappen en reactiviteit onderzoekt, met name enantiomeren en diastereomeren. | | Chiraal centrum | Een atoom, meestal koolstof, dat gebonden is aan vier verschillende atomen of groepen, wat resulteert in het bestaan van niet-superponeerbare spiegelbeelden (enantiomeren) van het molecuul. | | Enantiomeer | Een van de twee stereoisomeren die elkaars spiegelbeeld zijn en niet op elkaar te superponeren zijn, zoals de linker- en rechterhand. | | Diastereomeer | Stereoisomeren die geen spiegelbeeld van elkaar zijn en zich onderscheiden in de configuratie van ten minste één, maar niet alle, chirale centra. | | Epimeer | Twee diastereomeren die verschillen in configuratie rond één specifiek chiraal centrum. | | Prokaryoot | Een type cel of organisme dat geen celkern of andere membraan-gebonden organellen heeft; het genetisch materiaal is direct in het cytoplasma aanwezig (bv. bacteriën). | | Eukaryoot | Een type cel of organisme dat een celkern en andere membraan-gebonden organellen bevat, zoals mitochondria en het endoplasmatisch reticulum; de meeste meercellige organismen zijn eukaryoten. | | Celkern | Het membraan-gebonden organel in eukaryote cellen dat het grootste deel van het genetisch materiaal van de cel bevat in de vorm van DNA. | | Organellen | Gespecialiseerde structuren binnen de cel die specifieke functies uitvoeren, zoals mitochondria voor energieproductie of ribosomen voor eiwitsynthese. | | Mitochondriën | Celorganellen in eukaryote cellen die verantwoordelijk zijn voor cellulaire ademhaling en de productie van de meeste ATP (adenosinetrifosfaat), de energievaluta van de cel. | | Endoplasmatisch reticulum (ER) | Een netwerk van membranen in de cel dat betrokken is bij de synthese, modificatie en transport van eiwitten en lipiden; het ruwe ER bevat ribosomen, het gladde ER niet. | | Golgi-apparaat | Een celorganel dat betrokken is bij het verpakken, modificeren en sorteren van eiwitten en lipiden voor secretie of levering aan andere organellen. | | Cytoskelet | Een dynamisch netwerk van eiwitfilamenten en -buizen die de cel structuur geven, mobiliteit verlenen en een rol spelen in celdeling en intracellulair transport. | | Lysosomen | Membraan-gebonden organellen in dierlijke cellen die spijsverteringsenzymen bevatten en verantwoordelijk zijn voor de afbraak van afvalstoffen en celcomponenten. | | Plasma membraan | De buitenste membraanlaag van een cel die de celinhoud scheidt van de omgeving en de selectieve doorgang van stoffen reguleert. | | Nucleair porie complex (NPC) | Complexe eiwitstructuren die de dubbele membraan van de celkern doorboren en de passage van moleculen tussen de kern en het cytoplasma reguleren. | | Oppervlakte/volume ratio | De verhouding tussen het oppervlak van een cel en zijn volume, die belangrijk is voor efficiënte opname van voedingsstoffen en afvoer van afvalstoffen; deze ratio neemt af naarmate de cel groter wordt. | | Celfunctie | De specifieke rol die een cel vervult binnen een organisme, bepaald door de unieke combinatie van eiwitten, koolhydraten en lipiden die de cel produceert en gebruikt. | | Weefsels | Groepen van vergelijkbare cellen die samenwerken om een specifieke functie uit te voeren binnen een meercellig organisme. | | Covalente interacties | Chemische bindingen waarbij atomen elektronen delen om een stabiele elektronenschil te vormen, leidend tot sterke verbindingen tussen atomen. | | Niet-covalente interacties | Zwakkere chemische interacties tussen moleculen, zoals waterstofbruggen, ionische interacties en van der Waals-krachten, die essentieel zijn voor moleculaire herkenning en stabiliteit van biologische structuren. | | Farmacie | De wetenschap en praktijk van het bereiden, afleveren en toepassen van geneesmiddelen, waarbij de interactie met biologische systemen centraal staat. |

# Inleiding tot biomoleculen en metabolisme Dit hoofdstuk introduceert de vier hoofdgroepen biomoleculen, de concepten van metabolisme en de rol van enzymen, evenals het belang van elementen in organismen en voeding. ### 1.1 De vier hoofdgroepen biomoleculen Biomoleculen zijn de bouwstenen van levende organismen. Ze kunnen worden onderverdeeld in vier hoofdgroepen: suikers, vetten, eiwitten en nucleïnezuren (DNA/RNA). Deze macromoleculen zijn opgebouwd uit kleinere eenheden: suikers uit monosachariden, vetten uit vetzuren, eiwitten uit aminozuren en DNA/RNA uit nucleotiden [1](#page=1). > **Tip:** Het is essentieel om de basisbouwstenen van elke macromolecuulgroep te kennen, aangezien dit de fundering vormt voor het begrijpen van hun functies en interacties. ### 1.2 Metabolisme: opbouw en afbraak Metabolisme omvat alle chemische processen die plaatsvinden in een organisme om het leven te ondersteunen. Het kan worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën [1](#page=1): * **Katabolisme:** Dit zijn afbraakprocessen waarbij grotere moleculen worden afgebroken tot kleinere moleculen, waarbij energie vrijkomt [1](#page=1). * **Anabolisme:** Dit zijn opbouwprocessen waarbij kleinere moleculen worden gebruikt om grotere, complexere moleculen op te bouwen, wat energie vereist [1](#page=1). ### 1.3 De rol van enzymen in biochemische reacties Enzymen zijn biologische katalysatoren die de snelheid van biochemische reacties aanzienlijk versnellen zonder zelf verbruikt te worden. Ze verlagen de activeringsenergie die nodig is om een reactie te laten plaatsvinden, waardoor reacties onder biologische omstandigheden efficiënt kunnen verlopen [1](#page=1). > **Tip:** Begrijp dat enzymen zeer specifiek zijn; ze binden meestal aan een specifiek substraat om een specifieke reactie te katalyseren. ### 1.4 Elementen essentieel voor organismen en voeding Een aanzienlijk aantal elementen uit het periodiek systeem is essentieel voor het functioneren van levende organismen [1](#page=1). * **Biogene elementen:** Dit zijn de elementen die in grote hoeveelheden voorkomen en de basis vormen van organische moleculen, zoals koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N), zuurstof (O), fosfor (P) en zwavel (S) [1](#page=1). * **Mineralen:** Elementen zoals calcium (Ca), kalium (K), natrium (Na), chloor (Cl) en magnesium (Mg) zijn belangrijke mineralen die cruciale rollen spelen in biologische processen [1](#page=1). * **Sporenelementen:** Dit zijn elementen die in zeer kleine hoeveelheden nodig zijn, maar toch essentieel zijn voor specifieke functies [1](#page=1). * **Metal-ionen in enzymen:** Sommige metalen, zoals zink (Zn), mangaan (Mn) en kobalt (Co), zijn cofactoren voor enzymen. Zink kan bijvoorbeeld DNA stabiliseren en enzymen activeren, terwijl mangaan en kobalt belangrijk zijn voor oxidatieve enzymen en de synthese van vitamine B12 [1](#page=1). Het periodiek systeem kan elementen visualiseren met kleuren die hun biologische rol aangeven: rood voor noodzakelijk, bruin voor giftig, zwart voor inert en grijs voor radioactief. Een balans in de voeding met betrekking tot deze elementen is cruciaal, aangezien zowel te weinig als te veel van een element kan leiden tot verminderde biologische activiteit. De optimale zone voor elk element kan sterk variëren [1](#page=1). > **Example:** Zink speelt een rol in de stabilisatie van DNA en de activatie van veel enzymen, wat de essentiële aard van sporenelementen illustreert. ### 1.5 Moleculaire representaties Moleculen kunnen op verschillende manieren worden weergegeven, afhankelijk van de context en de informatie die men wil overbrengen. De specifieke driedimensionale vorm van een molecuul kan invloed hebben op zijn gedrag in water, wat belangrijk is voor biologische functies [1](#page=1). ### 1.6 Vitaminen en hormonen * **Vitaminen:** Dit zijn organische verbindingen die essentieel zijn voor de gezondheid en die het lichaam niet of onvoldoende zelf kan aanmaken. Ze worden onderverdeeld in vetoplosbare (A, D, E, K) die in het lichaam worden opgeslagen, en wateroplosbare (B-complex, C) die via urine worden uitgescheiden [1](#page=1). * **Hormonen:** Dit zijn chemische boodschappers die via het bloed worden getransporteerd om processen in het lichaam te reguleren. Ze kunnen van drie typen zijn: eiwitachtig, steroïde of afgeleid van aminozuren [1](#page=1). > **Example:** Fibrinogeen is een eiwit dat, na omzetting naar fibrine, een cruciale rol speelt bij de bloedstolling om bloedverlies te voorkomen. Alcoholen daarentegen lossen goed op in water en kunnen esters vormen [1](#page=1). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Biomoleculen | Moleculen die essentieel zijn voor het leven en de structuur en functie van levende organismen vormen. De vier hoofdgroepen zijn koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren. | | Metabolisme | Het geheel van chemische processen die plaatsvinden in levende organismen om leven te onderhouden. Dit omvat zowel afbraakprocessen (katabolisme) als opbouwprocessen (anabolisme). | | Katabolisme | Het afbreken van complexe moleculen tot eenvoudigere stoffen, waarbij energie wordt vrijgemaakt die door het organisme kan worden gebruikt. | | Anabolisme | Het opbouwen van complexe moleculen uit eenvoudigere componenten, waarbij energie wordt verbruikt. Dit proces is essentieel voor groei, herstel en onderhoud van weefsels. | | Enzymen | Biologische katalysatoren, meestal eiwitten, die specifieke chemische reacties in levende organismen versnellen zonder zelf te worden verbruikt. | | Periodiek systeem | Een tabel die de chemische elementen ordent op basis van hun atoomnummer, elektronenconfiguratie en terugkerende chemische eigenschappen. | | Biogene elementen | Chemische elementen die cruciaal zijn voor het leven. Voor mensen zijn de belangrijkste biogene elementen koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N), zuurstof (O), fosfor (P) en zwavel (S). | | Mineralen | Essentiële anorganische voedingsstoffen die in kleine hoeveelheden nodig zijn voor verschillende lichaamsfuncties, zoals elektrolytenbalans, zenuwgeleiding en spiercontractie. Voorbeelden zijn calcium (Ca), kalium (K), natrium (Na), chloor (Cl) en magnesium (Mg). | | Sporenelementen | Chemische elementen die slechts in zeer kleine hoeveelheden nodig zijn voor het organisme, maar toch essentieel zijn voor diverse biologische functies. | | Macromoleculen | Grote moleculen die essentieel zijn voor het leven, opgebouwd uit herhalende kleinere eenheden (monomeren). Voorbeelden zijn koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren. | | Monosachariden | De eenvoudigste koolhydraten, ook wel enkelvoudige suikers genoemd. Ze vormen de bouwstenen van complexere koolhydraten. Glucose en fructose zijn voorbeelden. | | Vetzuren | Carbonzuren met een lange alifatische staart. Ze zijn belangrijke bouwstenen van vetten en lipiden en kunnen worden gebruikt als energiebron. | | Aminozuren | Organische moleculen die de bouwstenen van eiwitten vormen. Ze bevatten een aminogroep en een carbonzuurgroep. | | Nucleotiden | De bouwstenen van nucleïnezuren zoals DNA en RNA. Een nucleotide bestaat uit een stikstofbase, een suiker en een fosfaatgroep. | | Vitaminen | Organische verbindingen die het lichaam in kleine hoeveelheden nodig heeft voor normale groei, ontwikkeling en stofwisseling. Ze kunnen vetoplosbaar of wateroplosbaar zijn. | | Hormonen | Signaalmoleculen die door endocriene klieren worden geproduceerd en via de bloedbaan naar doelcellen worden getransporteerd om fysiologische processen te reguleren. |

# Protein composition and structure Proteins are essential biopolymers composed of amino acid monomers arranged into specific structures that dictate their function. ## 1. Protein composition and structure Proteins, also known as proteins (from the Greek "protos" meaning primary), are the most abundant biopolymers in cells, constituting approximately 50% of their dry weight. This high proportion is due to the multitude of crucial functions they perform, making them indispensable for life. Despite their vast diversity, protein molecules share fundamental similarities at the molecular level, characterized by a unity in their composition and structure [1](#page=1). ### 1.1 Amino acids: the building blocks of proteins The monomers of proteins are amino acids, which are small organic molecules with a similar structural framework. Each amino acid possesses an amino group (–NH$_{2}$), which imparts an alkaline character, and a carboxyl group (–COOH), which confers acidic properties. The presence of both groups results in the amphoteric nature of amino acid molecules [1](#page=1). There are numerous types of amino acids, but only 20 participate in protein synthesis. All these 20 amino acids are alpha-amino acids, meaning that the –NH$_{2}$ and –COOH groups are attached to the same carbon atom, known as the alpha-carbon. This alpha-carbon is also bonded to a third group, called the side chain or radical (R-group). The R-groups are what confer individuality to each amino acid. Some radicals are hydrophobic (nonpolar), while others are hydrophilic. Among the hydrophilic radicals, there are polar uncharged, positively charged (with an additional amino group), and negatively charged (with an additional carboxyl group) types. Two of the 20 standard amino acids contain sulfur. The specific characteristics of these amino acids influence the properties of the polymers they form [1](#page=1). > **Tip:** While 20 amino acids are commonly found in proteins, understanding the properties of their R-groups (hydrophobic, hydrophilic, charged) is crucial for predicting protein folding and interactions. ### 1.2 Polypeptide chains and the peptide bond Proteins are synthesized through condensation reactions. In this process, the carboxyl group (–COOH) of one amino acid reacts with the amino group (–NH$_{2}$) of another amino acid. This interaction results in the release of a water molecule and the formation of a covalent bond known as a peptide bond (–CO–NH–) between the two amino acids [3](#page=3). > **Example:** The formation of a peptide bond can be visualized as: > Amino acid 1 (R$_{1}$-COOH) + Amino acid 2 (H$_{2}$N-R$_{2}$) $\rightarrow$ R$_{1}$-CO-NH-R$_{2}$ + H$_{2}$O When two amino acids are linked by a peptide bond, they form a dipeptide; three amino acids form a tripeptide, and so on. The sequential linkage of a large number of amino acids results in the formation of a polypeptide, also known as a polypeptide chain. A protein molecule can consist of one or more polypeptide chains [3](#page=3). These polypeptide chains are linear and unbranched. Their "backbone" is formed by the repeating sequence of the fragment –NH–CH–CO–, with the R-groups projecting outwards. The chain begins with an amino group (N-terminus, or "nitrogen end") and terminates with a carboxyl group (C-terminus, or "carbon end"). Proteins are thus classified as hetero-biopolymers constructed from polypeptide chains made up of 20 different types of amino acids [3](#page=3). ### 1.3 Levels of protein structure The spatial arrangement of a protein molecule is described by four distinct levels of organization: primary, secondary, tertiary, and quaternary structure [4](#page=4). #### 1.3.1 Primary structure The primary structure of a protein refers to the specific number, type, and sequence of amino acids in its polypeptide chain. This sequence is maintained by the peptide bonds. For a polypeptide chain of average length (100–150 amino acid residues), a vast number of combinations are theoretically possible. However, only a small subset of these combinations are realized, which are not random but dictated by the cell's genetic program [4](#page=4). The primary structure is fundamental, as it determines all subsequent levels of organization, and consequently, the protein's properties and functions [4](#page=4). > **Example:** A single amino acid substitution in the hemoglobin protein can alter subsequent organizational levels, change its properties and function, modify red blood cell shape, and lead to sickle cell anemia [4](#page=4). #### 1.3.2 Secondary structure The repeating –NH–CH–CO– fragment in the polypeptide backbone allows for the formation of numerous hydrogen bonds between the –NH– and –CO– groups. This results in the regular folding of the polypeptide chain, known as the secondary structure. There are two primary types of secondary structure: the alpha-helix ($\alpha$-helix) and the beta-sheet ($\beta$-sheet) [4](#page=4). In an $\alpha$-helix, hydrogen bonds form between the –NH– and –CO– groups of amino acids that are separated by approximately three residues. In a $\beta$-sheet, hydrogen bonds form between amino acids that are further apart. Depending on the primary structure, a polypeptide chain can fold into $\alpha$-helices, $\beta$-sheets, or a combination of both [4](#page=4). #### 1.3.3 Tertiary structure and the active center Beyond the $\alpha$-helices and $\beta$-sheets, portions of the polypeptide chain that do not participate in these regular structures can bend at various angles, imparting an additional three-dimensional shape to the molecule. This further folding of the polypeptide chain in space is termed the tertiary structure [4](#page=4). The tertiary structure is primarily stabilized by various types of bonds and interactions between the R-groups of different amino acids. These include [5](#page=5): * **Hydrogen bonds:** Between polar R-groups [5](#page=5). * **Ionic bonds:** Between oppositely charged R-groups [5](#page=5). * **Hydrophobic interactions:** Hydrophobic side chains tend to orient towards the interior of the molecule, away from water, while hydrophilic side chains are oriented towards the surface [5](#page=5). * **Disulfide bridges:** Covalent bonds formed between the sulfur atoms of two cysteine amino acids [5](#page=5). Based on the overall shape of the polypeptide chain in its tertiary structure, proteins are classified as globular or fibrous [5](#page=5). * **Globular proteins:** These proteins are compact and spherical. The spatial proximity of distant amino acids in globular proteins creates an active center, a region containing functionally active groups that is crucial for the protein's function. Often, other centers, such as regulatory centers, also arise. Examples of globular proteins include enzymes, membrane proteins, and myoglobin (a protein that binds oxygen in muscle cells) [5](#page=5). * **Fibrous proteins:** These proteins have a more elongated, thread-like shape. Keratin, a protein found in hair, nails, and the stratum corneum of the skin, is an example of a fibrous protein [5](#page=5). > **Tip:** The active center of an enzyme, a type of globular protein, is where the substrate binds and the catalytic reaction occurs. Its specific 3D conformation is critical for enzymatic activity. #### 1.3.4 Quaternary structure and non-protein components Many proteins function solely based on their tertiary structure, being composed of a single polypeptide chain (e.g., myoglobin). However, other proteins are assembled from two or more polypeptide chains, which can be identical or different. Each of these individual polypeptide chains, possessing its own tertiary structure, is called a subunit. Proteins composed of multiple subunits exhibit quaternary structure [6](#page=6). Hemoglobin is a prime example of a protein with quaternary structure. It is composed of four polypeptide chains, two of which are identical to each other, and the other two are also identical to each other. The interactions that stabilize quaternary structure are similar to those in tertiary structure, including weak interactions and disulfide bridges. At the quaternary level, globular proteins can develop additional regulatory centers, while fibrous proteins can associate into stable bundles [6](#page=6). Some proteins also contain non-protein components in addition to their polypeptide chains. These non-protein parts can be metal atoms, carbohydrates, lipids, or other molecules. For instance, both myoglobin and each of the four polypeptide chains in hemoglobin are associated with a smaller, iron-containing organic molecule called a heme group [6](#page=6). --- # Protein functions and properties Proteins are essential macromolecules that perform a vast array of critical functions within biological systems and possess distinct chemical and physical properties. ### 2.1 Protein functions Proteins fulfill diverse roles, encompassing structural support, protection, movement, transport, signaling, regulation, and catalysis. Autotrophic organisms synthesize their own proteins, while heterotrophs obtain them through diet [8](#page=8). #### 2.1.1 Structural function Proteins are fundamental components of cellular structure, forming part of cell membranes, cytoplasm, and organelles. They also contribute to the assembly of supramolecular complexes within the cell [8](#page=8). * **Examples:** Glycoproteins and lipoproteins in the cell membrane, ribosomes (RNA and proteins), chromatin (DNA and proteins) [8](#page=8). #### 2.1.2 Protective function Proteins provide both passive (mechanical) and active (immune) defense. They contribute to the formation of protective structures and actively neutralize foreign substances and cells [8](#page=8). * **Examples:** Keratin (in scales, feathers, nails, horns, hair), fibrinogen (involved in blood clotting), antibodies [8](#page=8). #### 2.1.3 Motor function Proteins are integral to the structure of specialized organelles in muscle cells and are involved in the movement of cilia and flagella [8](#page=8). * **Examples:** Actin and myosin (form myofibrils and enable muscle cell contraction), dynein (contractile protein in cilia and flagella) [8](#page=8). #### 2.1.4 Transport function These proteins facilitate the movement of substances across the cell membrane and between the cell and its environment [8](#page=8). * **Examples:** Transport proteins in the cell membrane, hemoglobin [8](#page=8). #### 2.1.5 Receptor function Proteins embedded in the cell membrane are responsible for receiving signals from the external environment [8](#page=8). * **Examples:** Proteins in the cell membrane [8](#page=8). #### 2.1.6 Regulatory function Proteins play a crucial role in regulating various processes within the organism [8](#page=8). * **Examples:** Insulin, growth hormone [8](#page=8). #### 2.1.7 Catalytic function Similar to chemical catalysts, proteins, specifically enzymes, accelerate the rate of biochemical reactions within the cell [8](#page=8). * **Examples:** Oxidases, reductases, hydrolases [8](#page=8). ### 2.2 Protein properties Proteins exhibit several key physical and chemical properties, including hydrolysis, denaturation, renaturation, precipitation, and solubility. #### 2.2.1 Hydrolysis Under suitable conditions (appropriate pH, enzymes), the peptide bonds within a protein molecule can break, yielding constituent α-amino acids. This process requires water and is termed hydrolysis [9](#page=9). #### 2.2.2 Denaturation and renaturation Denaturation occurs when proteins are exposed to agents such as heat, radiation, strong acids and bases, concentrated salt solutions, heavy metals, and organic solvents. These factors disrupt the bonds that maintain the protein's native three-dimensional (native conformation) structure [9](#page=9). * Denaturation affects the quaternary (if present), tertiary, and secondary structures of a protein, leading to a loss of its biological activity [9](#page=9). * It is a graded process that can be temporary or permanent [9](#page=9). Renaturation is the process by which a denatured protein can regain its native conformation under appropriate conditions. This ability to renature demonstrates that the protein's primary structure fully dictates its spatial conformation. Within cells, denaturation and renaturation are involved in regulating protein activity and dependent processes. Denatured proteins have altered properties and lose their functions, readily aggregating and precipitating [10](#page=10) [9](#page=9). #### 2.2.3 Precipitation Precipitation is the aggregation of protein molecules resulting from the disruption of their aqueous (hydrational) shell. This can occur at high salt concentrations, where salt ions strip away these hydration shells, a process known as salting out [10](#page=10). * Precipitation is often reversible [10](#page=10). * Precipitated proteins are not denatured and can be redissolved [10](#page=10). #### 2.2.4 Solubility of globular proteins in water Most globular proteins are soluble in water because water forms a hydration shell around them. In contrast, fibrous proteins are insoluble in water due to their tendency to aggregate into fibers [10](#page=10). --- # Molecular basis of sickle cell anemia Sickle cell anemia arises from a single point mutation in a gene on chromosome 11, which dictates the production of the beta-globin chain of hemoglobin. This mutation causes glutamic acid, normally found at the sixth position of the polypeptide chain, to be replaced by the amino acid valine. This alteration leads to the synthesis of an abnormal hemoglobin, known as hemoglobin S, which is less soluble and has a reduced capacity to bind oxygen [7](#page=7). ### The molecular defect and its consequences #### Hemoglobin S structure and function The fundamental cause of sickle cell anemia is a specific genetic mutation. Normally, the sixth amino acid in the beta-globin chain of hemoglobin is glutamic acid. In individuals with sickle cell anemia, this is replaced by valine due to a single nucleotide substitution in the corresponding gene. This single amino acid change has profound effects on the hemoglobin molecule's properties. Hemoglobin S is less soluble than normal hemoglobin (hemoglobin A) and exhibits a decreased affinity for oxygen [7](#page=7). #### Red blood cell deformation The structural alteration in the hemoglobin S molecule leads to the deformation of red blood cells. Under conditions of low oxygen, hemoglobin S molecules tend to polymerize, forming rigid, rod-like structures within the red blood cell. This polymerization distorts the normally flexible, biconcave disc shape of red blood cells into a characteristic sickle or crescent shape [7](#page=7). #### Pathological outcomes The sickled red blood cells are less pliable and can obstruct blood flow in small blood vessels, leading to vaso-occlusion. This blockage can cause pain crises, organ damage, and other severe complications associated with the disease. Furthermore, the abnormal shape and rigidity of sickled cells make them more fragile and prone to premature destruction, both in the bloodstream and the spleen. This increased rate of red blood cell breakdown results in a chronic hemolytic anemia [7](#page=7). > **Tip:** The normal lifespan of a red blood cell is approximately 120 days. In sickle cell anemia, this lifespan is drastically reduced to only 10-20 days, contributing significantly to the anemic syndrome [7](#page=7). --- ## Common mistakes to avoid - Review all topics thoroughly before exams - Pay attention to formulas and key definitions - Practice with examples provided in each section - Don't memorize without understanding the underlying concepts

| Term | Definition | |------|------------| | Proteins | Also known as proteins, these are the most abundant biopolymers in cells, making up about 50% of their dry weight, and are essential for life due to their numerous important functions. | | Amino acids | Small organic molecules with a similar structure that serve as the monomers of proteins; each contains an amino group (alkaline) and a carboxyl group (acidic), giving it an amphoteric character. | | Alpha-amino acids | Amino acids where the amino group (–NH2) and the carboxyl group (–COOH) are attached to the same carbon atom, which is also bonded to a third group called the side chain or radical (R-group). | | Side chain (R-group) | The variable part of an amino acid that determines its individual properties; radicals can be hydrophobic, hydrophilic (polar uncharged, positively charged, or negatively charged), and some contain sulfur. | | Peptide bond | A covalent bond formed by a condensation reaction between the carboxyl group of one amino acid and the amino group of another, with the release of a water molecule (–CO–NH–). | | Polypeptide chain | A linear, unbranched chain formed by the sequential linking of many amino acids through peptide bonds; it has an N-terminus (with a free –NH2 group) and a C-terminus (with a free –COOH group). | | Primary structure | The specific sequence of amino acids in a polypeptide chain, determined by the number, type, and order of amino acids, and maintained by peptide bonds. | | Secondary structure | The regular folding of a polypeptide chain due to numerous hydrogen bonds forming between the –NH– and –CO– groups in the polypeptide backbone, resulting in either an alpha-helix or a beta-sheet. | | Alpha-helix | A type of secondary protein structure where the polypeptide chain coils into a spiral shape, stabilized by hydrogen bonds that form approximately every three amino acids. | | Beta-sheet | A type of secondary protein structure where the polypeptide chain folds into a pleated, accordion-like pattern, stabilized by hydrogen bonds formed across more than three amino acids. | | Tertiary structure | The additional three-dimensional folding of a polypeptide chain beyond its secondary structure, stabilized mainly by hydrogen bonds, ionic bonds between R-groups, hydrophobic interactions, and disulfide bridges. | | Active center | A specific region within the tertiary structure of a globular protein that contains functionally active groups crucial for the protein's function, often formed by the spatial proximity of distant amino acids. | | Globular proteins | Proteins with a compact, spherical three-dimensional shape, characterized by the spatial folding of their polypeptide chains, often containing an active center and playing roles like enzymes and transport proteins. | | Fibrillar proteins | Proteins with a relatively unfolded, thread-like molecular shape, such as keratin, which forms structural components like hair and nails. | | Disulfide bridges | Covalent bonds formed between the sulfur atoms of two cysteine amino acid residues, which help to stabilize the tertiary and quaternary structures of proteins. | | Quaternary structure | The arrangement of two or more polypeptide chains (subunits), each with its own tertiary structure, to form a functional protein complex, maintained by weak interactions and disulfide bridges. | | Hemoglobin | A protein with quaternary structure, composed of four polypeptide chains, responsible for oxygen transport in the blood. | | Myoglobin | A globular protein that binds oxygen in muscle cells, consisting of a single polypeptide chain. | | Non-protein components | Parts of a protein molecule that are not polypeptide chains, such as metal atoms, carbohydrates, or lipids (e.g., the heme group in myoglobin and hemoglobin). | | Sickle cell anemia | A genetic disorder caused by a point mutation in the gene for the beta-globin chain of hemoglobin, leading to the production of abnormal hemoglobin S and characteristic sickle-shaped red blood cells. | | Hydrolysis | A process where peptide bonds in a protein molecule are broken down into constituent alpha-amino acids through the addition of water, often facilitated by suitable pH conditions or enzymes. | | Denaturation | The process where a protein loses its natural spatial structure (native conformation) due to the disruption of stabilizing bonds by factors like heat, radiation, strong acids/bases, or organic solvents, leading to loss of biological activity. | | Renaturation | The process by which a denatured protein can regain its native conformation and biological activity under suitable conditions, demonstrating that the primary structure dictates the protein's final form. | | Precipitation | The clumping and settling of protein molecules, often caused by the disruption of their hydration shell by high salt concentrations (salting out) or other agents, which can be reversible if the protein is not denatured. |

# Het proces van gerst tot bier Het proces van gerst tot bier omvat de transformatie van graan tot een gefermenteerd, alcoholisch drankenproduct door een reeks nauwkeurig gecontroleerde stappen [8](#page=8). ### 1.1 De vier hoofdgrondstoffen van bier Bier wordt geproduceerd uit vier hoofdingrediënten: mout, hop, water en gist. Gerst kan niet direct worden gebruikt omdat het zetmeel bevat dat eerst moet worden omgezet in vergistbare suikers [8](#page=8). ### 1.2 Mouten: de transformatie van gerst naar mout Mouten is het proces waarbij gerst wordt voorbereid om enzymen te ontwikkelen die nodig zijn voor het omzetten van zetmeel naar suikers. Dit proces vindt plaats in de mouterij, niet in de brouwerij [8](#page=8). #### 1.2.1 Voorbereiding van de gerst 1. **Voorreiniging:** Gerst wordt gezuiverd van stof, stro, stenen en ijzerdeeltjes om schade aan apparatuur te voorkomen en het weekwater niet te vervuilen [9](#page=9). 2. **Gerstbewaring:** Gerst wordt in silo's bewaard om te herstellen van 'kiemrust' en om een continue aanvoer te garanderen. Tijdens de bewaring is controle van zuurstof, temperatuur en vochtgehalte essentieel [9](#page=9). 3. **Hoofdreiniging:** Gerst wordt gesorteerd op korreldikte om een homogene kieming te verzekeren [10](#page=10). #### 1.2.2 Het eigenlijke moutingsproces 1. **Weken:** Gerst neemt water op gedurende ongeveer twee dagen, waardoor het vochtgehalte stijgt van ca. 12% naar 45%. Het weekwater verwijdert stof en loogt oplosbare stoffen uit. Water- en droogweekperioden worden afgewisseld om kieming te activeren en ademhalingskoolzuur af te voeren. Aan het einde van het weken begint de gerst te ‘ punten’ (kiem begint zichtbaar te worden) [10](#page=10). 2. **Kiemen:** Dit proces duurt gemiddeld 5 tot 7 dagen. Het hoofddoel is de vorming en activatie van enzymen die later de reservestoffen (zetmeel, eiwit) zullen afbreken. Tijdens de kieming ontwikkelen wortel- en bladkiem zich. Celwanden worden afgebroken (cytolyse), waardoor het zetmeel toegankelijker wordt. Stofverliezen door kiemverbruik worden geminimaliseerd. Kieming gebeurt onder gecontroleerde omstandigheden van vocht, temperatuur (10-20 °C) en zuurstof. Er zijn twee systemen voor kiemen: vloer- en pneumatische mouterijen, waarbij pneumatische systemen het meest worden gebruikt [11](#page=11) [12](#page=12) [22](#page=22) [23](#page=23). 3. **Eesten (Drogen):** Groenmout (gekiemde gerst) wordt gedroogd van 45% naar 2-4% vochtgehalte met warme lucht. Dit stopt de kieming en maakt het mout bewaarbaar. Tijdens het eesten ontstaan ook aroma- en kleurstoffen [12](#page=12). * **Bleekmout:** Eerst drogen op 40-45 °C (vocht < 10%), daarna afstoken op 80-85 °C. Enzymen blijven grotendeels behouden [12](#page=12). * **Donkermout:** Drogen op 40-45 °C (vocht 20-25%), dan temperatuur verhogen tot 60-70 °C onder constant vochtgehalte, gevolgd door afstoken tot 105 °C. Hierbij treden Maillardreacties op, die melanoïdinen vormen (kleur- en smaakstoffen) en meer enzymen gaan verloren [12](#page=12) [25](#page=25). #### 1.2.3 Nazorg van het mout 1. **Ontkiemen:** Wortelkiempjes worden verwijderd vanwege hun hygroscopische eigenschappen en bittere smaak; ze worden verwerkt tot veevoeder [12](#page=12) [13](#page=13). 2. **Moutbewaring:** Mout wordt minimaal vier weken bewaard om de wortfiltratie, gisting en klaring in de brouwerij te faciliteren. Bewaring gebeurt in goed gesloten silo's, koud en droog [13](#page=13). 3. **Polieren:** Vlak voor verzending wordt mout gepolijst om stof en losse kafdeeltjes te verwijderen [13](#page=13). ### 1.3 Brouwen: van mout tot wort De brouwerij zet mout, water en hop om in wort, het vloeibare extract dat de basis vormt voor bier [25](#page=25) [8](#page=8). #### 1.3.1 Schroten Mout wordt mechanisch verkleind in een schrootmolen met walsen. Het kaf wordt zo min mogelijk beschadigd omdat het dient als filtreermassa. Het schroot bestaat uit kaf, grove gries, fijne gries en bloem, waarvan de verhouding het extractrendement en filtratie beïnvloedt [13](#page=13). #### 1.3.2 Beslaan Het moutschroot wordt in een maischkuip met water vermengd ('beslaan'). De verhouding moutschroot tot water is cruciaal voor de extractconcentratie. Brouwwater kan watercorrectie nodig hebben om de smaak en pH te beïnvloeden [14](#page=14). #### 1.3.3 Maischen Maischen is een extractieproces waarbij oplosbare stoffen uit het mout in oplossing gaan en onoplosbare stoffen door enzymatische afbraak oplosbaar worden gemaakt. Dit proces vindt plaats onder specifieke temperatuur- en pH-omstandigheden om de enzymen optimaal te laten werken [14](#page=14). * **Enzymwerking:** * 37-45 °C: Afbraak van hemicellulose en gomstoffen, wat de viscositeit verlaagt [15](#page=15). * 45-52 °C: Werking van eiwitsplitsende enzymen (peptidasen) die eiwitten afbreken tot polypeptiden, peptiden en aminozuren. Dit is belangrijk voor gistvoeding en schuimstabiliteit, maar te veel eiwit kan troebelheid veroorzaken [15](#page=15). * 63-73 °C: Afbraak van zetmeel door amylasen. β-amylase zet zetmeel om in vergistbare suikers (voornamelijk maltose) bij 63 °C, terwijl α-amylase bij 73 °C zetmeel vervloeit tot oplosbare, niet-vergistbare dextrinen [15](#page=15). De grenstemperatuur voor enzymwerking in de maisch is 78 °C [15](#page=15). Er zijn twee maischmethoden: * **Infusiemethode:** Temperaturen worden trapsgewijs bereikt door toevoegen van warm water of direct verwarmen [15](#page=15). * **Kookmethode:** Een deel van de maisch wordt gekookt en terug toegevoegd om mechanische modificatie van zetmeel te bevorderen [15](#page=15). #### 1.3.4 Wortfiltratie Het wort (waterige oplossing van opgeloste stoffen) wordt gescheiden van de draf (onopgeloste stoffen zoals kaf en kiemresten) door filtratie. De draf vormt een natuurlijke filtreerlaag. Dit gebeurt in een filtreerkuip of maischfilter. De draf wordt als veevoeder verkocht [16](#page=16). #### 1.3.5 Wortkoken Het wort wordt gekookt om het te stabiliseren en te bitteren [16](#page=16). * **Stabilisatie:** Water verdampt, enzymen worden vernietigd, eiwitten coaguleren en vormen warme troebel ('breuk'). Suikers en aminozuren reageren, wat leidt tot kleurverhoging en pH-daling [16](#page=16) [17](#page=17). * **Bittering:** Hop wordt toegevoegd. Hopharsen en bitterstoffen lossen op en isomeriseren door de warmte, waardoor het bier bitter wordt. Hoplooistoffen dragen bij aan de breukvorming. De vorm van hop (bellen, pellets, extract) beïnvloedt de hoeveelheid hopdraf [17](#page=17). #### 1.3.6 Wortklaren Troebelstoffen (hopdraf, warme troebel) worden verwijderd omdat ze de gisting kunnen remmen. Methoden omvatten [17](#page=17): * **Hopbak:** Voor verwijdering van grove hopbellen [17](#page=17). * **Koelschip, decantatiebak, whirlpool, wortcentrifuge:** Deze methoden scheiden de zwaardere troebeldeeltjes van het wort door bezinking of centrifugale kracht [17](#page=17) [18](#page=18). Er wordt gestreefd naar maximale extractrecuperatie uit de neerslag [18](#page=18). #### 1.3.7 Wortkoelen Het wort wordt afgekoeld tot de juiste gistingstemperatuur (6-10 °C voor ondergist, 18-25 °C voor bovengist). Meestal gebeurt dit met gesloten platenkoelers. Bij afkoeling beneden 60 °C ontstaat koeltroebel (eiwit-looistofverbindingen), die meestal niet wordt verwijderd. Vlak na koeling wordt het wort belucht met steriele lucht voor gistvermenigvuldiging [18](#page=18). ### 1.4 Gisting: van wort tot jongbier Gist zet vergistbare suikers in het wort om in alcohol en koolzuurgas [18](#page=18) [8](#page=8). #### 1.4.1 Hoofdgisting De gist werkt eerst in een aeroob milieu voor vermenigvuldiging en daarna in een anaeroob milieu voor de omzetting van suikers. Gist verbruikt suikers en neemt eiwitachtige en stikstofvrije verbindingen op voor voeding. Het produceert ook organische zuren, hogere alcoholen, esters en aromastoffen die het 'jongboeket' vormen. Hoogmoleculaire suikers en eiwitten worden niet omgezet en dragen bij aan de volmondigheid en schuimstabiliteit van het bier [18](#page=18) [19](#page=19). * **Ondergist (Lage gisting):** Werkt bij lage temperaturen (6-10 °C) en bezinkt naar de bodem [19](#page=19). * **Bovengist (Hoge gisting):** Werkt bij hogere temperaturen (18-25 °C) en komt bovendrijven [19](#page=19). Gisting gebeurt in open of gesloten gistkuipen/tanks, die individueel gekoeld moeten kunnen worden. Na de hoofdgisting wordt de gist afgetapt of afgeschuimd [19](#page=19). #### 1.4.2 Nagisting of lagering Het jongbier wordt bij lage temperatuur (0-2 °C) gedurende 3 tot 6 weken (of langer) gelagerd. Tijdens deze periode vindt een nagisting plaats, waarbij het bier verzadigd wordt met koolzuur. De smaak wordt verfijnd door verestering en reductie van verbindingen. Troebelstoffen bezinken langzaam, waardoor het bier klaart. Sommige bieren ondergaan hergisting in de fles met toevoeging van suiker en gist [19](#page=19) [20](#page=20). ### 1.5 Afvullen van het bier Het gefilterde en gestabiliseerde bier wordt in verpakkingen gedaan [20](#page=20). #### 1.5.1 Bierfiltratie Filtratie is nodig om resterende troebelstoffen (gist, hopharsen, koude troebel) te verwijderen, die de houdbaarheid en helderheid van het bier kunnen beïnvloeden. Methoden omvatten [20](#page=20): * **Biercentrifuge:** Scheidt troebelstoffen door centrifugaalkracht, vaak in combinatie met andere methoden [20](#page=20). * **Platenfilter:** Bier wordt onder druk door filtreerplaten of doeken geperst. Steriele filtratie (verwijdering van bacteriën) is mogelijk [20](#page=20). * **Kiezelgoer (diatomeeënaarde):** Een filterhulpmiddel dat wordt toegevoegd aan het bier en op fijne zeven wordt weerhouden, waardoor verstopping wordt voorkomen [20](#page=20). Vaak wordt een combinatie van kiezelgoerfiltratie en platenfiltratie gebruikt. Het proces moet onder druk plaatsvinden om koolzuurverlies te voorkomen [21](#page=21). #### 1.5.2 Vaten vullen Vaten worden machinaal gereinigd. Het bier wordt isobarometrisch gevuld om schuimvorming en koolzuurverlies te vermijden. Moderne 'keg-vaten' kunnen volautomatisch worden gereinigd en gevuld [21](#page=21). #### 1.5.3 Bottelen Flessen worden gereinigd in een flessenspoelmachine met water en loog. Bottelen gebeurt onder gelijke druk als het bier om koolzuurverlies te voorkomen. Het bier wordt licht overschuimd om lucht te verdrijven en de houdbaarheid te verbeteren [21](#page=21). * **Pasteurisatie:** Soms wordt bier gepasteuriseerd om infecties te voorkomen. * **Flashpasteurisatie:** Bier wordt kort verwarmd (68 °C gedurende 1 minuut) vóór het afvullen [21](#page=21). * **Tunnelpasteurisatie:** Bier wordt na het afvullen verwarmd (62 °C gedurende 20 minuten) en afgekoeld in een tunnel. Dit proces kan een pasteurisatiesmaak veroorzaken [22](#page=22). ### 1.6 Doelstellingen en stadia per fase #### 1.6.1 De mouterij De belangrijkste doelstellingen van de mouterij zijn: * Vorming en activatie van enzymen [22](#page=22). * Cytolyse (afbraak van celwanden) om zetmeel toegankelijk te maken voor amylasen [22](#page=22). * Beperkte zetmeelafbraak (max. 10%) om de productie van vergistbare suikers voor de brouwerij te reserveren [22](#page=22) [23](#page=23). * Proteolyse (eiwitafbraak) voor de vorming van oplosbaar eiwit en vooral α-aminostikstof voor gistvoeding [22](#page=22) [23](#page=23). * Vorming van smaak- en aromacomponenten via Maillardreacties (vooral bij donkermout) [23](#page=23) [25](#page=25). **Stadia van moutbereiding:** 1. Voorbereiding gerst (transport, voorreiniging, weging, bewaring, hoofdreiniging/kalibratie) [23](#page=23). 2. Weken (vochtgehalte verhogen tot ≥ 38%) [23](#page=23) [24](#page=24). 3. Kiemen (5-7 dagen) voor enzymproductie en celwandafbraak [23](#page=23) [24](#page=24). 4. Eesten (drogen) om vochtgehalte te verlagen (<5%) en biologische ontwikkeling te stoppen, met behoud van enzympotentieel [23](#page=23) [24](#page=24). #### 1.6.2 De brouwerij De doelstellingen van de brouwerij zijn: * Afbreken van hoogmoleculaire inhoudstoffen van mout tot vergistbare suikers en eenvoudige stikstofverbindingen [25](#page=25). * Zorgen voor bitterheid en aroma door toevoeging van hop [25](#page=25). * Steriel maken van het wort [25](#page=25). * Fermenteren van vergistbare suikers tot alcohol en CO₂ [25](#page=25). * Stabiliseren en afvullen van bier [25](#page=25). **Stadia van bierbereiding (brouwerij):** 1. Moutbewaring [26](#page=26). 2. Schroten en inmaischen [26](#page=26). 3. Maischen [26](#page=26). 4. Wortfiltratie [26](#page=26). 5. Wortkoken (met toevoeging van hop) [26](#page=26). 6. Wortklaren [26](#page=26). 7. Wortkoelen en wortbeluchting [26](#page=26). 8. Hoofdgisting [26](#page=26). 9. Lagering of nagisting [26](#page=26). 10. Bierfiltratie [26](#page=26). 11. Flessenreiniging en bottelen [26](#page=26). 12. Vatenvulling [26](#page=26). (Pasteuriseren is niet in de figuur weergegeven) [26](#page=26). --- # Enzymen in mouterij en brouwerij Enzymen zijn de drijvende krachten achter de biochemische omzettingen die essentieel zijn voor het omzetten van hoogmoleculaire reservestoffen in de mouterij en brouwerij naar vergistbare suikers en andere nuttige verbindingen. ### 2.1 Belang in mouterij en brouwerij Het brouwen van bier is in essentie een enzymatisch omzettingsproces. De synthese en activatie van deze enzymen vinden plaats tijdens het mouten, specifiek tijdens het kiemproces van gerst. Vervolgens zetten deze enzymen tijdens het brouwen, met name tijdens het maischen, de hoogmoleculaire moutbestanddelen om tot een wortextract dat vergistbare suikers en eenvoudige stikstofverbindingen bevat. Zonder enzymen zouden deze cruciale omzettingen niet plaatsvinden [28](#page=28) [29](#page=29). ### 2.2 Enzymen Enzymen zijn biochemische katalysatoren van eiwitkarakter die de snelheid van chemische reacties verhogen zonder zelf verbruikt te worden. Hun werkzaamheid is zeer specifiek. Veel industriële processen, zoals die in de mouterij en brouwerij, zijn sterk afhankelijk van de werking van enzymen [30](#page=30). #### 2.2.1 Structuur Enzymen behoren tot de proteïnen (zuivere eiwitten) of proteïden (eiwit met een niet-proteïnedeel). Het niet-proteïnedeel kan een co-enzym zijn (reversibel dissocieerbaar) of een prostetische groep (vastgebonden) [30](#page=30) [31](#page=31). * **Specificiteit:** De specificiteit van een enzym ligt in het proteïnedeel, dat verantwoordelijk is voor substraat- en werkingsspecificiteit [31](#page=31). * **Actief centrum:** Het katalytisch werkende deel van het enzym is het actieve centrum, dat complementair is aan het substraat (lock-and-key theorie). Dit centrum kan bestaan uit een holte, spleet, of specifieke ladingen en reactieve groepen [31](#page=31). * **Conformatie:** De vorm van het enzym (tertiaire structuur) is cruciaal voor de werking, maar is gevoelig voor omgevingsfactoren zoals pH en temperatuur, wat kan leiden tot denaturatie en inactivatie [31](#page=31). #### 2.2.2 Werkwijze De werkwijze van enzymatische katalyse hangt af van of het enzym een proteïne of een proteïde is. * **Enzym als proteïne:** De gekatalyseerde reactie vindt plaats onder invloed van reactieve aminozuren in het actieve centrum. Na de reactie diffunderen de producten weg omdat de affiniteit tussen enzym en product afwezig is [32](#page=32). * **Enzym als proteïde:** De katalyse verloopt in twee stappen. Eerst bindt het substraat aan het actieve centrum, waarna een reactie optreedt met het co-enzym of de prostetische groep. Deze wordt chemisch veranderd en moet vervolgens in een tweede reactie hersteld worden. Bij co-enzymen gebeurt dit via een tweede enzym, terwijl bij prostetische groepen dit via reactie met een tweede substraat gebeurt [33](#page=33). #### 2.2.3 Werkingsomstandigheden Diverse factoren beïnvloeden de enzymactiviteit en spelen een cruciale rol bij het optimaliseren van processen in de mouterij en brouwerij [35](#page=35) [36](#page=36). * **Enzymconcentratie en -activiteit:** Enzymconcentratie is het aantal enzymmoleculen per volume-eenheid, maar in de praktijk is de enzymactiviteit (reactiesnelheid, omzetting per tijdseenheid) relevanter. Activiteit wordt vaak uitgedrukt in Internationale Eenheden (I.U.) [34](#page=34) [35](#page=35). * **Turnover number:** De molaire activiteit of 'turnover number' geeft aan hoeveel substraatmoleculen een enzymmolecule per minuut kan omzetten. Een hoog turnover number duidt op een snelle reactie [35](#page=35). ##### 2.2.3.1 Factoren die de enzymactiviteit beïnvloeden * **Substraatconcentratie:** De reactiesnelheid neemt toe met de substraatconcentratie tot een maximum bereikt is (verzadigingspunt), beschreven door de Michaelis-Menten vergelijking [36](#page=36). * **Enzymconcentratie:** Een hogere enzymconcentratie leidt tot een hogere reactiesnelheid onder constante omstandigheden [36](#page=36). * **Temperatuur:** Elk enzym heeft een optimaal temperatuurbereik. Boven een bepaalde temperatuur treedt irreversibele inactivatie (inactiveringstemperatuur) op. De meeste enzymen zijn actief tussen 35 en 65 °C, maar dit is afhankelijk van diverse factoren. Droge warmte wordt beter verdragen dan vochtige warmte [36](#page=36) [37](#page=37). * **pH (Concentratie aan waterstofionen):** pH beïnvloedt de dissociatie en hydratatie van enzymen. Elk enzym heeft een optimaal pH-gebied dat variabel kan zijn. Sterke pH-veranderingen kunnen leiden tot remming of inactivatie [37](#page=37). * **Activatoren:** Bepaalde ionen of metabolieten kunnen enzymen activeren. Voorbeelden zijn Cl⁻ en Ca²⁺ voor amylasen, en Mn²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺ voor peptidasen [37](#page=37). * **Inhibitoren:** Stoffen die de enzymactiviteit remmen (geheel of gedeeltelijk, reversibel of irreversibel). Voorbeelden zijn zware metalen, alcoholen, ether en formol. Competitieve, allosterische, substraat- en productinhibitie zijn andere vormen [37](#page=37) [38](#page=38). ### 2.3 Enzymatische afbraak De brouwerijtechnologie focust voornamelijk op enzymen die reservestoffen hydrolytisch afbreken tijdens mouten en brouwen [38](#page=38). #### 2.4 Enzymen tijdens de kieming De kieming in de mouterij is cruciaal voor de ontwikkeling van enzymen [38](#page=38). ##### 2.4.1 Doel van de kieming * Ontwikkeling van het embryo [38](#page=38). * Activering van bestaande enzymen [38](#page=38). * Vorming van nieuwe enzymen (de novo synthese) [38](#page=38). * Modificatie van het endosperm [38](#page=38). ##### 2.4.2 Het embryo en zijn groeistadia Het embryo doorloopt verschillende stadia van groei tijdens de kieming, van het 'punt' tot de volledige ontwikkeling van kiemwortels en bladkiem [39](#page=39) [40](#page=40). ##### 2.4.3 Metabolische processen in kiemende gerst Het embryo verbruikt direct beschikbare monosiden en aminozuren voor energie en bouwstoffen. Hormonen zoals gibberelline worden vrijgesteld en transporteren signalen naar de aleuronlaag waar enzymen worden geproduceerd die reservestoffen afbreken. De afbraak van zetmeel wordt idealiter in de brouwerij gemaximaliseerd [41](#page=41). ##### 2.4.4 Vorming en activering van enzymen Enzymen kunnen in gerstkorrels in verschillende vormen voorkomen: volledig actief, gedeeltelijk actief/inactief, of volledig inactief. Tijdens de kieming worden bestaande enzymen geactiveerd en nieuwe enzymen (de novo) gesynthetiseerd [42](#page=42). * **Enzymen reeds actief en onveranderd:** cellobiase, laminaribiase [42](#page=42). * **Enzymen gedeeltelijk inactief, activering tijdens kieming:** sacharase, maltase [42](#page=42). * **Enzymen volledig inactief, activering tijdens kieming:** R-enzym [42](#page=42). * **Enzymen actief en extra gevormd:** exo-β-glucanase, endo-xylase, exo-xylase, xylobiase, arabinosidase, endo-peptidase, exo-peptidase, carboxypeptidase, fosfatase, lipase, polyfenoloxydase, katalase, peroxydase [42](#page=42). * **Enzymen gedeeltelijk inactief/actief en bijgevormd:** β-amylase [42](#page=42). * **Enzymen volledig inactief en bijgevormd:** β-grensdextrinase [43](#page=43). * **Enzymen nieuw gevormd:** endo-β-glucanase, α-amylase [43](#page=43). ##### 2.4.5 Activatie van inactieve of gedeeltelijk inactieve enzymen Inactiviteit wordt vaak veroorzaakt door binding aan onoplosbare proteïnen via disulfidebruggen. Tijdens de kieming worden deze proteïnen afgebroken, waardoor het enzym oplosbaar en actief wordt [43](#page=43). ##### 2.4.6 'De novo' synthese van enzymen Nieuwe enzymen worden gevormd via translatie van DNA naar RNA en vervolgens naar eiwitten op de ribosomen. Dit proces wordt geïnitieerd door gibberellinehormonen die vanuit de kiem naar de aleuronlaag diffunderen, waar ze de synthese van enzymen uit aminozuren stimuleren [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46). * **Stappen van de novo synthese:** 1. Kiem scheidt kiemingshormonen af (o.a. gibberellinezuur) [45](#page=45). 2. Gibberellinezuur diffundeert naar de aleuronlaag [45](#page=45). 3. In de aleuronlaag worden aminozuren vrijgemaakt uit aleuroneiwit onder invloed van het hormoon [45](#page=45). 4. Via DNA en RNA worden uit aminozuren enzymen opgebouwd [45](#page=45). 5. De gesynthetiseerde enzymen verspreiden zich over het meellichaam voor reservestofafbraak [45](#page=45). ##### 2.4.6.3 De rol van gibberellinehormonen Gibberellinen fungeren als inductoren die de transcriptie van enzymcoderende genen mogelijk maken door de repressor te binden. Ze kunnen de kiemduur verkorten door hun toevoeging aan het weekwater of door besproeiing. Hoge concentraties kunnen echter leiden tot ongewenste Maillardreacties en kleurvorming [46](#page=46) [47](#page=47) [48](#page=48) [49](#page=49). ##### 2.4.7 Kiemingsparameters die de enzymen beheersen De biologische en biochemische fasen van de kieming worden beïnvloed door kiemtemperatuur, vochtgehalte, kiemlucht samenstelling, kiemduur, het gebruik van kiemremmers/activators en de kiemapparatuur [50](#page=50). ##### 2.4.8 Omzettingen in het meellichaam Enzymen in het meellichaam breken hoogmoleculaire reservestoffen af, waarvan een deel wordt verbruikt door de kiem voor energie of weefselsynthese. Het is cruciaal om verliezen aan laagmoleculaire afbraakproducten te beperken [50](#page=50). ##### 2.4.9 Afbraak van reservestoffen De afbraak van reservestoffen begint met de diffusie van enzymen uit de aleuronlaag en kiem naar het meellichaam. De afbraakproducten worden opgenomen door het schildje en gedoseerd aan de kiem. De afbraak verloopt niet homogeen en begint bij het schildje, om zich langzaam naar het einde van de korrel te verspreiden, waarbij de afbraak het snelst verloopt rond de aleuronlaag [50](#page=50) [51](#page=51). #### 2.5 Enzymen tijdens het maischen Tijdens het maischen worden de tijdens het mouten gevormde enzymen ingezet om onoplosbare moutbestanddelen om te zetten tot oplosbare en vergistbare stoffen [52](#page=52) [53](#page=53). ##### 2.5.1 Inactivatietemperatuur De inactivatietemperatuur bepaalt wanneer enzymen hun activiteit verliezen, wat invloed heeft op de omzetting van substraten. Bijvoorbeeld, β-amylase wordt geïnactiveerd voordat α-amylase optimaal werkt [55](#page=55). ##### 2.5.2 Optimale pH Elk enzym heeft een optimale pH. De gemiddelde pH van het maischproces (5.8-6.0) komt niet overeen met de optimale pH van veel enzymen, wat leidt tot verminderde activiteit. Een maisch-pH van 5.5 wordt aanbevolen voor een betere enzymwerking, wat resulteert in een hoger brouwzaalrendement en een hogere eindvergistingsgraad. Voor pilsbieren wordt een pH van 5.2 gehanteerd voor betere smaakstabiliteit [55](#page=55) [56](#page=56). ##### 2.5.3 Maischconcentratie Een dikke maisch vertraagt de enzymwerking, terwijl een dunne maisch deze versnelt, wat verband houdt met substraatinhibitie [56](#page=56). ##### 2.5.4 Maischmethode De duur en intensiteit van de maischmethode beïnvloeden de enzymwerking. Infusiemethodes met rustperiodes bij specifieke temperaturen zorgen voor enzymatische afbraak, terwijl decoctiemethodes door koken ook fysisch-chemische omzettingen bewerkstelligen [57](#page=57). ##### 2.5.5 Maischduur Een langere maischduur geeft enzymen meer tijd om te werken [57](#page=57). ##### 2.5.6 Moutkwaliteit Hoge modificatiegraad en enzymgehalte van het mout leiden tot betere enzymatische extractie tijdens het brouwen [57](#page=57). ##### 2.5.7 Werking enzymgroepen De enzymwerking kan worden ingedeeld naar temperatuurzones: * **Groep 1 (37-38 °C):** Weeken, vrijstellen van hydrolytische enzymen. Enzymwerking is beperkt; lipasen zijn weinig actief door hoog pH-optimum. Exo-β-glucanase en arabinosidase zijn actief en verminderen viscositeit [57](#page=57) [58](#page=58). * **Groep 2 (45 °C):** Actieve werking van endo- en exo-xylanases, vermindert viscositeit. Aminopeptidasen en dipeptidasen werken, ondanks minder gunstig pH-optimum, efficiënt; ook wel 'eerste peptonisatietemperatuur' genoemd [58](#page=58). * **Groep 3 (52 °C):** Zeer actieve endopeptidasen en carboxypeptidasen door gunstig pH-optimum; 'tweede peptonisatietemperatuur'. Fosfatasen breken organische fosfaten af en bufferen het wort. Sacharase en β-grensdextrinase werken optimaal, hoewel in lagere concentraties [58](#page=58). * **Groep 4 (63 °C):** Optimale werking van β-amylase [58](#page=58). * **Groep 5 (73 °C):** Optimale werking van α-amylase; 'versuikerings temperatuur' [59](#page=59). #### 2.6 Enzymen tijdens de gisting Tijdens de gisting zijn met name de enzymen van gistcellen actief. Ze zetten suikers om in alcohol, CO₂, en smaakcomponenten [59](#page=59). * **Suikermetabolisme:** Gisten gebruiken glucose als koolstofbron en zetten deze via glycolyse, de Krebscyclus en pentosefosfaatroute om. Belangrijke enzymen in alcoholische fermentatie zijn pyruvaatdecarboxylase en alcoholdehydrogenase [59](#page=59) [60](#page=60). * **Stikstofmetabolisme:** Aminozuren zijn cruciaal voor gistgroei en smaak. Proteasen breken eiwitten af tot peptiden en aminozuren [61](#page=61). * **Bijproducten:** Verschillende bijproducten, zoals diacetyl, organische zuren, vetzuren, hogere alcoholen, esters en zwavelverbindingen, worden gevormd en beïnvloeden de smaak en het aroma van het bier [61](#page=61) [62](#page=62). #### 2.7 Enzymatische afbraak van zetmeel Zetmeelafbraak is het belangrijkste enzymatische proces tijdens het maischen, na een beperkte afbraak in de mouterij [66](#page=66). ##### 2.7.1 Zetmeel Zetmeel, bestaande uit amylose (lineaire ketens) en amylopectine (vertakte ketens), is het reservekoolhydraat van gerst. De afbraak ervan wordt gevolgd met jodium, dat met amylose een blauwe kleur vormt [62](#page=62) [63](#page=63) [64](#page=64). ##### 2.7.2 Zetmeelafbraak * **α-amylase:** Een endo-enzym dat willekeurige α-(1,4)-bindingen splitst, resulterend in dextrinen, maltose en glucose. Dit enzym wordt 'de novo' gesynthetiseerd tijdens de kieming [68](#page=68). * **β-amylase:** Een exo-enzym dat aan het niet-reducerend einde α-(1,4)-bindingen splitst, voornamelijk maltose. Het is grotendeels aanwezig in gerst en wordt geactiveerd tijdens de kieming [68](#page=68). ##### 2.7.3 Evaluatie van de amylase activiteit en zetmeelafbraak De activiteit wordt geëvalueerd op afgewerkt mout middels bepaling van diastatisch vermogen, α-amylase activiteit, en gecombineerde amylase activiteit (bv. via de Congres-analyse) [71](#page=71) [72](#page=72). #### 2.8 Enzymatische afbraak van niet-zetmeel polysachariden ##### 2.8.1 Cellulose Cellulose, een structuurkoolhydraat in het kaf, wordt niet enzymatisch afgebroken tijdens mouten en brouwen omdat de benodigde enzymen (cellulasen) afwezig zijn [72](#page=72). ##### 2.8.2 Hemicellulose (β-glucaan en pentosanen) Hemicellulose, aanwezig in celwanden, wordt afgebroken door hemicellulasen (β-glucanasen en pentosanasen). Dit is cruciaal voor de afbrokkeling van meellichaamcellen en maakt zetmeel toegankelijk voor amylasen [73](#page=73) [74](#page=74). * **β-glucaan:** Gedeeltelijk wateroplosbaar, kan viscositeitsproblemen veroorzaken. Afbraak gebeurt door endo- en exo-β-glucanase, cellobiase, laminaribiase en β-glucaansolubilase [74](#page=74) [75](#page=75) [76](#page=76). * **Pentosanen:** Arabinoxylaans. Afbraak gebeurt door endo- en exo-xylanase, arabinosidase en xylobiase. Pentosanasen zijn beperkt aanwezig en dragen weinig bij aan de hemicelluloseafbraak [79](#page=79) [80](#page=80). ##### 2.8.3 Evaluatie van de cytolyse Cytolyse wordt geëvalueerd via kleuringen, korrelhardheid, maalbewerking, en analyses zoals viscositeitsbepaling en fijn-grof verschil. Een te sterke cytolyse kan leiden tot "lege" bieren, terwijl te weinig cytolyse filtratieproblemen kan veroorzaken [82](#page=82). #### 2.9 Enzymatische afbraak van eiwitten Eiwitafbraak (proteolyse) is essentieel voor de aanmaak van laagmoleculaire stikstofverbindingen die cruciaal zijn voor gistvoeding [82](#page=82) [83](#page=83). * **Belang:** Zorgt voor gistvoedingsbestanddelen (α-aminostikstof), schuimhoudbaarheid en volmondigheid [85](#page=85) [90](#page=90). * **Enzymen:** Peptidasen, waaronder endo-peptidase, exo-peptidase (carboxy- en aminopeptidasen), en dipeptidase, zijn betrokken [85](#page=85) [86](#page=86) [87](#page=87). * **Evaluatie:** Bepaald door controle van het Kolbach-getal, α-aminostikstofgehalte, en proteïnase-activiteit [90](#page=90). #### 2.10 Enzymatische afbraak van de organische fosforzuuresters Fosfatasen, met name fytase, breken fytinezuur af en leveren fosfaten die bufferend werken in het wort. De activiteit wordt gestimuleerd door een hoog vochtgehalte en hoge kiemingstemperatuur [90](#page=90). #### 2.11 Enzymatische afbraak van vet Vetten worden afgebroken door lipasen, die esterverbindingen hydrolyseren. Vetafbraakproducten worden grotendeels verademd of gebruikt voor kiemopbouw en celwandopbouw van gistcellen. Vetten kunnen negatieve invloed hebben op smaak en schuimstabiliteit van bier [91](#page=91) [92](#page=92). #### 2.12 Enzympreparaten Wanneer mout onvoldoende enzymen bevat of om de maischduur te verkorten, kunnen enzympreparaten worden toegevoegd. Deze zijn echter kostbaar en worden doorgaans alleen bij specifieke problemen ingezet [92](#page=92). #### 2.13 Effect van de enzymatische omzettingen De enzymatische omzettingen in de mouterij leiden tot een verzachte structuur van het meellichaam ('afbrokkeling' of 'oplossing'). Een deel van de afbraakproducten wordt door de kiem verbruikt, wat resulteert in een verlies van moutextract. Continue controle van grondstoffen, temperatuur, pH en omzettingen is essentieel voor een succesvol brouwerijproces. Correcte enzymatische afbraak is cruciaal voor het vermijden van problemen tijdens maischen, filtratie, gisting, lagering en de uiteindelijke bierkwaliteit [93](#page=93) [94](#page=94) [95](#page=95). --- # Gerst en mout: grondstoffen voor bier Dit hoofdstuk behandelt de gerst als primaire grondstof voor de bierbereiding, inclusief de eigenschappen, samenstelling, kwaliteitsbeoordeling en de transformatie naar mout. ### 3.1 Gerst als belangrijkste grondstof voor mouterij en brouwerij Hoewel diverse graansoorten vermout kunnen worden, is gerst (Hordeum vulgare) de meest gebruikte grondstof voor mout en bierproductie. Tarwe wordt in sommige regio's, zoals Duitsland, eveneens vermout [97](#page=97). ### 3.2 Voordelen van gerst Gerst kent zes belangrijke voordelen die het tot de voorkeursgrondstof voor bier maken: 1. **Teeltgemak**: Gerst is niet veeleisend wat betreft bodem en klimaat, waardoor het wereldwijd geteeld kan worden [97](#page=97). 2. **Snelle kieming en enzymvorming**: De aleuronlaag van gerst bestaat uit drie cellagen, wat resulteert in een hoge enzymproductie en een snelle afbraak van zetmeel tot opneembare koolhydraten [97](#page=97). 3. **Gekleed graan met beschermend kaf**: Het kaf is vergroeid met de vruchtwand en beschermt de kiem tijdens de verwerking. Het kaf is ook cruciaal als filtreerlaag tijdens de wortfiltratie [97](#page=97). 4. **Hoog zetmeelgehalte en extractrendement**: Gerst bevat circa 63% zetmeel (droge stof) en heeft een goed extractrendement [97](#page=97). 5. **Efficiënt vermoutingsrendement**: Uit 100 kg gerst wordt gemiddeld 80 kg mout verkregen [97](#page=97). 6. **Gebalanceerde koolhydraat-eiwitsamenstelling**: De inhoudsstoffen worden vlot afgebroken tot een gunstige wortsamenstelling voor de vergisting [98](#page=98). ### 3.3 Nadelen van gerst Er zijn ook enkele nadelen verbonden aan het gebruik van gerst: 1. **Hoog β-glucaangehalte**: Dit kan leiden tot verhoogde viscositeit en filtratieproblemen [98](#page=98). 2. **Polyfenolen**: Met name proanthocyanidinen in het kaf en de aleuronlaag kunnen leiden tot slechte colloïdale stabiliteit, wrange bitterheid en adstringentie [98](#page=98). 3. **Micro-organismen in kaf**: Het kaf kan bacteriën en schimmels bevatten die de smaak en smaakstabiliteit van bier negatief beïnvloeden [98](#page=98). ### 3.4 De gerstplant Gerst (Hordeum vulgare) behoort tot de grassenfamilie. De korrel bestaat uit een omhulling, embryo (kiem) en meellichaam (endosperm). Na bevruchting vormt zich een graanvrucht [98](#page=98) [99](#page=99). Er worden onderscheiden gemaakt op basis van het aantal rijen korrels per aar: * **Twerijïge gerst** (Hordeum distichum): Slechts één bloem per tand bevrucht, resulterend in twee korrelrijen en symmetrische korrels [100](#page=100). * **Knikkende gerst** (nutans-type): Minder waterinsijpeling, minder kans op schot en schimmelinfecties [100](#page=100). * **Rechtopstaande gerst** (erectum-type): Meer waterinsijpeling, gevoeliger voor schot en schimmelinfecties [100](#page=100). * **Zesrijïge gerst** (Hordeum hexastichum): Alle drie de bloemen per tand bevrucht, resulterend in kleinere, asymmetrische korrels [100](#page=100). Verder onderscheidt men **zomergerst** (voorjaarsteelt) en **wintergerst** (herfstteelt). Tweerijïge knikkende zomergerst wordt beschouwd als de ideale brouwgerst vanwege grote, symmetrische korrels, fijn kaf, hoog extractrendement en laag eiwitgehalte [100](#page=100). **Eisen van mouter en brouwer aan gerst** : * Variëteit met goede mout- en brouweigenschappen. * Grote, homogene partijen. * Gelijkmatige, grote korrels. * Goede kiemkwaliteit. * Hoog zetmeelgehalte. * Relatief laag eiwitgehalte (9-10% ideaal). * Dun kaf. ### 3.5 Bouw van de gerstkorrel #### 3.5.1 Uitwendige aspecten Gerstkorrels zijn ovaal van vorm, bedekt met kaf, en hebben een buikzijde (ronder, met groef) en een rugzijde (afgeplat, met kafnaald) . #### 3.5.2 Inwendige bouw De gerstkorrel, een bedekte graanvrucht, bestaat uit drie hoofddelen : * **Omhulling**: Bestaat uit het kaf, de vruchtwand (pericarp) en de zaadhuid (testa). De testa is semipermeabel en beschermt de korrel. Het kaf, voornamelijk cellulose, is essentieel voor wortfiltratie maar bevat ook stoffen die de bierkwaliteit kunnen beïnvloeden . * **Kiem (embryo)**: Bevindt zich aan de korrelbasis en bevat de rudimentaire delen van de toekomstige plant (bladkiem, stengelorgaan, wortelkiem). Het scutellum (schildje) produceert hydrolytische enzymen en het zuigepithelium transporteert voedingsstoffen naar de kiem . * **Meellichaam (endosperm)**: Vormt het grootste deel van de korrel en bevat zetmeelkorrels ingebed in een eiwitmatrix. De celwanden bestaan uit hemicellulose (o.a. β-glucaan). Voor brouwgerst hebben variëteiten met dunne celwanden de voorkeur. De aleuronlaag aan de rand van het meellichaam bevat levende cellen waar de meeste hydrolytische enzymen worden gevormd. De sub-aleuronlaag bevat het grootste deel van het reserve-eiwit . ### 3.6 Chemische samenstelling van gerst De gemiddelde chemische samenstelling van Europese tweerijïge gerst op droge stof (% d.s.) is als volgt : * Zetmeel: 63 – 65 % * Eenvoudige suikers: 2 – 3 % * Hemicellulose: 8 – 10 % * Gomstoffen: 1 – 1,5 % * Cellulose: 4 – 5 % * Vetten: 2 – 3 % * Ruw eiwit: 9 – 12 % * Mineralen (as): 2 – 3 % #### 3.6.1 De waterinhoud van gerst Het vochtgehalte van gerst varieert (12-20%) en een gehalte van maximaal 14% is wenselijk voor langdurige bewaring. Een hoog vochtgehalte leidt tot verhoogde ademhaling, verlaagde kiemenergie, verhoogde watergevoeligheid en kans op schimmel- en bacterieontwikkeling . #### 3.6.2 De stikstofverbindingen van gerst Het eiwitgehalte van gerst varieert van 8-13,5% (d.s.). Voor brouwgerst is 9,0-11,5% ideaal, met een maximum van 11,5% om het extractgehalte niet te veel te verminderen. Te lage eiwitgehaltes kunnen leiden tot een gebrekkige voeding van de gist en onvolmondige bieren. De relatie tussen stikstofgehalte en extractwaarde kan voorspeld worden met de formule: `% E = A - 4,7 * N + 0,1 * DKG` . Eiwitten worden ingedeeld naar voorkomen: * **Gluten (aleuroneiwit)**: In de aleuronlaag . * **Histologisch eiwit (weefseleiwit)**: In de celwand van zetmeelcellen . * **Reserve-eiwit (fysiologisch eiwit)**: In het endosperm, met name de sub-aleuronlaag . Op basis van oplosbaarheid (Osborne) worden eiwitten ingedeeld in albumines, globulines, prolamines en glutelines . Gerst bevat ook andere N-componenten zoals glycoproteïnen, lipoproteïnen, nucleoproteïnen, wateroplosbare aminozuren en peptiden, en enzymen . #### 3.6.3 De koolhydraatsamenstelling van gerst De belangrijkste koolhydraten zijn zetmeel (63-65%), cellulose (5%), en hemicellulose/gomstoffen (10-11%) . ##### 3.6.3.1 Zetmeel Zetmeel bestaat uit amylose (onvertakt) en amylopectine (vertakt). Verstijfseling is essentieel voor de enzymatische afbraak van zetmeel . ##### 3.6.3.2 Cellulose Cellulose is een structuurkoolhydraat in het kaf, onoplosbaar en moeilijk afbreekbaar . ##### 3.6.3.3 Hemicellulose en gommen Deze polysacchariden (β-glucanen en pentosanen) zijn aanwezig in de celwanden en het kaf. Hemicellulose kan enzymatisch worden afgebroken, wat cruciaal is voor de modificatie van het meellichaam tijdens het mouten . ##### 3.6.3.4 Pentosanen Pentosanen zijn opgebouwd uit D-xylose-eenheden en komen voornamelijk voor in het kaf en endosperm . ##### 3.6.3.5 β-glucanen β-glucanen vormen het hoofdbestanddeel van de celwand van zetmeelcellen en hun enzymatische afbraak is essentieel voor een goede modificatie van het meellichaam (#page=116, 117). Voldoende afbraak leidt tot een lossere structuur van het meellichaam . #### 3.6.4 Vetten Vetten komen voor in het kaf, de kiem en de aleuronlaag. Ze hebben een negatieve invloed op de smaak- en schuimstabiliteit van bier . #### 3.6.5 Vitaminen Gerst en mout zijn rijk aan vitaminen (B1, B2, B6, E, C, H, etc.), essentieel voor kieming en gistgroei . #### 3.6.6 Mineralen en fosfaten Gerst bevat 2-3% mineralen, waaronder veel fosfaten en silicaten. Mineralen zijn belangrijk voor de kiemontwikkeling en gisting. Het fosfaatgehalte is hoog, deels gebonden als fytine, dat tijdens het mouten wordt afgebroken tot anorganisch fosfaat . #### 3.6.7 Polyfenolen of looistoffen Polyfenolen in het kaf en de aleuronlaag (0,1-0,3% d.s.) dragen bij aan kleur en mondgevoel, en hebben een antioxiderende werking. Echter, proanthocyanidinen kunnen leiden tot colloïdale instabiliteit, wrange bitterheid en adstringentie. Selectie op fijn kaf en de behandeling met alkalisch weekwater kunnen proanthocyanidinen reduceren . ### 3.7 Beoordeling van de gerstkwaliteit Objectieve beoordeling van gerstkwaliteit is cruciaal voor mout- en bierkwaliteit . #### 3.7.1 Beoordeling van uitwendige kenmerken Kenmerken zoals glans, kleur (strogeel), geur (fris en stroachtig) en de kwaliteit van het kaf (fijn, gering aandeel) zijn indicatoren voor de kwaliteit. Afwezigheid van vreemde granen, onkruidzaden, gekiemde korrels en andere verontreinigingen is vereist . #### 3.7.2 Fysische beoordeling * **Grootte en gelijkmatigheid van de korrels**: Grote, volbuikige korrels hebben de hoogste brouwwaarde. Een volkorengetal van minimaal 85% en een afvalfractie van maximaal 2-3% zijn wenselijk . * **Kwaliteit van het meellichaam**: Melige korrels (minimaal 80%) worden verkozen boven glazige korrels, die duiden op een hoog eiwitgehalte en moeilijk af te brokkelen meellichaam . * **Hectolitergewicht**: Vroeger een maatstaf (68-75 kg voor brouwgerst), tegenwoordig minder gehanteerd wegens beïnvloeding door diverse factoren . * **Duizendkorrelgewicht (DKG)**: De massa van duizend korrels. Een hoger DKG duidt bij gelijk stikstofgehalte op een hoger extractgehalte . #### 3.7.3 Chemische beoordeling Dit omvat de bepaling van vochtgehalte, eiwitgehalte en extractvoorspelling, vaak met behulp van gestandaardiseerde methoden zoals Kjeldahl en NIR-spectrometrie. Het extractgehalte van gerst varieert van 72-80% op d.s.. Een formule voor extractvoorspelling is: `E = A - 0,75 * P + 0,1 * DKG` . #### 3.7.4 Fysiologische beoordeling * **Kiemcapaciteit**: Het percentage levende korrels (minimaal 96%) . * **Kiemenergie**: Percentage korrels die na een bepaald tijdsinterval kiemen (minimaal 95% na 5 dagen). Een hoge kiemenergie na 3 dagen is cruciaal . * **Watergevoeligheid**: De gevoeligheid voor een te sterke watertoevoer. Een watergevoeligheid van 10% of minder is wenselijk . * **Zwelvermogen of wateropnamesnelheid**: Het procentueel vochtgehalte na 72 uur weking (minimaal 45%) . ### 3.7.5 De bewaring van gerst Gerst moet na reiniging en kalibratie opgeslagen worden om de kiemrust te overbruggen en de continuïteit van de mouterij te verzekeren (#page=127, 128). Bewaring moet koel, droog en zuurstofrijk gebeuren om materiaalverlies te minimaliseren . #### 3.7.5.1 Kiemrust Kiemrust is een natuurlijk mechanisme om kieming in de aar te voorkomen. Tijdens de narijping daalt de concentratie kiemingsinhibitoren en stijgt het gehalte aan kiemingshormonen, waardoor de kiemrust verdwijnt . #### 3.7.5.2 Fundamentele kiemrust Dit is de onmogelijkheid tot kiemen, zelfs onder optimale omstandigheden. Industriële methoden om dit op te heffen omvatten toevoeging van gibberellinezuur of gebruik van alkalisch weekwater . #### 3.7.5.3 Watergevoeligheid Dit fenomeen treedt op bij een te sterke watertoevoer, wat de zuurstoftoevoer naar de kiem kan belemmeren. Watergevoeligheid kan kunstmatig verminderd worden met waterstofperoxide, kieming in zuivere zuurstofatmosfeer, of door lange droogweekperiodes. Ferulazuur wordt genoemd als mogelijke oorzaak . #### 3.7.5.4 Het zwelvermogen Het zwelvermogen (wateropnamesnelheid) is een indicator van het narijpingsproces . #### 3.7.5.5 Verandering van de kiemenergie en de watergevoeligheid tijdens gerstbewaring Tijdens bewaring bereikt de kiemenergie haar maximum, terwijl de watergevoeligheid toeneemt. Gerst is 'moutrijp' wanneer de watergevoeligheid voldoende verdwenen is . #### 3.7.5.6 Bewaaromstandigheden De ademhaling van gerst (C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 2870 kJ/mol) moet geminimaliseerd worden door een laag vochtgehalte (max. 14-15%) en lage temperatuur (onder 15 °C) (#page=133, 134) . ### 3.8 Weken van gerst #### 3.8.1 Doel van het weken Het primaire doel is om de gerst op een vochtgehalte van ± 45% te brengen voor een optimale kieming en enzymvorming. Nevendoelen zijn reiniging, verwijderen van zwemgerst, en gedeeltelijke uitloging van ongewenste stoffen . #### 3.8.2 Problemen bij het weken Gelijkmatige vochtopname is essentieel. Watergevoelige gerst vereist speciale aandacht, evenals de zuurstoftoevoer en temperatuurcontrole . #### 3.8.3 Wateropname door de gerst De testa is semipermeabel en laat water diffunderen. De kiem en het schildje nemen sneller water op. Factoren die vochtopname beïnvloeden zijn korreldikte, gerstvariëteit, klimatologische omstandigheden, temperatuur van het weekwater en het weekproces (continue natweek versus droog-natweek) (#page=139, 140, 141) . #### 3.8.4 De O2-voorziening of beluchting Verhoogd vochtgehalte stimuleert ademhaling, wat zuurstof verbruikt en CO2 produceert. Een gebrek aan zuurstof kan leiden tot alcoholische gisting en vergiftiging van de kiem . #### 3.8.5 Eisen gesteld aan weekwater Het water moet drinkwaterkwaliteit hebben en een laag ijzergehalte. Het eerste waswater moet ververst worden . #### 3.8.6 Additieven voor het weekwater * **Bevordering van de kieming**: Gibberellinen, Ca(OH)2, NaOH, H2O2, H2S . * **Vermindering van de watergevoeligheid**: H2O2 . * **Doden van micro-organismen**: H2O2, formaldehyde, sulfiet, chloorkalk . * **Uitloging van het kaf**: Alkalisch maken van het weekwater met CaO, NaOH, Na2CO3 . #### 3.8.7 Beoordeling van het weekproces * **Bepaling van de weekgraad**: Het procentueel gewichtsverlies door wateropname (#page=145, 146) . * **Verliezen bij het weken**: Stof, uitloging, ademhalingsverliezen en zwemgerst . * **Waterverbruik in de mouterij**: Circa 4-7 m3/ton gerst, met mogelijkheden voor waterrecycling . ### 3.9 Kiemen van gerst #### 3.9.1 Doel van de kieming Ontwikkeling van het embryo, activering en vorming van enzymen, en modificatie van het endosperm . #### 3.9.2 Fysico-chemische veranderingen tijdens de kieming Warmteontwikkeling door aerobe afbraak van zetmeel en vet vereist efficiënte warmteafvoer. Ook CO2 en water worden gevormd. Regelmatig keren en geconditioneerde kiemlucht zijn essentieel. Materiaalverlies wordt beperkt door retourlucht en groeiremmers . ### 3.10 Eesten van gerst #### 3.10.1 Doelstellingen Stopzetten van ademhaling en kieming door vochtvermindering en temperatuursverhoging. Ontwikkeling van kleur- en smaakcomponenten, en verwijdering van ongewenste stoffen uit groenmout (#page=149, 150) . #### 3.10.2 Biologische veranderingen Levende kiemen kunnen nog groeien onder invloed van temperatuur en vochtgehalte . #### 3.10.3 Fysische veranderingen Veranderingen in korrelvolume, kleur en vochtgehalte. Glazigheid kan ontstaan door te snelle temperatuurstijging tijdens het eesten (#page=150, 151). Maillardreacties en polyfenolveranderingen dragen bij aan kleur-, smaak- en aromaveranderingen . #### 3.10.4 Biochemische veranderingen Enzymwerking wordt geremd of gestopt door dalend vochtgehalte en hoge temperaturen. Amylasen, peptidasen, glucanasen, fosfatasen en peroxidasen worden verder gevormd, geactiveerd of geïnactiveerd . #### 3.10.5 De evolutie van de enzymactiviteit tijdens het eesten De activiteit van enzymen zoals α-amylase varieert tijdens het eesten . #### 3.10.6 Producten die gevormd worden tijdens het eesten * **Koolhydraten**: Enkelvoudige suikers stijgen initieel en dalen daarna door Maillardreacties . * **Stikstofverbindingen**: Aminozuurgehalte stijgt tijdens drogen en daalt tijdens afeesten, mede door Maillardreacties. Eiwitcoagulatie beïnvloedt de oplosbaarheid van eiwitten . * **Fosfaatinhoud**: Beperkte toename van anorganisch fosfaat, met verlaging van de pH . * **Polyfenolen**: Oplosbare polyfenolen stijgen, proanthocyanidinen dalen en stijgen weer, wat de colloïdale stabiliteit negatief beïnvloedt . #### 3.10.7 Middelen om mout te differentiëren Verschillen tussen pilsmout en donker mout worden bepaald door keuze van gerst, vermoutings- en eestomstandigheden . #### 3.10.8 Maillardreactie De Maillardreactie, tussen koolhydraten en proteïnen, is verantwoordelijk voor kleur- en aromaveranderingen. Dit proces verloopt in meerdere fasen met vorming van o.a. Amadori-producten, Streckeraldehyden en melanoïdinen (#page=155, 156, 157, 158). Factoren die de reactie beïnvloeden zijn vochtgehalte, pH, temperatuur, aard van suikers en aminozuren, en inhibitoren . #### 3.10.8.2 Betekenis van Streckeraldehyden in de bierveroudering Streckeraldehyden worden deels uitgedreven en gereduceerd, maar kunnen bij bierveroudering weer oxideren tot aldehyden . #### 3.10.8.4 Conclusies voor producten van de Maillardreactie Maillardreactieproducten zijn dominant in donkere mouten en beïnvloeden de flavour met toetsen van gebrand, karamel en biscuit . #### 3.10.9 Het DMS-verhaal Dimethylsulfide (DMS) is een typische off-flavour die ontstaat uit S-methylmethionine (SMM). Lage DMS-gehaltes worden bereikt door gerst met acceptabel SMM, lange koking, korte 'hot stand', gebruik van ongemout, geschikte gist en specifieke maischmethoden . #### 3.10.10 Pilsnermout versus Ale mout Pilsnermout heeft een lage kleur en een hoog diastatisch vermogen, terwijl Ale mout donkerder is en een hogere modificatie en hogere Kolbachindex heeft (#page=162, 163) . #### 3.10.11 Karamelmouten Gevormd door versuikering van de korrelinhoud gevolgd door karamellisatie, wat zorgt voor kleur, typische flavour en verbeterde schuimstabiliteit . #### 3.10.12 Geroosterde producten Geroosterde gerst en mout worden gebruikt voor kleur en intens aroma, waarbij zetmeel verstijfselt en β-glucaan degradeert . #### 3.10.13 Broeimout met lage kleur (reducerende kracht) Ontstaat door ongeremde kieming, wat leidt tot veel eiwitverbindingen en Maillardreactieproducten, en geeft het bier een moutkarakter en verhoogt de reducerende kracht . #### 3.10.14 Invloed van het eesten op de moutkarakteristieken Mouttype en -karakter worden bepaald door de temperatuur en duur van het afeesten . --- # Hop in het brouwproces Hier is de studiehandleiding voor "Hop in het brouwproces": ## 4 Hop in het brouwproces Hop (Humulus) speelt een cruciale rol in het brouwproces door bij te dragen aan de bitterheid, het aroma, de schuimstabiliteit, de klaring van het wort en de antimicrobiële eigenschappen van bier . ### 4.1 Inleiding tot hop Hop behoort tot de orde van de netelgewassen (Urticaceae) en de familie van de Cannabinaceae. Binnen het geslacht Humulus zijn *Humulus lupulus* (de commercieel belangrijke hop) en *Humulus japonicus* (zonder brouwtechnische waarde) de belangrijkste vertegenwoordigers. Hoewel er chemische overeenkomsten zijn met *Cannabis sativa*, verschillen de harsen aanzienlijk; hopharsen zijn bitter en dragen bij aan de bierbitterheid, terwijl die van hennep als drugs fungeren . De opbrengst en kwaliteit van hop variëren sterk door factoren zoals variëteit, jaargang, klimaat en regio. Er zijn variëteiten met lage bitterheid maar uitstekende kwaliteit (bv. Saaz) en soorten met hoge bitterheid maar minder goede kwaliteit (bv. Brewers Gold). België, met een mild zeeklimaat en vruchtbare bodems, kent een rijke variëteit aan hop . #### 4.1.1 Soorten hop in België In België worden verschillende categorieën hop geteeld : * **Aromahoppen:** Deze geven het bier een kruidig, bloemig of citrusachtig aroma en worden laat in het kookproces toegevoegd om vluchtige oliën te behouden. Voorbeelden zijn Cascade, Fuggle, Golding, Saaz, Tettnanger . * **Bitterhoppen:** Deze zijn rijk aan alfazuren en geven het bier bitterheid en houdbaarheid. Ze worden meestal vroeg in het kookproces toegevoegd. Voorbeelden zijn Admiral, Magnum, Merkur, Nugget . * **Dubbeldoelhoppen (Dual purpose hop):** Deze combineren een hoge bitterheid met een aangenaam aroma en kunnen zowel als bitter- als aromahop dienen. Voorbeelden zijn Brewers Gold, Centennial, Chinook . Voor gedetailleerde informatie over specifieke variëteiten kan men terecht op https://www.belgischehop.be/nl/brewer/hopvarieteiten . ### 4.2 Beoordeling van hopbellen De kwaliteit van hopbellen wordt beoordeeld aan de hand van diverse criteria : #### 4.2.1 Uitzicht Gevalideerde criteria zijn: * Steeltjes: niet langer dan 0,5-1 cm; te korte stelen leiden tot ontbladering, te lange stelen zijn ballast . * Zuiverheid: vrij van bladeren, takken, leidraden en touwtjes . * Vorm en grootte: de bel moet voldoende ontwikkeld zijn voor de variëteit . * Integriteit: de bel moet gesloten en onbeschadigd zijn; openstaande dekblaadjes duiden op bevruchting of te late oogst . * Kleur: groengeel met glans is ideaal. Grasgroen duidt op te vroege oogst, geelrood tot roodbruin op overrijpheid. Mat en grijs wijst op slecht drogen, gele/bleke bellen op te veel zwavelen tijdens het eesten, en bruinachtige blaadjes op oude of slecht bewaarde hop . #### 4.2.2 Vochtgehalte Het ideale vochtgehalte na het afeesten is 10-12%. Te droge hop verliest lupuline, te vochtige hop is niet bewaarbaar en kan schimmelen of bruin kleuren . #### 4.2.3 Bevruchting Normaal is hop onbevrucht omdat zaad de ontwikkeling van bitterstoffen ten koste gaat en een onaangename bitterheid veroorzaakt. Maximaal 2% zaad is toelaatbaar. Engelse hopvariëteiten zijn vaak bevrucht, wat voor Engelse Ale-bieren minder problematisch is . #### 4.2.4 Lupuline Lupuline, het gele hopmeel, bevindt zich aan de voet van de schubben in klierachtige bekertjes. Het bevat bitterharsen en essentiële oliën. Glanzend geel en kleverig is normaal; licht gebruind tot bruin duidt op te hoge afeesting of oude bewaring . #### 4.2.5 Aroma De fijnheid van het aroma is belangrijker dan de intensiteit. Typische aroma's zijn variëteit-specifiek. Schimmelgeur wijst op slecht geëeste of te vochtige hop, olie- of rookaroma op een slechte eestbrandstof, en kaasgeur op overjaarse hop door aanwezigheid van iso-boterzuur en iso-valeriaanzuur . ### 4.3 Chemische samenstelling van hop De belangrijkste inhoudsstoffen van hop zijn : * Bitterstoffen: 15-25% droge stof (ds) * Etherische oliën: 0,5-2,5% ds * Looistoffen: 2-6% ds Andere componenten zoals koolhydraten, mineralen en stikstofhoudende stoffen zijn brouwtechnisch minder relevant. De bitterstoffen en etherische oliën zijn gelokaliseerd in de lupuline, terwijl looistoffen in de steel, spil en schubben voorkomen . ### 4.4 Bitterstoffen De hopbitterstoffen (bitterharsen) lossen op en isomeriseren tijdens het wortkoken, wat bijdraagt aan de bitterheid, antiseptische werking, schuimvorming en schuimhoudbaarheid . #### 4.4.1 Niet-specifieke fracties Deze fracties zijn niet nauwkeurig chemisch gekarakteriseerd : * **Totaal aan harsen:** Oplosbaar in koude methanol en di-ethylether (inclusief hardharsen, niet-gekarakteriseerde weekharsen, α-zuren en β-zuren) . * **Totaal aan weekharsen:** Oplosbaar in hexaan (voornamelijk α-zuren, β-zuren en niet-gekarakteriseerde weekharsen) . * **Hardharsen:** Niet oplosbaar in hexaan (berekend als het verschil tussen totaal harsen en totaal weekharsen) . * **De β-fractie:** Totaal aan weekharsen min de α-zuren . * **Niet-gekarakteriseerde weekharsen:** Het deel van de totale weekharsen dat geen specifieke verbindingen zijn . #### 4.4.2 Specifieke fracties Deze fracties hebben een bekende chemische samenstelling : * **De α-zuren:** Bestaan uit humulon, cohumulon en adhumulon . * **De β-zuren:** Bestaan uit lupulon, colupulon en adlupulon . #### 4.4.3 Ontstaan en verhouding van de verschillende fracties In de hopbel worden eerst α- en β-zuren gevormd, die oxideren tot α- en β-weekharsen. Verdere oxidatie en thermische omzettingen tijdens het eesten leiden tot hardharsen. Vooral de α-zuren, en in mindere mate de β-fractie, zijn verantwoordelijk voor de hopbitterheid. Oxidatie tijdens opslag vermindert het bitterheidsvermogen. De verhouding van deze fracties wordt sterk bepaald door de hopvariëteit en wordt beïnvloed door teelt- en eestomstandigheden . > **Tip:** Oxidatie tijdens opslag is nadelig voor het bitterheidsvermogen van hop. #### 4.4.4 Bitterheid Praktisch enkel de totale weekharsen (α-zuren en β-fractie) zijn verantwoordelijk voor de bitterheid in bier. De bijdrage van de β-fractie is ongeveer negen maal kleiner dan die van de α-zuren. Dit leidt tot de bitterheidsformule van Wöllmer : $$ \text{Bitterheidsvermogen van hop} = \alpha + \frac{\beta}{9} $$ . Hopbitterstoffen geven niet direct bitterheid aan het wort. Ze zijn nagenoeg onoplosbaar in koud wort en vereisen voldoende lange wortkoking voor isomerisatie, wat hun oplosbaarheid en bitterend effect verhoogt. Tijdens het koken worden hoofdzakelijk α-zuren geïsomeriseerd tot iso-α-zuren. De isomerisatie en oplossing van de β-fractie is minder volledig, wat de coëfficiënt van 9 in de formule van Wöllmer verklaart . #### 4.4.5 Analyse van hop De analyse van hop richt zich doorgaans op vochtgehalte, totale weekharsen, α-zuren en β-fractie. De analyse maakt gebruik van oplosbaarheidsverschillen in organische solventen en neerslagvorming met loodacetaat. Extractie met koude methanol brengt de totale harsen over naar de methanol-fase. Na aanzuren wordt de oplossing met hexaan uitgeschud; de hardharsen blijven onopgelost, terwijl de totale weekharsen in het apolaire hexaan oplossen. De totale weekharsen worden bepaald door indamping en weging van een deel van het hexaanextract. Omdat enkel α-zuren neerslaan met loodacetaat, kunnen deze gedoseerd worden via conductometrische titratie met Pb(Ac)$_2$ na een heroplossing in methanol. De β-fractie wordt berekend als het verschil tussen de totale weekharsen en de α-zuren. Met deze gegevens kan het bitterheidsvermogen met de formule van Wöllmer berekend worden . #### 4.4.6 Dosering van hop Bij de dosering van hop in het wortkoken moet rekening gehouden worden met: * De bitterwaarde van de hop volgens de formule van Wöllmer (soms wordt enkel rekening gehouden met het α-zuurgehalte) . * De gewenste bitterheid in het uiteindelijke bier . * Het bitterstoffenrendement in de brouwerij, dat schommelt tussen 20% en 30% . Tijdens het koken gaan ongeveer 50% van de bitterstoffen verloren door incomplete oplossing en isomerisatie. Nog eens 50% van de opgeloste stoffen gaat verloren door adsorptie aan warme en koude troebel, gistadsorptie en schuimdekverliezen. Het lage rendement betekent dat ongeveer vier maal meer bitterstoffen als hop moeten worden toegevoegd dan het gewenste gehalte in het bier . > **Voorbeeld:** Om 500 hl wort te bitteren met Hallertau (bitterheidsvermogen 6,7) en Saaz (4,4) tot een iso-α-zuurgehalte van 30 mg/l in het afgewerkte bier, en met een bitterstofrendement van 25%, is 120 mg/l bitterheid per liter wort nodig. Dit komt overeen met 6 kg/500 hl of 3 kg bitterstoffen van elke hopvariëteit. Voor Hallertau vereist dit 44,8 kg hop (bij 6,7 g/100g), en voor Saaz 68,2 kg hop (bij 4,4 g/100g) . ### 4.5 Etherische oliën De etherische oliën in hop zijn verantwoordelijk voor het typische hoparoma. Verse hop bevat 65-75% terpeenkoolwaterstoffen (vooral myrceen en sesquiterpenen) en geoxideerde derivaten daarvan. Myrceen bepaalt grotendeels het aroma; de geoxideerde vorm kan smaakstabiliteitsproblemen veroorzaken. Afbraakproducten van α- en β-zuren kunnen ook het aroma beïnvloeden tijdens opslag . Hopoliën zijn slecht wateroplosbaar en vluchtig met waterdamp, waardoor ongeveer 90% vervluchtigt tijdens het koken. Kleine fracties blijven echter achter en zorgen voor de typische hopreuk en -smaak . Om een bijzonder hoparoma te bekomen, kan aromahop laat in de kook worden toegevoegd, of kan men gebruikmaken van 'dry hopping' waarbij hop in de hopbak of lagertank wordt toegevoegd. Het hoparoma heeft niets te maken met de bitterheid van het bier; aroma komt van essentiële oliën, bitterheid van geïsomeriseerde bitterstoffen . ### 4.6 Looistoffen Hoplooistoffen bevinden zich voornamelijk in de dekblaadjes, maar ook in de steeltjes en lupuline. Ze bestaan voor ongeveer 80% uit condenseerbare looistoffen zoals anthocyanidinen, wat ze reactiever maakt dan moutlooistoffen bij het vormen van eiwit-looistofverbindingen. Tijdens opslag en koken oxideren anthocyanidinen gedeeltelijk tot roodbruine flobafenen, die een wrange smaak en verhoogde kleur aan het bier geven . Eiwit-looistofverbindingen zijn warmte-oplosbaar en koud-moeilijk oplosbaar (koude troebel). Eiwit-flobafenen zijn zowel warm als koud moeilijk oplosbaar (warme en koude troebel). Oxidatie tot flobafenen verloopt beter in alkalisch milieu, waardoor minder zure wort donkerder kleurt tijdens het koken. Looistoffen dragen ook bij aan colloïdale troebels in bier . ### 4.7 Hoppreparaten Hop kan in verschillende vormen worden toegevoegd : * **Hop en natuurhop:** Natuurlijke, gedroogde hopbellen . * **Hoppoeder:** Preparaten verkregen door hop te malen zonder mechanische concentratie . * **Geconcentreerd hoppoeder:** Preparaten verkregen door hop te malen met mechanische concentratie . * **Hopextract:** Preparaten gemaakt door hop te extraheren met een oplosmiddel . * **Geïsomeriseerd hopextract:** Preparaten gemaakt door extractie met een oplosmiddel, waarin de α-zuren reeds geïsomeriseerd zijn . ### 4.8 Functie van hop Hop wordt toegevoegd voor de volgende functies : * Bier voorzien van een typisch bitterkarakter (voornamelijk door alfa-zuren) . * Bier een typisch hoppig aroma geven (door etherische oliën) . * Bijdragen aan de schuimstabiliteit (vorming en kleefbaarheid) . * Helpen bij de klaring van gekookt wort (warme troebel, door looistoffen) . * Bijdragen aan de sterilisatie van wort . * Preventie tegen infecties . --- # Gist: rol en fasen van de gisting Gist speelt een cruciale rol in de transformatie van zoet wort naar bier, waarbij het vier belangrijke veranderingen teweegbrengt: de vorming van alcohol, de verlaging van de pH door de aanmaak van zuren, de carbonisatie door CO2-productie, en de ontwikkeling van diverse metabolische producten die bijdragen aan de smaak en het aroma van bier. Brouwers hechten veel waarde aan hun giststammen, die vaak traditioneel worden aangeduid als 'ale' gist (Saccharomyces cerevisiae) of 'lager' gist (Saccharomyces carlsbergensis), ondanks taxonomische classificaties. Gistgroei bij het brouwen vindt plaats onder strikte, vaak anaerobe en relatief lage-temperatuur omstandigheden, wat resulteert in een relatief kleine hoeveelheid nieuwe gistmassa en een accumulatie van metabolische bijproducten, alcohol en CO2. Het optimaliseren van zowel de wortkwaliteit als de gistingsomstandigheden is essentieel voor consistente biersmaak en -kwaliteit . ### 5.1 Nomenclatuur bij de hoofdgisting Er bestaan verschillende terminologieën die gebruikt worden om de stadia en metingen tijdens de gisting te beschrijven . * **Extract van het wort/stamwort:** De totale hoeveelheid opgeloste en onopgeloste stoffen in wort, uitgedrukt in gram per 100 gram . * **Schijnbaar extract:** Het gemeten extractgehalte in ontkoolzuurd bier, waarbij de aanwezigheid van alcohol de dichtheid beïnvloedt . * **Werkelijk extract:** Het extractgehalte na destillatie van de alcohol en aanvulling met gedestilleerd water tot het oorspronkelijke gewicht . * **Hoofdgisting:** De eerste fermentatiefase van stamwort tot jongbier . * **Nagisting/Lagering:** De tweede fermentatiefase van jongbier tot gelagerd bier . * **Stamwort:** Wort in de gistkuip vóór het toevoegen van de gist . * **Ingisten:** Het toevoegen van zetgist aan het stamwort . * **Zetgist:** De hoeveelheid gist die gebruikt wordt voor het ingisten . * **Gistend bier:** Bier tijdens de fase tussen ingisten en jongbier . * **Jongbier:** Bier aan het einde van de hoofdgisting . * **Slangen:** Het overbrengen van jongbier naar de lagertank . * **Geoogste gist:** De hoeveelheid gist die na de hoofdgisting wordt verzameld . * **Gelagerd bier:** Niet-gefiltreerd bier aan het einde van de nagisting . * **Bier:** Helder, gefiltreerd, afgewerkt bier . #### 5.1.1 Vergistingsgraad De vergistingsgraad meet het verloop van de gisting en wordt uitgedrukt als het percentage vergist extract ten opzichte van het stamwortextract . $$ \text{vergistingsgraad} (\%) = \frac{\text{extract stamwort} - \text{extract monster}}{\text{extract stamwort}} $$ . Er wordt onderscheid gemaakt tussen de werkelijke vergistingsgraad en de schijnbare vergistingsgraad, afhankelijk van of het werkelijke of schijnbare extract van het monster wordt gebruikt . * **Werkelijke V.G. (%):** $$ \frac{\text{extract stamwort} - \text{werkelijk extract monster}}{\text{extract stamwort}} $$ . * **Schijnbare V.G. (%):** $$ \frac{\text{extract stamwort} - \text{schijnbaar extract monster}}{\text{extract stamwort}} $$ . De **eindvergistingsgraad** is de maximaal haalbare schijnbare vergistingsgraad voor een specifiek wort, bepaald in het laboratorium onder optimale omstandigheden . ### 5.2 De cytologie van de gistcel Een gistcel is een eukaryote cel met een celwand, een cytoplasmatisch membraan, cytoplasma met organellen (mitochondriën, vetkorrels, vacuolen, Golgi-apparaat) en een celkern (nucleus). De celwand geeft de cel vorm en stevigheid. Het plasmamembraan reguleert het transport van stoffen in en uit de cel. De celkern bevat het erfelijk materiaal . ### 5.3 Gistcelvermenigvuldiging Gisten vermenigvuldigen zich voornamelijk door **knopvorming** (aseksueel) waarbij een dochtercel zich vormt aan de moedercel. Eén cel kan tot honderd keer uitspruiten, en het aantal knopvormingslittekens op de celwand kan een indicatie geven van de ouderdom van de cel. De generatietijd (tijd voor vorming van een dochtercel) is afhankelijk van temperatuur, voeding en de fysiologische toestand van de gist. Optimale vermenigvuldiging vindt plaats tussen 25-30 °C. Hogere suikerconcentraties (>20%) kunnen leiden tot plasmolyse, tenzij het osmofiele gisten betreft. Koolgas remt vermenigvuldiging, zuurstof stimuleert dit sterk. Alcohol remt groei vanaf 6% concentratie . Onder ongunstige omstandigheden kan gist zich vermenigvuldigen door **sporevorming** (seksueel). Biergist behoort tot de ascosporogene gisten en vormt één tot vier ascosporen in de moedercel. Vóór sporevorming vindt meiose plaats, waarbij diploïde kernen (16 paar chromosomen) worden omgezet in haploïde kernen (16 enkele chromosomen). Elke ascospore is haploïd . ### 5.4 Saccharomyces cerevisiae en Saccharomyces carlsbergensis Dit zijn de twee belangrijkste cultuurgisten in de brouwerijwereld, beide behorend tot het geslacht Saccharomyces . * **Saccharomyces cerevisiae (bovengist):** Vergist bij relatief hoge temperaturen (15-25 °C) en stijgt naar boven tijdens intensieve gisting, vormend een gistdek. Kenmerkend is de vorming van sterk vertakte celketens tijdens knopvorming. Bovengist kan raffinose slechts voor een derde vergisten, omdat het enzym melibiase ontbreekt . * **Saccharomyces carlsbergensis (ondergist):** Vergist bij lagere temperaturen (5-10 °C) en bezinkt na de gisting. Dochtersellen komen gemakkelijk los van de moedercel, wat resulteert in geïsoleerde of gepaarde cellen. Ondergist vergist raffinose volledig doordat het enzym melibiase aanwezig is . #### 5.4.1 Fysiologische verschillen Naast de vergisting van raffinose, verschillen deze gisten ook in hun vermogen om sporen te vormen en hun ademhalingsstofwisseling . #### 5.4.2 Gistingstechnische verschillen Figuur 64 illustreert verschillen in vergistingstemperatuur, gistingsbeeld en gistoogst tussen onder- en bovengist . ### 5.5 Ademhaling en gisting Koolhydraten zijn de primaire energiebron. In **aeroob** milieu worden koolhydraten verbrand tot CO2 en H2O via de **Krebs-cyclus**, wat veel ATP en warmte oplevert, essentieel voor gistvermenigvuldiging en groei. In **anaeroob** milieu worden suikers omgezet naar alcohol en CO2 via de **EMP-cyclus (glycolyse)**, waarbij veel minder energie vrijkomt. In dit anaeroob milieu zal de gist zich slechts zeer langzaam vermenigvuldigen . #### 5.5.1 Vergistbare suikers Gist kan voornamelijk hexosen vergisten. Polymeren van hexosen worden vergist tot en met triosen. Maltose wordt door maltase gesplitst in twee glucosemoleculen. Maltotriose wordt door maltase omgezet in drie glucosemoleculen. Sacharose wordt door invertase gesplitst in glucose en fructose. Mannose wordt gefosforyleerd en vervolgens geïsomeriseerd tot fructose-6-fosfaat. Galactose vereist meerdere enzymen om te worden omgezet in glucose-6-fosfaat . De EMP-cyclus (glycolyse) zet elke molecuul glucose of fructose om in twee moleculen pyruvaat, met een netto winst van 2 ATP. Pyruvaat is een sleutelpositie: in aeroob milieu gaat het de Krebs-cyclus in, in anaeroob milieu wordt het grotendeels omgezet naar ethanol en CO2. De energieproductie in anaeroob milieu (2 ATP per mol glucose) is onvoldoende voor substantiële groei en vermenigvuldiging . ### 5.6 Gistingsmetabolieten Tijdens de gisting worden diverse metabolieten gevormd, waaronder hogere alcoholen, esters, aldehyden, diacetyl en pentaan-2,3-dion, die de smaak en het aroma van het bier sterk beïnvloeden . ### 5.7 Keuze van de gist De keuze van de giststam is cruciaal en afhankelijk van vele factoren, waaronder de gewenste vergistingssnelheid, eindvergistingsgraad, vermenigvuldigingssnelheid, zuurstofbehoefte, stabiliteit, de aard en hoeveelheid van gevormde gistingproducten, en de invloed op bierkleur, schuimhoudbaarheid, volmondigheid en bitterheid. Ook de weerstand tegen infecties en de manier van gisten (bv. in cylindroconische tanks) spelen een rol. De wortsamenstelling kan de gistselectie beïnvloeden . ### 5.8 Isoleren en bewaren van reinculturen Een reincultuur is afkomstig van één enkele gistcel en vereist strenge steriele technieken zoals de druppelcultuur, uitstrijkmethode of micromanipulator voor isolatie. De bekomen reinculturen worden getest op de gewenste eigenschappen en bewaard in een gistbank. Bewaring kan plaatsvinden op vloeibaar of vast medium (bv. MYPG), in sucrose- of lactose-oplossing, of door lyofiliseren (vriesdrogen) . ### 5.9 Gistgroei Gistgroei omvat zowel de toename in celmassa als het aantal cellen. De groei verloopt doorgaans in de volgende fasen : * **Lag-fase (aanpassingsfase):** Een periode waarin de cellen zich voorbereiden op deling, enzymen aanmaken en voedingsstoffen opnemen, zonder significante celdeling . * **Log-fase (exponentiële/logaritmische fase):** Cellen delen zich met een constante, exponentiële snelheid. De groeisnelheid wordt bepaald door de generatietijd . * **Negatieve versnellingsfase:** De groeisnelheid daalt langzaam naarmate voedingsstoffen uitgeput raken en/of toxische stoffen zich ophopen . * **Stationaire fase:** Het aantal levende cellen blijft constant, omdat de vorming van nieuwe cellen gelijk is aan de afsterving . * **Afstervingsfase:** Meer cellen sterven af dan er gevormd worden, mede door de accumulatie van toxische stoffen en autolyse . #### 5.9.1 Gistgroei in relatie tot gistpropagatie Bij gistpropagatie is het doel om de gist zo veel mogelijk in de log-fase te houden, door tijdig overenten in vers medium. Propagatie dient aerobe omstandigheden te hebben om voldoende energie voor groei te verkrijgen. Belangrijke voorwaarden voor propagatie zijn steriliteit van het medium, temperatuurcontrole (10 °C voor ondergist, 20-25 °C voor bovengist), adequate beluchting en het type gist (ondergist gaat minder generaties mee dan bovengist) . ### 5.10 Veranderingen aan het wort tijdens de hoofdgisting De hoofdgisting zorgt voor significante veranderingen in het wort: * **Extractdaling:** Het vergistbare extract wordt omgezet in alcohol, CO2 en andere nevenproducten. De schijnbare eindvergistingsgraad is een vaste waarde voor een bepaald wort en kan niet worden beïnvloed door gistras of wijze van gisten. Voor een goede bewaarbaarheid moet de vergistingsgraad aan het einde van de lagering de eindvergistingsgraad zo dicht mogelijk benaderen . * **pH-daling:** De pH van het wort daalt van ongeveer 5,2-5,3 naar 4,3-4,6 door de productie van organische zuren door gist en verschuivingen in buffermechanismen . * **Veranderingen in stikstofverbindingen:** Gist assimileert laagmoleculaire stikstofverbindingen (aminozuren, ammoniak, peptiden) voor celopbouw. Een FAN-gehalte van minimaal 130 mg/l is vereist voor optimale gistgroei . * **Daling van de redoxpotentiaal (rH):** De rH daalt van 20-26 naar 8-12, wat duidt op een hogere concentratie reducerende stoffen en minder oxiderende stoffen in jongbier en bier . * **Vorming van gistingsnevenproducten:** Hogere alcoholen, esters, aldehyden, diacetyl etc. worden gevormd, die smaak en aroma beïnvloeden . * **Daling van het gehalte aan bitter- en looistoffen:** Deze stoffen slaan neer of worden geadsorbeerd door de gist en CO2-belletjes, wat bijdraagt aan de colloïdale stabiliteit van het bier . * **Kleurvermindering:** De kleur van het wort daalt door de pH-daling, de migratie naar het schuimdek en adsorptie aan gistcellen . * **Gistingsbeeld:** Het visuele aspect van de hoofdgisting verschilt tussen hoge en lage gisting . --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Mouterij-Brouwerij | Een combinatie van een mouterij, waar gerst wordt verwerkt tot mout, en een brouwerij, waar uit mout bier wordt gebrouwen. | | Groenmout | Gekiemde gerst die nog niet is gedroogd of geëest. | | Eesten | Het drogen van groenmout met warme lucht om de kieming te stoppen, het vochtgehalte te verminderen en kleur- en smaakstoffen te ontwikkelen. | | Schroten | Het mechanisch verkleinen van mout tot schroot, waarbij het kaf zo min mogelijk beschadigd wordt. | | Beslaan | Het mengen van schroot met water in een maischkuip om het enzymatische extractieproces te starten. | | Maischen | Een extractieproces waarbij moutbestanddelen door enzymen worden afgebroken en in oplossing gaan om moutextract (wort) te vormen. | | Wortfiltratie | Het scheiden van de vloeibare wort van de vaste draf, meestal met behulp van het kaf als filtreermiddel. | | Wortkoken | Het koken van het wort met hop om bitterheid en aroma toe te voegen, het wort te stabiliseren en te steriliseren. | | Wortklaren | Het verwijderen van onopgeloste stoffen zoals hopdraf en eiwitneerslag uit het gekookte wort. | | Wortkoelen | Het afkoelen van het geklaarde wort tot de juiste gistingstemperatuur. | | Gisting | Een biochemisch proces waarbij gist suikers omzet in alcohol en koolzuurgas. | | Hoofdgisting | De eerste vergistingsfase van wort tot jongbier, waarbij de meeste vergistbare suikers worden omgezet. | | Nagisting of lagering | De tweede vergistingsfase waarbij jongbier rijpt, klaart en aan koolzuur wordt verzadigd. | | Bierfiltratie | Het verwijderen van resterende troebelstoffen uit het bier om het helder te maken. | | Enzymen | Biochemische katalysatoren, meestal eiwitten, die chemische reacties versnellen zonder zelf verbruikt te worden. | | Amylase | Een enzym dat zetmeel afbreekt tot suikers, zoals alfa-amylase en bèta-amylase. | | Proteolyse | De afbraak van eiwitten tot kleinere peptiden en aminozuren door proteolytische enzymen (peptidasen). | | Cytolyse | De afbraak van celwanden, voornamelijk bestaande uit hemicellulose, om de reservestoffen toegankelijk te maken. | | Carbohydrasen | Enzymen die de hydrolyse van glycosidische bindingen in koolhydraten katalyseren, zoals amylasen. | | Peptidasen | Enzymen die peptidebindingen hydrolyseren, verantwoordelijk voor eiwitafbraak. | | Hemicellulose | Een structuurkoolhydraat, voornamelijk bestaande uit β-glucanen en pentosanen, dat de celwanden stevigheid geeft. | | β-glucanen | Een component van hemicellulose, die bij onvoldoende afbraak kan leiden tot visositeitsproblemen in wort en bier. | | Pentosanen | Een component van hemicellulose, opgebouwd uit pentosen, die ook bijdraagt aan de structuur van celwanden. | | Lupuline | Het gele hopmeel in hopbellen dat bitterharsen en essentiële oliën bevat, verantwoordelijk voor de bitterheid en het aroma van bier. | | α-zuren | Een groep van bitterstoffen in hop (humulon, cohumulon, adhumulon) die na isomerisatie de bitterheid aan bier geven. | | β-zuren | Een groep van bitterstoffen in hop (lupulon, colupulon, adlupulon) die minder bijdragen aan de bitterheid dan α-zuren. | | Etherische oliën | Vluchtige aromatische bestanddelen in hop die verantwoordelijk zijn voor het typische hoparoma. | | Looistoffen | Polyfenolen in hop die bijdragen aan de klaring van wort en die een negatieve invloed kunnen hebben op de colloïdale stabiliteit van bier. | | Saccharomyces cerevisiae | De gistsoort die wordt gebruikt voor bovengisting (ale-bieren), gekenmerkt door een gisting bij hogere temperaturen en het vormen van een gistdek aan het oppervlak. | | Saccharomyces carlsbergensis | De gistsoort die wordt gebruikt voor ondergisting (lager-bieren), gekenmerkt door een gisting bij lagere temperaturen en het bezinken op de bodem. | | Knopvorming | De aseksuele vermenigvuldigingswijze van gist, waarbij kleine uitstulpingen (knopjes) aan de moedercel ontstaan. | | Sporevorming | Een seksuele vermenigvuldigingswijze van gist, waarbij duurzame sporen worden gevormd onder ongunstige omstandigheden. | | Glycolyse (EMP-cyclus) | De biochemische route waarbij glucose wordt afgebroken tot pyruvaat, wat energie (ATP) en reducerende equivalenten oplevert. | | Krebs-cyclus (citroenzuurcyclus) | Een centrale metabolische route die bij aeroob metabolisme wordt gebruikt om energie te produceren uit pyruvaat. | | Adenosinetrifosfaat (ATP) | Een energierijke molecuul die door cellen wordt gebruikt om diverse processen aan te drijven. | | Vergistingsgraad | Een maatstaf voor het verloop van de gisting, die aangeeft hoeveel van het extract is vergist. | | Lag-fase | De aanpassingsfase van gist in een nieuw medium, waarin het aantal cellen nog niet significant toeneemt, maar wel metabole activiteit plaatsvindt. | | Log-fase | De fase van exponentiële groei, waarin het aantal gistcellen snel toeneemt met een constante verdubbelingstijd. | | Stationaire fase | Een groeifase waarin het aantal levende gistcellen constant blijft, omdat de celvorming gelijk is aan de celafbraak. | | Afstervingsfase | De fase waarin het aantal gistcellen afneemt door celafbraak, vaak veroorzaakt door toxische stoffen of gebrek aan voedingsstoffen. | | Maillardreactie | Een chemische reactie tussen aminozuren en reducerende suikers bij verhitting, die leidt tot de vorming van kleur- en smaakstoffen (melanoïdinen). | | Streckeraldehyden | Reactieve carbonylverbindingen die ontstaan uit Maillardreacties en bijdragen aan aroma en kleurontwikkeling. | | Dimethylsulfide (DMS) | Een off-flavour in bier die ontstaat door thermische degradatie van S-methylmethionine (SMM). | | Colloïdale troebel | Fijne, moeilijk uitvlokkende deeltjes in bier die de helderheid negatief beïnvloeden, vaak veroorzaakt door eiwit-looistofcomplexen. | | Diastatisch vermogen | De enzymatische activiteit van mout, voornamelijk bepaald door de amylase-activiteit, die de omzetting van zetmeel naar suikers bevordert. | | Kolbach-getal | Een maatstaf voor de eiwitafbraak tijdens het mouten, gedefinieerd als de verhouding van oplosbaar eiwit tot totaal eiwit. | | Fytinezuur | Een fosforzuurverbinding die in gerst voorkomt en tijdens het mouten door fytase wordt afgebroken tot anorganisch fosfaat. | | Polyfenolen (looistoffen) | Stoffen in hop en gerst die bijdragen aan de kleur, het mondgevoel en de stabiliteit van bier, maar ook negatieve effecten kunnen hebben op de colloïdale stabiliteit. | | Kiemrust | De periode na de oogst waarin gerst nog niet kiemkrachtig is, wat overwonnen moet worden door bewaring. | | Kiemenergie | Het percentage gerstkorrels dat na een bepaalde incubatietijd effectief kiemt, een indicator voor de vitaliteit van de kiem. | | Watergevoeligheid | De gevoeligheid van gerst voor te veel water tijdens het weken, wat kan leiden tot verminderde kieming. | | Zwelvermogen | De snelheid waarmee gerst water opneemt tijdens het weken, een indicator voor moutrijpheid. | | Broeimout | Mout dat tijdens de kieming niet gekoeld wordt, waardoor de temperatuur oploopt en het meellichaam sterk oplost. | | Karamelmouten | Mouten die na het kiemen worden verhit en gedroogd, waardoor suikers karamelliseren en karakteristieke smaak- en kleurstoffen ontstaan. | | Geroosterde producten | Granen (gerst of tarwe) die bij hoge temperaturen worden geroosterd, wat zorgt voor specifieke aroma's en kleuren. | | Iso-α-zuren | Geïsommeriseerde α-zuren die verantwoordelijk zijn voor de bitterheid van bier. | | Drooghoppen | Het toevoegen van aromahop aan het bier na de gisting om het hoparoma te versterken. | | Extractverlies | Het verlies aan oplosbare stoffen uit de gerst gedurende het mouten, voornamelijk door ademhaling van de kiem en verwijdering van wortelkiemen. | | FAN (Free Amino Nitrogen) | Vrije amino stikstof, een maat voor de hoeveelheid assimileerbare stikstofverbindingen in wort die essentieel is voor gistgroei. | | rH (redoxpotentiaal) | Een maatstaf voor de redoxstaat van een oplossing, die verandert tijdens de gisting door de activiteit van gist. |

# Sample preparation for proteomics Sample preparation for proteomics is a critical multi-step process that aims to extract, solubilize, and purify proteins from biological samples in a manner suitable for downstream proteomic analysis. The ultimate goal is to maximize the recovery of proteins while minimizing degradation and the introduction of artifacts, thereby ensuring accurate and comprehensive proteomic profiling. ## 1. Sample preparation for proteomics Scientific questions and experimental design form the foundation of any proteomic study, guiding the subsequent choices in sample collection and preparation. Key considerations include the specific research question (e.g., investigating a single protein, proteoforms, or the entire proteome), the availability of suitable techniques, and whether tertiary structures or protein complexes need to be preserved. ### 1.1 Sample collection The diversity of biological samples necessitates careful consideration during collection to ensure representativeness and minimize degradation. #### 1.1.1 Sample types * **Cell lines:** Offer controlled laboratory settings but may not always reflect the complexity of real tissues or cells. * **Patient samples:** Exhibit higher variability due to differences in handling and patient factors. The timing of sample stabilization (e.g., freezing) is a crucial variable. Analyzing large sample numbers can enhance statistical significance. * **Serum and plasma:** Can be highly variable and challenging to analyze due to significant differences in protein concentrations. * **Biobanked samples:** Can show substantial variability, particularly formalin-fixed paraffin-embedded (FFPE) tissues. #### 1.1.2 Sample degradation Minimizing sample degradation is paramount, especially for cells, tissues, and organs. Proteins are less stable than DNA. Stress can induce proteolytic and phosphatase activity, leading to the rapid disappearance of phosphorylated peptides. Degradation can be inhibited by: * **Inhibitors:** Adding protease, phosphatase inhibitors, etc. * **Denaturation:** Employing chaotropic agents or detergents. * **Temperature:** Cold temperatures can inhibit activity reversibly, while heating usually causes irreversible denaturation. * **pH adjustment:** Modifying the pH can also inhibit enzymatic activity. ### 1.2 Protein extraction and solubilization The primary aim of protein extraction is to disrupt cellular structures (membranes, cell walls) and release proteins into a soluble solution. Completeness of extraction is the ideal but often unachievable goal. #### 1.2.1 Extraction methods Methods vary significantly based on the sample type and the desired outcome, with a focus on preventing protein degradation during lysis. ##### 1.2.1.1 Soft extraction methods These methods aim to lyse cells with minimal damage to proteins. * **Osmotic shock:** * **Mechanism:** Cells are placed in a solution with a significantly different osmotic pressure, causing water to rapidly enter or exit the cell, leading to rupture. This is achieved by alternating between hypertonic and hypotonic environments or by cycles of freezing and thawing, which alter the solute-to-water ratio. * **Application:** Primarily used for cells with less robust walls, such as animal or certain algal cells. * **Detergents:** * **Mechanism:** Amphipathic molecules that disrupt cell membranes by forming micelles with membrane lipids. * **Types:** * **Anionic detergents (e.g., SDS):** Disrupt membranes, protein-protein interactions, and protein activity. SDS can denature proteins into rigid rods proportional to their molecular weight. Binding is cooperative. * **Non-ionic detergents:** Considered non-denaturing, breaking lipid-lipid and lipid-protein interactions. Widely used for isolating membrane proteins in their active form. * **Zwitterionic detergents:** Possess a net zero charge, disrupting protein-protein interactions. Used in isoelectric focusing and ion exchange chromatography. * **Consideration:** Detergents often need to be removed prior to digestion or LC-MS analysis via dialysis, gel filtration, mass-cut-off filters, or protein precipitation. * **Enzymatic digestion:** * **Mechanism:** Enzymes like lysozyme break down specific components of cell walls, such as the β-1,4-linkage in peptidoglycans of bacteria. * **Application:** Primarily used for bacteria. * **Dounce homogenizer:** * **Mechanism:** A glass pestle moves within a glass tube, creating shear stress that breaks cells with minimal heating. This method can keep organelles intact. * **Advantage:** Minimal heating, preservation of organelles. ##### 1.2.1.2 Harsh extraction methods These methods employ more aggressive physical forces to break open tougher cell structures. * **Blender, tissue chopper, and cryo-grinding:** * **Mechanism:** Samples are frozen (often in liquid nitrogen) and then mechanically disrupted using a pestle and mortar (cryo-grinding) or by blending/chopping. * **Application:** Commonly used for lysing organs. * **Bead beater:** * **Mechanism:** Samples are agitated at high speed with small beads (glass, ceramic, or steel), causing physical disruption of cell walls and membranes through collisions. * **Application:** Effective for breaking open cells like bacteria, yeast, fungi, and plant cells. * **Sonication:** * **Mechanism:** High-frequency vibrations create microscopic vapor bubbles in the suspension. The rapid formation and implosion of these bubbles generate intense local shock waves, whose shear forces rupture cell membranes and walls. * **Consideration:** Samples should be kept on ice between pulses to prevent overheating. #### 1.2.2 Protein solubilization The goal of solubilization is to achieve maximum solubility for the widest range of proteins. * **Chaotropic agents:** * **Mechanism:** These agents (e.g., urea, thiourea, guanidinium chloride) disrupt the water network by forming stronger interactions with water molecules. This reduces the energetic penalty of exposing hydrophobic regions of proteins to the aqueous environment, thereby weakening the driving force for protein aggregation and causing insoluble protein aggregates to dissociate. * **Types and applications:** * **Urea (7-8 M):** Efficient hydrogen bond disruption, suitable for 2D-PAGE, but less effective for hydrophobic disruption. * **Thiourea (2 M):** Good for hydrophobic disruption, beneficial for membrane proteins. * **Guanidinium chloride (6 M):** Effective for both hydrogen bond and hydrophobic region disruption. ### 1.3 Reduction and alkylation Proteins can be stabilized by covalent disulfide bonds, which must be broken before digestion for LC-MS analysis. * **Reducing agents:** β-mercaptoethanol or dithiothreitol (DTT) are commonly used to break disulfide bridges. * **Alkylation:** Following reduction, the free thiols are typically alkylated to prevent disulfide bond reformation. Alkylating agents like iodoacetamide are often used. ### 1.4 Protein digestion Proteins are typically digested into peptides using specific proteases. * **Trypsin:** The most common protease, cleaving proteins into peptides of approximately 10-20 amino acids in length, which are ideal for LC-MS. Trypsin cleaves C-terminal to lysine (Lys) or arginine (Arg) residues, which are favorable for ionization. Digestion usually occurs overnight at 37°C. * **Lysyl endopeptidase C (LysC):** Can be combined with trypsin for more complete digestion. ### 1.5 Peptide purification or selection Various compounds introduced during sample preparation (detergents, salts, protease inhibitors) need to be removed before LC-MS analysis. #### 1.5.1 On protein level * **Precipitation (e.g., acetone precipitation):** * **Mechanism:** Proteins are precipitated by adding cold acetone to the sample, followed by incubation and centrifugation. The supernatant is discarded, and the protein pellet is dried and resolubilized. * **Consideration:** Avoid over-drying the pellet, as it may become difficult to dissolve. * **Gel filtration:** * **Mechanism:** Proteins are passed through a column packed with porous beads. Larger proteins (proteins) elute faster than smaller buffer contaminants as they are excluded from the pores. * **Format:** Available in column or spin tube formats. * **Filtration (Molecular weight cut-off filters):** * **Mechanism:** Filters with specific molecular weight cut-offs (e.g., 3, 5, 10, 30 kDa) are used to separate proteins from smaller molecules through centrifugation. * **Advantage:** Easy and quick. * **SDS-PAGE:** * **Mechanism:** Separates proteins based on molecular weight and can effectively remove detergents, salts, and protease inhibitors. #### 1.5.2 On peptide level * **C18 solid phase extraction (SPE):** * **Mechanism:** A chromatographic method that separates peptides based on hydrophobicity. The stationary phase is typically silica beads with covalently attached long alkyl chains (C18). Hydrophobic peptides bind to the stationary phase, while hydrophilic molecules pass through. Elution is achieved with organic solvents. * **Steps:** Column flushing with organic solvent, followed by aqueous buffer, sample loading, washing with aqueous buffer to remove impurities, and finally elution with a strong organic solvent. * **Ion exchange chromatography:** * **Mechanism:** Separates molecules based on their net surface charge. ### 1.6 Prefractionation For highly complex peptide samples where standard RP-HPLC-MS may not provide sufficient depth, prefractionation adds an additional separation step orthogonal to the final LC-MS. * **High pH RP-HPLC:** * **Mechanism:** This method uses reverse-phase chromatography at a high pH (whereas standard LC-MS typically uses low pH). This orthogonal separation strategy can significantly simplify the peptide mixture before the final analysis. * **Strong cation exchange (SCX) chromatography:** * **Mechanism:** Separates peptides based on their charge. This is often used as an orthogonal dimension to RP-HPLC. --- # Protein extraction methods Protein extraction is a critical initial step in proteomics that aims to release proteins from their cellular or tissue matrix into a soluble form suitable for downstream analysis. The choice of method depends heavily on the sample type, the specific proteins of interest, and the desired preservation of protein structure and interactions. ### 2.1 Principles of protein extraction The overarching goal of protein extraction is to achieve the maximum possible release and solubilization of proteins while minimizing degradation and denaturation. This process involves disrupting cellular structures (cell membranes and, if present, cell walls) to bring proteins into solution. #### 2.1.1 Preventing protein degradation Proteins are susceptible to degradation by endogenous enzymes. To prevent this, especially during cell lysis, it is crucial to: * Inhibit proteolytic and phosphatase activity using **protease and phosphatase inhibitor cocktails**. * Denature proteins using **chaotropic agents or detergents**. * Reduce enzymatic activity through **temperature control** (cold can be reversible, while heating is usually irreversible). * Adjust the **pH** of the solution. #### 2.1.2 Disruption methods Methods for disrupting cells can be broadly categorized as mechanical and non-mechanical, with varying degrees of "softness" or "harshness" which can influence protein denaturation. ##### 2.1.2.1 Mechanical methods These methods rely on physical forces to break cells. * **Dounce homogenizer:** * **Mechanism:** A pestle is moved up and down within a glass tube, creating shear stress in the narrow space between the pestle and tube wall, which lyses cells. * **Advantages:** Minimal heating and can preserve organelles like the nucleus. * **Blender, tissue chopper, and cryo-grinding:** * **Mechanism (Cryo-grinding):** Samples are flash-frozen in liquid nitrogen and then disrupted in a solid state using a pestle and mortar. * **Application:** Primarily used for lysing solid tissues and organs. * **Bead beater:** * **Mechanism:** Cells are mixed with small beads (glass, ceramic, or steel) in a vial. The vial is then agitated at high speed, causing the beads to collide with each other and the cells, leading to cell lysis through mechanical stress. * **Application:** Effective for robust cells like bacteria, yeast, fungi, and plant cells. * **Sonication:** * **Mechanism:** A sonicator probe vibrates at high frequencies in a cell suspension, creating microscopic vapor bubbles. The rapid formation and implosion of these bubbles generate intense local shock waves and shear forces that rupture cell membranes and walls. * **Note:** It is important to keep the sample on ice between sonication pulses to prevent overheating. * **Freeze-thawing:** * **Mechanism:** Freezing reduces the amount of liquid water, creating a hyperosmotic environment. Upon thawing, the liquid water increases, making the environment hypoosmotic. Water rushes into the cells, causing them to burst. ##### 2.1.2.2 Non-mechanical methods These methods use chemical or enzymatic agents to disrupt cells. * **Osmotic shock (soft method):** * **Mechanism:** Cells are placed in a solution with significantly different osmotic pressure. Rapid transfer between solutions of opposite tonicity (hypertonic to hypotonic or vice versa) causes a sudden influx or efflux of water, creating pressure that ruptures the cell membrane. * **Application:** Best suited for cells with less robust cell walls, such as animal cells. * **Detergents (soft method):** * **Mechanism:** Detergents are amphipathic molecules that disrupt the lipid bilayer of cell membranes by forming micelles. Their hydrophobic tails insert into the lipid core, while their hydrophilic heads interact with water, leading to membrane breakdown and solubilization of membrane proteins. * **Types of detergents:** * **Anionic detergents (e.g., SDS):** Disrupt membranes, protein-protein interactions, and protein activity. They tend to alter proteins into rigid rods proportional to their molecular weight, which is useful for SDS-PAGE. * **Non-ionic detergents:** Considered non-denaturing as they primarily disrupt lipid-lipid and lipid-protein interactions. Widely used for isolating membrane proteins in their active form. * **Zwitterionic detergents:** Possess both positive and negative charges, resulting in a net zero charge. They disrupt protein-protein interactions and are useful in isoelectric focusing and ion exchange chromatography. * **Note:** Detergents often need to be removed prior to downstream analyses (e.g., digestion, LC-MS) via dialysis, gel filtration, or mass cut-off filters. * **Enzymatic digestion (soft method):** * **Mechanism:** Enzymes like lysozyme are used to degrade specific components of cell walls, such as the $\beta$-1,4 linkages between NAM and NAG in bacterial peptidoglycan. * **Application:** Primarily used for bacteria. ### 2.2 Protein solubilization The aim of solubilization is to bring as many proteins as possible into solution for analysis. #### 2.2.1 Chaotropic agents Chaotropic agents disrupt the hydrogen bond network of water, reducing the hydrophobic effect that drives protein aggregation. By making it easier for water to interact with hydrophobic surfaces, they weaken the forces that cause denatured proteins to clump together. * **Urea (7-8 M):** Efficient at disrupting hydrogen bonds, but less effective for hydrophobic interactions. Useful for 2D-PAGE. * **Thiourea (2 M):** Good for hydrophobic disruption, particularly beneficial for membrane proteins. * **Guanidinium chloride (6 M):** Effective for both hydrogen bond and hydrophobic region disruption. ### 2.3 Reduction and alkylation Disulfide bridges ($S-S$) covalently stabilize protein structures. These bonds must be broken before protein digestion and LC-MS analysis. * **Reducing agents:** $\beta$-mercaptoethanol or dithiothreitol (DTT) are commonly used to break disulfide bonds. * **Alkylation:** Following reduction, alkylation can be performed to prevent the reformation of disulfide bonds. ### 2.4 Protein digestion Protein digestion, typically using **trypsin**, breaks down proteins into smaller peptides (10-20 amino acids in length), which are ideal for LC-MS analysis due to their favorable ionization properties. Trypsin cleaves specifically after lysine (Lys) or arginine (Arg) residues. Digestion is usually performed overnight at $37^\circ\text{C}$. For more complete digestion, proteases like LysC can be used in combination with trypsin. ### 2.5 Peptide purification or selection Contaminants such as detergents, salts, and protease inhibitors must be removed from protein or peptide samples before digestion or LC-MS. #### 2.5.1 Protein-level purification * **Acetone precipitation:** Proteins are precipitated by adding cold acetone to the sample, followed by centrifugation. The supernatant is discarded, and the protein pellet is dried and resolubilized. * **Gel filtration:** Proteins are passed through a column packed with porous beads. Larger proteins elute faster as they cannot enter the pores, while smaller molecules are retained longer. This method separates proteins from buffer contaminants. * **Filtration (Molecular weight cut-off filters):** Various filters with specific molecular weight cut-offs (e.g., 3, 5, 10, 30 kDa) can be used to separate proteins from smaller molecules in a single centrifugation step. * **SDS-PAGE (Sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis):** Effectively removes detergents, salts, and protease inhibitors while also separating proteins based on their molecular weight. #### 2.5.2 Peptide-level purification * **C18 solid-phase extraction (SPE):** * **Mechanism:** This is a chromatographic technique that separates peptides based on hydrophobicity. The stationary phase consists of silica beads with long C18 hydrocarbon chains, making it highly hydrophobic. Hydrophobic peptides bind to the stationary phase, while hydrophilic molecules pass through. Elution is achieved using increasing concentrations of organic solvent. * **Application:** Used to purify and concentrate peptides. #### 2.5.3 Prefractionation For highly complex peptide samples, prefractionation steps can be employed before LC-MS to increase analytical depth. * **High pH reversed-phase HPLC (RP-HPLC):** This technique is orthogonal to the low pH RP-HPLC typically used in LC-MS. It separates peptides based on hydrophobicity at a high pH. * **Strong cation exchange (SCX) chromatography:** Separates peptides based on their charge. --- # Protein solubilization and degradation prevention This section focuses on essential techniques for maximizing protein solubility after extraction and preventing sample degradation during processing. ### 3.1 Preventing protein degradation Protein degradation must be minimized, particularly in complex biological samples like cells and tissues. This degradation can be initiated by various stresses, which can activate endogenous enzymes like proteases and phosphatases. Phosphorylated peptides are especially susceptible to rapid degradation. #### 3.1.1 Strategies for inhibition of degradation Enzymatic degradation can be prevented through several methods: * **Inhibitors:** The addition of specific inhibitors, such as protease and phosphatase inhibitors, can effectively block enzyme activity. * **Denaturation:** Employing agents that denature proteins, like chaotropic agents or detergents, can also inhibit enzymatic activity by altering enzyme structure. * **Temperature:** Lowering the temperature (cold) can reversibly slow down enzymatic reactions. Heating generally leads to irreversible denaturation and inactivation of enzymes. * **pH adjustment:** Modifying the pH of the sample can also inactivate enzymes by altering their optimal functional conditions. ### 3.2 Protein extraction and solubilization The primary goal of protein extraction is to release as many proteins as possible into solution, aiming for completeness, although absolute completeness is rarely achieved. Different methods are employed based on the sample type and research objective, ranging from soft to harsh techniques. #### 3.2.1 Soft extraction methods Soft methods aim to disrupt cells with minimal denaturation or damage to protein structures. * **Osmotic shock:** This method is suitable for cells with less robust walls, such as animal cells. It involves rapidly changing the surrounding salt concentration to induce water movement into or out of the cell, ultimately causing the cell membrane to rupture. This can also be achieved through freeze-thaw cycles, where freezing creates a hyperosmotic environment within the remaining liquid water, and thawing leads to a hypotonic environment that causes cell lysis. * **Detergents:** Detergents are amphipathic molecules that disrupt lipid-lipid and lipid-protein interactions within cell membranes, leading to membrane solubilization. * **Anionic detergents:** These, like SDS (sodium dodecyl sulfate), have anionic head groups and are effective at disrupting membranes and protein-protein interactions. SDS can alter proteins into rigid rods proportional to their molecular weight through cooperative binding. * **Non-ionic detergents:** These are generally considered non-denaturing as they primarily disrupt lipid interactions without significantly affecting protein structure. They are useful for isolating membrane proteins while maintaining their activity. * **Zwitterionic detergents:** These possess a net zero charge and can disrupt protein-protein interactions. They are used in techniques like isoelectric focusing and ion exchange chromatography. Detergents often need to be removed before downstream analyses like digestion or LC-MS, which can be achieved through dialysis, gel filtration, mass cut-off filters, or protein precipitation. * **Enzymatic digestion:** This method is primarily used for bacterial lysis. Enzymes like lysozyme can degrade the peptidoglycan layer of bacterial cell walls, leading to cell rupture. * **Dounce homogenizer:** This mechanical method uses a glass pestle within a glass tube to shear cells. It offers minimal heating and can preserve organelles, making it suitable for samples where structural integrity is important. #### 3.2.2 Harsh extraction methods Harsh methods employ more forceful disruption techniques, often used for tougher samples like organs. * **Blender, tissue chopper, and cryo-grinding:** These methods are typically applied to organs. Cryo-grinding involves flash-freezing the sample in liquid nitrogen and then disrupting its solid state using a mortar and pestle. * **Bead beater:** This technique involves mixing the sample with small beads (glass, ceramic, or steel) within a vial. The vial is then subjected to high-speed shaking, causing the beads to collide and lyse cells through mechanical stress. Care must be taken as some proteins can bind to metal beads. * **Sonication:** High-frequency vibrations are used to create microscopic vapor bubbles in a cell suspension. The rapid formation and implosion of these bubbles generate shock waves that rupture cell membranes and walls. It is important to keep the sample on ice between sonication pulses to prevent overheating. #### 3.2.3 Protein solubilization goals and strategies The objective of protein solubilization is to achieve maximum solubility for the widest possible range of proteins. * **Chaotropic agents:** These agents, such as urea (7–8 M), thio-urea (2 M), and guanidinium chloride (6 M), are crucial for counteracting the hydrophobic effect, a major driver of protein aggregation. Proteins tend to fold with hydrophobic regions buried internally. When proteins denature, these hydrophobic regions become exposed to the aqueous environment, leading to aggregation to minimize unfavorable interactions with water. Chaotropic agents disrupt the hydrogen-bonding network of water, making it more favorable for water to interact with non-polar surfaces. This reduces the driving force for aggregation, causing aggregated proteins to dissociate. * **Urea:** Effective at disrupting hydrogen bonds but less so for hydrophobic interactions. * **Thio-urea:** Good for hydrophobic disruption, particularly useful for membrane proteins. * **Guanidinium chloride:** Effective for both hydrogen bond and hydrophobic region disruption. ### 3.3 Protein degradation prevention during processing Beyond immediate lysis, maintaining protein integrity throughout the workflow is critical. #### 3.3.1 Reduction and alkylation Disulfide bridges are covalent bonds that stabilize protein tertiary structure. These bonds must be broken prior to digestion and LC-MS analysis. This is commonly achieved using reducing agents such as $\beta$-mercaptoethanol or dithiothreitol (DTT). Following reduction, alkylation is performed to prevent the re-formation of disulfide bonds. #### 3.3.2 Protein digestion Protein digestion is typically performed using the enzyme trypsin, which cleaves proteins into peptides of approximately 10–20 amino acids long. These peptide lengths are ideal for LC-MS analysis as they are easily ionized. Trypsin cleaves after lysine (Lys) and arginine (Arg) residues, which are favorable for ionization. Digestion is usually carried out overnight at 37°C. For more comprehensive digestion, it can be combined with other proteases like LysC. Digestion can often proceed in the presence of up to 2 M urea. #### 3.3.3 Peptide purification or selection Various compounds, including detergents, salts, and protease inhibitors, must be removed before digestion or LC-MS analysis to avoid interference. * **On the protein level:** Methods include precipitation (e.g., acetone precipitation), gel filtration, filtration using molecular weight cut-off membranes, SDS-PAGE, and dialysis. * **Acetone precipitation:** Involves precipitating proteins by adding cold acetone, followed by centrifugation, removal of the supernatant, and evaporation of residual acetone. It is crucial not to over-dry the pellet to ensure proper resolubilization. * **Gel filtration:** Separates proteins from buffer contaminants based on size using porous beads. Larger proteins pass through the column faster than smaller molecules. This can also be performed in a spin-tube format. * **Filtration:** Molecular weight cut-off filters (e.g., 3, 5, 10, 30 kDa) offer a quick method for size-based separation through centrifugation. * **On the peptide level:** Techniques like C18 solid-phase extraction (SPE) and ion exchange chromatography are employed. * **C18 solid-phase extraction:** This is a chromatographic method that separates peptides based on hydrophobicity. The stationary phase, typically silica beads with covalently attached C18 chains, is highly hydrophobic. Hydrophobic molecules bind to the stationary phase, while hydrophilic molecules pass through. Elution is achieved using a strong organic solvent. This method also aids in concentrating the peptide sample. * **High pH RP-HPLC:** When peptide samples are extremely complex, and standard RP-HPLC coupled with MS is insufficient to achieve the desired depth of proteomic analysis, prefractionation using an additional orthogonal LC step is beneficial. High pH reversed-phase HPLC can be used before the standard low pH RP-HPLC typically employed for LC-MS. --- # Peptide purification and prefractionation Peptide purification and prefractionation are critical steps in proteomics workflows designed to simplify complex peptide mixtures and remove interfering substances before LC-MS analysis, thereby enhancing analytical depth and accuracy. ### 4.1 Peptide purification Peptide purification aims to remove contaminants such as detergents, salts, protease inhibitors, and buffer components that can interfere with downstream LC-MS analysis. These purification methods can be applied at either the protein or peptide level. #### 4.1.1 Protein-level purification Purification at the protein level can be achieved through several methods: * **Acetone precipitation:** This is a common method where proteins are precipitated by adding cold acetone to the sample. The principle relies on the reduced solubility of proteins in organic solvents like acetone, causing them to aggregate and pellet. > **Tip:** Ensure the acetone is sufficiently cold (e.g., -20°C) for optimal precipitation. Do not over-dry the protein pellet after acetone evaporation, as it may become difficult to re-dissolve. * **Gel filtration chromatography:** This technique separates molecules based on their size. Proteins, being larger than most buffer contaminants, pass through a column packed with porous beads at different rates, allowing for separation. Spin column formats are also available for easier use. * **Filtration using molecular weight cutoff (MWCO) filters:** These filters allow for quick separation of molecules based on their size. By selecting a filter with an appropriate MWCO, larger molecules like proteins can be retained while smaller contaminants pass through, or vice-versa, typically in a single centrifugation step. * **SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulfate-Polyacrylamide Gel Electrophoresis):** While primarily a separation technique, SDS-PAGE can effectively remove detergents, salts, and protease inhibitors. It also separates proteins based on their molecular weight. #### 4.1.2 Peptide-level purification Purification methods applied after protein digestion yield purified peptides: * **C18 solid-phase extraction (SPE):** This is a highly effective chromatographic method for separating peptides based on their hydrophobicity. The stationary phase consists of silica beads covalently bonded with long C18 (octadecyl) chains, creating a hydrophobic surface. * **Mechanism:** The C18 column is first equilibrated with a polar solvent (e.g., water-based buffer with a small amount of organic solvent). Hydrophobic peptides in the sample will bind to the hydrophobic stationary phase. Less hydrophobic molecules and contaminants will pass through. The column is then washed with a more aqueous buffer to remove weakly bound impurities. Finally, bound peptides are eluted using a strong organic solvent (e.g., methanol or acetonitrile) that disrupts the hydrophobic interactions. The collected liquid is the eluate containing purified and concentrated peptides. > **Tip:** C18 SPE is crucial for removing salts and other polar contaminants that can suppress ionization during MS analysis. * **Ion exchange chromatography:** This method separates molecules based on their charge. Peptides can be bound to a stationary phase with opposite charge and then eluted by changing the pH or ionic strength of the mobile phase. This technique is often used as an orthogonal separation to RP-HPLC. ### 4.2 Prefractionation Prefractionation strategies are employed to simplify highly complex peptide samples that would otherwise be inadequately resolved by a single LC-MS run, thus increasing the depth of proteome coverage. These methods introduce an additional separation step that is orthogonal to the final LC-MS step. #### 4.2.1 High pH reversed-phase HPLC (RP-HPLC) High pH RP-HPLC is a common prefractionation technique. The primary LC-MS analysis typically uses low pH mobile phases. By performing an initial separation at high pH, an orthogonal separation mechanism is achieved. This method separates peptides based on their hydrophobicity, similar to standard RP-HPLC, but under different pH conditions, leading to a different separation selectivity. #### 4.2.2 Strong cation exchange (SCX) chromatography SCX chromatography is another widely used prefractionation technique. It separates peptides based on their charge. Peptides are bound to a negatively charged stationary phase and then eluted by increasing the salt concentration of the mobile phase. SCX provides a separation mechanism that is orthogonal to RP-HPLC, which separates based on hydrophobicity. > **Example:** A typical prefractionation workflow might involve first separating peptides using SCX chromatography into several fractions. Each of these SCX fractions is then individually subjected to a second dimension of separation using high pH RP-HPLC, further reducing complexity. Finally, each of these more simplified fractions is analyzed by standard low pH RP-LC-MS/MS. --- ## Common mistakes to avoid - Review all topics thoroughly before exams - Pay attention to formulas and key definitions - Practice with examples provided in each section - Don't memorize without understanding the underlying concepts

| Term | Definition | |------|------------| | Proteomics | The large-scale study of proteins, particularly their structures and functions. It aims to systematically study the entire set of proteins produced or modified by an organism or system under specific conditions. | | Proteoforms | Variations of protein sequences arising from genetic mutations, alternative splicing, or post-translational modifications. Understanding proteoforms is crucial for a complete picture of the proteome. | | Proteome | The entire complement of proteins, including their isoforms and post-translational modifications, that is produced by an organism, cell, or biological system at a given time and under specific conditions. | | Sample collection | The process of gathering biological material for analysis, which requires careful handling to minimize degradation and maintain the integrity of proteins and other biomolecules. | | Protein extraction | The process of releasing proteins from their cellular or tissue environment into a soluble form that can be further analyzed. This typically involves disrupting cell membranes and walls. | | Solubilization | The process of dissolving a substance, in this context, proteins, into a liquid medium. Effective solubilization is essential for downstream analyses. | | Protein separation or purification | Techniques used to isolate specific proteins or classes of proteins from complex mixtures, often based on their physical or chemical properties. | | Reduction and alkylation | Chemical treatments applied to proteins to break disulfide bonds (reduction) and prevent their re-formation (alkylation), which is necessary for subsequent digestion and analysis. | | Digestion | The enzymatic breakdown of proteins into smaller peptide fragments. This is typically done using proteases like trypsin to prepare samples for mass spectrometry. | | Peptide purification or selection | Methods used to clean up and concentrate peptide mixtures after digestion, removing unwanted contaminants that can interfere with analytical techniques. | | Prefractionation | A strategy employed to reduce the complexity of a sample before analysis, often involving multiple chromatographic steps, to increase the depth of proteomic coverage. | | Research question | The central inquiry that drives a scientific investigation, guiding experimental design and the selection of appropriate methodologies. | | Tertiary structure | The three-dimensional folding of a single polypeptide chain, including alpha-helices, beta-sheets, and loops, stabilized by various interactions like hydrogen bonds and hydrophobic interactions. | | Protein complexes/interactions | Assemblies of two or more proteins that function together, or the transient associations between proteins, which are vital for cellular processes. | | Proteomics sample preparation protocols | A series of steps designed to prepare biological samples for proteomic analysis, often tailored to specific research questions and sample types. | | Cell lines | Cultures of cells derived from multicellular organisms that can be maintained and grown in vitro under controlled laboratory conditions. | | Patient samples | Biological specimens obtained directly from individuals, which can be more variable due to physiological differences and handling conditions. | | Serum and plasma | Blood components used for analysis; serum is plasma without clotting factors, while plasma contains clotting factors. Both are rich sources of proteins but can be highly variable. | | Biobanked samples | Biological samples that have been collected, processed, and stored for future research purposes, potentially over long periods. | | FFPE tissues (formalin-fixed paraffin embedded) | Tissues that have been preserved by fixation with formalin and embedded in paraffin wax for long-term storage and histological examination. This can impact protein integrity. | | Sample degradation | The breakdown of biomolecules, such as proteins, due to enzymatic activity, environmental factors, or improper storage, leading to loss of sample quality. | | Proteolytic activity | The enzymatic breakdown of proteins by proteases. This must be inhibited during sample preparation to prevent sample degradation. | | Phosphatase activity | The enzymatic removal of phosphate groups from proteins. This activity needs to be inhibited to preserve phosphorylated peptides. | | Phosphorylated peptides | Peptide fragments that contain one or more phosphate groups attached to amino acid residues. These are important indicators of cellular signaling. | | Protease inhibitor cocktail | A mixture of chemical compounds designed to inhibit the activity of various proteases, thus preventing protein degradation. | | Denaturation | The process by which a protein loses its native three-dimensional structure, often due to exposure to heat, extreme pH, or chemical agents, which can lead to loss of function. | | Chaotropic agents | Chemical compounds that disrupt the structure of water and interfere with hydrogen bonding, thereby reducing the hydrophobic effect and promoting protein unfolding or solubilization. Examples include urea and guanidinium chloride. | | Detergents | Amphipathic molecules that can solubilize lipids and hydrophobic proteins by forming micelles. They are classified as anionic, non-ionic, or zwitterionic. | | pH | A measure of the acidity or alkalinity of a solution. Adjusting pH can be used to control enzymatic activity or protein solubility. | | Cell membrane | The selectively permeable outer boundary of animal cells and the inner boundary of plant and bacterial cells, composed of a lipid bilayer. | | Cell wall | A rigid outer layer surrounding the plasma membrane of plant cells, fungi, and bacteria, providing structural support and protection. | | Solubilize | To cause a solute to dissolve in a solvent, making it form a solution. | | Completeness | In protein extraction, the ideal goal of releasing all target proteins from the sample, though perfect completeness is often unattainable. | | Mechanical lysis | A method of breaking open cells using physical force, such as sonication, bead beating, or homogenization. | | Non-mechanical lysis | Methods of breaking open cells that do not rely on physical force, such as using detergents or enzymatic digestion. | | Artefacts | Unintended structures or changes introduced into a sample during preparation or analysis that can lead to misinterpretation of results. | | Sonication | A technique that uses high-frequency sound waves to disrupt cells and tissues, creating shock waves that rupture cell membranes. | | Bead beating | A method of cell lysis where beads are agitated at high speed within a sample, causing mechanical stress that breaks open cells. | | Mixing | Simple agitation used in some lysis protocols, often in conjunction with other methods. | | Freeze thawing | A process of repeatedly freezing and thawing a sample to induce cell lysis due to the formation and melting of ice crystals. | | Detergents | Amphipathic molecules with a hydrophilic head and a hydrophobic tail, used to disrupt cell membranes and solubilize proteins. | | Amphipathic molecules | Molecules that contain both hydrophilic (water-attracting) and hydrophobic (water-repelling) regions, allowing them to interact with both water and lipids. | | Hydrophilic head | The polar, water-soluble portion of a molecule. | | Hydrophobic tail | The non-polar, water-repelling portion of a molecule, often a lipid chain. | | Micelles | Aggregates of detergent molecules in an aqueous solution, formed above a certain concentration (critical micelle concentration), where the hydrophobic tails face inward and the hydrophilic heads face outward. | | Dialysis | A process of separating molecules in solution by the difference in their rates of diffusion through a semipermeable membrane, used here to remove small molecules like detergents. | | Gel filtration chromatography | A chromatographic technique that separates molecules based on their size as they pass through a column packed with porous beads. | | Mass cut-off filter | A type of filter that allows molecules below a certain molecular weight (cut-off) to pass through while retaining larger molecules. | | Protein precipitation | A method used to separate proteins from a solution, often by adding organic solvents like acetone or by altering the pH or salt concentration. | | Anionic detergents | Detergents with negatively charged head groups (e.g., SDS), which can strongly disrupt membranes and protein interactions. | | SDS (Sodium Dodecyl Sulfate) | A common anionic detergent widely used in protein electrophoresis (SDS-PAGE) to denature proteins and impart a uniform negative charge. | | Non-ionic detergents | Detergents that do not carry a net electrical charge, making them generally milder and less denaturing than anionic detergents, often used to isolate membrane proteins while maintaining their activity. | | Zwitterionic detergents | Detergents that possess both a positive and a negative charge within the same molecule, resulting in a net neutral charge. They can disrupt protein-protein interactions without fully denaturing proteins. | | Isoelectric focusing (IEF) | A technique used to separate proteins based on their isoelectric point (pI), the pH at which a protein carries no net electrical charge. | | Ion exchange chromatography | A separation technique that relies on the reversible binding of charged molecules to an oppositely charged stationary phase. | | Enzymatic digestion | The process of breaking down molecules, in this context, cell walls, using specific enzymes. | | Lysozyme | An enzyme that catalyzes the degradation of bacterial cell walls by breaking the $\beta$-1,4-linkage between N-acetylmuramic acid (NAM) and N-acetylglucosamine (NAG). | | NAM (N-acetylmuramic acid) | A component of the peptidoglycan layer in bacterial cell walls. | | NAG (N-acetylglucosamine) | A monosaccharide component of bacterial cell walls (peptidoglycan) and chitin. | | Peptidoglycan | A complex polymer consisting of sugars and amino acids that forms a mesh-like layer outside the plasma membrane of most bacteria, providing structural support. | | Dounce homogenizer | A laboratory tool consisting of a pestle and a glass tube with a precise clearance, used for gentle cell lysis and homogenization with minimal heating. | | Shear stress | The force experienced by a material when it is subjected to external forces that cause deformation or rupture, used here to break cells. | | Viscous | Having a thick, sticky consistency due to internal friction. High viscosity in a solution can indicate successful cell lysis. | | Organelles | Membrane-bound structures within a eukaryotic cell that perform specific functions. Keeping them intact is sometimes desirable. | | Blender | A kitchen appliance adapted for laboratory use to homogenize or lyse samples through high-speed rotation of blades. | | Tissue chopper | A mechanical device used to cut tissues into very small, uniform pieces, facilitating subsequent extraction. | | Cryo-grinding | A method of grinding frozen samples in liquid nitrogen to make them brittle and easier to break down mechanically. | | Pestle and mortar | A set of kitchen tools used for grinding and crushing substances, adapted here for cryo-grinding solid samples. | | Bacteria | Single-celled microorganisms that lack a nucleus and other membrane-bound organelles. | | Yeast | Single-celled fungi. | | Fungi | A kingdom of organisms that includes yeasts, molds, and mushrooms. | | Plant cells | Eukaryotic cells that form plant tissues, characterized by a cell wall, chloroplasts, and a large central vacuole. | | Vial | A small container, typically made of glass or plastic, used for storing or transporting samples. | | High-speed shaking | The rapid agitation of a sample in a vial, used in bead beating to generate collisions that lyse cells. | | Mechanical stress | Physical forces applied to a sample that can cause it to deform or break. | | High frequencies | Referring to sound waves with a frequency above the range of human hearing, used in sonication. | | Vapor bubbles | Small pockets of gas that form and collapse in a liquid under the influence of acoustic waves (sonication), generating shock waves. | | Implode | To collapse or cause to collapse inward, referring to the rapid collapse of vapor bubbles in sonication. | | Shock waves | A wave of compression and rarefaction that travels through a medium; in sonication, these waves rupture cell membranes. | | Shear forces | Forces acting parallel to a surface, which can cause deformation or rupture. | | On ice | Maintaining samples at a low temperature (typically 0-4°C) to minimize degradation and enzymatic activity. | | Pulses | Short bursts of sonication, interspersed with cooling periods, to prevent overheating. | | Protein solubilization | The process of bringing proteins into solution, ensuring they are accessible for downstream analysis. | | Hydrophobic effect | The tendency of non-polar molecules or parts of molecules to aggregate in aqueous solution to minimize contact with water, which is a major driving force in protein folding and aggregation. | | Hydrophobic regions | Parts of a protein molecule that are non-polar and tend to associate with each other and avoid water. | | Hydrophilic heads | The polar, water-loving parts of molecules. | | Aggregates | Clumps or masses formed when molecules stick together, often due to hydrophobic interactions. | | Chaotropic ions | Ions that disrupt the hydrogen-bonding network of water, such as urea and guanidinium chloride. | | Urea | An organic compound with the formula $CO(NH_2)_2$, used as a chaotropic agent to denature proteins and enhance their solubility. | | Thio-urea | An organic compound with the formula $SC(NH_2)_2$, similar to urea but often more effective at disrupting hydrophobic interactions. | | Guanidinium chloride | A strong chaotropic agent with the formula $CH_5N_3 \cdot HCl$, used to denature proteins and increase their solubility. | | Disulfide bridges | Covalent bonds formed between the thiol groups (-SH) of two cysteine residues, which play a significant role in stabilizing protein structure. | | $\beta$-mercaptoethanol | A chemical compound with the formula $HSCH_2CH_2OH$, used as a reducing agent to break disulfide bonds in proteins. | | Dithiothreitol (DTT) | A powerful reducing agent with the formula $C_4H_{10}O_2S_2$, commonly used to cleave disulfide bonds in proteins. | | Trypsin | A serine protease enzyme that cleaves peptide bonds specifically after lysine (Lys) or arginine (Arg) residues, widely used in protein digestion for proteomics. | | Peptides | Short chains of amino acids linked by peptide bonds. | | Ionization | The process of converting neutral atoms or molecules into ions by adding or removing electrons. Essential for mass spectrometry analysis. | | LysC | A protease that cleaves peptide bonds specifically after lysine (Lys) residues, often used in combination with trypsin for more complete protein digestion. | | LC-MS (Liquid Chromatography-Mass Spectrometry) | A powerful analytical technique that combines the separation capabilities of liquid chromatography with the detection and identification capabilities of mass spectrometry. | | C18 solid phase extraction | A chromatographic technique using a stationary phase modified with an 18-carbon alkyl chain (C18), which is highly hydrophobic, to separate and purify peptides based on their hydrophobicity. | | Ion exchange chromatography | A separation technique that isolates molecules based on their charge. | | Peptide labelling buffer | A solution used to prepare peptides for specific labeling techniques, such as isotopic labeling, prior to analysis. | | Acetone precipitation | A method to precipitate proteins from a solution by adding cold acetone, which reduces protein solubility. | | SN (Supernatant) | The liquid remaining after a precipitate has been removed by centrifugation. | | RT (Room temperature) | The ambient temperature of a typical laboratory environment, usually around 20-25°C. | | Gel filtration | See gel filtration chromatography. | | Poreous beads | Small, permeable spheres used as the stationary phase in chromatography columns, allowing separation based on size. | | Buffer contaminants | Unwanted substances present in the buffer solution that can interfere with analysis. | | Spin tube format | A format where the chromatography column is integrated into a spin tube, allowing for rapid separation by centrifugation. | | Molecular weight cutoff filters | Filters designed to retain molecules above a specified molecular weight, used for size-based separation or concentration. | | SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulfate-Polyacrylamide Gel Electrophoresis) | A widely used technique for separating proteins based on their molecular weight. Proteins are denatured by SDS and migrate through a polyacrylamide gel matrix under an electric field. | | Stationary phase | The solid or liquid phase in chromatography that is fixed in place, over or through which the mobile phase moves. | | Hydrophobicity | The property of a substance that repels water; non-polar molecules are hydrophobic. | | Silica beads | Small spherical particles made of silicon dioxide, often used as a support material in chromatography. | | C-chains | Carbon chains, such as C18, attached to the stationary phase in chromatography to impart hydrophobicity. | | Hydrophobic interactions | Non-covalent attractive forces between non-polar molecules or regions in an aqueous environment, driven by the tendency to minimize contact with water. | | Organic solvent | A solvent that contains carbon, typically used in chromatography to dissolve non-polar compounds and elute them from a stationary phase. Examples include methanol and acetonitrile. | | Methanol | An organic alcohol ($CH_3OH$) commonly used as a solvent in chromatography. | | Acetonitrile | An organic solvent ($CH_3CN$) widely used in high-performance liquid chromatography (HPLC). | | Water-based buffer | An aqueous solution containing salts and/or other solutes used to maintain a specific pH and ionic strength, serving as a solvent in chromatography. | | Aqueous buffer | A buffer solution primarily composed of water. | | Eluate | The liquid that has passed through a chromatography column, containing the separated compounds. | | Concentrated target compound | The desired substance that has been purified and increased in concentration through a separation process. | | RP-HPLC (Reverse-Phase High-Performance Liquid Chromatography) | A type of HPLC that separates compounds based on their hydrophobicity. The stationary phase is non-polar, and the mobile phase is polar. | | High pH RP-HPLC | Reverse-phase HPLC performed at a high pH (alkaline conditions), which can alter the retention behavior of peptides compared to low pH RP-HPLC. | | SCX (Strong Cation Exchange) | A type of ion exchange chromatography that uses a stationary phase with negatively charged functional groups to bind positively charged molecules (cations). |

# Chemical nature and mechanism of enzyme catalysis Enzymes are protein-based biological catalysts that significantly accelerate biochemical reactions within living systems [1](#page=1). ### 1.1 Chemical nature of biological catalysts Every cell continuously carries out hundreds of biochemical reactions with high coordination and speed, a process facilitated by catalysts with specific characteristics known as biological catalysts. These biological catalysts include proteins with catalytic functions called enzymes, as well as certain RNA molecules with catalytic functions termed ribozymes [1](#page=1). Enzymes are substances of protein nature that speed up chemical reactions in living systems. For instance, the hydrolysis of sucrose in distilled water at room temperature can take years, whereas cells accomplish the same reaction rapidly with the aid of the enzyme invertase [1](#page=1). At the tertiary structure level, enzymes are globular proteins. They perform their catalytic action through their active site, also referred to as the catalytic center [1](#page=1). Enzymes can be classified based on their composition: * **Single-component enzymes**: These enzymes are entirely proteinaceous, constructed from one or more polypeptide chains. An example of a single-component enzyme is the digestive enzyme lactase [1](#page=1). * **Two-component enzymes**: In addition to a protein component, these enzymes possess a non-proteinaceous constituent. This non-proteinaceous part integrates into the active site. These non-proteinaceous components bind either firmly or loosely and reversibly to the protein part. Firmly bound non-proteinaceous components are termed prosthetic groups, while those associated with weaker bonds to the protein component are called coenzymes [1](#page=1). ### 1.2 Mechanism of enzyme catalysis Enzymes share properties with non-biological catalysts but are distinguished by important peculiarities: they operate at normal temperatures, are specific towards substances and reaction types, and their activity is influenced by various factors [2](#page=2). #### 1.2.1 General properties of enzymes compared to inorganic catalysts | General Properties of Enzymes with Inorganic Catalysts | Specific Properties of Enzymes | | :----------------------------------------------------- | :------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | Change the rate of chemical reactions. | Operate at normal temperatures. Their activity decreases at very high or very low temperatures. | [2](#page=2). | Do not change the direction of the reaction. | Act selectively with respect to the substrate and the type of reaction they catalyze – they are specific. | [2](#page=2). | Operate in small quantities and remain unchanged at the end of the reaction. | Their activity is altered by various environmental factors and substances (effectors). | [2](#page=2). | Influence only reactions that occur even without a catalyst. | They are more potent than chemical catalysts. | [2](#page=2). | Overcome the energy barrier by proceeding through an alternative pathway with lower activation energy. | | #### 1.2.2 The role of the active site and substrate The catalytic center of each enzyme contains functional groups that correspond to its substrate – the substance it modifies. Therefore, the mechanism of enzyme catalysis is described as a mechanism of spatial correspondence, often compared to a lock and key, visually represented by complementary shapes [2](#page=2). At the beginning of an enzyme-catalyzed reaction, the starting material, the substrate (S), binds to the enzyme's active site (E), forming an enzyme-substrate complex (ES). Within this complex, covalent bonds in the substrate are broken, and new bonds characteristic of the product are formed. Subsequently, the ES complex transforms into an enzyme-product complex (EP). Finally, the product (P) is released from the enzyme. The enzyme remains unchanged and is then available to bind another substrate molecule [2](#page=2). The enzyme reaction can be summarized as: $$E + S \leftrightarrow ES \rightarrow EP \rightarrow E + P$$ [2](#page=2). > **Tip:** The equation $E + S \leftrightarrow ES \rightarrow EP \rightarrow E + P$ is a fundamental representation of enzyme kinetics and mechanism. Remember that 'E' is the enzyme, 'S' is the substrate, 'ES' is the enzyme-substrate complex, 'EP' is the enzyme-product complex, and 'P' is the product. The reversibility ($ \leftrightarrow $) is indicated for the initial binding step, while the arrow ($ \rightarrow $) signifies the catalytic transformation. #### 1.2.3 Activation energy Life processes are the result of a vast number of chemical reactions. Most of these reactions do not proceed at a noticeable rate at normal temperatures because the starting materials require a certain amount of activation energy to participate in the reaction. While activation energy can be easily provided by heating, this method, common in chemistry, is incompatible with life, as proteins denature at high temperatures [3](#page=3). Catalysts are substances that alter the rate of chemical reactions. Most substances accelerate reactions by "proceeding through an alternative pathway" with lower activation energy [3](#page=3). For any reaction to occur, the reacting substances need energy. For interaction between molecules (breaking or forming chemical bonds), they must reach an energetic state that creates a probability for their encounter, ultimately leading to new molecules. The difference between the average energy of molecules and the energy required for a chemical reaction is called activation energy. With the involvement of enzymes, the reaction proceeds through energetically more economical pathways [3](#page=3). > **Note:** Enzymes are crucial for life because they allow essential biochemical reactions to occur at biologically compatible temperatures by lowering the activation energy. Without them, these reactions would be too slow to sustain life. --- # Factors influencing enzyme activity Enzyme activity is influenced by several factors, including substrate concentration, pH, and temperature, all of which affect the rate of the enzymatic reaction [3](#page=3) [4](#page=4). ### 2.1 Impact of substrate concentration The rate of an enzyme-catalyzed reaction increases with increasing substrate concentration, but this increase is not indefinite. Initially, as substrate concentration rises, the reaction rate increases rapidly. However, the rate eventually plateaus and reaches a maximum velocity ($V_{max}$), after which further increases in substrate concentration do not lead to a significant change in reaction speed [3](#page=3). #### 2.1.1 Saturation of active sites This plateau occurs because at high substrate concentrations, all the enzyme's active sites become saturated with substrate molecules, forming enzyme-substrate complexes. An active site can only bind a new substrate molecule after the product has been released and the site is free again [3](#page=3). ### 2.2 Impact of pH and temperature #### 2.2.1 Optimal conditions Enzyme activity is also significantly influenced by pH and temperature. For each enzyme, there are specific optimal pH and temperature values at which the reaction rate is maximized. These optimal conditions are enzyme-specific and generally fall within relatively narrow ranges [4](#page=4). #### 2.2.2 Effect of temperature In uncatalyzed reactions, reaction rates generally continue to increase with increasing temperature. However, for enzyme-catalyzed reactions, the rate increases with temperature only up to a certain point. Beyond this optimal temperature, the enzyme's activity rapidly declines due to denaturation [4](#page=4). #### 2.2.3 Denaturation Denaturation is a process where the enzyme loses its three-dimensional structure, which is crucial for its function. High temperatures can cause proteins, including enzymes, to denature. This loss of functional structure leads to a loss of enzymatic activity [3](#page=3) [4](#page=4). > **Tip:** Understanding optimal conditions and the point of denaturation is critical for predicting enzyme behavior in biological systems and for various industrial applications. > **Example:** Many human enzymes function optimally around a pH of 7.4 and a body temperature of approximately 37 degrees Celsius. Enzymes in the stomach, like pepsin, have a much lower optimal pH due to the acidic environment. --- # Regulation and control of enzyme activity Enzyme activity within cells is precisely controlled through mechanisms of activation and inhibition to regulate biochemical reactions [5](#page=5). ### 3.1 Enzyme activators and inhibitors Enzyme activity can be modulated by activators and inhibitors. Metal ions such as calcium, manganese, and copper can act as activators. However, the primary focus in cellular regulation is on inhibition, which allows for the control of specific biochemical reactions [5](#page=5). #### 3.1.1 Irreversible inhibition Irreversible inhibition occurs when inhibitors bind permanently to the enzyme. This typically involves heavy metal ions that cause denaturation of the enzyme, rendering it inactive in cellular metabolism [5](#page=5). #### 3.1.2 Reversible inhibition Reversible inhibition involves a temporary binding between the inhibitor and the enzyme. This allows for the potential restoration of enzyme activity once the inhibitor is removed [5](#page=5). ### 3.2 Competitive inhibition Competitive inhibition is a type of reversible inhibition where the substrate and the inhibitor contend for the enzyme's active site [5](#page=5). * **Mechanism:** The inhibitor (I) and the substrate (S) have similar structures and compete to bind to the enzyme's active center [5](#page=5). * **Outcome:** A high concentration of the inhibitor can lead to it binding to the active site, forming an inactive enzyme-inhibitor (EI) complex [5](#page=5). * **Reversibility:** If the concentration of the product of the enzymatic reaction is low, the inhibitor may detach, and the enzyme's activity can be restored [5](#page=5). > **Tip:** Visualizing the competition between the substrate and inhibitor for the active site is key to understanding this mechanism [5](#page=5). ### 3.3 Allosteric regulation Allosteric regulation controls enzyme activity by the binding of molecules to a site distinct from the active site, known as the allosteric site. These molecules are called allosteric effectors [5](#page=5). #### 3.3.1 Allosteric effectors Allosteric effectors induce a change in the native conformation of the enzyme's active site. Depending on the type of change, these effectors can be either allosteric activators or allosteric inhibitors [5](#page=5). #### 3.3.2 Allosteric inhibition In allosteric inhibition, an inhibitor binds to the allosteric site. This binding alters the enzyme's spatial structure, causing the active site to change shape. As a result, the active site can no longer bind to the substrate. The enzyme's activity is restored when the inhibitor detaches, which may occur when the product is needed [5](#page=5). #### 3.3.3 Allosteric activation Some enzymes are only active when an allosteric activator binds to their allosteric site [5](#page=5). > **Tip:** Allosteric regulation allows for finer control of enzyme activity, influencing it through sites other than the direct substrate-binding site [5](#page=5). ### 3.4 Feedback inhibition (retroinhibition) Feedback inhibition, also known as retroinhibition, is a common regulatory mechanism where the end product of a metabolic pathway inhibits an enzyme earlier in that pathway [6](#page=6). * **Mechanism:** When significant amounts of the final product accumulate, it acts as an inhibitor for the first enzyme in the sequence. For example, if product 'D' is the final product, and enzyme 1 catalyzes the first step, high concentrations of 'D' can block enzyme 1 [6](#page=6). * **Self-regulation:** This mechanism enables self-regulation of numerous biochemical reactions within the cell [6](#page=6). * **Broader implications:** Because most metabolic pathways are branched, feedback inhibition allows for the production of various end products [6](#page=6). > **Example:** In a pathway A $\rightarrow$ B $\rightarrow$ C $\rightarrow$ D, if product D builds up, it can inhibit the enzyme that converts A to B, thus controlling the overall production of D and potentially allowing for the accumulation of intermediate products like C or M if alternate pathways exist [6](#page=6). ### 3.5 Enzyme nomenclature and classification Enzymes are typically named with a suffix "-ase" appended to the name of the substrate or the reaction type they catalyze. Exceptions include historically discovered enzymes like pepsin and trypsin [6](#page=6). The International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) classifies enzymes into six main groups based on their catalytic mechanisms [6](#page=6): 1. **Oxidoreductases:** Catalyze oxidation-reduction reactions [6](#page=6). 2. **Transferases:** Transfer functional groups from one molecule to another [6](#page=6). 3. **Hydrolases:** Catalyze hydrolysis reactions (breaking bonds using water) [6](#page=6). 4. **Lyases:** Catalyze the cleavage of chemical bonds without hydrolysis or oxidation, often forming double bonds [6](#page=6). 5. **Isomerases:** Catalyze isomerization reactions, rearranging atoms within a molecule [6](#page=6). 6. **Ligases (Synthetases):** Catalyze the formation of covalent bonds between two molecules, typically requiring energy input [6](#page=6). --- # Enzyme nomenclature and classification Enzymes are named according to established conventions, typically ending in "-ase", and are classified into six main groups based on their catalytic functions [6](#page=6). ### 4.1 Naming conventions for enzymes Enzymes are generally given names that describe their function and commonly end with the suffix "-ase". However, some early-discovered and well-studied enzymes are exceptions to this rule, such as pepsin and trypsin [6](#page=6). ### 4.2 International classification of enzymes The International Union of Biochemistry and Molecular Biology (IUBMB) has established an internationally accepted classification system for enzymes. This system categorizes enzymes into six primary groups based on the type of catalytic reaction they perform [6](#page=6). #### 4.2.1 The six main enzyme classes The six main classes of enzymes and their primary catalytic functions are as follows [6](#page=6): 1. **Oxidoreductases:** Catalyze oxidation-reduction reactions [6](#page=6). 2. **Transferases:** Catalyze the transfer of functional groups from one molecule to another [6](#page=6). 3. **Hydrolases:** Catalyze hydrolysis reactions, which involve the breaking of chemical bonds using water [6](#page=6). 4. **Lyases:** Catalyze the cleavage of chemical bonds by elimination, leading to the formation of double bonds or rings, or the addition of groups to double bonds [6](#page=6). 5. **Isomerases:** Catalyze intramolecular rearrangements, converting a molecule into one of its isomers [6](#page=6). 6. **Ligases (Synthetases):** Catalyze the formation of covalent bonds between two molecules, usually coupled with the hydrolysis of ATP or another nucleoside triphosphate [6](#page=6). > **Tip:** Understanding these six classes provides a foundational framework for comprehending the vast array of enzymatic reactions occurring in biological systems. When encountering a new enzyme, its classification can often predict its general function [6](#page=6). --- ## Common mistakes to avoid - Review all topics thoroughly before exams - Pay attention to formulas and key definitions - Practice with examples provided in each section - Don't memorize without understanding the underlying concepts

| Term | Definition | |------|------------| | Biological catalysts | Substances that accelerate biochemical reactions in living systems. Enzymes are the primary biological catalysts, composed of proteins, though some RNA molecules (ribozymes) also exhibit catalytic functions. | | Enzymes | Biological catalysts that are protein in nature and significantly increase the speed of chemical reactions within living organisms. They are essential for life processes, enabling reactions that would otherwise be too slow. | | Ribozymes | RNA molecules possessing catalytic activity, meaning they can speed up biochemical reactions. They represent a class of biological catalysts distinct from protein-based enzymes. | | Active center | A specific region on the enzyme molecule, also known as the catalytic center, where the substrate binds and the chemical reaction is catalyzed. It contains functional groups precisely shaped to interact with the substrate. | | Globular proteins | Proteins that have a compact, roughly spherical shape. Enzymes, at their tertiary structure level, are typically globular proteins, which contributes to their three-dimensional structure and active site formation. | | Unicomponent enzymes | Enzymes that are composed solely of protein. Their catalytic function is entirely dependent on their polypeptide chains. An example is the digestive enzyme lactase. | | Bicomponent enzymes | Enzymes that consist of a protein component and a non-protein component. The non-protein component is crucial for the active site's function and can be tightly bound as a prosthetic group or loosely bound as a coenzyme. | | Prosthetic groups | Non-protein components that are tightly and permanently bound to the protein part of a bicomponent enzyme. They are essential for the enzyme's catalytic activity. | | Coenzymes | Non-protein molecules that are weakly and reversibly bound to the protein component of a bicomponent enzyme. They assist in the catalytic process, often acting as carriers of specific chemical groups. | | Substrate | The molecule upon which an enzyme acts. The substrate binds to the enzyme's active site, and the enzyme facilitates its conversion into a product. | | Enzyme-substrate complex | A temporary complex formed when a substrate molecule binds to the active site of an enzyme. This binding is specific and is a crucial intermediate step in enzyme-catalyzed reactions. | | Enzyme-product complex | A transient complex formed after the substrate has undergone chemical transformation within the active site but before the product is released from the enzyme. | | Activating energy | The minimum amount of energy required for reactant molecules to initiate a chemical reaction. Enzymes lower the activation energy, thereby speeding up reactions without being consumed. | | Denaturation | The process by which the three-dimensional structure of a protein, including enzymes, is disrupted, leading to a loss of its biological function. This can be caused by factors like extreme pH or high temperatures. | | Vmax | The maximum rate of an enzyme-catalyzed reaction. It is reached when the enzyme's active sites are saturated with substrate. Further increases in substrate concentration do not increase the reaction rate. | | Allosteric center | A site on an enzyme, distinct from the active site, where regulatory molecules (allosteric effectors) can bind. This binding can alter the enzyme's conformation and thus its activity. | | Allosteric effectors | Molecules that bind to an allosteric center of an enzyme, modulating its activity. They can act as either activators or inhibitors. | | Competitive inhibition | A type of enzyme inhibition where an inhibitor molecule competes with the substrate for binding to the enzyme's active site. The inhibitor's effect can be overcome by increasing substrate concentration. | | Retroinhibition (Feedback inhibition) | A regulatory mechanism where the end product of a metabolic pathway inhibits an enzyme that catalyzes an earlier step in the same pathway. This prevents the overproduction of the end product. | | Oxidoreductases | A class of enzymes that catalyze oxidation-reduction reactions. They are involved in electron transfer processes within cells. | | Transferases | A class of enzymes that catalyze the transfer of functional groups from one molecule to another. Examples include kinases that transfer phosphate groups. | | Hydrolases | A class of enzymes that catalyze hydrolysis reactions, which involve the breaking of chemical bonds by the addition of water. Digestive enzymes like proteases and lipases are hydrolases. | | Lyases | A class of enzymes that catalyze the cleavage of chemical bonds by means other than hydrolysis or oxidation, often forming double bonds or rings. | |isomerases | A class of enzymes that catalyze intramolecular rearrangements within a single molecule, such as the conversion of one isomer to another. | | Ligases (Synthetases) | A class of enzymes that catalyze the formation of new chemical bonds between two molecules, typically requiring energy in the form of ATP. They are involved in synthesis and joining processes. |

# Structuur en functie van eiwitten Eiwitten zijn complexe moleculen opgebouwd uit aminozuren, waarvan de driedimensionale structuur cruciaal is voor hun specifieke biologische functie. ### 1.1 Opbouw van eiwitten: aminozuren en peptidebindingen Eiwitten zijn polymeren die bestaan uit ketens van aminozuren. Een eiwitmolecuul kan variëren in lengte van ongeveer 1000 aminozuren tot meer dan 100.000 aminozuren in grote eiwitcomplexen. Ons lichaam kan ongeveer 100.000 verschillende eiwitten synthetiseren, elk met een unieke vorm, structuur en functie. #### 1.1.1 Aminozuren als bouwstenen Er zijn 20 verschillende soorten aminozuren die dienen als bouwstenen voor eiwitten in de mens. Van deze 20 kan het lichaam er zelf een aantal aanmaken, maar 9 aminozuren worden als 'essentieel' beschouwd. Deze essentiële aminozuren moeten via de voeding worden verkregen. * **Essentiële aminozuren:** fenylalanine, isoleucine, lysine, methionine, threonine, valine, histidine (vooral belangrijk bij kinderen), leucine en tryptofaan. * **Niet-essentiële aminozuren:** alanine, arginine, asparagine, asparaginezuur, cysteïne, cystine, glutaminezuur, glutamine, glycine, hydroxyproline, proline, serine en tyrosine. Het ontbreken van een of meer essentiële aminozuren in de voeding kan leiden tot een onvermogen om voldoende lichaamseiwit aan te maken. #### 1.1.2 De peptidebinding De aminozuren in een eiwitketen zijn aan elkaar verbonden door middel van peptidebindingen. Een peptidebinding ontstaat tussen de aminogroep (`-NH2`) van het ene aminozuur en de carboxygroep (`-COOH`) van het andere aminozuur. Bij de vorming van een peptidebinding komt een watermolecuul vrij, wat duidt op een condensatiereactie. * De koppeling van twee aminozuren vormt een di-peptide. * Korte ketens van aminozuren worden oligo-peptiden genoemd. * Langere ketens van aminozuren worden polypeptiden genoemd. * Wanneer een polypeptideketen meer dan 100 aminozuren bevat, wordt deze doorgaans als een eiwit beschouwd. Peptiden kunnen fungeren als bouwstenen voor grotere eiwitmoleculen. > **Tip:** De peptidebindingen worden verbroken door enzymen tijdens de vertering van eiwitten. ### 1.2 Driedimensionale structuur en functie van eiwitten De driedimensionale vorm van een eiwit is direct gerelateerd aan zijn biologische functie. Een verandering in de eiwitstructuur leidt tot een verandering of verlies van functie. #### 1.2.1 Variatie en complexiteit van eiwitstructuren Eiwitten kunnen zeer complexe driedimensionale structuren aannemen. Naast waterstofbruggen spelen zwavelbruggen (`-S-S-`) een cruciale rol in het stabiliseren van deze structuur. Zwavelbruggen zijn bindingen tussen de zwavelatomen van cysteïne-aminozuren en zijn aanzienlijk sterker dan waterstofbruggen. De aanwezigheid van zwavelbruggen in haar, bijvoorbeeld, bepaalt de krul of gladheid ervan. Het veranderen van zelfs één enkel aminozuur in een grote eiwitketen kan grote gevolgen hebben voor de functie van het eiwit. #### 1.2.2 Denaturatie van eiwitten Eiwitstructuren kunnen worden gewijzigd door externe factoren zoals veranderingen in de pH of temperatuur. Dergelijke veranderingen kunnen waterstofbruggen en zwavelbruggen verbreken, waardoor het opgerolde eiwit zijn ruimtelijke structuur verliest en zich ontvouwt. Dit proces wordt denaturatie genoemd. * Verhoogde lichaamstemperatuur boven 42 graden Celsius kan leiden tot denaturatie van essentiële lichaamseiwitten, inclusief die welke betrokken zijn bij temperatuurregulatie, wat dodelijk kan zijn. * Het bakken van een ei is een voorbeeld van denaturatie door warmte: zwavelbruggen worden verbroken en nieuwe gevormd, waardoor het eiwit wit en gestold wordt. > **Tip:** Denaturatie is vaak onomkeerbaar en kan leiden tot permanent functieverlies van het eiwit. ### 1.3 Enzymen: eiwitten als katalysatoren Enzymen zijn eiwitmoleculen die functioneren als biologische katalysatoren. Ze versnellen chemische reacties in het lichaam zonder zelf permanent te veranderen. Enzymen zijn betrokken bij zowel synthetische als afbraakreacties. #### 1.3.1 Specificiteit en activiteit van enzymen Enzymen zijn zeer specifiek en katalyseren doorgaans slechts één specifieke reactie. Bijvoorbeeld, amylase splitst koolhydraten, terwijl pepsine eiwitten splitst. Stoffen met de uitgang '-ase' duiden vaak op enzymen, zoals lactase en peptidase. * De activiteit van enzymen is afhankelijk van omgevingsfactoren zoals temperatuur en pH. * De meeste enzymen werken optimaal bij een specifieke temperatuur (vaak rond de lichaamstemperatuur). Verhoging van de temperatuur boven het optimum kan leiden tot denaturatie en inactiviteit van het enzym. * De pH-waarde is ook cruciaal. Enzymen in het spijsverteringskanaal, bijvoorbeeld, werken onder specifieke pH-omstandigheden: peptase werkt goed in een zuur milieu (pH < 7) in de maag, terwijl trypsine in de dunne darm een basisch milieu (pH > 7) vereist. > **Tip:** Veel enzymen hebben cofactoren (zoals zink, magnesium of vitamines) of co-enzymen nodig om actief te zijn. #### 1.3.2 Enzym-substraatcomplex Een enzym bindt zich aan zijn specifieke substraat (de stof waarop het enzym inwerkt) bij de 'actieve plaats', wat resulteert in de vorming van een enzym-substraatcomplex. Deze interactie maakt de katalytische reactie mogelijk. ### 1.4 Functies van eiwitten in het lichaam Eiwitten vervullen een breed scala aan essentiële functies in het menselijk lichaam: * **Groei, onderhoud en herstel:** Eiwitten vormen een significant deel van de lichaamsweefsels en zijn noodzakelijk voor spiergroei (actine en myosine), wondgenezing (fibrine) en algemeen weefselonderhoud. * **Transport:** Eiwitten spelen een sleutelrol in het transport van stoffen die niet oplosbaar zijn in bloed, zoals hemoglobine dat zuurstof transporteert, en albumine dat tal van moleculen, waaronder hormonen en medicijnen, bindt en vervoert. Transporteiwitten in celmembranen faciliteren ook de passage van stoffen in en uit cellen. * **Receptoren:** Eiwitten in de celmembraan fungeren als receptoren waar specifieke moleculen (zoals neurotransmitters en hormonen) aan kunnen binden. * **Regulatie van zuurgraad:** Eiwitten helpen bij het handhaven van het delicate evenwicht tussen zuur en base in het lichaam. * **Stofwisseling:** Alle enzymen zijn eiwitten en spelen een centrale rol in vrijwel alle stofwisselingsprocessen. * **Hormonen:** Veel hormonen, zoals insuline en groeihormoon, zijn eiwitten (eiwithormonen). * **Energiebron:** Aminozuren kunnen, bij onvoldoende beschikbaarheid van glucose en vetzuren, worden omgezet in energie via de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering. * **Immuniteit:** Antistoffen (immunoglobulinen) zijn eiwitten die het immuunsysteem helpen beschermen tegen ziekteverwekkers. ### 1.5 Essentiële en niet-essentiële aminozuren in voeding Dierlijke eiwitbronnen bevatten doorgaans alle essentiële aminozuren in de juiste verhouding. Plantaardige eiwitbronnen (met uitzondering van soja-eiwit) leveren vaak niet alle essentiële aminozuren in optimale hoeveelheden. Door plantaardige eiwitbronnen te combineren of aan te vullen met dierlijke eiwitten, kan aan de aminozuurbehoefte worden voldaan. Een hoge consumptie van dierlijke eiwitten wordt afgeraden vanwege de mogelijke associatie met verzadigde vetten. Plantaardige eiwitbronnen bieden ook waardevolle koolhydraten, vezels, vitamines en mineralen. De aanbevolen dagelijkse inname van eiwitten bedraagt ongeveer 9 tot 11% van de totale energie-inname, wat neerkomt op 50 tot 80 gram, afhankelijk van leeftijd, geslacht en activiteitsniveau. #### 1.5.1 Eiwitondervoeding Onvoldoende inname van de juiste combinatie van voedingsstoffen, waaronder kwalitatieve eiwitten, kan de groei, ontwikkeling en het immuunsysteem negatief beïnvloeden. Peuters in ontwikkelingslanden zijn vaak vatbaar voor infecties door eiwittekort. --- # Denaturatie van eiwitten en externe factoren Externe factoren zoals temperatuur en pH kunnen de eiwitstructuur drastisch veranderen, leidend tot denaturatie, functieverlies en in extreme gevallen, hyperthermie. ### 2.1 De structuur van eiwitten en de impact van verandering Eiwitten zijn complexe driedimensionale structuren opgebouwd uit aminozuren, verbonden door peptidebindingen. De specifieke vorm van een eiwit is cruciaal voor zijn functie. Kleine veranderingen in de aminozuurvolgorde of de ruimtelijke structuur kunnen leiden tot functieverlies. #### 2.1.1 Stabiliteit en secundaire bindingen De driedimensionale structuur van eiwitten wordt gestabiliseerd door verschillende soorten bindingen, waaronder: * **Waterstofbruggen**: Relatief zwakke bindingen die essentieel zijn voor de secundaire en tertiaire structuur. * **Zwavelbruggen**: Sterke covalente bindingen tussen de zwavelatomen van cysteïne-aminozuren. Deze zijn aanzienlijk sterker dan waterstofbruggen en spelen een grote rol in de stabiliteit van de eiwitstructuur. #### 2.1.2 Denaturatie: verlies van structuur en functie Denaturatie is het proces waarbij de driedimensionale structuur van een eiwit verstoord wordt, wat resulteert in functieverlies. Dit gebeurt wanneer de stabiliserende bindingen (zoals waterstofbruggen en zwavelbruggen) verbroken worden. > **Tip:** Denk aan het bakken van een ei. De warmte breekt de oorspronkelijke zwavelbruggen en vormt nieuwe, waardoor de structuur van het eiwit verandert van vloeibaar naar vast. #### 2.1.3 Factoren die denaturatie veroorzaken Verschillende externe factoren kunnen denaturatie induceren: * **Temperatuur**: * Verhoogde temperaturen kunnen de kinetische energie van moleculen verhogen, wat leidt tot het verbreken van zwakke bindingen. * Bij het bakken van een ei worden zwavelbruggen verbroken en opnieuw gevormd, wat leidt tot een permanente structuurverandering. * **pH (zuurgraad)**: * Extreme pH-waarden (zowel zeer zuur als zeer basisch) kunnen de geladen groepen op aminozuren beïnvloeden, waardoor de waterstofbruggen en andere ionische interacties verstoord worden. * Dit beïnvloedt de eiwitvouwing en dus de functie. #### 2.1.4 Gevolgen van hyperthermie Hyperthermie treedt op wanneer de lichaamstemperatuur significant stijgt boven de normale waarde van ongeveer 37 graden Celsius. Dit kan levensbedreigend zijn vanwege de impact op eiwitten. * **Definitie**: Hyperthermie wordt gedefinieerd als een lichaamstemperatuur boven 41,5 graden Celsius waarbij de normale thermoregulatiemechanismen (zoals zweten en vasodilatatie) tekortschieten. * **Oorzaken**: * Bepaalde drugs (bijvoorbeeld cocaïne, XTC, amfetamines). * Ontwenningsverschijnselen (bijvoorbeeld van alcohol of benzodiazepines). * Hoge omgevingstemperaturen in combinatie met hoge luchtvochtigheid, waardoor zweet niet effectief kan verdampen en het lichaam niet kan afkoelen. * **Mechanisme van schade**: * Bij temperaturen boven 42 graden Celsius denatureren essentiële lichaamseiwitten, waaronder de eiwitten die verantwoordelijk zijn voor het reguleren van de lichaamstemperatuur zelf. * De denaturatie van deze eiwitten kan leiden tot een versnelde stijging van de temperatuur, wat onherstelbare schade aan organen kan veroorzaken en uiteindelijk fataal is. > **Tip:** De behandeling van hoge koorts met koortsverlagende middelen zoals aspirine of paracetamol is van levensbelang om dergelijke denaturatieprocessen te voorkomen. ### 2.2 Enzymactiviteit en omgevingsfactoren Enzymen zijn eiwitten die als katalysatoren fungeren in biochemische reacties. Hun activiteit is sterk afhankelijk van de omgeving, met name temperatuur en pH. #### 2.2.1 Temperatuur en enzymactiviteit * Een stijging van de lichaamstemperatuur tot rond de 40 graden Celsius kan de snelheid van de meeste biochemische reacties versnellen, omdat enzymen actiever worden. * Echter, temperaturen boven 40 graden Celsius kunnen leiden tot schade aan enzymen, waardoor ze inactief worden en hun functie verliezen. #### 2.2.2 pH en enzymactiviteit * De pH van verschillende lichaamscompartimenten varieert sterk, wat invloed heeft op de activiteit van specifieke enzymen. * **Voorbeeld**: * Het enzym peptase werkt optimaal in een zuur milieu (pH < 7), zoals in de maag, om peptiden af te breken. * Het enzym trypsine, dat ook eiwitten afbreekt, functioneert daarentegen best in een basisch milieu (pH > 7), zoals in de dunne darm. > **Tip:** Elk enzym heeft een optimaal temperatuur- en pH-bereik waarbinnen het meest efficiënt werkt. Afwijkingen van dit optimum leiden tot verminderde activiteit of denaturatie. --- # Enzymen en hun werking Dit onderwerp verklaart de rol van enzymen als biologische katalysatoren, hun specifieke werking, en hoe omgevingsfactoren zoals temperatuur en pH hun activiteit beïnvloeden. ## 3.1 Wat zijn enzymen? Enzymen zijn eiwitmoleculen die functioneren als katalysatoren in biologische reacties. Ze versnellen of zetten reacties in gang zonder zelf permanent te veranderen. Enzymen spelen een cruciale rol bij zowel synthese- als afbraakreacties in het lichaam. ### 3.1.1 Co-factoren en co-enzymen Veel enzymen vereisen de aanwezigheid van specifieke co-factoren, zoals zink, mangaan, magnesium, ijzer of kalium, en ook bepaalde vitaminen (vitamine B wordt genoemd). Deze co-factoren, of de bijbehorende co-enzymen, kunnen functioneren als een soort aan/uit-schakelaar voor het enzym. ### 3.1.2 Specificiteit van enzymen Ieder enzym is specifiek en kan slechts één bepaalde reactie beïnvloeden. Dit principe is vergelijkbaar met een sleutel die slechts in één slot past. * **Voorbeeld:** Het enzym amylase splitst koolhydraten, terwijl het enzym pepsine eiwitten splitst. Dit proces maakt het mogelijk om complexe moleculen uit voedsel om te zetten in enkelvoudige, absorbeerbare eenheden. ### 3.1.3 Naamgeving van enzymen Namen van stoffen in het lichaam die eindigen op "-ase" duiden doorgaans op enzymen. Voorbeelden hiervan zijn amylase, lactase en peptidase. ## 3.2 Hoe werkt een enzym? De werking van een enzym berust op het binden aan een specifiek substraat (de stof waarop het enzym inwerkt) bij zijn 'actieve plaats'. Dit resulteert in de vorming van een enzym-substraatcomplex. Binnen dit complex wordt de reactie gefaciliteerd. Na de reactie dissocieert het product van het enzym, waarna het enzym klaar is om een nieuw substraatmolecuul te binden. > **Tip:** De specifieke driedimensionale structuur van de actieve plaats van een enzym is essentieel voor zijn vermogen om het correcte substraat te binden en de reactie te katalyseren. ## 3.3 Invloed van omgevingsfactoren op enzymactiviteit De activiteit van enzymen is sterk gevoelig voor omgevingsfactoren, met name temperatuur en zuurtegraad (pH). Deze factoren spelen een belangrijke rol bij het reguleren van de snelheid van biochemische reacties. ### 3.3.1 Temperatuur Over het algemeen verlopen biochemische reacties sneller bij hogere temperaturen, tot op zekere hoogte. Bij een lichaamstemperatuur van bijvoorbeeld 40 graden Celsius (koorts) zullen de meeste reacties sneller verlopen. Echter, temperaturen die significant boven de optimale werkingsgraad van een enzym uitstijgen, kunnen leiden tot denaturatie. * **Denaturatie:** Dit is het verlies van de ruimtelijke structuur van een eiwit, inclusief enzymen. Hoge temperaturen kunnen waterstofbruggen en zwavelbruggen verbreken, waardoor het eiwit zijn functionele vorm verliest. Dit kan onherstelbare schade aanrichten. Een lichaamstemperatuur boven 42 graden Celsius kan dodelijk zijn omdat essentiële enzymen denatureren. * **Voorbeeld:** Bij het bakken van een ei verbreken hitte bepaalde zwavelbruggen, wat leidt tot denaturatie van het eiwit. Het ei wordt wit en stolt, wat de verandering van structuur en functie illustreert. Hyperthermie boven 41,5 graden Celsius, veroorzaakt door externe factoren of drugs, kan leiden tot een versnelde stijging van de lichaamstemperatuur door denaturatie van temperatuurregulerende eiwitten, met fatale gevolgen. ### 3.3.2 Zuurtegraad (pH) De activiteit van enzymen is ook afhankelijk van de pH van hun omgeving. Verschillende enzymen hebben verschillende optimale pH-waarden waar ze het meest effectief werken. * **Voorbeeld:** De pH van het spijsverteringskanaal varieert sterk. In de mondholte is de pH ongeveer 7. In de maag daalt de pH sterk naar ongeveer 2, wat een zuur milieu creëert. In de dunne darm stijgt de pH weer naar ongeveer 8, wat een basisch milieu aangeeft. * Het enzym peptase werkt optimaal in een zuur milieu (pH < 7) en breekt peptiden af. * Andere enzymen, zoals trypsine (ook een eiwitafbrekend enzym), werken het best in een basisch milieu (pH > 7) en zijn daarom actief in de darmen. > **Tip:** Begrijpen van de optimale pH voor specifieke enzymen is cruciaal voor het begrijpen van spijsvertering en andere fysiologische processen. ## 3.4 Voorbeelden van enzymen in voeding en biotechnologie Enzymen spelen een belangrijke rol in de bereiding van veel levensmiddelen. Gistings- en rijpingsprocessen, essentieel voor producten zoals brood en kaas, worden gedreven door enzymen die van nature in de grondstoffen aanwezig zijn of door micro-organismen worden geproduceerd. Bruine verkleuringen in fruit kunnen ook deels te wijten zijn aan enzymatische reacties. --- # Biologische functies van eiwitten Eiwitten spelen talloze essentiële rollen in het lichaam, van structurele ondersteuning en transport tot enzymatische activiteit en immuniteit. ## 4 Biologische functies van eiwitten Eiwitten zijn complexe moleculen die opgebouwd zijn uit ketens van aminozuren. De specifieke driedimensionale structuur van een eiwit, bepaald door de volgorde van aminozuren en de manier waarop deze ketens zijn opgevouwen, is cruciaal voor zijn functie. Kleine veranderingen in deze structuur kunnen leiden tot verlies van functie, wat kan worden veroorzaakt door factoren zoals temperatuur of pH-veranderingen, een proces dat denaturatie wordt genoemd. ### 4.1 Bouwstenen en structuur * **Aminozuren:** De mens kan ongeveer 100.000 verschillende eiwitten vormen uit slechts 20 standaard aminozuren. Negen van deze aminozuren zijn essentieel en moeten via de voeding worden verkregen, omdat het lichaam ze zelf niet kan aanmaken. * **Peptidebindingen:** Aminozuren worden in eiwitketens aan elkaar gekoppeld via peptidebindingen, die ontstaan door een condensatiereactie waarbij een watermolecuul vrijkomt. * **Peptiden en eiwitten:** Korte ketens van aminozuren worden peptiden genoemd (di-peptiden, oligo-peptiden). Ketens met meer dan 100 aminozuren worden over het algemeen eiwitten genoemd. * **Structurele stabiliteit:** Naast waterstofbruggen zijn zwavelbruggen, verbindingen tussen zwavelatomen van cysteïne-aminozuren, van groot belang voor de stabiliteit en de driedimensionale structuur van eiwitten. Deze bruggen zijn aanzienlijk sterker dan waterstofbruggen. ### 4.2 Denaturatie Denaturatie is het verlies van de ruimtelijke structuur van een eiwit, wat leidt tot functieverlies. Dit kan worden veroorzaakt door externe factoren zoals: * **Temperatuur:** Verhoogde temperaturen, zoals bij koorts boven 42°C, kunnen zwavelbruggen en waterstofbruggen verbreken, waardoor eiwitten denatureren. Dit kan leiden tot onherstelbare schade aan organen en is potentieel dodelijk. * **pH:** Veranderingen in zuurgraad (pH) kunnen eveneens de bindingen die de eiwitstructuur stabiliseren, verbreken. > **Tip:** Het bakken van een ei is een voorbeeld van denaturatie; de warmte verandert de structuur en functie van de eiwitten, waardoor het eiwit wit wordt en stolt. ### 4.3 Enzymen Enzymen zijn eiwitmoleculen die fungeren als biologische katalysatoren. Ze versnellen of initiëren biochemische reacties zonder zelf permanent te veranderen. * **Specificiteit:** Elk enzym is specifiek en kan slechts één bepaalde reactie beïnvloeden. * **Co-factoren en co-enzymen:** Veel enzymen hebben de aanwezigheid van co-factoren (zoals zink of magnesium) of co-enzymen (vaak afgeleid van vitamines) nodig om actief te zijn. Deze fungeren als schakelaars die de activiteit van het enzym reguleren. * **Werkingsmechanisme:** Enzymen binden zich aan een substraat (de stof waarop het enzym inwerkt) aan een specifieke 'actieve plaats', waardoor een enzym-substraatcomplex ontstaat. * **Omgevingsfactoren:** De activiteit van enzymen is gevoelig voor temperatuur en pH. Boven een bepaalde temperatuur (rond 40°C) worden enzymen inactief door schade. De pH-waarden in het lichaam variëren sterk (bijvoorbeeld in de mond, maag en darmen), wat de activiteit van specifieke enzymen beïnvloedt. Enzymen die eindigen op '-ase' zijn doorgaans enzymen, zoals amylase (koolhydraatsplitsing) en peptidase (eiwitsplitsing). ### 4.4 Groei, onderhoud en herstel Eiwitten vormen een aanzienlijk deel van de lichaamsmassa (ongeveer 15%) en zijn essentieel voor het onderhoud en herstel van weefsels. * **Structurele componenten:** Spieren bestaan grotendeels uit contractiele eiwitten zoals myosine en actine. * **Weefselherstel:** Bij wondgenezing speelt het eiwit fibrine een rol bij de vorming van bloedstolsels. * **Eiwitrecycling:** Lichaamseiwitten worden voortdurend afgebroken en opnieuw gesynthetiseerd, waarbij vrijgekomen aminozuren worden hergebruikt. ### 4.5 Transport Eiwitten zijn cruciaal voor het transport van diverse stoffen in het lichaam. * **Bloedtransport:** Stoffen die niet wateroplosbaar zijn, worden gebonden aan transporteiwitten zoals albumine en globuline om in het bloed te kunnen circuleren. Hemoglobine, een eiwit in rode bloedcellen, transporteert zuurstof ($O_2$) en koolstofdioxide ($CO_2$). Albumine transporteert een breed scala aan moleculen, waaronder hormonen en medicijnen, en draagt bij aan de osmotische druk in bloedvaten. * **Celmembraantransport:** Eiwitten in de celmembraan, zoals ionkanalen en ionpompen, faciliteren het transport van stoffen van en naar de cel. * **Receptoren:** Membraaneiwitten dienen ook als receptoren waaraan specifieke moleculen, zoals neurotransmitters en hormonen, kunnen binden. ### 4.6 Regulatie van zuurgraad Eiwitten spelen een rol bij het handhaven van de juiste zuur-basebalans (pH) in het lichaam. Ze kunnen helpen bij het neutraliseren van overtollige zuren of basen, waardoor levensbedreigende acidose of alkalose wordt voorkomen. ### 4.7 Stofwisseling Vrijwel alle enzymen zijn eiwitten en zijn daardoor direct betrokken bij de stofwisseling. De synthese van enzymen kan de tussenkomst van vitamines vereisen. ### 4.8 Hormoonfunctie Veel hormonen zijn eiwitstructuren (eiwithormonen) of afgeleid van aminozuren. Voorbeelden zijn insuline, glucagon en groeihormoon. Deze hormonen zijn wateroplosbaar en circuleren in het bloed. Steroïdhormonen daarentegen, zoals testosteron en oestrogeen, worden uit cholesterol gevormd. ### 4.9 Energieproductie Hoewel koolhydraten en vetten de voorkeursbronnen van energie zijn, kunnen aminozuren ook worden omgezet in energie, met name wanneer de beschikbaarheid van glucose en vetzuren laag is. In de lever kunnen aminozuren via gluconeogenese worden omgezet in glucose, onder invloed van hormonen zoals cortisol. ### 4.10 Immuniteit Antistoffen, ook wel immunoglobulinen genoemd, zijn eiwitten die door het immuunsysteem worden geproduceerd. Ze herkennen en neutraliseren lichaamsvreemde stoffen (antigenen) zoals bacteriën en virussen, en beschermen het lichaam zo tegen ziekte. ### 4.11 Voedingsaspecten * **Essentiële aminozuren:** Dierlijke eiwitten bevatten doorgaans alle essentiële aminozuren in een gunstige verhouding. Plantaardige eiwitten (met uitzondering van soja) missen vaak één of meer essentiële aminozuren. Combinatie van verschillende plantaardige eiwitbronnen of met dierlijke eiwitten kan de inname van alle noodzakelijke aminozuren waarborgen. * **Aanbevelingen:** Een hoge consumptie van dierlijke eiwitten wordt vaak geassocieerd met een hoge inname van verzadigde vetten. Het wordt aanbevolen om magere dierlijke producten te kiezen en af te wisselen met plantaardige eiwitbronnen, die ook rijk zijn aan koolhydraten, vezels, vitamines en mineralen. De dagelijkse eiwitbehoefte bedraagt ongeveer 9 tot 11% van de totale energie-inname, wat neerkomt op 50 tot 80 gram, afhankelijk van leeftijd, geslacht en activiteit. * **Eiwitondervoeding:** Een tekort aan eiwitten, met name in combinatie met een algemeen calorietekort of een gebrek aan andere essentiële voedingsstoffen, kan de groei, ontwikkeling en immuniteit ernstig belemmeren, wat leidt tot vatbaarheid voor infecties en groeivertraging. --- # Eiwitbronnen, consumptie en ondervoeding Dit onderwerp behandelt de aard van eiwitten, de verschillen tussen dierlijke en plantaardige bronnen, aanbevelingen voor eiwitconsumptie, en de gevolgen van eiwitondervoeding, met een focus op peuters. ### 5.1 Wat zijn eiwitten en hun structuur? Eiwitten zijn complexe moleculen opgebouwd uit aminozuren, die in ketens gerangschikt zijn. Deze ketens kunnen kort en eenvoudig zijn, maar meestal zijn ze gedraaid en opgevouwen tot specifieke driedimensionale structuren. Een gemiddeld eiwit bevat ongeveer 1000 aminozuren, maar grote eiwitcomplexen kunnen meer dan 100.000 aminozuren bevatten. Het menselijk lichaam kan ongeveer 100.000 verschillende eiwitten produceren, elk met een unieke vorm, structuur en functie. #### 5.1.1 Aminozuren als bouwstenen Er zijn 20 verschillende aminozuren die als bouwstenen dienen voor menselijke eiwitten. Van deze 20 kan het lichaam een aantal zelf aanmaken (niet-essentiële aminozuren), maar negen aminozuren kunnen niet zelf geproduceerd worden en moeten via de voeding verkregen worden. Deze worden essentiële aminozuren genoemd. **Essentiële aminozuren:** * Fenylalanine * Isoleucine * Lysine * Methionine * Threonine * Valine * Histidine (vooral belangrijk voor kinderen) * Leucine * Tryptofaan **Niet-essentiële aminozuren:** * Alanine * Arginine * Asparagine * Asparaginezuur * Cysteïne * Cystine * Glutaminezuur * Glutamine * Glycine * Hydroxyproline * Proline * Serine * Tyrosine #### 5.1.2 Peptidebindingen en eiwitvorming Aminozuren zijn aan elkaar verbonden in een aminozuurketen via peptidebindingen. Dit zijn verbindingen tussen de aminogroep ($-\text{NH}_2$) van het ene aminozuur en de carboxygroep ($-\text{COOH}$) van het andere. Bij de vorming van een peptidebinding komt een watermolecuul vrij, wat een condensatiereactie is. * Twee aan elkaar verbonden aminozuren vormen een dipeptide. * Korte ketens van aminozuren worden oligopeptiden genoemd. * Langere ketens, met meer dan 100 aminozuren, worden doorgaans eiwitten genoemd. Peptiden kunnen zelf dienen als bouwsteen voor eiwitten. #### 5.1.3 De driedimensionale structuur van eiwitten De driedimensionale vorm van een eiwit is cruciaal voor zijn functie. Wijzigingen in deze vorm kunnen leiden tot verlies van functie of zelfs vernietiging van het eiwit. Sterke zwavelbruggen (verbindingen tussen zwavelatomen van aminozuren) en waterstofbruggen zijn mede bepalend voor de uiteindelijke structuur. Zwavelbruggen spelen bijvoorbeeld een rol in de structuur van haar. **Denaturatie:** Verandering van de eiwitstructuur door externe factoren zoals temperatuur of pH. Dit kan leiden tot verlies van functie. Extreme koorts (boven 42 graden Celsius) kan leiden tot denaturatie van lichaams-eiwitten, wat fataal kan zijn. Het bakken van een ei is een voorbeeld van doelbewuste denaturatie waarbij eiwitten van structuur en functie veranderen. > **Tip:** Een goede lichaamstemperatuurregulatie is essentieel, omdat eiwitten essentieel zijn voor vrijwel alle lichaamsprocessen. Bij gevaarlijk hoge koorts is medicatie zoals aspirine of paracetamol nodig om denaturatie te voorkomen. ### 5.2 Functies van eiwitten Eiwitten vervullen een breed scala aan vitale functies in het lichaam. #### 5.2.1 Groei, onderhoud en herstel Eiwitten zijn verantwoordelijk voor de opbouw, het onderhoud en het herstel van lichaamsweefsels. Ze vormen een aanzienlijk deel van de lichaamsmassa, na water. Spieren bestaan bijvoorbeeld grotendeels uit de contractiele eiwitten myosine en actine. Bij wondgenezing speelt het eiwit fibrine een rol bij de vorming van bloedstolsels. Celeiwitten worden continu afgebroken en opnieuw gesynthetiseerd uit vrijgekomen aminozuren. #### 5.2.2 Transport Eiwitten zijn essentieel voor het transport van stoffen door het lichaam, met name voor stoffen die niet in bloed oplosbaar zijn. Transporteiwitten zoals albumine en globuline binden aan deze stoffen en maken zo transport via het bloed mogelijk. Hemoglobine, een eiwit in rode bloedcellen, transporteert zuurstof ($O_2$) en kooldioxide ($CO_2$). Albumine helpt ook bij het handhaven van de osmotische druk in bloedvaten. Eiwitten in celmembranen fungeren als kanalen en pompen voor transport van stoffen in en uit de cel, en als receptoren voor signaleringsmoleculen. #### 5.2.3 Rol bij zuurtegraadregulatie Het lichaam produceert eiwitten die helpen bij het handhaven van het evenwicht tussen zuren en basen (pH-balans). Verstoringen in dit evenwicht (acidose of alkalose) kunnen levensbedreigend zijn. #### 5.2.4 Enzymen en stofwisseling Alle enzymen zijn eiwitten die fungeren als katalysatoren voor biochemische reacties. Ze versnellen reacties zonder zelf verbruikt te worden. Enzymen kunnen betrokken zijn bij zowel synthese- als afbraakreacties. De activiteit van enzymen is vaak afhankelijk van specifieke omgevingsfactoren zoals temperatuur en pH, en kan co-factoren zoals mineralen en vitaminen vereisen. Namen van stoffen eindigend op "-ase" duiden vaak op enzymen (bijv. amylase, lipase, peptidase). > **Tip:** De pH van het spijsverteringskanaal varieert sterk, van zuur in de maag tot basisch in de dunne darm. Dit bepaalt mede welke enzymen op welke locatie actief zijn. Enzymen zoals peptase werken in een zuur milieu, terwijl trypsine in een basisch milieu actief is. #### 5.2.5 Hormonen Veel hormonen zijn eiwitstructuren, ook wel eiwithormonen genoemd (bijv. insuline, groeihormoon, glucagon). Deze hormonen zijn wateroplosbaar en kunnen dus in het bloed worden getransporteerd. #### 5.2.6 Alternatieve energiebron Wanneer er onvoldoende glucose en vetzuren beschikbaar zijn, kunnen aminozuren als energiebron dienen. Dit proces vindt plaats in de mitochondriën via de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering. De lever kan aminozuren omzetten in glucose via gluconeogenese. #### 5.2.7 Immuniteit Antistoffen, ook wel immunoglobulinen genoemd, zijn eiwitten die het lichaam beschermen tegen ziekteverwekkers. Ze worden geproduceerd door witte bloedcellen als reactie op antigenen. ### 5.3 Eiwitbronnen en consumptieaanbevelingen #### 5.3.1 Dierlijke versus plantaardige eiwitten * **Dierlijke eiwitten** bevatten doorgaans alle essentiële aminozuren in de juiste verhoudingen. * **Plantaardige eiwitten** (met uitzondering van soja-eiwitten) missen vaak één of meer essentiële aminozuren of hebben een onevenwichtige verhouding. Door plantaardige eiwitbronnen te combineren met elkaar of met dierlijke eiwitten, kan echter een compleet aminozuurprofiel worden verkregen. > **Tip:** Een hoge consumptie van dierlijke eiwitten wordt niet altijd aanbevolen vanwege de vaak hoge inname van verzadigde vetten. Plantaardige eiwitbronnen zijn daarnaast vaak rijk aan koolhydraten, vezels, vitaminen en mineralen. Kies voor magere dierlijke producten en varieer voldoende met plantaardige eiwitbronnen. #### 5.3.2 Aanbevolen dagelijkse hoeveelheid De eiwitbehoefte bedraagt ongeveer 9 tot 11% van de dagelijkse energie-inname. Dit komt neer op circa 50 tot 80 gram eiwit per dag, afhankelijk van factoren zoals leeftijd, geslacht en activiteitsniveau. ### 5.4 Eiwitondervoeding Voedingspatronen die een tekort hebben aan de juiste combinatie van calorieën, eiwitten (kwalitatief en kwantitatief), essentiële vetten, koolhydraten, vitaminen en mineralen kunnen leiden tot ernstige gezondheidsproblemen, met name bij jonge kinderen. #### 5.4.1 Gevolgen bij peuters Peuters in ontwikkelingslanden lopen een verhoogd risico op infecties door eiwitondervoeding. Eén van de meest effectieve behandelmethoden is het gebruik van kant-en-klare therapeutische voeding. **Kenmerken van ernstige eiwitondervoeding (kwashiorkor):** * Dunne armen en benen. * Opvallend dikke buik (door vochtophoping, ascites). * Ernstige groeiachterstand. * Verhoogde vatbaarheid voor infecties. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Eiwitten | Complexe moleculen opgebouwd uit ketens van aminozuren, essentieel voor diverse lichaamsfuncties zoals structuur, transport en enzymatische activiteit. | | Aminozuren | De bouwstenen van eiwitten, organische moleculen die een aminogroep (-NH2) en een carboxylgroep (-COOH) bevatten, en die via peptidebindingen aan elkaar worden gekoppeld. | | Peptidebinding | Een chemische binding die ontstaat tussen de aminogroep van het ene aminozuur en de carboxygroep van het andere aminozuur, waarbij een watermolecuul wordt afgesplitst. | | Essentiële aminozuren | Aminozuren die het menselijk lichaam niet zelf kan aanmaken en die daarom via de voeding moeten worden verkregen, zoals fenylalanine en lysine. | | Niet-essentiële aminozuren | Aminozuren die het menselijk lichaam wel zelf kan synthetiseren en die niet per se uit de voeding verkregen hoeven te worden. | | Polypeptiden | Lange ketens van aminozuren die de basis vormen van eiwitten; ketens met meer dan 100 aminozuren worden doorgaans als eiwit beschouwd. | | Zwavelbruggen | Sterke chemische bindingen tussen zwavelatomen van cysteïne residuen in eiwitten, die cruciaal zijn voor de stabilisatie van de driedimensionale eiwitstructuur. | | Denaturatie | Het proces waarbij de driedimensionale structuur van een eiwit wordt verstoord, vaak veroorzaakt door externe factoren zoals extreme temperaturen of pH-waarden, wat leidt tot verlies van functie. | | Enzymen | Eiwitmoleculen die fungeren als biologische katalysatoren, versnellen of initiëren chemische reacties in het lichaam zonder zelf te worden verbruikt. | | Substraat | De specifieke moleculaire entiteit waarop een enzym inwerkt tijdens een enzymatische reactie. | | Actieve plaats | Het specifieke gebied op een enzymmolecuul waar het substraat bindt en de chemische reactie plaatsvindt. | | Co-factor | Een niet-eiwitchemische verbinding of metaal-ion die nodig is voor de biologische activiteit van sommige enzymen. | | Co-enzym | Een organische co-factor, vaak afgeleid van vitamines, die een cruciale rol speelt in de katalytische activiteit van enzymen. | | pH | Een maat voor de zuurgraad of alkaliteit van een oplossing, die essentieel is voor de optimale werking van veel enzymen. | | Hyperthermie | Een gevaarlijke toename van de lichaamstemperatuur die verder gaat dan normale koorts, vaak veroorzaakt door externe factoren of medicatie, en die kan leiden tot denaturatie van eiwitten. | | Transporteiwitten | Eiwitten die betrokken zijn bij het verplaatsen van specifieke moleculen of ionen door membranen of door het bloed, zoals albumine en hemoglobine. | | Hormonen | Signaalmoleculen, waarvan vele eiwit- of peptidegebaseerd zijn, die geproduceerd worden door endocriene klieren en via de bloedbaan naar doelcellen worden getransporteerd om fysiologische processen te reguleren. | | Immunoglobulinen (Antistoffen) | Glycoproteïnen geproduceerd door B-cellen die een sleutelrol spelen in het immuunsysteem door het herkennen en neutraliseren van lichaamsvreemde agentia zoals bacteriën en virussen. | | Eiwitondervoeding | Een aandoening die ontstaat door een onvoldoende inname van eiwitten en/of essentiële aminozuren, wat leidt tot groeistoornissen, verminderde immuunfunctie en andere gezondheidsproblemen. |

# Eigenschappen en functies van aminozuren Aminozuren zijn moleculen met unieke chemische eigenschappen en diverse functies die cruciaal zijn voor biologische processen, verder reikend dan hun rol als bouwstenen van eiwitten [10](#page=10). ### 1.1 Definitie en algemene kenmerken Een aminozuur bestaat uit een centraal koolstofatoom (het chirale centrum, behalve bij glycine) waaraan een aminogroep, een carboxygroep, een waterstofatoom en een variabele zijketen (R-groep) zijn gebonden. Alle humane aminozuren zijn L-enantiomeren. De zijketen bepaalt in grote mate de specifieke eigenschappen van elk aminozuur [3](#page=3). ### 1.2 De zwitterionische aard van aminozuren Aminezuren gedragen zich als zwitterionen, wat betekent dat ze zowel een positief geladen aminogroep als een negatief geladen carboxygroep bezitten bij fysiologische pH. De aminogroep kan protonen opnemen, terwijl de carboxygroep protonen kan afgeven. Dit zuur-base evenwicht wordt beïnvloed door de pH van de omgeving en de pKa-waarden van de functionele groepen, wat ook geldt voor de zijketens van sommige aminozuren. De pH wordt gedefinieerd als $pH = -\log([H^+])$ en de pKa als $pKA = -\log(\frac{[A^-]}{[HA]})$ [4](#page=4). ### 1.3 Classificatie van aminozuren op basis van hun zijketens Aminezuren worden ingedeeld op basis van de eigenschappen van hun R-groep [3](#page=3). #### 1.3.1 Alifatische aminozuren Deze aminozuren hebben een hydrofobe, niet- of beperkt-interagerende zijketen. Glycine is het kleinste en enige niet-chirale aminozuur in deze categorie [5](#page=5). #### 1.3.2 Aromatische aminozuren Aromatische aminozuren bezitten elektronrijke aromatische ringen. Deze eigenschap maakt ze geschikt voor diverse functies [6](#page=6): * Specificiteit in hormonen zoals thyroxine, adrenaline en serotonine [6](#page=6). * UV-absorptie van licht, zoals bij melanine [6](#page=6). * Docking van substraten in enzymen via hydrofobe pockets [6](#page=6). * Tyrosine bevat een hydroxylgroep die post-translationele modificaties toelaat [6](#page=6). #### 1.3.3 Polaire, zure en basische aminozuren Lading, of het potentieel daartoe, is essentieel voor de structuur en interacties van eiwitten [7](#page=7). #### 1.3.4 Overige klassen * **Cysteïne:** Maakt "crosslinking" mogelijk door de vorming van disulfidebruggen, wat essentieel is voor de stabiliteit van proteïnestructuren [8](#page=8). * **Proline:** Forceert specifieke buigingen in proteïnestructuren [8](#page=8). * Sommige aminozuren hebben multifunctionele, hydrofiele zijketens [8](#page=8). ### 1.4 Multifunctionele rollen van aminozuren Aminezuren vervullen diverse rollen die verder gaan dan hun rol als bouwstenen van eiwitten [10](#page=10) [9](#page=9): * **Precursoren voor hormonen:** Bijvoorbeeld thyroxine [9](#page=9). * **Precursoren voor neurotransmitters:** Zoals DOPA en GABA [9](#page=9). * **Tussenproducten in metabole routes:** Zoals ornithine en citrulline in de ureumcyclus [9](#page=9). * **Shuttles:** Moleculen zoals creatine en carnitine fungeren als shuttles [9](#page=9). * **Radicaal scavengers:** Stoffen zoals glutathion, carnosine, anserine, dipeptiden en methylhistidine helpen bij het neutraliseren van schadelijke vrije radicalen [9](#page=9). > **Tip:** Onthoud dat de diversiteit aan zijketens de sleutel is tot de breedte aan functies die aminozuren kunnen uitoefenen in biologische systemen. > **Example:** De hydrofobe aard van de zijketens van aromatische aminozuren verklaart waarom ze vaak in de binnenkant van eiwitbolletjes worden aangetroffen of interageren met lipide-achtige omgevingen, zoals membraanreceptoren [6](#page=6). --- # Stikstofbalans en aminozuurintake Dit gedeelte behandelt de stikstofbalans in het lichaam, het onderscheid tussen essentiële en niet-essentiële aminozuren, en de rol van de Cori cyclus in glucosehomeostase, alsook de implicaties van dieetrestricties. ### 2.1 De stikstofbalans De stikstofbalans beschrijft de verhouding tussen de stikstofinname en -uitscheiding in het lichaam. Een evenwichtige inname zorgt ervoor dat de opname gelijk is aan de uitscheiding, wat resulteert in een steady-state [11](#page=11). * **Positieve stikstofbalans:** Dit duidt op een actieve opname van aminozuren ten behoeve van anabolisme, zoals bij weefselherstel en groei door eiwitsynthese [11](#page=11). * **Negatieve stikstofbalans:** Dit betekent een verlies van aminozuren, voornamelijk door katabolisme. Dit kan optreden bij weefselafbraak door tekorten, tijdens perioden van vasten, bij diabetes (waarbij gluconeogenese plaatsvindt), of wanneer essentiële aminozuren afwezig zijn in het dieet, wat leidt tot recyclage van bestaande aminozuren [11](#page=11). Nutritionele opvolging en advies zijn cruciaal voor het handhaven van een correcte stikstofbalans [11](#page=11). ### 2.2 De Cori cyclus De Cori cyclus speelt een belangrijke rol in de ondersteuning van de glucosehomeostase, met name tijdens vasten. Glucose kan afkomstig zijn uit het dieet, gluconeogenese, of glycogenolyse. Na absorptie in de darm worden hexosen in de lever omgezet naar glucose [12](#page=12). In anaërobe omstandigheden, zoals bij intensieve inspanning, wordt perifeer glucose omgezet in lactaat en alanine. De lever is vervolgens in staat om deze producten, lactaat en alanine, via gluconeogenese weer om te zetten naar glucose, waarmee de bloedglucosespiegel wordt gehandhaafd [12](#page=12). ### 2.3 Intake van aminozuren Aminozuren zijn de fundamentele bouwstenen voor eiwitten, nucleïnezuren, coenzymen en vele andere biologische moleculen. Het lichaam kent essentiële en niet-essentiële aminozuren [13](#page=13). * **Essentiële aminozuren:** Deze kunnen door het lichaam niet endogeen worden aangemaakt, of de aanmaak is inefficiënt. Ze moeten daarom via de voeding worden verkregen. Dieetrestricties, zoals bij veganisme of bepaalde metabole aandoeningen, vereisen zorgvuldige substitutie van deze aminozuren om tekorten te voorkomen [13](#page=13). * **Niet-essentiële aminozuren:** Deze aminozuren kunnen door het lichaam zelf worden gesynthetiseerd via metabole pathways. De koolstofstructuur van deze aminozuren is vaak afgeleid van het glucosemetabolisme of van een ander aminozuur [15](#page=15). Naast de kwantiteit van ingenomen eiwitten is ook de kwaliteit, oftewel de samenstelling van aminozuren, van groot belang. Multidisciplinaire samenwerking is essentieel voor adequaat voedingsadvies, met name bij specifieke dieetvereisten [13](#page=13). Er worden twee typen chronische ondervoeding onderscheiden [14](#page=14). > **Tip:** Begrijp het verschil tussen essentiële en niet-essentiële aminozuren en de reden waarom dit onderscheid belangrijk is voor dieetplanning, vooral bij restrictieve diëten. > **Voorbeeld:** Een veganist moet ervoor zorgen dat hij of zij voldoende eiwitten consumeert uit plantaardige bronnen die alle essentiële aminozuren leveren, aangezien deze niet endogeen worden aangemaakt. Dit kan door combinaties van voedingsmiddelen te eten. --- # Structuur en organisatie van eiwitten Eiwitten zijn complexe moleculen met diverse functies, waarvan de specifieke driedimensionale structuur cruciaal is voor hun activiteit en georganiseerd is op vier niveaus: primair, secundair, tertiair en quaternair [17](#page=17). ### 3.1 Primaire structuur De primaire structuur van een eiwit wordt gedefinieerd door de specifieke lineaire sequentie van aminozuren. Deze volgorde wordt bepaald door de genetische code. De verbinding tussen twee aminozuren is een peptidebinding, gevormd door de reactie tussen de aminogroep van het ene aminozuur en de carboxylgroep van het andere aminozuur. Deze amidebinding is stabiel door mesomere binding en kan geactiveerd worden voor hydrolyse [17](#page=17) [18](#page=18). De vorming van de peptidebinding in het ribosoom is een complex proces dat translatie inhoudt, waarbij mRNA wordt omgezet in een aminozuursequentie. Dit proces omvat de binding van een aminozuur aan ATP, de koppeling aan transfer-RNA (tRNA), en de interactie van tRNA met mRNA via codons, waarna initiatie, elongatie en terminatie plaatsvinden onder begeleiding van het ribosoom [19](#page=19) [21](#page=21). > **Tip:** Begrijpen hoe de genetische code wordt vertaald naar een aminozuursequentie is fundamenteel voor het begrijpen van eiwitstructuur en functie. ### 3.2 Secundaire structuur De secundaire structuur betreft de lokale herorganisatie van de primaire polypeptideketen door vouwing. Deze vouwing wordt gestuurd door de interactie van hydrofiele en hydrofobe segmenten binnen de keten. De vouwing vindt modulair plaats en evolueert tijdens de eiwitsynthese door het ribosoom. Chaperone-eiwitten spelen een ondersteunende rol bij het waarborgen van de correcte vouwing [22](#page=22). Veelvoorkomende secundaire structuren zijn de alfa-helix en de bèta-sheets. Deze structuren vormen een "actieve" pocket als onderdeel van een secundaire superstructuur [22](#page=22) [23](#page=23). ### 3.3 Tertiaire structuur De tertiaire structuur vertegenwoordigt de verdere compressie en de driedimensionale vouwing van de polypeptideketen tot een functionele vorm. Deze structuur wordt gestabiliseerd door een verscheidenheid aan chemische interacties, waaronder covalente bindingen zoals zwavelbruggen, en diverse non-covalente interacties. Deze interacties hoeven niet noodzakelijk in primaire nabijheid van elkaar te plaatsvinden. Aminozuren zoals proline kunnen specifieke bochten in de keten induceren door hun stijve structuur [24](#page=24). Het uiteindelijke product van de tertiaire vouwing is een interactief eiwit met specifieke functionele eigenschappen, zoals katalytische centra (in enzymen of receptoren), structurele verankering en vorm, en allostere posities voor regulatie [24](#page=24). ### 3.4 Quaternaire structuur De quaternaire structuur ontstaat wanneer meerdere polypeptideketens (subeenheden) samenkomen om één functioneel eiwitcomplex te vormen. Deze interactie tussen de subeenheden, alsook interacties met co-enzymen, dragen bij aan de algehele functie van het eiwit. Dit principe van "teamwork" is essentieel voor de maximale efficiëntie en complexe functies van veel eiwitten. Verschillende functionele eiwitten kunnen ook samenwerken als onderdeel van grotere complexen [25](#page=25). --- # Relevantie en modificaties van proteïnestructuur Dit onderwerp onderzoekt de klinische implicaties van de structuur van eiwitten, zowel in relatie tot ziekteprocessen als in de context van laboratoriumdiagnostiek, en belicht tevens post-translationele modificaties die de eiwitfunctie verder bepalen. ### 4.1 Klinische relevantie van proteïnestructuur De specifieke driedimensionale structuur van eiwitten is cruciaal voor hun functie en kan direct gerelateerd zijn aan gezondheid en ziekte. Veranderingen in deze structuur, zoals denaturatie of aggregatie, kunnen pathologische gevolgen hebben [26](#page=26). * **Ethanol:** Wordt gebruikt voor ontsmetting omdat het eiwitten denatureert, waardoor hun functie verloren gaat [26](#page=26). * **Ziekte van Alzheimer:** Gekenmerkt door de denaturatie en aggregatie van het beta-amyloïde eiwit, wat leidt tot de vorming van pathologische plaques in de hersenen [26](#page=26). * **Prionen:** Dit zijn infectieuze eiwitten die "gezonde" eiwitten kunnen converteren naar een abnormale, pathogene conformatie, wat leidt tot neurodegeneratieve ziekten [26](#page=26). * **Hemoglobine:** Dit eiwit vertoont een functionele sigmoïdale binding voor zuurstof, maar structurele mutaties kunnen leiden tot ziekten zoals sikkelcelanemie [26](#page=26). ### 4.2 Proteïnestructuur en labodiagnostiek De structurele gelijkenis tussen eiwitten kan uitdagingen met zich meebrengen voor laboratoriumdiagnostiek, maar ook diagnostische strategieën beïnvloeden. * **Hormonologie:** Verschillende hormonen, zoals TSH, FSH, LH en hCG, delen dezelfde alfa-subunit [27](#page=27). * Dit vereist in veel hypofysaire immunoassays het gebruik van antilichamen die specifiek zijn voor zowel de alfa- als de bèta-subunit [27](#page=27). * Maligniteiten kunnen soms slechts een deel van het hormoon produceren, bijvoorbeeld de bèta-subunit van hCG [27](#page=27). * Dit kan leiden tot diagnostische uitdagingen, waarbij verschillende assay-strategieën (alfa-bèta assay versus bèta-only assay) onderscheid moeten maken tussen zwangerschap en oncologische aandoeningen [27](#page=27). > **Tip:** Begrip van de structurele homologie tussen hormonen is essentieel voor het interpreteren van diagnostische tests en het ontwikkelen van specifieke detectiemethoden. ### 4.3 Post-translationele modificaties Na de initiële synthese van een eiwit (translatie) ondergaan veel eiwitten verdere chemische modificaties, bekend als post-translationele modificaties (PTM's). Deze PTM's zijn cruciaal voor het voltooien van de eiwitfunctie, regulatie, lokalisatie en stabiliteit [28](#page=28). * **Proproteïnes:** Eén enkel eiwit wordt gesynthetiseerd als een precursor (prohormoon of proproteïne) dat vervolgens kan worden gesplitst in meerdere functionele peptiden of hormonen [28](#page=28). * Een klassiek voorbeeld is POMC (pro-opiomelanocortine), dat kan worden verwerkt tot ACTH, MSH of endorfines [28](#page=28). * **Inactieve eiwitten:** Sommige eiwitten worden geproduceerd in een inactieve vorm en vereisen specifieke signalen of modificaties om geactiveerd te worden. De bloedstollingscascade is een prominent voorbeeld van zo'n geactiveerd sequentieel proces [28](#page=28). * **Additie van structuren:** * **Additie van polaire groepen:** Glycosylatie (toevoeging van suikers) en sulfatatie (toevoeging van sulfaatgroepen) verhogen de polariteit van eiwitten, wat invloed kan hebben op oplosbaarheid en interacties [28](#page=28). * **Additie van apolaire groepen:** Methylatie (toevoeging van een methylgroep) en lipidatie (toevoeging van lipiden) verhogen de hydrofobe eigenschappen, wat kan bijdragen aan membraanbinding of eiwit-eiwit interacties [28](#page=28). * **Fosforylatie:** De toevoeging van een fosfaatgroep aan een eiwit fungeert vaak als een moleculaire "aan/uit" schakelaar, die de activiteit, stabiliteit of interacties van het eiwit reguleert [28](#page=28). * **Additie van cofactoren en coenzymen:** Veel eiwitten vereisen de binding van specifieke cofactoren (bv. metaalionen) of coenzymen (vaak afkomstig van vitaminen) om hun catalytische activiteit te ontplooien [28](#page=28). > **Example:** De activiteit van veel enzymen in de cel signaling pathways wordt sterk beïnvloed door fosforylatie. Kinases voegen fosfaatgroepen toe, terwijl fosfatases ze verwijderen, wat zorgt voor dynamische regulatie van cellulaire processen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Aminozuur | Een organische verbinding die zowel een aminogroep (-NH2) als een carboxylgroep (-COOH) bevat. Ze zijn de bouwstenen van eiwitten. | | Zwitterion | Een molecuul dat gelijktijdig een positieve en een negatieve lading draagt, resulterend in een netto neutrale lading. Aminozuren gedragen zich als zwitterionen bij bepaalde pH-waarden. | | Chiraal centrum | Een atoom (meestal koolstof) in een molecuul dat gebonden is aan vier verschillende groepen. Dit leidt tot het bestaan van enantiomeren (spiegelbeeldisomeren). | | L-enantiomeren | De stereochemische configuratie van aminozuren die van nature in menselijke eiwitten voorkomen. Ze zijn de spiegelbeelden van de D-enantiomeren. | | Zijketen/R-groep | Het deel van een aminozuurmolecuul dat varieert tussen de 20 standaard aminozuren en dat de specifieke chemische eigenschappen van dat aminozuur bepaalt. | | Aminogroep | De functionele groep -NH2 die aanwezig is in aminozuren en die als base kan fungeren door protonen op te nemen. | | Carboxygroep | De functionele groep -COOH die aanwezig is in aminozuren en die als zuur kan fungeren door protonen af te geven. | | pKA | De pH waarbij de helft van een zuur gedeprotoneerd is en de andere helft geprotoneerd. Het is een maat voor de sterkte van een zuur. | | Alifatische aminozuren | Aminozuren met zijketens die uitsluitend bestaan uit koolstof en waterstofatomen, vaak gekenmerkt door hydrofobe eigenschappen. | | Hydrofoob | Verwijst naar moleculen of groepen die water afstoten en de neiging hebben om zich te aggregeren in een waterige omgeving. | | Aromatische aminozuren | Aminozuren die een aromatische ringstructuur in hun zijketen bevatten, zoals fenylalanine, tyrosine en tryptofaan. | | UV-absorptie | Het vermogen van een stof om ultraviolet licht te absorberen. Aromatische aminozuren vertonen UV-absorptie, wat wordt gebruikt in analysemethoden. | | Post-translationele modificatie | Chemische veranderingen aan een eiwit na de synthese ervan op het ribosoom, die de functie, stabiliteit of lokalisatie van het eiwit kunnen beïnvloeden. | | Cysteïne | Een aminozuur dat een zwavelatoom bevat, waardoor disulfidebruggen kunnen worden gevormd die de tertiaire en quaternaire structuur van eiwitten stabiliseren. | | Proline | Een uniek aminozuur waarvan de zijketen terugbindt naar de aminogroep, wat resulteert in een starre structuur die eiwitvouwing kan forceren. | | Stikstofbalans | De verhouding tussen de opname en uitscheiding van stikstof in het lichaam, wat een indicator is van de eiwitstofwisseling. | | Anabolisme | Het metabole proces waarbij grotere moleculen worden opgebouwd uit kleinere moleculen, wat energie vereist. Proteïnesynthese is een voorbeeld van anabolisme. | | Katabolisme | Het metabole proces waarbij grotere moleculen worden afgebroken tot kleinere moleculen, waarbij energie vrijkomt. Eiwitafbraak is een voorbeeld van katabolisme. | | Gluconeogenese | Het metabole proces waarbij glucose wordt gesynthetiseerd uit niet-koolhydraatprecursoren, zoals aminozuren, lactaat en glycerol. | | Cori cyclus | Een reeks biochemische reacties tussen spieren en lever die de omzetting van lactaat naar glucose mogelijk maakt, wat de glucosehomeostase ondersteunt tijdens inspanning en vasten. | | Essentiële aminozuren | Aminozuren die het lichaam niet zelf kan synthetiseren en daarom via de voeding moeten worden verkregen. | | Niet-essentiële aminozuren | Aminozuren die het lichaam zelf kan synthetiseren, meestal vanuit intermediairen van het koolhydraat- of aminozuurmetabolisme. | | Proteïne | Een macromolecuul opgebouwd uit een keten van aminozuren, essentieel voor vrijwel alle biologische processen in een cel. | | Primair structuur | De lineaire sequentie van aminozuren in een polypeptideketen, bepaald door de genetische code. | | Secundair structuur | Lokale vouwingen van de polypeptideketen, voornamelijk bestaande uit alfa-helices en beta-sheets, gestabiliseerd door waterstofbruggen. | | Tertiair structuur | De driedimensionale vouwing van een enkele polypeptideketen, gevormd door interacties tussen de zijketens van aminozuren. | | Quaternaire structuur | De assemblage van meerdere polypeptideketens (subunits) tot een functioneel eiwitcomplex. | | Peptidebinding | De covalente binding die ontstaat tussen de carboxygroep van het ene aminozuur en de aminogroep van het andere aminozuur, waarbij water wordt afgesplitst. | | Ribosoom | Een complex moleculair apparaat in cellen dat verantwoordelijk is voor de eiwitsynthese door de genetische informatie van mRNA te vertalen naar een aminozuursequentie. | | Translatie | Het proces waarbij de genetische informatie gecodeerd in mRNA wordt vertaald naar een eiwitsequentie door ribosomen. | | Alfa-helix | Een veelvoorkomende secundaire structuur in eiwitten, gekenmerkt door een spiraalvormige vouwing gestabiliseerd door waterstofbruggen tussen de C=O en N-H groepen van de peptidebindingen. | | Beta-sheet | Een veelvoorkomende secundaire structuur in eiwitten, waarbij polypeptideketens naast elkaar liggen en worden gestabiliseerd door waterstofbruggen, waardoor een "geplooide" structuur ontstaat. | | Zwavelbrug (disulfide binding) | Een covalente binding tussen de thiolgroepen (-SH) van twee cysteïneresiduen, die de tertiaire en quaternaire structuur van eiwitten sterk stabiliseert. | | Allostere posities | Specifieke bindingsplaatsen op een eiwit, anders dan de actieve plaats, waar moleculen kunnen binden om de activiteit van het eiwit te reguleren. | | Denaturatie | Het proces waarbij de driedimensionale structuur van een eiwit verloren gaat, wat leidt tot verlies van biologische activiteit. Kan veroorzaakt worden door hitte, pH-veranderingen of chemische agentia. | | Prionen | Infectieuze eiwitdeeltjes die afwijkend gevouwen zijn en "gezonde" eiwitten kunnen converteren naar de afwijkende vorm, wat leidt tot neurodegeneratieve ziekten. | | Post-translationele modificatie | Chemische veranderingen aan een eiwit na de synthese ervan, zoals glycosylatie, fosforylatie, of sulfatatie, die de functie of stabiliteit kunnen beïnvloeden. | | Glycosylatie | De toevoeging van koolhydraatketens (glycanen) aan een eiwit, wat de stabiliteit, oplosbaarheid en interacties van het eiwit kan beïnvloeden. | | Fosforylatie | De toevoeging van een fosfaatgroep aan een eiwit, vaak als een signaalmechanisme dat de activiteit van het eiwit reguleert (een soort aan/uit schakelaar). |

# Soorten vetten en hun structuur Dit onderwerp behandelt de drie hoofdtypen vetten: triglyceriden, cholesterol en fosfolipiden, inclusief hun chemische samenstelling en basisstructuur. ### 1.1 Overzicht van de drie hoofdtypen vetten Er worden drie hoofdtypen vetten onderscheiden: triglyceriden, cholesterol en fosfolipiden. ### 1.2 Triglyceriden Triglyceriden vormen de belangrijkste energieopslag in het lichaam en worden opgeslagen in vetweefsel, in cellen die adipocyten worden genoemd. Naast het opslaan van energie, bieden ze ook bescherming en isolatie voor het lichaam. Vetweefsel heeft tevens een endocriene functie, aangezien het hormonen zoals leptine (een verzadigingshormoon) produceert. ### 1.3 Cholesterol Cholesterol is een grote vetmolecule, bestaande uit vier ringen zonder glycerol en vetzuurketens. Het speelt een cruciale rol bij de opbouw van celmembranen, de synthese van steroïde hormonen (zoals testosteron, oestrogeen en cortisol), de vorming van gal in de lever en de productie van vitamine D. Cholesterol kan via de voeding worden opgenomen, voornamelijk uit dierlijke producten, maar wordt voornamelijk door het lichaam zelf in de lever aangemaakt. Een te hoog cholesterolgehalte in het bloed wordt geassocieerd met een verhoogd risico op atherosclerose, hypertensie en diabetes mellitus. ### 1.4 Fosfolipiden Fosfolipiden bestaan uit glycerol en twee vetzuren, met aan de kop van de glycerolmolecuul een niet-lipide groep gebonden. Dit resulteert in een bipolaire structuur met een hydrofiele kop en een lipofiele (hydrofobe) staart. De hydrofiele kop trekt water aan, terwijl de hydrofobe staart water afstoot. Fosfolipiden zijn essentieel voor de opbouw van celmembranen, die bestaan uit een dubbele laag fosfolipiden waarbij de hydrofobe staarten naar elkaar toe wijzen. Dit vormt een waterafstotende barrière die de celinhoud scheidt van de omgeving. ### 1.5 Vertering en transport van vetten Cholesterol en triglyceriden in hun pure vorm kunnen niet mengen met bloed. Ze worden daarom gebonden aan eiwitten, lipoproteïnen genaamd, die als transportmechanismen in het bloed fungeren. In het centrum van een lipoproteïne bevinden zich cholesterol en triglyceriden, omgeven door een laag fosfolipiden met hun hydrofiele zijde naar buiten. Hierdoor ontstaan wateroplosbare vetdeeltjes. Apolipoproteïnen, speciale eiwitten, bevinden zich tussen de fosfolipiden en hebben diverse functies. Er zijn verschillende soorten lipoproteïnen, waaronder: * **LDL (low-density lipoproteïne):** Transporteren cholesterol van de lever naar de lichaamscellen. Apolipoproteïne B op het oppervlak van LDL bindt aan receptoren op cellen, waardoor LDL wordt opgenomen. Opname door endotheelcellen van bloedvaten kan leiden tot de vorming van plaques (atherosclerose). * **HDL (high-density lipoproteïne):** Bevatten apolipoproteïne A en nemen overtollig cholesterol op uit weefsels, waarna het wordt afgevoerd naar de lever. In de lever wordt cholesterol gebruikt voor galzoutenproductie of hormoonsynthese. HDL kan cholesterol uit slagaders verwijderen en wordt daarom beschouwd als "goede cholesterol", met een beschermend effect tegen hart- en vaatziekten. ### 1.6 Functies van vetten Vetten hebben diverse belangrijke functies in het lichaam: * **Energiebron:** Vetten leveren 9 kilocalorieën per gram, meer dan koolhydraten en eiwitten. Ongeveer 30-35% van de dagelijkse energiebehoefte mag uit vetten komen, wat neerkomt op 60 tot 70 gram per dag voor een volwassene. Vetten kunnen worden afgebroken tot glycerol en vetzuren. Glycerol kan worden omgezet tot glucose in de lever (gluconeogenese) voor ATP-productie. Vetzuurder worden afgebroken tot acetyl-CoA en gaan de citroenzuurcyclus binnen voor ATP-productie, of worden omgezet tot ketonen die als brandstof kunnen dienen. * **Bouwstof:** Fosfolipiden en cholesterol zijn essentiële bouwstenen voor celmembranen. Cholesterol is ook een belangrijk bestanddeel van de myelineschede rond zenuwvezels, die zorgt voor elektrische isolatie. Daarnaast is cholesterol een voorloper voor de aanmaak van steroïde hormonen, zoals bijnierschorshormonen (cortisol, aldosteron) en geslachtshormonen (androgenen, progestagenen, oestrogenen). * **Isolatie en bescherming:** Triglyceriden opgeslagen in onderhuids vetweefsel vormen een isolatielaag die warmteverlies vermindert. Vetweefsel rond organen, zoals nieren en de oogkas, biedt bescherming. Bruin vetweefsel, aanwezig bij pasgeborenen, wordt snel als brandstof gebruikt om de lichaamstemperatuur te handhaven. * **Opname van bepaalde vitamines:** Vetten zijn noodzakelijk voor de opname van vetoplosbare vitamines (vitamine A, D, E, K). Deze vitamines worden samen met vetten opgenomen, mits er voldoende galzouten aanwezig zijn. * **Aanmaak van vitamine D:** Blootstelling aan zonlicht zet een bepaald type cholesterol in de huid om tot een voorloper van vitamine D, die vervolgens in de lever en nieren wordt omgezet tot de actieve vorm. * **Essentiële vetzuren:** Vetten leveren essentiële vetzuren zoals alfa-linoleenzuur en linolzuur, die het lichaam niet zelf kan aanmaken en via voeding moeten worden ingenomen. ### 1.7 Eigenschappen en aanbevelingen: verzadigde en onverzadigde vetten Er wordt onderscheid gemaakt tussen verzadigde en onverzadigde vetten. Een gunstige vetzuursamenstelling wordt verkregen als minstens twee derde van de totale vetinname onverzadigd is. De focus moet liggen op het beperken van verborgen vetten in bewerkte producten, in plaats van smeer- en bereidingsvetten. Noten, zaden, vette vis, olijven en avocado's zijn gezonde vetbronnen. #### 1.7.1 Verzadigde vetten Verzadigde vetten worden voornamelijk aangetroffen in dierlijke producten zoals vlees, boter en zuivel. Ze kunnen het bloedcholesterolgehalte verhogen en mogelijk het risico op hart- en vaatziekten vergroten. De aanbevolen inname van verzadigde vetten is niet meer dan 10 energieprocent. Magerdere dierlijke producten hebben de voorkeur. Sommige plantaardige producten, zoals kokosvet, palmolie en cacao, bevatten ook veel verzadigde vetten. Gehard plantaardig vet, vaak gebruikt in industrieel gebak en snacks, bevat verhoogde hoeveelheden verzadigde vetten door een chemisch proces. #### 1.7.2 Onverzadigde vetten Onverzadigde vetten worden onderverdeeld in mono-onverzadigde en poly-onverzadigde vetzuren. Ze hebben een gunstig effect op cholesterolwaarden en kunnen het risico op hart- en vaatziekten verminderen. ##### 1.7.2.1 Mono-onverzadigde vetten Mono-onverzadigde vetten, zoals oliezuur (omega 9), worden gevonden in olijven, olijfolie, pinda's en de meeste noten. Ze helpen het cholesterolgehalte in het bloed te verlagen. Minstens 10 energieprocent van de totale dagelijkse vetinname zou uit mono-onverzadigde vetten moeten bestaan. ##### 1.7.2.2 Poly-onverzadigde vetzuren Poly-onverzadigde vetzuren omvatten de essentiële omega-6 en omega-3 vetzuren. Goede bronnen van omega-6 vetzuren zijn zonnebloem-, mais-, soja-, tarwekiem-, saffloer- en druivenpitolie. Vette en halfvette vis zijn rijk aan omega-3 vetzuren, in de vorm van EPA (eicosapentaeenzuur) en DHA (docosahexaeenzuur). De consumptie van omega-3 vetzuren is vaak te laag, terwijl ze een belangrijke rol spelen bij de bescherming tegen hart- en vaatziekten. #### 1.7.3 Transvetzuren Transvetzuren vormen een aparte categorie binnen de onverzadigde vetzuren met een afwijkende chemische structuur. Ze verhogen het risico op hart- en vaatziekten nog meer dan verzadigde vetten. Transvetzuren worden gevormd als bijproduct bij de industriële omzetting van plantaardige oliën in geharde plantaardige vetten, en kunnen ook ontstaan door oververhitting en langdurig gebruik van frituurolie. De inname van transvetzuren moet zo laag mogelijk zijn (minder dan 1 energieprocent). Produkten die "plantaardig vet, gedeeltelijk gehard" of "gehydrogeneerd vet" bevatten in de ingrediëntenlijst, kunnen transvetten bevatten. #### 1.7.4 Voedingscholesterol Hoewel observationele studies suggereerden dat voedingscholesterol het risico op coronaire hartziekten verhoogt, is dit effect in recente literatuur omstreden. Het effect lijkt sterk individueel te variëren en is voornamelijk relevant voor ongeveer 20% van de bevolking die veel cholesterol uit de darmen absorbeert. > **Tip:** Bij het evalueren van voedingsmiddelen, let op de ingrediëntenlijst voor termen als "plantaardig vet, gedeeltelijk gehard" om de aanwezigheid van transvetzuren te detecteren. --- # Vertering en transport van lipiden in het bloed Dit deel beschrijft hoe cholesterol en triglyceriden worden getransporteerd in het bloed via lipoproteïnen, en de rol hiervan bij atherosclerose. ### 2.1 Cholesterol en triglyceriden in het bloed Cholesterol en triglyceriden kunnen niet direct met bloed mengen omdat ze hydrofoob zijn. Om dit te omzeilen, worden ze gebonden aan eiwitten, wat resulteert in lipoproteïnen. Lipoproteïnen zijn complexe structuren die fungeren als transportmechanismen in het bloed, bestaande uit een combinatie van eiwitten en lipiden. #### 2.1.1 Structuur van lipoproteïnen * **Centrum:** In het binnenste van een lipoproteïne bevinden zich de cholesterol en triglyceriden. * **Buitenste laag:** Een laag fosfolipiden omringt het centrum, met de hydrofiele koppen naar buiten gericht, waardoor het hele deeltje oplosbaar wordt in water. * **Apolipoproteïnen:** Tussen de fosfolipiden bevinden zich diverse speciale eiwitten, bekend als apolipoproteïnen (bijvoorbeeld apoA, apoB, apoC). Deze eiwitten spelen cruciale rollen in de herkenning, stabiliteit en functie van de lipoproteïnen. #### 2.1.2 Typen lipoproteïnen en hun functies Verschillende soorten lipoproteïnen, die allemaal in de lever worden aangemaakt, onderscheiden zich door hun samenstelling en functie: * **LDL (Low-Density Lipoprotein):** * Functie: Transporteren cholesterol van de lever naar de lichaamscellen. * Mechanisme: LDL-lipoproteïnen hebben specifieke eiwitten aan hun oppervlak (apolipoproteïne B) die binden aan receptoren op lichaamscellen, waarna het LDL door de cel wordt opgenomen. * Pathologie: Opname van LDL door endotheelcellen van de bloedvatwand kan leiden tot de vorming van plaques, wat het begin is van atherosclerose. * **HDL (High-Density Lipoprotein):** * Functie: Nemen overtollig cholesterol op uit de weefsels en transporteren dit terug naar de lever. * Mechanisme: HDL-lipoproteïnen bevatten apolipoproteïne A. In de lever wordt het opgenomen cholesterol gebruikt voor de aanmaak van galzouten of hergebruikt voor hormoonsynthese. * Bescherming: HDL kan cholesterol uit de slagaders verwijderen, waardoor het vaak wordt aangeduid als "goed" cholesterol en een beschermende rol speelt tegen hart- en vaatziekten. ### 2.2 De rol van lipiden in de gezondheid Vetten, waaronder triglyceriden en cholesterol, zijn essentiële componenten voor een goede gezondheid en vervullen diverse vitale functies: #### 2.2.1 Essentiële bouwstoffen * **Celmembranen:** Fosfolipiden en cholesterol zijn cruciale bouwstenen voor de celmembranen van alle lichaamscellen. * **Myelineschede:** Cholesterol is een belangrijk bestanddeel van de myelineschede die zenuwvezels omgeeft, en zorgt voor elektrische isolatie van zenuwceluitlopers. * **Hormoonsynthese:** Cholesterol is een noodzakelijke precursor voor de aanmaak van steroïdhormonen, zoals bijnierschorshormonen (cortisol, aldosteron) en geslachtshormonen (androgenen, progestagenen, oestrogenen). #### 2.2.2 Energiebron * **Triglyceriden:** Dienen als belangrijke energievoorraad. Ze worden opgeslagen in adipocyten (vetcellen) in het vetweefsel. * **Afbraak tot energie:** Vetten kunnen worden afgebroken tot glycerol en vetzuren. Glycerol kan in de lever worden omgezet tot glucose (gluconeogenese) voor ATP-productie. Vetzuren worden afgebroken tot acetylCoA en treden de citroenzuurcyclus binnen voor ATP-vorming. Ketonen kunnen ook uit vetzuren worden gevormd en als brandstof dienen. * **Energetische waarde:** Vetten leveren 9 kilocalorieën per gram, aanzienlijk meer dan koolhydraten en eiwitten. Ongeveer 30-35% van de dagelijkse energiebehoefte mag uit vetten komen, wat overeenkomt met 60-70 gram per dag voor een volwassene. #### 2.2.3 Isolatie en bescherming * **Warmte-isolatie:** De onderhuidse vetlaag, bestaande uit triglyceriden, werkt als isolatiemateriaal en vermindert warmteverlies via de huid. * **Bescherming van organen:** Vetweefsel rond organen zoals de nieren en in de oogkas biedt fysieke bescherming. * **Bruin vetweefsel:** Bij pasgeborenen is er bruin vetweefsel, dat goed doorbloed is en snel als brandstof kan dienen om de lichaamstemperatuur te handhaven. Dit type vetweefsel is minder aanwezig bij premature baby's. #### 2.2.4 Opname van vitamines * **Vetoplosbare vitamines:** Vitamine A, D, E en K zijn vetoplosbaar en kunnen alleen worden opgenomen als ze opgelost zijn in vetten. De aanwezigheid van galzouten is essentieel voor deze opname in het bloed. Deze vitamines komen voor in vetrijke voedingsmiddelen en worden ook toegevoegd aan producten zoals margarine. #### 2.2.5 Vitamine D synthese * **Huid:** Blootstelling aan zonlicht zet een specifiek type cholesterol in de huid om tot een precursor van vitamine D, dat vervolgens in de lever en nieren wordt omgezet in de actieve vorm. ### 2.3 atherosclerose Een hoog cholesterolgehalte in het bloed wordt geassocieerd met een verhoogd risico op atherosclerose, hypertensie en diabetes mellitus. Atherosclerose is een ziekte waarbij plaques zich vormen in de bloedvatwanden, wat de bloedstroom kan belemmeren. De opname van LDL-cholesterol door endotheelcellen speelt hierin een centrale rol. > **Tip:** Hoewel vetten vaak een negatieve reputatie hebben, zijn ze onmisbaar voor de gezondheid. Het gaat vooral om de keuze voor de juiste bronnen van vet. > **Voorbeeld:** Olijfolie is een goede bron van mono-onverzadigde vetzuren (omega 9), die kunnen helpen het cholesterolgehalte te verlagen. Vette vis is rijk aan essentiële omega 3-vetzuren, die gunstig zijn voor de gezondheid van hart en bloedvaten. --- # Functies van vetten in het lichaam Vetten vervullen diverse essentiële functies in het menselijk lichaam, variërend van energieopslag en bouwstenen voor celstructuren tot isolatie, bescherming en de opname van cruciale vitaminen. ### 3.1 Soorten vetten en hun rol Er zijn drie hoofdtypes vetten in het lichaam: triglyceriden, cholesterol en fosfolipiden. #### 3.1.1 Triglyceriden * **Opslag en energievoorraad:** Triglyceriden worden opgeslagen in vetweefsel, voornamelijk in cellen genaamd adipocyten. Ze vormen een belangrijke energiereserve voor het lichaam. * **Isolatie en bescherming:** Vetweefsel biedt thermische isolatie door warmteverlies via de huid te verminderen en beschermt organen zoals de nieren en de ogen tegen fysieke schokken. * **Endocriene functie:** Vetweefsel produceert ook hormonen, zoals leptine, dat een rol speelt bij de verzadiging. #### 3.1.2 Cholesterol * **Bouwstof celmembranen:** Cholesterol is een steroïde molecule die cruciaal is voor de integriteit en vloeibaarheid van celmembranen. * **Hormoonproductie:** Het is een voorloper voor de synthese van belangrijke steroïdhormonen, waaronder testosteron, oestrogeen, cortisol en aldosteron. * **Galvorming en vitamine D:** Cholesterol is betrokken bij de productie van gal in de lever, wat essentieel is voor de vetvertering, en is een precursor voor vitamine D. * **Productie en opname:** Cholesterol wordt zowel via de voeding opgenomen (voornamelijk uit dierlijke producten) als door het lichaam zelf aangemaakt, met name in de lever. Het lichaam past de eigen productie aan op basis van de voedingsinname. * **Gezondheidsrisico's:** Een te hoog cholesterolgehalte in het bloed wordt geassocieerd met een verhoogd risico op atherosclerose, hypertensie en diabetes mellitus. #### 3.1.3 Fosfolipiden * **Celmembraanstructuur:** Fosfolipiden zijn de primaire bouwstenen van celmembranen. Ze bestaan uit glycerol, twee vetzuren en een niet-lipide groep aan de glycerolkop. * **Bipolaire aard:** Door de aanwezigheid van zowel een hydrofiele kop (wateraantrekkend) als een hydrofobe staart (waterafstotend), vormen fosfolipiden een dubbele laag in celmembranen. Deze structuur creëert een waterafstotende barrière die de celinhoud scheidt van de omgeving. ### 3.2 Transport van vetten in het bloed Cholesterol en triglyceriden kunnen niet direct met bloed mengen vanwege hun hydrofobe aard. Ze worden daarom getransporteerd in de vorm van lipoproteïnen. * **Lipoproteïnen:** Dit zijn complexen van eiwitten (apolipoproteïnen) en lipiden. Ze bestaan uit een centrum van cholesterol en triglyceriden, omgeven door een laag fosfolipiden met hun hydrofiele koppen naar buiten gericht, waardoor ze oplosbaar worden in water. * **LDL (low-density lipoproteïne):** Transporteren cholesterol van de lever naar lichaamscellen. Overmatige opname door endotheelcellen kan leiden tot plaquevorming (atherosclerose). * **HDL (high-density lipoproteïne):** Staat bekend als "goed" cholesterol. HDL neemt overtollig cholesterol uit de weefsels op en transporteert dit terug naar de lever voor verwerking of hergebruik. Het helpt bij het verwijderen van cholesterol uit slagaders, wat bescherming kan bieden tegen hart- en vaatziekten. ### 3.3 Essentiële functies van vetten voor de gezondheid Ondanks een soms negatieve reputatie als "dikmakers", zijn vetten onmisbaar voor een goede gezondheid. Ze leveren aanzienlijke energie en vervullen diverse andere cruciale rollen. #### 3.3.1 Energiebron * **Hoge energetische waarde:** Vetten leveren $9$ kilocalorieën per gram, wat meer is dan koolhydraten en eiwitten. Ongeveer $30$ tot $35\%$ van de dagelijkse energiebehoefte mag uit vetten komen, wat neerkomt op $60$ tot $70$ gram voor een volwassene. * **Afbraak voor energie:** Triglyceriden worden afgebroken tot glycerol en vetzuren. Glycerol kan in de lever worden omgezet in glucose via gluconeogenese, dat vervolgens wordt gebruikt voor ATP-productie. Vetzuren worden afgebroken tot acetyl-CoA en treden de citroenzuurcyclus binnen voor ATP-productie. Ketonen, gevormd uit vetzuren, kunnen ook als brandstof dienen. #### 3.3.2 Essentiële bouwstoffen * **Celmembranen:** Zoals eerder vermeld, zijn fosfolipiden en cholesterol fundamentele componenten van alle celmembranen. * **Myelineschede:** Cholesterol is een belangrijk bestanddeel van de myelineschede rond zenuwvezels, die zorgt voor elektrische isolatie. * **Steroïdhormonen:** Cholesterol is noodzakelijk voor de aanmaak van bijnierschorshormonen (cortisol, aldosteron) en geslachtshormonen (androgenen, progestagenen, oestrogenen). #### 3.3.3 Isolatie en bescherming * **Thermische isolatie:** De onderhuidse vetlaag (triglyceriden in adipocyten) fungeert als een isolator, die warmteverlies voorkomt. * **Mechanische bescherming:** Vetweefsel rond vitale organen, zoals de nieren, biedt bescherming tegen stoten. * **Bruin vetweefsel:** Dit type vetweefsel, vooral aanwezig bij pasgeborenen, is rijk doorbloed en kan snel worden omgezet in energie om de lichaamstemperatuur te handhaven. #### 3.3.4 Opname van vetoplosbare vitaminen * **Vitamine A, D, E en K:** Deze vitaminen zijn lipofiel en vereisen de aanwezigheid van vetten en galzouten voor effectieve opname in het spijsverteringskanaal. Ze worden opgenomen samen met de vetten waarin ze zijn opgelost. * **Bronnen:** Vetoplosbare vitaminen zijn te vinden in vetrijke voedingsmiddelen en worden vaak toegevoegd aan producten zoals margarine. #### 3.3.5 Aanmaak van vitamine D * **Huidblootstelling aan zonlicht:** Een specifieke vorm van cholesterol in de huid wordt onder invloed van zonlicht omgezet in een precursor van vitamine D, die vervolgens in lever en nieren wordt geactiveerd. ### 3.4 Eigenschappen en aanbevelingen over vetten Er wordt onderscheid gemaakt tussen verzadigde en onverzadigde vetten, vaak aangeduid als respectievelijk "slechte" en "goede" vetten. Een gunstige vetzuursamenstelling wordt bereikt wanneer minimaal tweederde van de totale vetinname onverzadigd is. #### 3.4.1 Verzadigde vetten * **Bronnen:** Voornamelijk dierlijke producten zoals vlees, boter, en zuivel, maar ook in plantaardige producten zoals kokosvet en palmolie. * **Gezondheidseffecten:** Kunnen het cholesterolgehalte in het bloed verhogen en mogelijk het risico op hart- en vaatziekten vergroten. De aanbeveling is om niet meer dan $10\%$ van de totale energie-inname uit verzadigde vetten te halen. * **Gehard plantaardig vet:** Plantaardige oliën kunnen door een chemisch proces gehard worden, wat leidt tot een hogere concentratie verzadigde vetten. Dit wordt veel gebruikt in industriële bakproducten en snacks. #### 3.4.2 Onverzadigde vetten * **Mono-onverzadigde vetten:** Rijkelijk aanwezig in olijven, olijfolie, pinda's en de meeste noten. Olijfolie bevat oliezuur (omega-9), dat kan helpen het cholesterolgehalte te verlagen. Het aandeel mono-onverzadigde vetten zou minstens $10\%$ van de totale dagelijkse vetinname moeten bedragen. * **Poly-onverzadigde vetten:** Omvatten de essentiële omega-6 en omega-3 vetzuren. Goede bronnen van omega-6 zijn plantaardige oliën zoals zonnebloem-, mais- en sojaolie. Vette vis is een rijke bron van omega-3 vetzuren (EPA en DHA). Omega-3 vetzuren spelen een rol bij de bescherming tegen hart- en vaatziekten. #### 3.4.3 Transvetzuren * **Vorming:** Ontstaan als nevenproduct bij industriële hydrering van plantaardige oliën en door oververhitting van frituurolie. * **Gezondheidseffecten:** Vergroten het risico op hart- en vaatziekten meer dan verzadigde vetten. De inname moet geminimaliseerd worden, idealiter minder dan $1\%$ van de totale energie-inname. * **Identificatie:** Kunnen worden aangeduid als "plantaardig vet, gedeeltelijk gehard" of "gehydrogeneerd vet" op de ingrediëntenlijst. #### 3.4.4 Voedingscholesterol * **Controversiële effecten:** De aanname dat voedingscholesterol direct het risico op coronaire hartziekten verhoogt, is onderwerp van discussie. Het effect kan sterk individueel variëren en is mogelijk relevanter voor een specifiek deel van de bevolking met een hoge intestinale cholesterolabsorptie. > **Tip:** Bij het verminderen van vetinname is het belangrijk om te focussen op "verborgen" vetten in bewerkte producten (koekjes, snacks) in plaats van primair smeer- en bereidingsvetten, die belangrijke bronnen van essentiële vetzuren en vitaminen zijn. Gezonde bronnen van vetten zijn noten, zaden, vette vis, olijven en avocado's. --- # Classificatie en aanbevelingen voor vetten Dit onderwerp beschrijft de verschillende typen vetten, hun eigenschappen, functies in het lichaam en de bijbehorende voedingsaanbevelingen. ### 4.1 Soorten vetten in het lichaam Vetten, ook wel lipiden genoemd, zijn onder te verdelen in drie hoofdcategorieën: triglyceriden, cholesterol en fosfolipiden. #### 4.1.1 Triglyceriden Triglyceriden vormen de belangrijkste energiereserve van het lichaam en worden opgeslagen in vetweefsel (adipocyten). Naast energielevering vervullen ze ook beschermende en isolerende functies. Vetweefsel heeft bovendien een endocriene functie door de productie van hormonen zoals leptine. #### 4.1.2 Cholesterol Cholesterol is een lipide bestaande uit vier ringen, zonder glycerol- en vetzuurketens. Het is cruciaal voor de opbouw van celmembranen, de aanmaak van steroïdhormonen (testosteron, oestrogeen, cortisol, aldosteron), de vorming van gal in de lever en de synthese van vitamine D. Cholesterol wordt deels via voeding opgenomen (vooral uit dierlijke producten) en deels door het lichaam zelf in de lever aangemaakt. Een extreem cholesterolarm dieet is daarom niet zinvol. Een hoog cholesterolgehalte in het bloed wordt geassocieerd met een verhoogd risico op atherosclerose, hypertensie en diabetes mellitus. #### 4.1.3 Fosfolipiden Fosfolipiden bestaan uit glycerol, twee vetzuren en een niet-lipide groep die aan de glycerolmolecule is gekoppeld. Dit maakt fosfolipiden bipolair, met een hydrofiele kop (aangetrokken tot water) en een hydrofobe staart (waterafstotend). Fosfolipiden zijn essentiële bouwstenen van celmembranen, waar ze een dubbele laag vormen die de celinhoud scheidt van de omgeving. ### 4.2 Vertering en transport van vetten Cholesterol en triglyceriden kunnen niet direct met bloed mengen. Ze worden daarom gebonden aan eiwitten, waardoor lipoproteïnen ontstaan. Lipoproteïnen fungeren als transportmechanismen in het bloed. * **Structuur:** In het centrum bevinden zich cholesterol en triglyceriden. Aan de buitenkant bevindt zich een laag fosfolipiden met de hydrofiele zijde naar buiten, wat zorgt voor oplosbaarheid in water. Apolipoproteïnen, verschillende soorten eiwitten, bevinden zich tussen de fosfolipiden en hebben specifieke functies. * **Typen Lipoproteïnen:** De lever produceert verschillende lipoproteïnen, waaronder LDL (low-density lipoproteïne) en HDL (high-density lipoproteïne). * **LDL:** Transporeert cholesterol van de lever naar lichaamscellen. Opname van LDL door endotheelcellen van de bloedvatwand kan leiden tot plaquevorming (atherosclerose). * **HDL:** Bevat apolipoproteïne A en neemt overtollig cholesterol op uit weefsels om dit terug te transporteren naar de lever. Hier wordt het cholesterol gebruikt voor galzouten of hormoonproductie. HDL cholesterol wordt beschouwd als "goed" cholesterol en kan een beschermende werking hebben tegen hart- en vaatziekten. ### 4.3 Functies van vetten Ondanks hun reputatie als "dikmakers", zijn vetten onmisbaar voor een goede gezondheid. * **Energiebron:** Vetten leveren veel energie (9 kilocalorieën per gram). Ongeveer 30 tot 35% van de dagelijkse energie-inname mag uit vetten komen, wat neerkomt op circa 60 tot 70 gram voor een volwassene. * **Bron van vetoplosbare vitaminen:** Vetten zijn noodzakelijk voor de opname van vitamine A, D, E en K. Plantaardige oliën zijn een goede bron van vitamine E. * **Essentiële vetzuren:** Vetten leveren essentiële vetzuren zoals alfa-linolzuur en linolzuur, die het lichaam niet zelf kan aanmaken en via voeding ingenomen moeten worden. * **Bouwstof:** Fosfolipiden en cholesterol zijn essentiële bouwstenen voor celmembranen en de myelineschede rond zenuwvezels (voor elektrische isolatie). Cholesterol is ook een voorloper voor steroïdhormonen. * **Opslag en isolatie:** Triglyceriden in onderhuids vetweefsel dienen als energieopslag en isolatielaag ter behoud van lichaamstemperatuur. Vetweefsel rond organen biedt bescherming. Bruin vetweefsel bij pasgeborenen helpt de lichaamstemperatuur te reguleren. * **Vitamine D synthese:** Blootstelling aan zonlicht zet een specifiek type cholesterol in de huid om tot een voorloper van vitamine D. ### 4.4 Eigenschappen en aanbevelingen voor vetten Er wordt onderscheid gemaakt tussen verzadigde en onverzadigde vetten, die in de volksmond respectievelijk als "slechte" en "goede" vetten worden aangeduid. Voedingsmiddelen bevatten doorgaans een mix van deze vetten. Een gunstige vetzuursamenstelling wordt bereikt als minimaal tweederde van de totale vetinname onverzadigd is. > **Tip:** Het is belangrijker om verborgen vetten in producten zoals koekjes en snacks te verminderen, dan om smeer- en bereidingsvetten volledig te schrappen, aangezien deze ook essentiële vetzuren en vetoplosbare vitaminen leveren. Noten, zaden, vette vis, olijven en avocado's zijn gezonde vetbronnen. #### 4.4.1 Verzadigde vetten Verzadigde vetten komen voornamelijk voor in dierlijke producten (vlees, boter, zuivel). Ze kunnen het bloedcholesterolgehalte verhogen en mogelijk het risico op hart- en vaatziekten vergroten. De aanbevolen inname is maximaal 10 energieprocent van de totale voeding. Magere dierlijke producten hebben de voorkeur om de inname te beperken. Sommige plantaardige producten, zoals kokosvet, palmolie en cacao, bevatten ook veel verzadigde vetten. Gehard plantaardig vet, vaak gebruikt in industrieel gebak en snacks, is een bron van verzadigde vetten door een chemisch proces. #### 4.4.2 Onverzadigde vetten Onverzadigde vetten worden onderverdeeld in mono-onverzadigde en poly-onverzadigde vetzuren en hebben een gunstig effect op cholesterolwaarden, wat het risico op hart- en vaatziekten kan verlagen. ##### 4.4.2.1 Mono-onverzadigde vetten Deze vetten vindt men onder andere in olijven, olijfolie en noten. Olijfolie, rijk aan oliezuur (omega 9), kan het bloedcholesterolgehalte verlagen. Het aandeel van mono-onverzadigde vetten in de totale dagelijkse vetinname zou minimaal 10 energieprocent moeten zijn. ##### 4.4.2.2 Poly-onverzadigde vetten Tot deze groep behoren de essentiële omega 6- en omega 3-vetzuren. Goede bronnen van omega 6 zijn zonnebloem-, mais- en sojaolie. Vette vis is rijk aan omega 3-vetzuren, met name EPA (eicosapentaëenzuur) en DHA (docosahexaëenzuur). De consumptie van omega 3-vetzuren is vaak te laag, ondanks hun gunstige effecten op hart- en vaatziekten. #### 4.4.3 Transvetzuren Transvetzuren vormen een aparte categorie binnen de onverzadigde vetzuren met een afwijkende chemische structuur. Ze verhogen het risico op hart- en vaatziekten aanzienlijk. Transvetzuren ontstaan als nevenproduct bij industriële hydratatie van plantaardige oliën tot geharde vetten en kunnen ook gevormd worden door oververhitting van frituurolie. De inname van transvetzuren moet zo laag mogelijk zijn (minder dan 1 energieprocent). Het vermelden van "plantaardig vet, gedeeltelijk gehard" of "gehydrogeneerd vet" op de ingrediëntenlijst kan wijzen op de aanwezigheid van transvetten. Een richtlijn is dat transvet in de voedingswaardetabel best onder 1 gram per 100 gram product blijft. #### 4.4.4 Voedingscholesterol Hoewel vroeger aangenomen werd dat voedingscholesterol een significant verhoogd risico op coronaire hartziekten gaf, is dit effect in recente literatuur omstreden. Het effect lijkt sterk individueel te variëren en vooral relevant te zijn bij personen die veel cholesterol uit de voeding absorberen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Triglyceriden | Triglyceriden zijn de meest voorkomende vorm van vet in het lichaam, opgeslagen in vetweefsel als energievoorraad. Ze bestaan uit een glycerolmolecule gebonden aan drie vetzuren en hebben naast energieopslag ook functies in lichaamsisolatie en hormoonproductie. | | Cholesterol | Cholesterol is een belangrijke vetmolecule, cruciaal voor de opbouw van celmembranen, de aanmaak van steroïdhormonen, galzouten en vitamine D. Het wordt zowel via voeding opgenomen als door het lichaam zelf in de lever aangemaakt. | | Fosfolipiden | Fosfolipiden zijn vetachtige stoffen die essentieel zijn voor de vorming van celmembranen. Ze hebben een hydrofiele kop en een lipofiele staart, waardoor ze een dubbele laag vormen die de celinhoud scheidt van de omgeving. | | Adipocyten | Adipocyten zijn gespecialiseerde cellen die vetten (triglyceriden) opslaan. Deze cellen vormen het vetweefsel en spelen een rol bij energieopslag, isolatie en de endocriene functie van vetweefsel door de productie van hormonen zoals leptine. | | Lipoproteïnen | Lipoproteïnen zijn complexen van lipiden (vetten) en eiwitten die dienen als transportmechanisme voor vetten in het bloed, omdat cholesterol en triglyceriden zelf niet mengbaar zijn met water. | | LDL (low density lipoproteïne) | LDL is een lipoproteïne dat cholesterol transporteert van de lever naar de lichaamscellen. Een verhoogd gehalte aan LDL-cholesterol wordt geassocieerd met een verhoogd risico op atherosclerose door de accumulatie van cholesterol in bloedvatwanden. | | HDL (high density lipoproteïne) | HDL is een lipoproteïne dat overtollig cholesterol uit de weefsels opneemt en naar de lever transporteert. HDL-cholesterol wordt beschouwd als 'goed' cholesterol en kan een beschermende rol spelen tegen hart- en vaatziekten. | | Atherosclerose | Atherosclerose is een aandoening waarbij plaques zich ophopen in de slagaderwanden, wat leidt tot vernauwing en verharding van de bloedvaten. Dit proces wordt mede veroorzaakt door de opname van LDL-cholesterol door endotheelcellen. | | Essentiële vetzuren | Essentiële vetzuren zijn vetzuren die het menselijk lichaam niet zelf kan aanmaken en die via de voeding moeten worden ingenomen, zoals alfa-linoleenzuur (omega-3) en linolzuur (omega-6). Ze zijn cruciaal voor diverse lichaamsfuncties. | | Vetoplosbare vitaminen | Vetoplosbare vitaminen, waaronder vitamine A, D, E en K, vereisen de aanwezigheid van vetten in de voeding voor een effectieve opname in het lichaam. Ze worden opgelost in vetten en opgenomen samen met de vetten zelf. | | Verzadigde vetten | Verzadigde vetten, voornamelijk aanwezig in dierlijke producten, kunnen bijdragen aan een verhoogd cholesterolgehalte in het bloed en mogelijk het risico op hart- en vaatziekten verhogen. | | Onverzadigde vetten | Onverzadigde vetten, onderverdeeld in mono- en poly-onverzadigde vetzuren, worden geassocieerd met een gunstiger effect op cholesterolwaarden en een mogelijk lager risico op hart- en vaatziekten. | | Mono-onverzadigde vetten | Mono-onverzadigde vetten, zoals oliezuur (omega-9), worden gevonden in bronnen als olijven, olijfolie en noten, en kunnen helpen het cholesterolgehalte in het bloed te verlagen. | | Poly-onverzadigde vetten | Poly-onverzadigde vetten omvatten de essentiële omega-3 en omega-6 vetzuren. Omega-3 vetzuren, zoals EPA en DHA, zijn belangrijk voor de bescherming tegen hart- en vaatziekten. | | Transvetzuren | Transvetzuren zijn een type onverzadigde vetten met een afwijkende chemische structuur die het risico op hart- en vaatziekten aanzienlijk verhogen. Ze kunnen ontstaan bij industriële processen of door oververhitting van frituurolie. |

# Covalente modificaties van eiwitten en hun invloed op structuur en functie Covalente modificaties van eiwitten zijn chemische veranderingen die de structuur, stabiliteit en functie van een eiwit beïnvloeden, en kunnen optreden tijdens of na de eiwitsynthese. ### 1.1 Disulfidebindingen Disulfidebindingen, ook wel zwavelbruggen genoemd, zijn covalente bindingen die gevormd worden tussen de thiolgroepen van twee cysteïne-aminozuren. Deze bindingen verhogen de stabiliteit van eiwitten en beschermen ze tegen ontvouwing. Ze komen voornamelijk voor in eiwitten die buiten de cel actief zijn, in het extracellulaire, oxiderende milieu, en niet in het intracellulaire reducerende milieu. > **Tip:** Disulfidebindingen zijn cruciaal voor de stabiliteit van gescreteerde eiwitten, zoals enzymen die in de spijsvertering betrokken zijn, of hormonen. ### 1.2 Acetylatie van de N-terminus De N-terminus van meer dan 80% van de eiwitten in eukaryote cellen ondergaat acetylatie. Deze posttranslationele modificatie is een irreversibele toevoeging van een acetylgroep ($CH_3CO-$) aan het eerste aminozuur. Acetylatie beïnvloedt de stabiliteit en levensduur van een eiwit, en kan ook de interacties met andere biomoleculen of de subcellulaire lokalisatie van het eiwit wijzigen. ### 1.3 Proteïne verwerking (processing) Bij sommige eiwitten, zoals spijsverteringsenzymen en eiwitten betrokken bij bloedstolling, vindt enzymatische verwijdering van specifieke delen van de polypeptideketen plaats. Dit proces, bekend als verwerking, is onomkeerbaar. Een voorbeeld is de omzetting van trypsinogeen naar het actieve enzym trypsine door het afknippen van de eerste 15 aminozuren, wat de eiwitvouwing en dus de functie verandert. ### 1.4 Glycosylering en lipidering Eiwitten kunnen ook gemodificeerd worden door de covalente binding van suikermoleculen (glycosylering) of lipiden (lipidering) aan specifieke aminozuurresiduen op de zijketens. Deze modificaties hebben significante invloed op eiwitvouwing, stabiliteit, interacties en functie. ### 1.5 Fosforylering en defosforylering Fosforylering is een veelvoorkomende, reversibele posttranslationele modificatie waarbij een fosfaatgroep ($(-OPO_3)^{2-}$) wordt gebonden aan serine, threonine of tyrosine residuen. Defosforylering is het omgekeerde proces. Deze modificaties, gekatalyseerd door enzymen genaamd kinasen (voor fosforylering) en fosfatases (voor defosforylering), kunnen de activiteit en subcellulaire lokalisatie van een eiwit snel aan- of uitschakelen. De toevoeging van de negatief geladen fosfaatgroep verandert de lokale chemische topografie van het eiwit, wat de interacties met andere biomoleculen kan beïnvloeden en zo de eiwitfunctie reguleert. > **Tip:** Fosforylering is een sleutelmechanisme in veel cellulaire signaaltransductiewegen, waardoor cellen kunnen reageren op externe prikkels. ### 1.6 Invloed op structuur, stabiliteit en functie * **Stabiliteit:** Disulfidebindingen en acetylatie kunnen de intrinsieke stabiliteit van een eiwit verhogen, terwijl hydrolytische modificaties zoals verwerking de stabiliteit kunnen beïnvloeden door veranderingen in de primaire structuur. * **Structuur:** Modificaties zoals fosforylering kunnen lokale conformationele veranderingen veroorzaken door de introductie van geladen groepen, wat de algehele 3D-structuur en interacties beïnvloedt. * **Functie:** Vrijwel alle covalente modificaties hebben directe of indirecte gevolgen voor de functie van een eiwit. Ze kunnen de enzymatische activiteit moduleren, de bindingsaffiniteit voor andere moleculen veranderen, de subcellulaire lokalisatie bepalen, of de levensduur van het eiwit reguleren. Reversibele modificaties, zoals fosforylering, maken dynamische regulatie van eiwitactiviteit mogelijk. **Voorbeeld:** Het eiwit c-Src kinase is een multidomeineiwit waarvan de activiteit sterk gereguleerd wordt door fosforylering op specifieke tyrosine residuen. Fosforylering op tyrosine 527 in het C-terminale deel maakt het eiwit inactief door de binding van het SH2-domein. Defosforylering op Y527 door een fosfatase activeert het eiwit, waarna het zijn kinase-activiteit kan uitoefenen en andere eiwitten fosforyleert. ### 1.7 Samenvatting van de modificaties en hun effecten | Modificatie | Type | Chemische verandering | Primaire effecten op eiwit | | :----------------------- | :------- | :------------------------------------------------------------- | :------------------------------------------------------------------------------------------------- | | Disulfidebindingen | Covalent | Vorming van $S-S$ binding tussen cysteïnes | Verhoogt stabiliteit, beschermt tegen ontvouwing (vooral extracellulair) | | Acetylatie (N-terminus) | Covalent | Toevoeging van $CH_3CO-$ groep aan N-terminus | Beïnvloedt stabiliteit, levensduur, interacties, lokalisatie | | Proteïne verwerking | Covalent | Enzymatische verwijdering van polypeptide segmenten | Verandert vouwing en activiteit (onomkeerbaar) | | Glycosylering | Covalent | Binding van suikermoleculen | Beïnvloedt vouwing, stabiliteit, herkenning, secretoir proces | | Lipidering | Covalent | Binding van lipiden | Beïnvloedt membraanbinding, lokalisatie, interacties | | Fosforylering/Defosforylering | Covalent | Toevoeging/verwijdering van fosfaatgroep op Ser, Thr, Tyr | Reguleert activiteit, lokalisatie, interacties (reversibel) | --- # Spontane opvouwing, denaturatie en renaturatie van eiwitten Eiwit- en domeinopvouwing wordt gedreven door thermodynamische principes, waarbij de opgevouwen toestand energetisch gunstiger is dan de ongeordende toestand. ### Spontane opvouwing van eiwitten De drijvende kracht achter de opvouwing van de meeste globulaire eiwitten en eiwitdomeinen ligt in de thermodynamica, specifiek de verandering in enthalpie ($H$) en entropie ($S$). Het opvouwingsproces, dat zeer snel kan verlopen (van $10^{-6}$ tot $10^{-1}$ seconden), resulteert in een compacte en unieke driedimensionale structuur. De Gibbs vrije energie ($G$) van de opgevouwen toestand is lager dan die van de ongeordende toestand, wat leidt tot een negatieve verandering in vrije energie ($\Delta G < 0$), wat de spontaniteit van het proces garandeert. $$G = H - TS$$ waarbij $G$ de Gibbs vrije energie is, $H$ de enthalpie, $T$ de temperatuur, en $S$ de entropie. > **Tip:** Fouten in de eiwitopvouwing kunnen leiden tot de vorming van misfolded eiwitten. Cellen beschikken over processen om deze af te breken. Echter, bij neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer kunnen misfolded eiwitten aggregeren en de neuronale functie verstoren. ### Denaturatie van eiwitten Denaturatie is het verlies van de specifieke driedimensionale structuur van een eiwit, wat resulteert in functieverlies. Dit proces kan zowel irreversibel als reversibel zijn. #### Thermische denaturatie Thermische denaturatie is meestal irreversibel. Door opwarming verkrijgen de eiwitdelen meer bewegingsenergie. Wanneer deze energie groter wordt dan de stabiliserende krachten van de zwakke bindingen die de 3D-structuur en secundaire structuren ondersteunen, ontvouwt de polypeptideketen. Hydrofobe interacties zijn minder gevoelig voor temperatuurstijgingen, wat kan leiden tot foute interacties tussen eiwitketens en onoplosbaarheid. Een klassiek voorbeeld is het koken van een ei, waarbij ovalbumine denatureert en neerslaat. #### Chemische denaturatie Chemische denaturatie is vaak reversibel. * **pH-verandering:** Veranderingen in pH kunnen de lading van geladen aminozuurzijketens beïnvloeden. Bij zure pH verliezen carboxylaatgroepen hun negatieve lading, terwijl bij basische pH aminegroepen hun positieve lading verliezen. Dit verbreekt elektrostatische interacties die de 3D-structuur stabiliseren en kan afstoting veroorzaken, leidend tot denaturatie. * **Renaturatie:** Wanneer de pH wordt teruggebracht naar de oorspronkelijke conditie, kan het eiwit spontaan terug opvouwen. Dit proces, renaturatie genoemd, bevestigt dat de primaire structuur van een eiwit alle informatie bevat die nodig is voor de correcte opvouwing. > **Voorbeeld:** Bij een pH-verandering kunnen de geladen zijketens van bijvoorbeeld aspartaat en glutamaat hun negatieve lading verliezen (bij lage pH) of de geladen zijketens van lysine en arginine hun positieve lading verliezen (bij hoge pH). Dit verstoort de ionische bindingen die de eiwitstructuur stabiliseren. ### Renaturatie van eiwitten Renaturatie is het proces waarbij een denatureerd eiwit zijn oorspronkelijke functionele driedimensionale structuur weer aanneemt. Dit proces treedt op wanneer de omstandigheden die de denaturatie veroorzaakten, worden hersteld. Het succes van renaturatie onderstreept het belang van de primaire aminozuursequentie als drager van de vouwingsinformatie. --- # Quaternaire structuur van eiwitten en voorbeelden De quaternaire structuur vertegenwoordigt het vierde organisatieniveau van eiwitstructuur, waarbij meerdere polypeptideketens (subeenheden) samenkomen om een functioneel eiwitcomplex te vormen. ### 3.5.1 De aard van de quaternaire structuur * Een eiwit met een quaternaire structuur is pas functioneel wanneer verschillende, identieke, analoge of verschillende polypeptideketens zich combineren tot één functioneel geheel, een zogenaamd oligomeer polypeptidecomplex. * Elke individuele polypeptideketen binnen dit complex heeft reeds een stabiele tertiaire structuur, maar de specifieke functie wordt pas mogelijk binnen het samenwerkingsverband van het oligomeer. * De verschillende opgevouwen polypeptideketens worden subeenheden genoemd. Afhankelijk van het aantal subeenheden spreekt men van een di-, tri-, of tetrameer (en zo verder voor grotere aantallen). * Als alle subeenheden identiek zijn, wordt het eiwit een homomeer genoemd. Zijn de subeenheden verschillend, dan spreekt men van een heteromeer. * De vorming van de quaternaire structuur is gebaseerd op moleculaire herkenning van functionele groepen op het oppervlak van de opgevouwen subeenheden. Dit gebeurt voornamelijk via zwakke intermoleculaire krachten, hoewel covalente bindingen, zoals zwavelbruggen, soms ook een rol spelen tussen subeenheden. ### 3.5.2 Voorbeelden van eiwitten met quaternaire structuur #### 3.5.2.1 Hemoglobine * Hemoglobine is een eiwit in rode bloedlichaampjes dat essentieel is voor het binden en transporteren van zuurstof. * Het bestaat uit vier polypeptideketens: twee identieke $\alpha$-ketens en twee identieke $\beta$-ketens. * Hierdoor is hemoglobine een heterotetrameer met de structuur $(\alpha_2\beta_2)$. #### 3.5.2.2 Antilichamen (Immunoglobulines) * Antilichamen (ook wel immunoglobulines, Ig, genoemd) zijn cruciale eiwitten van het immuunsysteem die ons beschermen tegen infecties door specifieke antigenen te herkennen en te binden. * Hun functie is afhankelijk van hun quaternaire structuur. * Antilichamen zijn heterotetrameren die bestaan uit twee identieke zware ketens (heavy chains, H) en twee identieke lichte ketens (light chains, L). Elke zware keten bestaat uit circa 450-550 aminozuren, terwijl elke lichte keten ongeveer 210 aminozuren telt. * Deze vier polypeptideketens worden bijeengehouden door talrijke niet-covalente bindingen en een beperkt aantal covalente zwavelbruggen. * Het functionele antilichaam is het tetrameer. Elke keten bevat een constant deel (onveranderlijk en betrokken bij stabiliteit en interactie met immuuncellen) en een variabel deel. * De antigenbindingsplaats, die verantwoordelijk is voor de specifieke herkenning van een epitoop op een antigeen, wordt gevormd door lussen aan de uiteinden van het variabele domein van de zware ($\text{V}_{\text{H}}$) en lichte ($\text{V}_{\text{L}}$) polypeptideketen. #### 3.5.2.3 Collageen * Collageen is een belangrijk extracellulair-matrix eiwit dat een grote component vormt van huid, pezen, botten en kraakbeen. Het zorgt voor treksterkte en weerstand tegen spanning in weefsels. * De functionele vorm van collageen is een quaternaire structuur die bestaat uit drie om elkaar gedraaide collageenpolypeptideketens, wat resulteert in een homotrimeer. * Elke van deze drie polypeptideketens is een linksdraaiende helix. Deze drie helices draaien vervolgens om elkaar heen om een rechtshandige superhelix te vormen. Deze superhelix is het functionele collageeneiwit; de individuele ketens zijn niet functioneel op zichzelf. * De aminozuursequentie van deze ketens is opmerkelijk en wordt gekenmerkt door de herhaling van een tripeptide: Glycine (Gly)-X-Y. X is meestal proline (Pro) en Y is vaak 4-hydroxyproline (Hyp). * Waterstofbruggen tussen de carbonylgroep van proline (op positie X) en de $\text{NH}$-groep van glycine van verschillende polypeptideketens stabiliseren deze triple helix structuur. * Deze quaternaire collageenhelices kunnen verder interageren met elkaar om nog complexere vezelstructuren, zoals fibrillen, te vormen. ### 3.5.3 Quaternaire structuur en eiwit-eiwitcomplexen In essentie is de vorming van een quaternaire structuur een specifieke vorm van eiwit-eiwitinteractie, waarbij reeds gevouwen polypeptideketens (met tertiaire structuur) interageren om een groter, functioneel complex te vormen. Dit principe is vergelijkbaar met de vorming van algemenere eiwit-eiwitcomplexen. --- # Rol van eiwitstructuur en modificatie in eiwitfunctie Dit onderwerp verkent hoe de driedimensionale structuur van eiwitten en posttranslationele modificaties cruciaal zijn voor hun functie, geïllustreerd aan de hand van voorbeelden zoals c-Src-kinase en antilichamen, waarbij de regulatie van eiwitactiviteit en subcellulaire lokalisatie centraal staat. ### 4.1 Covalente modificaties en hun impact op eiwitstructuur en functie Aminozuren in eiwitten kunnen diverse covalente modificaties ondergaan, zowel tijdens als na eiwitsynthese. Deze modificaties beïnvloeden de eiwitstructuur, stabiliteit en functie. #### 4.1.1 Disulfidebindingen (zwavelbruggen) * **Beschrijving:** Covalente bindingen tussen de thiolgroepen van cysteïne-aminozuren, die de opvouwing van het eiwit verder stabiliseren en beschermen tegen denaturatie. * **Locatie:** Komen voornamelijk voor in extracellulaire eiwitten, niet in het reducerende intracellulaire milieu. * **Functie:** Verhoogt de stabiliteit en beschermt tegen ontvouwing. #### 4.1.2 N-terminale acetylatie * **Beschrijving:** Irreversibele modificatie van de aminoterminus van meer dan 80% van eukaryotische eiwitten. * **Functie:** Beïnvloedt eiwitstabiliteit, levensduur, interacties met biomoleculen en subcellulaire lokalisatie. #### 4.1.3 Enzymatische verwijdering (processing) * **Beschrijving:** Verwijdering van specifieke delen van de polypeptideketen. * **Voorbeeld:** Trypsinogeen wordt omgezet in actief trypsine na verwijdering van aminozuren 1-15 in de dunne darm. * **Karakteristiek:** Deze modificatie is onomkeerbaar. #### 4.1.4 Glycosylering en lipidering * **Beschrijving:** Binding van suiker- of lipidemoleculen aan de zijketens van specifieke aminozuren. * **Functie:** Beïnvloedt eiwitstructuur en functie (detail wordt verder besproken in hoofdstuk 6). #### 4.1.5 Fosforylering en defosforylering * **Beschrijving:** Reversibele modificatie door het toevoegen of verwijderen van fosfaatgroepen op serine, threonine en tyrosine residuen. * **Enzymen:** Kinasen voegen fosfaatgroepen toe; fosfatases verwijderen ze. * **Functie:** Verandert de lokale chemische topografie van het eiwit, wat eiwitinteracties beïnvloedt en de activiteit en/of subcellulaire lokalisatie reguleert. Dit mechanisme maakt het mogelijk de eiwitfunctie "aan en uit" te schakelen. > **Tip:** Fosforylering is een van de meest voorkomende posttranslationele modificaties en speelt een sleutelrol in signaaltransductie en cellulaire regulatie. ### 4.2 Spontane opvouwing, denaturatie en renaturatie #### 4.2.1 Thermodynamische principes van eiwitopvouwing * **Drijvende kracht:** Eiwitopvouwing wordt gedreven door de wetten van de thermodynamica, specifiek de Gibbs vrije energie ($G$). * **Energiecomponenten:** Enthalpie ($H$) en entropie ($S$). * **Spontaniteit:** Het opvouwingsproces is spontaan omdat de Gibbs vrije energie van de opgevouwen toestand lager is dan die van de niet-opgevouwen toestand ($ \Delta G < 0 $). $$G = H - TS$$ * **Snelheid:** De meeste globulaire eiwitten vouwen op in zeer korte tijden, variërend van $10^{-6}$ tot $10^{-1}$ seconden. > **Tip:** De primaire structuur van een eiwit bevat alle informatie die nodig is voor de correcte opvouwing. #### 4.2.2 Denaturatie * **Definitie:** Verlies van de specifieke driedimensionale structuur van een eiwit, wat leidt tot verlies van functie. * **Types:** * **Thermische denaturatie:** Meestal irreversibel. Hoge temperaturen verhogen de bewegingsenergie van eiwitdelen, waardoor de zwakke krachten die de structuur stabiliseren, worden verbroken. Hydrofobe interacties zijn relatief stabieler. Kan leiden tot onoplosbaarheid en aggregatie. * **Voorbeeld:** Het koken van een ei waarbij ovalbumine denatureert en stolt. * **Chemische denaturatie:** Vaak reversibel. pH-veranderingen beïnvloeden de lading van aminozuurzijketens, wat elektrostatische interacties verbreekt en denaturatie kan veroorzaken. #### 4.2.3 Renaturatie * **Definitie:** Het proces waarbij een gedenatureerd eiwit spontaan terugvouwt naar zijn functionele driedimensionale structuur, meestal door het herstellen van de oorspronkelijke omstandigheden (bijv. pH). #### 4.2.4 Foutieve opvouwing en ziekten * **Misfolding:** Fouten in eiwitopvouwing kunnen leiden tot de afbraak van eiwitten door cellulaire processen. * **Neurodegeneratieve ziekten:** Bij aandoeningen zoals Alzheimer kunnen misgevouwen eiwitten aggregeren en de normale neuronale functie verstoren. ### 4.3 Quaternaire structuur: samenkomst van subeenheden voor functie #### 4.3.1 Definitie en opbouw * **Beschrijving:** Een eiwit wordt functioneel wanneer meerdere polypeptideketens (subeenheden) samenkomen om een complex te vormen. Dit is het vierde niveau van eiwitorganisatie. * **Onderdelen:** Elk van de subeenheden heeft reeds een stabiele tertiaire structuur. * **Terminologie:** * **Oligomeer:** Een eiwitcomplex gevormd door subeenheden. * **Dimeer, trimeer, tetrameer:** Afhankelijk van het aantal subeenheden. * **Homomeer:** Bestaat uit identieke subeenheden. * **Heteromeer:** Bestaat uit verschillende subeenheden. * **Stabilisatie:** Vorming gebaseerd op moleculaire herkenning via zwakke krachten tussen de oppervlakken van de subeenheden, soms aangevuld met covalente disulfidebruggen. #### 4.3.2 Voorbeelden van eiwitten met quaternaire structuur * **Hemoglobine:** Een heterotetrameer bestaande uit twee $\alpha$- en twee $\beta$-globineketens, essentieel voor zuurstoftransport. * **Antilichamen (Immunoglobulines):** Heterotetrameren die een cruciale rol spelen in het immuunsysteem. * **Collageen:** Een homotrimeer waarbij drie polypeptideketens om elkaar heen draaien om een stabiele superhelix te vormen, essentieel voor bindweefselstructuur. Stabilisatie geschiedt via waterstofbruggen tussen glycine en proline residuen. > **Tip:** Quaternaire structuur kan beschouwd worden als een specifieke vorm van eiwit-eiwitcomplexvorming. ### 4.4 Belang van tertiaire en quaternaire structuur in eiwitfunctie (met voorbeelden) #### 4.4.1 Modulaire opbouw en regulatie van functie: c-Src-kinase * **Beschrijving:** c-Src-kinase is een multidomeineiwit dat betrokken is bij celgroei en -overleving. Verstoorde activiteit ervan is geassocieerd met kanker (onco-eiwit). * **Domeinen:** Bestaat uit vier structurele domeinen: * Twee kinase-domeinen (enzymatische activiteit: fosforylering van tyrosine). * Een SH2-domein (herkent en bindt fosfotyrosine). * Een SH3-domein (herkent en bindt prolinerijke sequenties). * **Functie en Regulatie:** * Src oefent zijn functie uit in het cytoplasma nabij het plasmamembraan. * In **inactieve staat** (cytosol) is Src gefosforyleerd op tyrosine 527 (pY527). Het SH2-domein bindt specifiek aan pY527, wat het eiwit in een gesloten, inactieve conformatie houdt. * **Activering:** Door defosforylering van Y527 door een fosfatase wordt de interactie tussen SH2 en pY527 verbroken. Het eiwit ontvouwt naar een **actieve, open vorm**. * In de actieve vorm binden de SH2- en SH3-domeinen aan eiwitten op het plasmamembraan, waardoor Src naar zijn actieve locatie wordt gebracht. * Zelf-fosforylering op tyrosine 416 (Y416) in het kinasedomein zorgt voor volledige activering van de kinase-activiteit. * **Illustratie:** Dit voorbeeld toont hoe de samenwerking tussen domeinen, de regulatie door transiënte posttranslationele modificatie (fosforylering/defosforylering) en conformatieveranderingen cruciaal zijn voor eiwitfunctie en lokalisatie. > **Tip:** Het c-Src-kinase model is een uitstekend voorbeeld van hoe specifieke eiwit-eiwitinteracties en posttranslationele modificaties de cellulaire signalering reguleren. #### 4.4.2 Quaternaire structuur van een antilichaam * **Functie:** Elk antilichaam (immunoglobuline, Ig) herkent specifiek één antigeen (molecuul dat een immuunrespons opwekt, zoals virussen, bacteriën). * **Structuur:** Antilichamen zijn heterotetrameren, bestaande uit: * Twee identieke zware ketens (heavy chains, H), elk ~450-550 aminozuren. * Twee identieke lichte ketens (light chains, L), elk ~210 aminozuren. * **Stabilisatie:** Samengehouden door niet-covalente bindingen en disulfidebruggen. * **Domeinen:** Elke keten bevat een constant deel (stabiliteit, interactie met celreceptoren) en een variabel deel (antigenbinding). * **Variabele domeinen (VH en VL):** Bevatten lussen aan de uiteinden die samen de antigenbindingsplaatsen vormen. De specifieke aminozuursequentie in deze lussen bepaalt de hoge specificiteit van antigenherkenning (epitoop). * **Betekenis:** De quaternaire structuur is essentieel voor de functionele herkenning van antigenen. De bindingsplaatsen worden gevormd door delen van verschillende polypeptideketens. > **Example:** De moleculaire herkenning tussen een antilichaam en zijn antigeen is een klassiek voorbeeld van eiwit-eiwitinteractie die cruciaal is voor de afweer van het lichaam. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Covalente modificaties | Chemische veranderingen aan aminozuren in een eiwit die plaatsvinden tijdens of na de eiwitsynthese, en die de structuur, stabiliteit en/of functie van het eiwit kunnen beïnvloeden. | | Posttranslationele modificatie | Chemische veranderingen die optreden aan een eiwit nadat de eiwitsynthese (translatie) is voltooid, wat essentieel is voor de uiteindelijke functie van het eiwit. | | Disulfidebinding (zwavelbrug) | Een covalente binding gevormd tussen de thiolgroepen van twee cysteine-aminozuren in een eiwit, wat bijdraagt aan de stabiliteit en opvouwing van het eiwit, vooral bij extracellulaire eiwitten. | | Acetylatie van N-terminus | Een covalente modificatie waarbij een acetylgroep wordt toegevoegd aan de aminoterminus van een eiwit. Dit beïnvloedt de stabiliteit en levensduur van het eiwit, en kan interacties met andere moleculen reguleren. | | Proteolyse (verwerking) | Het enzymatisch splitsen van een polypeptideketen, wat leidt tot de activering of modificatie van een eiwit. Dit komt voor bij verteringsenzymen en eiwitten betrokken bij bloedstolling. | | Glycoproteïnering | Een posttranslationele modificatie waarbij suikermoleculen covalent worden gebonden aan specifieke aminozuren in een eiwit, wat invloed heeft op de eiwitfunctie, stabiliteit en celherkenning. | | Lipoproteïnering | Een posttranslationele modificatie waarbij lipiden covalent worden gebonden aan specifieke aminozuren in een eiwit, wat de functionele eigenschappen en lokalisatie van het eiwit kan beïnvloeden. | | Fosforylering | Een reversibele posttranslationele modificatie waarbij een fosfaatgroep covalent wordt gebonden aan een hydroxylgroep van serine, threonine of tyrosine. Dit reguleert de activiteit en subcellulaire lokalisatie van eiwitten door de chemische eigenschappen van het eiwit te veranderen. | | Kinasen | Enzymen die een fosfaatgroep overdragen op een substraatmolecuul, meestal op een hydroxylgroep van een aminozuur zoals serine, threonine of tyrosine. In de context van eiwitten katalyseren ze fosforyleringsreacties. | | Fosfatasen | Enzymen die een fosfaatgroep verwijderen uit een gefosforyleerd molecuul. Ze spelen een cruciale rol in de regulatie van cellulaire processen door deactivatie van gefosforyleerde eiwitten. | | Spontane opvouwing | Het natuurlijke, zelfstandige proces waarbij een eiwitketen zijn unieke driedimensionale structuur aanneemt, gedreven door thermodynamische principes zoals enthalpie en entropie. | | Denaturatie | Het proces waarbij de specifieke driedimensionale structuur van een eiwit verloren gaat, wat resulteert in verlies van functionele activiteit. Dit kan veroorzaakt worden door thermische of chemische invloeden. | | Renaturatie | Het proces waarbij een gedenatureerd eiwit zijn oorspronkelijke driedimensionale structuur en functionele activiteit herwint, wat vaak wordt gedemonstreerd na chemische denaturatie onder gecontroleerde omstandigheden. | | Gibbs vrije energie ($G$) | Een thermodynamische potentiaal die gebruikt wordt om te bepalen of een proces spontaan zal verlopen. Voor eiwitopvouwing geldt dat een negatieve verandering in Gibbs vrije energie ($ \Delta G < 0 $) het proces spontaan maakt. De formule is $G = H - TS$, waarbij $H$ enthalpie en $S$ entropie is. | | Quaternaire structuur | Het hoogste organisatieniveau van eiwitstructuur, waarbij meerdere polypeptideketens (subeenheden) samenkomen om een functioneel eiwitcomplex te vormen. Dit complex kan bestaan uit identieke (homomeer) of verschillende (heteromeer) subeenheden. | | Subeenheden | Individuele polypeptideketens die samenkomen om een eiwit met een quaternaire structuur te vormen. Deze subeenheden kunnen identiek of verschillend zijn. | | Hemoglobine | Een eiwit in rode bloedcellen dat verantwoordelijk is voor het transport van zuurstof. Het is een heterotetrameer bestaande uit vier subeenheden: twee alfa-globine en twee bèta-globine ketens. | | Antilichamen (immunoglobulines) | Eiwitten geproduceerd door het immuunsysteem die specifieke antigenen herkennen en binden om lichaamsvreemde stoffen te neutraliseren of te elimineren. Ze hebben een karakteristieke Y-vormige quaternaire structuur. | | Collageen | Een structureel eiwit dat een belangrijk bestanddeel vormt van bindweefsel zoals huid, pezen en botten. Het bestaat uit drie om elkaar gedraaide polypeptideketens die een triple helix vormen. | | Onco-eiwit | Een eiwit dat betrokken is bij celgroei en -overleving, maar dat in een verstoorde of overmatige activiteit kan leiden tot kanker. Het c-Src-kinase is een voorbeeld van een onco-eiwit. | | Domein (eiwit) | Een compact, functioneel onafhankelijk deel van een eiwit dat een specifieke structuur en functie heeft. Multidomeineiwitten bestaan uit meerdere van dergelijke structurele eenheden. | | SH2-domein | Een eiwitdomein dat specifiek bindt aan gefosforyleerde tyrosine-residuen in andere eiwitten. Dit speelt een cruciale rol in signaaltransductiepaden. | | SH3-domein | Een eiwitdomein dat specifiek bindt aan prolinerijke sequenties in andere eiwitten. Het is betrokken bij eiwit-eiwitinteracties en cellulaire organisatie. | | Antigen | Een molecuul dat een immuunrespons kan opwekken, zoals een deel van een virus, bacterie of vreemd eiwit. Antilichamen binden specifiek aan antigenen. | | Epitoop | Het specifieke gedeelte van een antigeen dat wordt herkend en gebonden door een antilichaam. |

# Structuur en samenstelling van eiwitten Dit onderwerp behandelt de fundamentele bouwstenen van eiwitten, de aminozuren, hun chemische opbouw en de variëteit aan eiwitstructuren die hieruit voortkomen. ## 1.1 Omschrijving van eiwitten Eiwitten, ook wel proteïnen genoemd, worden beschouwd als de "bouwstenen" van het lichaam en spelen een cruciale rol in diverse lichaamsprocessen. Ze zijn opgebouwd uit lange ketens van aminozuren, waarbij de specifieke soort, het aantal en de volgorde van deze aminozuren de unieke eigenschappen van elk eiwit bepalen. In het menselijk lichaam bevinden zich naar schatting 10.000 tot 50.000 verschillende soorten eiwitten. Eiwitten leveren energie (calorieën) en zijn essentieel voor de opbouw en vernieuwing van lichaamscellen, waaronder spieren, organen, zenuwstelsel, botten en bloed. Daarnaast zijn ze betrokken bij processen zoals het transport van stoffen, de aanmaak van hormonen en enzymen, en de vorming van structuren zoals haar, nagels en huid. ## 1.2 De aminozuur: de bouwsteen van eiwitten ### 1.2.1 Chemische opbouw van aminozuren Een aminozuur is de fundamentele eenheid waaruit eiwitten zijn opgebouwd. Elk aminozuur bevat minimaal de volgende elementen: koolstof (C), zuurstof (O), en stikstof (N). Veel aminozuren bevatten ook zwavel (S). Chemisch gezien is een aminozuur gekenmerkt door de aanwezigheid van een carboxylgroep, die wordt weergegeven als $-COOH$, en een aminogroep, weergegeven als $-NH_2$. Centraal in de aminozuurstructuur staat een koolstofatoom, waaraan deze groepen en een waterstofatoom zijn gebonden. Het vierde substituent aan dit centrale koolstofatoom is de zogenaamde R-groep, ook wel restgroep genoemd. Deze R-groep is variabel en bepaalt het unieke karakter en de chemische eigenschappen van elk specifiek aminozuur. ### 1.2.2 Variëteit aan aminozuren Er zijn 24 verschillende aminozuren bekend. Het lichaam is in staat om sommige van deze aminozuren zelf aan te maken. Echter, acht van deze aminozuren kunnen niet door het lichaam worden gesynthetiseerd en moeten daarom via de voeding worden verkregen. Deze worden de **essentiële aminozuren** genoemd. De essentiële aminozuren zijn: * Isoleucine * Leucine * Lysine * Methionine * Fenylalanine * Threonine * Tryptofaan * Valine > **Tip:** Het is cruciaal om voldoende essentiële aminozuren binnen te krijgen via de voeding, aangezien het lichaam deze niet zelf kan produceren en ze onmisbaar zijn voor diverse fysiologische processen. ### 1.2.3 Functies van essentiële aminozuren Elk essentieel aminozuur vervult specifieke en belangrijke functies in het lichaam: * **Tryptofaan:** Speelt een rol bij de regulatie van slaap en stemming. * **Valine:** Noodzakelijk voor een efficiënt herstel van spierweefsel en kan mogelijk een positieve bijdrage leveren aan de gezondheid van lever en galblaas. * **Lysine:** Is van belang voor de productie van hormonen, antilichamen en enzymen. * **Methionine:** Draagt bij aan de aanmaak van stoffen die essentieel zijn voor een gezond immuunsysteem. * **Leucine:** Is populair bij krachtsporters vanwege de rol in spieropbouw en -herstel. Het ondersteunt ook hersenfuncties, levert energie en helpt de bloedglucosespiegel in balans te houden. * **Isoleucine:** Helpt, net als leucine, de bloedglucosespiegel stabiel te houden. * **Threonine:** Is nodig voor de productie van collageen (een belangrijk bindweefselcomponent) en antilichamen. * **Fenylalanine:** Is essentieel voor diverse biochemische processen, waaronder de aanmaak van neurotransmitters zoals dopamine, adrenaline en noradrenaline in de hersenen. > **Voorbeeld:** Een tekort aan tryptofaan kan bijvoorbeeld leiden tot slaapproblemen en stemmingswisselingen, terwijl een adequaat niveau bijdraagt aan een gezonde nachtrust en een stabiel humeur. ### 1.2.4 Peptidenbindingen Aminozuren kunnen op verschillende manieren aan elkaar worden gekoppeld. De verbinding tussen twee aminozuren wordt een **peptidebinding** genoemd. Lange ketens van aminozuren, verbonden door peptidebindingen, vormen eiwitten. ## 1.3 Structuur van eiwitten Eiwitten zijn complexe moleculen met verschillende niveaus van structuur: ### 1.3.1 Primaire structuur De primaire structuur van een eiwit verwijst naar de specifieke lineaire volgorde van aminozuren in de polypeptideketen. Deze volgorde wordt bepaald door de genetische code. ### 1.3.2 Secundaire structuur Secundaire structuren ontstaan door lokale interacties tussen de aminozuren van de polypeptideketen, voornamelijk waterstofbruggen. De twee meest voorkomende secundaire structuren zijn: * **Alfa-helix ($\alpha$-helix):** Een spiraalvormige structuur. * **Bèta-plaat ($\beta$-plaat):** Een gevouwen, lineaire structuur. ### 1.3.3 Tertiaire structuur De tertiaire structuur is de driedimensionale vorm van een enkel polypeptideketen, gevormd door verdere interacties tussen de R-groepen van de aminozuren. Deze interacties kunnen waterstofbruggen, ionische bindingen, hydrofobe interacties en disulfidebruggen omvatten. ### 1.3.4 Quaternaire structuur Sommige eiwitten bestaan uit meerdere polypeptideketens, die elk hun eigen tertiaire structuur hebben. De quaternaire structuur beschrijft de manier waarop deze afzonderlijke polypeptideketens (subunits) zich tot elkaar verhouden en samen een functioneel eiwit vormen. > **Tip:** De specifieke driedimensionale structuur van een eiwit is essentieel voor zijn functie. Veranderingen in deze structuur, zoals denaturatie, kunnen leiden tot verlies van functie. ## 1.4 Bronnen van eiwitten Eiwitten zijn te vinden in zowel dierlijke als plantaardige voedingsmiddelen. ### 1.4.1 Dierlijke eiwitbronnen Dierlijke eiwitbronnen zijn onder andere: * Vlees (circa 20-30 gram eiwit per 100 gram) * Vis (bijvoorbeeld zalm met circa 25 gram eiwit, tonijn met circa 24 gram eiwit per 100 gram) * Melk (circa 4 gram eiwit per 100 gram) * Kaas * Eieren (circa 13 gram eiwit per 100 gram) * Magere kwark (circa 9 gram eiwit per 100 gram) * Magere yoghurt (circa 4 gram eiwit per 100 gram) * Eiwitshakes van dierlijke eiwitten (circa 81 gram eiwit per 100 gram) Dierlijke eiwitten bevatten doorgaans geen vezels. ### 1.4.2 Plantaardige eiwitbronnen Plantaardige eiwitbronnen omvatten: * Peulvruchten (bijvoorbeeld bruine bonen met circa 8 gram eiwit, linzen met circa 9 gram eiwit, sojabonen met circa 22 gram eiwit per 100 gram) * Graanproducten (bijvoorbeeld volkoren brood met circa 9 gram eiwit, zilvervliesrijst met circa 3 gram eiwit, volkorenpasta met circa 6 gram eiwit per 100 gram) * Noten (gemengde noten met circa 22 gram eiwit, pindakaas met circa 23 gram eiwit per 100 gram) * Zaden (circa 30 gram eiwit per 100 gram) * Tofu en tempeh (circa 12 gram eiwit per 100 gram) * Havermout (circa 13 gram eiwit per 100 gram) * Eiwitshakes van plantaardige eiwitten (rijst-, soja- of erwteneiwit, circa 82 gram eiwit per 100 gram) Plantaardige eiwitten zijn vaak rijk aan mineralen, vitaminen, vezels en andere gunstige plantaardige stoffen. > **Voorbeeld:** Volkorenproducten, peulvruchten en noten zijn uitstekende plantaardige bronnen van eiwitten en bieden tegelijkertijd waardevolle vezels, die bijdragen aan een gezonde darmwerking. ### 1.4.3 Voedingsmiddelen met weinig tot geen eiwit Een beperkt aantal voedingsmiddelen bevat nagenoeg geen eiwitten, zoals: * Roomboter * Margarine * Bak- en braadvet * Olie * Suiker * Honing * Limonade * Appelmoes ## 1.5 Gluten Gluten zijn specifieke plantaardige eiwitten die rekbaar zijn en voornamelijk voorkomen in tarwe, maar ook in haver, spelt, rogge en gerst. Rijst, boekweit en maïs bevatten geen gluten. Bij mensen met glutenintolerantie kan de consumptie van gluten leiden tot schade aan de dunne darmwand, wat resulteert in verminderde opname van voedingsstoffen en diverse klachten zoals uitputting, huidproblemen, spier- en gewrichtspijn, hersenmist, migraine en gebitsproblemen. Een glutenvrij dieet kan de symptomen van glutenintolerantie verhelpen. > **Tip:** Glutenvrij eten is niet per definitie gezonder voor iedereen. Het is met name relevant voor personen met een vastgestelde glutenintolerantie of coeliakie. ## 1.6 Eiwitvertering Eiwitvertering is een proces dat begint in de mond en voltooid wordt in de dunne darm. ### 1.6.1 Vertering in de mond In de mond wordt voedsel mechanisch verkleind door kauwen, waardoor enzymen later efficiënter kunnen inwerken op de eiwitten. ### 1.6.2 Vertering in de maag De chemische vertering van eiwitten start in de maag. Maagzuur ontsmet het voedsel, breekt celwanden af en splitst bindweefsel. Het enzym pepsine, dat in de maag wordt uitgescheiden, begint de eiwitten te splitsen tot polypeptiden. ### 1.6.3 Vertering in de dunne darm De vertering van eiwitten wordt voltooid in de dunne darm. Alvleeskliersappen (pancreassap) bevatten enzymen, zoals trypsine, die polypeptiden verder afbreken tot dipeptiden en tripeptiden. Voordat deze enzymen optimaal kunnen werken, wordt de zure voedselbrij geneutraliseerd door bicarbonaat uit de pancreas. De dunne darm zelf produceert ook enzymen zoals tripeptidase en dipeptidase, die respectievelijk tripeptiden en dipeptiden splitsen tot individuele aminozuren. Deze vrijgekomen aminozuren worden door de darmwand opgenomen en via het bloed naar de lever en andere weefsels getransporteerd. > **Voorbeeld:** Wanneer een eiwitmolecuul de maag binnenkomt, wordt het door maagzuur en pepsine opgedeeld in kleinere ketens van aminozuren (polypeptiden). In de dunne darm worden deze polypeptiden vervolgens verder afgebroken tot de kleinste bouwstenen: aminozuren, die vervolgens door het lichaam kunnen worden opgenomen. Eiwit dat niet in de dunne darm kan worden verteerd, wordt in de dikke darm afgebroken door bacteriën. Eiwit wordt sneller verteerd wanneer het gedenatureerd is. Lichaamseiwitten worden continu afgebroken en weer opgebouwd, waarbij dagelijks zo'n 200-300 gram eiwit wordt vervangen. --- # Bronnen en functies van eiwitten Hieronder vind je een gedetailleerd overzicht van de bronnen en functies van eiwitten, bedoeld als studiehandleiding voor je examen. ## 2. Bronnen en functies van eiwitten Dit hoofdstuk verkent de verschillende voedingsbronnen van eiwitten, zowel dierlijk als plantaardig, en hun essentiële rollen in het menselijk lichaam. ### 2.1 Beschrijving van eiwitten Eiwitten worden vaak omschreven als de "bouwstenen" van het lichaam. Ze zijn fundamenteel voor de opbouw van weefsels zoals spieren, huid, haar en nagels, en spelen een cruciale rol in de productie van enzymen, hormonen en antilichamen. Eiwitten bestaan uit ketens van aminozuren, waarbij de specifieke volgorde en het type aminozuren bepalen welke functie het eiwit in het lichaam vervult. Een aminozuur is opgebouwd uit koolstof (C), zuurstof (O), stikstof (N) en soms zwavel (S). Elk aminozuur bevat een carboxylgroep (`-COOH`) en een aminogroep (`-NH2`), terwijl de variërende restgroep (`R`) het karakter van het aminozuur bepaalt. De verbindingen tussen aminozuren worden peptiden genoemd. #### 2.1.1 Essentiële aminozuren en hun functies Er zijn 24 bekende aminozuren, waarvan het lichaam er 8 zelf niet kan aanmaken. Deze worden essentiële aminozuren genoemd en moeten via voeding worden verkregen. * **Isoleucine:** Draagt bij aan het reguleren van de bloedsuikerspiegel. * **Leucine:** Cruciaal voor spieropbouw en -herstel, helpt bij hersenfunctie, energievoorziening en regulatie van bloedsuiker. * **Lysine:** Essentieel voor de productie van hormonen, antilichamen en enzymen. * **Methionine:** Belangrijk voor de aanmaak van stoffen die het immuunsysteem ondersteunen. * **Fenylalanine:** Noodzakelijk voor biochemische processen, waaronder de aanmaak van neurotransmitters zoals dopamine, adrenaline en noradrenaline. * **Threonine:** Ondersteunt de productie van collageen (bindweefsel) en antilichamen. * **Tryptofaan:** Reguleert slaap en stemming. * **Valine:** Essentieel voor spierherstel en kan mogelijk ondersteuning bieden bij lever- en galblaasaandoeningen. ### 2.2 Bronnen van eiwitten Vrijwel alle levensmiddelen bevatten eiwitten, met uitzondering van pure vetten (zoals roomboter, olie, margarine) en suiker. #### 2.2.1 Dierlijke eiwitbronnen Dierlijke eiwitten zijn te vinden in: * Vlees (ongeveer 20-30% eiwit) * Vis * Melk en melkproducten (yoghurt, kwark, kaas) * Eieren Dierlijke producten bevatten over het algemeen geen vezels. **Voorbeelden van dierlijke eiwitgehaltes per 100 gram:** * Magere kwark: 9 gram * Melk: 4 gram * Ei: 13 gram * Zalm: 25 gram * Rundvlees: 35 gram * Kipfilet: 31 gram #### 2.2.2 Plantaardige eiwitbronnen Plantaardige eiwitten komen voor in: * Peulvruchten (bruine bonen, sojabonen, linzen) * Graanproducten (brood, rijst, deegwaren) * Noten en zaden * In mindere mate in groenten en aardappelen Plantaardige eiwitbronnen zijn rijk aan mineralen, vitaminen, plantaardige stoffen en vezels, wat gunstig is voor het immuunsysteem en de darmgezondheid. **Voorbeelden van plantaardige eiwitgehaltes per 100 gram:** * Volkoren brood: 9 gram * Havermout: 13 gram * Gemengde noten: 22 gram * Zaden: 30 gram * Tofu/Tempeh: 12 gram * Bruine bonen: 8 gram * Sojabonen: 22 gram * Pindakaas: 23 gram #### 2.2.3 Gluten Gluten zijn plantaardige eiwitten die veel voorkomen in tarwe, en in mindere mate in haver, spelt, rogge en gerst. Rijst, boekweit en maïs zijn glutenvrij. Bij mensen met een glutenintolerantie kan blootstelling aan gluten leiden tot beschadiging van de dunne darmwand, met symptomen als buikklachten, vermoeidheid, huidproblemen, spier- en gewrichtspijn, hersenmist, migraine en gebitsproblemen. > **Tip:** Glutenvrij eten is niet per definitie gezonder voor iedereen. Het is met name essentieel voor mensen met glutenintolerantie of coeliakie. ### 2.3 Functies van eiwitten Eiwitten vervullen diverse vitale functies in het lichaam: * **Opbouw en herstel van weefselcellen:** Eiwitten zijn essentieel voor de constante vernieuwing en het onderhoud van lichaamscellen, inclusief spieren, organen, zenuwstelsel en botten. Lichaamseiwitten worden continu afgebroken en opnieuw opgebouwd. * **Opbouw van bloedcomponenten:** Ze zijn nodig voor de aanmaak van rode bloedcellen, witte bloedcellen en bloedplaatjes. * **Productie van antilichamen:** Eiwitten zijn cruciaal voor de immuunrespons ter bestrijding van virussen en bacteriën. Een tekort aan eiwitten kan leiden tot een verminderde weerstand. * **Transport van stoffen:** Eiwitten fungeren als transportmiddelen voor diverse stoffen in het bloed en binnen cellen. Sommige eiwitten op celmembranen dienen als receptoren voor signaaloverdracht. * **Functie als enzymen:** Alle enzymen zijn eiwitten en spelen een sleutelrol in talloze regelprocessen in het lichaam. * **Energievoorziening:** Hoewel niet de primaire functie, kunnen eiwitten door het lichaam worden omgezet in glucose voor energieproductie. Overtollige aminozuren worden als afvalstof uitgescheiden. #### 2.3.1 Eiwitvertering De vertering van eiwitten begint in de mond, waar voedsel mechanisch wordt vermalen. Chemische vertering start in de maag met maagzuur en pepsine, die eiwitten splitsen tot polypeptiden. In de dunne darm wordt de vertering voltooid door enzymen uit het pancreassap, zoals trypsine, en enzymen uit de dunne darmwand (tripeptidase, dipeptidase). Deze enzymen breken polypeptiden af tot di- en tripeptiden en uiteindelijk tot individuele aminozuren. De zure voedselbrij uit de maag wordt in de dunne darm geneutraliseerd met bicarbonaat uit de pancreas, zodat de enzymen optimaal kunnen werken. De vrijgemaakte aminozuren worden opgenomen in de darm en via het bloed getransporteerd. > **Tip:** Eiwit wordt sneller verteerd wanneer het gedenatureerd is (bijvoorbeeld door verhitting). ### 2.4 Aanbevolen dagelijkse hoeveelheid (ADH) en tekorten/overschotten #### 2.4.1 Aanbevolen dagelijkse hoeveelheid Een gezonde volwassene heeft gemiddeld 0,8 gram eiwit per kilogram lichaamsgewicht per dag nodig. Bepaalde groepen, zoals sporters, kinderen, zwangere vrouwen en vrouwen die borstvoeding geven, hebben een verhoogde eiwitbehoefte. Baby's hebben relatief de hoogste behoefte vanwege hun snelle groei. #### 2.4.2 Gevolgen van een eiwittekort Een langdurig tekort aan eiwitten kan leiden tot: * Afbraak van spierweefsel. * Gebrek aan spierkracht en verminderde weerstand. * Groeistoornissen en slecht ontwikkelde spieren bij kinderen. * In ernstige gevallen kan een eiwittekort, zoals hongeroedeem bij kinderen in ontwikkelingslanden, levensbedreigend zijn. In westerse landen komt dit zelden voor en is het meestal gerelateerd aan anorexia nervosa, extreme diëten of een eenzijdig voedingspatroon. #### 2.4.3 Gevolgen van een eiwitovermaat Een teveel aan eiwit kan nadelige effecten hebben: * Het lichaam zet overtollige aminozuren om in vet. * Eiwitafbraak produceert afvalstoffen die de nieren extra belasten en kunnen bijdragen aan verzuring. * Mogelijke belasting voor hart- en vaatziekten, mede door de koppeling van eiwit aan vet in sommige voedingsmiddelen. * Darmproblemen zoals sterk ruikende winderigheid, diarree en een opgeblazen gevoel. > **Tip:** Eet vijf (kleine) maaltijden per dag om je spijsvertering te optimaliseren en energieverlies na maaltijden te minimaliseren. --- # Eiwitvertering en absorptie Eiwitten worden in het spijsverteringsstelsel afgebroken tot aminozuren, die vervolgens worden geabsorbeerd en getransporteerd naar verschillende weefsels in het lichaam. ### 3.1 Het proces van eiwitvertering De vertering van eiwitten is een gecoördineerd proces dat begint in de mond en wordt voltooid in de dunne darm. #### 3.1.1 Vertering in de mond De mond speelt een mechanische rol in de eiwitvertering door voedsel te verkleinen met behulp van snijtanden, hoektanden en kiezen. Dit fijnmalen vergroot het oppervlak van het voedsel, wat de efficiëntie van enzymatische afbraak later in het spijsverteringskanaal bevordert. #### 3.1.2 Vertering in de maag De chemische vertering van eiwitten start in de maag. De maagwand scheidt maagzuur en het enzym pepsine af. * **Rol van maagzuur:** * Ontsmet het ingenomen voedsel, waardoor ziekteverwekkers worden gedood. * Breekt celwanden af, waardoor enzymen beter toegang krijgen tot de eiwitten. * Splits bindweefsel tot kleinere fragmenten. * **Rol van pepsine:** Pepsine is een protease dat eiwitten splitst in kleinere ketens van aminozuren, genaamd polypeptiden. Het werkt optimaal in de zure omgeving van de maag. De reactie kan worden weergegeven als: $$ \text{Eiwitten} \xrightarrow{\text{pepsine, H}^+} \text{Polypeptiden} $$ #### 3.1.3 Vertering in de dunne darm De vertering van eiwitten wordt in de dunne darm voltooid. Dit proces wordt beïnvloed door enzymen uit het pancreassap en enzymen die door de dunne darm zelf worden geproduceerd. * **Rol van de alvleesklier (pancreas):** * **Bicarbonaatproductie:** De voedselbrij die vanuit de maag de dunne darm binnenkomt, is zuur. Speciale S-cellen in de dunne darmwand detecteren de lage zuurgraad en stimuleren de pancreas om bicarbonaat af te scheiden. Dit bicarbonaat neutraliseert de voedselbrij, waardoor de zuurgraad neutraal wordt ($pH \approx 7$). Dit is essentieel omdat de pancreasenzymen optimaal functioneren bij een neutrale pH. $$ \text{Zure voedselbrij} + \text{Bicarbonaat} \rightarrow \text{Neutrale voedselbrij} $$ * **Trypsine:** Het pancreassap bevat trypsine, een endopeptidase dat polypeptiden verder afbreekt tot kleinere peptiden, zoals dipeptiden en tripeptiden. $$ \text{Polypeptiden} \xrightarrow{\text{trypsine}} \text{Dipeptiden} + \text{Tripeptiden} $$ * **Enzymen van de dunne darm:** De wand van de dunne darm produceert zelf ook enzymen die de eiwitvertering voltooien: * **Tripeptidase:** Dit enzym splitst tripeptiden (ketens van drie aminozuren) in dipeptiden (ketens van twee aminozuren) en aminozuren. $$ \text{Tripeptiden} \xrightarrow{\text{tripeptidase}} \text{Dipeptiden} + \text{Aminozuren} $$ * **Dipeptidase:** Dit enzym splitst dipeptiden verder af tot individuele aminozuren. $$ \text{Dipeptiden} \xrightarrow{\text{dipeptidase}} \text{Aminozuren} $$ Aan het einde van dit proces zijn vrijwel alle eiwitten afgebroken tot hun basiseenheden: aminozuren. > **Tip:** Eiwit wordt sneller verteerd als het is gedenatureerd (bijvoorbeeld door verhitting), omdat dit de structuur van het eiwit verandert en enzymen beter toegang krijgen. ### 3.2 Absorptie van aminozuren De aminozuren die tijdens de vertering in de dunne darm vrijkomen, worden door de darmwand opgenomen. Dit gebeurt voornamelijk via actief transport. * **Transport:** De opgenomen aminozuren worden via het bloed getransporteerd naar de lever. Vanuit de lever kunnen ze verder worden gedistribueerd naar andere weefsels in het lichaam die ze nodig hebben voor synthese en onderhoud. ### 3.3 Eiwitafbraak en -vervanging in het lichaam Lichaamseiwitten worden voortdurend afgebroken en opnieuw opgebouwd. Dit proces van eiwitsynthese en -afbraak is essentieel voor het onderhoud en herstel van weefsels. * **Dagelijkse vervanging:** Bij een gezonde volwassene wordt dagelijks een aanzienlijke hoeveelheid eiwit vervangen, naar schatting zo'n 200-300 gram. In ongeveer 80 dagen kan de helft van het totale lichaamseiwit worden vervangen. * **Nut van aminozuren:** De vrijgekomen aminozuren worden gebruikt als bouwstenen voor de synthese van nieuwe eiwitten, zoals spiereiwitten, enzymen, hormonen en antilichamen. ### 3.4 Rol van bacteriën bij onverteerde eiwitten Eiwitten die niet in de dunne darm kunnen worden verteerd, bereiken de dikke darm. Hier worden ze verder afgebroken of omgezet door darmbacteriën. Dit proces kan leiden tot de productie van zwavelhoudende verbindingen, wat de karakteristieke geur van rotte eieren kan veroorzaken. > **Voorbeeld:** Mensen met een glutenintolerantie kunnen de gluten in de dunne darm niet goed verteren. Dit kan leiden tot schade aan de darmwand en absorptieproblemen. De onverteerde gluten kunnen in de dikke darm door bacteriën worden afgebroken. --- # Aanbevolen dagelijkse hoeveelheid en gevolgen van tekort of overschot Dit deel van de studiehandleiding behandelt de aanbevolen dagelijkse inname van eiwitten, de specifieke behoeften van bepaalde bevolkingsgroepen, en de gezondheidsproblemen die kunnen voortvloeien uit zowel een eiwittekort als een eiwitovermaat. ### 4.1 Aanbevolen dagelijkse hoeveelheid eiwit De algemene aanbeveling voor gezonde volwassenen is 0,8 gram eiwit per kilogram lichaamsgewicht per dag. Voor een persoon van 70 kilogram komt dit neer op ongeveer 56 gram eiwit per dag. Het lichaam vervangt voortdurend eiwitten; bij gezonde volwassenen wordt de helft van het aanwezige lichaamseiwit ongeveer elke 80 dagen vervangen. #### 4.1.1 Groepen met een verhoogde eiwitbehoefte Verschillende groepen hebben een hogere eiwitinname nodig dan de algemene aanbeveling: * **Kinderen en jongeren:** Zij hebben meer eiwit per kilogram lichaamsgewicht nodig vanwege hun groei. * **Baby's:** Verhoudingsgewijs hebben baby's de grootste eiwitbehoefte, aangezien ze zeer snel groeien. * **Zwangere vrouwen:** Extra eiwit is nodig voor de ontwikkeling van de placenta en het ongeboren kind. * **Vrouwen die borstvoeding geven:** Aanvullend eiwit is noodzakelijk voor de productie van moedermelk. * **Sporters:** Duur- en krachtsporters hebben een verhoogde behoefte, met name tijdens sporten gericht op spierontwikkeling (bv. bodybuilding, gewichtheffen) en intensieve duursporten (bv. sprinten, zwemmen, boksen). * **Mensen met bepaalde aandoeningen of wonden:** Deze individuen hebben eveneens meer eiwit nodig voor herstel en weefselopbouw. * **Vegetariërs:** Hoewel niet expliciet genoemd als groep met verhoogde behoefte, wordt wel gesuggereerd dat eiwitten uit plantaardige bronnen (noten, zaden, pitten, groenten) de eiwitbalans sneller in evenwicht brengen en beter verteren. #### 4.1.2 Voedingsmiddelen en eiwitgehalte Verschillende voedingsmiddelen dragen bij aan de eiwitinname: * **Dierlijke producten (per 100 gram):** * Eiwitshake van dierlijke eiwitten: 81 gram * Rundvlees: 35 gram * Kipfilet: 31 gram * Zalm: 25 gram * Tonijn: 24 gram * Kalkoenfilet: 25 gram * Ei: 13 gram * Magere kwark: 9 gram * Melk: 4 gram * Magere yoghurt: 4 gram * Karnemelk: 3 gram * **Plantaardige producten (per 100 gram):** * Eiwit shake van rijst-, soja,- of erwteneiwit: 82 gram * Zaden: 30 gram * Gemengde noten: 22 gram * Sojabonen: 22 gram * Pindakaas: 23 gram * Tofu, tempeh: 12 gram * Havermout: 13 gram * Volkoren brood: 9 gram * Bruine bonen: 8 gram * Linzen: 9 gram * Volkorenpasta: 6 gram * Zilvervliesrijst: 3 gram * Sojamelk: 3 gram * Aardappelen: 2 gram * Avocado: 2 gram * Spinazie: 3 gram Voedingsmiddelen die weinig tot geen eiwitten bevatten zijn onder andere roomboter, margarine, bak-braadvet, olie, suiker, honing, limonade en appelmoes. ### 4.2 Gevolgen van een eiwittekort Een chronisch tekort aan eiwitten kan diverse negatieve gezondheidseffecten hebben. #### 4.2.1 Gevolgen voor volwassenen * **Korte termijn (KT):** Een tekort kan leiden tot de afbraak van spierweefsel. * **Lange termijn (LT):** Een langdurig tekort resulteert in een gebrek aan spierkracht en een verminderde weerstand tegen infecties. #### 4.2.2 Gevolgen voor kinderen Bij kinderen kan een langdurig eiwittekort leiden tot groeistoornissen, een slechte spierontwikkeling en in ernstige gevallen tot de dood. In ontwikkelingslanden uit dit zich soms in hongeroedeem, gekenmerkt door opgezette buikjes. In westerse landen komt eiwittekort bij kinderen voornamelijk voor bij anorexia nervosa, extreme afslankdiëten of een zeer eenzijdig voedingspatroon. #### 4.2.3 Algemene effecten van eiwittekort * **Verminderde afweer:** Het lichaam kan minder goed virussen en bacteriën bestrijden door een tekort aan antilichamen. * **Problemen met weefselherstel:** Essentieel voor de constante vernieuwing van lichaamscellen en weefsels. ### 4.3 Gevolgen van een eiwitovermaat Hoewel eiwit essentieel is, kan een overmatige inname ook nadelige effecten hebben. Het lichaam heeft een specifieke hoeveelheid eiwit nodig als bouwstof; overtollige aminozuren worden omgezet in vet. #### 4.3.1 Nadelen van te veel eiwit * **Verhoogde afvalstoffen:** De stofwisseling van eiwitten produceert veel afvalstoffen die het lichaam moet uitscheiden, wat kan leiden tot verzuring en een belasting vormt voor de nieren, aangezien deze afvalstoffen via de urine worden uitgescheiden. * **Belasting van de nieren:** De nieren moeten harder werken om de afvalstoffen van eiwitmetabolisme te verwerken. * **Darmproblemen:** Een teveel aan eiwit kan leiden tot darmklachten zoals sterk ruikende winden, diarree en een opgeblazen gevoel. * **Hart- en vaatziekten:** Eiwit is vaak gekoppeld aan vet, wat belastend kan zijn voor hart en bloedvaten. * **Lichaamsgroei:** Er wordt gesuggereerd dat overmatige eiwitinname, met name bij kinderen, kan bijdragen aan een grotere lichaamslengte dan genetisch bepaald. > **Tip:** Het lichaam kan eiwit omzetten in glucose voor energie. Als je meer eiwit eet dan nodig, worden de overtollige aminozuren uitgeplast. Eiwit is niet alleen moeilijk afbreekbaar, maar genereert bij de stofwisseling ook veel afvalstoffen. > **Voorbeeld:** Vijf dagen per week een dieet rijk aan rood vlees en kaas, zonder voldoende groenten en fruit, kan leiden tot een eiwitovermaat met bijbehorende darmklachten en een verhoogde belasting van de nieren. #### 4.3.2 Energie en vermoeidheid Een grote maaltijd, die ook rijk kan zijn aan eiwitten, vraagt veel energie van de spijsvertering, wat kan leiden tot vermoeidheid en lusteloosheid na het eten. Het eten van vijf kleinere maaltijden per dag (drie hoofdmaaltijden en twee gezonde tussendoortjes) kan de spijsvertering optimaliseren en dit effect verminderen. --- # Glutenintolerantie Dit onderwerp behandelt de essentiële rol van eiwitten, de structuur, bronnen, functies, vertering, aanbevolen hoeveelheden en de gevolgen van een tekort of overschot, met speciale aandacht voor glutenintolerantie. ## 5. Glutenintolerantie Glutenintolerantie is een aandoening waarbij personen overgevoelig zijn voor gluten, plantaardige eiwitten die voornamelijk in tarwe, haver, spelt, rogge en gerst voorkomen. Rijst, boekweit en maïs zijn van nature glutenvrij. Bij glutenintolerantie kan de binnenkant van de dunne darm beschadigd raken, wat leidt tot buikklachten en verminderde opname van voedingsstoffen. Een glutenvrij dieet is de oplossing om ziekteverschijnselen te doen verdwijnen. ### 5.1 Symptomen van glutenintolerantie Er zijn diverse symptomen die kunnen duiden op glutenintolerantie: * **Uitputting en vermoeidheid:** Een veelvoorkomend symptoom dat wordt gekoppeld aan glutenintolerantie. * **Huidproblemen:** Acne, eczeem, branderigheid, roodheid, jeuk, blaarvorming en huiduitslag kunnen optreden. * **Spier- en gewrichtspijn:** Ontstekingen en pijn in de gewrichten zijn wetenschappelijk bewezen symptomen. * **Hersenmist:** Dit omvat symptomen zoals slecht geheugen en concentratieproblemen, hoewel de oorzaak complex kan zijn. * **Migraine of hoofdpijn:** Mensen met glutenintolerantie hebben een verhoogd risico op het ervaren van migraine. * **Gebitsproblemen:** Aften en zweren in de mond, evenals een lager calciumgehalte, wat essentieel is voor tandgezondheid. * **Onverwachte gewichtstoename:** Het elimineren van gluten uit het dieet kan helpen bij het herstellen van een gezond gewicht. ### 5.2 Eiwitten: een algemeen overzicht Eiwitten zijn essentiële bouwstenen van het lichaam en bestaan uit ketens van aminozuren. Elk eiwit is uniek door de specifieke volgorde en het aantal aminozuren. #### 5.2.1 Structuur van eiwitten Een aminozuur is opgebouwd uit koolstof (C), zuurstof (O), stikstof (N) en soms zwavel (S). Elk aminozuur bevat een carboxylgroep ($-COOH$) en een aminogroep ($-NH_2$). De variabele restgroep ($R$) bepaalt het karakter van het aminozuur. Aminozuren worden aan elkaar gekoppeld door middel van peptiden. Er zijn 24 bekende aminozuren, waarvan 8 essentieel zijn omdat het lichaam ze niet zelf kan aanmaken en ze via de voeding moeten worden verkregen. **Essentiële aminozuren:** * Isoleucine * Leucine * Lysine * Methionine * Fenylalanine * Threonine * Tryptofaan * Valine #### 5.2.2 Functies van essentiële aminozuren Elk essentieel aminozuur heeft specifieke functies in het lichaam: * **Tryptofaan:** Reguleert slaap en stemming. * **Valine:** Cruciaal voor spierherstel en mogelijk gunstig voor lever- en galblaasaandoeningen. * **Lysine:** Belangrijk voor de productie van hormonen, antilichamen en enzymen. * **Methionine:** Zorgt voor de aanmaak van een stof die essentieel is voor een gezond immuunsysteem. * **Leucine:** Helpt bij spieropbouw en herstel, draagt bij aan de hersenfunctie, levert energie en helpt glucosegehaltes in balans te houden. * **Isoleucine:** Helpt, net als leucine, de glucosegehaltes in balans te houden. * **Threonine:** Nodig voor de productie van collageen (bindweefsel) en belangrijk voor antilichaamproductie. * **Fenylalanine:** Essentieel voor biochemische processen, waaronder de aanmaak van neurotransmitters zoals dopamine, adrenaline en noradrenaline. #### 5.2.3 Bronnen van eiwitten Eiwitten zijn in vrijwel alle levensmiddelen te vinden. Enkele producten met weinig tot geen eiwit zijn roomboter, margarine, bak- en braadvet, olie, suiker, honing en limonade. * **Dierlijke eiwitten:** Verkregen uit vlees, vis, melk, kaas en eieren. Melk, yoghurt en zachte kazen zijn goede bronnen. Dierlijke eiwitten bevatten geen vezels. * **Voorbeelden per 100 gram:** Magere kwark (9 gram), Melk (4 gram), Ei (13 gram), Zalm (25 gram), Rundvlees (35 gram), Kipfilet (31 gram), Eiwitshake (dierlijk) (81 gram). * **Plantaardige eiwitten:** Verkregen uit peulvruchten, graanproducten (brood, rijst, deegwaren), noten. Groenten en aardappelen bevatten minder eiwit. Plantaardige eiwitten zijn rijk aan mineralen, vitaminen, plantaardige stoffen en vezels. * **Voorbeelden per 100 gram:** Volkoren brood (9 gram), Volkorenpasta (6 gram), Havermout (13 gram), Gemengde noten (22 gram), Zaden (30 gram), Tofu/tempeh (12 gram), Bruine bonen (8 gram), Sojabonen (22 gram), Linzen (9 gram), Pindakaas (23 gram), Eiwit shake (rijst/soja/erwt) (82 gram). #### 5.2.4 Functies van eiwitten in het lichaam Eiwitten hebben diverse cruciale functies: * **Opbouw van weefselcellen:** Eiwitten zijn de bouwstenen voor spieren, organen, het zenuwstelsel, botten en bloed. Ze zijn ook nodig voor de constante vernieuwing van bestaande cellen. * **Opbouw van bloedcellen en antilichamen:** Eiwitten zijn essentieel voor de productie van rode bloedcellen, witte bloedcellen, bloedplaatjes en antilichamen ter bestrijding van virussen en bacteriën. Een tekort aan eiwitten vermindert de weerstand. * **Transport van stoffen:** Eiwitten spelen een rol bij het transport van stoffen in bloed en cellen, en fungeren als receptoreiwitten voor signaaloverdracht. * **Enzymen:** Alle enzymen zijn eiwitten en spelen een rol bij tal van regelprocessen in het lichaam. * **Energie:** Eiwitten kunnen worden omgezet in glucose en leveren zo energie. Overtollige aminozuren worden uitgeplast. #### 5.2.5 Eiwitvertering De vertering van eiwitten is een proces dat begint in de mond en eindigt in de dunne darm. * **Mond:** Mechanische afbraak van voedsel door kauwen vergemakkelijkt de enzymatische vertering later in het spijsverteringskanaal. * **Maag:** De chemische vertering start hier met maagzuur en pepsine, die eiwitten splitsen tot polypeptiden. Maagzuur ontsmet voedsel, breekt celwanden af en splitst bindweefsel. * **Dunne darm:** De vertering wordt voltooid door enzymen uit het pancreassap (zoals trypsine) en enzymen die door de dunne darm zelf worden geproduceerd (zoals tripeptidase en dipeptidase). Deze splitsen polypeptiden verder tot dipeptiden, tripeptiden en uiteindelijk aminozuren. Bicarbonaat uit de pancreas neutraliseert de zure voedselbrij, waardoor de enzymen optimaal kunnen werken. De vrijgekomen aminozuren worden opgenomen en via het bloed getransporteerd. #### 5.2.6 Aanbevolen dagelijkse hoeveelheid eiwit Gezonde volwassenen hebben gemiddeld $0,8$ gram eiwit per kilogram lichaamsgewicht per dag nodig. Sommige groepen hebben meer nodig: * Kinderen en jongeren (in verband met groei) * Zwangere vrouwen (voor placenta en kind) * Vrouwen die borstvoeding geven (voor moedermelk) * Baby's (voor snelle groei) * Duur- en krachtsporters (voor spierontwikkeling en herstel) * Mensen met bepaalde aandoeningen of wonden. Eiwit uit noten, zaden en groenten verteert doorgaans beter dan eiwit uit bewerkte dierlijke en plantaardige producten zoals vlees, vis, kaas en granen. #### 5.2.7 Wat bij te weinig eiwit? Een tekort aan eiwit kan leiden tot: * **Spiermassaverlies:** Met name bij ouderen en sporters. * **Verminderde weerstand:** Hoger risico op infecties. * **Groeistoornissen:** Bij kinderen. * **Hongeroedeem:** In ernstige gevallen, zichtbaar als opgezwollen buikjes bij kinderen in ontwikkelingslanden. * **Gevolgen in het Westen:** Komt meestal voor bij anorexia nervosa, extreme afslankdiëten of een zeer eenzijdig voedingspatroon. #### 5.2.8 Wat bij te veel eiwit? Hoewel eiwit essentieel is, kan een overschot nadelen hebben: * **Belasting van de nieren:** Afvalstoffen worden via de urine uitgescheiden. * **Darmproblemen:** Sterk ruikende winden, diarree en opgeblazen gevoel. * **Verzuring:** Eiwitafbraak kan leiden tot verzuring van het lichaam. * **Potentiële belasting voor hart en bloedvaten:** Indien eiwitconsumptie gepaard gaat met een hoge vetinname. * **Toename lichaamsvet:** Overtollige aminozuren kunnen worden omgezet in vet. > **Tip:** Eet vijf (kleine) maaltijden per dag om de spijsvertering te optimaliseren en futloosheid na het eten te voorkomen. > **Tip:** De bewering "Glutenvrij is gezonder?" wordt in de volgende les besproken. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Eiwit | Een complexe molecule die is opgebouwd uit ketens van aminozuren, essentieel voor tal van lichaamsfuncties zoals weefselopbouw en enzymatische processen. | | Aminozuur | De fundamentele bouwsteen van eiwitten, bestaande uit koolstof, zuurstof, stikstof en soms zwavel, met een carboxylgroep, een aminogroep en een variabele restgroep (R). | | Essentiële aminozuren | Aminozuren die het lichaam niet zelf kan aanmaken en die via de voeding verkregen moeten worden, zoals tryptofaan, valine en lysine, elk met specifieke lichaamsfuncties. | | Peptiden | Korte ketens van aminozuren die ontstaan door de koppeling van aminozuren aan elkaar via peptidebindingen; ze kunnen vervolgens eiwitten vormen. | | Carboxylgroep | Een functionele groep in organische moleculen die wordt aangeduid met -COOH en die kenmerkend is voor aminozuren en vetzuren. | | Aminogroep | Een functionele groep in organische moleculen die wordt aangeduid met -NH2 en die een belangrijk onderdeel is van aminozuren en nucleïnezuren. | | Restgroep (R) | Het variabele deel van een aminozuur dat bepaalt welke chemische eigenschappen het aminozuur heeft en dus ook het karakter van het uiteindelijke eiwit. | | Denaturatie | Het proces waarbij de driedimensionale structuur van een eiwit permanent wordt veranderd, bijvoorbeeld door hitte of zuur, wat leidt tot verlies van functie. | | Polypeptiden | Langere ketens van aminozuren die door middel van peptidebindingen aan elkaar gekoppeld zijn en de voorlopers zijn van functionele eiwitten. | | Trypsine | Een enzym dat geproduceerd wordt door de alvleesklier (pancreas) en dat een cruciale rol speelt bij de afbraak van polypeptiden tot kleinere peptiden in de dunne darm. | | Pancreassap | Een vloeistof geproduceerd door de alvleesklier die een breed scala aan spijsverteringsenzymen bevat, waaronder trypsine, en bicarbonaat om de zuurgraad te neutraliseren. | | Tripeptidase | Een enzym in de dunne darm dat tripeptiden splitst, wat een tussenstap is in de volledige afbraak van eiwitten tot individuele aminozuren. | | Dipeptidase | Een enzym in de dunne darm dat dipeptiden, bestaande uit twee aminozuren, verder afbreekt tot individuele aminozuren die het lichaam kan absorberen. | | Gluten | Een groep plantaardige eiwitten, voornamelijk voorkomend in tarwe, gerst en rogge, die rekbare eigenschappen geven aan deeg en die bij intolerantie tot darmproblemen kunnen leiden. | | Coeliakie | Een chronische auto-immuunziekte waarbij inname van gluten leidt tot schade aan de dunne darmwand, met als gevolg malabsorptie van voedingsstoffen. | | Vlokatrofie | De afvlakking of het verdwijnen van de darmvlokken in de dunne darm, een kenmerkend verschijnsel bij coeliakie, wat de opname van voedingsstoffen ernstig belemmert. | | Verzuring | Een proces waarbij het lichaam een te hoge zuurgraad ontwikkelt, wat onder andere kan worden beïnvloed door de stofwisseling van eiwitten en de afvalstoffen die daarbij vrijkomen. |

# Inleiding tot vitaminen Vitaminen zijn essentiële micronutriënten die cruciaal zijn voor groei, herstel en het algemene welzijn van het lichaam. ## 1. Omschrijving van vitaminen Vitaminen zijn onmisbaar voor het lichaam en spelen een sleutelrol bij groei, herstel en een goede gezondheid. Ze leveren geen energie (geen kilocalorieën). Het menselijk lichaam kan, met uitzondering van een kleine hoeveelheid vitamine D, zelf geen vitaminen aanmaken. Vitaminen worden in zeer kleine hoeveelheden (microgrammen tot milligrammen) via de voeding opgenomen. ### 1.1 De geschiedenis van vitaminen De twintigste eeuw wordt beschouwd als de "eeuw van de vitaminen", mede dankzij de ontdekking door de Poolse biochemicus Casimir Funk. De naam "vitamine" is een samentrekking van het Latijnse woord "vita" (leven) en "amine" (een stikstofbevattende verbinding). Vroege ontdekkingen waren gekoppeld aan ziekten die door tekorten werden veroorzaakt, zoals beriberi (tekort aan vitamine B1) en scheurbuik (tekort aan vitamine C). Aanvankelijk werden vitaminen aangeduid met letters van het alfabet (A, B, C, D...), hoewel tegenwoordig namen als "foliumzuur" (vitamine B11) vaker worden gebruikt. ### 1.2 Bronnen van vitaminen Gezonde bronnen van vitaminen omvatten dagelijks vers fruit, groenten, noten, zaden en pitten. Deze voedingsmiddelen leveren niet alleen vitaminen, maar ook mineralen, spoorelementen, enzymen en macronutriënten. Factoren die de kwaliteit en de hoeveelheid vitaminen in voedingsmiddelen kunnen verminderen, zijn onder andere transport, bewaartijd, industriële bereidingen en verpakking. #### 1.2.1 Antioxidanten Veel groente- en fruitsoorten bevatten stoffen die cellen kunnen beschermen tegen schade veroorzaakt door oxidatie. Oxidatie is een natuurlijk proces waarbij vrije radicalen lichaamscellen kunnen beschadigen. Antioxidanten, zoals vitamine C, helpen deze vrije radicalen onschadelijk te maken. Vrije radicalen zijn moleculen met ongepaarde elektronen die gemakkelijk met andere stoffen reageren en schade kunnen veroorzaken. Ze ontstaan onder andere door roken, zonlicht, bepaalde ziekten en het normale stofwisselingsproces. > **Voorbeeld:** Een geschilde appel wordt bruin door oxidatie. Besprenkeling met citroensap, dat vitamine C bevat, kan dit proces vertragen. ##### 1.2.1.1 Voorbeelden van antioxidantrijke vruchten en groenten * **Kiwi:** Rijk aan kalium, magnesium, vitamine E en vezels, met een hoog gehalte aan vitamine C. * **Appel:** Bevat antioxidanten die het risico op darmkanker, hartaanvallen en beroertes kunnen helpen verlagen. * **Aardbei:** Bevat krachtige antioxidanten die het lichaam beschermen tegen kankerverwekkende, bloedvatverstoppende vrije radicalen. * **Sinaasappel:** Helpt bij het voorkomen van verkoudheid, het verlagen van cholesterol en het voorkomen en oplossen van nierstenen. * **Watermeloen:** Bestaat voor 92% uit water en bevat vitamine C en kalium. * **Papaja:** Uitstekende bron van vitamine C en caroteen, wat goed is voor de ogen. #### 1.2.2 Kleurvariatie in groente en fruit Het eten van een breed scala aan kleuren groenten en fruit ("eet alle kleuren van de regenboog") zorgt voor een gevarieerde inname van voedingsstoffen. * **Rood:** Rijk aan vitamine C. Frambozen bevatten ook vitamine E, K en foliumzuur. Kersen zijn gunstig voor de bloeddruk. Voorbeelden zijn aardbeien, tomaten, cranberries, watermeloenen. * **Oranje:** Bevat bètacaroteen, dat door het lichaam wordt omgezet in vitamine A. Vitamine A is belangrijk voor het immuunsysteem. Voorbeelden zijn wortels, sinaasappels, pompoenen. * **Geel:** Bevat vitamine C en vezels, goed voor de weerstand en darmwerking. Voorbeelden zijn banaan, ananas, citroen. * **Groen:** Rijk aan diverse vitamines en mineralen. Spinazie bevat veel vitamine K, belangrijk voor de bloedstolling. Voorbeelden zijn avocado, broccoli, kiwi, boerenkool. * **Paars:** Rijk aan verschillende voedingsstoffen zoals magnesium en kalium. Bosbessen bevatten anthocyanen, die als antioxidant werken. Voorbeelden zijn bosbessen, pruimen, aubergines. * **Wit:** Bevat onder andere vitamine B6 en vitamine K. Bloemkool bevat calcium, wat bijdraagt aan sterke botten. Voorbeelden zijn knoflook, ui, bloemkool. ## 2. Functies van vitaminen Vitaminen hebben diverse belangrijke functies in het lichaam: * **Immuunsysteem:** Bepaalde vitaminen, waaronder A, D, E en B6, ondersteunen het immuunsysteem. * **Hormoonfunctie:** Sommige vitaminen worden in het lichaam omgezet in stoffen met een hormoonachtige functie. * **Antioxidant:** Vitaminen zoals C en E helpen lichaamscellen te beschermen tegen schade door vrije radicalen. Dit kan een beschermende rol spelen tegen bepaalde vormen van kanker en hart- en vaatziekten. ## 3. Indeling van vitaminen Vitaminen worden ingedeeld in twee hoofdgroepen op basis van hun oplosbaarheid: vetoplosbare vitaminen en wateroplosbare vitaminen. ### 3.1 Vetoplosbare vitaminen Dit zijn vitamine A, D, E en K. * **Voorkomen:** Ze komen voor in dierlijke en plantaardige vetrijke producten. * **Stabiliteit:** Deze vitaminen zijn relatief stabiel; er gaan weinig verloren tijdens bewaren en bereiden. * **Opslag:** Vitamine A en E kunnen voor langere perioden worden opgeslagen (1-2 jaar). De voorraden van vitamine D en K zijn kleiner (2-4 maanden respectievelijk 1-2 maanden). * **Toxiciteit:** Een te hoge inname van vetoplosbare vitaminen kan leiden tot toxische verschijnselen omdat ze zich kunnen ophopen in het vetweefsel en de lever en niet gemakkelijk via de urine worden uitgescheiden. #### 3.1.1 Vitamine A * **Functies:** Belangrijk voor de weerstand (anti-infectie vitamine), groei, gezichtsvermogen, en de gezondheid van huid en tandvlees. Cruciaal voor zwangere vrouwen. * **Bronnen:** Lever, vis, boter. #### 3.1.2 Vitamine D * **Functies:** Essentieel voor sterke botten en tanden, bevordert de opname van calcium en fosfor, en ondersteunt de weerstand en spierfunctie. * **Bronnen:** Zonlicht (belangrijkste bron, ongeveer tweederde), eieren, zalm, forel, en verrijkte zuivelproducten (ongeveer eenderde). #### 3.1.3 Vitamine E * **Functies:** Betrokken bij de aanmaak van rode bloedcellen, het in stand houden van spier- en andere weefsels, en de weerstand. Vitamine E is een antioxidant die cellen beschermt tegen vrije radicalen. * **Bronnen:** Plantaardige oliën, granen, noten, zaden, groenten en fruit. Dierlijke producten bevatten relatief weinig vitamine E. #### 3.1.4 Vitamine K * **Functies:** Cruciaal voor de bloedstolling en de botstofwisseling. Pasgeboren baby's ontvangen extra vitamine K om hersenbloedingen te voorkomen. * **Bronnen:** Plantaardige oliën, en in kleinere hoeveelheden in fruit, zuivel en brood. ### 3.2 Wateroplosbare vitaminen Dit omvat de B-vitaminen (B1, B2, B3, B5, B6, B8, B11, B12) en vitamine C. * **Voorkomen:** Ze komen voor in veel voedingsmiddelen. * **Verlies:** Ze kunnen gemakkelijk verloren gaan door verkeerde bereiding van voedingsmiddelen. * **Opslag:** Wateroplosbare vitaminen kunnen in beperkte mate worden opgeslagen in bepaalde weefsels. Ze worden afgegeven aan het bloed en uitgescheiden via de nieren. * **Dagelijkse aanvoer:** Ze moeten dagelijks via de voeding worden aangevoerd om verliezen te compenseren. De voorraden van de meeste B-vitaminen en vitamine C zijn beperkt (1-2 maanden), met vitamine B12 als uitzondering (3-5 jaar). * **Toxiciteit:** Vanwege de uitscheiding via de urine is de kans op intoxicatie relatief gering, tenzij zeer hoge doseringen worden gebruikt. #### 3.2.1 B-vitaminen * **Bronnen:** Volkoren graanproducten, noten, zaden, pitten, peulvruchten, gist, lever. #### 3.2.2 Vitamine C * **Functies:** Bekend als de "weerstandsvitamine", belangrijk voor een goede weerstand, versnelt weefselgenezing, vermindert spierpijn, bevordert gezonde botten, tanden, huid en bloedvaten, ondersteunt een goed functionerend zenuwstelsel en draagt bij aan de energievoorziening. Het is ook een antioxidant. * **Bronnen:** Citrusvruchten (citroenen, sinaasappelen), paprika, spruitjes, bessen, aardappelen. ## 4. Aanbevolen dagelijkse hoeveelheid (ADH) De benodigde hoeveelheden vitaminen variëren tussen kinderen, mannen en vrouwen, en kunnen sterk verschillen per persoon door factoren zoals stofwisseling en erfelijke aanleg. Het is daarom belangrijk om voldoende en gevarieerd te eten. * **Vitamine C:** Ongeveer 70 tot 75 milligram per dag is voldoende, wat overeenkomt met de consumptie van één sinaasappel. * **Vitamine D:** Ongeveer 15 minuten per dag in de zon kan bij iemand met een lichte huid zorgen voor voldoende aanmaak. De benodigde hoeveelheden variëren van enkele microgrammen (mcg) tot tientallen milligrammen (mg) per dag, zoals 2 tot 3 microgram voor vitamine B12 en 70 tot 75 milligram voor vitamine C. ## 5. Wat bij te weinig vitaminen (deficiëntie)? Een eenzijdige voeding kan leiden tot chronische vitaminetekorten. * **Hypovitaminose:** Een tekort aan vitaminen waarbij nog geen duidelijke klinische symptomen aanwezig zijn. * **Avitaminose:** Een ernstig vitaminetekort met uitgesproken symptomen. Een vitaminetekort ontwikkelt zich geleidelijk. Vroege verschijnselen kunnen vermoeidheid, prikkelbaarheid en slapeloosheid zijn. Langdurige tekorten maken het lichaam vatbaar voor diverse aandoeningen. Tekorten kunnen ontstaan door: * Lage inname via de voeding (bv. onverstandige vermageringskuren). * Misbruik van alcohol. * Langdurig gebruik van antibiotica. * Slecht werkende darmen. * Gebruik van bepaalde medicijnen of voedingssupplementen. * Stress en negatieve emoties. ## 6. Wat bij te veel vitaminen (toxiciteit)? * **Vetoplosbare vitaminen (A, D, E, K):** Deze kunnen zich ophopen in het lichaam (vetweefsel en lever) en toxische effecten hebben. * **Wateroplosbare vitaminen (B-groep en C):** Het is moeilijk om hier te veel van binnen te krijgen, omdat overtollige hoeveelheden via de urine worden uitgescheiden. ## 7. Vitaminesupplementen De meeste mensen hebben geen vitaminesupplementen nodig bij een gezonde, gevarieerde voeding. Echter, bepaalde groepen kunnen baat hebben bij aanvulling: * Baby's tot 3 maanden: vitamine K. * Kinderen tot 4 jaar: vitamine D. * Vrouwen die zwanger willen worden en zwangere vrouwen: foliumzuur en vitamine D. * Ouderen (vrouwen boven 50, mannen boven 70): vitamine D. * Mensen met een donkere huid: vitamine D (minder efficiënte aanmaak door zonlicht). * Mensen die weinig buiten komen: vitamine D. * Veganisten: vitamine B12. * Mensen die bepaalde medicijnen gebruiken. Bij de aankoop van supplementen is het raadzaam om te letten op de dosering en kwaliteit in plaats van enkel de prijs. ## 8. Bereiden en bewaren Tijdens het bereiden van eten kunnen vitaminen (10 tot 50% of meer) verloren gaan, afhankelijk van het voedingsmiddel, de bereidingstemperatuur, de hoeveelheid kookvocht en de blootstelling aan zuurstof. * **Verlies van vitamine C:** Gaat verloren in gesneden, gepureerde of uitgeperste producten. * **Adviezen:** Kook groenten niet te lang, voeg ze toe zodra het kookpunt is bereikt, gebruik zo min mogelijk water, en kook groenten indien mogelijk in de schil, omdat vitaminen zich net onder de schil bevinden. Lang bewaren van voedsel leidt ook tot vitaminenverlies. * **Bewaartips:** * Bewaar producten bij voorkeur koel of in de vriezer. * Bewaar gesneden groenten niet te lang, vooral vitamine C en foliumzuur breken hierdoor af. * Stel eten en drinken zo min mogelijk bloot aan zonlicht. * Dek restjes volledig af om blootstelling aan licht te voorkomen. ## 9. Wisselwerking met andere voedingsstoffen Sommige vitaminen en mineralen beïnvloeden de opname van andere voedingsstoffen. * De opname van calcium is afhankelijk van vitamine D. * Vetoplosbare vitaminen worden beter opgenomen in combinatie met vetrijke producten. * Alcohol kan de opname van foliumzuur verstoren, terwijl vitamine C deze juist bevordert. * Overmatig koffiegebruik kan de opname van vitamine A, B, kalium, calcium, ijzer en zink belemmeren. > **Bewaringstips voor fruit en groenten:** > * Bewaar prei, frambozen, bloemkool, champignons, broccoli, jeneverbessen, aardbeien, radijs, sla, blauwe bessen en spinazie in de koelkast. > * Bewaar bananen, wortels, tomaten, komkommers, uien, paprika's en watermeloenen op een koele, droge en donkere plek (niet per se in de koelkast). > * (Voor)gesneden fruit en groenten moeten altijd in de koelkast worden bewaard. > * Appels versnellen het rijpingsproces van ander fruit en groenten, dus bewaar ze apart. ## 10. Vitaminen, mineralen en spoorelementen Vitaminen en mineralen vertonen veel overeenkomsten, maar verschillen in oorsprong. Vitaminen komen uit levende natuur en kunnen door sommige planten of dieren zelf worden gemaakt. Mineralen komen uit de dode natuur en worden door planten uit de aarde opgenomen, en door dieren uit voeding of water. Het verschil tussen mineralen en spoorelementen ligt in de benodigde hoeveelheid: van mineralen heeft het lichaam meer nodig dan van spoorelementen. * **Mineralen:** Calcium, magnesium, kalium, natrium, chloride, fosfor. * **Spoorelementen:** Jodium, ijzer, chroom, koper, zink, mangaan, seleen, molybdeen. --- # Bronnen, functies en indeling van vitaminen Vitaminen zijn onmisbare micronutriënten die essentieel zijn voor groei, herstel en het goed functioneren van het lichaam, maar leveren zelf geen energie. ### 2.1 De geschiedenis van vitaminen De twintigste eeuw wordt wel de eeuw van de vitaminen genoemd. De Poolse biochemicus Casimir Funk introduceerde het woord "vitamine", een samenstelling van het Latijnse *vita* (leven) en *amine* (een stikstofbevattende verbinding). Aanvankelijk werden vitaminen aangeduid met letters van het alfabet, zoals A, B, C en D. Tegenwoordig worden ze vaker bij hun stofnaam genoemd, zoals foliumzuur (vitamine B11). Tekorten aan specifieke vitaminen, zoals vitamine B1 (beri-beri) en vitamine C (scheurbuik), waren in het verleden verantwoordelijk voor ernstige ziekten. ### 2.2 Bronnen van vitaminen Vitaminen zijn te vinden in diverse voedingsmiddelen, en variatie in de inname is cruciaal. #### 2.2.1 Algemene bronnen en het belang van kleur Dagelijkse consumptie van vers fruit, groenten, noten, zaden en pitten voorziet het lichaam van vitaminen, mineralen, spoorelementen en andere nuttige stoffen. De kwaliteit van vitaminen kan afnemen door transport, bewaartijd, industriële bereidingen en verpakking. * **Antioxidanten:** Veel groenten en fruit bevatten antioxidanten, zoals vitamine C en E, die het lichaam beschermen tegen schade door vrije radicalen. Vrije radicalen zijn moleculen met ongepaarde elektronen die celbeschadiging kunnen veroorzaken en ontstaan door onder andere roken, zonnen en normale stofwisseling. > **Voorbeeld:** Citroensap, rijk aan vitamine C, kan helpen om de oxidatie van een gesneden appel te vertragen, waardoor deze minder snel bruin wordt. #### 2.2.2 De kleuren van de regenboog en hun vitaminen Het eten van een kleurrijk dieet garandeert een breed scala aan voedingsstoffen. * **Rood:** Rijk aan vitamine C, vitamine E, K en foliumzuur (bijv. frambozen, kersen). Kan gunstig zijn voor de bloeddruk. Voorbeelden zijn aardbeien, bietjes, tomaten, cranberries, kersen, frambozen, rode paprika's, watermeloenen en granaatappels. * **Oranje:** Bevat bètacaroteen, dat door het lichaam wordt omgezet naar vitamine A. Vitamine A is belangrijk voor het immuunsysteem en wordt ook wel de anti-infectievitamine genoemd. Goede bronnen zijn wortels, sinaasappels, zoete aardappels, perziken, nectarines, pompoenen, papaja's en mandarijnen. * **Geel:** Bevat vitamine C, wat bijdraagt aan een goede weerstand, en vezels die gunstig zijn voor de darmwerking. Voorbeelden zijn banaan, ananas, gele paprika, citroen en mango. * **Groen:** Rijk aan verschillende vitamines en mineralen, zoals vitamine K (belangrijk voor bloedstolling, bijv. spinazie). Voorbeelden zijn avocado, broccoli, spinazie, kiwi, boerenkool, groene appel, groene druif, limoen, rucola, asperges, spruitjes, kool, groene paprika, prei en sla. * **Paars:** Rijk aan diverse voedingsstoffen zoals magnesium en kalium (bijv. bosbessen, pruimen). Bevat ook anthocyanen. Gezonde opties zijn bosbessen, bramen, pruimen, aubergines, zwarte bessen en rode kool. * **Wit:** Hoewel niet direct een regenboogkleur, bevatten witte voedingsmiddelen ook belangrijke vitaminen. Knoflook bevat bijvoorbeeld vitamine B6, wat bijdraagt aan natuurlijke energie. Bloemkool bevat vitamine K en calcium, wat samen met vitamine D sterkte botten ondersteunt. Voorbeelden zijn knoflook, ui, bloemkool, koolraap en champignons. #### 2.2.3 Specifieke voedingsmiddelen als bron * **Kiwi:** Een vitaminebom, rijk aan kalium, magnesium, vitamine E en vezels, met tweemaal zoveel vitamine C als een sinaasappel. * **Appel:** Bevat antioxidanten die het risico op darmkanker, hartaanvallen en beroertes kunnen helpen verlagen. * **Aardbei:** Bevat krachtige antioxidanten die het lichaam beschermen tegen schadelijke vrije radicalen. * **Sinaasappel:** Wordt beschouwd als een geneesmiddel en kan helpen bij verkoudheid, het verlagen van cholesterol, nierstenen voorkomen/oplossen en het risico op darmkanker verminderen. * **Watermeloen:** Bestaat voor 92% uit water en levert vitamine C en kalium. * **Papaja:** Heeft een hoog vitamine C-gehalte en is rijk aan caroteen, wat goed is voor de ogen. ### 2.3 Functies van vitaminen Vitaminen vervullen diverse cruciale functies in het lichaam: * **Immuunsysteem:** Bepaalde vitaminen, waaronder A, D, E en B6, spelen een rol bij de instandhouding van het immuunsysteem. * **Hormoonfunctie:** Sommige vitaminen worden omgezet tot stoffen met een hormoonfunctie. * **Antioxidant:** Vitaminen zoals C en E kunnen schade veroorzaakt door vrije radicalen tegengaan, wat een beschermende functie kan hebben tegen bepaalde vormen van kanker en hart- en vaatziekten. ### 2.4 Indeling van vitaminen Vitaminen worden ingedeeld in twee hoofdgroepen op basis van hun oplosbaarheid: vetoplosbare en wateroplosbare vitaminen. #### 2.4.1 Vetoplosbare vitaminen Dit zijn vitamine A, D, E en K. * **Bronnen:** Dierlijke en plantaardige vetrijke producten. * **Stabiliteit:** Deze vitaminen zijn relatief stabiel; er gaat weinig verloren tijdens bewaren en bereiden. * **Opslag:** Het lichaam kan grote voorraden aanleggen (vitamine A en E: 1-2 jaar; vitamine D: 2-4 maanden; vitamine K: 1-2 maanden). * **Toxiciteit:** Een te hoge inname kan leiden tot toxische verschijnselen omdat ze niet via de urine kunnen worden uitgescheiden. * **Vitamine A:** Belangrijk voor de weerstand (anti-infectie), groei, gezichtsvermogen en de gezondheid van huid en tandvlees. Cruciaal voor zwangere vrouwen. Bronnen: lever, vis, boter. * **Vitamine D:** Essentieel voor sterke botten en tanden, bevordert de opname van calcium en fosfor, en ondersteunt de weerstand en spierfunctie. De belangrijkste bron is zonlicht (ongeveer twee derde), aangevuld met voedingsmiddelen zoals eieren, zalm, forel en verrijkte zuivelproducten (ongeveer een derde). * **Vitamine E:** Belangrijk voor de aanmaak van rode bloedcellen, het in stand houden van weefsels en de weerstand. Het is een antioxidant die cellen beschermt tegen vrije radicalen. Bronnen: plantaardige oliën, granen, noten, zaden, groenten en fruit. Dierlijke producten bevatten relatief weinig vitamine E. * **Vitamine K:** Noodzakelijk voor de bloedstolling en botstofwisseling. Pasgeboren baby's krijgen extra vitamine K om bloedingen te voorkomen. Bronnen: plantaardige oliën, fruit, zuivel en brood (in kleinere hoeveelheden). #### 2.4.2 Wateroplosbare vitaminen Dit zijn de B-vitaminen (B1, B2, B3, B5, B6, B8, B11, B12) en vitamine C. * **Bronnen:** Komen in veel voedingsmiddelen voor. * **Verlies:** Kunnen gemakkelijk verloren gaan door verkeerde behandeling van voedingsmiddelen. * **Opslag:** Kunnen in beperkte mate worden opgeslagen in bepaalde weefsels en worden afgegeven aan het bloed en via de nieren uitgescheiden. * **Aanvoer:** Moeten dagelijks via de voeding worden aangevoerd om verlies te compenseren. De voorraden zijn beperkt (1-2 maanden, met uitzondering van vitamine B12 dat 3-5 jaar kan worden opgeslagen). * **Toxiciteit:** Vanwege de uitscheiding via de urine is de kans op intoxicatie relatief gering, tenzij zeer hoge doseringen worden ingenomen. * **B-vitaminegroep:** Bronnen zijn onder andere volkoren graanproducten, noten, zaden, pitten, peulvruchten, gist en lever. * **Vitamine C:** De bekendste weerstandsvitamine. Belangrijk voor een goede weerstand, snellere wondgenezing, vermindert spierpijn, ondersteunt gezonde botten, tanden, huid en bloedvaten, bevordert een goed functionerend zenuwstelsel en draagt bij aan energievoorziening. Het is een antioxidant. Bronnen: citrusvruchten (citroenen, sinaasappels), paprika, spruitjes, bessen en aardappelen. ### 2.5 Aanbevolen dagelijkse hoeveelheid (ADH) en tekorten De behoefte aan vitaminen varieert per persoon, mede door stofwisseling en erfelijke aanleg. * **ADH:** De aanbevolen dagelijkse hoeveelheid is relatief klein, variërend van enkele microgrammen tot tientallen milligrammen per dag (bv. 70-75 mg vitamine C, 2-3 mcg vitamine B12). Ongeveer 15 minuten zonlicht per dag kan zorgen voor voldoende vitamine D-aanmaak bij iemand met een lichte huid. * **Tekorten (Hypo- en Avitaminose):** Een eenzijdige voeding kan leiden tot chronische vitaminetekorten. * **Hypovitaminose:** Een vitaminetekort waarbij nog geen duidelijke klinische symptomen aanwezig zijn. * **Avitaminose:** Een vitaminetekort met duidelijke symptomen. * **Oorzaken van tekorten:** Lage inname via voeding (bijv. onverstandige vermageringskuren), alcoholmisbruik, langdurig gebruik van antibiotica, slecht werkende darmen, bepaalde medicijnen/voedingssupplementen, stress en negatieve emoties. * **Symptomen van tekorten:** Vermoeidheid, afwezigheid, prikkelbaarheid en slapeloosheid kunnen vroegtijdige verschijnselen zijn. Langdurige tekorten maken vatbaar voor diverse aandoeningen. ### 2.6 Te veel aan vitaminen (Hypervitaminose) * **Vetoplosbare vitaminen (A, D, E, K):** Kunnen zich ophopen in vetweefsel en de lever en zich gedragen als toxische stoffen, wat leidt tot 'hypervitaminose'. * **Wateroplosbare vitaminen (B-groep, C):** Het lichaam neemt er moeilijk te veel van op, omdat overtollige hoeveelheden via de urine worden uitgescheiden. ### 2.7 Vitaminesupplementen De meeste mensen hebben geen vitaminesupplementen nodig mits ze gevarieerd en voldoende eten. Echter, bepaalde groepen kunnen baat hebben bij suppletie: * Baby's tot 3 maanden (vitamine K) * Kinderen tot 4 jaar (vitamine D) * Vrouwen die zwanger willen worden en zwangere vrouwen (foliumzuur, vitamine D) * Ouderen (vrouwen boven 50, mannen boven 70: vitamine D) * Mensen met een donkere huid (vitamine D) * Mensen die weinig buiten komen (vitamine D) * Veganisten (vitamine B12) * Mensen die bepaalde medicijnen gebruiken. Bij de aankoop van supplementen is het raadzaam te letten op dosering en kwaliteit in plaats van alleen op prijs. ### 2.8 Bereiden en bewaren van voedingsmiddelen Tijdens het bereiden en bewaren van voedsel kunnen vitaminen verloren gaan (10 tot 50% of meer), afhankelijk van het voedingsmiddel en de bereidingswijze. * **Bereiding:** * Vitamine C gaat verloren in gesneden, gepureerde of uitgeperste producten. * Het verlies bij vlees en aardappelen is kleiner dan bij bladgroenten zoals spinazie en broccoli. * Voorkom te lang koken, gebruik zo min mogelijk water en kook groenten in de schil (waar veel vitaminen zich net onder bevinden). * **Bewaren:** * Bewaar producten bij voorkeur koel of in de vriezer. * Gesneden groenten en fruit niet te lang bewaren, vooral vitamine C en foliumzuur breken hierdoor af. * Stel eten en drinken zo min mogelijk bloot aan (zon)licht. Dek restjes volledig af. > **Bewaringstips:** > * Bewaar prei, frambozen, bloemkool, champignons, broccoli, jeneverbessen, aardbeien, radijs, sla, blauwe bessen en spinazie in de koelkast. > * Bananen, wortels, tomaten, komkommer, uien, paprika en watermeloen bewaar je beter op een koele, droge en donkere plek (niet per se in de koelkast). > * (Voor)gesneden fruit en groenten altijd in de koelkast bewaren. > * Appels versnellen het rijpingsproces van ander fruit en groenten; bewaar ze daarom apart. ### 2.9 Wisselwerking met andere voedingsstoffen Sommige vitaminen en mineralen beïnvloeden de opname van andere voedingsstoffen. * De opname van calcium is afhankelijk van vitamine D. * Vetoplosbare vitaminen worden het best opgenomen in combinatie met wat vet. * Alcohol verstoort de opname van foliumzuur, terwijl vitamine C deze juist bevordert. * Overmatig koffiegebruik kan de opname van vitamine A, B, kalium, calcium, ijzer en zink belemmeren. ### 2.10 Vitaminen, mineralen en spoorelementen Vitaminen en mineralen hebben veel overeenkomsten maar ook belangrijke verschillen. * **Vitaminen:** Komen uit de levende natuur en kunnen door planten of dieren worden aangemaakt. * **Mineralen:** Komen uit de dode natuur en worden door planten uit de aarde opgenomen, en door dieren uit voeding of water. * **Verschil mineralen en spoorelementen:** De benodigde hoeveelheid door het lichaam. Van mineralen heeft het lichaam meer nodig dan van spoorelementen. * **Mineralen:** Calcium, magnesium, kalium, natrium, chloride en fosfor. * **Spoorelementen:** Jodium, ijzer, chroom, koper, zink, mangaan, seleen en molybdeen. --- # Aanbevolen dagelijkse hoeveelheid en tekorten Dit deel behandelt de aanbevolen dagelijkse hoeveelheden voor specifieke vitaminen, de gevolgen van tekorten (hypo- en avitaminose) met hun oorzaken en symptomen, en de gevolgen van een overmaat. ### 3.1 Aanbevolen dagelijkse hoeveelheden (ADH) De aanbevolen dagelijkse hoeveelheid (ADH) van vitaminen is afhankelijk van verschillende factoren, zoals leeftijd, geslacht en individuele stofwisseling. Het is essentieel om voldoende en gevarieerd te eten om de benodigde hoeveelheden binnen te krijgen. Vitaminen werken al in zeer kleine hoeveelheden, variërend van microgrammen (mcg) tot tientallen milligrammen (mg) per dag. #### 3.1.1 Voorbeelden van ADH * **Vitamine C:** Ongeveer 70 tot 75 milligram per dag. Dit komt overeen met de hoeveelheid in één sinaasappel. * **Vitamine D:** Ongeveer 15 minuten zonlicht per dag is bij iemand met een lichte huid voldoende voor de aanmaak. ### 3.2 Wat bij te weinig vitaminen? Een tekort aan vitaminen kan leiden tot deficiëntieziekten. Hierin worden twee gradaties onderscheiden: * **Hypovitaminose:** Dit duidt op een vitaminetekort waarbij nog geen duidelijke klinische symptomen aanwezig zijn. * **Avitaminose:** Dit is een ernstig vitaminetekort met uitgesproken, duidelijke symptomen. #### 3.2.1 Ontwikkeling van een tekort Een vitaminetekort ontstaat geleidelijk. In de eerste weken kunnen symptomen als vermoeidheid, afwezigheid, prikkelbaarheid en slapeloosheid optreden. Als het tekort langer aanhoudt, wordt men vatbaarder voor diverse aandoeningen. #### 3.2.2 Oorzaken van vitaminetekorten Meerdere factoren kunnen leiden tot een tekort aan vitaminen: * **Lage inname via voeding:** Onverstandige vermageringskuren of een eenzijdig voedingspatroon. * **Misbruik van alcohol:** Alcohol verstoort de opname en het metabolisme van diverse vitaminen. * **Langdurig gebruik van antibiotica:** Kan de darmflora beïnvloeden, wat de vitamineopname kan verminderen. * **Slecht werkende darmen:** Verminderde absorptie van voedingsstoffen. * **Bepaalde medicijnen of voedingssupplementen:** Kunnen de vitamineopname beïnvloeden of de behoefte verhogen. * **Stress en negatieve emoties:** Kunnen de behoefte aan bepaalde vitaminen verhogen of de opname negatief beïnvloeden. ### 3.3 Wat bij te veel vitaminen? Een teveel aan vitaminen wordt aangeduid als 'hypervitaminose'. De gevolgen hiervan verschillen per type vitamine: * **Vetoplosbare vitaminen (A, D, E, K):** Deze vitaminen kunnen zich ophopen in het vetweefsel en de lever. Een te hoge inname kan leiden tot toxische verschijnselen, omdat ze niet efficiënt via de urine kunnen worden uitgescheiden. De voorraden van vitamine A en E kunnen 1-2 jaar meegaan, terwijl die van vitamine D en K korter zijn (2-4 maanden en 1-2 maanden respectievelijk). * **Wateroplosbare vitaminen (B-groep, C):** Bij deze vitaminen is het relatief moeilijk om er te veel van op te nemen. De overbodige hoeveelheid wordt grotendeels via de nieren uitgescheiden. Hierdoor is de kans op intoxicatie gering, tenzij zeer hoge doseringen worden gebruikt. De voorraden van vitaminen B en C zijn beperkt (1-2 maanden), met uitzondering van vitamine B12 (3-5 jaar). #### 3.3.1 Vitaminesupplementen De meeste mensen hebben geen vitaminesupplementen nodig, mits zij een voldoende en gevarieerd dieet volgen. Echter, bepaalde groepen hebben mogelijk baat bij aanvulling: * **Baby's tot 3 maanden:** Vitamine K. * **Kinderen tot 4 jaar:** Vitamine D. * **Vrouwen die zwanger willen worden:** Foliumzuur. * **Zwangere vrouwen:** Foliumzuur en vitamine D. * **Ouderen (vrouwen > 50 jaar, mannen > 70 jaar):** Vitamine D. * **Mensen met een donkere huid:** Vitamine D, vanwege verminderde zonlichtopname. * **Mensen die weinig buiten komen:** Vitamine D. * **Veganisten:** Vitamine B12, aangezien dit voornamelijk in dierlijke producten voorkomt. * **Mensen die bepaalde medicijnen gebruiken:** Kunnen een verhoogde behoefte hebben. > **Tip:** Bij de aankoop van een supplement is het raadzaam om te kijken naar de dosering en kwaliteit, en niet primair naar de kostprijs. #### 3.3.2 Wisselwerking met andere voedingsstoffen Sommige vitaminen en mineralen kunnen de opname van andere vitaminen beïnvloeden: * De opname van calcium is afhankelijk van de hoeveelheid vitamine D. * Vetoplosbare vitaminen worden het best opgenomen in combinatie met vetrijke producten. * Alcohol verstoort de opname van foliumzuur, terwijl vitamine C de opname ervan bevordert. * Overmatig koffiegebruik kan de opname van vitamine A, B, kalium, calcium, ijzer en zink belemmeren. --- # Excessieve inname, supplementen en bereiding Dit gedeelte behandelt de potentiële gevaren van een te hoge inname van vitaminen, de omstandigheden waarin vitaminesupplementen aangewezen zijn, en hoe bereidings- en bewaarprocessen de vitamineconcentraties in voedingsmiddelen beïnvloeden. ### 4.1 Wat bij te veel vitaminen? Een overmatige inname van vitaminen, bekend als hypervitaminose, brengt specifieke risico's met zich mee. Dit geldt voornamelijk voor vetoplosbare vitaminen. #### 4.1.1 Hypervitaminose bij vetoplosbare vitaminen Vetoplosbare vitaminen (vitamine A, D, E en K) kunnen zich ophopen in het vetweefsel en de lever van het lichaam. Hierdoor kunnen ze toxische effecten vertonen. De overmatige hoeveelheden kunnen niet efficiënt via de urine worden uitgescheiden, wat leidt tot stapeling. #### 4.1.2 Inname bij wateroplosbare vitaminen Voor de meeste wateroplosbare vitaminen (B-groep en vitamine C) geldt dat het lichaam minder snel een toxische inname kan bereiken. Overtollige hoeveelheden worden over het algemeen via de urine uitgescheiden. Echter, zelfs bij deze vitaminen kan een extreem hoge dosering theoretisch tot problemen leiden, hoewel dit minder waarschijnlijk is dan bij vetoplosbare vitaminen. ### 4.2 Vitaminesupplementen De meeste mensen hebben geen behoefte aan vitaminesupplementen wanneer zij een gevarieerd en voldoende voedingspatroon volgen. Echter, voor specifieke groepen kunnen supplementen wel noodzakelijk zijn om tekorten te voorkomen. #### 4.2.1 Groepen die baat kunnen hebben bij supplementen * **Baby's tot 3 maanden:** Vitamine K, met name om bloedingen te voorkomen. * **Kinderen tot 4 jaar:** Vitamine D, essentieel voor de botontwikkeling. * **Vrouwen die zwanger willen worden en zwangere vrouwen:** Foliumzuur (vitamine B11) is cruciaal voor de ontwikkeling van het zenuwstelsel van de foetus. Vitamine D is eveneens belangrijk. * **Ouderen:** Vrouwen boven de 50 jaar en mannen boven de 70 jaar kunnen een verhoogde behoefte aan vitamine D hebben. * **Mensen met een donkere huidskleur:** Hun huid produceert minder vitamine D onder invloed van zonlicht. * **Mensen die weinig buiten komen:** Blootstelling aan zonlicht is een belangrijke bron van vitamine D, dus beperkte buitenactiviteit kan leiden tot een tekort. * **Veganisten:** Vitamine B12, dat voornamelijk in dierlijke producten voorkomt. * **Gebruikers van bepaalde medicijnen:** Sommige medicijnen kunnen de opname of het metabolisme van vitaminen beïnvloeden, waardoor een aanvulling nodig kan zijn. > **Tip:** Bij de aankoop van vitaminesupplementen is het verstandig te focussen op de kwaliteit en de dosering, in plaats van enkel te kijken naar de prijs. ### 4.3 Bereiden en bewaren van voedingsmiddelen De manier waarop voedingsmiddelen worden bereid en bewaard, heeft een significante invloed op het vitaminegehalte. Vitaminen kunnen tijdens deze processen verloren gaan. #### 4.3.1 Verliezen tijdens bereiding * **Algemene verliezen:** Bij de bereiding van voedsel kunnen vitaminen tot wel tien tot vijftig procent of meer verloren gaan. Dit percentage is afhankelijk van het type voedingsmiddel, de bereidingstemperatuur, de hoeveelheid vocht, en de blootstelling aan zuurstof. * **Specifieke verliezen:** * Vitamine C gaat verloren in gesneden, gepureerde of uitgeperste producten. * Verliezen zijn over het algemeen kleiner bij vlees en aardappelen dan bij bladgroenten zoals spinazie en broccoli. > **Tip:** Om vitamineverlies tijdens het koken te minimaliseren: > * Kook groenten niet te lang. Voeg ze pas toe als het kookpunt is bereikt. > * Gebruik zo min mogelijk water. > * Kook groenten indien mogelijk in de schil, aangezien veel vitaminen zich net onder de schil bevinden. #### 4.3.2 Verliezen tijdens bewaring * **Langdurige bewaring:** Door voedsel te lang te bewaren, kunnen vitaminen verder afbreken. * **Bewaaradviezen:** * Bewaar producten bij voorkeur op een koele plaats of in de vriezer. * Gesneden groenten moeten niet te lang bewaard worden, aangezien vooral vitamine C en foliumzuur hierdoor worden afgebroken. * Stel voedsel en dranken zo min mogelijk bloot aan zonlicht. Dek restjes maaltijden, salades en aardappelen volledig af om blootstelling aan licht te voorkomen. * **Specifieke bewaren:** * Appels versnellen het rijpingsproces van ander fruit en groenten en kunnen daarom beter apart bewaard worden. * Voorverpakte en gesneden fruit en groenten moeten altijd in de koelkast worden bewaard. * Bepaalde producten zoals bananen, wortelen, tomaten, komkommers, uien, paprika's en watermeloenen kunnen beter op een koele, droge en donkere plaats bewaard worden, in plaats van in de koelkast (tenzij ze reeds gesneden zijn). #### 4.3.3 Wisselwerking met andere voedingsstoffen * **Opname:** Sommige vitaminen en mineralen beïnvloeden de opname van andere voedingsstoffen. De opname van calcium is bijvoorbeeld afhankelijk van vitamine D. Vetoplosbare vitaminen worden beter opgenomen in combinatie met vetrijke producten. * **Remming:** * Alcohol kan de opname van foliumzuur verstoren. * Overmatig koffiegebruik kan de opname van vitamine A, B-vitaminen, kalium, calcium, ijzer en zink belemmeren. * **Bevordering:** Vitamine C kan de opname van foliumzuur juist bevorderen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Micronutriënten | Essentiële voedingsstoffen die het lichaam in kleine hoeveelheden nodig heeft voor diverse lichaamsfuncties, zoals groei, herstel en de werking van het immuunsysteem. | | Vita | Latijnse term voor 'leven'. | | Amine | Een stikstofbevattende organische verbinding die vaak wordt aangetroffen in biologische moleculen. | | Oxidatie | Een chemisch proces waarbij een stof elektronen verliest, wat kan leiden tot schade aan lichaamscellen, vergelijkbaar met het "roesten" van voedsel bij blootstelling aan zuurstof. | | Vrije radicalen | Moleculen met ongepaarde elektronen die zeer reactief zijn en lichaamscellen kunnen beschadigen door oxidatie; ze ontstaan onder andere door roken, zonnen en normale stofwisseling. | | Antioxidanten | Stoffen die het lichaam beschermen tegen schade veroorzaakt door vrije radicalen door deze te neutraliseren; vitaminen C en E zijn bekende voorbeelden. | | Bètacaroteen | Een provitamine die door het lichaam wordt omgezet in vitamine A en verantwoordelijk is voor de oranje kleur van veel groenten en fruit. | | Immuunsysteem | Het verdedigingssysteem van het lichaam dat beschermt tegen ziekteverwekkers zoals bacteriën en virussen; verschillende vitaminen spelen een cruciale rol bij de instandhouding ervan. | | Vetoplosbare vitaminen | Vitaminen die oplossen in vet en vetachtige stoffen, en die in het lichaam kunnen worden opgeslagen, voornamelijk in vetweefsel en de lever; voorbeelden zijn A, D, E en K. | | Wateroplosbare vitaminen | Vitaminen die oplossen in water en die het lichaam niet in grote hoeveelheden kan opslaan, omdat overtollige hoeveelheden via de urine worden uitgescheiden; voorbeelden zijn vitamine C en de B-vitaminen. | | ADH (Aanbevolen Dagelijkse Hoeveelheid) | De hoeveelheid van een voedingsstof die door een gezond individu dagelijks nodig is om in de voedingsbehoeften te voorzien en het risico op ziekte te verminderen. | | Hypovitaminose | Een toestand van een mild vitaminetekort waarbij nog geen duidelijke klinische symptomen zichtbaar zijn, maar de lichaamsfuncties al wel beïnvloed kunnen zijn. | | Avitaminose | Een ernstig tekort aan een of meer vitaminen dat leidt tot duidelijke klinische symptomen en ziektebeelden, zoals scheurbuik (vitamine C-tekort) of nachtblindheid (vitamine A-tekort). | | Hypervitaminose | Een toxische toestand die ontstaat door een overmatige inname van vetoplosbare vitaminen, die zich in het lichaam kunnen ophopen en schadelijk kunnen zijn. | | Foliumzuur | Een B-vitamine (B11) die essentieel is voor celgroei en DNA-synthese, met name belangrijk voor vrouwen die zwanger willen worden en tijdens de zwangerschap. | | Vitaminesupplementen | Producten die ontworpen zijn om de inname van vitaminen aan te vullen, vaak gebruikt wanneer de voedingsinname ontoereikend is of bij specifieke fysiologische behoeften. | | Wisselwerking | De interactie tussen verschillende voedingsstoffen, waarbij de opname of effectiviteit van de ene stof kan worden beïnvloed door de aanwezigheid of hoeveelheid van een andere stof. | | Mineralen | Anorganische voedingsstoffen die essentieel zijn voor tal van lichaamsfuncties, zoals de opbouw van botten en tanden, zenuwfunctie en vochtbalans; ze worden uit de aarde opgenomen door planten. | | Spoorelementen | Mineralen die het lichaam in zeer kleine hoeveelheden nodig heeft, maar die toch cruciaal zijn voor diverse biochemische processen; voorbeelden zijn ijzer, jodium en zink. |

# Biochemie in techniek Biochemie in techniek omvat de toepassing van fysische, biologische en chemische processen voor de productie van technische systemen, met een focus op grondstofverwerking, productbewaring en verpakking [1](#page=1). ### 1.1 Algemene principes De processen binnen biochemie worden gebruikt voor het verwerken van grondstoffen, de bewaring en/of het verpakken van producten. Ingrediënten worden samengebracht in een technisch systeem, waarbij elk ingrediënt een specifieke functie opneemt. Dit omvat de productie van diverse technische systemen zoals voeding, verzorgingsproducten, bestrijdingsmiddelen, verven en inkten, lijmen, en meer [1](#page=1). #### 1.1.1 Fysische, biologische en chemische processen Belangrijke processen binnen biochemie zijn onder andere: * **Fysische processen:** smelten, stollen, koelen en vriezen, verwarmen en verhitten, diffusie en osmose [1](#page=1). * **Biologische processen:** gisting (fermentatie) [1](#page=1). * **Chemische processen:** mengen en oplossen, emulgeren [1](#page=1). ### 1.2 Biochemie in de voedingsindustrie #### 1.2.1 Grondstoffen Voor de productie van voedingsmiddelen zijn diverse grondstoffen nodig, waarvan de productie zelf ook als een technisch systeem beschouwd kan worden. Voorbeelden van grondstoffen zijn [2](#page=2): * Akkerbouwproducten (graan, mout) [2](#page=2). * Producten uit bijenteelt (honing) [2](#page=2). * Producten uit de fruitteelt, plantages (koffie, thee, cacao), specerijen, tuinbouw en hout [2](#page=2). * Producten uit veeteelt (melk, eieren, vlees) en visserij [2](#page=2). * Zoutwinning [2](#page=2). * Additieven uit de chemische industrie [2](#page=2). > **Voorbeeld:** De productie van alcoholische dranken en oliën uit graanproducten en moutproducten [2](#page=2). > **Doe-opdracht:** Analyseer de ingrediënten van een kant-en-klaar gerecht om de functie van elk ingrediënt te achterhalen [2](#page=2). #### 1.2.2 Verwerking Grondstoffen kunnen direct als voedingsmiddel dienen (bv. fruit, groenten, melk) of moeten eerst verwerkt worden. Verwerkingstechnieken omvatten [3](#page=3): * **Technische verwerkingstechnieken:** slachten, fileren, spoelen, reinigen, snijden, sorteren, malen, persen, stampen, spuiten, kappen, vorm gieten, filtreren, decanteren [3](#page=3). * **Biologische verwerkingstechniek:** gisting (o.a. melkzuurgisting, alcoholische gisting) [3](#page=3). * **Physico-chemische verwerkingstechnieken:** indikken, caramelliseren, siropen maken, smelten, bakken, braden, stoven, stomen, koken, roken, roosteren, poffen, pasteuriseren, UHT, HTST, koelen, diepvriezen, drogen, vriesdrogen, verdampen, destilleren, pekelen, verzuren, versuikeren, aromatiseren, marineren, mengen, oplossen, emulgeren [3](#page=3). > **Vraag:** Welke rol speelt ei bij de bereiding van mayonaise [3](#page=3)? #### 1.2.3 Bewaring Bewaringstechnieken zijn gericht op het tegengaan van de negatieve werking van micro-organismen om voedingsmiddelen langer houdbaar te maken. Deze technieken kunnen ingedeeld worden op basis van hun actie op micro-organismen [4](#page=4): * **Stimuleren:** fermenteren (gisting) [4](#page=4). * **Remmen:** koelen en vriezen, drogen (onttrekken van water), afsluiten van zuurstof (afdekken, vacuüm verpakken), roken, alcoholiseren, verzuren, pekelen, versuikeren, toevoegen van conserveringsmiddelen, UHD (ultra hoge druk) [4](#page=4). * **Doden:** pasteuriseren (verhitting tot 70-90°C), steriliseren (verhitting boven 100°C met hermetische afsluiting), UHT (ultra high temperature, 140°C gedurende enkele seconden met aseptische verpakking) [4](#page=4). * **Verwijderen:** filteren, centrifugeren [4](#page=4). > **Tip:** Bekijk producten in je diepvriezer, koelkast en voorraadkast om toegepaste bewaartechnieken te identificeren [4](#page=4). #### 1.2.4 Verpakking Voedingsmiddelenverpakkingen hebben diverse functies en moeten voldoen aan controles door instanties zoals het Federaal Voedselagentschap (FAVV) [5](#page=5). **Types van verpakkingen:** * Bokaal, fles, doos (glas, plastic, karton, blik, brik) [5](#page=5). * Krat [5](#page=5). * Biodegradeerbare verpakking [5](#page=5). * Vacuümverpakking [5](#page=5). * Hygiënische verpakking [5](#page=5). * Doseerverpakking [5](#page=5). * 'Adem'verpakking [5](#page=5). **Functies van verpakkingen:** * **Hygiënische bescherming en bewaring:** i.f.v. houdbaarheid en behoud van voedingseigenschappen [5](#page=5). * **Fysische bescherming:** tegen schokken en temperatuurverschillen [5](#page=5). * **Biologische bescherming:** tegen micro-organismen [5](#page=5). * **Chemische bescherming:** tegen licht, zuurstof, water [5](#page=5). * **Gebruiksgemak:** individuele of familieverpakking, portiegrootte, comfort (openen/hersluiten, schenktuiten, drinktuiten, rietjes) [5](#page=5). * **Transport:** [5](#page=5). * **Communicatie:** voedseletikettering met verplichte en niet-verplichte informatie [5](#page=5). * **Verplichte informatie:** benaming, kwantificering, ingrediëntenlijst (incl. additieven en allergenen), houdbaarheidsdatum, bewaar- en gebruiksvoorwaarden, naam en adres van fabrikant/invoerder/verpakker/verkoper, land van oorsprong/plaats van herkomst, lotnummer [5](#page=5). * **Niet-verplichte informatie:** voedingswaarde (kcal/kJ, eiwitten, suikers, vetten, vitaminen, mineralen), barcode, kwaliteitslabels, symbolen afvalverwerking, reclameboodschap [5](#page=5). ### 1.3 Biochemie in de verzorgingsindustrie Verzorgingsproducten bestaan meestal uit een mengsel van ingrediënten, die ingedeeld kunnen worden in: * **Basisingrediënten:** Ingrediënten die de functie van het verzorgingsproduct bepalen [6](#page=6). * **Voorbeelden:** zeep (schuimen), krijt (schuren), Kukident (plakken) [6](#page=6). * **Ondersteunende ingrediënten:** Ingrediënten die zorgen voor een goede menging, uitdroging voorkomen en de houdbaarheid verlengen [6](#page=6). * **Voorbeelden:** water (vloeibaar maken), glycerol (voorkomen van uitdroging) [6](#page=6). * **Ingrediënten voor comfort:** Ingrediënten die smaak, geur, kleur en uitzicht beïnvloeden [6](#page=6). * **Voorbeelden:** pepermunt, sacharine [6](#page=6). Net als bij voeding kunnen in de verzorgingsindustrie de productie van grondstoffen, verwerking, bewaring en verpakking onderscheiden worden [6](#page=6). > **Vraag:** Analyseer de samenstelling van een verzorgingsproduct en bepaal de basisingrediënten, ondersteunende ingrediënten en ingrediënten voor comfort [6](#page=6). --- # Voeding: grondstoffen en verwerking Dit onderdeel van het studiemateriaal behandelt de diverse grondstoffen die ten grondslag liggen aan de productie van voedingsmiddelen, variërend van landbouw tot dierlijke en maritieme oorsprong, en de essentiële verwerkingstechnieken die nodig zijn om deze om te zetten in eetbare producten [2](#page=2) [3](#page=3). ### 2.1 Grondstoffen voor voeding De productie van voedingsmiddelen is afhankelijk van een breed scala aan grondstoffen die afkomstig zijn uit verschillende sectoren van de economie. Deze sectoren kunnen beschouwd worden als technische systemen op zich [2](#page=2). #### 2.1.1 Oorsprong van grondstoffen Grondstoffen voor voeding kunnen worden gecategoriseerd op basis van hun herkomst: * **Akkerbouw:** Levert graan- en moutproducten, die gebruikt worden voor onder andere alcoholische dranken en oliën [2](#page=2). * **Bijenteelt:** Produceert honing [2](#page=2). * **'Boomtap':** Levert siropen [2](#page=2). * **Chemische industrie:** Draagt bij aan de productie van additieven [2](#page=2). * **Fruitteelt:** Levert fruit, zowel uit boomgaarden als via veilingen [2](#page=2). * **Hout:** Kan gebruikt worden voor de productie van azijn [2](#page=2). * **Kwekerijen:** Specialiseren zich in producten zoals champignons [2](#page=2). * **Plantages:** Leveren koffie, thee, cacao, fruit (inclusief noten) en afgeleide oliën [2](#page=2). * **Specerijen:** Leveren smaakmakers [2](#page=2). * **Tuinbouw:** Levert groenten, zowel van het veld als uit serres, en via veilingen [2](#page=2). * **Veeteelt:** Produceert melk, eieren, vlees en vetten [2](#page=2). * **Visserij:** Levert vis, schaaldieren, weekdieren en zeezoogdieren, waarvan het vlees en oliën worden geëxtraheerd [2](#page=2). * **Wijnbouw:** Produceert alcoholische dranken en azijn [2](#page=2). * **Zoutwinning:** Levert zout [2](#page=2). > **Tip:** De DOE-OPDRACHT "Wat schaft de pot?" moedigt aan tot het analyseren van de ingrediënten in een kant-en-klaar gerecht, wat helpt bij het begrijpen van de oorsprong en functie van diverse voedselcomponenten [2](#page=2). ### 2.2 Verwerkingstechnieken Niet alle grondstoffen zijn direct eetbaar en vereisen een vorm van verwerking om ze geschikt te maken voor consumptie. Sommige grondstoffen, zoals fruit, groenten en melk, kunnen wel direct als voedingsmiddel dienen. Er is een breed scala aan verwerkingstechnieken beschikbaar, die onderverdeeld kunnen worden in technische, biologische en fysico-chemische methoden [3](#page=3). #### 2.2.1 Technische verwerkingstechnieken Deze technieken omvatten mechanische en fysieke bewerkingen die de vorm, structuur of deeltjesgrootte van de grondstof veranderen. Voorbeelden hiervan zijn [3](#page=3): * Slachten * Fileren * Spoelen en reinigen * Snijden * Sorteren * Malen * Persen * Stampen * Spuiten * Kappen * Vorm gieten * Filtreren * Decanteren [3](#page=3). #### 2.2.2 Biologische verwerkingstechnieken Biologische verwerking maakt gebruik van micro-organismen of enzymen om veranderingen in de grondstof te bewerkstelligen [3](#page=3). * **Gisting:** Dit is een belangrijke biologische verwerkingstechniek, die onder andere melkzuurgisting en alcoholische gisting omvat [3](#page=3). #### 2.2.3 Fysico-chemische verwerkingstechnieken Deze technieken combineren fysieke en chemische processen om de eigenschappen van de grondstoffen aan te passen, variërend van conservering tot het creëren van nieuwe texturen en smaken [3](#page=3). * **Bewerkingen gericht op textuur en smaak:** * Indikken * Caramelliseren * Siropen maken [3](#page=3). * **Hittebehandelingen:** * Smelten * Bakken * Braden * Stoven * Stomen * Koken * Roken * Roosteren * Poffen [3](#page=3). * **Conservering en stabilisatie:** * Pasteuriseren * UHT (Ultra-High Temperature) * HTST (High-Temperature Short-Time) * Koelen * Diepvriezen * Drogen * Vriesdrogen * Verdampen * Destilleren [3](#page=3). * **Smaak en conservering middels chemische toevoegingen of processen:** * Pekelen * Roken (ook conserverend) * Verzuren * Versuikeren * Aromatiseren * Marineren [3](#page=3). * **Meng- en oplosprocessen:** * Mengen * Oplossen * Emulgeren [3](#page=3). > **Voorbeeld:** Vraag 1 onder dit onderdeel vraagt naar de rol van ei bij de bereiding van mayonaise, wat een specifieke toepassing van een fysico-chemische techniek (emulgeren) illustreert [3](#page=3). --- # Bewaring en verpakking van voedingsmiddelen Dit onderwerp behandelt de methoden die gebruikt worden om voedingsmiddelen langer houdbaar te maken door de groei van micro-organismen te beperken of te elimineren, en beschrijft de verschillende functies en soorten voedselverpakkingen, inclusief wettelijk verplichte etiketteringsinformatie. ### 3.1 Bewaring van voedingsmiddelen Bewaringstechnieken voor voedingsmiddelen zijn primair gericht op het tegengaan van de negatieve invloed van micro-organismen. Deze technieken kunnen worden onderverdeeld op basis van hun effect op micro-organismen: stimuleren, remmen of doden [4](#page=4). #### 3.1.1 Technieken om micro-organismen te stimuleren Een techniek die micro-organismen stimuleert, is fermenteren, ook wel gisting genoemd [4](#page=4). #### 3.1.2 Technieken om micro-organismen te remmen Verschillende methoden remmen de groei van micro-organismen: * **Koelen en vriezen:** Verlagen van de temperatuur om de microbiële activiteit te vertragen [4](#page=4). * **Drogen:** Het onttrekken van water, wat essentieel is voor de groei van micro-organismen [4](#page=4). * **Afsluiten van zuurstof:** Door afdekken of vacuüm verpakken wordt de zuurstoftoevoer beperkt [4](#page=4). * **Roken:** Draagt bij aan de bewaring door dehydratie en de inwerking van rookcomponenten [4](#page=4). * **Alcoholiseren:** Het toevoegen van alcohol remt microbiële groei [4](#page=4). * **Verzuring:** Het verlagen van de pH door toevoeging van zuren [4](#page=4). * **Pekelen:** Zoutoplossingen onttrekken water en remmen micro-organismen [4](#page=4). * **Versuikeren:** Hoge concentraties suiker onttrekken water osmotisch [4](#page=4). * **Toevoegen van conserveringsmiddelen:** Chemische stoffen die de groei van micro-organismen remmen [4](#page=4). * **Ultra hoge druk (UHD):** Hoge druk kan de groei van micro-organismen remmen [4](#page=4). #### 3.1.3 Technieken om micro-organismen te doden Micro-organismen kunnen ook gedood worden door middel van verhitting of filtratie: * **Pasteuriseren:** Kortstondige verhitting tot 70 à 90°C, vaak met hete stoom of heet water [4](#page=4). * **Steriliseren:** Verhitting boven 100°C, gevolgd door een hermetische afsluiting [4](#page=4). * **UHT (ultra high temperature):** Kortdurende blootstelling van het voedingsmiddel aan stoom van 140°C (enkele seconden), waarna aseptische verpakking volgt [4](#page=4). #### 3.1.4 Technieken om micro-organismen te verwijderen * **Filteren:** Het scheiden van micro-organismen door middel van filters [4](#page=4). * **Centrifugeren:** Scheiding van vloeistof en vaste deeltjes, waaronder mogelijk micro-organismen [4](#page=4). > **Tip:** Bekijk producten in je eigen diepvriezer, koelkast en voorraadkast en identificeer de toegepaste bewaartechnieken. De verpakking kan hierbij extra informatie verschaffen [4](#page=4). ### 3.2 Verpakking van voedingsmiddelen De controle op de bewaring- en verpakkingstechnieken van voedingsmiddelen wordt uitgevoerd door het Federaal Voedselagentschap (FAVV) [5](#page=5). #### 3.2.1 Types van verpakkingen Er bestaan diverse soorten verpakkingen, variërend in materiaal en functie: * Bokaal, fles, doos (gemaakt van glas, plastic, karton, blik, brik) [5](#page=5). * Krat [5](#page=5). * Biodegradeerbare verpakking [5](#page=5). * Vacuümverpakking [5](#page=5). * Hygiënische verpakking [5](#page=5). * Doseerverpakking [5](#page=5). * 'Adem'verpakking [5](#page=5). #### 3.2.2 Functies van voedselverpakkingen Voedselverpakkingen vervullen meerdere essentiële functies: * **Hygiënische bescherming en bewaring:** Zorgt voor houdbaarheid en behoud van voedingswaarde [5](#page=5). * **Fysische bescherming:** Biedt bescherming tegen schokken en temperatuurverschillen [5](#page=5). * **Biologische bescherming:** Voorkomt besmetting door micro-organismen [5](#page=5). * **Chemische bescherming:** Beschermt tegen invloeden zoals licht, zuurstof en water [5](#page=5). * **Gebruiksgemak:** Verpakkingen kunnen gericht zijn op individuele of familieconsumptie, met handige sluitingen, schenktuiten, drinktuiten of rietjes. Ze faciliteren ook transport [5](#page=5). * **Communicatie:** Voedseletikettering is een cruciale functie [5](#page=5). #### 3.2.3 Voedseletikettering: verplichte en niet-verplichte informatie Etiketten op voedselverpakkingen bevatten zowel verplichte als niet-verplichte informatie. ##### 3.2.3.1 Verplichte informatie De volgende informatie is wettelijk verplicht op een voedseletiket: * **Benaming:** De officiële naam van het product [5](#page=5). * **Kwantificering en nettohoeveelheid:** Het gewicht of volume van het product [5](#page=5). * **Ingrediëntenlijst:** Een opsomming van alle ingrediënten, inclusief additieven en allergenen [5](#page=5). * **Houdbaarheidsdatum:** De datum tot wanneer het product optimaal houdbaar is [5](#page=5). * **Bewaarvoorschriften en/of gebruiksvoorwaarden:** Instructies voor correcte opslag en bereiding [5](#page=5). * **Naam en adres:** Van de fabrikant, invoerder, verpakker en verkoper [5](#page=5). * **Land van oorsprong / plaats van herkomst:** Waar het product vandaan komt [5](#page=5). * **Bijkomende verplichtingen en algemene regels:** Zoals het lotnummer voor traceerbaarheid [5](#page=5). ##### 3.2.3.2 Niet-verplichte informatie Aanvullende informatie die op etiketten kan staan, is optioneel: * **Voedingswaarde:** Uitingen in kilocalorieën (kcal) of kilojoules (kJ), en de hoeveelheden eiwitten, suikers, vetten, vitamines en mineralen ten opzichte van de aanbevolen dagelijkse hoeveelheid [5](#page=5). * **Barcode:** Voor geautomatiseerde verwerking [5](#page=5). * **Kwaliteitslabels:** Zoals 'biogarantie' [5](#page=5). * **Symbolen voor afvalverwerking:** Instructies voor de consument over hoe het verpakkingsmateriaal te recyclen of af te voeren [5](#page=5). * **Reclameboodschap:** Marketinggerelateerde informatie [5](#page=5). --- # Verzorgingsproducten: samenstelling en productie Dit onderwerp behandelt de samenstelling van verzorgingsproducten en de parallellen in productieprocessen met voeding [6](#page=6). ### 6.1 Ingrediënten van verzorgingsproducten Verzorgingsproducten bestaan doorgaans uit een mengsel van diverse ingrediënten, die ingedeeld kunnen worden in drie hoofdcategorieën [6](#page=6): * **Basisingrediënten**: Deze ingrediënten bepalen de primaire functie van het verzorgingsproduct. * Voorbeelden zijn zeep voor schuimen, krijt voor schurende eigenschappen, of Kukident voor het kleven van protheses [6](#page=6). * **Ondersteunende ingrediënten**: Deze ingrediënten zorgen voor een goede menging, voorkomen uitdroging van het product, en verlengen de houdbaarheid. * Voorbeelden omvatten water om een product vloeibaar te maken, en glycerol om uitdroging te voorkomen [6](#page=6). * **Ingrediënten voor comfort**: Deze ingrediënten beïnvloeden de smaak, geur en kleur van het product, en dragen bij aan het uiterlijk. * Voorbeelden zijn pepermunt voor smaak en geur, en sacharine voor zoetheid [6](#page=6). ### 6.2 Productieaspecten van verzorgingsproducten Net als bij voeding, omvat de productie van verzorgingsproducten verschillende belangrijke fasen [6](#page=6): * Productie van grondstoffen * Verwerking van ingrediënten * Bewaring van producten * Verpakking van producten > **Tip:** Probeer de samenstelling van een zelfgekozen verzorgingsproduct te analyseren en identificeer de basisingrediënten, ondersteunende ingrediënten en ingrediënten voor comfort [6](#page=6). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Biochemie binnen techniek | Deelgebieden waarbij fysische, biologische en/of chemische processen nodig zijn voor de productie van technische systemen, met toepassingen in onder andere voeding en verzorging. | | Technische verwerkingstechnieken | Methoden die gebruikt worden om grondstoffen te bewerken en om te zetten in voedingsmiddelen of andere technische producten, zoals slachten, fileren, snijden en malen. | | Biologische verwerkingstechniek | Een verwerkingstechniek die gebruik maakt van levende micro-organismen, zoals gisting, om grondstoffen om te zetten, bijvoorbeeld bij de productie van melkzuur of alcohol. | | Fysico-chemische verwerkingstechnieken | Technieken die fysische en chemische principes combineren voor de bewerking van grondstoffen, zoals indikken, caramelliseren, bakken, braden en pasteuriseren. | | Bewaring | Technieken toegepast om voedingsmiddelen langer houdbaar te maken, voornamelijk door negatieve werkingen van micro-organismen tegen te gaan door middel van koelen, drogen of verhitten. | | Pasteuriseren | Een kortstondige verhitting van een voedingsmiddel, meestal tot tussen de 70 en 90°C, om schadelijke micro-organismen te doden en de houdbaarheid te verlengen. | | Steriliseren | Verhitting van een voedingsmiddel boven de 100°C, gevolgd door een hermetische afsluiting, met als doel alle micro-organismen te doden en het product langdurig houdbaar te maken. | | UHT (ultra high temperature) | Een verhittingstechniek waarbij een voedingsmiddel gedurende enkele seconden wordt blootgesteld aan stoom van 140°C, gevolgd door aseptische verpakking om de houdbaarheid te maximaliseren. | | Vacuümverpakking | Een type verpakking waarbij de lucht uit de verpakking wordt verwijderd om de houdbaarheid te verlengen door het ontnemen van zuurstof, wat de groei van aerobe micro-organismen remt. | | Hygiënische verpakking | Een verpakking die ontworpen is om de voedingsmiddelen te beschermen tegen besmetting door micro-organismen en andere verontreinigingen, wat essentieel is voor de veiligheid en houdbaarheid. | | Basisingrediënten | De primaire componenten van een verzorgingsproduct die de belangrijkste functie van het product bepalen, zoals schuimende middelen in zeep of schurende deeltjes in tandpasta. | | Ondersteunende ingrediënten | Ingrediënten die helpen bij het mengen, de stabiliteit en de houdbaarheid van een verzorgingsproduct, bijvoorbeeld water om het product vloeibaar te maken of glycerol om uitdroging te voorkomen. | | Ingrediënten voor comfort | Componenten die de zintuiglijke ervaring van een verzorgingsproduct verbeteren, zoals toevoegingen voor smaak, geur, kleur of een aangename textuur. |

# Classificatie en bouwstenen van lipiden Dit onderwerp introduceert de brede classificatie van lipiden en identificeert hun fundamentele bouwstenen. ### 1.1 Classificatie van lipiden Lipiden kunnen worden ingedeeld in drie hoofdcategorieën op basis van hun structuur en samenstelling [1](#page=1): * **Eenvoudige lipiden:** Deze categorie omvat vetten en wassen [1](#page=1). * **Samengestelde lipiden:** Hieronder vallen fosfo- en glycolipiden [1](#page=1). * **Lipide derivaten:** Dit zijn afgeleide moleculen zoals vetzuren, steroïden en vitaminen [1](#page=1). ### 1.2 Bouwstenen van lipiden De diverse structuren van lipiden zijn opgebouwd uit specifieke bouwstenen: #### 1.2.1 Vetzuren Vetzuren zijn een fundamentele bouwsteen en worden gevormd door de reactie tussen een carbonzuur en een alcohol, resulterend in een ester en water [1](#page=1). #### 1.2.2 Sterolen Sterolen zijn een belangrijke klasse van lipiden die een kenmerkende ringstructuur hebben. Ze worden ook beschouwd als derivaten [1](#page=1). #### 1.2.3 Isopreen-eenheden en terpenen Isopreen (C5H8) is de basisbouwsteen voor terpenen [1](#page=1). * **Monoterpenen:** Bestaan uit twee isopreen-eenheden. Voorbeelden zijn limoneen, methanol en carvone [1](#page=1). * **Tetraterpenen:** Bestaan uit acht isopreen-eenheden. Bèta-caroteen is hiervan een voorbeeld [1](#page=1). ### 1.3 Specifieke lipideklassen en hun functies #### 1.3.1 Membraanlipiden Fosfolipiden spelen een cruciale rol in membraanbouw. Hun amfipathische aard, met een hydrofiele kop en een hydrofobe staart, zorgt ervoor dat ze in water een dubbellaag vormen. Dit leidt tot de vorming van micellen en bilagen [1](#page=1). * **Fosfatidylcholine en -ethanolamine:** Belangrijke componenten van membraanlipiden [1](#page=1). * **Cardiolipine:** Essentieel voor de mitochondriale membraan [1](#page=1). * **Sfingo-lipiden:** Belangrijk in zenuwcellen [1](#page=1). #### 1.3.2 Steroïden Hoewel niet direct uitgewerkt als aparte klasse op pagina 1, worden steroïden genoemd als lipide derivaten [1](#page=1). #### 1.3.3 Vitamine K Vitamine K is een lipide derivaten die essentieel is voor de bloedstolling. Het faciliteert de carboxylering van eiwitten. De structuur bestaat uit een naftochinonring met een zijketen. Vitamine K1 komt uit planten, terwijl K2 door de darmflora wordt geproduceerd [1](#page=1). #### 1.3.4 Carotenoïden en Vitamine A Carotenoïden, zoals bèta-caroteen, zijn tetraterpenen (opgebouwd uit 8 isopreen-eenheden). Bèta-caroteen kan worden omgezet in retinale en retinoïnezuur, welke belangrijk zijn voor het gezichtsvermogen en celgroei [1](#page=1). ### 1.4 Lipiden en energieopslag Lipiden, met name vetten, hebben de hoogste energiewaarde per gram, namelijk 38 kilojoules per gram. Ze dienen voor opslag van energie, isolatie, bescherming en membraanbouw [1](#page=1). > **Tip:** Begrip van de amfipathische aard van fosfolipiden is cruciaal voor het begrijpen van membraanstructuur en -functie. > **Tip:** Onthoud dat isopreen de C5-bouwsteen is voor de grotere terpenoïde structuren. --- # Lipiden in membranen en celstructuren Lipiden in membranen en celstructuren spelen een cruciale rol in de vorming van celmembranen en vervullen specifieke functies binnen verschillende organellen en celtypen [1](#page=1). ## 2. Lipiden in membranen en celstructuren Lipiden zijn een diverse groep moleculen die essentieel zijn voor de celstructuur en -functie. Ze kunnen worden geclassificeerd in eenvoudige lipiden zoals vetten en wassen, samengestelde lipiden zoals fosfo- en glycolipiden, en afgeleiden zoals vetzuren, steroïden en vitaminen [1](#page=1). ### 2.1 Amfipathische moleculen en de membraanstructuur Veel lipiden, met name fosfolipiden, zijn amfipathisch. Dit betekent dat ze een hydrofiele (waterminnende) kop en een hydrofobe (waterafstotende) staart bezitten. Deze eigenschap leidt ertoe dat fosfolipiden in een waterige omgeving spontaan een dubbellaag vormen, waarbij de hydrofiele koppen naar het water zijn gericht en de hydrofobe staarten naar elkaar toe wijzen. Dit vormt de basisstructuur van het celmembraan. Micellen en bilagen zijn andere structuren die door deze amfipathische eigenschappen kunnen ontstaan. Het 'fluid mosaic model' beschrijft hoe eiwitten in deze lipidedubbellaag zijn ingebed [1](#page=1). ### 2.2 Specifieke lipiden en hun rol in celstructuren #### 2.2.1 Fosfolipiden en kaartolipiden * **Fosfolipiden:** Vormen een belangrijk onderdeel van celmembranen. Fosfatidylcholine en fosfatidylethanolamine zijn voorbeelden van membraanlipiden [1](#page=1). * **Kardiolipiden:** Deze specifieke lipiden zijn voornamelijk te vinden in de mitochondriale membraan [1](#page=1). #### 2.2.2 Sfingolipiden in zenuwcellen Sfingolipiden spelen een belangrijke rol in zenuwcellen [1](#page=1). ### 2.3 Andere lipideklassen en hun functies #### 2.3.1 Terpenen en isopreen Isopreen ($C_5H_8$) is de bouwsteen voor terpenen. Monoterpenen bestaan uit twee isopreen-eenheden en omvatten verbindingen zoals limoneen, menthol en carvone [1](#page=1). #### 2.3.2 Vitamine K Vitamine K bestaat in twee vormen: K1 afkomstig van planten en K2 geproduceerd door darmbacteriën. Het is essentieel voor de bloedstolling, omdat het de carboxylering van specifieke eiwitten mogelijk maakt. De structuur van vitamine K is gebaseerd op een naftochinonring met een zijketen [1](#page=1). #### 2.3.3 Carotenoïden en vitamine A Carotenoïden zijn tetraterpenen, opgebouwd uit acht isopreen-eenheden. Bèta-caroteen kan in het lichaam worden omgezet in retinol en vervolgens tot retinoïnezuur, wat belangrijk is voor het gezichtsvermogen en celgroei [1](#page=1). ### 2.4 Lipiden en energieopslag Vetten hebben de hoogste energiewaarde per gram, namelijk 38 kilojoule per gram. Ze dienen niet alleen voor energieopslag, maar ook voor isolatie, bescherming en membraanbouw. Fosfolipiden dragen hieraan bij met hun hydrofiele kop en hydrofobe staart [1](#page=1). ### 2.5 Lipidenclassificatie De classificatie van lipiden omvat: * **Eenvoudig:** Vetten, wassen [1](#page=1). * **Samengesteld:** Fosfo- en glycolipiden [1](#page=1). * **Derivaten:** Vetzuren, steroïden, vitaminen [1](#page=1). > **Tip:** Onthoud dat de amfipathische aard van fosfolipiden cruciaal is voor de vorming van de dubbellaag van het celmembraan. > **Voorbeeld:** De membraanlipiden van een zenuwcel kunnen sfingolipiden bevatten, die een specifieke rol spelen in de functie van deze cellen. --- # Metabolisme en functies van lipiden Lipiden spelen cruciale rollen in het lichaam, variërend van energieopslag en membraanbouw tot beschermende functies [1](#page=1). ### 3.1 Fructose metabolisme Fructose wordt in de lever gemetaboliseerd via een reeks enzymatische stappen om de glycolyse te betreden. De belangrijkste enzymen die hierbij betrokken zijn, omvatten fructokinase, aldolase en triosekinase. Het proces begint met de fosforylering van fructose tot fructose-1-fosfaat [1](#page=1). ### 3.2 Energieopslag en functies van lipiden Vetten hebben de hoogste energiewaarde van alle macronutriënten, met ongeveer 38 kilojoule per gram. Naast hun rol als energieopslag, vervullen lipiden diverse andere vitale functies in het lichaam [1](#page=1): * **Opslag:** Lipiden zijn een efficiënte vorm van energieopslag [1](#page=1). * **Isolatie:** Ze bieden thermische isolatie, wat helpt bij het handhaven van de lichaamstemperatuur [1](#page=1). * **Bescherming:** Lipiden omhullen vitale organen en bieden fysieke bescherming [1](#page=1). * **Membraanbouw:** Fosfolipiden, een type lipide, zijn essentiële componenten van celmembranen [1](#page=1). ### 3.3 Lipidenclassificatie Lipiden kunnen worden onderverdeeld in verschillende categorieën: * **Eenvoudige lipiden:** Dit omvatten vetten en wassen [1](#page=1). * **Samengestelde lipiden:** Hieronder vallen fosfo- en glycolipiden [1](#page=1). * **Lipide derivaten:** Dit zijn afgeleide structuren zoals vetzuren, steroïden en vitaminen [1](#page=1). ### 3.4 Amfipathische moleculen en membranen Fosfolipiden zijn amfipathische moleculen, wat betekent dat ze een hydrofiele (waterminnende) kop en een hydrofobe (waterafstotende) staart bezitten. In een waterige omgeving vormen fosfolipiden spontaan een dubbellaag, waarbij de hydrofiele koppen naar het wateroppervlak wijzen en de hydrofobe staarten naar elkaar toe zijn gericht. Deze structuur is de basis voor biologische membranen, en ook voor de vorming van micellen en bilagen. Het 'fluid mosaic model' beschrijft membranen als een dynamisch geheel waarin eiwitten in deze dubbellaag zijn ingebed [1](#page=1). ### 3.5 Terpenen en isopreen Isopreen ($C_5H_8$) is de fundamentele bouwsteen van terpenen. Monoterpenen bestaan uit twee isopreen-eenheden. Voorbeelden van monoterpenen zijn limoneen, methanol en carvone [1](#page=1). ### 3.6 Vitamine K Vitamine K wordt in twee hoofdformen aangetroffen: vitamine K1, afkomstig uit planten, en vitamine K2, gesynthetiseerd door darmflora. Het is essentieel voor de bloedstolling, waarbij het een rol speelt in de carboxylering van specifieke eiwitten. De structuur van vitamine K kenmerkt zich door een naftochinonring met een bijbehorende zijketen [1](#page=1). ### 3.7 Carotenoïden en vitamine A Carotenoïden worden geclassificeerd als tetraterpenen, opgebouwd uit acht isopreen-eenheden. Beta-caroteen is een precursor die kan worden omgezet in retinal, wat vervolgens verder kan worden gemetaboliseerd tot retinoïnezuur. Deze verbindingen zijn belangrijk voor het gezichtsvermogen en celgroei [1](#page=1). ### 3.8 Lipoproteïnen Lipoproteïnen zijn complexen van lipiden en eiwitten die betrokken zijn bij het transport van lipiden in het bloed. HDL (High-Density Lipoprotein) heeft de hoogste dichtheid, bestaande uit een groot aandeel eiwit en een relatief klein deel vet [1](#page=1). --- # Specifieke lipide derivaten en hun rollen Deze sectie van de studiehandleiding behandelt specifieke lipide derivaten en hun essentiële functies binnen biologische systemen, met een focus op vitamine K, vitamine A, carotenoïden en terpenen, en hun betrokkenheid bij processen zoals bloedstolling en zicht [1](#page=1). ### 4.1 Terpenen en isoprenen Terpenen vormen een belangrijke klasse van organische verbindingen die worden afgeleid van de isopreenbouwsteen [1](#page=1). * **Isopreen:** Dit is de fundamentele bouwsteen van terpenen en heeft de chemische formule $C_5H_8$ [1](#page=1). * **Monoterpenen:** Deze bestaan uit twee isopreen-eenheden. Voorbeelden hiervan zijn limoneen, methanol en carvone [1](#page=1). ### 4.2 Vitamine K Vitamine K is een essentiële lipide-oplosbare vitamine met cruciale rollen in het lichaam, met name in de bloedstolling [1](#page=1). * **Bronnen:** Vitamine K1 is afkomstig van planten, terwijl vitamine K2 wordt gesynthetiseerd door de darmflora [1](#page=1). * **Functie:** Het is onmisbaar voor bloedstolling doordat het een sleutelrol speelt bij de carboxylering van specifieke eiwitten [1](#page=1). * **Structuur:** De moleculaire structuur van vitamine K bestaat uit een naftochinonring met een aanwezige zijketen [1](#page=1). ### 4.3 Carotenoïden en vitamine A Carotenoïden, waaronder de voorlopers van vitamine A, zijn tetraterpenen met vitale functies voor het gezichtsvermogen en celgroei [1](#page=1). * **Structuur:** Ze worden geclassificeerd als tetraterpenen, wat betekent dat ze zijn opgebouwd uit acht isopreen-eenheden [1](#page=1). * **Vitamine A precursor:** Beta-caroteen is een belangrijk carotenoïde dat in het lichaam kan worden omgezet naar retinol, en vervolgens naar retinoïnezuur [1](#page=1). * **Belang:** Deze verbindingen zijn essentieel voor het gezichtsvermogen en ondersteunen de celgroei [1](#page=1). > **Tip:** Onthoud dat zowel vitamine K, vitamine A, carotenoïden als terpenen afgeleide lipiden zijn met zeer specifieke en belangrijke biologische functies. Hun structurele relatie met isopreen is een belangrijk concept. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Esterificatie | Een chemische reactie waarbij een ester wordt gevormd door de reactie van een carbonzuur en een alcohol, waarbij water wordt afgesplitst. | | Hydrolyse | Een chemische reactie waarbij een verbinding wordt gesplitst door toevoeging van water. | | Fosfolipiden | Lipiden die een fosfaatgroep bevatten en een cruciaal onderdeel vormen van biologische membranen door hun amfipathische eigenschappen. | | Cholesterol | Een type steroïde lipid dat essentieel is voor de structuur van celmembranen en als precursor dient voor steroïde hormonen en galzuren. | | Cardolipinen | Een klasse van lipiden die vooral gevonden wordt in de mitochondriale membraan en betrokken is bij de energietransductie. | | Sfingolipiden | Lipiden die een sfingosine-basis hebben en belangrijk zijn voor de structuur en functie van celmembranen, met name in zenuwcellen. | | Fructosemetabolisme | Het biochemische proces waarbij fructose wordt afgebroken en omgezet in andere metabolieten, zoals in de glycolyse. | | Glycolyse | Een metabool pad dat begint met fructose en eindigt met pyruvaat, waarbij energie wordt geproduceerd in de vorm van ATP. | | Lipidenclassificatie | De indeling van lipiden in verschillende categorieën op basis van hun chemische structuur en eigenschappen, zoals eenvoudige, samengestelde en derivaten. | | Amfipathische moleculen | Moleculen die zowel een hydrofiel (waterminnend) als een hydrofoob (waterafstotend) deel bezitten, wat cruciaal is voor membraanformatie. | | Dubbellaag | De structuur van celmembranen die wordt gevormd door twee lagen fosfolipiden, waarbij de hydrofobe staarten naar elkaar toe gericht zijn en de hydrofiele koppen naar de waterige omgeving. | | Micellen | Kleine, bolvormige aggregaten van amfipathische moleculen in een waterige oplossing, waarbij de hydrofobe delen naar het centrum gericht zijn. | | Fluid mosaic model | Een model dat de structuur van celmembranen beschrijft als een dynamische, vloeibare dubbellaag waarin eiwitten zijn ingebed of eraan gehecht. | | Isopreen | Een organische verbinding met de formule $C_5H_8$ die dient als de fundamentele bouwsteen voor veel natuurlijke producten, waaronder terpenen. | | Monoterpenen | Een klasse van terpenen die zijn opgebouwd uit twee isopreen-eenheden, zoals limoneen en menthol. | | Vitamine K | Een groep in vet oplosbare vitaminen die essentieel zijn voor de bloedstolling door hun rol in de carboxylering van bepaalde eiwitten. | | Carotenoïden | Pigmenten die behoren tot de tetraterpenen en die in planten voorkomen; sommige fungeren als precursors voor vitamine A. | | Tetraterpenen | Terpenen die zijn opgebouwd uit vier isopreen-eenheden, zoals carotenoïden. | | Retinal | Een aldehyde afgeleid van caroteen, essentieel voor het visuele proces doordat het licht absorbeert in het netvlies. | | Lipoproteïnen | Complexen van lipiden en eiwitten die betrokken zijn bij het transport van lipiden in het bloed. HDL staat voor High-Density Lipoprotein. |

# Structuur en functie van lipiden Lipiden spelen een cruciale rol in biologische membranen door hun unieke structuur die zowel hydrofobe als hydrofiele eigenschappen combineert, en zijn betrokken bij diverse cellulaire processen waaronder signaaloverdracht [1](#page=1). ### 1.1 Vetzuurstructuur en eigenschappen Vetzuren zijn moleculen met een lange, hydrofobe staart en een hydrofiele kop. De aard van de koolwaterstofstaart, specifiek de aanwezigheid van dubbele bindingen, bepaalt de eigenschappen van het vetzuur en de uiteindelijke smelttemperatuur [1](#page=1). #### 1.1.1 Verzadigde en onverzadigde vetzuren * **Verzadigde vetzuren:** Deze vetzuren hebben een staart die volledig verzadigd is met waterstofatomen, wat betekent dat er geen dubbele bindingen aanwezig zijn in de koolstofketen. Dit leidt tot een meer lineaire structuur [1](#page=1). * **Onverzadigde vetzuren:** Deze vetzuren bevatten één of meer dubbele bindingen in hun koolstofketen. Dubbele bindingen introduceren knikken in de staart, waardoor de moleculen minder compact kunnen stapelen [1](#page=1). #### 1.1.2 Invloed van verzadiging op smelttemperatuur De structuur van vetzuren heeft een directe invloed op hun smelttemperatuur [1](#page=1). * **Aantal koolstofatomen:** Een langer vetzuur, met meer koolstofatomen, heeft over het algemeen een hogere smelttemperatuur omdat er meer intermoleculaire krachten zijn die de moleculen bij elkaar houden [1](#page=1). * **Dubbele bindingen:** De aanwezigheid van dubbele bindingen verlaagt de smelttemperatuur. Dit komt doordat de knikken die door de dubbele bindingen worden veroorzaakt, de efficiënte pakking van de vetzuurketens verstoren, waardoor minder energie nodig is om de vaste fase te doorbreken. Een voorbeeld is C17H33COOH, een onverzadigd vetzuur, dat smelt bij 13 graden Celsius [1](#page=1). ### 1.2 Fosfolipiden en membraanfunctie Fosfolipiden zijn een belangrijke klasse van lipiden die de bouwstenen vormen van biologische membranen. Ze bezitten een amfipathische aard, wat betekent dat ze zowel hydrofobe als hydrofiele delen hebben [1](#page=1). * **Structuur van fosfolipiden:** Een fosfolipide bestaat uit een hydrofiele kop (een fosfaatgroep) en een hydrofobe staart (bestaande uit vetzuurketens). De fosfaatgroep kan verder gemodificeerd zijn, zoals bij fosfatidylcholine waar de kop neutraal geladen is. Andere fosfolipiden kunnen een negatief geladen kop hebben, zoals fosfatidylglycerol [1](#page=1). * **Rol in membranen:** Fosfolipiden vormen een dubbellaag in biologische membranen, waarbij de hydrofobe staarten naar het midden van de membraan wijzen en de hydrofiele koppen naar de waterige omgeving aan weerszijden. Dit membraanstructuur is essentieel voor de stabiliteit, vloeibaarheid en de selectieve doorgang van stoffen en signaaloverdracht [1](#page=1). ### 1.3 Esterificatie Esterificatie is een chemische reactie waarbij een carbonzuur (zoals een vetzuur) reageert met een alcohol om een ester en water te vormen [1](#page=1). * **Reactievergelijking:** $$ \text{zuur} + \text{alcohol} \rightleftharpoons \text{ester} + \text{water} $$ * **Cholesterolester:** Cholesterol, dat een OH-groep bevat, kan worden veresterd met een vetzuur om een cholesterolester te vormen. Cholesterolesters zijn overwegend hydrofoob [1](#page=1). ### 1.4 Cholesterol in membranen Cholesterol is een type steroïde lipide dat essentieel is voor de membraanfunctie. Het is een ringvormig molecuul met een hydroxylgroep (-OH) [1](#page=1). * **Eigenschappen:** Cholesterol kan de vloeibaarheid van membranen beïnvloeden. Bij hogere temperaturen stabiliseert het de membraan en vermindert de vloeibaarheid, terwijl het bij lagere temperaturen de membraan juist vloeibaarder maakt door de pakking van fosfolipiden te verstoren [1](#page=1). > **Tip:** Onthoud dat de hydrofiele delen van lipiden de neiging hebben om water aan te trekken (waterminnend), terwijl de hydrofobe delen water afstoten (watervrezend). Dit amfipathische karakter is fundamenteel voor de vorming van celmembranen. --- # Structuur van monosachariden Monosachariden bevatten een aldehyde- of ketongroep en meerdere hydroxylgroepen, en komen door chiraliteit in lineaire of ringvorm voor [1](#page=1). ### 1.1 Basisstructuur en functionele groepen Monosachariden zijn de eenvoudigste koolhydraten en kenmerken zich door de aanwezigheid van een aldehyde- of ketongroep en meerdere hydroxylgroepen [1](#page=1). ### 1.2 Chiraliteit en stereoisomeren #### 1.2.1 Algemeen concept van chiraliteit Chiraliteit verwijst naar het spiegelbeeldige karakter van moleculen die niet met zichzelf samenvallen. In de context van suikers wordt dit bepaald door de positie van de hydroxylgroep (OH) op het verste chirale centrum ten opzichte van de aldehyde- of ketongroep [1](#page=1). #### 1.2.2 Den L-isomeren De 'D'- en 'L'-aanduidingen van suikers geven hun stereochemische configuratie aan. De D-vormen komen het meest voor in de natuur [1](#page=1). #### 1.2.3 Stereoisomeren en epimeren Moleculen met meerdere chiraliteitscentra kunnen een groot aantal stereoisomeren hebben. Enantiomeren zijn paren van moleculen die elkaars spiegelbeelden zijn. Epimeren zijn stereoisomeren die slechts op één specifiek chiraal centrum verschillen [1](#page=1). ### 1.3 Vormen van monosachariden #### 1.3.1 Lineaire vorm Monosachariden kunnen voorkomen in een lineaire ketenstructuur [1](#page=1). #### 1.3.2 Ringvorm Door een intramoleculaire reactie tussen de carbonylgroep (aldehyde of keton) en een hydroxylgroep, kunnen monosachariden ook in een ringvorm voorkomen [1](#page=1). ##### 1.3.2.1 Vorming van de ring Bij glucose, bijvoorbeeld, kan de ringvorming optreden door de reactie tussen koolstofatoom C1 (de aldehyde-koolstof) en koolstofatoom C5 (een hydroxylgroep) [1](#page=1). ##### 1.3.2.2 Anomeren De vorming van de ring creëert een nieuw chiraal centrum op het oorspronkelijke carbonylkoolstofatoom (C1 bij aldoses). Dit leidt tot de vorming van twee verschillende anomeren: de $\alpha$- en $\beta$-anomeren. Deze verschillen in de configuratie van de hydroxylgroep op dit anomere koolstofatoom [1](#page=1). > **Tip:** De Fisher-projectie wordt gebruikt om de lineaire structuur van suikers weer te geven, terwijl de Haworth-projectie de ringstructuur beter visualiseert [1](#page=1). ### 1.4 Voorbeelden van D-aldoses Een overzicht van D-aldoses met 3 tot 6 koolstofatomen laat zien hoe de stereochemie per suiker kan variëren door de posities van de hydroxylgroepen in Fisher-projecties [1](#page=1). > **Voorbeeld:** De Fisher-projectie van glucose toont de relatieve posities van de hydroxylgroepen aan de zijkant, wat essentieel is voor het begrijpen van de stereochemie [1](#page=1). --- # Stereochemie van suikers Het onderwerp stereochemie van suikers richt zich op de ruimtelijke ordening van monosachariden, inclusief hun D- en L-vormen, enantiomeren, epimeren en de verschillende projecties die gebruikt worden om hun structuur weer te geven [1](#page=1). ### 3.1 Chirality in monosachariden Monosachariden bevatten een aldehyde- of ketongroep en meerdere hydroxylgroepen. Door de aanwezigheid van chiraliteitscentra kunnen suikers in lineaire of ringvorm voorkomen. Een chiraal centrum is een koolstofatoom dat gebonden is aan vier verschillende groepen, wat leidt tot stereoisomerie [1](#page=1). #### 3.1.1 D- en L-isomeren van suikers De D- en L-isomeren van suikers zijn elkaars spiegelbeelden. De configuratie wordt bepaald door de positie van de hydroxylgroep op het verst verwijderde chiraal centrum vanaf de carbonylgroep. D-suikers komen het meest voor in de natuur [1](#page=1). #### 3.1.2 Stereoisomeren en epimeren Suikers met meerdere chiraliteitscentra kunnen $2^n$ stereoisomeren hebben, waarbij $n$ het aantal chiraliteitscentra is [1](#page=1). * **Enantiomeren** zijn stereoisomeren die elkaars spiegelbeelden zijn [1](#page=1). * **Epimeren** zijn stereoisomeren die verschillen in de configuratie rond slechts één specifiek chiraal centrum [1](#page=1). #### 3.1.3 Fisher- en Haworthprojecties van glucose Glucose kan een ringvorm aannemen door een reactie tussen koolstofatoom 1 (C1) en koolstofatoom 5 (C5) [1](#page=1). * De **Fisherprojectie** is een tweedimensionale weergave van de lineaire vorm van een suiker, waarbij de meest geoxideerde functionele groep bovenaan wordt geplaatst en horizontale lijnen de bindingen naar voren voorstellen [1](#page=1). * De **Haworthprojectie** wordt gebruikt om de cyclische structuur van suikers weer te geven, waarbij de ring horizontaal wordt geplaatst en de bindingen naar boven en beneden uitsteken [1](#page=1). #### 3.1.4 Anomeren Bij de vorming van de ringstructuur van glucose ontstaan twee verschillende anomeren: alfa ($\alpha$) en bèta ($\beta$). Deze anomeren verschillen in de positie van de hydroxylgroep op het anomere koolstofatoom (C1) [1](#page=1). > **Tip:** De configuratie van de OH-groep op het anomere koolstofatoom in de Haworthprojectie is cruciaal voor het onderscheiden van de $\alpha$- en $\beta$-anomeren. Bij $\alpha$-glucose wijst de OH-groep op C1 naar beneden, terwijl deze bij $\beta$-glucose naar boven wijst. #### 3.1.5 Structuur van D-aldoses Het document geeft een overzicht van de structuur van D-aldoses met drie tot zes koolstofatomen, weergegeven in Fisherprojecties. Deze projecties tonen de variaties in stereochemie tussen de verschillende suikers [1](#page=1). > **Voorbeeld:** De structuur van D-glucose kan worden weergegeven met behulp van een Fisherprojectie of een Haworthprojectie, waarbij de anomeren ($\alpha$ en $\beta$) duidelijk onderscheiden kunnen worden in de cyclische vorm [1](#page=1). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Steroïden | Organische verbindingen die een kenmerkende structuur van vier met elkaar verbonden koolstofringen bezitten. Ze spelen diverse biologische rollen, zoals hormonen en cholesterol. | | Vetzuren | Lange koolwaterstofketens met een carboxylgroep aan één uiteinde. Ze kunnen verzadigd zijn (alleen enkelvoudige bindingen tussen koolstofatomen) of onverzadigd (met één of meer dubbele bindingen). | | Fosfolipiden | Lipiden die een fosfaatgroep bevatten. Ze zijn een essentieel bestanddeel van celmembranen, waarbij de hydrofiele kop naar het water wijst en de hydrofobe staart naar binnen gericht is, wat de vorming van een dubbellaag mogelijk maakt. | | Hydrofiel | Een stof of deel van een molecuul dat water aantrekt. Fosfolipiden hebben hydrofiele koppen die interactie aangaan met waterige omgevingen. | | Hydrofoob | Een stof of deel van een molecuul dat water afstoot. De staarten van fosfolipiden en vetzuren zijn hydrofoob. | | Esterificatie | Een chemische reactie waarbij een zuur en een alcohol reageren onder vorming van een ester en water. Dit proces is relevant voor de vorming van cholesterolesters. | | Monosachariden | De eenvoudigste koolhydraten die niet verder gehydrolyseerd kunnen worden tot kleinere eenheden. Ze bevatten een aldehyde- of ketongroep en meerdere hydroxylgroepen. | | Chiraliteit | Een eigenschap van moleculen die niet samenvallen met hun spiegelbeeld, vergelijkbaar met linker- en rechterhanden. Dit leidt tot het bestaan van stereoisomeren. | | Stereoisomeren | Moleculen met dezelfde brutoformule en dezelfde volgorde van atomen, maar met een verschillende ruimtelijke rangschikking van atomen. | | Enantiomeren | Stereoisomeren die elkaars spiegelbeeld zijn en niet op elkaar kunnen worden gelegd. | | Epimeren | Stereoisomeren die verschillen in de configuratie rond één enkel stereogeen centrum. | | Anomeren | Diastereomeren die ontstaan door de reactie van de carbonylgroep van een cyclisch suiker met een hydroxylgroep, resulterend in twee verschillende configuraties rond het anomere koolstofatoom (alfa en bèta). | | D-suikers | Suikers waarbij de hydroxylgroep op het verst verwijderde chirale centrum aan de rechterkant staat in een Fisherprojectie. De meeste natuurlijke suikers zijn D-isomeren. | | L-suikers | Suikers waarbij de hydroxylgroep op het verst verwijderde chirale centrum aan de linkerkant staat in een Fisherprojectie. | | Fisherprojectie | Een manier om de ruimtelijke structuur van chirale moleculen, zoals suikers, weer te geven op een plat vlak, waarbij horizontale lijnen naar voren wijzen en verticale lijnen naar achteren. | | Haworthprojectie | Een methode om cyclische suikers weer te geven, waarbij de ringvorm wordt getoond en de substituenten boven of onder de ring worden geplaatst. |

# Lipoproteïnen en cholesterolmetabolisme Dit onderwerp behandelt de structuur en functie van lipoproteïnen, de verschillende klassen zoals chylomicronen, VLDL, LDL en HDL, en hun rol in cholesteroltransport, evenals de biosynthese van vitamine D uit cholesterol. ### 1.1 Lipoproteïnen: structuur en klassen Lipoproteïnen zijn complexe moleculen die lipiden (vetten) transporteren in het bloed via hydrofobe interacties. Ze bestaan uit een kern van lipiden (cholesterol esters en triglyceriden) omgeven door een mantel van fosfolipiden, vrij cholesterol en specifieke eiwitten genaamd apolipoproteïnen. Er worden vier hoofdklassen onderscheiden op basis van hun dichtheid en grootte: chylomicronen, Very Low-Density Lipoproteins (VLDL), Low-Density Lipoproteins (LDL) en High-Density Lipoproteins (HDL) [1](#page=1). #### 1.1.1 Grootte en samenstelling van lipoproteïneklassen De grootte van lipoproteïnen varieert, waarbij chylomicronen de grootste zijn en HDL de kleinste. Hun samenstelling varieert ook, met verschillende verhoudingen van eiwitten, cholesterol, fosfolipiden en triglyceriden. Een diagram toont de typische opbouw van een lipoproteïne [1](#page=1). ### 1.2 Cholesteroltransport en vitamine D-biosynthese Cholesterol speelt een cruciale rol in het lichaam, niet alleen als bouwsteen van membranen, maar ook als precursor voor andere belangrijke moleculen [1](#page=1). #### 1.2.1 De rol van LDL en HDL in cholesteroltransport LDL-deeltjes transporteren cholesterol vanuit de lever naar de perifere weefsels en cellen, waar het nodig is voor diverse functies. HDL daarentegen voert het omgekeerde transport uit; het haalt overtollig cholesterol op uit de weefsels en brengt dit terug naar de lever voor afbraak of hergebruik [1](#page=1). #### 1.2.2 Biosynthese van vitamine D3 Cholesterol is ook de directe precursor voor de synthese van vitamine D3. Via een reeks tussenstappen, waaronder 7-dehydrocholesterol, wordt cholesterol omgezet in vitamine D3 wanneer de huid wordt blootgesteld aan ultraviolet (UV) licht [1](#page=1). ### 1.3 Cholesterolstructuur en functie Cholesterol is een steroïde molecuul dat gekenmerkt wordt door een structuur met vier gefuseerde ringen en een hydroxylgroep (OH). Deze structuur geeft cholesterol specifieke eigenschappen, zoals het vermogen om de vloeibaarheid van celmembranen te stabiliseren door zich tussen fosfolipiden te plaatsen [1](#page=1). ### 1.4 Galzouten Galzouten worden in de lever gesynthetiseerd uit cholesterol. Ze zijn amfipathisch, wat betekent dat ze zowel hydrofobe als hydrofiele eigenschappen bezitten. Deze eigenschap maakt galzouten effectieve emulgatoren voor vetten in het spijsverteringskanaal, wat de vertering en opname van vetten verbetert. De conjugatie van galzouten met aminozuren zoals glycine of taurine verhoogt hun oplosbaarheid in water aanzienlijk. Galzouten emulgeren vetten in de darm door ze te verkleinen tot kleinere druppeltjes, waardoor de oppervlakte voor enzymatische afbraak wordt vergroot [1](#page=1). ### 1.5 Steroïde hormonen Cholesterol is de basis voor de synthese van alle steroïde hormonen. Progesteron is een belangrijke precursor in deze biosynthese. Aldosteron, een ander steroïde hormoon, speelt een sleutelrol in de regulatie van mineralenbalans in het lichaam. Cortisol is essentieel voor de regulatie van het glucosemetabolisme en reageert ook op stress. De algemene route voor steroïde hormoonsynthese omvat de omzetting van cholesterol naar pregnenolon, vervolgens naar progesteron, en daarna naar verschillende andere hormonen, die variëren in het aantal koolstofatomen en hun specifieke functies [1](#page=1). #### 1.5.1 Geslachtshormonen Onder de steroïde hormonen vallen ook de geslachtshormonen. Testosteron is het belangrijkste mannelijke geslachtshormoon. De belangrijkste vrouwelijke geslachtshormonen zijn estradiol en estron. Structurele verschillen tussen deze hormonen bepalen hun specifieke biologische activiteiten [1](#page=1). ### 1.6 Isomerie van suikers *Dit gedeelte over isomerie van suikers is thematisch afwijkend van lipoproteïnen en cholesterolmetabolisme. Het wordt hier kort vermeld omdat het op dezelfde pagina voorkomt.* Maltose, een disacharide, kan verschillende isomeren vertonen. Er zijn twee constitutionele isomeren en twee stereo-isomeren, waaronder enantiomeren [1](#page=1). ### 1.7 Vetten en derivaten *Dit gedeelte bevat algemene informatie over vetten.* Triglyceriden zijn samengesteld uit glycerol gebonden aan drie vetzuren. Fosfolipiden zijn essentiële componenten voor de opbouw van celmembranen [1](#page=1). --- # Cholesterolstructuur, galzouten en steroïdhormonen Dit hoofdstuk beschrijft de structuur en functie van cholesterol, de rol van galzouten bij de vetvertering en de synthese en functie van steroïdhormonen [1](#page=1). ### 1.1 Cholesterolstructuur en membraanfunctie Cholesterol is een steroïde met een karakteristieke structuur bestaande uit vier ringen, waaraan een hydroxylgroep ($\text{OH}$-groep) is gebonden. Het speelt een cruciale rol in de stabilisatie van de membraanvloeibaarheid van cellen. Cholesteroltransport wordt gefaciliteerd door lipoproteïnen, waarbij lage-densiteit lipoproteïnen (LDL) cholesterol naar de cellen transporteren en hoge-densiteit lipoproteïnen (HDL) cholesterol uit de cellen verwijderen. Bovendien dient cholesterol als precursor voor de synthese van vitamine D3 via 7-dehydrocholesterol onder invloed van UV-licht [1](#page=1). ### 1.2 Galzouten Galzouten worden in de lever gesynthetiseerd uit cholesterol. Ze bezitten een amfipatische structuur, wat betekent dat ze zowel hydrofobe als hydrofiele delen hebben. Deze eigenschap maakt ze effectieve emulgatoren voor vetten in het spijsverteringskanaal. De structuur van galzouten bestaat uit een steroïde kern met een carboxylgroep ($\text{COOH}$-) bevattende zijketen. Door conjugatie met aminozuren zoals glycine of taurine wordt de oplosbaarheid van galzouten verhoogd. Deze emulgerende werking is essentieel voor een efficiënte vertering en opname van vetten in de darm [1](#page=1). ### 1.3 Steroïdhormonen Steroïdhormonen zijn afgeleid van cholesterol en spelen diverse fysiologische rollen. De synthese van steroïdhormonen begint met cholesterol, dat wordt omgezet in pregnenolon, gevolgd door progesteron, dat fungeert als precursor voor andere hormonen. Belangrijke klassen van steroïdhormonen zijn onder andere [1](#page=1): * **Cortisolen:** Cortisol is betrokken bij de regulatie van het glucosemetabolisme [1](#page=1). * **Mineralocorticoïden:** Aldosteron reguleert de mineralenbalans in het lichaam [1](#page=1). De verschillende steroïdhormonen onderscheiden zich in hun aantal koolstofatomen en specifieke functies [1](#page=1). #### 1.3.1 Geslachtshormonen De geslachtshormonen vormen een belangrijke subgroep van de steroïdhormonen. Enkele voorbeelden zijn [1](#page=1): * **Testosteron:** Het primaire mannelijke geslachtshormoon [1](#page=1). * **Estradiol en Estron:** De belangrijkste vrouwelijke geslachtshormonen [1](#page=1). Structurele verschillen tussen deze hormonen bepalen hun specifieke biologische activiteiten [1](#page=1). --- # Vetten en derivaten, inclusief suikerisomerie Dit deel behandelt vetten en hun derivaten, waaronder triglyceriden en fosfolipiden, en introduceert kort het concept van isomerie bij suikers, zoals bij maltose. ### 3.1 Vetten en derivaten Vetten en hun derivaten omvatten verschillende belangrijke moleculen in de biologie, waaronder triglyceriden en fosfolipiden [1](#page=1). #### 3.1.1 Triglyceriden Triglyceriden zijn esters gevormd uit glycerol en drie vetzuren. Ze vormen een belangrijk type lipide [1](#page=1). #### 3.1.2 Fosfolipiden Fosfolipiden spelen een cruciale rol in de opbouw van celmembranen. Hun amfipathische aard maakt ze essentieel voor membraanstructuren [1](#page=1). #### 3.1.3 Cholesterol en steroïden Cholesterol is een steroïde met een karakteristieke structuur van vier ringen en een hydroxylgroep (OH). Het is essentieel voor het stabiliseren van de vloeibaarheid van membranen [1](#page=1). ##### 3.1.3.1 Cholesteroltransport Lipoproteïnen zijn betrokken bij het transport van cholesterol in het lichaam. Er worden vier klassen onderscheiden: chylomicronen, VLDL, LDL en HDL. Chylomicronen zijn de grootste, terwijl HDL de kleinste zijn. LDL brengt cholesterol naar de cellen, terwijl HDL het cholesterol weer verwijdert. Cholesterol kan via 7-dehydrocholesterol en blootstelling aan UV-licht worden omgezet in vitamine D3 [1](#page=1). ##### 3.1.3.2 Galzouten Galzouten worden in de lever uit cholesterol geproduceerd. Ze zijn amfipathisch, wat betekent dat ze zowel hydrofiele als hydrofobe eigenschappen bezitten. Deze eigenschap maakt ze effectief in het emulgeren van vetten. Door conjugatie met glycine of taurine wordt de oplosbaarheid van galzouten verhoogd. In de darm emulgeren galzouten vetten, wat leidt tot een betere vertering. De structuur van galzouten kenmerkt zich door een steroïde kern met een zijketen die een carboxylgroep (COOH) bevat [1](#page=1). ##### 3.1.3.3 Cortisonesteroïden Progesteron dient als precursor voor verschillende steroïden. Aldosteron reguleert mineralenbalans, terwijl cortisol betrokken is bij de regulatie van het glucosemetabolisme [1](#page=1). ##### 3.1.3.4 Steroïdhormonen Cholesterol kan worden omgezet in pregnenolon, dat vervolgens verder wordt gemetaboliseerd tot progesteron en andere hormonen. Deze hormonen verschillen in het aantal koolstofatomen en hun specifieke functies [1](#page=1). ##### 3.1.3.5 Geslachtshormonen Voorbeelden van geslachtshormonen zijn testosteron, en de vrouwelijke hormonen estradiol en estron. Structurele verschillen tussen deze moleculen bepalen hun specifieke functies [1](#page=1). ### 3.2 Isomerie van suikers Het concept van isomerie is ook van toepassing op suikers. Maltose, bijvoorbeeld, kent vier verschillende isomeren [1](#page=1). #### 3.2.1 Soorten isomeren bij maltose Van de vier isomeren van maltose zijn er twee constitutionele isomeren, die verschillen in de atomaire rangschikking. De andere twee zijn stereo-isomeren, specifiek enantiomeren, die elkaars spiegelbeelden zijn [1](#page=1). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Lipoproteïnen | Lipoproteïnen zijn complexe moleculen die bestaan uit lipiden (vetten) en eiwitten, en die verantwoordelijk zijn voor het transport van vetten en cholesterol in het bloed. Ze worden ingedeeld in verschillende klassen op basis van hun dichtheid en grootte, zoals chylomicronen, VLDL, LDL en HDL. | | Chylomicronen | Dit zijn de grootste lipoproteïnen, voornamelijk samengesteld uit triglyceriden. Ze worden gevormd in de darmwand na de opname van vetten uit de voeding en transporteren deze vetten naar de weefsels. | | VLDL (Very-Low-Density Lipoprotein) | VLDL-deeltjes worden in de lever geproduceerd en transporteren endogeen gesynthetiseerde triglyceriden naar perifere weefsels voor energiegebruik of opslag. Naarmate triglyceriden worden afgegeven, transformeren ze in IDL en vervolgens LDL. | | LDL (Low-Density Lipoprotein) | LDL-deeltjes worden vaak aangeduid als 'slecht cholesterol' omdat ze cholesterol transporteren van de lever naar de cellen in het lichaam. Een overmaat aan LDL kan leiden tot afzetting in de bloedvaten. | | HDL (High-Density Lipoprotein) | HDL-deeltjes staan bekend als 'goed cholesterol' omdat ze overtollig cholesterol uit de weefsels ophalen en terug transporteren naar de lever voor uitscheiding of recycling. | | Triglyceriden | Dit zijn esters van glycerol met drie vetzuren. Ze vormen een belangrijke energiebron voor het lichaam en worden opgeslagen in vetweefsel. Ze zijn een hoofdbestanddeel van lipoproteïnen. | | Fosfolipiden | Fosfolipiden zijn lipiden die een fosfaatgroep bevatten, naast glycerol en vetzuren. Ze zijn essentiële bouwstenen van celmembranen vanwege hun amfifiele aard (hydrofobe en hydrofiele delen). | | Cholesterol | Cholesterol is een steroïde lipide met een karakteristieke vierringstructuur en een hydroxylgroep. Het is essentieel voor celmembranen, de synthese van hormonen en galzouten, en de productie van vitamine D. | | 7-dehydrocholesterol | Dit is een precursor van vitamine D3, die zich in de huid bevindt. Onder invloed van ultraviolet (UV) licht uit zonlicht wordt 7-dehydrocholesterol omgezet in pre-vitamine D3, dat vervolgens wordt omgezet in vitamine D3. | | Vitamine D3 | Vitamine D3 (cholecalciferol) is een in vet oplosbare vitamine die cruciaal is voor de opname van calcium en fosfaat uit de darm, wat essentieel is voor de botgezondheid. Het speelt ook een rol in het immuunsysteem. | | Galzouten | Galzouten zijn in de lever uit cholesterol geproduceerde steroïde zuren die een sleutelrol spelen bij de vertering en opname van vetten in de dunne darm. Ze werken als emulgatoren en helpen vetten af te breken tot kleinere druppels. | | Emulgator | Een emulgator is een stof die helpt bij het mengen van twee normaal niet mengbare vloeistoffen, zoals olie en water. Galzouten fungeren als emulgatoren door vetdruppels in de darm te verkleinen, waardoor enzymen beter kunnen werken. | | Cortisonesteroïden | Dit is een klasse van steroïde hormonen die worden geproduceerd door de bijnier. Cortisol, bijvoorbeeld, speelt een belangrijke rol bij het reguleren van de glucosemetabolisme, immuunreacties en de reactie op stress. Aldosteron reguleert de mineralenbalans. | | Steroïdhormonen | Steroïdhormonen zijn hormonen die zijn afgeleid van cholesterol. Ze zijn lipofiel en kunnen gemakkelijk celmembranen passeren om hun receptoren intracellulair te bereiken. Voorbeelden zijn geslachtshormonen en hormonen van de bijnier. | | Geslachtshormonen | Dit zijn hormonen die betrokken zijn bij de ontwikkeling en regulatie van seksuele kenmerken en voortplantingsfuncties. Bij mannen zijn dit voornamelijk androgenen zoals testosteron, en bij vrouwen oestrogenen zoals estradiol. | | Isomerie | Isomerie is een fenomeen waarbij moleculen met dezelfde molecuulformule verschillende structuren en/of ruimtelijke rangschikkingen hebben. Dit leidt tot verbindingen met verschillende chemische en fysische eigenschappen. | | Constitutionele isomeren | Dit zijn isomeren die verschillen in de manier waarop atomen aan elkaar zijn gebonden, wat resulteert in een andere sequentie van atomen in de koolstofketen of in de positie van functionele groepen. | | Stereo-isomeren | Deze isomeren hebben dezelfde bindingsvolgorde van atomen, maar verschillen in de ruimtelijke rangschikking van deze atomen. Enantiomeren zijn een type stereo-isomeer dat elkaars spiegelbeeld is. | | Enantiomeren | Enantiomeren zijn stereo-isomeren die elkaars niet-overlappende spiegelbeelden zijn. Ze hebben dezelfde fysische eigenschappen, behalve dat ze optische activiteit vertonen (ze draaien gepolariseerd licht in tegengestelde richtingen). |

# Structuur en eigenschappen van koolhydraten Dit onderwerp behandelt de stereochemie van hexosen, de samenstelling en bindingen van disachariden zoals lactose, en de chemische reacties van monosachariden. ### 1.1 Stereochemie van hexosen Hexosen, zoals glucose, mannose, galactose en fructose, bevatten chirale centra. Chirale centra zijn atomen die, wanneer ze verschillend zijn gesubstitueerd, leiden tot moleculen die elkaars spiegelbeeld zijn en niet op elkaar geprojecteerd kunnen worden (enantiomeren) [1](#page=1). * **Enantiomeren:** Twee moleculen die elkaars spiegelbeeld zijn en niet op elkaar geprojecteerd kunnen worden [1](#page=1). * **Epimeren:** Stereoisomeren die slechts op één chiraal centrum verschillen in configuratie. Pentosen zoals ribose en arabinose zijn voorbeelden van epimeren [1](#page=1). ### 1.2 Disachariden en glycosidische bindingen Monosachariden kunnen met elkaar reageren via een condensatiereactie om disachariden te vormen. De aard van de binding tussen de monosachariden, aangeduid als alfa- of bèta-bindingen, bepaalt de specifieke structuur en eigenschappen van het resulterende suiker [1](#page=1). #### 1.2.1 Lactose en componenten Lactose is een disacharide dat bestaat uit bèta-D-galactose en bèta-D-glucose, die met elkaar verbonden zijn door een bèta (1→4) glycosidische binding. De chemische eigenschappen van suikers kunnen significant verschillen afhankelijk van hun specifieke samenstelling en bindingen [1](#page=1). ### 1.3 Reacties met monosachariden Monosachariden ondergaan diverse chemische reacties, waaronder oxidatie, reductie en de vorming van glycosidische bindingen. In water kunnen evenwichten ontstaan tijdens biosynthetische processen [1](#page=1). ### 1.4 Nucleotiden en nucleosiden * **Nucleotiden:** Bestaan uit een stikstofbase, een suikermolecuul en een fosfaatgroep [1](#page=1). * **Nucleosiden:** Bestaan uit een stikstofbase en een suikermolecuul, maar missen de fosfaatgroep. De stikstofbasen zijn enkelvoudige componenten [1](#page=1). --- # Eiwitten en hun bouwstenen Aminozuren zijn de fundamentele bouwstenen van eiwitten, die door middel van peptidebindingen met elkaar worden verbonden tot lange ketens, polypeptiden genaamd, welke specifieke driedimensionale structuren aannemen om diverse biologische functies te vervullen [1](#page=1). ### 2.1 Amino's en hun structuur Aminozuren zijn de monomere eenheden waaruit eiwitten zijn opgebouwd. Er zijn 20 verschillende soorten aminozuren die als bouwstenen voor eiwitten dienen. Van deze 20 zijn er 9 essentieel, wat betekent dat het lichaam ze niet zelf kan aanmaken en via de voeding verkregen moeten worden, terwijl de overige 11 niet-essentieel zijn en door het lichaam zelf kunnen worden gesynthetiseerd [1](#page=1). #### 2.1.1 De peptidebinding Aminozuren worden aan elkaar gekoppeld door middel van peptidebindingen. Deze binding ontstaat via een condensatiereactie tussen de carboxylgroep van het ene aminozuur en de aminogroep van het andere aminozuur, waarbij een watermolecuul wordt afgesplitst. Een lange keten van aminozuren, verbonden door peptidebindingen, wordt een polypeptide genoemd [1](#page=1). #### 2.1.2 Ruimtelijke structuur van eiwitten Polypeptiden vouwen zich tot specifieke driedimensionale structuren, zoals de $\alpha$-helix en $\beta$-sheet. Deze specifieke ruimtelijke ordening is cruciaal voor de functie van het eiwit [1](#page=1). #### 2.1.3 Fisherprojectie van aminozuren De stereochemie van aminozuren kan worden weergegeven met behulp van de Fisherprojectie. Bijvoorbeeld, de L- en D-isomeren van alanine en serine worden in deze projectie weergegeven, waarbij horizontale lijnen aangeven dat de substituenten uit het vlak komen en verticale lijnen dat ze erin gaan [1](#page=1). ### 2.2 Functies van eiwitten Eiwitten vervullen een breed scala aan essentiële functies in biologische systemen: * **Structuur:** Eiwitten zoals keratine bieden structurele ondersteuning aan weefsels zoals huid en haar [1](#page=1). * **Enzymen:** Veel eiwitten functioneren als enzymen, die biologische reacties versnellen [1](#page=1). * **Transport:** Eiwitten zoals hemoglobine zijn verantwoordelijk voor het transport van moleculen, in dit geval zuurstof [1](#page=1). * **Signaaloverdracht:** Hormonen en receptoren zijn voorbeelden van eiwitten die betrokken zijn bij signaaloverdracht binnen en tussen cellen [1](#page=1). * **Afweer:** Antilichamen, een type eiwit, spelen een sleutelrol in het immuunsysteem bij de afweer tegen ziekteverwekkers [1](#page=1). ### 2.3 Chemische eigenschappen van aminozuren De chemische eigenschappen van aminozuren, zoals hun pH-afhankelijke lading, zijn van invloed op de structuur en functie van de eiwitten waarin ze zijn opgenomen [1](#page=1). > **Tip:** Begrip van de 20 standaard aminozuren, hun structuren en hun eigenschappen is fundamenteel voor het begrijpen van eiwitstructuur en -functie. > **Voorbeeld:** Hemoglobine is een eiwit dat zuurstof transporteert van de longen naar de weefsels. De specifieke driedimensionale structuur van hemoglobine, bepaald door de sequentie van aminozuren en de peptidebindingen, is essentieel voor zijn vermogen om zuurstof te binden en vrij te geven [1](#page=1). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Basidiomycota | Een grote afdeling binnen de Fungi (schimmels), gekenmerkt door de productie van sporen op specifieke paddestoelachtige structuren die basidia worden genoemd. | | Pentosen | Monosachariden met vijf koolstofatomen, zoals ribose en arabinose, die een cruciale rol spelen in biologische moleculen zoals RNA en DNA. | | Enantiomeren | Chirale moleculen die elkaars spiegelbeeld zijn en niet op elkaar te leggen zijn, vergelijkbaar met linker- en rechterhanden. | | Stereocentrum | Een atoom, meestal koolstof, dat gebonden is aan vier verschillende groepen, waardoor het molecuul chiraal kan zijn en verschillende ruimtelijke arrangementen mogelijk zijn. | | Hexosen | Monosachariden met zes koolstofatomen, zoals glucose, mannose, galactose en telose, die de belangrijkste energievorm voor veel organismen vormen. | | Lactose | Een disacharide, ook wel melksuiker genoemd, bestaande uit een glucose-eenheid en een galactose-eenheid, verbonden door een bèta (1→4) glycosidische binding. | | Disachariden | Koolhydraten die bestaan uit twee monosacharide-eenheden die met elkaar verbonden zijn door een glycosidische binding, gevormd door een condensatiereactie. | | Glycosidische binding | Een type covalente binding die koolhydraatmoleculen aan elkaar of aan andere groepen bindt, gevormd door de reactie tussen een hemiacetaal- of hemiketaalgroep en een hydroxylgroep. | | Monosachariden | De eenvoudigste koolhydraten, ook wel enkelvoudige suikers genoemd, die niet verder gehydrolyseerd kunnen worden tot kleinere suikereenheden; voorbeelden zijn glucose en fructose. | | Nucleotiden | De bouwstenen van nucleïnezuren zoals DNA en RNA, bestaande uit drie componenten: een stikstofbase, een pentosesuiker en een of meer fosfaatgroepen. | | Nucleosiden | Moleculen die bestaan uit een stikstofbase verbonden met een suiker (ribose of deoxyribose), maar zonder de fosfaatgroep. | | Aminozuren | De bouwstenen van eiwitten, die een centrale alfa-koolstofatoom hebben waaraan een aminogroep, een carboxylgroep, een waterstofatoom en een variabele zijketen (R-groep) gebonden zijn. | | Peptiden | Korte ketens van aminozuren die met elkaar verbonden zijn door peptidebindingen. | | Polypeptide | Een lange keten van aminozuren die met elkaar verbonden zijn door peptidebindingen; een eiwit is een functioneel polypeptide of een complex van polypeptiden. | | Peptidebinding | De amidebinding die wordt gevormd tussen de carboxylgroep van het ene aminozuur en de aminogroep van een ander aminozuur tijdens de vorming van een peptide of eiwit. | | Alpha helix | Een veelvoorkomende secundaire structuur in eiwitten, gekenmerkt door een spiraalvormige configuratie van de polypeptideketen, gestabiliseerd door waterstofbruggen. | | Beta sheet | Een veelvoorkomende secundaire structuur in eiwitten, waarbij polypeptideketens naast elkaar liggen en met elkaar verbonden zijn door waterstofbruggen, waardoor een platte, "geplooide" structuur ontstaat. | | Pka waarden | De negatieve logaritme van de zuurconstante ($K_a$), die de sterkte van een zuur aangeeft; $pK_a = -\log_{10}(K_a)$. Een lagere $pK_a$ betekent een sterker zuur. |

# Eigenschappen van aminozuren en eiwitstructuren Dit hoofdstuk behandelt de berekening van het iso-elektrisch punt van aminozuren, de functie van glycoproteïnen, en de vier structuurniveaus van eiwitten, die gezamenlijk de ruimtelijke conformatie en functie van eiwitten bepalen. ### 1.1 Het iso-elektrisch punt (pI) van aminozuren Het iso-elektrisch punt (pI) is de pH waarbij een aminozuur een netto lading van nul heeft. Bij deze pH is 50% van de moleculen positief geladen en 50% negatief geladen; dit staat bekend als een zwitterion [1](#page=1). #### 1.1.1 Berekening van het iso-elektrisch punt Voor aminozuren met één pKa-waarde wordt het iso-elektrisch punt berekend als het gemiddelde van de pKa-waarden van de ioniseerbare groepen. Voor aminozuren met twee pKa-waarden, zoals alanine, wordt het pI berekend met de formule: $$pI = \frac{pKa_1 + pKa_2}{2}$$ Hierbij zijn $pKa_1$ en $pKa_2$ de pKa-waarden van de twee ioniseerbare groepen [1](#page=1). * **Voorbeeld:** Voor alanine zijn de pKa-waarden: * $pKa$ (carboxylgroep, COOH) = 2.34 [1](#page=1). * $pKa$ (aminogroep, NH$_{3}^{+}$) = 9.69 [1](#page=1). De berekening van het pI voor alanine is: $$pI = \frac{2.34 + 9.69}{2} = \frac{12.03}{2} = 6.015 \approx 6.02$$ Bij pH 6.02 is alanine neutraal geladen. Bij een hogere pH dan het pI is het aminozuur negatief geladen (bijvoorbeeld de vorm met -1 lading), en bij een lagere pH is het positief geladen (bijvoorbeeld de vorm met +1 lading) [1](#page=1). ### 1.2 Glycoproteïnen Glycoproteïnen zijn eiwitten waaraan suikergroepen zijn gebonden. Deze suikergroepen spelen een cruciale rol bij celmarkering, stabiliteit van het eiwit, en organisatie van het genoom [1](#page=1). * **Voorbeelden van glycoproteïnen en gerelateerde termen:** * **Ribosomen:** Maken eiwitten [1](#page=1). * **Chromoproteïnen:** Eiwitten die pigmenten dragen [1](#page=1). * **Flavoproteïnen:** Katalyseren redoxreacties met flavine-nucleotiden (FMN/FAD) [1](#page=1). ### 1.3 Structuurniveaus van eiwitten Eiwitten hebben vier niveaus van ruimtelijke organisatie: primair, secundair, tertiair en quaternaire structuur. De uiteindelijke driedimensionale conformatie is essentieel voor de functie van het eiwit en wordt gestabiliseerd door verschillende soorten bindingen en bruggen, zoals waterstofbruggen en disulfidebruggen [1](#page=1). #### 1.3.1 Primaire structuur De primaire structuur van een eiwit is de lineaire volgorde van aminozuren, van de N-terminus naar de C-terminus. Deze volgorde wordt bepaald met moderne biochemische technieken. Hoewel herhalingen in aminozuursequenties zeldzaam zijn, komen ze wel voor in vezelproteïnen [1](#page=1). * **Moleculaire ziekten gerelateerd aan primaire structuur:** * **Sikkelcelanemie:** Een mutatie in het hemoglobine-eiwit vervangt glutamaat door valine op een specifieke positie in de primaire structuur. Dit leidt ertoe dat rode bloedcellen een sikkelvorm aannemen, wat anemie en vaatverstopping kan veroorzaken [1](#page=1). #### 1.3.2 Secundaire structuur De secundaire structuur verwijst naar lokale, regelmatige vouwingen van de polypeptideketen, voornamelijk gestabiliseerd door waterstofbruggen tussen de ruggengraat-atomen. De twee belangrijkste vormen van secundaire structuur zijn de $\alpha$-helix en de $\beta$-plaat. ##### 1.3.2.1 $\alpha$-helix structuur De $\alpha$-helix is een spiraalvormige structuur waarbij ongeveer 3.6 aminozuren per draai voorkomen. Deze structuur wordt intern gestabiliseerd door waterstofbruggen tussen de carbonylzuurstof van het ene aminozuur en de amidestof van een aminozuur vier residuen verderop in de sequentie. De zijketens (R-groepen) van de aminozuren wijzen naar buiten, weg van de helix-as [1](#page=1). * **Relatie met haarstructuur:** Keratinevezels, die de basis vormen van haar, zijn opgebouwd uit $\alpha$-helices. Deze $\alpha$-helices aggregeren tot proto-, micro- en macrofibrillen, waarbij bruggen zorgen voor extra stabilisatie [1](#page=1). ##### 1.3.2.2 $\beta$-platen (of $\beta$-sheets) $\beta$-platen bestaan uit meerdere $\beta$-strengen die naast elkaar liggen en een uitgestrekte, zigzagachtige structuur vormen. Deze structuren worden gestabiliseerd door waterstofbruggen die perpendiculair op de $\beta$-strengen lopen, gevormd tussen de ruggengraat-atomen van verschillende strengen. De meest stabiele vorm van $\beta$-platen is de antiparallelle oriëntatie, waarbij aangrenzende $\beta$-strengen in tegengestelde richtingen lopen (N-terminus naar C-terminus en vice versa) [1](#page=1). * **Voorbeeld:** Fibroïne (het hoofdbestanddeel van zijde) en $\beta$-keratine bevatten $\beta$-plaatstructuren [1](#page=1). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Isoelektrische punt (pI) | De pH waarbij een molecuul netto geen elektrische lading heeft. Voor aminozuren wordt dit berekend als het gemiddelde van de pKa-waarden van de ioniseerbare groepen. | | Zwitterion | Een molecuul dat zowel een positieve als een negatieve lading draagt, resulterend in een netto lading van nul. Dit treedt op bij het isoelektrische punt voor aminozuren. | | Glycoproteïnen | Eiwitten waaraan suikergroepen zijn gebonden. Ze spelen een rol bij celmarkering, stabiliteit en genoomorganisatie. | | Primaire structuur | De lineaire volgorde van aminozuren in een eiwitketen, van de N-terminus naar de C-terminus. Deze volgorde wordt bepaald door de genetische code en is cruciaal voor de uiteindelijke eiwitfunctie. | | Secundaire structuur | De lokale ruimtelijke vouwing van de polypeptideketen, voornamelijk gestabiliseerd door waterstofbruggen. Belangrijke voorbeelden zijn de alfavormige spiraal en de betavormige plaat. | | Alfavormige spiraal (α-helix) | Een spiraalvormige vouwing van een eiwitketen waarbij de ruggengraataminozuren waterstofbruggen vormen tussen naburige windingen. De zijketens wijzen naar buiten. | | Betavormige plaat (β-sheet) | Een structuur waarbij polypeptideketens naast elkaar liggen en gestabiliseerd worden door waterstofbruggen. De ketens kunnen parallel of antiparallel georiënteerd zijn, waarbij antiparallel het meest stabiel is. | | Moleculaire ziekten | Ziekten die veroorzaakt worden door een defect in een specifiek eiwit, vaak als gevolg van een genetische mutatie. Sikkelcelanemie is een voorbeeld waarbij een verandering in hemoglobine leidt tot afwijkende rode bloedcellen. |

# Denaturatie van eiwitten en nucleïnezuren Dit onderwerp behandelt de factoren die denaturatie veroorzaken, zoals pH en temperatuur, en de effecten daarvan op eiwitten en DNA, inclusief het hyperchrome effect. ### 1.1 Denaturatie van eiwitten Denaturatie van eiwitten treedt op wanneer de secundaire, tertiaire of quaternaire structuur van het eiwit verstoord wordt, terwijl de primaire structuur (de volgorde van aminozuren) intact blijft [1](#page=1). #### 1.1.1 Oorzaken van denaturatie Verschillende factoren kunnen denaturatie van eiwitten veroorzaken: * **pH:** Een hoge of lage pH kan de ladingstoestand van aminozuren veranderen, wat leidt tot afstoting tussen moleculen en verbreking van waterstofbruggen en ionische interacties [1](#page=1). * **Temperatuur:** Verhoogde temperaturen verhogen de kinetische energie van moleculen, waardoor de zwakke bindingen die de eiwitstructuur stabiliseren, verbroken kunnen worden. Elk enzym heeft een specifiek temperatuuroptimum. Boven dit optimum daalt de activiteit door denaturatie [1](#page=1). * **Andere factoren:** Detergenten zoals SDS, organische oplosmiddelen en chaotrope stoffen kunnen ook eiwitten ontvouwen. SDS heeft als extra effect dat het eiwitten negatief laadt [1](#page=1). #### 1.1.2 Effecten op enzymen De pH beïnvloedt zowel de vorm als de lading van een enzym. Dit heeft directe gevolgen voor de enzymactiviteit en substraatbinding [1](#page=1). ### 1.2 Denaturatie van nucleïnezuren Nucleïnezuren, zoals DNA en RNA, zijn polymeren van nucleotiden. Hun structuur kan ook gedegradeerd worden door denaturatie [1](#page=1). #### 1.2.1 Structuur van DNA en RNA * **DNA:** Bevat deoxyribose, de nucleobasen adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T). Het is dubbelstrengs en bestaat uit twee antiparallelle strengen die een dubbele helix vormen. De backbone wordt gevormd door fosfodiësterverbindingen [1](#page=1). * **RNA:** Bevat ribose, de nucleobasen adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en uracil (U). Het is meestal enkelstrengs [1](#page=1). #### 1.2.2 Basenparing in DNA In DNA vormen de basen paren via waterstofbruggen: adenine (A) paart met thymine (T) via twee waterstofbruggen, en guanine (G) paart met cytosine (C) via drie waterstofbruggen. De strengen lopen antiparallel (5' naar 3' en 3' naar 5') en de basen zijn gestapeld, wat de secundaire structuur van DNA bepaalt [1](#page=1). #### 1.2.3 Typen DNA-structuren Naast de standaard B-DNA-structuur, bestaan ook A-DNA (voorkomend in RNA-hybriden) en Z-DNA (een linksdraaiende vorm). Triple helix structuren en ronddraaiende coils worden ook waargenomen, met name bij denaturatie [1](#page=1). #### 1.2.4 Denaturatie van DNA Denaturatie van DNA treedt op bij hoge temperatuur of chemische stress. Hierbij gaat dubbelstrengs DNA (dsDNA) over in enkelstrengs DNA (ssDNA) [1](#page=1). #### 1.2.5 Het hyperchrome effect Het hyperchrome effect is een fenomeen waarbij enkelstrengs DNA (ssDNA) meer UV-licht absorbeert bij een golflengte van 260 nm dan dubbelstrengs DNA (dsDNA). Dit resulteert in een toename van de absorptie bij 260 nm ($A_{260}$) tijdens denaturatie. Dit effect wordt gebruikt in technieken zoals PCR en DNA-analyse [1](#page=1). > **Tip:** Het hyperchrome effect is een cruciale indicator voor de mate van DNA-denaturatie en wordt veelvuldig gebruikt in moleculaire biologie om de smelttemperatuur ($T_m$) van DNA te bepalen. > **Voorbeeld:** Bij het verwarmen van een DNA-monster zal de gemeten absorptie bij 260 nm geleidelijk toenemen naarmate de temperatuur stijgt en de dubbele helix begint te ontwinden tot enkelstrengs DNA. De temperatuur waarbij de absorptie halverwege de stijging is, wordt de $T_m$ genoemd en is een maat voor de stabiliteit van de dubbele helix. --- # Enzymwerking en pH De pH beïnvloedt de vorm en daarmee de activiteit van enzymen en de binding met substraten [1](#page=1). ### 2.1 Invloed van pH op enzymactiviteit De pH heeft een directe impact op de driedimensionale structuur van een enzym. Dit komt doordat de protoneringsgraad van aminozuurzijketens, met name die van geladen en polaire aminozuren, afhankelijk is van de pH. Veranderingen in protonering kunnen leiden tot veranderingen in de ionisatie van functionele groepen, wat op zijn beurt de interacties binnen het enzymmolecuul beïnvloedt [1](#page=1). #### 2.1.1 Effect op enzymvorm en substraatbinding * **Vormverandering:** De specifieke pH-omgeving bepaalt hoe de verschillende geladen groepen in het enzym elkaar aantrekken of afstoten. Dit is cruciaal voor het behoud van de correcte tertiaire structuur van het enzym, inclusief de actieve site [1](#page=1). * **Substraatbinding:** De actieve site van een enzym is gevormd door specifieke aminozuurresiduen die essentieel zijn voor substraatbinding. De ionisatiegraad van deze residuen, beïnvloed door de pH, kan de affiniteit van het enzym voor zijn substraat direct beïnvloeden. Soms moet het substraat zelf ook geïoniseerd zijn om te kunnen binden [1](#page=1). #### 2.1.2 Optimum pH Elk enzym heeft een specifiek pH-optimum waarbij de activiteit het hoogst is. Buiten dit optimum treedt een afname in activiteit op [1](#page=1). * **Oorzaken van verminderde activiteit:** * **Verandering in ionisatiegraad van de actieve site:** Als de pH verandert, kunnen de geladen groepen in de actieve site die essentieel zijn voor de binding van het substraat of voor de katalytische reactie, hun lading verliezen of een verkeerde lading krijgen [1](#page=1). * **Verandering in de ionisatiegraad van het substraat:** Sommige substraten moeten een specifieke lading hebben om te kunnen binden aan de actieve site [1](#page=1). * **Denaturatie:** Bij extreme pH-waarden kan het enzym permanent van vorm veranderen (denaturatie) . Dit is een proces waarbij de driedimensionale structuur wordt verstoord, wat leidt tot permanent verlies van activiteit [1](#page=1). > **Tip:** Het pH-optimum is niet altijd gelijk aan de pH van de omgeving waar het enzym normaal functioneert. Veel enzymen in het menselijk lichaam hebben een optimum rond de neutrale pH van 7,4, maar bijvoorbeeld pepsine in de maag werkt optimaal bij een zeer lage pH van ongeveer 2 [1](#page=1). #### 2.1.3 Denaturatie door pH Hoge of lage pH-waarden kunnen leiden tot denaturatie van enzymen. Dit proces ontvouwt het eiwit en verandert de vorm van de actieve site, waardoor het enzym zijn functie verliest. De negatieve lading van de structuren die betrokken zijn bij denaturatie door hoge pH wordt genoemd [1](#page=1). --- # Temperatuur en enzymactiviteit Temperatuur heeft een significante invloed op de reactiesnelheid van enzymen, waarbij elk enzym een specifiek temperatuuroptimum heeft voor maximale activiteit. Boven dit optimum leidt verhoogde temperatuur tot denaturatie en dus tot een afname van de activiteit [1](#page=1). ### 3.1 Invloed van temperatuur op enzymactiviteit De algemene relatie tussen temperatuur en de reactiesnelheid van enzymen is tweeledig: 1. **Stijging van de reactiesnelheid:** Naarmate de temperatuur stijgt, neemt de kinetische energie van de moleculen toe. Dit resulteert in frequentere en krachtigere botsingen tussen het enzym en het substraat, wat leidt tot een hogere reactiesnelheid. Deze stijging zet zich voort tot het optimale temperatuurpunt is bereikt [1](#page=1). 2. **Daling van de reactiesnelheid door denaturatie:** Boven het optimale temperatuurpunt beginnen de warmtebewegingen de zwakke waterstofbruggen en andere interacties die de driedimensionale structuur van het enzym stabiliseren, te verbreken. Dit proces, bekend als denaturatie, leidt tot het ontvouwen van de eiwitstructuur van het enzym, waardoor de actieve site vervormt en het enzym zijn functionele capaciteit verliest. De reactiesnelheid daalt hierdoor drastisch [1](#page=1). ### 3.2 Het specifieke temperatuuroptimum van enzymen Elk enzym is geoptimaliseerd voor een specifieke temperatuur waarbij de activiteit maximaal is. Dit optimum is afhankelijk van de specifieke functie en het leefmilieu van het enzym [1](#page=1). * **Voorbeeld:** Enzymen in het menselijk lichaam hebben vaak een optimum rond de lichaamstemperatuur (ongeveer 37 graden Celsius) . Enzymen van thermofiele bacteriën die in hete bronnen leven, kunnen daarentegen optima rond de 70 graden Celsius of hoger hebben [1](#page=1). ### 3.3 Denaturatie en temperatuur Denaturatie door verhoogde temperatuur is in principe een onomkeerbaar proces voor de meeste enzymen, omdat de complexe structuur van het eiwit niet spontaan terugkeert naar zijn oorspronkelijke, functionele staat zodra de temperatuur daalt. De denaturatie treedt op wanneer de temperatuur te hoog wordt voor de stabiliteit van de eiwitstructuur [1](#page=1). > **Tip:** Onthoud dat temperatuur niet alleen de reactiesnelheid beïnvloedt door kinetische energie te verhogen, maar ook door de integriteit van de enzymstructuur zelf aan te tasten. Het optimum is een balans tussen deze twee effecten. --- # Structuur en eigenschappen van DNA en RNA Nucleïnezuren, zoals DNA en RNA, zijn polymeren die zijn opgebouwd uit nucleotiden. Elk nucleotide bestaat uit drie componenten: een fosfaatgroep, een pentosesuiker en een nucleobase [1](#page=1). ### 4.1 Samenstelling van DNA en RNA * **DNA (deoxyribonucleïnezuur)** bevat de pentosesuiker deoxyribose en de nucleobases adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T) [1](#page=1). * **RNA (ribonucleïnezuur)** bevat de pentosesuiker ribose en de nucleobases adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en uracil (U) [1](#page=1). De ruggengraat van zowel DNA als RNA bestaat uit fosfodiësterbindingen, die de fosfaatgroepen en suikermoleculen met elkaar verbinden [1](#page=1). ### 4.2 Structuur van DNA DNA heeft doorgaans een dubbelstrengse structuur, waarbij de twee strengen antiparallel lopen. Dit betekent dat de ene streng loopt van het 5'-uiteinde naar het 3'-uiteinde, terwijl de andere streng van het 3'-uiteinde naar het 5'-uiteinde loopt [1](#page=1). #### 4.2.1 Basenparing en de dubbele helix De twee DNA-strengen worden bij elkaar gehouden door basenparing, waarbij specifieke paren worden gevormd: * Adenine (A) paart met Thymine (T) via twee waterstofbruggen [1](#page=1). * Guanine (G) paart met Cytosine (C) via drie waterstofbruggen [1](#page=1). De basen liggen gestapeld binnen de dubbele helix. Deze regelmatige stapeling van basen en de interacties daartussen vormen de secundaire structuur van DNA, wat resulteert in de kenmerkende dubbele helix-vorm [1](#page=1). #### 4.2.2 Verschillende vormen van DNA Naast de meest voorkomende B-DNA vorm, zijn er ook andere structuren beschreven: * **A-DNA:** Komt onder andere voor in RNA-hybriden [1](#page=1). * **Z-DNA:** Een linksdraaiende vorm van DNA [1](#page=1). * **Triple helix:** Een structuur bestaande uit drie DNA-strengen [1](#page=1). * **Rondom coil:** Een structuur die kan ontstaan bij denaturatie [1](#page=1). ### 4.3 Denaturatie van DNA Denaturatie is het proces waarbij de dubbelstrengse structuur van DNA (dsDNA) overgaat in enkelstrengs DNA (ssDNA). Dit kan worden veroorzaakt door verschillende factoren, waaronder [1](#page=1): * Hoge temperaturen [1](#page=1). * Chemische stress, zoals detergenten (bv. SDS), organische oplosmiddelen of hoge pH [1](#page=1). #### 4.3.1 Hyperchroomeffect Een belangrijk fenomeen dat optreedt bij denaturatie is het hyperchromeffect. Enkelstrengs DNA absorbeert meer ultraviolet licht (UV) bij een golflengte van 260 nanometer (nm) dan dubbelstrengs DNA. Dit verschil in absorptie (toename van A260 bij denaturatie) wordt gebruikt in technieken zoals PCR en DNA-analyse [1](#page=1). > **Tip:** Begrijpen hoe denaturatie werkt is cruciaal voor moleculaire biologie technieken, omdat veel experimenten afhankelijk zijn van het scheiden van DNA-strengen. > **Example:** Bij het uitvoeren van een PCR-reactie, wordt de temperatuur verhoogd om de DNA-dubbelhelix te denatureren, zodat de primers aan de enkelstrengse templates kunnen binden. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Denaturatie | Het proces waarbij de driedimensionale structuur van een eiwit of nucleïnezuur verandert door externe factoren zoals temperatuur, pH of chemische stoffen, wat leidt tot verlies van functie. Bij DNA resulteert dit in het scheiden van de dubbele helix in twee enkelvoudige strengen. | | pH | Een maat voor de zuurgraad of alkaliteit van een oplossing, die de concentratie van waterstofionen aangeeft. pH-waarden beïnvloeden sterk de interacties en activiteit van biologische moleculen zoals enzymen en nucleïnezuren. | | Enzymactiviteit | De mate waarin een enzym zijn katalytische functie uitoefent, wat afhangt van factoren zoals temperatuur, pH, substraatconcentratie en de aanwezigheid van cofactoren of remmers. | | Substraatbinding | Het proces waarbij een specifiek molecuul (het substraat) zich bindt aan het actieve centrum van een enzym, wat een voorwaarde is voor katalyse. De affiniteit voor substraatbinding wordt beïnvloed door de structuur van het enzym en de omgevingsfactoren. | | Nucleïnezuur | Een macromolecuul dat bestaat uit een keten van nucleotiden. De twee belangrijkste soorten zijn desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA), die genetische informatie opslaan en doorgeven. | | Nucleotide | De bouwsteen van nucleïnezuren, bestaande uit een fosfaatgroep, een pentosesuiker (desoxyribose in DNA, ribose in RNA) en een stikstofbase (adenine, guanine, cytosine, thymine of uracil). | | DNA | Desoxyribonucleïnezuur, een dubbelstrengs molecuul dat de genetische instructies voor de ontwikkeling, functionering, groei en reproductie van alle bekende organismen bevat. | | RNA | Ribonucleïnezuur, een enkelstrengs molecuul dat betrokken is bij diverse biologische functies, waaronder het coderen, decoderen, reguleren en tot expressie brengen van genen. | | Dubbele helix | De karakteristieke structuur van DNA, bestaande uit twee antiparallelle strengen die rond elkaar zijn gewikkeld, vergelijkbaar met een gedraaide ladder. | | Antiparallel | Beschrijft de oriëntatie van twee strengen in een dubbele helix, waarbij de ene streng loopt van 5" naar 3" richting en de andere van 3" naar 5". | | Basenparing | Het specifieke proces waarbij stikstofbasen aan weerszijden van een dubbele helix waterstofbruggen vormen: adenine (A) paart met thymine (T) via twee waterstofbruggen, en guanine (G) paart met cytosine (C) via drie waterstofbruggen. | | Hyperchrome effect | De waargenomen toename in UV-absorptie bij 260 nm wanneer dubbelstrengs DNA denatureert tot enkelstrengs DNA. Dit effect wordt gebruikt om de mate van denaturatie te meten. |

# Zwakke krachten en hun rol in biochemie Biochemische processen zijn afhankelijk van transiënte of permanente interacties tussen biomoleculen, voornamelijk tot stand gebracht door zwakke, niet-covalente associaties zoals waterstofbruggen, ionaire bindingen, van der Waals interacties en het hydrofoob effect. Deze interacties zijn cruciaal voor de structuur en functie van biomoleculen en de organisatie van cellulaire componenten [19](#page=19) [6](#page=6). ### 1.1 Waterstofbruggen #### 1.1.1 Waterstofbruggen in water Water vormt een essentieel medium voor biochemische reacties en organismen bestaan voor 70 tot 80% uit water. Het zuurstofatoom in een watermolecuul is elektronegatiever dan waterstof, waardoor het de gemeenschappelijke elektronenparen naar zich toetrekt. Dit resulteert in een polaire structuur met een dipoolmoment, waarbij de zuurstofzijde licht negatief en de waterstofzijde licht positief geladen is. Deze polariteit leidt ertoe dat watermoleculen zich oriënteren en elkaar aantrekken via zwakke interacties die waterstofbruggen worden genoemd [7](#page=7). De energie van een waterstofbrug tussen watermoleculen is ongeveer 5 kcal/mol, wat aanzienlijk lager is dan de bindingsenergie van een covalente binding (O-H = 110 kcal/mol). De afstand tussen de kernen in een O-H binding is ongeveer 1.2 Å, terwijl de afstand in een waterstofbrug rond de 2.7 Å ligt. Deze waterstofbruggen dragen bij aan het hoge kookpunt van water [9](#page=9). #### 1.1.2 Waterstofbruggen tussen biomoleculen Biomoleculen kunnen ook waterstofbruggen vormen wanneer ze functionele groepen bevatten met elektronegatieve atomen zoals zuurstof (O) of stikstof (N). Groepen zoals hydroxyl (OH), amine (NH2), carbonyl (C=O) en amidegroepen zijn hierbij betrokken. Een waterstofbrugdonor is een atoom (meestal O of N) dat gebonden is aan een waterstofatoom, terwijl een waterstofbrugacceptor een elektronegatief atoom is dat een waterstofatoom kan accepteren [10](#page=10). * **Waterstofbrugdonor:** Een groep die een H-atoom levert dat aan een elektronegatief atoom is gebonden. * **Waterstofbrugacceptor:** Een elektronegatief atoom (zoals O of N) dat een H-atoom van een donor accepteert. Waterstofbruggen kunnen lineair of niet-lineair zijn, waarbij lineaire waterstofbruggen doorgaans sterker zijn. Deze interacties zijn cruciaal voor de oplosbaarheid van moleculen in water (hydrofiele eigenschap) en spelen een belangrijke rol in de structuur van eiwitten en nucleïnzuren [10](#page=10) [19](#page=19). ### 1.2 De ionaire binding (elektrostatische binding) Wanneer het verschil in elektronegativiteit tussen twee atomen groot is, kan een elektronpaar van het ene atoom (donor) volledig overgaan naar het andere atoom (acceptor), wat resulteert in de vorming van ionen: een anion (negatief geladen) en een kation (positief geladen). Een proton (H+) kan zich binden aan een ander atoom om een kation te vormen. De aantrekkingskracht tussen deze tegengesteld geladen ionen wordt beschreven door de wet van Coulomb [11](#page=11). De sterkte van deze interactie wordt beïnvloed door de diëlektrische constante (D) van het medium. Water heeft een hoge diëlektrische constante (ongeveer 80), vergeleken met vacuüm (D=1). Hierdoor is water een uitstekend oplosmiddel voor ionen, omdat de watermoleculen (met hun dipoolkarakter) de ionen omringen in een "watermantel", waarbij hydratatie-energie vrijkomt [12](#page=12). ### 1.3 Van der Waals interacties Van der Waals interacties zijn zwakke aantrekkingskrachten die optreden tussen niet-polaire moleculen. Ze ontstaan door transiënte dipolen die op korte afstand ontstaan wanneer de elektronenwolk van een molecuul fluctueert, waardoor een tijdelijke dipool ontstaat die een induceerbare dipool in een naburig molecuul kan creëren [13](#page=13). De sterkte van deze interactie is sterk afhankelijk van de afstand tussen de moleculen, waarbij er een optimale afstand is voor de interactie, de van der Waals straal. Deze optimale afstand is ongeveer twee keer de covalent gebonden straal. Hoewel de energie van een enkele van der Waals interactie laag is (ongeveer 1 kcal/mol), zijn ze gezamenlijk zeer belangrijk door het grote aantal interacties dat kan optreden tussen grote biomoleculen [13](#page=13). De van der Waals stralen voor enkele atomen uit biomoleculen zijn: * H: 1.2 Å * C: 2.0 Å * N: 1.5 Å * O: 1.4 Å * S: 1.85 Å ### 1.4 Het hydrofoob effect Het hydrofoob effect beschrijft de neiging van hydrofobe (water-afstotende) moleculen om te aggregeren in een waterige oplossing. Dit staat tegenover hydrofiele (water-liefhebende) moleculen die goed oplossen in water. Wanneer hydrofobe moleculen zich in water bevinden, verstoren ze de waterstofbrugstructuur van het water. Om de thermodynamisch ongunstige verstoring van de waterstructuur te minimaliseren, aggregeren hydrofobe moleculen, waardoor het oppervlak dat in contact staat met water wordt verkleind. Dit aggregeren is een belangrijke drijvende kracht achter de opvouwing van eiwitten en de vorming van membraanstructuren [15](#page=15) [19](#page=19). > **Tip:** Het hydrofobe effect is niet zozeer een aantrekkingskracht tussen hydrofobe moleculen, maar eerder een gevolg van de ongunstige interactie met water, wat leidt tot een verhoging van de orde in het water en dus een afname van de entropie. ### 1.5 De rol van zwakke krachten in biochemische structuren en processen De collectieve werking van deze verschillende zwakke krachten is essentieel voor tal van biochemische processen en moleculaire structuren [19](#page=19). * **Dubbelstrengig DNA:** De stabiliteit van de dubbele helix van DNA is grotendeels te danken aan waterstofbruggen die gevormd worden tussen de complementaire nucleobasen (A met T, en G met C) [19](#page=19). * **Celmembranen:** Het hydrofobe effect is de drijvende kracht achter de vorming van de lipide dubbellaag die celmembranen vormt. Hydrofobe staarten van lipiden clusteren in het inwendige van het membraan, weg van het waterige milieu [19](#page=19). * **Eiwitstructuur:** De secundaire structuur van eiwitten, zoals alfa-helices en bèta-sheets, wordt gevormd door waterstofbruggen tussen de backbone atomen van aminozuren. De tertiaire en quaternaire structuren worden verder gestabiliseerd door een combinatie van waterstofbruggen, van der Waals interacties en hydrofobe interacties [19](#page=19). * **Moleculaire herkenning:** Interacties tussen biomoleculen, zoals DNA-bindende eiwitten (transcriptiefactoren) en hun DNA-sequenties, berusten op een combinatie van elektrostatische interacties en waterstofbrugvorming, waardoor een hoge specificiteit wordt bereikt [19](#page=19). De synergetische werking van deze zwakke krachten maakt complexe biologische functies mogelijk op moleculair niveau [19](#page=19). --- # Lipiden en cellulaire membranen Lipiden vormen een diverse groep moleculen die voornamelijk worden gekenmerkt door hun hydrofobe aard en hun onoplosbaarheid in water, wat essentieel is voor de vorming van cellulaire membranen en andere biologische functies [27](#page=27). ### 2.1 Inleiding tot lipiden Lipiden zijn een van de vier hoofdklassen van organische macromoleculen, naast eiwitten, polynucleotiden en suikers. Hun hydrofobe karakter is een fundamenteel kenmerk dat hun rol in biologische systemen bepaalt. Lipiden dienen als belangrijke bronnen van cellulaire energie, fungeren als signaalmoleculen en zijn de bouwstenen van biologische membranen. De belangrijkste groepen lipiden die in cellulaire membranen voorkomen, zijn fosfolipiden, glycolipiden en cholesterol. Lipiden hebben ook medische relevantie; bijvoorbeeld, multiple sclerose wordt geassocieerd met het verlies van plasmalogenen, wat leidt tot demyelinisatie. Hartaandoeningen kunnen verband houden met antilichamen tegen fosfolipiden, en de ziekte van Alzheimer kan worden gekenmerkt door een verhoogde afbraak van membraanfosfolipiden [27](#page=27) [28](#page=28). ### 2.2 Fosfolipiden Fosfolipiden zijn de meest voorkomende lipiden in biologische membranen en hebben een amfipatische structuur. Hun algemene structuur bestaat uit een glycerolruggengraat waarvan de hydroxylgroepen (-OH) veresterd zijn met vetzuurketens aan C1 en C2, en een fosfaatgroep aan C3. Het C2-atoom is een chiraal centrum, waarbij de L-vorm de natuurlijke vorm is. De fosfaatgroep kan verder veresterd zijn met een andere groep (X), wat leidt tot verschillende soorten fosfolipiden [29](#page=29) [35](#page=35). #### 2.2.1 Vetzuurketens De acylketens in fosfolipiden zijn typisch onvertakt en bevatten een even aantal koolstofatomen, meestal tussen 14 en 24 koolstofatomen. De meest voorkomende ketenlengtes zijn C16 en C18. Het aantal dubbele bindingen, altijd in *cis*-configuratie, varieert. Vetzuurketens kunnen verzadigd zijn (zonder dubbele bindingen) of onverzadigd (met één of meer dubbele bindingen). In dierlijke fosfolipiden is doorgaans één van de twee vetzuurketens verzadigd, terwijl de andere onverzadigd is. Voorbeelden van vetzuren zijn stearinezuur (verzadigd, C18), oleïnezuur (onverzadigd, C18 met één dubbele binding), linolzuur (onverzadigd, C18 met twee dubbele bindingen) en arachidonzuur (onverzadigd, C20 met vier dubbele bindingen) [30](#page=30) [31](#page=31). #### 2.2.2 Fosfatidinezuur en afgeleiden Wanneer de fosfaatgroep niet verder veresterd is, ontstaat diacylglycerol-3-fosfaat, ook bekend als fosfatidinezuur. Verschillende fosfolipiden zijn afgeleid van fosfatidinezuur door verestering van de fosfaatgroep met specifieke groepen zoals ethanolamine, choline, serine of inositol. De inositolring kan verder gefosforyleerd worden, wat leidt tot polyfosfoinositiden (PPI). PPI kunnen interageren met membraangeassocieerde eiwitten en fungeren als secundaire boodschappermoleculen. Een belangrijk voorbeeld is fosfatidylinositol-4,5-bisofosfaat (PIP2), dat kan binden aan domeinen zoals de pleckstrine homology (PH) domeinen van bepaalde cytoplasmatische eiwitten [32](#page=32) [34](#page=34). #### 2.2.3 Structuur en polariteit Elk glycerofosfolipide bestaat uit een polair deel, omvattende glycerol, de carbonylgroepen van de vetzuren, de fosfaatgroep en de polaire kopgroep (X), en een apolair deel, bestaande uit de hydrofobe koolwaterstofstaarten van de vetzuren (R1, R2). De aanwezigheid van een dubbele binding in een vetzuurketen veroorzaakt een 'kink' of buiging, wat de pakking van de moleculen beïnvloedt [35](#page=35). #### 2.2.4 Varianten van fosfolipiden Er bestaan verschillende varianten van glycerofosfolipiden. Difosfatidylglycerol is een voorbeeld waarbij twee fosfatidylgroepen aan elkaar gekoppeld zijn. Glycerofosfolipiden kunnen ook etherbindingen hebben in plaats van esterbindingen aan C1, zoals bij cholineplasmalogenen en ethanolamineplasmalogenen. Fosfolipiden met slechts één vetzuurketen worden lysofosfolipiden genoemd, zoals lysofosfatidylcholine en lysofosfatidylethaanolamine, die afkomstig zijn van lysofosfatidinezuur [36](#page=36). ### 2.3 Glycolipiden Glycolipiden zijn lipiden die een suikergroep bevatten in plaats van een fosfocholinegroep, en zijn afgeleid van sfingosine. Ze kunnen worden onderverdeeld in verschillende categorieën [39](#page=39): * **Cerebrosiden:** bevatten onvertakte suikerketens van minder dan vijf suikermoleculen [39](#page=39). * **Tweede groep:** kenmerkt zich door vertakte, langere, neutrale suikerketens [39](#page=39). * **Gangliosiden:** bezitten complexe, negatief geladen suikerketens, waaronder N-acetylneuraminezuur [39](#page=39). Sfingomyeline en glucosylcerebroside zijn voorbeelden van sfingolipiden. Sfingomyeline is een sfingofosfolipide, terwijl glucosylcerebroside een cerebroside is. De kernstructuur van sfingolipiden is sfingosine, dat met een vetzuur is geamideerd om ceramiden te vormen [40](#page=40). #### 2.3.1 Lysosomale stapelingsziekten Verstoorde afbraak van sfingolipiden kan leiden tot lysosomale stapelingsziekten. Een voorbeeld hiervan is de ziekte van Tay-Sachs, die wordt veroorzaakt door een defect in het enzym β-hexosaminidase A, essentieel voor de afbraak van bepaalde sfingolipiden. Andere gerelateerde ziekten zijn de ziekte van Gaucher en de ziekte van Niemann-Pick. Deze aandoeningen kunnen leiden tot mentale retardatie en vroegtijdige dood [42](#page=42). ### 2.4 Cholesterol Cholesterol is een steroïde lipide dat kenmerkend is voor dierlijke systemen. Het is een neutraal lipide en komt voornamelijk voor in het plasmamembraan. Cholesterol is een relatief vlak molecuul dat zich in de dubbellaag van het membraan integreert met zijn hydroxylgroep georiënteerd naar de waterige fase en het hydrofobe ringensysteem naast de vetzuurketens van de fosfolipiden. De hydroxylgroep van cholesterol kan waterstofbruggen vormen met de polaire kopgroepen van fosfolipiden [42](#page=42) [43](#page=43). ### 2.5 Vorming van fosfolipiden dubbellagen Een algemeen structureel kenmerk van alle lipiden is hun amfipatische aard. In een waterige omgeving zullen lipiden zich organiseren om hun hydrofobe delen te beschermen tegen water, voornamelijk door het hydrofobe effect. Dit leidt tot de spontane vorming van zelfsluitende structuren zoals micellen of lipidendubbellagen. Micellen worden gevormd door lipiden met een enkele hoofdgroep, zoals lysophospholipiden of bepaalde fosfoinositiden. Lipidendubbellagen, bestaande uit twee lagen fosfolipiden met de hydrofobe staarten naar elkaar gericht, vormen vesicles of liposomen, of een continue plaatstructuur [44](#page=44). #### 2.5.1 Barrièrevorming en permeabiliteit De gelaagdheid van hydrofiel-hydrofoob-hydrofiel in een lipidendubbellaag vormt een fysische barrière. De permeabiliteitscoëfficiënt van ionen en kleine moleculen door deze membranen varieert sterk. Zo zijn de permeabiliteitscoëfficiënten voor natriumionen ($Na^+$) en kaliumionen ($K^+$) zeer laag ($10^{-12}$ en $5 \times 10^{-11}$ respectievelijk), terwijl water een relatief hoge permeabiliteit heeft ($5 \times 10^{-2}$) [45](#page=45) [46](#page=46). ### 2.6 Biomembranen: de grenzen van cellen en celorganellen Biomembranen zijn plaatvormige structuren die cellen en celorganellen begrenzen, en zijn essentieel voor compartimentalisering. Ze bestaan voornamelijk uit een lipide dubbellaag waarin eiwitten zijn ingebed. De dikte van een membraan varieert doorgaans tussen 60 en 100 Å (angström), waarbij het hydrofobe deel ongeveer 30-35 Å dik is [47](#page=47). #### 2.6.1 Samenstelling van biologische membranen De lipide-eiwitverhouding in membranen kan sterk variëren afhankelijk van het celtype en de membraanfunctie. Membraaneiwitten worden onderverdeeld in integrale en perifere membraaneiwitten. Integrale membraaneiwitten zijn ingebed in de lipide dubbellaag en interageren hiermee via hydrofobe en van der Waals interacties. Perifere membraaneiwitten zijn zwakker gebonden aan het membraan via elektrostatische interacties en/of waterstofbruggen [53](#page=53). #### 2.6.2 Membraaneiwitten, carbohydraten en lipidatie Membraaneiwitten kunnen worden gemodificeerd met suikers, wat leidt tot glycoproteïnen. Samen met glycolipiden vormen deze structuren de glycocalyx. Suikergroepen hechten zich vaak aan asparagine (Asn), serine (Ser) of threonine (Thr) residuen. Glycoproteïnen hebben doorgaans korte, vertakte suikerketens, terwijl proteoglycanen langere suikerketens hebben. Deze suikerresten hebben een stabiliserende werking en spelen een rol bij de correcte oriëntatie van eiwitten [53](#page=53) [63](#page=63). Gemodificeerde cytoplasmatische eiwitten kunnen zich na hun modificatie associëren met membranen door de covalente aanhechting van lipide groepen, zoals isopreenylgroepen (farnesyl, geranylgeranyl) of vetzuren (myristaat, palmitaat). Deze proces, lipidatie genaamd, verhoogt de hydrofobiciteit van het eiwit en faciliteert de associatie met het plasmamembraan. Voorbeelden van gelipideerde eiwitten zijn Ras-oncoproteïnen, die een cruciale rol spelen in celproliferatie en apoptose. Mutaties in Ras-genen kunnen leiden tot constitutief actieve proteïnen en kanker. Hierdoor vormen eiwitlipidatie doelwitten voor medicijnontwikkeling, met name voor kankertherapie, door inhibitoren van enzymen zoals farnesyltransferase en geranylgeranyltransferase te ontwikkelen [55](#page=55) [58](#page=58) [59](#page=59) [61](#page=61). ##### 2.6.2.1 Bloedgroepen en glycanen De bloedgroepantigenen (A, B, AB, O) zijn voorbeelden van glycolipiden en membraanglycoproteïnen met variërende oligosaccharideketens. De enzymen die de O-antigeenstructuur maken zijn universeel aanwezig. Personen met bloedgroep A hebben een extra enzym dat N-acetylgalactosamine toevoegt, terwijl personen met bloedgroep B een enzym hebben dat galactose toevoegt. Personen met bloedgroep AB hebben genen voor beide enzymen. Bloedgroepen A en O produceren anti-B-antilichamen, terwijl bloedgroepen B en O antilichamen produceren die A-specifieke N-acetylgalactosamine herkennen [65](#page=65) [66](#page=66) [67](#page=67). ##### 2.6.2.2 Rol van glycaanresten in eiwitsecretie en adressering Glycaanresten op glycoproteïnen spelen een rol bij eiwitsecretie en adressering binnen de cel. Glycoproteïnen met mannose-6-fosfaat op hun eindketens worden gericht naar lysosomen voor intracellulaire verwerking. Glycoproteïnen met eindstandige siaalzuur (NANA) worden daarentegen gesecreteerd. Verwijdering van siaalzuur van glycoproteïnen in het bloed wordt herkend door de asialoglycoproteïne receptor op hepatocyten (levercellen), wat leidt tot hun klaring uit de bloedbaan [69](#page=69). ### 2.7 Membranen als vloeibare systemen Biologische membranen zijn geen rigide structuren, maar eerder vloeibare systemen waarin membraancomponenten mobiel zijn. Lipidebewegingen, zoals rotatie, laterale diffusie en buiging, vinden plaats op de schaal van nanoseconden. Flip-flop bewegingen, waarbij een lipide van de ene naar de andere leaflet van de dubbellaag beweegt, zijn veel zeldzamer en duren langer (orde van $10^5$ seconden) [70](#page=70). #### 2.7.1 Het vloeibare mozaïekmodel Het vloeibare mozaïekmodel, voorgesteld door Singer en Nicolson in 1972, beschrijft membranen als een dynamische structuur waarin lipiden een vloeibare matrix vormen waarin membraaneiwitten zijn ingebed. Integrale membraaneiwitten zijn in dit model 'vrij' om lateraal te bewegen. Immobiele membraaneiwitten zijn echter verankerd aan het cytoskelet. Dit model verklaart de asymmetrie van membranen, waarbij neutrale of negatief geladen fosfolipiden voornamelijk aan de intracellulaire zijde voorkomen, terwijl choline-bevattende lipiden en glycolipiden meer aan de extracellulaire zijde te vinden zijn [70](#page=70) [71](#page=71). #### 2.7.2 Membraanviscositeit en temperatuur De viscositeit van het membraan wordt sterk beïnvloed door de samenstelling van de vetzuurketens. Bij lage temperaturen bevinden de lipiden zich in een meer geordende, kristallijne toestand, terwijl ze bij hogere temperaturen vloeibaarder worden. De temperatuur waarbij deze overgang plaatsvindt, wordt de smelttemperatuur ($T_m$) of transitietemperatuur genoemd [73](#page=73). #### 2.7.3 Rol van cholesterol in membraanviscositeit Cholesterol speelt een cruciale rol als regulator van de membraanviscositeit. Bij lage temperaturen vertraagt cholesterol het uitkristalliseren van de lipide dubbellaag, waardoor het membraan vloeibaarder blijft. Bij hogere temperaturen beperkt cholesterol de beweging van de koolwaterstofketens, wat de vloeibaarheid vermindert. Cholesterol positioneert zich tussen de lange vetzuurketens, en de C3-hydroxylgroep vormt een waterstofbrug met de carbonylgroep van een fosfolipide. Dit effect wordt vaak vergeleken met een 'antivries'-functie voor het membraan [75](#page=75). --- # Eiwitstructuur en -functie Eiwitten zijn complexe moleculen waarvan de specifieke driedimensionale structuur essentieel is voor hun functie, variërend van de primaire aminozuursequentie tot de intermediaire secundaire en tertiaire structuren, tot en met de mogelijke quaternaire structuur. ### 3.1 De architectuur van eiwitten #### 3.1.1 Inleiding Eiwitten, ook wel proteïnen genoemd, zijn polymeren van aminozuren die worden gesynthetiseerd via transcriptie en translatie. De opeenvolging van aminozuren in een polypeptideketen, de primaire structuur, bepaalt de uiteindelijke driedimensionale (3D) structuur, oftewel de tertiaire structuur. Deze 3D-structuur wordt hiërarchisch opgebouwd uit secundaire structuren, supersecundaire structuren, eiwitdomeinen en ten slotte de quaternaire structuur wanneer meerdere polypeptiden samenkomen. Eiwitten kunnen globaal (typisch met een straal van ~2-5 nm) of fibrillair zijn, waarbij fibrillaire eiwitten veel groter kunnen zijn, zoals tropocollageen (~300 nm) of amyloïde proteïne-aggregaten (~1 mm of groter) [76](#page=76) [77](#page=77). #### 3.1.2 Aminozuren, 20 verschillende bouwstenen van eiwitten De functionele diversiteit van eiwitten wordt mogelijk gemaakt door de 20 verschillende standaard aminozuren die als bouwstenen dienen. Essentiële aminozuren kunnen niet door het organisme zelf worden gesynthetiseerd en moeten via de voeding worden verkregen. Een ezelsbruggetje hiervoor is "PVT TIM HALL" (Phenylalanine, Valine, Tryptophan, Histidine, Arginine, Lysine, Leucine, Threonine, Isoleucine, Methionine); histidine en arginine zijn enkel essentieel bij kinderen [81](#page=81). Elk aminozuur heeft een algemene structuur met een centraal chiraal koolstofatoom (het α-koolstofatoom), een aminogroep ($-NH_2$), een carboxylgroep ($-COOH$) en een zijketen (R-groep). De zijketens variëren in grootte, lading en chemische eigenschappen, wat de eigenschappen van het uiteindelijke eiwit bepaalt. De meeste aminozuren komen in de natuur voor als L-isomeren, hoewel D-aminozuren ook biologische functies hebben, zoals neurotransmitters, zoetstoffen, en kunnen voorkomen in schelpdieren en slangentoxins [82](#page=82) [83](#page=83). De 20 standaard aminozuren kunnen worden ingedeeld op basis van de aard van hun zijketens: * **Alifatische zijketens:** Glycine (kleinste, geen chiraal centrum, belangrijke structurele rol) Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine. Deze zijn hydrofoob [84](#page=84) [85](#page=85). * **Aromatische zijketens:** Fenylalanine, Tyrosine en Tryptofaan. Deze zijn hydrofoob [85](#page=85) [86](#page=86). * **Zwavelaatomen bevattende zijketens:** Methionine en Cysteïne. De thiolgroep van cysteïne is chemisch zeer reactief [87](#page=87). * **Geladen zijketens:** * **Zuur geladen:** Asparaginezuur en Glutaminezuur [88](#page=88). * **Basisch geladen:** Lysine en Arginine [89](#page=89) [90](#page=90). * **Histidine:** Kan bij fysiologische pH deels geprotoneerd zijn, wat belangrijk is voor enzymatische activiteit en buffering [91](#page=91). * **Polaire, ongeladen zijketens:** Asparagine, Glutamine, Serine en Threonine. Deze kunnen waterstofbruggen vormen en fungeren als donoren en acceptoren [92](#page=92). * **Proline:** Een cyclisch aminozuur met een secundair amine, wat unieke structurele beperkingen oplegt [93](#page=93). #### 3.1.3 De primaire structuur De primaire structuur van een eiwit is de unieke lineaire sequentie van aminozuren, verbonden door amidebindingen (peptidebindingen). De peptidebinding ontstaat door de koppeling van de carboxylgroep van het ene aminozuur met de aminogroep van het andere, met eliminatie van een watermolecuul. Elk eiwit heeft een specifieke primaire structuur die wordt bepaald door het genoom [95](#page=95) [96](#page=96). Het vergelijken van primaire sequenties van verschillende eiwitten kan informatie verschaffen over hun evolutieve verwantschap, eiwitsimilariteit (gelijkaardige of identieke aminozuren) en identiteit (exact identieke aminozuren). Kenmerken zoals massa, lading en iso-elektrisch punt zijn ook af te leiden uit de primaire structuur [96](#page=96). #### 3.1.4 De secundaire structuur van proteïnen De secundaire structuur verwijst naar de lokale, herhalende opvouwingen van de polypeptideketen, voornamelijk bepaald door waterstofbruggen tussen de carbonylgroep (C=O) en de aminogroep (N-H) van de peptidebindingen [98](#page=98). ##### 3.1.4.1 Beperking van rotaties De opvouwing van een eiwit is niet willekeurig. Rotatie rond de bindingen in het polypeptide-skelet is beperkt: * **φ (phi):** Rotatie rond de N-Cα binding. * **ψ (psi):** Rotatie rond de Cα-CO binding. * **ω (omega):** Rotatie rond de CO-N binding. Deze binding heeft een partieel dubbelbindingskarakter, wat leidt tot een relatieve fixering van de peptidebinding in een planair vlak [98](#page=98). De rotaties φ en ψ zijn verder beperkt door sterische hindering tussen de atomen, met name de atomen van de zijketens en het Cβ-atoom. De toegestane combinaties van φ en ψ hoeken worden weergegeven in een Ramachandran-plot. Glycine en proline zijn uitzonderingen; glycine is flexibeler door het ontbreken van een Cβ-atoom, terwijl proline door zijn cyclische structuur de rotatie sterk beperkt. Waterstofbruggen spelen een cruciale rol in de vorming van stabiele secundaire structuren [100](#page=100) [99](#page=99). ##### 3.1.4.2 De alfa-helix De alfa-helix (α-helix) is een spiraalvormige structuur waarin de polypeptideketen om een centrale as windt. Deze structuur wordt gestabiliseerd door waterstofbruggen die gevormd worden tussen de C=O groep van een aminozuur $n$ en de N-H groep van het aminozuur $n+4$. Dit creëert een stabiel dipoolmoment langs de helixas en vdW-stapeling van de zijketens. Glycine en proline destabiliseren de α-helix . In een α-helix bedraagt de verticale afstand tussen opeenvolgende Cα-atomen ongeveer 1,5 Å en de hoek ertussen circa 100°. Er zijn 3,6 aminozuren per omwenteling, wat resulteert in een verticale afstand van 5,4 Å per volledige omwenteling. α-keratines, de hoofdcomponenten van haar en huid, zijn grotendeels opgebouwd uit α-helices . De verdeling van aminozuren in een α-helix kan amfipathisch zijn, wat betekent dat een zijde hydrofoob is en de andere hydrofiel. Dit is relevant voor transmembranaire α-helices. Apolipoproteïnen, betrokken bij lipidentransport, bevatten vaak amfipathische α-helixgebieden . ##### 3.1.4.3 Beta-streng en beta-vouwblad De β-streng (β-sheet) is een structuur waarbij polypeptideketens naast elkaar liggen, gestabiliseerd door waterstofbruggen tussen de amino- en carbonylgroepen van naburige strengen die zich in hetzelfde vlak bevinden. Ze kunnen parallel of antiparallel georiënteerd zijn. De zijketens steken hierbij naar buiten, afwisselend boven en onder het vlak van de strengen, en de structuur lijkt geplooid. De afstand tussen Cα-atomen in een β-streng varieert van 3,2 tot 3,5 Å met een hoek van 180° . ##### 3.1.4.4 Beta-bochten en lussen Beta-bochten (turns) en lussen (loops) verbinden de secundaire structuren, zoals β-strengen. * **Beta-bochten:** Meestal 4 aminozuren lang, waarbij een waterstofbrug wordt gevormd tussen de C=O groep van het eerste aminozuur en de N-H groep van het vierde aminozuur. Glycine en proline komen hier vaak voor vanwege hun specifieke conformationele eigenschappen . * **Lussen:** Bestaan uit 5-16 aminozuren en bevinden zich vaak aan de buitenzijde van eiwitten, waar ze veel hydrofiele aminozuren bevatten en functioneel belangrijk zijn. Hydrofobe residuen in een lus kunnen ook stabiliteit bieden . De dihedrale hoeken van aminozuren in regelmatige secundaire structuren vallen in specifieke gebieden van de Ramachandran-plot . #### 3.1.5 Supersecundaire structuren en modules Supersecundaire structuren zijn veelvoorkomende combinaties van secundaire structuurelementen die in verschillende polypeptiden voorkomen. Ze zijn geen echte stabiele structurele eenheden zoals domeinen . * **Alfa-helix-lus-alfa-helix:** Een veelvoorkomend motief, bijvoorbeeld in transcriptiefactoren en calcium-bindende proteïnen. Transcriptiefactoren gebruiken dit motief om te binden aan DNA. Posities 1, 3, 5 en 12 van de lus spelen een rol in de coördinatie . * **De β-hairpin en β-meander:** Combinaties van β-strengen verbonden door β-bochten op een antiparallelle manier. Groen Fluorescent Proteïne (GFP) is een bekend voorbeeld dat een β-meander structuur bevat . * **Het Griekse sleutelmotief, de Ig-fold, jelly-roll:** Deze motieven bestaan uit β-strengen die verbonden zijn door β-bochten en lussen, waarbij specifieke configuraties ontstaan. Het Ig-fold of jelly-roll motief bestaat uit antiparallelle β-strengen die een tweelaagse structuur vormen . * **De Rossmann-fold:** Kenmerkend voor nucleotide-bindende proteïnen, opgebouwd uit parallelle β-vouwbladen met daartussen α-helices, in een rechts- of linksdraaiend patroon (β-α-β motief) . #### 3.1.6 De tertiaire structuur De tertiaire structuur is de volledige driedimensionale opvouwing van een enkel polypeptideketen, inclusief alle secundaire en supersecundaire structuren, en de interacties van de zijketens. Verschillende weergaven, zoals met zijketens, secundaire structuurelementen, en ruimtevullende modellen, helpen bij het visualiseren van eiwitstructuren . ##### 3.1.6.1 Domeinen Domeinen zijn stabiele, functionele en structurele eenheden binnen een eiwit, vaak opgebouwd uit combinaties van secundaire en supersecundaire structuren. Een eiwit kan uit één of meerdere domeinen bestaan. Myoglobine bestaat bijvoorbeeld uit slechts één domein terwijl chymotrypsine sequentiële domeinen heeft en actine vier domeinen, waarvan 1 en 3 vergelijkbaar zijn. Domeinen kunnen ook functionele eenheden zijn, de kleinste eenheden die een specifieke functie behouden, zoals het FAB-fragment van IgG . ##### 3.1.6.2 Het bepalen van de drie-dimensionale structuur van eiwitten De 3D-structuur van eiwitten kan worden bepaald met technieken als X-straaldiffractie (ongeacht de grootte van het eiwit) en NMR-spectroscopie (vooral voor eiwitten kleiner dan 25 kDa). Moleculaire modellering, met name met "template" en "threading algoritmes", helpt bij het voorspellen van 3D-structuren, door gebruik te maken van databanken van bekende structuren en de fysisch-chemische parameters van aminozuren . #### 3.1.6.3 Architectuur van enkele superfolds Superfolds zijn architectonische patronen die veelvoorkomende structurele motieven vertegenwoordigen die in diverse eiwitten voorkomen . * **α-up and down/ globin-fold:** Kenmerkt eiwitten zoals cytochroom b562 en myoglobine, opgebouwd uit α-helices die op een specifieke manier op elkaar aansluiten. De oriëntatie van de helices, bepaald door de hoek van de zijketens, kan leiden tot een "α-up en down" of een globin-fold . * **Het Griekse sleutelmotief, IgG en jelly-roll in 3D:** Deze representeren gewelfde tweelaagse structuren van β-strengen . * **"α/β-barrels" en "α/β-doubly wound":** Deze eiwitten bevatten de Rossmann-fold en worden gekenmerkt door een opeenvolging van β-strengen en α-helices, waarbij het verschil in structuur voornamelijk door het patroon van waterstofbruggen tussen de β-strengen wordt bepaald. Een centrale holte in de β-tonstructuur is gevuld met zijketens van de β-strengen . * **α/β sandwich:** Een zeer stabiele structuur, voorbeeld is GDI (guanine nucleotide dissociation inhibitor) . #### 3.1.6.4 Modulaire opbouw van eiwitten Veel eiwitten zijn modulair opgebouwd uit verschillende domeinen, wat zorgt voor combinatorische diversiteit. Herkenningsmodules zoals SH2/SH3 domeinen zijn hier voorbeelden van . #### 3.1.6.5 Post-translationele modificaties Post-translationele modificaties (PTM's) zijn chemische veranderingen aan eiwitten die na de translatie plaatsvinden en niet door het genoom gecodeerd zijn. Deze modificaties worden door enzymen uitgevoerd en zijn cruciaal voor de functie, stabiliteit en regulatie van eiwitten . * **Glycosylatie:** Koppeling van suikers aan asparagine (Asn), serine (Ser) of threonine (Thr) residuen . * **Lipidemodificatie:** Aanhechting van lipiden zoals farnesylatie, palmitylatie of myristylatie, vaak aan cysteïne of N-terminus residuen (bv. Ras en Src eiwitten) . * **Acetylering en deacytelering:** Modificatie van de ε-amino-groep van lysine residuen, belangrijk voor de regulatie van gentranscriptie via histonen . * **Fosforylering:** Toevoeging van een fosfaatgroep aan serine, threonine of tyrosine residuen, een belangrijke signaaltransductiemechanisme. Fosfotyrosine peptiden kunnen herkend worden door SH2-domeinen . * **Zwavelbruggen:** Disulfidebindingen (S-S) tussen cysteïne residuen, die de eiwitstructuur stabiliseren . * **Andere modificaties:** Hydroxyproline (belangrijk in collageen), transglutaminatie, trimethyllysine, methylhistidine . PTM's kunnen permanent of transiënt zijn en bepalen de activiteit, localisatie en interacties van eiwitten . #### 3.1.6.6 Co-enzymen/cofactoren Co-enzymen en cofactoren zijn niet-covalent gebonden moleculen die essentieel zijn voor de functie van sommige eiwitten. * **Prosthetische groepen:** Organische moleculen die sterk gebonden zijn aan het eiwit (bv. de haamgroep in myoglobine) . * **Cofactoren:** Vaak metaalionen die als structurele of katalytische componenten dienen, zoals Fe²⁺ in myoglobine, Zn²⁺ in thermolysine, of in structuren zoals de EF-hand of zinc-finger modules . #### 3.1.7 Opvouwing van eiwitten De opvouwing van een eiwit is het proces waarbij een lineaire polypeptideketen zich spontaan en snel transformeert tot een specifieke, functionele 3D-structuur . ##### 3.1.7.1 Opvouwing is meestal een snel en spontaan proces De opvouwing is geen willekeurig proces (Levinthal Paradox). Het thermodynamisch gunstigste proces leidt tot de laagste vrije energie. Dit wordt beïnvloed door zowel entalpie (ΔH, gerelateerd aan niet-covalente interacties) als entropie (ΔS). De hydrofobe aminozuren worden naar de binnenkant van het eiwit begraven, terwijl hydrofiele zijketens naar buiten worden gericht . * **Levinthal Paradox:** Als een eiwit willekeurig alle mogelijke conformaties zou doorlopen, zou dit astronomisch veel tijd kosten. De opvouwing volgt echter specifieke "folding pathways" . * **Moleculaire chaperonnes:** In levende cellen helpen moleculaire chaperonnes (zoals HSP's, GroEL, CCT) bij de correcte opvouwing en voorkomen ze aggregatie . ##### 3.1.7.2 Denaturatie-renaturatie Denaturatie is het proces waarbij de 3D-structuur van een eiwit wordt verstoord, leidend tot een "random coil" conformatie. Denaturatie kan reversibel of irreversibel zijn, afhankelijk van de omstandigheden . * **Temperatuur:** Hoge temperaturen leiden vaak tot irreversibele denaturatie door eiwitaggregatie . * **Chemische agentia:** pH-veranderingen, organische componenten, chaotropen (zoals ureum en guanidiniumchloride) en detergentia (zoals SDS) kunnen denaturatie veroorzaken . Renaturatie is het herstel van de oorspronkelijke structuur. Volgens de Anfinsen-regel bevat de primaire structuur alle informatie die nodig is voor de correcte opvouwing. Een intermediaire toestand in de opvouwing is de "molten globule", een grotere conformatie met hydrofobe zijketens nog steeds naar buiten gericht . #### 3.1.8 De quaternaire structuur De quaternaire structuur beschrijft de associatie van twee of meer polypeptideketens (subeenheden) om een functioneel eiwitcomplex te vormen. Dit kan een homomeer (bestaande uit identieke subeenheden) of een heteromeer (bestaande uit verschillende subeenheden) zijn . ##### 3.1.8.1 Multimerisatie kan verschillende vormen aannemen Multimerisatie kan symmetrisch of asymmetrisch zijn. Actinefilamenten en hemoglobine (een tetrameer) zijn voorbeelden van eiwitten met een quaternaire structuur . ##### 3.1.8.2 Evenwichts-dissociatieconstante De associatie van subeenheden vindt plaats door complementaire geometrische en fysisch-chemische interacties. De sterkte van deze interacties bepaalt de affiniteit, uitgedrukt door de evenwichtsdissociatieconstante ($K_D$). Een lagere $K_D$ duidt op een hogere affiniteit en sterkere binding . * **Coöperativiteit:** De binding van een ligand aan één subeenheid kan de bindingsaffiniteit van andere subeenheden beïnvloeden. De associatieconstante voor een multimeer complex kan berekend worden uit de dissociatieconstanten van de individuele stappen . ##### 3.1.8.3 Structurele aspecten van permanent geassocieerde polypeptideketens Permanente associatie van subeenheden wordt bereikt door: * **Covalente bindingen:** Zoals in IgG-moleculen . * **Groot contactoppervlak:** Zoals in hemoglobine . * **Specifieke contactruimtes:** Bijvoorbeeld in collageen of leucine zippers . * **Coiled coil structuren:** Twee α-helices die om elkaar heen winden, zoals in keratine en transcriptiefactor GCN4. Hierbij spelen hydrofobe interacties en ionische interacties op specifieke posities (a, d voor hydrofoob; g, e voor lading) een rol. Leucine zippers zijn een bekend voorbeeld . * **Collageen:** Een fibrillair eiwit in extracellulaire matrix, bestaande uit een triple helix structuur met het Gly-X-Y motief. Mutaties in collageen kunnen leiden tot ziekten zoals osteogenesis imperfecta. Vitamine C-tekort (scheurbuik) verstoort de hydroxylering van proline en lysine, wat cruciaal is voor de stabiliteit van collageen . * **Membraaneiwitten:** Kunnen monomeren of multimeren zijn, zoals receptoren. Kaliumionkanalen bestaan bijvoorbeeld uit vier subeenheden die een porie vormen met een selectief filter. Mutaties in deze kanalen kunnen leiden tot aandoeningen zoals het Long QT-syndroom. Porines hebben een trimere structuur met een antiparallelle β-ton . ### 3.2 Functie van eiwitten: ligandbinding Eiwitten hebben diverse functies, waaronder het binden van specifieke moleculen, liganden genaamd. #### 3.2.1 Myoglobine en hemoglobine hebben een prosthetische groep die zuurstofmoleculen bindt Myoglobine en hemoglobine zijn eiwitten die zuurstofgas transporteren en binden door middel van een haamgroep, een prosthetische groep. De haamgroep bevat een ijzerion (Fe²⁺) dat reversibel zuurstof kan binden. De 3D-structuur van myoglobine, met zijn α-helices en de ingebedde haamgroep, is cruciaal voor deze functie. Koolmonoxide (CO) bindt met een hogere affiniteit aan de haamgroep dan zuurstof, wat leidt tot CO-vergiftiging . #### 3.2.2 De structuur van hemoglobine Hemoglobine is een tetrameer, bestaande uit twee α-globine en twee β-globine ketens (of vier identieke ketens in foetaal hemoglobine), die elk een haamgroep bevatten. In deoxyhemoglobine (zonder zuurstof) zijn de subeenheden in een T-conformatie, gestabiliseerd door zoutbruggen. De subeenheden beïnvloeden elkaar, en de binding van zuurstof aan één subeenheid vergemakkelijkt de binding aan de andere . #### 3.2.3 Coöperativiteit van O₂-binding De binding van het eerste zuurstofmolecuul aan hemoglobine veroorzaakt een conformationele verandering in die subeenheid, die zich voortplant naar de andere subeenheden en hun affiniteit voor zuurstof verhoogt. Dit fenomeen, coöperativiteit, resulteert in een sigmoïdale zuurstofdissociatiecurve. Hemoglobine heeft een hogere pO₂₅₀ (de partiële zuurstofspanning waarbij 50% van het eiwit verzadigd is) dan myoglobine, wat een efficiënte zuurstofafgifte in weefsels met lagere zuurstofspanning mogelijk maakt . De fractionele bezetting (Y) kan worden beschreven met de volgende vergelijkingen: Voor niet-coöperatieve binding: $ Y = \frac{n [B]}{K_D + [B]} $ waarbij $n$ het aantal bindingsplaatsen is en $[B]$ de concentratie van het ligand. Voor multimere eiwitten met onafhankelijk werkende bindingsplaatsen: $ Y = \frac{[B]^n}{K'_D + [B]^n} $ Een Scatchard plot kan worden gebruikt om $K_D$ en $n$ te bepalen: $ \frac{Y}{[B]} = \frac{n}{K_D} - \frac{Y}{K_D} $ . #### 3.2.4 Het Bohr-effect Het Bohr-effect beschrijft hoe de zuurstofaffiniteit van hemoglobine wordt beïnvloed door de pH en de concentratie van koolstofdioxide ($CO_2$) en 2,3-bisfosfoglyceraat (BPG). Een hogere concentratie $H^+$ en $CO_2$ (wat leidt tot een lagere pH) bevordert de afgifte van zuurstof. BPG bindt aan deoxyhemoglobine en stabiliseert deze conformatie, wat de zuurstofafgifte verder verhoogt. De protonering van Histidine-146 speelt een sleutelrol in het Bohr-effect door de vorming van een zoutbrug . ### 3.3 Functie van eiwitten: enzymen als biokatalisatoren Enzymen zijn biologische katalysatoren die biochemische reacties versnellen en specificiteit vertonen . #### 3.3.1 Katalytisch vermogen, substraatspecificiteit en regulatie Enzymen verlagen de activeringsenergie van reacties, zonder het reactie-evenwicht te beïnvloeden (ΔG blijft onveranderd). Ze worden geclassificeerd op basis van de reactietypes die ze katalyseren . #### 3.3.3 3D-structuur: aminozuren voor substraatherkenning en katalyse Het actieve centrum van een enzym is een specifieke holte waar de substraatherkenning en katalyse plaatsvinden. Dit centrum bevat katalytische aminozuren en specificiteitsholtes. Bij chymotrypsine zijn H57, D102 en S195 betrokken bij de katalyse, terwijl andere aminozuren zorgen voor substraatherkenning . Substraatherkenning kan plaatsvinden via het "lock & key" mechanisme (statisch) of het "induced fit" model, waarbij het enzym zijn conformatie aanpast aan het substraat . #### 3.3.4 Reactiemechanismen, de rol van katalytische aminozuren Enzymen gebruiken specifieke aminozuurresiduen in hun actieve centrum om reacties te katalyseren. Bijvoorbeeld, serineproteasen zoals chymotrypsine katalyseren de splitsing van peptidebindingen via een mechanisme waarbij water als nucleofiel fungeert, na activatie door een katalytische triade (Ser-His-Asp) . #### 3.3.5 Specificiteit is onafhankelijk van reactiemechanisme Verschillende serineproteasen, hoewel ze hetzelfde reactiemechanisme gebruiken, kunnen verschillende substraatspecificiteit vertonen door variaties in hun specificiteitsholte, die de interactie met verschillende aminozuurzijketens bepalen . #### 3.3.6 Enzymkinetieken Enzymkinetiek bestudeert de reactiesnelheid van enzymen onder invloed van verschillende factoren. ##### 3.3.6.1 De reactiesnelheid De reactiesnelheid (V) is de snelheid waarmee substraat wordt omgezet in product . ##### 3.3.6.2 Omgevingsfactoren beïnvloeden de enzymatische reactiesnelheid * **pH:** Elk enzym heeft een optimaal pH-bereik voor activiteit. Chymotrypsine is optimaal bij alkalische pH, terwijl pepsine zuur prefereert . * **Temperatuur:** De activiteit neemt toe met temperatuur tot een optimum, waarna denaturatie optreedt. Thermostabiele enzymen zoals Taq polymerase van *Thermus aquaticus* zijn bestand tegen hoge temperaturen . ##### 3.3.6.3 Verhouding [S]/[E De reactiesnelheid is afhankelijk van de substraatconcentratie ([S]) en de enzymconcentratie ([E]). Bij voldoende hoge substraatconcentratie bereikt het enzym verzadiging . ##### 3.3.6.4 Het Michaelis-Menten model Het Michaelis-Menten model beschrijft de kinetiek van enzymatische reacties, uitgaande van de vorming van een enzym-substraatcomplex (ES). De Michaelis-Menten constante ($K_M$) is de substraatconcentratie waarbij de reactiesnelheid de helft van de maximale snelheid ($V_{max}$) is. $V_{max}$ wordt bereikt wanneer alle actieve centra van het enzym verzadigd zijn met substraat . De Michaelis-Menten vergelijking is: $ V = \frac{V_{max}[S]}{K_M + [S]} $ ##### 3.3.7 Enzyminhibitie Enzymen kunnen worden geremd door inhibitoren, die de enzymactiviteit verlagen. * **Niet-competitieve inhibitie:** De inhibitor bindt aan een plaats buiten het actieve centrum, zowel aan het vrije enzym (EI) als aan het enzym-substraatcomplex (EIS). Dit verlaagt $V_{max}$ maar beïnvloedt $K_M$ niet significant . * **Competitieve inhibitie:** De inhibitor concurreert met het substraat om de binding aan het actieve centrum. Dit verhoogt de effectieve $K_M$ maar beïnvloedt $V_{max}$ niet, omdat bij voldoende hoge substraatconcentratie de inhibitor kan worden verdrongen. Sulfanilamide en methotrexaat zijn voorbeelden van competitieve inhibitoren . * **Irreversibele inhibitie:** De inhibitor bindt covalent aan het actieve centrum, waardoor het enzym permanent geïnactiveerd wordt. Diisopropylfluorofosfaat is hier een voorbeeld van . #### 3.3.8 Regulatie van enzymen Enzymactiviteit kan op verschillende manieren worden gereguleerd: * **Compartimentalisatie:** Enzymen bevinden zich in specifieke organellen, wat de scheiding van metabole paden mogelijk maakt . * **Terugkoppelingsinhibitie (negative feedback):** Het eindproduct van een enzymatische route remt een enzym aan het begin van de route, vaak via allostere mechanismen . * **Regulatorische eiwitten:** Eiwitten zoals calmoduline kunnen, na binding van een ion (bv. Ca²⁺), de activiteit van andere enzymen moduleren . * **Covalente modificatie:** Post-translationele modificaties, zoals fosforylering door kinases of defosforylering door fosfatases, kunnen de enzymactiviteit reguleren. Proteolytische activering is ook een vorm van regulatie . * **Allostere controle:** Allostere effectoren (activatoren of inhibitoren) binden aan een regulatoire plaats op het enzym, wat een conformationele verandering veroorzaakt en de enzymactiviteit moduleert. Dit komt vaak voor bij dimeren of oligomeren. Proteïne kinase A (PKA) wordt gereguleerd door zijn regulatorische subeenheden . --- # Mechanismen van antibiotica en celwand synthese Dit onderwerp verklaart hoe antibiotica, met name penicillines, bacteriële celwand synthese remmen door interactie met transpeptidase enzymen. ### 4.1 Introductie tot antibiotica Antibiotica zijn stoffen die bacteriën kunnen doden of hun groei kunnen remmen. Ze worden geclassificeerd op basis van het biologische proces waarop ze inwerken . #### 4.1.1 Classificatie van antibiotica op werking * **Polymyxines**: Interfereren met het bacteriële celmembraan door te binden aan fosfolipiden, wat leidt tot beschadiging van het membraan. Ze zijn werkzaam op bacteriën zoals *Pseudomonas sp.*. Dit zijn cyclische polypeptiden met een lange hydrofobe staart die werken als een kationisch detergens . * **Tetracyclines en chloramphenicol**: Remmen de eiwitsynthese . * **Sulfonamides, rifampicine en nalidixinezuur**: Interfereren met de DNA-synthese . * **Penicillines, cephalosporines (beta-lactam) en bacitracine**: Remmen de vorming van de bacteriële celwand . #### 4.1.2 Ontdekking van penicilline Alexander Fleming (1881-1955) ontdekte de antibacteriële werking van Penicillium notatum op *S. aureus*. Howard Florey en Ernst Chain speelden later een cruciale rol in de verdere ontwikkeling. De naam Penicillium is afgeleid van het Latijnse 'penicillus', wat penseel betekent, verwijzend naar de penseelachtige structuur van de vruchtlichamen . ### 4.2 Opbouw en synthese van de bacteriële celwand De bacteriële celwand is opgebouwd uit peptidoglycanen. Dit zijn polysacchariden die bestaan uit herhalende eenheden van N-acetylglucosamine (NAG) en N-acetylmuraminezuur (NAM), gekoppeld aan korte peptideketens . #### 4.2.1 Peptidoglycaan structuur en cross-linking De peptideketens zijn gekoppeld aan NAM en hebben de algemene structuur L-Ala-D-Gln-L-Lys-D-Ala. In de groeiende polysuikerketen wordt dit precursor-tetrapeptide verder aangevuld met een D-Ala-D-Ala eenheid, wat resulteert in een pentapeptide: L-Ala-D-Gln-L-Lys-D-Ala-D-Ala . Het proces van celwandversteviging omvat een cross-linking reactie. Hierbij hecht het transpeptidase enzym een brug, vaak bestaande uit pentaglycine (Gly₅), aan de D-alanine zijketen van een peptidoglycaanstreng. Dit proces zorgt voor de stabiliteit en integriteit van de celwand . #### 4.2.2 Werkingsmechanisme van penicilline Penicillines remmen de bacteriële celwand synthese door het transpeptidase enzym te blokkeren. Het structurele kenmerk van penicilline dat hiervoor verantwoordelijk is, is de beta-lactamring. Deze ring lijkt qua structuur op het D-Ala-D-Ala substraat van het transpeptidase. Het penicilline molecuul bindt covalent aan het actieve centrum van het transpeptidase, waardoor dit enzym irreversibel geïnhibeerd wordt. Hierdoor kan de cross-linking van peptidoglycaan strengen niet plaatsvinden, wat leidt tot een verzwakte celwand en uiteindelijk tot lysie van de bacterie . > **Tip:** Begrijp de chemische structuur van het precursor pentapeptide en hoe de beta-lactamring van penicilline interfereert met de activiteit van het transpeptidase enzym. Dit is de kern van de werking van penicilline. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Proteïne | Een complex organisch molecuul dat bestaat uit een of meer lange ketens van aminozuurresiduen, die de basale bouwstenen van het leven vormen en een breed scala aan functies uitvoeren in organismen. | | DNA | Desoxyribonucleïnezuur, een molecuul dat de genetische instructies draagt voor de ontwikkeling, werking, groei en reproductie van alle bekende organismen en veel virussen. | | Proteïne-interacties | De interacties tussen verschillende proteïnen, essentieel voor bijna elk cellulair proces, variërend van signaaltransductie tot metabolisme en DNA-replicatie. | | Waterstofbrug | Een zwakke chemische binding die ontstaat tussen een waterstofatoom gebonden aan een elektronegatief atoom en een ander elektronegatief atoom. Het is cruciaal voor de structuur van water en biomoleculen zoals eiwitten en DNA. | | Ionaire binding | Een chemische binding die ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen tegengesteld geladen ionen (kationen en anionen). Deze binding is relatief sterk, maar wordt sterk beïnvloed door het oplosmiddel. | | Van der Waals interactie | Zwakke, kortstondige aantrekkingskrachten tussen moleculen die ontstaan door tijdelijke dipolen, belangrijk voor de stabilisatie van moleculaire structuren zoals eiwitten en DNA. | | Hydrofoob effect | Het verschijnsel waarbij niet-polaire moleculen of delen van moleculen in een waterige oplossing de neiging hebben om samen te klonteren om het contact met water te minimaliseren, wat een drijvende kracht is voor eiwitvouwing en membraanformatie. | | Lipiden | Een diverse groep organische verbindingen die onoplosbaar zijn in water, maar oplosbaar in organische oplosmiddelen. Ze omvatten vetten, oliën, wassen, sterolen en fosfolipiden, en spelen cruciale rollen als energieopslag, signaalmoleculen en structurele componenten van membranen. | | Fosfolipiden | Een klasse van lipiden die een fosfaatgroep bevatten, en die de belangrijkste bouwstenen vormen van alle biologische membranen. Ze zijn amfipatisch, met een hydrofiele kop en hydrofobe staarten. | | Glycolipiden | Lipiden die een suikergroep covalent gebonden hebben. Ze bevinden zich voornamelijk op het buitenoppervlak van het celmembraan en spelen een rol bij celherkenning en signalering. | | Cholesterol | Een type sterol dat essentieel is voor dierlijke celmembranen, waar het de vloeibaarheid reguleert en bijdraagt aan de structurele integriteit. Het is ook een precursor voor steroïde hormonen. | | Celmembraan | De buitenste laag van een cel die de inhoud van de cel scheidt van de externe omgeving. Het is voornamelijk opgebouwd uit een fosfolipide dubbellaag met ingebedde eiwitten. | | Eiwit | Een macromolecuul dat bestaat uit een keten van aminozuren. Eiwitten hebben diverse functies, zoals enzymatische activiteit, structurele ondersteuning, transport en cellulaire signalering. | | Primaire structuur (eiwit) | De lineaire sequentie van aminozuren in een polypeptideketen, bepaald door de genetische code. Deze sequentie is cruciaal voor de uiteindelijke driedimensionale structuur en functie van het eiwit. | | Secundaire structuur (eiwit) | Lokale opvouwingen van de polypeptideketen, voornamelijk alfa-helices en bèta-vouwbladen, gestabiliseerd door waterstofbruggen tussen de backbone atomen. | | Tertiaire structuur (eiwit) | De volledige driedimensionale vouwing van een enkele polypeptideketen, inclusief de interacties tussen de zijketens van de aminozuren. Dit omvat interacties zoals waterstofbruggen, ionaire bindingen, hydrofobe interacties en disulfidebruggen. | | Quaternaire structuur (eiwit) | De rangschikking van meerdere polypeptideketens (subeenheden) om een functioneel proteïnecomplex te vormen. Niet alle eiwitten bezitten een quaternaire structuur. | | Domein (eiwit) | Een specifieke, functioneel onafhankelijke structuur-eenheid binnen een eiwit dat vaak kan opvouwen en stabiliteit kan behouden, zelfs wanneer het gescheiden is van de rest van het eiwit. | | Enzym | Een biologische katalysator, meestal een eiwit, dat de snelheid van specifieke biochemische reacties verhoogt zonder zelf te worden verbruikt. | | Actief centrum (enzym) | Het specifieke gebied op een enzym waar het substraat bindt en de katalytische reactie plaatsvindt. | | Substraat | Het molecuul waarop een enzym inwerkt tijdens een biochemische reactie. | | Enzymkinetiek | De studie van de reactiesnelheden van enzymatische reacties en de factoren die deze beïnvloeden, zoals substraatconcentratie en pH. | | Michaelis-Menten constante (KM) | Een maat voor de affiniteit van een enzym voor zijn substraat. Het is de substraatconcentratie waarbij de reactiesnelheid de helft is van de maximale reactiesnelheid (Vmax). | | Vmax | De maximale reactiesnelheid van een enzymatische reactie, die wordt bereikt wanneer het enzym volledig verzadigd is met substraat. | | Enzyminhibitie | Het proces waarbij de activiteit van een enzym wordt verminderd of geblokkeerd door een inhibitor. Dit kan competitief, niet-competitief of irreversibel zijn. | | Competitieve inhibitie | Een vorm van enzyminhibitie waarbij de inhibitor concurreert met het substraat voor binding aan het actieve centrum van het enzym. | | Niet-competitieve inhibitie | Een vorm van enzyminhibitie waarbij de inhibitor bindt aan een allostere plaats op het enzym, wat de katalytische activiteit vermindert zonder de substraatbinding te beïnvloeden. | | Irreversibele inhibitie | Een vorm van enzyminhibitie waarbij de inhibitor permanent bindt aan het enzym, vaak door covalente binding, waardoor het enzym permanent wordt gedeactiveerd. | | Bacteriële celwand | Een rigide buitenste laag die veel bacteriën omringt en beschermt. Het is voornamelijk opgebouwd uit peptidoglycaan. | | Peptidoglycaan | Een polymeer dat een belangrijk bestanddeel is van de celwand van bacteriën, opgebouwd uit suikers en aminozuren, en dat structuur en stevigheid biedt. | | Penicilline | Een klasse van bèta-lactam antibiotica die de synthese van bacteriële celwanden remmen door te binden aan en transpeptidases te inactiveren, wat leidt tot cellysis. | | Transpeptidase | Een enzym dat betrokken is bij de cross-linking van peptidoglycaanketens in de bacteriële celwand, een proces dat essentieel is voor de integriteit van de celwand. | | Post-translationele modificatie | Chemische veranderingen aan een eiwit na de synthese ervan op het ribosoom, zoals glycosylatie, fosforylering of lipidatie, die de functie, stabiliteit of lokalisatie van het eiwit kunnen beïnvloeden. |

# Afbraak van aminozuren en stikstofmetabolisme Dit onderwerp behandelt de verschillende biochemische routes voor de afbraak van aminozuren, de eliminatie van stikstof via ammoniak en de ureumcyclus, en de toxiciteit van ammoniak. ### 1.1 Manieren van afbraak van aminozuren De afbraak van aminozuren omvat het verwijderen van de aminogroep. Er zijn drie belangrijke mechanismen hiervoor [3](#page=3): * **Transaminatie:** Dit is de transfer van een aminogroep van een aminozuur naar een α-ketozuur-acceptor. Hierbij wordt een nieuw aminozuur gevormd en een nieuw ketozuur. Pyridoxine (vitamine B6) fungeert als essentiële co-factor voor deze reacties [3](#page=3) [4](#page=4). * **Oxidatieve deaminatie:** Bij deze methode wordt de aminogroep verwijderd van het aminozuur, wat resulteert in de vorming van ammoniak en een ketozuur. Een gereduceerd flavine co-enzym wordt ook geproduceerd. Deze reactie is energie-vragend en speelt een rol bij transport van aminozuren tussen weefsels en als buffer bij verhoogde ammoniakconcentraties. In de nier is deze reactie belangrijk voor protontransport en pH-controle [3](#page=3) [5](#page=5) [8](#page=8). * **Niet-oxidatieve deaminatie:** Dit is een hydrolytische reactie waarbij het aminozuur wordt gesplitst in een ketozuur en ammoniak, zonder de tussenkomst van oxidatie [3](#page=3) [6](#page=6). ### 1.2 Rol van ammoniak en de ureumcyclus De eliminatie van stikstof uit aminozuren is cruciaal om de koolstofskeletten te kunnen recupereren voor andere metabole wegen. De stikstofgroep wordt voornamelijk verwijderd in de vorm van ammoniak [10](#page=10) [13](#page=13). * **Entry in de ureumcyclus:** De ureumcyclus, die plaatsvindt in de lever, is primair verantwoordelijk voor de detoxificatie van ammoniak. Ammoniak komt de ureumcyclus binnen via twee routes: de directe input van $\text{NH}_3$ en de input via aspartaat en glutamaat. Dit betekent dat de uiteindelijke eliminatie van stikstof via deze specifieke aminozuren plaatsvindt [13](#page=13) [7](#page=7). * **Centrale rol van glutamine:** Glutamaat speelt een centrale rol in het stikstofmetabolisme. Het kan ammoniak binden om glutamine te vormen. Glutamaat en glutamine zijn metabolisch nauw verwant en dragen stikstof naar de lever voor de ureumcyclus. Glutamaat kan ook dienen als buffer bij verhoogde ammoniakconcentraties, door de opname van $\text{NH}_3$ [8](#page=8). ### 1.3 Toxiciteit van ammoniak Ammoniak is een toxische stof, en een verhoogde concentratie ervan in het bloed en andere lichaamsvloeistoffen kan ernstige gevolgen hebben [11](#page=11). * **Diffusie naar weefsels:** Verhoogde ammoniakconcentraties maken dat ammoniak gemakkelijker de bloed-hersenbarrière passeert en de hersenen binnendringt [11](#page=11). * **Inhibitie van de Krebscyclus:** In de hersenen leidt verhoogde ammoniak tot een versnelde synthese van glutamaat uit $\alpha$-ketoglutaraat. Dit put de voorraad $\alpha$-ketoglutaraat uit, wat essentieel is voor de Krebscyclus. De remming van de Krebscyclus in de hersenen kan leiden tot neurologische disfunctie [11](#page=11). * **Neurotransmitter disbalans:** Glutamaat is een belangrijke excitatoire neurotransmitter. Een verhoogde productie ervan kan leiden tot een disbalans in de neurotransmissie. Bovendien kan glutamaat worden omgezet tot $\gamma$-aminoboterzuur (GABA), een belangrijke inhibitoire neurotransmitter. Deze veranderingen in de balans van neurotransmitters dragen bij aan de ontwikkeling van encefalopathie [11](#page=11). > **Tip:** Begrijp de co-factor rol van vitamine B6 bij transaminatie; dit is een veelvoorkomend examenonderwerp. > > **Tip:** Onthoud dat de ureumcyclus voornamelijk in de lever plaatsvindt en essentieel is voor de ontgifting van ammoniak, een product van aminozuurafbraak. > > **Voorbeeld:** Een verhoogde ammoniakspiegel na leverfalen kan leiden tot neurologische symptomen door de verstoring van de energieproductie in de hersenen en de balans van neurotransmitters. --- # Metabole relaties en defecten van aminozuurafbraak Dit deel behandelt de rol van aminozuren als precursors voor diverse metabole paden en de pathologieën die voortvloeien uit defecten in hun afbraak. ### 2.1 Ureumcyclusdefecten Ureumcyclusdefecten behoren tot de meest ernstige en levensbedreigende metabole ontregelingen bij neonaten, gekenmerkt door neonatale hyperammoniëmie, waarbij de ammoniakwaarden aanzienlijk verhoogd zijn [21](#page=21). #### 2.1.1 Klinische presentatie * **Symptoomvrij interval:** Klassiek vertonen pasgeborenen na een symptoomvrij interval van enkele dagen de eerste tekenen [21](#page=21). * **Vroege symptomen:** Deze omvatten slecht drinken, lethargie, gevolgd door prikkelbaarheid, braken, tachypneu en hypothermie [21](#page=21). * **Respiratoire alkalose:** Een opvallend kenmerk is respiratoire alkalose, veroorzaakt door de hoge ammoniakconcentraties die hyperventilatie induceren [17](#page=17) [21](#page=21). * **Ernstige stadia:** De aandoening kan escaleren naar convulsies, coma en uiteindelijk overlijden. De mate van hersenschade correleert direct met de ammoniakwaarden [21](#page=21). #### 2.1.2 Diagnose * **Plasma ammoniak:** De referentiewaarde voor plasma ammoniak is normaal < 50 µmol/L, en < 100 µmol/L bij neonaten. Bij hyperammoniëmie kunnen waarden > 1000 µmol/L worden bereikt [21](#page=21) [22](#page=22). * **Plasma aminozuren en urine organische zuren:** * Alanine en glutamine zijn consequent verhoogd, aangezien glutamine een natuurlijke ammoniaksafvanger is [22](#page=22). * Orootzuur in de urine is kenmerkend, met uitzondering van carbamoyl fosfaat synthetase (CPS) deficiëntie [22](#page=22). * Verhogingen of verlagingen van andere metabolieten hangen af van de specifieke enzymdefectlocatie [22](#page=22). * **Leverenzymen en stolling:** AST en ALT waarden kunnen variëren, terwijl de stolling meestal normaal is [22](#page=22). * **Moleculaire diagnose:** Een moleculaire analyse is cruciaal voor de definitieve diagnose [22](#page=22). #### 2.1.3 Behandeling De behandeling van ureumcyclusdefecten richt zich op meerdere pijlers: 1. **Verwijderen van ammoniak uit lichaamsvochten:** * **Hemofiltratie:** Continue veno-veneuze hemofiltratie (CVVH) is een stand-by optie bij ammoniakwaarden > 350 µmol/L en wordt geïnitieerd bij > 500 µmol/L [24](#page=24). * **Alternatieve stikstofuitscheidingspaden:** Het gebruik van natriumbenzoaat en fenylbutyraat biedt alternatieve routes voor de uitscheiding van stikstof [24](#page=24). * **Supplementatie:** Arginine en citrulline kunnen ook therapeutisch worden ingezet [24](#page=24). 2. **Inhibitie van ammoniakproductie:** * **Acute fase:** * **Calorie-inname:** Essentieel voor het stimuleren van anabolisme [25](#page=25). * **Eiwitinname stoppen:** Tijdelijke stopzetting van eiwitinname [25](#page=25). * **Glucose-infusie:** Ruime toediening van glucose (bijvoorbeeld 10% glucose aan 10 mg/kg/min, eventueel met insuline) gedurende maximaal 48 uur [25](#page=25). * **Intralipiden:** Toediening van vetemulsies (IL) van 2-3 gram/kg/dag [25](#page=25). * **Specifieke medicatie:** Carbamoyl glutamate (Carbaglu®) kan worden ingezet bij N-acetylglutamaatsynthetase (NAGS) of carbamoyl fosfaat synthetase 1 (CPS1) deficiënties om de ureumcyclus te stimuleren [25](#page=25). * **Chronische fase:** Een eiwitarm dieet is noodzakelijk voor langetermijnmanagement [25](#page=25). 3. **Correctie van elektrolyten en hydratiestatus:** Het handhaven van een optimale vocht- en elektrolytenbalans is van vitaal belang [23](#page=23). 4. **Behandeling van uitlokkende factoren:** Het aanpakken van eventuele onderliggende oorzaken, zoals intercurrente ziekten, is essentieel [23](#page=23). #### 2.1.4 Casus: Insaf Insaf presenteerde zich op dag 3 met axiale hypotonie, somnolentie, respiratoire distress en myoclonieën. Laboratoriumresultaten toonden een verhoogd lactaat (3.8 mmol/L) en een extreem verhoogde ammoniakwaarde (530 µmol/L). De respiratoire alkalose (pH 7.63, pCO2 18) was een belangrijke aanwijzing. Na acute behandeling, waaronder respiratoire ondersteuning en ammoniakverwijdering, werd de diagnose Argininosuccinaat acidurie gesteld, veroorzaakt door een deficiëntie van Argininosuccinaat lyase (ASL) [16](#page=16) [17](#page=17) [19](#page=19). ### 2.2 Aminozuren als koolstofskeletten voor metabole banen Aminozuren leveren niet alleen bouwstenen voor eiwitten, maar hun koolstofskeletten kunnen ook worden ingezet in diverse metabole paden, zoals de citroenzuurcyclus en de productie van acetyl-CoA. Omgekeerd kunnen metabole banen ook dienen als bron voor de synthese van niet-essentiële aminozuren [26](#page=26) [27](#page=27) [28](#page=28). #### 2.2.1 Glucogene en ketogene aminozuren Aminozuren kunnen worden ingedeeld op basis van hun afbraakproducten: * **Glucogene aminozuren:** Deze aminozuren verhogen de glucoseconcentratie, omdat ze pyruvaat produceren of de citroenzuurcyclus van koolstof voorzien [29](#page=29). * **Ketogene aminozuren:** Deze verhogen de concentratie van ketolichamen, omdat ze het centrale metabolisme bevoorraden ter hoogte van acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA [29](#page=29). **Classificatie:** * **Exclusief glucogeen:** De meeste aminozuren [29](#page=29). * **Exclusief ketogeen:** Leucine en lysine [29](#page=29). * **Zowel glucogeen als ketogeen:** Complexe en aromatische aminozuren zoals fenylalanine, tyrosine, tryptofaan, isoleucine en threonine [29](#page=29). ### 2.3 Vertakte keten aminozuur organische acidurieën Deze groep ziekten wordt veroorzaakt door enzymdefecten in de afbraak van de vertakte keten aminozuren: leucine, isoleucine en valine. Het enzymdefect is gerelateerd aan de vertakte keten aminozuur dehydrogenases, die cofactoren delen met pyruvaat dehydrogenase (PDH) [31](#page=31) [33](#page=33) [34](#page=34). #### 2.3.1 Vertakte keten aminozuren afbraak De afbraak van deze aminozuren verloopt via verschillende stappen. Ze kunnen zowel in het suiker- als vetmetabolisme worden gerecycled [32](#page=32). * **Valine:** Wordt voornamelijk omgezet in suikers (glucogeen) [32](#page=32). * **Isoleucine:** Is zowel glucogeen als ketogeen [32](#page=32). * **Leucine:** Is exclusief ketogeen [32](#page=32). #### 2.3.2 Veelvoorkomende ziekten De meest voorkomende ziekten binnen deze categorie zijn collectief genomen: * Maple Syrup Urine Disease (MSUD) [33](#page=33) [34](#page=34). * Isovaleriaanacidemie (IVA) [33](#page=33). * Propionacidemie (PA) [33](#page=33). * Methylmalonacidemie (MMA) [33](#page=33). #### 2.3.3 Klinische presentatie De klinische manifestaties van deze organische acidurieën overlappen en kunnen zich op drie manieren presenteren: * **Ernstige neonatale vorm:** Snelle metabole ontregeling direct na de geboorte [34](#page=34). * **Acuut-intermittente late-onset vorm:** Episodische ontregelingen die later optreden [34](#page=34). * **Chronisch progressieve vorm:** Presenteert zich met hypotonie, failure to thrive en ontwikkelingsachterstand [34](#page=34). #### 2.3.4 Specifieke kenmerken en complicaties * **Geur:** MSUD wordt gekenmerkt door een specifieke, zoete of weeïge geur van de urine [35](#page=35). * **Ketose:** Ketose is aanwezig bij MSUD en ketoacidose bij andere organische acidurieën [44](#page=44). * **Hersenoedeem:** Een ernstige complicatie die met name bij MSUD kan optreden [44](#page=44) [45](#page=45). * **Extrapyramidaal syndroom:** Door aantasting van de basale ganglia ten gevolge van secundaire mitochondriële dysfunctie, gezien bij PA en MMA [45](#page=45). * **Chronische nierinsufficiëntie:** Een complicatie die met name bij MMA voorkomt [45](#page=45). * **Optische atrofie:** Ook waargenomen bij MMA [45](#page=45). * **Cardiomyopathie:** Kan voorkomen bij PA [45](#page=45). * **Pancreatitis:** Een mogelijke complicatie [45](#page=45). #### 2.3.5 Diagnose * **Klinische aanwijzingen en eerste laboratoriumwaarden:** De klinische presentatie en initiële labresultaten, zoals de hielprik, zijn belangrijke aanwijzingen [46](#page=46). * **Serum aminozuren:** Bij MSUD zijn de serum aminozuren verhoogd, met name valine, leucine en isoleucine [35](#page=35) [46](#page=46). * **Urine organische zuren en serum acylcarnitineprofielen:** Organische acidurieën (OA's) vertonen typische afwijkingen in deze analyses, met toxische metabolieten [42](#page=42) [46](#page=46). * **Secundaire afwijkingen:** * Verlaagd carnitine door verestering [46](#page=46). * Inhibitie van de ureumcyclus, leidend tot verhoogd ammoniak (secundair, niet zo hoog als bij primaire ureumcyclusdefecten) [41](#page=41) [46](#page=46) [47](#page=47). * Mitochondriële dysfunctie, wat resulteert in verhoogd lactaat [46](#page=46). * **Laag glutamine:** In tegenstelling tot ureumcyclusdefecten, wordt bij organische acidurieën vaak een laag glutaminegehalte gezien [46](#page=46). * **Moleculaire diagnose:** Essentieel voor een definitieve bevestiging [46](#page=46). #### 2.3.6 Casus: Rares Rares, een tweeling, werd opgenomen wegens persisterend gewichtsverlies, lethargie en prikkelbaarheid, met een vreemde geur van de urine. Een afwijkende hielprik toonde sterk verhoogde valine, leucine en isoleucine waarden (Leu/Ileu: 1735 µmol/L, Val: 364 µmol/L), wat leidde tot de diagnose MSUD. Ondanks opname en een eiwitarm dieet, kon metabole controle niet worden bereikt door katabolisme, wat uiteindelijk leidde tot complicaties en overlijden [35](#page=35) [37](#page=37). #### 2.3.7 Casus: Siem Siem werd opgenomen met progressieve voedingsproblemen, braken, kreunen en prikkelbaarheid. Laboratoriumonderzoek toonde een metabolische acidose (pH 7.38, bic. 9.1, BE -12.8) en een verhoogd ammoniak (215 µmol/L). Urine organische zuren toonden een piek van methylmalonzuur, 3-OH propionzuur en methylcitroenzuur, in combinatie met ketose, wat wees op Methylmalonacidemie in decompensatie [39](#page=39) [41](#page=41) [42](#page=42). ### 2.4 Differentiaaldiagnose: ureumcyclusdefect versus organische acidurie Hoewel beide soorten aandoeningen een vergelijkbare kliniek kunnen presenteren met sufheid, hypotonie en lethargie na een symptoomvrij interval, zijn de laboratoriumafwijkingen verschillend [47](#page=47). * **Ureumcyclusdefecten:** Gekenmerkt door hoog tot zeer hoog ammoniak en respiratoire alkalose [47](#page=47). * **Organische acidurieën:** Gekenmerkt door metabole acidose en een secundair verhoogd ammoniakgehalte (niet zo hoog als bij ureumcyclusdefecten) [47](#page=47). Metabool en moleculair onderzoek zijn cruciaal om uitsluitsel te geven tussen deze twee groepen aandoeningen [47](#page=47). --- # Screening en specifieke aminozuurafbraakziekten Dit onderwerp behandelt de criteria voor screeningsprogramma's en verkent specifieke aminozuurafbraakziekten, met fenylketonurie (PKU) als cruciaal voorbeeld voor de ontwikkeling van hielprikscreening. ### 3.1 Principes van screening Screeningsprogramma's zijn gebaseerd op een reeks criteria, oorspronkelijk geformuleerd door Wilson en Jungner in 1968, om de effectiviteit en doelmatigheid van medische screeningsprogramma's te waarborgen. Deze criteria kunnen worden onderverdeeld in voorwaarden die betrekking hebben op de ziekte zelf en voorwaarden die betrekking hebben op de screeningsprocedure [49](#page=49) [50](#page=50) [51](#page=51). #### 3.1.1 Voorwaarden ten aanzien van de ziekte Een ziekte die gescreend wordt, moet aan diverse voorwaarden voldoen: * Het moet een belangrijk gezondheidsprobleem zijn [49](#page=49) [50](#page=50). * Het natuurlijke beloop van de ziekte, inclusief de ontwikkeling van een latente naar een manifeste ziekte, moet adequaat begrepen zijn [49](#page=49). * Er moet een geaccepteerde behandeling beschikbaar zijn voor patiënten met de herkende ziekte [49](#page=49) [50](#page=50). * De behandeling moet effectief zijn in de presymptomatische fase van de ziekte [50](#page=50). * Er moeten faciliteiten aanwezig zijn voor de diagnose en behandeling van de ziekte [49](#page=49) [50](#page=50). * Er moet een herkenbaar latent of vroeg symptomatisch stadium zijn [49](#page=49). * Er moet een beleid zijn vastgesteld over wie als patiënt behandeld moet worden [49](#page=49). #### 3.1.2 Voorwaarden ten aanzien van de screeningsprocedure De screeningsprocedure zelf moet ook aan specifieke eisen voldoen: * De gebruikte methode moet efficiënt zijn [51](#page=51). * De procedure moet acceptabel zijn voor de te screenen populatie [49](#page=49) [51](#page=51). * Het moet duidelijk zijn wie behandeld moet worden na een positieve screeningstest [51](#page=51). * De screening moet kostenefficiënt zijn, waarbij de kosten van casusvinding (inclusief diagnose en behandeling) economisch in balans zijn met de totale uitgaven aan medische zorg [49](#page=49) [51](#page=51). * De aangeboden voorziening moet structureel en continu zijn, geen eenmalig project [49](#page=49). #### 3.1.3 Screening anno 2025 Anno 2025 wordt ook de screening voor ernstige gecombineerde immunodeficiëntie (SCID) overwogen. Een belangrijk punt bij screening is het onderscheid tussen "op tijd" en "te laat" behandelen. Bij ernstige neonatale vormen van organische acidurieën zijn patiënten al ziek op het moment van de uitslag van de screening, wat de urgentie van tijdige detectie benadrukt [52](#page=52). ### 3.2 Fenylketonurie (PKU) Fenylketonurie (PKU) is een metabole stoornis die als een prototype wordt beschouwd voor de ontwikkeling van hielprikscreening [55](#page=55). #### 3.2.1 Kenmerken van PKU Onbehandelde PKU leidt tot een verhoogd gehalte aan fenylalanine (hyperphe) in het bloed. Dit kan ernstige gevolgen hebben, waaronder [54](#page=54): * Ernstige verstandelijke beperking [54](#page=54). * Gedragsproblemen [54](#page=54). * Eczeem [54](#page=54). Daarnaast blokkeert het verhoogde fenylalanine de vorming van melanine, wat resulteert in hypopigmentatie [54](#page=54). #### 3.2.2 Hielprikscreening voor PKU De hielprikscreening voor PKU begon in 1963. De initiële test was een bacteriële inhibitie test met behulp van *Bacillus subtilis*. Hierbij werd thienylalanine gebruikt om de groei van de bacterie te remmen; een stijging van fenylalanine leidde tot remming van de groei, wat de detectie van PKU mogelijk maakte [55](#page=55). PKU vormde, samen met hypothyreoïdie, het begin van neonatale screening in België vanaf 1970. De behandeling van PKU bestaat uit het verlagen van het fenylalaninegehalte door middel van een eiwitarm dieet. Het is hierbij essentieel om tyrosine te suppleren, aangezien tyrosine een essentieel aminozuur wordt bij PKU-patiënten door de blokkade van de fenylalanine-omzetting [56](#page=56). --- # Metabolisme van enkele koolstof- en zwavelhoudende aminozuren Dit deel verkent het metabolisme van single-carbon en zwavelhoudende aminozuren, inclusief hun rol in purine- en pyrimidinesynthese, de methionine-homocysteïne pathway, en gerelateerde pathologieën zoals homocystinurie [58](#page=58) [59](#page=59). ### 4.1 Rol in biosynthese en methylatiecycli Single-carbon eenheden, afkomstig van aminozuren, spelen een cruciale rol in diverse biosynthetische processen. Ze zijn essentieel voor de synthese van purines en pyrimidines, de bouwstenen van DNA en RNA. Daarnaast zijn deze single-carbon eenheden betrokken bij de methionine-homocysteïne pathway, waar ze dienen als donor van methylgroepen voor het recyclen van methionine binnen de methylatiecyclus [60](#page=60) [61](#page=61). Het metabolisme van single-carbon eenheden, met name de pathway van foliumzuur naar methyltetrahydrofolaat, is anabool van aard. Dit proces vereist energie in de vorm van ATP en NADPH, waarbij NADPH wordt aangeleverd door de pentosefosfaat pathway. Foliumzuur is een essentiële vitamine, ook bekend als vitamine B9 [60](#page=60). ### 4.2 De methionine-homocysteïne pathway De methionine-homocysteïne pathway is een centrale route in het metabolisme van zwavelhoudende aminozuren. Foliumzuur speelt een sleutelrol in deze pathway door het faciliteren van de methylatiecyclus, wat essentieel is voor het recyclen van methionine. Vitamine B12, ook bekend als cobalamine, is eveneens betrokken als co-factor voor het enzym homocysteïne methyltransferase [61](#page=61) [62](#page=62). Deze pathway heeft significante implicaties voor de gezondheid, aangezien verhoogde niveaus van homocysteïne een bekende cardiovasculaire risicofactor zijn. Daarnaast kan een stoornis in de afbraak van sulfiet naar sulfaat leiden tot zeldzame, maar zeer ernstige neurodegeneratieve aandoeningen [62](#page=62). ### 4.3 Pathologieën gerelateerd aan zwavelaminozuurmetabolisme #### 4.3.1 Homocystinurie Homocystinurie is een metabole ziekte die voornamelijk wordt veroorzaakt door een deficiëntie van het enzym cystathionine β-synthase. Dit leidt tot een accumulatie van homocysteïne in het bloed en de urine [63](#page=63). > **Klinische manifestaties van homocystinurie:** > * Zware bijziendheid en lensluxatie (verplaatsing van de ooglens) [63](#page=63). > * Vertraagde verstandelijke ontwikkeling [63](#page=63). > * Verhoogd risico op trombose in zowel arteriën als venen, leidend tot hartinfarcten en beroertes [63](#page=63). > * Een Marfan-achtig uiterlijk, gekenmerkt door een grote gestalte en lange ledematen [63](#page=63). > **Tip:** Homocystinurie is een van de ziekten die wordt gescreend bij pasgeborenen als onderdeel van de newborn screening [65](#page=65). #### 4.3.2 Behandeling van homocystinurie De behandeling van homocystinurie is gericht op het verminderen van de homocysteïne levels en het ondersteunen van de methionine-homocysteïne pathway [65](#page=65). > **Behandelingsstrategieën voor homocystinurie:** > * **Vitamine B6 (pyridoxine):** Dit is een co-factor van cystathionine β-synthase en is effectief bij vitamine B6-responsieve vormen van de ziekte [65](#page=65). > * **Foliumzuur en Vitamine B12:** Deze vitamines ondersteunen de methylatiecyclus [65](#page=65). > * **Cystadane (betaïne):** Betaïne fungeert als een methylgroepdonor en helpt bij de omzetting van homocysteïne naar methionine [65](#page=65). > * **Eiwitarm dieet:** Een dieet met minder eiwitten beperkt de toevoer van methionine [65](#page=65). #### 4.3.3 Sulfiet oxidase deficiëntie Een andere zeldzame maar ernstige aandoening is sulfiet oxidase deficiëntie, veroorzaakt door een tekort aan het enzym sulfiet oxidase. Molybdeen is een essentiële co-factor voor dit enzym, en een molybdeen co-factordeficiëntie kan hetzelfde klinische beeld veroorzaken [66](#page=66). > **Klinische manifestaties van sulfiet oxidase deficiëntie:** > * Zeer zeldzame aandoening met een ernstig neurologisch fenotype [66](#page=66). > * Snel neurodegeneratief beloop [66](#page=66). > * De behandeling is voornamelijk supportief, en de prognose is vaak fataal, met overlijden tot gevolg [66](#page=66). --- # Synthese van andere biomoleculen uit aminozuren Aminozuren zijn niet alleen bouwstenen voor eiwitten, maar ook cruciale precursors voor de synthese van een breed scala aan andere essentiële biomoleculen. ### 5.1 Overzicht van biomoleculen gesynthetiseerd uit aminozuren Aminozuren spelen een sleutelrol in de biosynthese van diverse structuren en moleculen die essentieel zijn voor fysiologische processen. Deze omvatten [70](#page=70) [78](#page=78) [80](#page=80): * **Haem**: Geproduceerd uit glycine en succinyl CoA [70](#page=70) [78](#page=78) [80](#page=80). * **Neurotransmitters**: Variëren in precursors. Serotonine wordt gesynthetiseerd uit tryptofaan. Gamma-aminoboterzuur (GABA) is afgeleid van glutamaat. Dopamine, adrenaline en noradrenaline komen voort uit tyrosine. Glutamaat en glycine kunnen ook zelf als neurotransmitters fungeren [70](#page=70) [78](#page=78) [79](#page=79) [80](#page=80). * **Schildklierhormoon Thyroxine**: Vormt zich uit twee jodo-tyrosines [70](#page=70) [78](#page=78) [80](#page=80). * **Glutathion**: Een tripeptide met de primaire structuur -glutamyl-cysteïnyl-glycine [70](#page=70) [78](#page=78) [80](#page=80) [81](#page=81). * **Sfingosine**: Synthetiseerd uit serine en palmitaat [70](#page=70) [78](#page=78) [80](#page=80). * **Purines en Pyrimidines**: Bevatten ‘ingebouwde’ aminozuren zoals glutamine, glycine en aspartaat [70](#page=70) [78](#page=78) [80](#page=80). * **Stikstofmonoxide (NO)**: Geproduceerd uit arginine door NO-synthasen (NOS) [70](#page=70) [78](#page=78) [80](#page=80). * **Polyamines**: Afkomstig van ornithine en S-adenosylmethionine (SAM) [70](#page=70) [78](#page=78) [80](#page=80). ### 5.2 Haem synthese en pathologieën Haem is een essentieel component voor eiwitten zoals hemoglobine (Hb) in rode bloedcellen (RBC), cytochroom P450 in de lever, en myoglobine in spieren, met functies variërend van zuurstoftransport tot energieproductie [71](#page=71). #### 5.2.1 Het haemsyntheseproces De synthese van haem vindt plaats deels in het mitochondrion en deels in het cytosol [72](#page=72). #### 5.2.2 Porfyrieën: pathologieën in de haemsynthese Porfyrieën zijn een groep metabole ziekten die ontstaan door genetische deficiënties in de haemsynthese pathway [73](#page=73). ##### 5.2.2.1 Acute intermittente porfyrie * **Prevalentie en erfelijkheid**: De meest voorkomende vorm van acute porfyrieën, met een prevalentie van ongeveer 5 per 100.000 in Noord-Europa. Het is een autosomaal dominante aandoening die vaker voorkomt bij vrouwen dan bij mannen, en zelden bij kinderen [74](#page=74). * **Klinische presentatie**: Gekenmerkt door acute neuroviscerale symptomen, waaronder krampende buikpijn met braken en diarree, verlammingsverschijnselen (neuropathie) met spierzwakte, spierpijn, darmdistensie en blaasdysfunctie, tachycardie, hypertensie, en rusteloosheid. Aanvallen kunnen enkele dagen duren, vereisen vaak hospitalisatie, en hoewel er meestal herstel optreedt, kan de aandoening fataal zijn [74](#page=74). * **Behandeling**: Behandeling omvat intraveneus haemin (een krachtigere vorm dan glucose 10%) en 10% glucose-infusies. De rationale achter deze behandeling is de inhibitie van stap 1 in de pathway, namelijk aminolevulinezuursynthase (ALAS), wat leidt tot een reductie van precursors zoals aminolevulinezuur en porfobilinogeen [75](#page=75). ##### 5.2.2.2 Porfyria cutanea tarda * **Karakteristieken**: De meest voorkomende vorm van porfyrie. Kenmerkend zijn chronische, blaarvormende huidletsels, vooral op de hand- en voetrug, voorarmen en het gezicht. Uitlokkende factoren zijn blootstelling aan zonlicht, lichte traumata en medicatie [76](#page=76). * **Pathofysiologie**: Verband houdend met een verstoorde ijzerhuishouding in de lever [76](#page=76). * **Behandeling**: Bestaat uit flebotomie (om ijzerdepletie te induceren), chloroquine (een anti-malariamiddel dat porfyrines beter oplosbaar maakt voor uitscheiding in de urine), en het vermijden van uitlokkende factoren [76](#page=76). #### 5.2.3 Loodvergiftiging Hoewel geen directe porfyrie, is loodvergiftiging gerelateerd aan de haemsynthese omdat lood enzymen in deze pathway remt [77](#page=77). * **Kwetsbaarheid**: Kinderen zijn vatbaarder [77](#page=77). * **Klinische presentatie**: Kan elk orgaansysteem beïnvloeden en omvat buikpijn, kolieken, obstipatie, een loodlijn op het tandvlees, artralgie, myalgie, perifere neuropathie, chronische nefropathie en hypertensie, prikkelbaarheid, en anemie [77](#page=77). * **Behandeling**: Chelatie-therapie [77](#page=77). ### 5.3 Glutathion synthese en metabolisme Glutathion is een krachtig antioxidant en een tripeptide met de sequentie -glutamyl-cysteïnyl-glycine. Het metabolisme van glutathion omvat de reductie van de geoxideerde vorm (GSSG) tot de gereduceerde vorm (GSH) door glutathion reductase [70](#page=70) [78](#page=78) [80](#page=80) [81](#page=81) [82](#page=82) [83](#page=83). > **Tip:** Glutathion reductase gebruikt NADPH, dat gevormd wordt tijdens de oxidatieve fase van de pentosefosfaat pathway [83](#page=83). Riboflavine (vitamine B2) en selenium fungeren als cofactoren in het glutathion metabolisme. Flavine-adenine-dinucleotide (FAD) speelt een rol in redoxreacties binnen het lichaam [83](#page=83). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Transaminatie | Een biochemische reactie waarbij een aminogroep wordt overgedragen van een aminozuur op een keto-acceptor, wat resulteert in de vorming van een nieuw aminozuur en een nieuw ketozuur. Vitamine B6 (pyridoxine) fungeert hierbij als essentiële co-factor. | | Oxidatieve deaminatie | Een proces waarbij de aminogroep van een aminozuur wordt verwijderd onder vorming van ammoniak en een ketozuur. Dit is een energie-vragende reactie die belangrijk is voor het transport van aminozuren tussen weefsels en voor het handhaven van de pH-balans, met name in de nieren. | | Niet-oxidatieve deaminatie | Een hydrolytische reactie die leidt tot de verwijdering van een aminogroep van een aminozuur, waarbij een ketozuur en ammoniak ontstaan zonder de noodzaak van zuurstof of een redoxreactie. | | Ureumcyclus | Een reeks enzymatische reacties die plaatsvinden in de lever en essentieel is voor de eliminatie van stikstof uit het lichaam in de vorm van ureum. Dit proces ontgift het lichaam van ammoniak, dat anders toxisch zou zijn. | | Ammoniak | Een giftige verbinding die ontstaat bij de afbraak van aminozuren. Verhoogde concentraties ammoniak in het bloed kunnen leiden tot ernstige neurologische problemen, waaronder encefalopathie, door interferentie met de citroenzuurcyclus in de hersenen. | | Glutamaat | Een belangrijk excitatoir neurotransmitter in de hersenen. Bij verhoogde ammoniakspiegels kan de synthese van glutamaat uit α-ketoglutaraat toenemen, wat ten koste gaat van de citroenzuurcyclus en kan leiden tot neurologische disfunctie. | | GABA | γ-aminoboterzuur, een belangrijke inhibitoire neurotransmitter in de hersenen. De verhoogde synthese van GABA uit glutamaat als reactie op hoge ammoniakspiegels kan bijdragen aan de symptomen van encefalopathie. | | Argininosuccinaat acidurie | Een metabole stoornis die wordt veroorzaakt door een deficiëntie van het enzym argininosuccinaat lyase (ASL), een essentieel onderdeel van de ureumcyclus. Dit leidt tot een accumulatie van argininosuccinaat en ernstige hyperammoniëmie. | | Hyperammoniëmie | Een abnormaal hoge concentratie ammoniak in het bloed. Dit is een levensbedreigende aandoening die kan optreden bij verschillende metabole ziekten, met name ureumcyclusdefecten, en ernstige schade aan het centrale zenuwstelsel kan veroorzaken. | | Organische acidurieën | Een groep erfelijke metabole ziekten die worden gekenmerkt door de accumulatie van organische zuren in het lichaam als gevolg van enzymdefecten in specifieke afbraakpaden, zoals de afbraak van vetzuren of aminozuren. | | Maple Syrup Urine Disease (MSUD) | Een zeldzame erfelijke metabole ziekte die wordt gekenmerkt door een defect in de afbraak van de vertakte keten aminozuren leucine, isoleucine en valine. De naam komt van de karakteristieke geur van de urine van getroffen individuen. | | Vertakte keten aminozuren | Amino'suren met een alifatische zijketen die een vertakte structuur heeft, zoals leucine, isoleucine en valine. Defecten in de afbraak van deze aminozuren kunnen leiden tot ernstige metabole ziekten. | | Methylmalonacidemie (MMA) | Een metabole stoornis waarbij methylmalonzuur zich ophoopt in het lichaam. Dit wordt meestal veroorzaakt door een deficiëntie van enzymen die betrokken zijn bij het metabolisme van valine en methionine, of door een vitamine B12-deficiëntie. | | Phenylketonurie (PKU) | Een erfelijke metabole ziekte waarbij het lichaam fenylalanine, een essentieel aminozuur, niet goed kan afbreken. Dit leidt tot een ophoping van fenylalanine en toxische metabolieten, wat ernstige verstandelijke beperkingen en gedragsproblemen kan veroorzaken indien onbehandeld. | | Homocystinurie | Een metabole stoornis die wordt veroorzaakt door een tekort aan het enzym cystathionine β-synthase, wat leidt tot een ophoping van homocysteïne in het bloed en de urine. Dit kan leiden tot ernstige gezondheidsproblemen, waaronder lensluxatie, skeletafwijkingen en cardiovasculaire aandoeningen. | | Glutathion | Een tripeptide dat een cruciale rol speelt als antioxidant in cellen. Het helpt bij de ontgifting van schadelijke stoffen, de bescherming tegen oxidatieve stress en de regeneratie van andere antioxidanten zoals vitamine C. | | Hem (Heem) | Een organische molecuul dat een ijzerion bevat en een essentieel onderdeel is van hemoglobine, myoglobine en cytochroom P450 enzymen. Het is cruciaal voor zuurstoftransport en energiemetabolisme. |

# Segnalazione ormonale e tipi di recettori La segnalazione ormonale è un meccanismo fondamentale per l'integrazione della comunicazione chimica tra organi e tessuti in organismi complessi [1](#page=1). ### 1.1 Principi della segnalazione ormonale La biosegnalazione, la comunicazione tra cellule, avviene tramite mediatori chimici chiamati ormoni. Questi ormoni sono sintetizzati da cellule specifiche, riversati nel torrente circolatorio che li trasporta alle cellule bersaglio, anche a grande distanza. Le cellule bersaglio possiedono recettori specifici per ciascun ormone, e l'interazione ormone-recettore innesca una risposta biologica. Le concentrazioni degli ormoni nel circolo sono generalmente molto basse [1](#page=1) [7](#page=7). ### 1.2 Classificazione degli ormoni In base alla loro natura chimica, gli ormoni possono essere classificati in: * **Proteici:** come l'insulina, il glucagone e l'ormone della crescita (GH) [2](#page=2). * **Derivati da aminoacidi:** come le catecolammine (adrenalina, noradrenalina) e gli ormoni tiroidei [2](#page=2). * **Lipidici:** che includono eicosanoidi, retinoidi e steroidi [2](#page=2). ### 1.3 Localizzazione dei recettori La localizzazione del recettore sulla cellula bersaglio dipende dalla natura dell'ormone e dalla sua capacità di attraversare la membrana plasmatica [2](#page=2): * **Recettori extracellulari:** situati sulla membrana plasmatica esterna, legano ormoni di natura proteica o derivati da aminoacidi, che sono idrosolubili e non possono attraversare facilmente la membrana [2](#page=2) [8](#page=8). * **Recettori intracellulari:** situati nel citoplasma o nel nucleo, legano ormoni di natura lipidica (liposolubili) che attraversano la membrana cellulare [17](#page=17) [2](#page=2). ### 1.4 Tipi di segnalazione cellulare Oltre alla segnalazione endocrina, in cui gli ormoni viaggiano nel sangue a lunghe distanze, esistono altri tipi di segnalazione: * **Segnalazione endocrina:** la cellula endocrina secerne l'ormone nel sangue, che raggiunge cellule bersaglio distanti [7](#page=7). * **Segnalazione paracrina:** la cellula secernente agisce su cellule bersaglio vicine tramite il rilascio di mediatori chimici nello spazio extracellulare [7](#page=7). * **Segnalazione autocrina:** la cellula secernente agisce su se stessa, agendo sui propri recettori [7](#page=7). ### 1.5 Trasduzione del segnale La trasduzione del segnale è la serie di reazioni che avvengono all'interno della cellula bersaglio dopo il legame ligando-recettore, portando a una risposta cellulare [8](#page=8). #### 1.5.1 Recettori di membrana e secondi messaggeri Gli ormoni idrosolubili (proteici e derivati da aminoacidi) legano recettori presenti sulla membrana plasmatica. Questo legame innesca una cascata di segnali che porta alla produzione di secondi messaggeri. I secondi messaggeri sono mediatori intracellulari del segnale e possono essere di diversa natura [8](#page=8) [9](#page=9): * **cAMP (adenosina monofosfato ciclico):** mediatore di molte vie metaboliche [13](#page=13) [9](#page=9). * **cGMP (guanosina monofosfato ciclico):** simile al cAMP [9](#page=9). * **Ione Calcio ($\text{Ca}^{2+}$):** coinvolto nella contrazione muscolare e in altre risposte cellulari [10](#page=10) [9](#page=9). * **Inositolo 3-fosfato (IP3):** un inositolo fosfato che regola il rilascio di $\text{Ca}^{2+}$ [15](#page=15) [9](#page=9). * **Diacilglicerolo (DAG):** un lipide di membrana che, insieme all'IP3, attiva diverse vie di segnalazione [15](#page=15) [9](#page=9). ##### 1.5.1.1 Ruolo dello ione Calcio ($\text{Ca}^{2+}$) Lo ione $\text{Ca}^{2+}$ agisce spesso tramite la calmodulina, una proteina che lega fino a quattro ioni calcio e funge da sensore del calcio intracellulare. Un aumento del $\text{Ca}^{2+}$ intracellulare può attivare l'enzima ossido nitrico sintasi (NOS), che produce ossido nitrico (NO). L'ossido nitrico ha diverse funzioni, tra cui la vasodilatazione della muscolatura liscia dei vasi sanguigni, un effetto benefico durante l'esercizio fisico [10](#page=10). ##### 1.5.1.2 La via dell'AMP ciclico (cAMP) Il cAMP è prodotto dall'enzima adenilato ciclasi. L'adenilato ciclasi è spesso attivata o inattivata da proteine G. Il cAMP, a sua volta, agisce come attivatore allosterico della proteina chinasi A (PKA). Le chinasi sono enzimi che aggiungono gruppi fosfato a proteine (fosforilazione), alterandone l'attività. La via di segnalazione viene spenta dall'inattivazione del cAMP da parte delle fosfodiesterasi [12](#page=12) [13](#page=13) [14](#page=14). ##### 1.5.1.3 La via del fosfatidilinositolo In questa via, la proteina G può attivare l'enzima fosfolipasi C. La fosfolipasi C idrolizza il fosfatidilinositolo 4,5-bisfosfato (PIP2) per produrre due secondi messaggeri: inositolo 1,4,5-trisfosfato (IP3) e diacilglicerolo (DAG). L'IP3 causa il rilascio di $\text{Ca}^{2+}$ dal reticolo sarcoplasmatico, mentre il DAG attiva altre chinasi, portando a una risposta cellulare [15](#page=15). #### 1.5.2 Recettori accoppiati a proteine G (GPCRs) Questa è la famiglia di recettori più numerosa e si estende per sette volte attraverso la membrana plasmatica. I GPCRs attivano proteine G sul versante citoplasmatico. Le proteine G sono trimeriche e legano GDP o GTP, fungendo da ponte tra il recettore e le proteine effettrici, che possono essere enzimi (come l'adenilato ciclasi o la fosfolipasi C) che producono secondi messaggeri, o canali ionici [12](#page=12). #### 1.5.3 Recettori tirosin-chinasi Questi recettori sono coinvolti nel controllo del metabolismo, come nel caso dell'insulina. Sono recettori transmembrana di ormoni proteici. Il legame del ligando attiva le porzioni intracellulari del recettore, che possiedono attività enzimatica "tirosin-chinasi". Questa attività porta alla fosforilazione di substrati, innescando una cascata di segnale [16](#page=16). #### 1.5.4 Recettori intracellulari Gli ormoni lipidici (steroidi) attraversano la membrana cellulare e si legano a recettori situati nel citoplasma o nel nucleo. Il complesso ligando-recettore agisce poi come fattore di trascrizione, legandosi agli elementi di risposta dell'ormone (Hormone Responsive Elements) sul DNA e regolando direttamente la trascrizione genica. Questo porta alla sintesi di proteine specifiche, che attuano la risposta cellulare [17](#page=17). > **Tip:** La comprensione dei diversi tipi di recettori e delle vie di trasduzione del segnale è cruciale per capire come gli ormoni regolano funzioni fisiologiche complesse come il metabolismo, la crescita e la riproduzione. > > **Tip:** Ricorda che la specificità del legame ormone-recettore è fondamentale; un determinato ormone si legherà solo al suo recettore specifico, garantendo che il segnale raggiunga la cellula bersaglio appropriata. --- # Ruolo degli ormoni nel metabolismo e nell'omeostasi Gli ormoni giocano un ruolo cruciale nella regolazione dei processi metabolici e nel mantenimento dell'omeostasi, influenzando il metabolismo di carboidrati, lipidi e proteine attraverso meccanismi complessi [18](#page=18) [23](#page=23). ### 2.1 Catecolamine Le catecolamine, come l'adrenalina e la noradrenalina, sono prodotte nella midollare del surrene in risposta a stimoli del sistema nervoso simpatico e mediano la risposta "attacco o fuga". I loro effetti dipendono dal tipo di recettore a cui si legano: i recettori β-adrenergici attivano la via del cAMP, mentre i recettori α2-adrenergici la bloccano; i recettori α1-adrenergici attivano la via dei fosfoinositidi e del calcio [18](#page=18) [19](#page=19) [20](#page=20). **Effetti fisiologici delle catecolamine:** * Broncodilatazione [21](#page=21). * Aumento dell'attività cardiaca [21](#page=21). * Aumento della pressione sanguigna [21](#page=21). * Aumento della disponibilità di ossigeno ai tessuti [21](#page=21). **Effetti metabolici delle catecolamine:** L'adrenalina aumenta la disponibilità di substrati energetici come glucosio, acidi grassi e ossigeno, predisponendo l'organismo all'attività fisica [22](#page=22). * Nel fegato: glicogenolisi e gluconeogenesi [22](#page=22) [25](#page=25). * Nel muscolo: glicogenolisi [22](#page=22). * Nel tessuto adiposo: lipolisi [22](#page=22) [25](#page=25). > **Tip:** Le catecolamine preparano l'organismo a rispondere rapidamente a situazioni di stress, aumentando l'apporto di energia e ossigeno. ### 2.2 Ormoni pancreatici: Insulina e Glucagone Il pancreas è fondamentale per il controllo della glicemia grazie alla secrezione endocrina di insulina e glucagone dalle isole di Langerhans [24](#page=24). #### 2.2.1 Glucagone Il glucagone è un peptide di 29 aminoacidi prodotto dalle cellule alfa del pancreas. I suoi livelli aumentano in risposta a bassi livelli di glucosio nel sangue (ipoglicemia). Agisce attivando la via dell'AMP ciclico attraverso recettori con 7 α-eliche [25](#page=25). **Effetto iperglicemizzante del glucagone:** * Nel fegato: stimola la glicogenolisi (rilascio di glucosio dal glicogeno) e la gluconeogenesi (formazione di nuovo glucosio) [25](#page=25). * Nel tessuto adiposo: stimola la lipolisi [25](#page=25). La sua funzione primaria è regolare l'omeostasi della glicemia e garantire la disponibilità di glucosio per le cellule, in particolare quelle muscolari. Il suo effetto è opposto a quello dell'insulina [25](#page=25) [29](#page=29). #### 2.2.2 Insulina L'insulina è prodotta dalle cellule beta del pancreas ed è un peptide di 51 aminoacidi, formato da due catene legate da ponti disolfuro. Viene secreta in risposta all'aumento della glicemia (iperglicemia). I suoi recettori sono presenti in quasi tutti i tessuti [26](#page=26) [27](#page=27). **Effetto ipoglicemizzante dell'insulina:** L'insulina è un ormone anabolico che favorisce i processi di sintesi e immagazzinamento. Stimola [27](#page=27): * L'internalizzazione del glucosio nelle cellule, anche attraverso i trasportatori GLUT4 [27](#page=27). * La glicogenosintesi (formazione di glicogeno) [27](#page=27). * La liposintesi (formazione di acidi grassi) [27](#page=27). * La proteosintesi (produzione di proteine) [27](#page=27). L'effetto ipoglicemizzante dell'insulina è in contrasto con l'effetto iperglicemizzante di glucagone e catecolamine [29](#page=29). **Insulina e Diabete:** Il diabete mellito è causato da difetti nella secrezione o nell'azione dell'insulina [28](#page=28). * **Diabete di Tipo I:** Generalmente insorge in giovane età, con difetti nella produzione di insulina, ed è insulino-sensibile [28](#page=28). * **Diabete di Tipo II:** Si manifesta spesso in età adulta, è correlato all'obesità, e presenta insulino-resistenza dovuta a un minor numero di recettori o a difetti nella trasduzione del segnale. L'esercizio fisico è benefico in quanto mima molti effetti dell'insulina, aumentando il consumo energetico, l'uptake di glucosio, riducendo la massa grassa e aumentando la sensibilità all'insulina [28](#page=28). ### 2.3 Ormone della crescita (GH) L'ormone della crescita (GH), o somatotropina, è secreto dall'ipofisi anteriore ed è un ormone polipeptidico con un ruolo anabolico. I suoi livelli sono elevati durante la pubertà. La sua secrezione è influenzata da vari fattori, tra cui esercizio fisico, stress, sonno, ipoglicemia (stimolanti), e iperglicemia post-prandiale, aumento di acidi grassi liberi, obesità e IGF-1 (inibitori) [30](#page=30). **Alterazioni del GH:** * **Carenza in età infantile:** Deficit della crescita [30](#page=30). * **Eccesso in età infantile:** Gigantismo [30](#page=30). * **Eccesso in età adulta:** Acromegalia [30](#page=30). Il GH stimola la secrezione di IGF-1. Ha un effetto iperglicemizzante, simile a quello del glucagone [30](#page=30). **Ruolo metabolico del GH:** Il GH stimola: * Lipolisi [31](#page=31). * Accrescimento osseo [31](#page=31) [32](#page=32). * Sintesi proteica [31](#page=31) [32](#page=32). Agisce direttamente sul metabolismo determinando un aumento dei trigliceridi circolanti, un aumento del glucosio ematico e un aumento della sintesi proteica e della captazione di aminoacidi nei tessuti, promuovendo la costruzione dei tessuti (effetto anabolico) [32](#page=32). #### 2.3.1 IGF-1 (Somatomedina) IGF-1 (Insulin-like Growth Factor I) o Somatomedina è un ormone proteico strutturalmente simile alla proinsulina, con un recettore analogo a quello dell'insulina. È prodotto principalmente nel fegato e i suoi livelli plasmatici sono costanti. Favorisce l'anabolismo, l'accrescimento e la rigenerazione nel muscolo scheletrico [33](#page=33). ### 2.4 Adipochine Il tessuto adiposo svolge anche un'attività endocrina secernendo adipochine, molecole coinvolte nella regolazione della massa grassa e del metabolismo energetico. Queste includono adiponectina, leptina, visfatina e resistina. Sono implicate nelle sindromi metaboliche come diabete e obesità e regolano il metabolismo glucidico e lipidico. La loro produzione è alterata in condizioni di obesità [36](#page=36). #### 2.4.1 Adiponectina L'adiponectina è una proteina che aumenta l'entrata di acidi grassi e glucosio nel muscolo, stimola la beta-ossidazione degli acidi grassi e la biogenesi mitocondriale. Favorisce il metabolismo muscolare e contrasta diabete e obesità [37](#page=37). **Effetti dell'adiponectina:** * Aumentata ossidazione degli acidi grassi [37](#page=37). * Aumentata sensibilità all'insulina [37](#page=37). * Diminuita sintesi di trigliceridi [37](#page=37). * Ridotto afflusso di acidi grassi [37](#page=37). * Ridotto output di glucosio [37](#page=37). * Effetti anti-diabetici, anti-obesità, anti-aterogeni e anti-infiammatori [37](#page=37). #### 2.4.2 Leptina La leptina è una proteina che segnala l'adeguatezza delle riserve di grasso, regolando l'assunzione di cibo e il senso di fame. Agisce sui neuroni ipotalamici, riducendo l'appetito (effetto anoressizzante). Promuove il consumo di acidi grassi per produrre energia o calore attraverso la produzione di termogenina [38](#page=38). ### 2.5 Ormoni tiroidei Gli ormoni tiroidei, triiodotironina (T3) e tetraiodotironina (T4), derivano dalla tireoglobulina e sono essenziali per lo sviluppo e il metabolismo. Le disfunzioni tiroidee causano ipotiroidismo o ipertiroidismo [39](#page=39). **Effetti metabolici degli ormoni tiroidei:** * Aumentano il colesterolo, i fosfolipidi e i trigliceridi plasmatici [40](#page=40). * Promuovono la mobilizzazione dei grassi dai tessuti e l'ossidazione degli acidi grassi [40](#page=40). * Influenzano l'uptake di glucosio, la gluconeogenesi e l'assorbimento intestinale [40](#page=40). * Stimolano la secrezione di insulina [40](#page=40). * Aumentano la massa magra e adiposa [40](#page=40). * Influenzano l'output cardiaco, la frequenza cardiaca, il volume ematico, la frequenza respiratoria e la motilità gastrointestinale [40](#page=40). * Aumentano la temperatura corporea [40](#page=40). Sono ormoni lipofili che agiscono attraverso recettori nucleari. Il T4 viene convertito in T3 [40](#page=40). > **Tip:** Gli ormoni tiroidei hanno un impatto generalizzato sul metabolismo basale, influenzando quasi tutti i processi cellulari e tissutali. --- # Regolazione della crescita e differenziamento This topic examines the crucial roles of growth hormone (GH) and growth factors like IGF-1 in promoting bone growth, protein synthesis, and metabolism, alongside the catabolic functions of myostatin. ### 3.1 L'ormone della crescita (GH) L'ormone della crescita (GH), noto anche come somatotropina, è un ormone polipeptidico di 190 aminoacidi secreto dall'ipofisi anteriore con una marcata azione anabolica. I suoi livelli sono significativamente elevati durante la pubertà. La secrezione del GH è influenzata da numerosi fattori, tra cui esercizio fisico, stress, sonno, pasti ricchi di proteine e fasi di ipoglicemia, che la stimolano. Al contrario, l'iperglicemia post-prandiale, l'aumento degli acidi grassi liberi, l'obesità e l'IGF-1 tendono a inibirne la secrezione. Alterazioni nei livelli di GH possono portare a difetti della crescita (carenza di GH in età infantile) o a gigantismo/acromegalia (eccesso di GH in età infantile o adulta) [30](#page=30). Il GH stimola la secrezione di IGF-1 ed esercita un effetto iperglicemizzante [30](#page=30). > **Tip:** Ricorda che il GH ha sia effetti metabolici diretti sia effetti mediati da altri fattori di crescita. Il GH svolge un ruolo fondamentale nella regolazione della crescita e del metabolismo dell'organismo agendo su ossa, cartilagini, muscoli e fegato attraverso la produzione di sostanze chiamate somatomedine, in particolare IGF-1, che sono responsabili dell'accrescimento osseo. Interviene direttamente sul metabolismo, determinando un aumento dei trigliceridi circolanti, un aumento della glicemia e un incremento della sintesi proteica nei tessuti con conseguente captazione di aminoacidi. Questo rappresenta un effetto anabolico di costruzione dei tessuti [32](#page=32). Il GH è coinvolto nell'accrescimento osseo, nella sintesi proteica e nella lipolisi [31](#page=31). > **Example:** Durante l'esercizio fisico intenso, i livelli di GH aumentano per favorire la lipolisi (scomposizione dei grassi per produrre energia) e stimolare la sintesi proteica, contribuendo al recupero e alla crescita muscolare. ### 3.2 Fattori di crescita insulino-simili (IGF) L'IGF-1 (Insulin-like Growth Factor I), noto anche come somatomedina, è un ormone proteico che presenta analogie strutturali con la proinsulina. Il suo recettore è simile a quello dell'insulina. L'IGF-1 è una proteina prodotta principalmente nel fegato e i suoi livelli nel plasma sono relativamente costanti [33](#page=33). Nel muscolo scheletrico, l'IGF-1 favorisce l'anabolismo, l'accrescimento e la rigenerazione. Può agire attraverso meccanismi endocrini (a distanza), paracrini (su cellule vicine) e autocrini (sulla stessa cellula che lo produce). Le cellule muscolari, in particolare, rilasciano un fattore chiamato MGF (Mechano Growth Factor) [33](#page=33). Esistono tre modalità di azione degli IGF: 1. **Segnale endocrino:** La cellula secernente rilascia IGF-1 nel circolo sanguigno, che agisce su cellule bersaglio lontane [34](#page=34). 2. **Segnale paracrino:** La cellula secernente rilascia IGF-1 che agisce su cellule bersaglio vicine [34](#page=34). 3. **Segnale autocrino:** La cellula secernente rilascia IGF-1 che agisce sulla stessa cellula secernente [34](#page=34). Il GH, insieme allo stato nutrizionale, stimola la crescita dell'osso, di altri tessuti e la produzione di massa muscolare attraverso l'azione dell'IGF-1 e dell'MGF. Lo stress meccanico, come quello indotto dall'esercizio fisico, può stimolare il rilascio di MGF [34](#page=34). > **Tip:** L'IGF-1 è considerato un mediatore chiave degli effetti anabolici del GH, soprattutto a livello osseo e muscolare. ### 3.3 Miostatina La miostatina è una proteina espressa in modo particolare nel tessuto muscolare. Viene prodotta sotto forma di pro-ormone e agisce prevalentemente attraverso meccanismi paracrini e autocrini. La sua funzione principale è quella di contrastare l'anabolismo muscolare e di deprimere la crescita delle cellule muscolari [35](#page=35). La miostatina è un ormone con una marcata azione catabolica, coinvolta nella degradazione delle proteine. I suoi livelli tendono ad essere bassi in seguito all'esercizio fisico mentre sono elevati in patologie che portano all'atrofia muscolare [35](#page=35). > **Example:** Soggetti con mutazioni genetiche che inibiscono la funzione della miostatina presentano una massa muscolare eccezionalmente sviluppata, come dimostrato negli esemplari noti come "bully-whippet" [35](#page=35). > **Tip:** La miostatina agisce come un "freno" sulla crescita muscolare; la sua inibizione porta a un aumento significativo della massa muscolare. --- # Ormoni steroidei e regolazione dell'equilibrio ionico Questo argomento esplora la sintesi, le funzioni fisiologiche e gli effetti metabolici degli ormoni steroidei, inclusa la regolazione del calcio nel sangue attraverso calcitriolo, paratormone e calcitonina. ### 4.1 Ormoni steroidei: classificazione e precursori Gli ormoni steroidei sono derivati dal colesterolo e si classificano in mineralcorticoidi, glucocorticoidi e ormoni sessuali. Il progesterone è un precursore comune per molti di essi, sintetizzato principalmente nel corpo luteo dell'ovaio, dove regola il ciclo mestruale e prepara l'utero all'impianto [41](#page=41). ### 4.2 Androgeni I principali androgeni includono l'androstenedione e il testosterone. Il testosterone viene ulteriormente metabolizzato in 5-diidrotestosterone (DHT) nei tessuti bersaglio [42](#page=42). #### 4.2.1 Effetti degli androgeni Gli androgeni sono cruciali per il differenziamento sessuale maschile nell'embrione, lo sviluppo dei caratteri sessuali secondari nella pubertà e il mantenimento di questi caratteri, del trofismo cutaneo, della massa muscolare e ossea nell'adulto. Presentano importanti effetti anabolizzanti, che possono essere sfruttati nel doping sportivo, e influenzano la produzione di globuli rossi e l'aggressività [43](#page=43). ### 4.3 Estrogeni I principali estrogeni sono l'estradiolo (ormone della fertilità), l'estrone (ormone della gravidanza) e l'estriolo (ormone della menopausa). Sono prodotti nei follicoli ovarici a partire dagli androgeni, grazie all'azione dell'enzima aromatasi che crea un anello aromatico [44](#page=44). #### 4.3.1 Effetti degli estrogeni Gli estrogeni esercitano effetti trofici sugli organi sessuali femminili e sull'osso. Influenzano le fasi cicliche dell'endometrio e dell'ovaio [44](#page=44). ### 4.4 Mineralcorticoidi L'aldosterone, secreto dal surrene, promuove il riassorbimento di ioni sodio ($Na^+$). Questo aumento del sodio porta a un aumento del volume sanguigno e, di conseguenza, della pressione arteriosa, contribuendo alla regolazione del volume e della pressione del sangue. La sua secrezione è stimolata dall'ormone peptidico angiotensina [46](#page=46). > **Tip:** L'aldosterone è fondamentale per il mantenimento dell'omeostasi idro-salina e cardiovascolare, assicurando l'apporto di nutrienti e ossigeno ai tessuti [46](#page=46). ### 4.5 Glucocorticoidi I principali glucocorticoidi sono il corticosterone e il cortisolo. Vengono secreti in risposta all'ormone ipofisario ACTH, nell'ambito dell'asse ipofisi-surrene. I livelli di cortisolo sono correlati all'intensità e alla durata dell'esercizio fisico [47](#page=47). #### 4.5.1 Effetti dei glucocorticoidi I glucocorticoidi hanno effetti catabolici su proteine e lipidi, promuovendo la gluconeogenesi e la lipolisi. Possiedono anche attività antiinfiammatoria [47](#page=47) [48](#page=48). > **Tip:** Livelli elevati di glucocorticoidi, in particolare cortisolo, possono compromettere la performance sportiva a causa dei loro effetti catabolici. Il cortisolo è noto anche come "ormone dello stress" [47](#page=47) [48](#page=48). ### 4.6 Regolazione della calcemia La calcemia, ovvero il livello di calcio nel sangue, è finemente regolata da diversi ormoni. #### 4.6.1 Calcitriolo Il calcitriolo è un derivato steroideo della vitamina D. Favorisce l'assorbimento del calcio a livello intestinale e la sua deposizione nelle ossa. Una carenza di vitamina D può portare a fragilità ossea, compromettendo la mineralizzazione [49](#page=49). > **Tip:** Il fegato e i reni sono coinvolti nella conversione della vitamina D nel suo metabolita attivo, il calcitriolo [49](#page=49). #### 4.6.2 Paratormone (PTH) Il paratormone (PTH) è un ormone peptidico secreto dalle paratiroidi in risposta a una bassa calcemia. Stimola il rilascio di calcio dall'osso (demineralizzazione) e promuove la formazione del calcitriolo a livello renale [50](#page=50). #### 4.6.3 Calcitonina La calcitonina è un ormone che favorisce la deposizione di calcio nell'osso, promuovendo la mineralizzazione [50](#page=50). > **Tip:** L'ossificazione ottimale richiede un'interazione bilanciata tra le cellule ossee che favoriscono la mineralizzazione (osteoblasti) e quelle che promuovono il riassorbimento e la demineralizzazione (osteoclasti). Altri ormoni, come il testosterone e l'IGF-I, influenzano positivamente il metabolismo osseo, mentre cortisolo e miostatina hanno un ruolo inibitorio [50](#page=50). > > **Nota:** L'osso è un tessuto metabolicamente molto attivo [50](#page=50). --- ## Errori comuni da evitare - Rivedete tutti gli argomenti accuratamente prima degli esami - Prestate attenzione alle formule e definizioni chiave - Praticate con gli esempi forniti in ogni sezione - Non memorizzate senza comprendere i concetti sottostanti

| Term | Definition | |------|------------| | Ormone | Mediatori chimici sintetizzati da cellule endocrine o da altri tessuti, rilasciati nel circolo sanguigno o nello spazio extracellulare, che agiscono su cellule bersaglio specifiche legandosi a recettori e scatenando una risposta biologica. | | Recettore | Proteina specifica presente sulla membrana cellulare o all'interno della cellula (citoplasma o nucleo) che si lega a un determinato ligando (come un ormone), iniziando una cascata di segnali intracellulari che portano a una risposta cellulare. | | Trasduzione del segnale | Il processo attraverso il quale un segnale extracellulare (come il legame di un ormone al suo recettore) viene convertito in una serie di eventi intracellulari che modificano il comportamento della cellula, portando a una risposta biologica. | | Secondo messaggero | Molecole intracellulari non proteiche, come cAMP, cGMP, ioni calcio o diacilglicerolo, che vengono prodotte in risposta all'attivazione di un recettore di membrana e amplificano e diffondono il segnale all'interno della cellula, mediando la risposta cellulare. | | Proteina G | Una famiglia di proteine intracellulari associate alla membrana plasmatica che fungono da trasduttori del segnale, collegando i recettori di membrana a enzimi effettori o canali ionici, e che sono attivate dal legame con il GDP o GTP. | | Adenilato ciclasi | Un enzima di membrana che, quando attivato da una subunità alfa della proteina Gs, catalizza la conversione dell'ATP in AMP ciclico (cAMP), uno dei più comuni secondi messaggeri. | | Proteina chinasi A (PKA) | Un enzima intracellulare che viene attivato dal cAMP e catalizza la fosforilazione di proteine bersaglio, modulandone l'attività e partecipando a diverse vie di segnalazione cellulare. | | Fosfolipasi C | Un enzima di membrana che, attivato da una proteina G, idrolizza il fosfatidilinositolo 4,5-bifosfato (PIP2) in due secondi messaggeri: inositolo trifosfato (IP3) e diacilglicerolo (DAG). | | Recettore tirosin-chinasi | Un tipo di recettore transmembrana che, una volta legato al suo ligando (come l'insulina), attiva la propria attività tirosin-chinasica intracellulare, fosforilando specifici substrati proteici e innescando una cascata di segnali. | | Recettore intracellulare | Recettori localizzati nel citoplasma o nel nucleo che legano ormoni liposolubili (come gli ormoni steroidei). Il complesso ligando-recettore agisce come un fattore di trascrizione, regolando l'espressione genica. | | Catecolamine | Ormoni derivati dalla tirosina, tra cui adrenalina e noradrenalina, rilasciati in risposta a stimoli del sistema nervoso simpatico e coinvolti nella risposta di \"attacco o fuga\", influenzando il metabolismo energetico e la funzione cardiovascolare. | | Glucagone | Ormone peptidico prodotto dalle cellule alfa del pancreas, che aumenta la glicemia stimolando la glicogenolisi e la gluconeogenesi nel fegato e la lipolisi nel tessuto adiposo. | | Insulina | Ormone peptidico prodotto dalle cellule beta del pancreas, che riduce la glicemia promuovendo l'uptake di glucosio nelle cellule, la glicogenosintesi, la liposintesi e la sintesi proteica. Agisce come ormone anabolico. | | Ormone della crescita (GH) | Ormone polipeptidico secreto dall'ipofisi anteriore, con un ruolo anabolico importante per la crescita ossea, la sintesi proteica e il metabolismo generale. Stimola anche la produzione di IGF-1. | | IGF-1 (Fattore di crescita insulino-simile 1) | Ormone proteico, prodotto principalmente nel fegato, strutturalmente simile all'insulina. Gioca un ruolo cruciale nella crescita e nell'anabolismo muscolare, osseo e di altri tessuti, agendo tramite meccanismi endocrini, paracrini e autocrini. | | Miostatina | Una proteina prodotta principalmente nel muscolo scheletrico che agisce come inibitore del mio-genesi e della crescita muscolare, esercitando un'azione catabolica sulla massa muscolare. Bassi livelli sono associati all'esercizio fisico. | | Adipochine | Molecole secrete dal tessuto adiposo, come leptina e adiponectina, che svolgono funzioni endocrine e paracrine, regolando il metabolismo energetico, la massa grassa, la sensibilità all'insulina e l'infiammazione. | | Ormoni tiroidei | Ormoni lipofili (T3 e T4) derivati dalla tireoglobulina, essenziali per lo sviluppo e la regolazione del metabolismo basale. Aumentano la temperatura corporea e influenzano il metabolismo di carboidrati, lipidi e proteine. | | Ormoni steroidei | Ormoni derivati dal colesterolo, tra cui mineralcorticoidi, glucocorticoidi e ormoni sessuali. Sono liposolubili e agiscono legandosi a recettori intracellulari per regolare l'espressione genica. | | Mineralcorticoidi | Ormoni steroidei (come l'aldosterone) prodotti dalla corteccia surrenale, che regolano l'equilibrio idro-salino promuovendo il riassorbimento di sodio e l'escrezione di potassio nei reni, influenzando il volume e la pressione sanguigna. | | Glucocorticoidi | Ormoni steroidei (come il cortisolo) prodotti dalla corteccia surrenale in risposta all'ACTH. Hanno effetti catabolici su proteine e lipidi, un'azione antiinfiammatoria e influenzano il metabolismo del glucosio e la risposta allo stress. | | Calcemia | La concentrazione di ioni calcio nel sangue. La sua regolazione è essenziale per molte funzioni fisiologiche e coinvolge ormoni come il calcitriolo, il paratormone (PTH) e la calcitonina. | | Calcitriolo | La forma attiva della Vitamina D, uno steroide che favorisce l'assorbimento intestinale di calcio e fosfato e la loro deposizione nelle ossa, contribuendo a mantenere livelli adeguati di calcemia e a mineralizzare lo scheletro. | | Paratormone (PTH) | Ormone peptidico secreto dalle ghiandole paratiroidi che aumenta i livelli di calcio nel sangue stimolando il rilascio di calcio dall'osso (demineralizzazione), la riassorbimento di calcio nei reni e la sintesi di calcitriolo. | | Calcitonina | Ormone peptidico secreto dalle cellule parafollicolari della tiroide che riduce i livelli di calcio nel sangue favorendo la deposizione di calcio nelle ossa (mineralizzazione) e inibendo il riassorbimento osseo. |

# La filiation et la structure des oses Cette section explore les mécanismes d'allongement et de raccourcissement des chaînes carbonées des oses, ainsi que leur représentation sous forme cyclique en solution [1](#page=1) [2](#page=2). ### 1.1 Filiation des aldoses La filiation des aldoses décrit les réactions permettant de relier les oses entre eux selon leur nombre d'atomes de carbone, permettant ainsi d'allonger ou de raccourcir une chaîne carbonée. Elle établit une relation "généalogique" entre les différents types d'oses (trioses, tétroses, pentoses, hexoses, etc.) [1](#page=1). #### 1.1.1 Synthèse de Kiliani-Fischer La synthèse de Kiliani-Fischer est une méthode d'élongation de la chaîne carbonée d'un aldose. Elle se déroule en trois étapes principales : 1. **Addition de cyanure d'hydrogène (HCN)**: Le groupe aldéhyde (-CHO) de l'ose réagit avec le HCN. Le carbone du carbonyle devient asymétrique, portant désormais quatre groupes différents: -OH, -CN, -H, et le reste de la chaîne carbonée. Cette étape génère deux diastéréoisomères en raison de la stéréochimie possible du nouveau carbone asymétrique [1](#page=1). 2. **Hydrolyse du nitrile**: Le groupe nitrile (-CN) est hydrolysé en groupe acide carboxylique (-COOH) par addition d'eau et d'acide. L'azote est libéré sous forme d'ammoniac (NH₃). On obtient ainsi un acide aldonic [1](#page=1). 3. **Réduction de l'acide carboxylique**: L'acide carboxylique est réduit pour former un groupe aldéhyde (-CHO), allongeant ainsi la chaîne carbonée de l'ose d'un carbone. Le résultat est un nouvel aldose avec un carbone de plus [1](#page=1). > **Tip:** La synthèse de Kiliani-Fischer permet de passer d'un aldose de $n$ carbones à un aldose de $n+1$ carbones, produisant systématiquement un mélange racémique (deux énantiomères) à chaque élongation [1](#page=1). Le même mécanisme d'élongation s'applique aux cétoses, en commençant par des céto-trioses ou le dihydroxyacétone [1](#page=1). #### 1.1.2 Nombre d'isomères Le nombre d'isomères d'un aldose est calculé selon la formule $2^{n-2}$, où $n$ représente le nombre total d'atomes de carbone dans la molécule. Pour un aldose, $n-2$ est le nombre de carbones asymétriques (stéréocentres) [2](#page=2). * **Exemple pour un aldose**: Le glucose, un aldose à 6 carbones ($n=6$), possède $2^{6-2} = 2^4 = 16$ isomères (8 formes D et 8 formes L) [2](#page=2). Le nombre d'isomères d'un cétose est calculé selon la formule $2^{n-3}$, où $n$ représente le nombre total d'atomes de carbone. Pour un cétose, $n-3$ est le nombre de carbones asymétriques [2](#page=2). * **Exemple pour un cétose**: Le fructose, un cétose à 6 carbones ($n=6$), possède $2^{6-3} = 2^3 = 8$ isomères (4 formes D et 4 formes L) [2](#page=2). ### 1.2 Structure cyclique des oses En solution aqueuse, les oses contenant plus de quatre atomes de carbone adoptent préférentiellement une structure cyclique plutôt que linéaire. Cette cyclisation se produit par la formation d'un hémiacétal entre le groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone) et un groupe hydroxyle (-OH) présent sur la même molécule [2](#page=2). #### 1.2.1 Formation de l'hémiacétal Le processus de cyclisation, également connu sous le nom de cyclisation selon Tollens, implique les étapes suivantes : 1. **Attaque nucléophile**: Le groupe hydroxyle (-OH) d'un carbone (souvent C5 pour les aldoses, ou C4 pour certains cétoses) attaque le carbone du groupe carbonyle (C1 pour un aldose, C2 pour un cétose) [2](#page=2). 2. **Fermeture du cycle**: Cette attaque conduit à la formation d'une liaison C-O, fermant ainsi le cycle. Le carbone du carbonyle, initialement impliqué dans une double liaison C=O, devient un carbone avec quatre groupes différents (hémiacétal) [2](#page=2). 3. **Carbone anomérique**: Le carbone qui était initialement le groupe carbonyle devient un nouveau centre stéréogène, appelé carbone anomérique [2](#page=2). > **Tip:** La formation de l'hémiacétal crée un nouveau centre chiral (le carbone anomérique), ce qui entraîne l'existence de deux isomères, appelés anomères $\alpha$ et $\beta$. #### 1.2.2 Types de cycles La taille du cycle formé dépend du groupe -OH qui participe à l'attaque : * **Cycle à 6 chaînons (pyranose)**: Si le groupe hydroxyle du carbone 5 (-OH en C5) attaque le groupe carbonyle, il se forme un cycle à 6 atomes (5 carbones et 1 oxygène). Ce type de cycle est appelé pyranose. Par exemple, le D-glucopyranose [2](#page=2). * **Cycle à 5 chaînons (furanose)**: Si le groupe hydroxyle du carbone 4 (-OH en C4) attaque le groupe carbonyle, il se forme un cycle à 5 atomes (4 carbones et 1 oxygène). Ce type de cycle est appelé furanose. Par exemple, le D-fructofuranose [2](#page=2). Le mécanisme est similaire pour les cétoses, où le groupe hydroxyle en position C5 ou C4 peut attaquer le carbonyle en C2, formant ainsi des cycles pyranose ou furanose respectivement [2](#page=2). --- # Représentation et propriétés des oses Cette section détaille la représentation cyclique des sucres par la projection de Haworth, la notion de carbone anomérique, ainsi que les propriétés physicochimiques des oses, incluant les réactions d'oxydation et de réduction. ### 2.1 Représentation des oses cycliques : la projection de Haworth La projection de Haworth est une méthode simplifiée pour représenter la structure tridimensionnelle des sucres cycliques. Elle permet de visualiser la disposition spatiale des groupes hydroxyles par rapport au cycle [3](#page=3). #### 2.1.1 Construction de la projection de Haworth Pour dessiner une projection de Haworth, on représente le cycle (pyranose, un cycle à 6 atomes) comme un anneau presque plat, avec l'atome d'oxygène du cycle souvent placé en haut à droite ou en haut à gauche. Les carbones sont numérotés dans le sens des aiguilles d'une montre, en partant du carbone anomérique (C1) [3](#page=3). **Règles de conversion de la projection de Fischer à la projection de Haworth :** * Les groupes hydroxyle (–OH) situés à droite dans la projection de Fischer sont placés en bas du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). * Les groupes hydroxyles (–OH) situés à gauche dans la projection de Fischer sont placés en haut du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). #### 2.1.2 Le carbone anomérique Après la cyclisation, le carbone C1 (dans les aldoses) devient le centre anomérique. Ce carbone peut exister sous deux formes, distinguées par la position du groupe –OH [3](#page=3): * **Forme α (alpha)**: Le –OH du carbone anomérique est orienté vers le bas [3](#page=3). * **Forme β (bêta)**: Le –OH du carbone anomérique est orienté vers le haut [3](#page=3). #### 2.1.3 Conformation spatiale des oses Dans les solutions, les oses adoptent principalement deux conformations: chaise et bateau. La forme chaise est la plus stable, et c'est sous cette forme que se présentent la majorité des oses naturels [3](#page=3). ### 2.2 Propriétés physicochimiques des oses Les oses possèdent des propriétés physiques et chimiques distinctes. #### 2.2.1 Propriétés physiques * **Solubilité**: Les oses sont très solubles dans l'eau en raison de la présence de nombreux groupements hydroxyles [4](#page=4). * **Pouvoir rotatoire spécifique**: En solution, les oses présentent un pouvoir rotatoire spécifique qui permet leur identification et leur dosage [4](#page=4). * **Thermodégradation**: Sous l'effet de la chaleur, les oses subissent une caramélisation [4](#page=4). #### 2.2.2 Propriétés chimiques Les propriétés chimiques des oses découlent principalement de la fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) et des fonctions alcools, ainsi que de la fonction hémiacétalique dans les formes cycliques [4](#page=4). ##### 2.2.2.1 Propriétés dues à la fonction carbonyle (groupement réducteur) La présence d'une fonction aldéhyde ou cétone rend les oses réactifs. Ces propriétés sont notamment exploitées dans les réactions d'oxydation et de réduction. ###### 2.2.2.1.1 Oxydation L'oxydation des oses peut être réalisée chimiquement ou enzymatiquement. * **Oxydation enzymatique**: Un exemple est l'oxydation enzymatique du glucose par la glucose oxydase (GOD). Cette enzyme utilise le dioxygène (O₂) pour oxyder le D-glucose en acide gluconique, produisant du peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) [4](#page=4): $$ \text{Glucose} + \text{O}_2 \xrightarrow{[\text{glucose oxydase}]} \text{Acide gluconique} + \text{H}_2\text{O}_2 $$ Dans cette réaction, le groupe aldéhyde (–CHO) du C1 du glucose est transformé en groupe acide carboxylique (–COOH) [4](#page=4). * **Oxydation chimique douce**: Elle consiste à oxyder spécifiquement le groupement aldéhyde (–CHO) du C1 en groupe acide carboxylique (–COOH), sans affecter les autres fonctions hydroxyles [4](#page=4). * **Réaction générale** : $$ \text{Aldose} \xrightarrow{\text{Oxydant doux}} \text{Acide aldonoïque} $$ * **Exemple**: L'oxydation du D-glucose conduit à l'acide D-gluconique [4](#page=4). * **Réactifs utilisés**: L'eau de brome (Br₂/H₂O) est un réactif couramment utilisé pour cette oxydation douce [5](#page=5). * **Oxydation chimique forte**: Réalisée avec des oxydants puissants comme l'acide nitrique (HNO₃), elle oxyde à la fois le groupement aldéhyde (–CHO) en C1 et l'alcool primaire (–CH₂OH) en C6 en groupes acides carboxyliques (–COOH). Le produit obtenu est un acide aldarique, possédant deux fonctions acide carboxylique [5](#page=5). * **Réaction générale** : $$ \text{HOCH}_2-(\text{CHOH})_n-\text{CHO} \xrightarrow{\text{HNO}_3, \Delta} \text{HOOC}-(\text{CHOH})_n-\text{COOH} $$ * **Exemple**: L'oxydation forte du D-glucose par l'acide nitrique conduit à l'acide D-glucarique (acide saccharique) [5](#page=5). * **Cas des cétoses**: L'oxydation forte des cétoses, qui possèdent une fonction cétone (–CO–) au lieu d'une fonction aldéhyde, provoque une coupure de la chaîne carbonée au niveau du carbone cétone, conduisant à la formation de deux acides plus courts. Par exemple, l'oxydation du D-fructose par HNO₃ peut donner de l'acide glycolique et de l'acide tartarique [6](#page=6). * **Oxydation par les sels de métaux lourds**: Des réactifs comme la liqueur de Fehling ou la solution de Tollens utilisent des ions métalliques (Cu²⁺ ou Ag⁺) capables d'oxyder les oses en milieu basique et chauffé. Les ions métalliques sont réduits pendant cette réaction (réaction d'oxydo-réduction) [6](#page=6). * **Oses réducteurs**: Les aldoses (glucose, mannose, galactose) sont dits réducteurs car ils possèdent une fonction aldéhyde ou peuvent la régénérer en milieu basique (même à partir de la forme cyclique). Ils réduisent donc les ions Cu²⁺ en Cu⁺ et Ag⁺ en Ag [6](#page=6). * **Cétoses réducteurs indirectement**: Les cétoses, comme le fructose, ne possèdent pas de fonction aldéhyde. Cependant, en milieu basique, ils peuvent s'isomériser en aldoses (glucose ou mannose) et sont donc également capables de réduire indirectement ces sels [6](#page=6). ###### 2.2.2.1.2 Réduction Les oses peuvent être réduits, généralement par des agents réducteurs forts comme le borohydrure de sodium (NaBH₄) ou le borohydrure de lithium (LiBH₄) [7](#page=7). * **Réduction des aldoses**: L'ion hydrure (H⁻) attaque le carbone du groupe carbonyle (–CHO). La double liaison C=O se transforme en C–OH, et un H est ajouté, formant un alcool primaire (–CH₂OH). Le produit final est un polyol (un alcool avec plusieurs fonctions –OH) [7](#page=7). * **Structure générale d'un aldose** : R–CHO * **Produit final** : R–CH₂OH (alcool primaire) * **Réduction des cétoses**: L'ion hydrure attaque le carbone du groupe cétone (–CO–). La double liaison C=O devient C–OH, et un H est ajouté, formant un alcool secondaire (–CHOH–). Le produit final est également un polyol, transformant le cétose en polyol [7](#page=7). * **Structure générale d'un cétose** : R₁–CO–R₂ * **Produit final** : R₁–CH(OH)–R₂ (alcool secondaire) > **Tip :** La compréhension de la représentation de Haworth est fondamentale pour visualiser la stéréochimie des sucres et prédire leurs réactions. La distinction entre les formes alpha et bêta du carbone anomérique est cruciale, notamment pour les réactions de polymérisation (formation de liaisons glycosidiques). > **Tip :** Les réactions d'oxydation et de réduction des oses sont très importantes en biochimie et en chimie organique. Elles permettent de modifier les fonctions des sucres et sont à la base de nombreuses voies métaboliques et de tests d'identification. Retenez bien la différence entre oxydation douce, forte, et celle utilisant les sels métalliques. --- # Réactions des oses et classification des osides Voici une synthèse détaillée et complète sur les réactions des oses et la classification des osides, conçue pour être un guide d'étude prêt pour un examen. ## 3. Réactions des oses et classification des osides Ce thème explore les réactions de condensation formant des liaisons glycosidiques, la classification des osides en holosides et hétérosides, ainsi que les réactions spécifiques dues aux fonctions alcools des oses comme l'estérification et la déshydratation. ### 3.1 Réactions de condensation des oses La condensation des oses permet la formation de liaisons glycosidiques, essentielles à la création de molécules glucidiques plus complexes comme les holosides et les hétérosides [8](#page=8). #### 3.1.1 Le principe général de la condensation La fonction hydroxyle (–OH) d'un ose peut réagir avec le groupe –H d'un autre groupement (–OH, –NH₂, ou –H) pour former une liaison covalente, avec élimination d'une molécule d'eau (H₂O). Cette réaction est une déshydratation [8](#page=8). La liaison formée est appelée : * **Liaison glycosidique** si elle relie deux oses [8](#page=8). * **Hétéroside** si le partenaire de la condensation n'est pas un ose [8](#page=8). #### 3.1.2 Différents types de condensation * **Condensation avec un autre ose : formation d'un holoside** Lorsque le groupement R–OH est un autre sucre, la condensation conduit à la formation d'un disaccharide ou d'un polysaccharide [8](#page=8). * **Exemple:** Glucose + Glucose → Maltose (liaison α-1,4-glycosidique) + H₂O [8](#page=8). * **Produit:** Holoside (entièrement composé de sucres) [8](#page=8). * **Lien:** O-glycosidique, impliquant le carbone anomérique [8](#page=8). * **Condensation avec une molécule non sucrée : formation d'un hétéroside** Si le groupement R–H n'est pas un sucre, on obtient un O-hétéroside [8](#page=8). * **Exemple:** Un sucre réagit avec un alcool ou un phénol [8](#page=8). Glucose + R–H → O-hétéroside + H₂O [8](#page=8). * **Condensation avec une amine : formation d'un N-hétéroside** La condensation peut également se produire avec un groupement –NH₂ [8](#page=8). * **Exemple:** Sucre + Base azotée → N-glycoside [8](#page=8). * **Importance biochimique:** L'ADN et l'ARN contiennent des N-hétérosides, où le sucre (ribose ou désoxyribose) est lié à une base azotée [8](#page=8). ### 3.2 Réactions dues aux fonctions alcool des oses Les fonctions hydroxyles (–OH) des oses, caractéristiques des alcools, peuvent subir diverses réactions chimiques. #### 3.2.1 Estérification L'estérification est une réaction clé en biochimie, notamment dans le métabolisme énergétique. Elle consiste à faire réagir une fonction hydroxyle (–OH) d'un ose avec un acide (H–X) pour former un ester (R–O–X), avec élimination d'eau [9](#page=9). * **Principe général:** R–OH + H–X → R–O–X + H₂O [9](#page=9). * **Acides typiques impliqués avec les oses:** Acide phosphorique (H₃PO₄), acide sulfurique, acides carboxyliques [9](#page=9). * **Exemple concret : Formation du glucose 6-phosphate** * Réaction: Glucose + H₃PO₄ → Glucose 6-phosphate + H₂O [9](#page=9). * Explication: Le groupe –OH en position C6 du glucose réagit avec l'acide phosphorique. La réaction est la première étape de la glycolyse [9](#page=9). * **Observation:** L'estérification libère de l'eau, confirmant sa nature de réaction de condensation [9](#page=9). #### 3.2.2 Déshydratation en milieu acide La déshydratation des oses en milieu acide et à chaud est une réaction classique en chimie des sucres, conduisant à la formation de produits cycliques et aromatiques [10](#page=10). * **Principe général:** Sous l'action d'un acide fort et de la chaleur, une molécule d'ose perd des molécules d'eau (H₂O) [10](#page=10). * **Résultats :** * Cyclisation de l'ose [10](#page=10). * Formation d'un produit aromatique: furfural (à partir de pentoses) ou hydroxyméthylfurfural (HMF, à partir d'hexoses) [10](#page=10). * **Réactions schématiques :** * Ose → (acide fort + chaleur) Furfural / HMF + H₂O [10](#page=10). * **Types d'oses et produits formés :** * **Pentose (C5):** Donne du furfural. Exemple: Ribose → Furfural + 3 H₂O [10](#page=10). * **Hexose (C6):** Donne de l'hydroxyméthylfurfural (HMF). Exemple: Glucose → HMF + 3 H₂O [10](#page=10). ### 3.3 Classification des osides Un oside est une molécule glucidique complexe qui, par hydrolyse, libère soit plusieurs oses (identiques ou différents), soit des oses et une autre molécule non glucidique [11](#page=11). #### 3.3.1 Définition et classification générale | Type d'oside | Produits d'hydrolyse | Exemple | Composition | | :------------- | :---------------------------------------- | :------------------------------------------ | :-------------------------------- | | Holoside | Uniquement des oses | Maltose, Saccharose, Lactose | Ose + Ose | | Hétéroside | Ose(s) + aglycone (partie non sucrée) | ADN, glycoprotéines, glycolipides | Ose + molécule non osidique | #### 3.3.2 Les holosides Les holosides sont formés exclusivement d'oses unis par une liaison osidique [11](#page=11). ##### 3.3.2.1 La liaison osidique La liaison osidique est une liaison covalente formée entre le carbone anomérique (généralement C1) d'un ose et un groupement hydroxyle (–OH) d'un autre ose. La formation de cette liaison implique trois éléments clés [11](#page=11): 1. **Nature des oses liés :** Identité des sucres impliqués (ex: glucose + galactose). 2. **Forme cyclique des oses :** Cycle pyrane (6 atomes) ou furane (5 atomes). 3. **Configuration anomérique :** * $\alpha$ (alpha) : si le groupe –OH anomérique est en bas du plan. * $\beta$ (bêta) : si le groupe –OH anomérique est en haut du plan. ##### 3.3.2.2 Classification des holosides : oligosides et polyosides | Type | Description | Exemple | | :---------- | :---------------------------------------- | :------------------------------------------------------------------- | | Oligosides | 2 à 10 oses | Maltose, Saccharose, Lactose | | Polyosides | >10 oses (Polysaccharides) | Amidon, Glycogène, Cellulose | Ces molécules servent souvent de réserve énergétique (amidon, glycogène) ou de structure (cellulose) [11](#page=11). ##### 3.3.2.3 Diholosides réducteurs Un diholoside est dit réducteur si son carbone anomérique d'un des deux oses n'est pas engagé dans la liaison osidique. Ce carbone anomérique libre permet au diholoside de réduire les sels métalliques (comme la liqueur de Fehling). Ces diholosides peuvent exister sous forme $\alpha$ ou $\beta$ en raison de cet anomère libre [11](#page=11). #### 3.3.3 Nomenclature générale des osides La nomenclature des osides reflète la présence ou l'absence d'une fonction hémiacétalique libre sur le carbone anomérique [12](#page=12). * **-ose:** L'ose a sa fonction hémiacétalique libre (sucre réducteur) [12](#page=12). * **-osyl:** L'ose a sa fonction hémiacétalique engagée dans la liaison osidique (premier ose du diholoside) [12](#page=12). * **-oside:** La fonction hémiacétalique du dernier ose est engagée (sucre non réducteur) [12](#page=12). ##### 3.3.3.1 Exemple 1 : Lactose (Diholoside réducteur) * **Composition:** 1 D-galactose + 1 D-glucose [12](#page=12). * **Liaison osidique:** $\beta$(1 → 4). Le C1 du galactose se lie au C4 du glucose [12](#page=12). * **Nom chimique:** D-galactopyranosyl ($\beta$ → 4)D-glucopyranose [12](#page=12). * **Caractère réducteur:** Le glucose conserve son C1 libre, donc le lactose est réducteur. Il peut être sous forme $\alpha$ ou $\beta$ [12](#page=12). ##### 3.3.3.2 Exemple 2 : Saccharose (Diholoside non réducteur) * **Composition:** 1 glucose + 1 fructose [12](#page=12). * **Liaison osidique:** $\alpha$(1 → $\beta$ 2). Le C1 du glucose ($\alpha$) est lié au C2 du fructose ($\beta$) [12](#page=12). * **Nom chimique:** D-glucopyranosyl ($\alpha$ → $\beta$ 2)D-fructofuranoside [12](#page=12). * **Caractère non réducteur:** Les carbones anomériques C1 du glucose et C2 du fructose sont engagés; aucun n'est libre. C'est un sucre non réducteur. C'est le sucre de table [12](#page=12) [13](#page=13). ##### 3.3.3.3 Exemple 3 : Maltose (Diholoside réducteur) * **Composition:** 2 molécules de D-glucose [13](#page=13). * **Liaison osidique:** $\alpha$(1 → 4). Le C1 du premier glucose se lie au C4 du second glucose [13](#page=13). * **Nom chimique:** D-glucopyranosyl ($\alpha$ → 4)D-glucopyranose [13](#page=13). * **Caractère réducteur:** Le second glucose conserve son C1 libre, donc le maltose est réducteur. Il peut former des anomères $\alpha$ ou $\beta$. C'est un produit de la digestion de l'amidon ou du glycogène [13](#page=13). #### 3.3.4 Les polyosides (ou polysaccharides) Les polyosides sont de grands glucides complexes formés par la condensation de très nombreuses molécules d'oses (plusieurs centaines à milliers) via des liaisons O-glycosidiques. Ils jouent trois rôles principaux: réserve énergétique (amidon, glycogène), structural (cellulose, chitine), ou biologique spécifique (acide hyaluronique, héparine) [14](#page=14). ##### 3.3.4.1 Caractérisation des polyosides Les polyosides se distinguent par : 1. Le type d'oses constitutifs (identiques ou différents) [14](#page=14). 2. Le type de liaison osidique (position des carbones, $\alpha$ ou $\beta$) [14](#page=14). 3. La structure de la chaîne (linéaire ou ramifiée) [14](#page=14). ##### 3.3.4.2 Grandes familles de polyosides * **A. Les Homopolysides:** Formés d'un seul type d'ose [14](#page=14). | Exemple | Oses constitutifs | Type de liaison | Structure | Rôle | | :-------- | :---------------- | :-------------- | :-------------------------------------- | :---------------------------- | | Amidon | Glucose | $\alpha$(1→4) et $\alpha$(1→6) | Ramifiée (amylopectine) / Linéaire (amylose) | Réserve énergétique végétale | | Glycogène | Glucose | $\alpha$(1→4) et $\alpha$(1→6) | Fortement ramifiée | Réserve énergétique animale | | Cellulose | Glucose | $\beta$(1→4) | Linéaire | Rôle structural (paroi végétale) | **Remarque sur la notation des liaisons :** * $\alpha \rightarrow$ indique la configuration anomérique du premier ose (carbone 1 en position $\alpha$) [15](#page=15). * 1→4 indique que la liaison se fait entre le carbone 1 (C1) du premier ose et le carbone 4 (C4) du deuxième ose [15](#page=15). #### 3.3.5 Les hétérosides Un hétéroside est une molécule composée de deux parties: une partie glucidique (un ou plusieurs oses) et une partie non glucidique appelée aglycone. Ces deux parties sont liées par une liaison osidique [15](#page=15). * **Structure générale:** Hétéroside = (Ose(s)) + Aglycone [15](#page=15). * **Formation de la liaison:** L'hydroxyle du carbone anomérique du sucre se lie à un atome de la partie aglycone [15](#page=15). ##### 3.3.5.1 Types d'hétérosides selon l'atome lié à l'aglycone | Type d'hétéroside | Liaison | Exemple typique | Où trouve-t-on ? | | :---------------- | :------------------------------------ | :------------------------------------ | :--------------------------------------------- | | O-hétéroside | Ose lié à un O (hydroxyle alcoolique) | Liaison ose–sérine (protéine) | Glycoprotéines | | N-hétéroside | Ose lié à un N (amine/base azotée) | Nucléosides (ex: adénosine) | ADN, ARN | | C-hétéroside | Ose lié à un C de l'aglycone | Certains pigments végétaux | Plantes médicinales | | S-hétéroside | Ose lié à un S (thiol -SH) | Composés soufrés (rares) | Plantes alliacées (ail, oignons) | ##### 3.3.5.2 La nature de l'aglycone Les aglycones sont des groupements non glucidiques associés aux sucres [15](#page=15). | Type d'aglycone | Exemple | Rôle / Description | | :------------------- | :---------------------------------------------- | :--------------------------------------------------------------------------------- | | Lipide + ose | Glycolipide | Composent la membrane cellulaire, reconnaissance entre cellules | | Protéine + ose | Protéoglycane (PG), Glycoprotéine (GP), Peptidoglycane | Structure, lubrification, reconnaissance, rôle hormonal, immunitaire, enzymatique | | Peptide + polysaccharide | Peptidoglycane | Paroi bactérienne (rigidité) | | Protéine + quelques oses | Glycoprotéine (GP) | Rôles hormonaux, immunitaires, enzymatiques | | Fixation non enzymatique | Protéine glycosylée (ex: HbA1c) | Marqueurs biologiques (ex: glycémie à long terme) | ##### 3.3.5.3 Hétérosides et leurs rôles biologiques Les hétérosides contiennent une partie glucidique et une partie aglycone [16](#page=16). | Liaison | Type d'hétéroside | Exemple | Rôles dans la cellule | | :------------------ | :---------------- | :------------------------------------------ | :-------------------------------------------------------------------------------------- | | Ose + Protéine | Glycoprotéine | Récepteurs membranaires, hormones | Identification cellulaire, communication, stockage et transmission d'information génétique | | Ose + Lipide | Glycolipide | Membrane cellulaire (ex: globules rouges) | Identification cellulaire, communication, stockage et transmission d'information génétique | | Ose + Base azotée | Nucléoside | Adénosine (base + ribose) | Identification cellulaire, communication, stockage et transmission d'information génétique | Ces liaisons jouent des rôles cruciaux: identification cellulaire (glycolipides), communication (glycoprotéines), et stockage/transmission de l'information génétique (nucléosides → ADN/ARN) [16](#page=16). --- # Lipides : définition, propriétés et classification This section introduces the fundamental nature of lipids, their diverse structures, and how they are categorized based on their chemical composition and properties. ### 4.1 Définition et propriétés générales des lipides Les lipides sont des composés organiques constitués principalement de carbone (C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O). Leur caractéristique définissante est leur insolubilité dans l'eau, un solvant polaire, mais leur solubilité dans les solvants organiques non polaires tels que le chloroforme, l'éther ou le benzène. Cette propriété découle de leur nature hydrophobe, signifiant qu'ils n'interagissent pas bien avec les molécules d'eau. La plupart des lipides sont formés par la combinaison d'acides gras et d'alcools, le glycérol étant un alcool fréquemment rencontré. La liaison entre un acide gras et un alcool forme un ester, qui est la base chimique de nombreux lipides comme les graisses et les huiles [17](#page=17). Outre les lipides contenant des acides gras, certains composés apparentés, tels que les stéroïdes (ex. cholestérol) et les vitamines liposolubles (vitamines A, D, E, K), sont également considérés comme des lipides en raison de leur caractère hydrophobe [17](#page=17). Les rôles principaux des lipides incluent : * **Isolement et protection des organes**: Ils forment une réserve de graisse dans le tissu adipeux, agissant comme une barrière isolante pour maintenir la température corporelle et comme un amortisseur mécanique pour protéger les organes vitaux [17](#page=17). ### 4.2 Classification des lipides Les lipides sont classés en deux grandes catégories principales: les lipides simples et les lipides complexes [19](#page=19). #### 4.2.1 Lipides simples (homolipides) Ces lipides sont composés uniquement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils résultent généralement de la réaction d'estérification entre des acides gras et un alcool [19](#page=19) [29](#page=29). * **Glycérides (ou acylglycérols)**: L'alcool est le glycérol (propane-1,2,3-triol). Ils peuvent être mono-, di- ou triacylglycérols, selon le nombre d'acides gras liés au glycérol (#page=19, 30). Les triglycérides sont les graisses et huiles alimentaires et corporelles, servant principalement de réserve d'énergie (#page=19, 31) [19](#page=19) [30](#page=30) [31](#page=31). * **Cérides**: L'alcool est un alcool à longue chaîne (16 à 30 carbones). Ils forment les cires, qui protègent et imperméabilisent la peau, les feuilles ou les plumes (#page=19, 37) [19](#page=19) [37](#page=37). * **Stérides**: L'alcool est un stérol, comme le cholestérol. Ils forment des esters de cholestérol, jouant un rôle dans le stockage et le transport du cholestérol (#page=19, 32) [19](#page=19) [32](#page=32). #### 4.2.2 Lipides complexes (hétérolipides) Ces lipides contiennent, en plus du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène, des éléments tels que le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont des constituants majeurs des membranes cellulaires [19](#page=19) [38](#page=38). * **Glycérophospholipides**: Ils contiennent du glycérol, deux acides gras, un groupe phosphate, et souvent un autre groupe alcool (#page=19, 38). Ils sont cruciaux pour la structure des membranes cellulaires [19](#page=19) [38](#page=38). * **Sphingolipides**: Ils sont constitués d'une base appelée sphingosine, d'un acide gras, et parfois d'un groupement phosphate. Ils sont particulièrement présents dans le système nerveux, notamment dans la gaine de myéline (#page=19, 44) [19](#page=19) [44](#page=44). * **Glycolipides**: Formés d'un lipide lié à un glucide (sucre). Ils sont situés à la surface des membranes cellulaires et jouent un rôle dans la reconnaissance cellulaire (#page=19, 47) [19](#page=19) [47](#page=47). ### 4.3 Les acides gras #### 4.3.1 Définition et structure Les acides gras sont des acides monocarboxyliques possédant une fonction acide carboxylique (–COOH), qui est polaire et hydrophile, et un radical R, qui est une longue chaîne hydrocarbonée apolaire et hydrophobe. Ils peuvent être représentés par la formule générale R–COOH [20](#page=20). > **Tip** : La double nature (hydrophile/hydrophobe) des acides gras leur permet de former des structures comme les micelles ou les membranes biologiques. Caractéristiques communes des acides gras : * Chaîne carbonée linéaire et non ramifiée dans la majorité des cas [20](#page=20). * Nombre pair de carbones, généralement entre 14 et 24 dans les acides gras naturels, car ils sont synthétisés à partir d'unités de 2 carbones [20](#page=20). * Degré d'insaturation: ils peuvent être saturés (aucune double liaison) ou insaturés (une ou plusieurs doubles liaisons) [20](#page=20). * Ils peuvent exister sous différentes formes, notamment linéaires, ramifiées ou cycliques [20](#page=20). * Ils ne sont pas hydrolysables en sous-unités plus petites par hydrolyse simple, contrairement aux lipides complexes [20](#page=20). Dans l'eau à pH physiologique (~7,4), le groupement carboxyle ionise en carboxylate (–COO⁻), devenant chargé négativement et augmentant l'hydrophilie de cette partie de la molécule [20](#page=20). #### 4.3.2 Classification des acides gras Les acides gras peuvent être classés selon la présence ou l'absence de doubles liaisons et selon leur nombre de carbones [21](#page=21). ##### 4.3.2.1 Acides gras saturés Ce sont des acides gras dont la chaîne carbonée est entièrement saturée en hydrogène, sans double liaison C=C. Leur formule générale est CₙH₂ₙ₊₁COOH ou CₙH₂ₙO₂. Ils sont souvent linéaires avec un nombre pair de carbones et abondants dans les graisses animales [21](#page=21). * **Acides gras saturés représentatifs** : * Acide palmitique (C16:0): 16 carbones, présent dans les graisses animales et l'huile de palme [21](#page=21). * Acide stéarique (C18:0): 18 carbones, présent dans les graisses animales et le chocolat [21](#page=21). * Acide butyrique (C4:0): 4 carbones, dans le beurre et le métabolisme bactérien [21](#page=21). * Acide lignocérique (C24:0): 24 carbones, dans les lipides du tissu nerveux [21](#page=21). La numérotation de la chaîne carbonée commence à partir du carbone du groupement carboxyle (C1) [21](#page=21). ##### 4.3.2.2 Acides gras insaturés Ces acides gras possèdent au moins une double liaison entre les carbones de leur chaîne. Leur formule générale est CₙH₂ₙ₋₂ₓO₂, où x est le nombre de doubles liaisons. La première double liaison se situe généralement entre C9 et C10, et elles sont souvent séparées par des groupements méthylènes (–CH₂–) [22](#page=22). * **Acides gras mono-insaturés (AGMI)**: Possèdent une seule double liaison, fréquemment entre C9 et C10. L'acide oléique (C18:1Δ9) en est un exemple, présent dans l'huile d'olive (#page=22, 23) [22](#page=22) [23](#page=23). * **Acides gras poly-insaturés (AGPI)**: Possèdent plusieurs doubles liaisons, séparées par des groupements méthylènes. Les acides linoléique (C18:2Δ9,12) et alpha-linolénique (C18:3Δ9,12,15) sont des exemples essentiels qui doivent être apportés par l'alimentation. Ils jouent un rôle dans la fluidité membranaire et la production de médiateurs chimiques [23](#page=23). La nomenclature $\Delta$ (delta) indique la position de la double liaison à partir du groupe carboxyle, tandis que la nomenclature $\omega$ (oméga) l'indique à partir du groupe méthyle terminal (CH₃) [23](#page=23). #### 4.3.3 Configurations des doubles liaisons La présence d'une double liaison C=C induit une rigidité dans la chaîne carbonée. * **Configuration Cis**: Les deux atomes d'hydrogène sont du même côté de la double liaison. Cela crée un coude ou un pli dans la chaîne, empêchant un empaquetage serré et rendant les acides gras liquides [24](#page=24). * **Configuration Trans**: Les deux atomes d'hydrogène sont de part et d'autre de la double liaison. La chaîne est presque linéaire, ressemblant à celle des acides gras saturés, ce qui rend les acides gras solides [24](#page=24). #### 4.3.4 Propriétés physico-chimiques des acides gras Les propriétés des acides gras dépendent de la longueur de leur chaîne carbonée et de leur degré d'insaturation [26](#page=26). * **Solubilité dans l'eau** : * La partie hydrophile (–COOH) aime l'eau, tandis que la partie hydrophobe (chaîne hydrocarbonée) la repousse (#page=20, 26) [20](#page=20) [26](#page=26). * Plus la chaîne hydrocarbonée est longue, plus la partie hydrophobe domine, et moins l'acide gras est soluble [26](#page=26). * Les acides gras à chaîne courte (C4-C6) sont solubles dans l'eau, tandis que ceux à chaîne longue (> C10) sont pratiquement insolubles [26](#page=26). * La présence de doubles liaisons augmente légèrement la solubilité car elle gêne l'empilement des molécules [26](#page=26). * **Masse volumique**: Les acides gras ont une masse volumique inférieure à celle de l'eau (environ 0,8 à 0,95 g/cm³), ce qui explique pourquoi les huiles flottent à la surface de l'eau [26](#page=26). * **Point de fusion** : * **Longueur de la chaîne carbonée**: Plus la chaîne est longue, plus les molécules s'attachent fortement entre elles, nécessitant plus de chaleur pour fondre, donc le point de fusion augmente. Les chaînes courtes sont liquides à température ambiante, les chaînes longues sont solides [27](#page=27). * **Degré d'insaturation**: Chaque double liaison crée une "cassure" dans la chaîne, empêchant l'emboîtement serré des molécules. Moins les molécules peuvent s'emboîter, plus elles fondent facilement, donc plus il y a de doubles liaisons, plus le point de fusion est bas [27](#page=27). #### 4.3.5 Propriétés chimiques des acides gras Les réactions chimiques des acides gras sont dues soit à la fonction acide carboxylique, soit à la présence de doubles liaisons [27](#page=27). * **Réactions dues à la fonction acide (–COOH)** : * **Formation de sels alcalins (savons)**: La réaction d'un acide gras avec une base forte (NaOH ou KOH) produit un sel d'acide gras (savon) et de l'eau [27](#page=27). $$ \text{R–COOH + NaOH} \longrightarrow \text{R–COO⁻Na⁺ + H₂O} $$ La partie R–COO⁻ est hydrophobe, tandis que Na⁺ est hydrophile, conférant au savon ses propriétés détergentes [27](#page=27). * **Estérification**: La réaction d'un acide gras avec un alcool forme un ester et de l'eau. Cette réaction est fondamentale pour la formation des glycérides, par exemple, où trois acides gras estérifient un glycérol (#page=28, 29) [28](#page=28) [29](#page=29). $$ \text{R–COOH + R'–OH} \longrightarrow \text{R–COO–R' + H₂O} $$ * **Réactions dues à la présence de doubles liaisons (C=C)**: Ces réactions concernent uniquement les acides gras insaturés [28](#page=28). * **Hydrogénation**: L'ajout d'hydrogène (H₂) sur les doubles liaisons supprime ces dernières, transformant un acide gras insaturé en acide gras saturé. C'est ainsi que les huiles végétales liquides peuvent être transformées en graisses solides (margarine) [28](#page=28). $$ \text{CH₂=CH–CH=CH–CH} + \text{H₂} \longrightarrow \text{CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂} $$ * **Oxydation**: L'oxydation d'un acide gras insaturé (par exemple, avec KMn₄) rompt la double liaison et conduit à la formation de deux acides carboxyliques. Cette réaction explique le rancissement des graisses [28](#page=28). $$ \text{R–CH=CH–R'–COOH + KMnO₄} \longrightarrow \text{R–COOH + HOOC–R'–COOH} $$ ### 4.4 Les lipides simples Les lipides simples, ou homolipides, sont des molécules composées exclusivement de C, H et O, formées par réaction d'estérification entre un alcool et un ou plusieurs acides gras [29](#page=29). #### 4.4.1 Glycérides (Acylglycérols) Ce sont des esters formés entre le glycérol et des acides gras. Le glycérol est un triol, capable de réagir avec 1, 2 ou 3 acides gras pour former respectivement des mono-, di-, ou triglycérides [30](#page=30). * **Types de glycérides** : * **Monoglycérides**: 1 acide gras + 1 glycérol. Intermédiaires digestifs, amphipathiques [30](#page=30). * **Diglycérides**: 2 acides gras + 1 glycérol. Intermédiaires métaboliques, amphipathiques [30](#page=30). * **Triglycérides**: 3 acides gras + 1 glycérol. Graisses et huiles, très hydrophobes [30](#page=30). Les glycérides peuvent être **simples** (tous les acides gras identiques) ou **mixtes** (acides gras différents) [30](#page=30). * **Propriétés physiques** : * Les mono- et diglycérides sont amphipathiques [30](#page=30). * Les triglycérides sont totalement hydrophobes, insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques [30](#page=30). * Le point de fusion des triglycérides dépend des acides gras: les acides gras saturés mènent à des solides (graisses), tandis que les insaturés mènent à des liquides (huiles) [31](#page=31). * **Propriétés chimiques** : * **Hydrolyse acide ou enzymatique**: Les triglycérides sont hydrolysés en glycérol et 3 acides gras, processus essentiel à la digestion par les lipases [31](#page=31). * **Hydrolyse alcaline (saponification)**: Réaction utilisée pour fabriquer des savons [31](#page=31). * **Rôles des triglycérides** : * **Rôle énergétique**: Principale forme de stockage d'énergie (environ 9 kcal/g), plus dense que le glycogène [31](#page=31). * **Isolation thermique**: Le tissu adipeux sous-cutané protège contre le froid [31](#page=31). * **Protection mécanique**: Le tissu adipeux entoure les organes vitaux [31](#page=31). * **Rôle physiopathologique**: Un excès peut conduire à l'obésité, au diabète et aux maladies cardiovasculaires [32](#page=32). #### 4.4.2 Cérides (Cires) Les cérides sont formés par l'estérification d'un acide gras avec un alcool gras à longue chaîne. Ils possèdent une longue chaîne hydrocarbonée hydrophobe et une liaison ester [37](#page=37). * **Exemple**: Le palmitate de cétyle, formé par la réaction de l'acide palmitique avec l'alcool cétylique, est une cire naturelle [37](#page=37). * **Propriétés physiques** : * Solides à température ambiante en raison de l'empilement de leurs longues chaînes carbonées, entraînant un point de fusion élevé [37](#page=37). * Très hydrophobes et insolubles dans l'eau [37](#page=37). * **Rôle**: Protection et imperméabilisation contre l'eau et les agents extérieurs (#page=19, 37) [19](#page=19) [37](#page=37). #### 4.4.3 Stérides Les stérides sont des esters formés entre un stérol (comme le cholestérol) et un acide gras (#page=32, 29) [29](#page=29) [32](#page=32). * **Structure générale**: R–COO–Cholestérol [32](#page=32). * **Rôle**: Forme de stockage et de transport du cholestérol dans l'organisme [29](#page=29). ### 4.5 Les stéroïdes et stérols La famille des stéroïdes est caractérisée par la présence du noyau stérane, composé de quatre cycles accolés (trois cycles hexagonaux et un cycle pentagonal). Cette structure rigide est commune à de nombreux composés biologiques importants [33](#page=33). #### 4.5.1 Le cholestérol Le cholestérol est un stérol (C₂₇H₄₆) possédant une fonction alcool (–OH). Il est un constituant majeur des membranes cellulaires, stabilisant leur fluidité et leur perméabilité. Il sert également de précurseur pour la synthèse d'autres composés essentiels [33](#page=33). * **Rôles du cholestérol** : * Précurseur de: acides biliaires, vitamine D, hormones stéroïdiennes [33](#page=33). * Forme de stockage et de transport (sous forme d'ester de cholestérol) [33](#page=33). #### 4.5.2 Dérivés du cholestérol * **Acides biliaires**: Synthétisés dans le foie à partir du cholestérol, ils sont stockés dans la vésicule biliaire et ont pour fonction d'émulsifier les graisses dans l'intestin pour faciliter leur digestion. Il existe des acides biliaires primaires (fabriqués par le foie) et secondaires (transformés par la flore intestinale) [34](#page=34). * **Vitamine D**: Synthétisée dans la peau à partir du 7-déhydrocholestérol sous l'action des rayons UV, elle est essentielle à la minéralisation osseuse en favorisant l'absorption du calcium et du phosphore [34](#page=34). * **Hormones stéroïdiennes**: Hormones produites à partir du cholestérol, possédant le noyau stérane. Elles sont fabriquées par différentes glandes et exercent des fonctions variées [35](#page=35). * **Glucocorticoïdes** (ex. cortisol): Régulent le métabolisme du glucose, anti-inflammatoires et immunomodulateurs [35](#page=35). * **Minéralocorticoïdes** (ex. aldostérone): Contrôlent la quantité de sodium (Na⁺) et d'eau dans le sang, régulant ainsi la pression artérielle [36](#page=36). * **Androgènes** (ex. testostérone): Hormones mâles, stimulent la spermatogenèse, la croissance musculaire et osseuse, et le développement des caractères sexuels secondaires [36](#page=36). * **Œstrogènes** (ex. estradiol): Hormones féminines, développent les organes génitaux externes, stimulent l'endomètre, et déterminent les caractères sexuels secondaires féminins [36](#page=36). * **Progestatifs** (ex. progestérone): Préparent l'utérus à la nidation et maintiennent la grossesse [36](#page=36). ### 4.6 Les lipides complexes Les lipides complexes sont des molécules composées d'acides gras et d'autres groupes chimiques tels que le phosphate ou des sucres. Ils sont les principaux constituants des membranes biologiques. Il existe trois grandes familles: les glycérophospholipides, les sphingolipides et les glycérogluco-lipides [38](#page=38). #### 4.6.1 Glycérophospholipides Ce sont les lipides complexes les plus importants chez l'homme. Leur structure de base est l'acide phosphatidique, formé de glycérol, deux acides gras (souvent un saturé et un insaturé), et un acide phosphorique fixé sur le carbone C3 du glycérol [38](#page=38). * **Structure**: L'ajout d'un alcool (HO–X) sur le phosphate forme un glycérophospholipide. Ils possèdent une tête polaire (glycérophosphate + alcool) hydrophile et deux queues apolaires (acides gras) hydrophobes (#page=39, 40, 43) [39](#page=39) [40](#page=40) [43](#page=43). * **Amphiphilie**: Leur nature amphiphile leur permet de former la bicouche lipidique des membranes cellulaires, avec les têtes hydrophiles vers l'extérieur et les queues hydrophobes au centre (#page=40, 43, 44) [40](#page=40) [43](#page=43) [44](#page=44). * **Variété**: Les propriétés des glycérophospholipides dépendent de la nature de l'alcool fixé au phosphate, donnant lieu à différentes classes comme la phosphatidylcholine, la phosphœthanolamine, la phosphatidylsérine et le phosphatidylinositol. La cardiolipine, constituée de deux acides phosphatidiques liés par du glycérol, est un exemple spécifique trouvable dans la membrane interne des mitochondries [40](#page=40). #### 4.6.2 Sphingolipides Contrairement aux glycérophospholipides, les sphingolipides n'ont pas de glycérol dans leur squelette. Ce dernier est formé par une molécule appelée sphingosine. La sphingosine est un amino-dialcool à 18 carbones avec une double liaison trans, une fonction amine (–NH₂) et deux fonctions alcool (–OH) [44](#page=44). * **Formation du céramide**: La fonction amine de la sphingosine se lie à un acide gras par une liaison amide, formant le céramide, la base des sphingolipides. Cette liaison amide est forte et stable [45](#page=45). * **Familles de sphingolipides** : * **Sphingophospholipides (ou sphingomyélines)**: Le céramide est lié à un acide phosphorique et à un alcool (comme la choline ou l'éthanolamine) par une liaison ester phosphorique. Ils sont présents dans les membranes plasmiques, surtout dans les cellules nerveuses, et abondants dans la gaine de myéline. Une enzyme, la sphingomyélinase, hydrolyse la sphingomyéline; sa défaillance cause des maladies lysosomales comme la maladie de Niemann-Pick [46](#page=46). * **Sphingoglycolipides**: Le céramide est lié à un ou plusieurs sucres au niveau du carbone 1, et ils sont sans phosphate [47](#page=47). * **Cérébrosides**: Liés à un seul ose, trouvés dans le tissu nerveux et les membranes [47](#page=47). * **Gangliosides (ou Oligosylcéramides)**: Liés à plusieurs oses, y compris souvent un acide sialique. Ils sont abondants dans les neurones du cerveau et jouent un rôle dans la reconnaissance cellulaire et l'interaction avec certaines toxines ou virus. Le ganglioside GM1, par exemple, est impliqué dans la reconnaissance neuronale et sert de point d'entrée à la toxine cholérique [47](#page=47). --- # Structure, propriétés et classification des acides aminés Voici une synthèse sur la structure, les propriétés et la classification des acides aminés, destinée à servir de guide d'étude complet pour les examens. ## 5. Structure, propriétés et classification des acides aminés Ce chapitre explore la nature fondamentale des acides aminés, leurs caractéristiques structurelles, la manière dont ils sont classifiés, leurs propriétés physicochimiques distinctives et leurs diverses fonctions au sein des organismes vivants. ### 5.1 Définition et structure générale des acides aminés Les acides aminés (AA) sont les briques élémentaires constituant les protéines. Une protéine est une longue chaîne d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques. Il existe plus de 300 acides aminés connus, mais seulement 20 sont standard et utilisés par l'organisme pour la synthèse protéique; ils sont appelés acides aminés protéinogènes ou standards. Les autres sont qualifiés de non protéinogènes [48](#page=48) [49](#page=49). La structure de base d'un acide aminé est la suivante : ``` H | NH₂ —C —COOH | R ``` Les éléments clés sont : * **Groupe amine (NH₂)**: C'est une fonction basique, capable de capter un proton (H⁺). Il est aussi appelé extrémité N-terminale [49](#page=49). * **Groupe carboxylique (COOH)**: C'est une fonction acide, capable de libérer un proton (H⁺). Il est aussi appelé extrémité C-terminale [49](#page=49). * **Atome d'hydrogène (H)**: Il est lié au carbone central [49](#page=49). * **Radical (R) ou chaîne latérale**: Il varie d'un acide aminé à l'autre et détermine l'identité de l'acide aminé [49](#page=49). * **Carbone central (Cα)**: Il est aussi appelé carbone alpha. Il est lié aux quatre éléments mentionnés ci-dessus [49](#page=49). #### 5.1.1 Chiralité et stéréoisomérie Le carbone alpha (Cα) est généralement asymétrique (lié à quatre groupes différents), ce qui rend la plupart des acides aminés chiraux, sauf la glycine où R=H. Les acides aminés chiraux existent sous deux formes images miroir, non superposables, appelées énantiomères: la forme L (lévogyre) et la forme D (dextrogyre). Dans les protéines humaines, seuls les acides aminés de la série L sont utilisés [49](#page=49) [71](#page=71). ### 5.2 Classification des acides aminés #### 5.2.1 Essentiels et non essentiels Les acides aminés sont classifiés selon leur capacité à être synthétisés par l'organisme : * **Acides aminés essentiels (ou indispensables)**: L'organisme ne peut pas les fabriquer et ils doivent être apportés par l'alimentation. Leur manque bloque la synthèse protéique [50](#page=50). * Les 8 acides aminés essentiels chez l'homme sont: Arginine*, Histidine*, Isoleucine, Leucine, Lysine, Méthionine, Phénylalanine, Thréonine, Tryptophane, Valine [50](#page=50). * L'Arginine et l'Histidine sont dites semi-essentielles, particulièrement importantes chez l'enfant en croissance [50](#page=50). * **Acides aminés non essentiels (ou dispensables)**: L'organisme peut les synthétiser lui-même à partir d'autres composés métaboliques (glucose, acides gras, etc.) [50](#page=50). * Les acides aminés non essentiels sont: Alanine, Asparagine, Acide aspartique, Cystéine, Acide glutamique, Glutamine, Glycine, Proline, Sérine, Tyrosine [50](#page=50). * L'Arginine et l'Histidine peuvent également être considérés comme non essentiels selon le contexte physiologique [50](#page=50). #### 5.2.2 Fonctions diverses des acides aminés Au-delà de leur rôle structural dans les protéines, les acides aminés remplissent diverses fonctions métaboliques : * **Structural**: Composants des protéines [51](#page=51). * **Énergétique**: Peuvent être dégradés pour fournir de l'énergie ou former du glucose (néoglucogenèse) [51](#page=51). * **Métabolique / Précurseur**: Servent à former d'autres molécules métaboliques importantes. Par exemple, la tyrosine est un précurseur des hormones thyroïdiennes et de la dopamine [51](#page=51). * **Signalisation / Récepteur**: Certains agissent comme neurotransmetteurs (ex: glutamate) [51](#page=51). #### 5.2.3 Classification selon la structure de la chaîne latérale (R) Cette classification est la plus détaillée et permet de comprendre les propriétés physicochimiques des acides aminés. **5.2.3.1 Acides aminés aliphatiques** Ce groupe regroupe des acides aminés dont la chaîne latérale R est composée d'atomes de carbone et d'hydrogène, sans cycles aromatiques ou polaires. Ils sont généralement hydrophobes [51](#page=51). * **Acides aminés aliphatiques simples** : * **Glycine (Gly, G)**: La chaîne latérale R est un simple atome d'hydrogène (R=H). C'est le plus simple des acides aminés. Son Cα n'est pas asymétrique, donc elle n'est pas chirale. Sa petite taille confère une grande flexibilité aux protéines [51](#page=51). * **Alanine (Ala, A)**: La chaîne latérale R est un groupe méthyle (R=CH₃). Elle est petite et hydrophobe [51](#page=51). * **Acides aminés aliphatiques ramifiés**: Leur chaîne carbonée R est divisée en plusieurs branches, les rendant volumineux et très hydrophobes [52](#page=52). * **Valine (Val, V)**: R = –CH(CH₃)₂ (forme de "V") [52](#page=52). * **Leucine (Leu, L)**: R = –CH₂–CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Isoleucine (Ile, I)**: R = –CH(CH₃)–CH₂–CH₃. Isomère de la leucine [52](#page=52). **5.2.3.2 Acides aminés hydroxylés** Leur chaîne latérale R contient un groupe hydroxyle (–OH), ce qui les rend polaires et hydrophiles [53](#page=53). * **Sérine (Ser, S)**: R = –CH₂–OH. Le groupe –OH est porté par un carbone primaire. Elle est hydrophile, peut former des liaisons hydrogène et peut être phosphorylée (ajout d'un groupe phosphate). La phosphorylation est un mécanisme de régulation important. La sérine est impliquée dans la réponse aux dommages de l'ADN, souvent en tant que site de phosphorylation par des kinases comme ATM [53](#page=53) [54](#page=54). * **Thréonine (Thr, T)**: Similaire à la sérine, avec un groupe –OH dans sa chaîne latérale [53](#page=53). **5.2.3.3 Acides aminés soufrés** Leur chaîne latérale contient un atome de soufre (S) [55](#page=55). * **Cystéine (Cys, C)**: R = –CH₂–SH. Contient un groupe thiol (–SH). Le groupe thiol est très réactif et peut former des ponts disulfure (–S–S–) entre deux cystéines (formant la cystine), stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines. Les cheveux et les ongles en contiennent beaucoup [55](#page=55). * **Méthionine (Met, M)**: Contient un groupe thioéther (–S–CH₃). Moins réactif que le thiol de la cystéine. Elle est le premier acide aminé de toute protéine et est essentielle pour la synthèse protéique. Elle peut être transformée en S-adénosylméthionine (SAM), une forme activée agissant comme donneur de groupe méthyle (–CH₃) dans de nombreuses réactions, notamment la méthylation de l'ADN. La méthylation de l'ADN est un mécanisme épigénétique qui régule l'expression des gènes [56](#page=56). **5.2.3.4 Acides aminés acides et amides** Ce groupe possède un groupe carboxyle (-COOH) ou un amide (-C NH₂) dans leur chaîne latérale [57](#page=57). * **Acides aminés acides** : Contiennent un groupe carboxyle supplémentaire dans R, les rendant acides. * **Acide aspartique (Asp, D)**: R = –CH₂–COOH. Il possède deux groupes carboxyles. Il est impliqué dans la synthèse de l'urée et sert de précurseur dans la transamination. Il est essentiel au cycle de l'urée pour éliminer l'ammoniac toxique [57](#page=57) [59](#page=59). * **Acide glutamique (Glu, E)**: R = –CH₂–CH₂–COOH. Similaire à l'acide aspartique [57](#page=57). * **Amides dérivés** : Dérivés des acides aspartique et glutamique, où le groupe –COOH de la chaîne latérale est remplacé par –C NH₂. * **Asparagine (Asn, N)**: Dérive de l'aspartate [60](#page=60). * **Glutamine (Gln, Q)**: Dérive du glutamate. Les amides sont solubles et servent au transport de l'azote sous forme non toxique dans l'organisme [60](#page=60). **5.2.3.5 Acides aminés basiques (dibeaux)** Ils possèdent deux fonctions basiques dans leur structure, leur conférant une charge positive à pH physiologique [61](#page=61). * **Lysine (Lys, K)**: R contient un groupe ε-amino (–NH₂). Elle participe aux protéines structurales comme le collagène. Elle peut subir une hydroxylation post-traductionnelle pour former la 5-hydroxylysine, importante pour la stabilité du collagène [61](#page=61) [62](#page=62). * **Arginine (Arg, R)**: R contient un groupement guanidyle, plus basique que celui de la lysine. Elle est un précurseur de l'urée dans le cycle de l'urée. Elle est aussi transformée en oxyde nitrique (NO), un important messager cellulaire impliqué dans la vasodilatation [63](#page=63). * **Histidine (His, H)**: R contient un groupement imidazole. Ce groupement a un pKa proche du pH physiologique, ce qui permet à l'histidine d'agir comme tampon biologique, stabilisant le pH dans les protéines comme l'hémoglobine. L'histidine est indispensable pendant la croissance. Elle est souvent impliquée dans les sites actifs des enzymes [62](#page=62). **5.2.3.6 Acides aminés aromatiques** Leur chaîne latérale contient un cycle benzénique ou des cycles aromatiques. Ces cycles les rendent stables, capables d'absorber les UV et généralement hydrophobes. Ils sont précurseurs de molécules essentielles [64](#page=64). * **Phénylalanine (Phe, F)**: R est un groupe phényle (cycle benzénique). Elle est indispensable et très hydrophobe. Elle peut être hydroxylée en tyrosine [64](#page=64). * **Tyrosine (Tyr, Y)**: R est un groupe phénol (cycle benzénique avec un –OH). Elle est semi-essentielle. C'est un précurseur des hormones thyroïdiennes, des neurotransmetteurs (adrénaline, dopamine) et de la mélanine [50](#page=50) [65](#page=65). * **Tryptophane (Trp, W)**: R est un groupe indole (double cycle aromatique avec un azote). Il est indispensable [50](#page=50) [65](#page=65). **5.2.3.7 Acides imino** * **Proline (Pro, P)**: La proline est unique car son groupe amine n'est pas primaire mais secondaire, étant intégré dans un cycle avec sa chaîne latérale. Ceci lui confère une structure rigide et joue un rôle essentiel dans la structure des protéines, notamment le collagène. Elle peut subir une hydroxylation post-traductionnelle, nécessitant de la vitamine C [66](#page=66). ### 5.3 Propriétés physicochimiques des acides aminés #### 5.3.1 Polarité et solubilité La polarité d'une molécule dépend de la répartition des charges électriques. Une molécule polaire interagit avec l'eau (hydrophile), tandis qu'une molécule non polaire est hydrophobe [67](#page=67). Les acides aminés sont classifiés selon la polarité de leur chaîne latérale R : * **Non polaire (hydrophobe)**: Insensible à l'eau, tend à se rassembler au centre des protéines. Exemples: Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe, Trp, Gly [67](#page=67) [68](#page=68). * **Polaire non ionisable (hydrophile)**: Polaire mais sans charge nette à pH physiologique. Soluble dans l'eau, peut former des liaisons hydrogène. Exemples: Ser, Thr, Tyr, Cys, Asn, Gln [67](#page=67) [69](#page=69). * **Polaire ionisable**: Charge nette positive ou négative selon le pH. Très soluble [70](#page=70). * **Acides** (chargés négativement à pH physiologique): Asp, Glu [70](#page=70). * **Basiques** (chargés positivement à pH physiologique): Lys, Arg, His [70](#page=70). #### 5.3.2 Chiralité et pouvoir rotatoire Comme mentionné précédemment, la plupart des acides aminés sont chiraux et existent sous forme d'énantiomères L et D. Le pouvoir rotatoire est la capacité d'une substance à faire tourner le plan de la lumière polarisée. Les énantiomères L et D ont les mêmes propriétés chimiques ordinaires mais des propriétés biologiques différentes car les systèmes biologiques (enzymes, récepteurs) sont chiraux. Les organismes vivants utilisent principalement les acides aminés de la série L. La notation D/L indique la configuration spatiale (par rapport au glycéryldéhyde), tandis que +/- indique le sens de rotation de la lumière polarisée [71](#page=71) [72](#page=72) [73](#page=73). #### 5.3.3 Absorption UV Certains acides aminés, notamment ceux possédant un noyau aromatique (Phénylalanine, Tyrosine, Tryptophane), absorbent la lumière UV (entre 260 et 280 nm). L'intensité de l'absorption est proportionnelle à leur concentration (ou celle des protéines qui les contiennent), permettant leur dosage par spectrophotométrie UV [72](#page=72) [73](#page=73). #### 5.3.4 Comportement en fonction du pH Les acides aminés sont **amphotères**: ils peuvent agir comme un acide (donneur de H⁺) et comme une base (accepteur de H⁺) grâce à leurs groupes –COOH et –NH₂ ionisables [74](#page=74). * **En milieu acide (pH faible)**: Le groupe amine capte un H⁺ (devient –NH₃⁺) et le groupe carboxyle reste –COOH. La molécule a une charge globale positive [74](#page=74). * **En milieu neutre (pH ≈ 7)**: Le groupe carboxyle perd un H⁺ (devient –COO⁻) et le groupe amine reste –NH₃⁺. La molécule est un **zwitterion**, portant des charges opposées mais une charge globale nulle [74](#page=74). * **En milieu basique (pH élevé)**: Le groupe amine perd un H⁺ (devient –NH₂) et le groupe carboxyle reste –COO⁻. La molécule a une charge globale négative [74](#page=74). Chaque fonction ionisable possède un pKa. Le **pHi** (point isoélectrique) est le pH auquel la molécule existe majoritairement sous forme zwitterionique, avec une charge nette nulle. Le pHi peut être calculé à partir des pKa des groupes ionisables du groupement R, du groupe carboxyle (pK₁) et du groupe amine (pK₂) [75](#page=75). Cette propriété permet de séparer les acides aminés par électrophorèse : * Si pH < pHi, l'AA est positif et migre vers la cathode (pôle négatif). * Si pH > pHi, l'AA est négatif et migre vers l'anode (pôle positif). * Si pH = pHi, l'AA ne migre pas. ### 5.4 Réactions chimiques des acides aminés Les acides aminés peuvent subir diverses réactions : * **Décarboxylation**: Perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de CO₂, catalysée par des décarboxylases. Elle produit des amines biologiquement actives. Par exemple, l'histidine est décarboxylée en histamine [76](#page=76). * **Amidation**: Réaction entre un groupe carboxyle et un groupe amine pour former un amide et de l'eau. C'est la base de la formation des liaisons peptidiques [76](#page=76). * **Estérification**: Réaction d'un acide carboxylique avec un alcool pour former un ester. Utilisée pour protéger temporairement les groupes COOH en synthèse [77](#page=77). * **Déamination oxydative**: Perte du groupe amine (–NH₂) sous forme d'ammoniac (NH₃), catalysée par des déshydrogénases. Elle transforme un acide aminé en acide α-cétonique. Les acides α-cétoniques peuvent entrer dans le cycle de Krebs pour produire de l'énergie ou servir de précurseurs biosynthétiques [77](#page=77) [78](#page=78). * **Transamination**: Transfert réversible d'un groupe amine d'un acide aminé vers un acide α-cétonique, catalysé par des transaminases (ou aminotransférases) avec le phosphate de pyridoxal (PLP) comme coenzyme. Cela permet la synthèse et la dégradation des acides aminés sans perte d'azote [78](#page=78). --- # Réactions et identification des acides aminés et peptides Ce thème explore les réactions chimiques spécifiques des acides aminés et les méthodes utilisées pour leur identification et leur quantification, ainsi que la structure, la nomenclature et les techniques de détermination de la séquence des peptides. ### 6.1 Réactions des acides aminés Les acides aminés subissent diverses réactions chimiques, soit au niveau de leur squelette commun (groupe amine, groupe carboxyle, carbone α), soit au niveau de leurs chaînes latérales R. #### 6.1.1 Décarboxylation La décarboxylation est la perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de dioxyde de carbone (CO₂), catalysée par des enzymes appelées décarboxylases. Cette réaction conduit à la formation d'une amine. Exemple physiologique: la décarboxylation de l'histidine conduit à la formation de l'histamine, un médiateur important dans les réponses allergiques et l'inflammation [76](#page=76). > **Tip:** Les amines physiologiquement actives formées par décarboxylation peuvent agir comme neurotransmetteurs ou messagers chimiques. #### 6.1.2 Amidation L'amidation consiste à remplacer un groupe carboxyle (–COOH) par un groupe amide. Cette réaction est fondamentale pour la formation des liaisons peptidiques entre deux acides aminés, où le groupe carboxyle d'un acide aminé réagit avec le groupe amine d'un autre, avec élimination d'eau: –COOH + –NH₂ → –CONH– + H₂O [76](#page=76). #### 6.1.3 Réactions avec les aldéhydes Les aldéhydes aromatiques, tels que le benzaldéhyde, peuvent réagir avec un groupe amine pour former une base de Schiff (–N=CH–) par élimination d'eau. Les bases de Schiff sont souvent des intermédiaires enzymatiques importants, par exemple, le phosphate de pyridoxal (PLP) forme une base de Schiff avec le carbone α de l'acide aminé lors des réactions de transamination [79](#page=79). #### 6.1.4 Réaction avec la ninhydrine La ninhydrine (C₉H₆O₄) est un agent oxydant puissant utilisé pour la détection des acides aminés. Elle réagit avec les acides aminés, les oxydant et conduisant à leur dégradation : 1. Le groupe amine (–NH₂) est libéré sous forme d'ammoniac (NH₃). 2. Le groupe carboxyle (–COOH) est perdu sous forme de CO₂. 3. Le carbone α devient un aldéhyde (R–CHO). L'ammoniac libéré réagit ensuite avec une autre molécule de ninhydrine pour former un complexe coloré appelé pourpre de Ruhemann, qui donne une couleur violet intense. Les acides aminés secondaires comme la proline et l'hydroxyproline forment un complexe de couleur bleue car leur amine est secondaire et moins réactive [79](#page=79) [80](#page=80). > **Tip:** La réaction à la ninhydrine est essentielle pour la détection qualitative et le dosage quantitatif des acides aminés, avec des applications en biochimie, médecine et criminalistique. #### 6.1.5 Réactions dépendant des chaînes latérales R Les chaînes latérales R des acides aminés peuvent participer à des réactions spécifiques. ##### 6.1.5.1 Groupement carboxyle de la chaîne latérale R Les acides aspartique et glutamique possèdent un second groupe carboxyle dans leur chaîne latérale, ce qui leur confère des propriétés acides. Ces groupes peuvent être amidés pour former de l'asparagine et de la glutamine respectivement [80](#page=80). * **Aspartate → Asparagine:** HOOC–CH(CH₂–COOH)–NH₂ + NH₃ → HOOC–CH(CH₂–C(O)NH₂)–NH₂ [80](#page=80). * **Glutamate → Glutamine:** HOOC–CH(CH₂–CH₂–COOH)–NH₂ + NH₃ → HOOC–CH(CH₂–CH₂–C(O)NH₂)–NH₂ [80](#page=80). ##### 6.1.5.2 Groupement amine de la chaîne latérale R Les acides aminés basiques comme la lysine et l'arginine possèdent un groupe amine supplémentaire dans leur chaîne latérale, ce qui leur confère une charge positive à pH physiologique. L'arginine, en particulier, est un précurseur de la créatine. ##### 6.1.5.3 Groupement hydroxyle de la chaîne latérale R La sérine, la thréonine et la tyrosine possèdent un groupe hydroxyle (–OH) dans leur chaîne latérale. Ces groupes peuvent être phosphorylés. La tyrosine peut également être iodée pour former des iodotyrosines, précurseurs des hormones thyroïdiennes T₃ et T₄ [89](#page=89). ##### 6.1.5.4 Groupement thiol de la chaîne latérale R La cystéine possède un groupe thiol (–SH) dans sa chaîne latérale. Deux groupes thiols peuvent former un pont disulfure (–S–S–) par oxydation, une réaction importante pour la stabilisation de la structure tridimensionnelle des protéines [100](#page=100). ##### 6.1.5.5 Groupement imidazole de la chaîne latérale R L'histidine possède un cycle imidazole dans sa chaîne latérale, qui peut être protoné ou déprotoné selon le pH, lui conférant un rôle tampon important. ##### 6.1.5.6 Groupement indole de la chaîne latérale R Le tryptophane possède un cycle indole dans sa chaîne latérale, qui le rend sensible à la dégradation par les acides forts. ##### 6.1.5.7 Groupement phénol de la chaîne latérale R La tyrosine possède un cycle phénol dans sa chaîne latérale, qui peut être iodé. Ce cycle est également responsable de l'absorption des UV. #### 6.1.6 Dérivés d'acides aminés Certains composés importants sont dérivés d'acides aminés : * **Créatine:** Dérivée de la glycine et de l'arginine, elle est un réservoir d'énergie dans les cellules musculaires sous forme de phosphocréatine. Sa production implique la SAM comme donneur de groupe méthyle [83](#page=83) [89](#page=89). * **Catécholamines (dopamine, noradrénaline, adrénaline):** Dérivées de la phénylalanine et de la tyrosine, elles sont des hormones et des neurotransmetteurs importants [85](#page=85). * **Tyramine:** Analogue des catécholamines, dérivé de la tyrosine par décarboxylation. On la trouve dans les aliments fermentés comme les fromages et le vin rouge [86](#page=86). * **Tryptamine:** Analogue des catécholamines, dérivé du tryptophane par décarboxylation. Elle est un vasoconstricteur puissant [87](#page=87). * **Sérotonine (5-hydroxytryptamine):** Dérivée du tryptophane par hydroxylation puis décarboxylation. C'est un neurotransmetteur essentiel régulant le sommeil, l'humeur et l'appétit [87](#page=87). * **S-Adénosyl-Méthionine (SAM):** Dérivée de la méthionine et de l'ATP, c'est un donneur universel de groupes méthyle pour de nombreuses réactions de méthylation, y compris la synthèse de créatine (#page=88, 89) [88](#page=88) [89](#page=89). * **Iodotyrosines:** Dérivées iodées de la tyrosine, précurseurs des hormones thyroïdiennes T₃ et T₄ [89](#page=89). * **Urée:** Principal déchet azoté du métabolisme des protéines chez les mammifères, formée lors du cycle de l'urée . * **Créatinine:** Déchet métabolique de la créatine, utilisée comme marqueur de la fonction rénale [85](#page=85). ### 6.2 Méthodes d'identification et de quantification des acides aminés Ces méthodes permettent de déterminer la présence (identification) et la quantité (quantification) d'acides aminés dans un échantillon. #### 6.2.1 Méthodes d'identification (qualitatives) ##### 6.2.1.1 Électrophorèse L'électrophorèse sépare les acides aminés en fonction de leur charge électrique à un pH donné, en les faisant migrer dans un champ électrique appliqué à travers un support poreux (tampon). Les acides aminés chargés positivement migrent vers la cathode (négative) et ceux chargés négativement migrent vers l'anode (positive). Les acides aminés neutres ne migrent pas. La position de migration dépend de la charge nette de l'acide aminé à ce pH [90](#page=90). ##### 6.2.1.2 Chromatographie La chromatographie est une technique de séparation basée sur la distribution différentielle des composants d'un mélange entre deux phases: une phase stationnaire (fixe) et une phase mobile (en mouvement) [90](#page=90). * **Principe général :** Les acides aminés sont déposés sur la phase stationnaire et entraînés par la phase mobile. Leur vitesse de migration dépend de leur affinité pour la phase stationnaire et de leur solubilité dans la phase mobile. * **Phases :** * **Phase stationnaire :** Support solide (papier, silice, alumine, résine) qui retient plus ou moins les acides aminés selon leurs propriétés (charge, polarité, taille). * **Phase mobile :** Solvant qui transporte les acides aminés à travers la phase stationnaire. * **Types de chromatographie utilisés pour les acides aminés :** * **Chromatographie sur couche mince (CCM):** Méthode rapide et simple utilisant une plaque recouverte de silice ou d'alumine. La migration est due à la capillarité. La révélation se fait généralement avec de la ninhydrine. Le rapport frontal (Rf) est utilisé pour identifier les acides aminés [92](#page=92). * **Chromatographie ionique :** Sépare les acides aminés en fonction de leur charge électrique. Elle utilise des résines chargées : * **Échangeuse de cations (résine chargée négativement) :** Retient les acides aminés chargés positivement (basiques). * **Échangeuse d'anions (résine chargée positivement):** Retient les acides aminés chargés négativement (acides) [93](#page=93). Le pH du milieu est crucial car il détermine la charge globale de l'acide aminé par rapport à son point isoélectrique (pHi). Les acides aminés sont élués en modifiant le pH ou la force ionique du solvant. > **Tip:** Le rapport frontal (Rf) est défini comme la distance parcourue par la tache d'un acide aminé divisée par la distance parcourue par le front du solvant. Chaque acide aminé possède un Rf caractéristique dans des conditions données [92](#page=92). #### 6.2.2 Méthodes d'identification et de quantification (quantitatives) ##### 6.2.2.1 Méthodes photométriques Ces méthodes exploitent l'absorption de la lumière ultraviolette (UV) par certaines molécules. Elles sont particulièrement utiles pour les acides aminés aromatiques (tryptophane, tyrosine, phénylalanine) qui absorbent la lumière autour de 280 nm en raison de leurs cycles aromatiques. L'intensité de l'absorbance est directement proportionnelle à la concentration de ces acides aminés [94](#page=94). ##### 6.2.2.2 Méthodes colorimétriques Ces méthodes utilisent des réactifs qui réagissent avec les acides aminés pour former des composés colorés. L'intensité de la couleur, mesurée par un spectrophotomètre, est proportionnelle à la concentration des acides aminés [95](#page=95). * **Ninhydrine :** Comme mentionné précédemment, la réaction avec la ninhydrine produit le pourpre de Ruhemann, une couleur violette intense (jaune pour la proline). L'intensité de cette couleur est mesurée à 570 nm. ### 6.3 Structure, nomenclature et détermination de la séquence des peptides #### 6.3.1 Qu'est-ce qu'un peptide ? Un peptide est une petite chaîne constituée de plusieurs acides aminés (AA) liés entre eux par des liaisons peptidiques [96](#page=96). #### 6.3.2 La liaison peptidique La liaison peptidique se forme par condensation entre le groupe carboxyle (–COOH) d'un acide aminé et le groupe amine (–NH₂) d'un autre acide aminé, avec élimination d'une molécule d'eau. C'est une liaison covalente forte, planaire et rigide due à un phénomène de résonance entre le groupe carbonyle (C=O) et l'azote (N) [96](#page=96). #### 6.3.3 Directionnalité et nomenclature * **Directionnalité :** Les peptides ont une directionnalité définie par leurs extrémités : * **Extrémité N-terminale :** Porte le groupe amine libre (–NH₂) du premier acide aminé. * **Extrémité C-terminale :** Porte le groupe carboxyle libre (–COOH) du dernier acide aminé. La séquence d'un peptide est toujours écrite de l'extrémité N-terminale vers l'extrémité C-terminale [96](#page=96). * **Nomenclature :** * Deux acides aminés : Dipeptide * Trois acides aminés : Tripeptide * Moins de 10 acides aminés : Oligopeptide * 10 à 100 acides aminés : Polypeptide * Plus de 100 acides aminés : Protéine Pour nommer un peptide, on utilise le suffixe "–yl" pour les acides aminés engagés dans la chaîne, sauf pour le dernier acide aminé C-terminal qui conserve son nom entier. Exemple: Alanine + Glycine + Tyrosine → Alanyl–Glycyl–Tyrosine [99](#page=99). #### 6.3.4 Rôle des chaînes latérales R Les chaînes latérales R des acides aminés, orientées alternativement de part et d'autre du squelette peptidique rigide, influencent la structure tridimensionnelle du peptide ou de la protéine [97](#page=97). #### 6.3.5 Détermination de la composition et de la séquence des acides aminés ##### 6.3.5.1 Détermination de la composition en acides aminés Ce processus implique la rupture complète des liaisons peptidiques pour libérer les acides aminés individuels, suivie de leur identification et de leur quantification. * **Hydrolyse acide:** Traitement du peptide avec de l'acide chlorhydrique (HCl) concentré à haute température (110 °C pendant 24 h) pour rompre les liaisons peptidiques. Cette méthode dégrade le tryptophane [100](#page=100). * **Hydrolyse alcaline:** Traitement avec de la soude (NaOH) à 100 °C pendant 4 à 8 heures. Cette méthode est utilisée pour préserver le tryptophane, qui est détruit par hydrolyse acide . * **Bris des ponts disulfure:** Les ponts disulfure (–S–S–) doivent être réduits (par exemple, avec du β-mercaptoéthanol) ou oxydés (par exemple, avec de l'acide performique) avant l'hydrolyse pour assurer une fragmentation complète du peptide [100](#page=100). * **Séparation et dosage:** Les acides aminés libérés sont ensuite séparés par chromatographie ionique et quantifiés par réaction à la ninhydrine . ##### 6.3.5.2 Détermination de la séquence des acides aminés Ces méthodes visent à déterminer l'ordre précis des acides aminés dans un peptide. * **Méthode de Sanger :** * **Principe:** Marque le groupe amine libre du premier acide aminé (N-terminal) avec du 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène (DNFB, réactif de Sanger). Après hydrolyse acide, l'acide aminé marqué (jaune) est identifié par chromatographie . * **Limitation :** Ne permet d'identifier que le premier acide aminé. * **Méthode au chlorure de Dansyl (méthode de Gray) :** * **Principe:** Similaire à la méthode de Sanger, mais utilise le chlorure de Dansyl (DNS–Cl) qui réagit avec le groupe amine N-terminal pour former un dérivé fluorescent (DANSYL–AA). Après hydrolyse acide, le DANSYL–AA est détecté par fluorescence sous UV et identifié par chromatographie . * **Avantages :** Plus sensible que la méthode de Sanger et le produit final est fluorescent. * **Méthode d'Edman :** * **Principe:** Permet de déterminer la séquence d'acides aminés un par un, du N-terminal vers le C-terminal, sans détruire le reste de la chaîne. Le peptide est traité avec du phénylthioisocyanate (PITC) qui réagit avec le groupe amine N-terminal. Une réaction acide douce libère le premier acide aminé sous forme de dérivé stable (PTH–AA), laissant le reste du peptide intact mais raccourci d'un acide aminé. Le processus peut être répété pour élucider la séquence complète (#page=105, 106) . * **Produit :** Le dérivé phénylthiohydantoïne (PTH–AA) est identifiable par chromatographie ou spectrométrie. * **Méthodes enzymatiques aux aminopeptidases :** * **Principe:** Les exopeptidases, comme les aminopeptidases, coupent les liaisons peptidiques spécifiquement à l'extrémité du peptide. Les aminopeptidases agissent sur l'extrémité N-terminale, libérant les acides aminés un par un de manière séquentielle. Les carboxypeptidases agissent sur l'extrémité C-terminale . * **Détermination des acides aminés C-terminaux :** * **Carboxypeptidases:** Enzymes qui hydrolysent les liaisons peptidiques à l'extrémité C-terminale. La carboxypeptidase A libère la plupart des AA, sauf Cys, Arg, Lys. La carboxypeptidase B libère les AA basiques (Arg, Lys) . * **Hydrazinolyse:** Réaction du peptide avec de l'hydrazine (NH₂–NH₂) qui rompt toutes les liaisons peptidiques. Les acides aminés sont transformés en hydrazides, sauf le C-terminal qui conserve son groupe carboxyle libre et peut être identifié (#page=108, 109) . * **Fragmentation par endopeptidases :** Pour les peptides ou protéines trop longs, des endopeptidases spécifiques sont utilisées pour les couper en fragments plus petits. Ces enzymes coupent à des endroits précis : * **Trypsine :** Coupe après Arg et Lys (sauf si Proline suit). * **Chymotrypsine :** Coupe après Tyr, Trp, Phe. * **Pepsine :** Coupe après les AA aromatiques et hydrophobes à pH acide. * **Thermolyse :** Coupe avant les AA hydrophobes. Ces fragments sont ensuite séquencés individuellement (#page=109, 110) . * **Fragmentation chimique:** Le bromure de cyanogène (BrCN) est un réactif chimique qui coupe spécifiquement les liaisons peptidiques après la méthionine (Met) (#page=110, 111). Il réagit avec le soufre de la méthionine, entraînant la coupure de la liaison peptidique immédiatement après cet acide aminé . ### 6.4 Exemples de peptides biologiquement actifs * **Peptides hormonaux :** * **Hormones du système nerveux central:** Oxytocine (9 AA) et Vasopressine (9 AA), impliquées dans la contraction utérine, la lactation et la réabsorption d'eau . * **Hormones pancréatiques:** Insuline (51 AA, 2 chaînes) et Glucagon (29 AA), régulant la glycémie . * **Peptides à activités antibiotiques:** Produits par des bactéries ou champignons (ex: Bacitracine, Gramicidine D) . --- # Structure, propriétés et classification des protéines Les protéines sont des macromolécules essentielles à la vie, caractérisées par leur structure complexe et leurs fonctions diversifiées. Cette section explore leur composition, leurs niveaux d'organisation structurale, leurs propriétés physiques et chimiques, ainsi que leur classification . ### 7.1 Définition et composition des protéines Les protéines sont des macromolécules formées par l'assemblage d'acides aminés reliés entre eux par des liaisons peptidiques. L'ordre spécifique de ces acides aminés, appelé séquence primaire, est déterminé génétiquement. Cette séquence détermine la conformation tridimensionnelle de la protéine, indispensable à son activité biologique . Les protéines sont principalement constituées des éléments carbone (C), hydrogène (H), oxygène (O), azote (N), et souvent du soufre (S). Les 20 acides aminés standards sont les briques élémentaires de la majorité des protéines naturelles. Certaines protéines subissent des modifications post-traductionnelles, conduisant à la formation d'acides aminés dérivés comme l'hydroxyproline et l'hydroxylysine, particulièrement abondants dans le collagène pour la stabilisation des fibres . ### 7.2 Niveaux de structure protéique Les protéines présentent quatre niveaux d'organisation structurale : #### 7.2.1 Structure primaire La structure primaire correspond à la séquence linéaire des acides aminés dans la chaîne polypeptidique, incluant les ponts disulfure. Elle est codée par les gènes et résultante de la traduction de l'ARNm. La lecture de la séquence commence à l'extrémité N-terminale . #### 7.2.2 Structure secondaire La structure secondaire décrit le repliement local de la chaîne polypeptidique, stabilisé par des liaisons hydrogène entre les groupements amide (-NH) et carbonyle (-CO) du squelette peptidique. Les deux structures secondaires principales sont : * **Hélice α:** Le polypeptide s'enroule en une structure hélicoïdale, avec les chaînes latérales des acides aminés orientées vers l'extérieur. Les liaisons hydrogène se forment entre l'oxygène d'un groupement carboxyle et l'hydrogène d'un groupement aminé au sein de la même chaîne . * **Feuillet β:** Formé par l'association d'au moins deux brins β, maintenus par des liaisons hydrogène entre les groupements carbonyle (-CO) et amine (-NH) de peptides adjacents. Les brins β peuvent être antiparallèles ou parallèles . #### 7.2.3 Structure tertiaire La structure tertiaire représente la conformation tridimensionnelle complète de la protéine. Les régions riches en hélice α ou feuillet β, ou des combinaisons des deux, contribuent à cette structure. Elle est cruciale pour la fonctionnalité de la protéine, notamment pour la formation du site actif des enzymes. Les chaînes latérales hydrophiles sont orientées vers l'extérieur, tandis que les chaînes latérales hydrophobes forment un cœur hydrophobe à l'intérieur. Cette structure est stabilisée par divers types de liaisons : * **Liaisons covalentes:** Ponts disulfure entre résidus cystéine . * **Liaisons non covalentes:** Liaisons hydrogène, forces de Van der Waals, interactions hydrophobes et ioniques . #### 7.2.4 Structure quaternaire La structure quaternaire concerne l'association de deux ou plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine active. On distingue : * **Homopolymères:** Sous-unités identiques . * **Hétéropolymères:** Sous-unités différentes . Un exemple est l'hémoglobine A, un hétérotétramère composé de deux sous-unités α et deux sous-unités β . ### 7.3 Propriétés physiques des protéines #### 7.3.1 La solubilité La majorité des protéines sont solubles dans l'eau, ce sont les protéines globulaires. Les protéines insolubles dans l'eau sont des scléroprotéines, aussi appelées protéines fibreuses . #### 7.3.2 La cristallisation Les protéines peuvent être cristallisées en manipulant le pH, la concentration saline (force ionique) et l'utilisation de solvants organiques qui réduisent leur solubilité dans l'eau, favorisant l'agrégation ordonnée . #### 7.3.3 Propriétés optiques Les protéines sont optiquement actives. Elles absorbent la lumière UV à 280 nm en raison de la présence de résidus aromatiques. La réaction du Biuret permet de détecter la présence de protéines en formant un complexe coloré violet avec les ions cuivriques en milieu alcalin, avec un maximum d'absorption à 540 nm, propriété utilisée pour le dosage des protéines sanguines . #### 7.3.4 Masse moléculaire (MM) Chaque protéine possède une masse moléculaire caractéristique, supérieure à 6000 Daltons (Da). La détermination de la MM peut être réalisée par chromatographie par gel-filtration, où les protéines sont séparées selon leur taille sur des gels de dextranes . ### 7.4 Propriétés chimiques des protéines #### 7.4.1 Élément constitutifs et réactivité Les protéines contiennent les éléments C, H, O, N et souvent S. Leur réactivité est déterminée par les propriétés des acides aminés qui les composent. Une protéine majoritairement composée d'acides aminés basiques aura une tendance basique, tandis qu'une protéine majoritairement composée d'acides aminés acides aura une tendance acide . #### 7.4.2 Caractère amphotère Les protéines sont amphotères, c'est-à-dire qu'elles peuvent agir comme un acide (donneur de proton H⁺) ou comme une base (accepteur de proton H⁺). Cette propriété provient de la présence de groupes ionisables : * **Extrémités de la chaîne peptidique:** Groupement carboxyle terminal (-COOH / COO⁻) et groupement amine terminal (-NH₂ / NH₃⁺) . * **Chaînes latérales des acides aminés:** Groupements acides (-COOH d'Asp, Glu), groupements basiques (-NH₂ de Lys, Arg, His), et autres groupements polaires (-OH de Tyr, Ser, -SH de Cys) . La charge globale de la protéine varie en fonction du pH du milieu . #### 7.4.3 Le point isoélectrique (pI) Le point isoélectrique (pI) est le pH auquel les charges positives et négatives de la protéine sont équilibrées, résultant en une charge nette nulle. Au pI : * La protéine ne migre pas dans un champ électrique (électrophorèse) . * Elle est souvent moins soluble, ce qui peut entraîner sa précipitation . > **Tip:** Après une électrophorèse, les protéines sont généralement révélées par une coloration au bleu de Coomassie . ### 7.5 Propriétés biologiques des protéines Les protéines présentent diverses propriétés biologiques, notamment : * **Propriétés antigéniques:** Les protéines peuvent induire la synthèse d'anticorps . * **Activités biologiques spécifiques :** * Catalyse enzymatique . * Fonction hormonale (ex: hormone de croissance - GH, érythropoïétine - EPO) . * Activité toxique (ex: exotoxines bactériennes) . * Activité antibiotique (ex: VanX, une protéine hydrolase) . ### 7.6 Classification des protéines Les protéines sont classées en deux grandes catégories : les holoprotéines et les hétéroprotéines. #### 7.6.1 Les holoprotéines Les holoprotéines sont entièrement constituées d'acides aminés. On les divise en fonction de leur forme : * **Holoprotéines globulaires solubles:** Ces protéines ont une forme sphéroïde et sont solubles dans l'eau grâce à l'orientation des chaînes latérales hydrophobes à l'intérieur de la molécule. Elles incluent la majorité des protéines fonctionnelles comme les enzymes, les hormones et les anticorps . * **Albumines:** Représentent environ 60 % des protéines sériques, jouant un rôle clé dans le maintien de la pression oncotique et le transport de diverses substances. La pression oncotique maintient l'équilibre hydrique dans le sang et prévient la formation d'œdèmes . * **Globulines:** Représentent environ 40 % des protéines sériques et jouent des rôles dans le transport de molécules, la défense immunitaire, la coagulation et la réponse inflammatoire. Elles sont classées selon leur mobilité électrophorétique : * **α-globulines:** Inhibent des enzymes, transportent hormones et lipides . * **α₂-globulines:** Transportent le fer et le cuivre, défendent contre les protéases . * **β-globulines:** Transportent le fer, participent à la réponse immunitaire . * **γ-globulines (Immunoglobulines):** Anticorps impliqués dans la défense immunitaire spécifique, forment la fraction la moins mobile en électrophorèse . > **Example:** L'électrophorèse des protéines sériques sur gel d'agarose est une méthode diagnostique permettant de séparer et visualiser les différentes fractions protéiques du sérum en fonction de leur charge et de leur taille . #### 7.6.2 Les hétéroprotéines Les hétéroprotéines sont composées d'une partie protéique (apoprotéine) et d'une partie non protéique appelée groupement prosthétique. Le groupement prosthétique peut être : * **Groupement phosphorique:** Phosphoprotéines (ex: caséine du lait) . * **Acide nucléique:** Nucléoprotéines (ex: télomérase) . * **Sucre:** Glycoprotéines. La glycosylation peut être N-liée (sur l'azote d'un résidu d'asparagine) ou O-liée (sur l'hydroxyle d'un résidu de sérine ou thréonine). Elles sont impliquées dans la protection des épithéliums (mucines), la défense immunitaire (immunoglobulines) et la détermination des groupes sanguins . * **Lipide:** Lipoprotéines. Ces complexes assurent le transport des lipides dans le plasma sanguin. Elles sont classées en cinq classes selon leur densité: chylomicrons, VLDL, IDL, LDL et HDL . * **Pigment coloré:** Chromoprotéines . --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Filiation des aldoses | La filiation des aldoses est un ensemble de réactions chimiques qui permettent de relier les oses entre eux selon leur nombre d’atomes de carbone, permettant d’allonger ou de raccourcir une chaîne carbonée et d’établir une relation généalogique entre les différents oses. | | Synthèse de Kiliani-Fischer | Une méthode chimique qui permet d'allonger la chaîne carbonée d'un aldose en ajoutant un atome de carbone, entraînant la formation d'un nouveau carbone asymétrique et potentiellement deux sucres différents (épimères) en solution. | | Aldose | Un monosaccharide qui possède un groupe aldéhyde (–CHO) et qui peut être oxydé pour former un acide carboxylique, un acide aldarique ou un aldono-lactone. | | Cétose | Un monosaccharide qui possède un groupe cétone (–CO–) dans sa structure carbonée, typiquement en position 2, et qui peut être oxydé en position cétone pour former un acide polyhydroxylé. | | Hémiactéal | Une molécule formée par la réaction d'un groupe hydroxyle (alcool) avec un groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone) au sein de la même molécule, créant un cycle et un nouveau centre chiral. | | Projection de Fischer | Représentation bidimensionnelle des molécules en 3D, où les chaînes carbonées sont verticales et les substituants horizontaux, utilisée pour visualiser la stéréochimie des sucres. | | Projection de Haworth | Représentation tridimensionnelle simplifiée des cycles des sucres, montrant l'anneau du cycle, la position des substituants (groupes OH, etc.) et le carbone anomérique. | | Carbone anomérique | Le carbone du groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone) qui devient un centre chiral après la cyclisation de l'ose, pouvant exister sous forme alpha (α) ou bêta (β) selon la position du groupe hydroxyle. | | Pyranose | Cycle de sucre à six atomes, formé par la cyclisation d'un ose impliquant le groupe hydroxyle du carbone 5, comparable à la structure du pyrane. | | Furanose | Cycle de sucre à cinq atomes, formé par la cyclisation d'un ose impliquant le groupe hydroxyle du carbone 4, comparable à la structure du furane. | | Holoside | Un oside composé uniquement de sucres (oses ou leurs dérivés), formé par la liaison glycosidique entre plusieurs molécules de sucres, comme les oligosides et les polyosides. | | Hétéroside | Une molécule complexe formée d'une partie glucidique (ose ou oside) et d'une partie non glucidique (aglycone), liée par une liaison osidique ou glycosidique. | | Liaison glycosidique | Liaison covalente formée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupe hydroxyle (–OH) ou amine (–NH₂) d'une autre molécule, typique des osides et des hétérosides. | | Oligoside | Un oside composé de 2 à 10 unités d'oses reliées par des liaisons glycosidiques, comme le maltose, le saccharose ou le lactose. | | Polyside (Polysaccharide) | Un glucide complexe formé par la condensation de nombreuses molécules d'oses (plus de 10), jouant des rôles de réserve énergétique (amidon, glycogène) ou structuraux (cellulose, chitine). | | Lipides | Composés organiques principalement formés de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, caractérisés par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques non polaires. | | Acide gras | Molécule organique constituée d'une longue chaîne carbonée (hydrophobe) terminée par un groupe acide carboxylique (–COOH) (hydrophile), formant la base de nombreux lipides. | | Triglycéride | Ester formé par la réaction entre le glycérol et trois molécules d'acides gras, constituant la principale forme de stockage d'énergie dans l'organisme. | | Phospholipide | Lipide complexe contenant une molécule de glycérol, deux acides gras, un groupe phosphate et souvent un alcool, formant la bicouche lipidique des membranes cellulaires. | | Sphingolipide | Lipide complexe dont le squelette est formé par la sphingosine (un amino-alcool) au lieu du glycérol, souvent présent dans le système nerveux. | | Stéride | Lipide simple formé par l'estérification d'un stérol (comme le cholestérol) avec un acide gras, jouant un rôle dans le stockage et le transport du cholestérol. | | Acide aminé | Molécule organique possédant à la fois une fonction amine (–NH₂) et une fonction acide carboxylique (–COOH), constituant la base des protéines. | | Liaison peptidique | Liaison covalente formée entre le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amine d'un autre acide aminé, avec élimination d'une molécule d'eau, reliant les acides aminés dans les peptides et les protéines. | | Peptide | Molécule courte constituée de plusieurs acides aminés reliés par des liaisons peptidiques (de 2 à moins de 50 acides aminés). | | Protéine | Macromolécule complexe formée d'une longue chaîne d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques, adoptant une structure tridimensionnelle spécifique essentielle à sa fonction biologique. | | Structure primaire | Séquence linéaire des acides aminés dans une chaîne polypeptidique, déterminée génétiquement et stabilisée par des ponts disulfure dans certains cas. | | Structure secondaire | Repliement local d'une chaîne polypeptidique en structures régulières comme l'hélice α ou le feuillet β, stabilisé par des liaisons hydrogène. | | Structure tertiaire | Conformation tridimensionnelle complète d'une chaîne polypeptidique, résultant des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés, essentielle à la fonction de la protéine. | | Structure quaternaire | Association de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine fonctionnelle, stabilisée par diverses interactions non covalentes et parfois des ponts disulfure. | | Zwitterion | Molécule possédant à la fois une charge positive et une charge négative, résultant de la dissociation des groupes acide et basique d'un acide aminé ou d'une protéine, conduisant à une charge globale neutre. | | Point isoélectrique (pHi) | Le pH auquel un acide aminé ou une protéine possède une charge globale nette nulle, se trouvant sous forme zwitterionique majoritaire et ayant une mobilité électrophorétique nulle. | | Électrophorèse | Technique de séparation des molécules chargées (comme les acides aminés et les protéines) basée sur leur migration dans un champ électrique, dépendant de leur charge, de leur taille et de la composition du milieu. | | Chromatographie | Technique de séparation des mélanges basée sur la distribution différentielle des composants entre une phase stationnaire (fixe) et une phase mobile (en mouvement). | | Ninhydrine | Réactif chimique utilisé pour la détection et le dosage des acides aminés et des peptides par réaction avec le groupe amine, produisant une coloration violette ou bleue caractéristique. | | Pont disulfure | Liaison covalente forte (S–S) formée entre deux groupes thiol (–SH) de deux résidus cystéine, stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines. | | Décarboxylation | Réaction chimique entraînant la perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de dioxyde de carbone (CO₂), souvent catalysée par des enzymes décarboxylases. | | Amidation | Réaction chimique transformant un groupe carboxyle (–COOH) en groupe amide (–CONH₂) ou une amine (–NH₂) en un groupe amide (–CONH–), essentielle à la formation des liaisons peptidiques. | | Estérification | Réaction entre un acide carboxylique et un alcool en présence d'un catalyseur acide fort pour former un ester et de l'eau, utilisée dans la synthèse de nombreux lipides et la protection de groupes fonctionnels. | | Déshydroxylation | Perte d'un groupe hydroxyle (–OH) d'une molécule, souvent catalysée par des enzymes déshydrogénases. | | Transamination | Réaction chimique de transfert d'un groupe amine (–NH₂) d'un acide aminé à un acide cétonique, catalysée par des transaminases (ou aminotransférases), essentielle au métabolisme des acides aminés. | | Cycle de l'urée | Voie métabolique hépatique qui transforme l'ammoniac (NH₃), toxique, en urée, non toxique, pour son élimination par les reins. | | Acides aminés dibasiques | Acides aminés possédant deux fonctions basiques capables de capter des protons (H⁺), soit deux groupes amine ou un groupe amine et un groupe guanidinium, comme la lysine, l'arginine et l'histidine. | | Acides aminés aromatiques | Acides aminés dont la chaîne latérale R contient un cycle benzénique ou un cycle similaire, comme la phénylalanine, la tyrosine et le tryptophane, capables d'absorber la lumière UV. | | Acide imino | Acide aminé particulier (proline) où le groupe amine primaire est intégré dans un cycle avec la chaîne latérale, formant une fonction amine secondaire. | | Hydroxylation post-traductionnelle | Modification chimique d'une protéine après sa synthèse, impliquant l'ajout d'un groupe hydroxyle (–OH) à certains résidus d'acides aminés, comme la proline et la lysine, stabilisant des structures comme le collagène. | | Phosphorylation | Ajout d'un groupe phosphate (–PO₄²⁻) à une molécule, souvent sur des résidus sérine, thréonine ou tyrosine de protéines, un mécanisme clé de régulation de l'activité enzymatique et de la signalisation cellulaire. | | O-glycosylation | Modification post-traductionnelle impliquant l'ajout d'une chaîne de sucres (glycosyle) à un groupe hydroxyle (–OH) d'un résidu sérine ou thréonine d'une protéine. | | Pont disulfure | Liaison covalente S–S formée entre deux résidus cystéine, stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines. | | Créatine | Petite molécule azotée synthétisée à partir de la glycine, de l'arginine et de la méthionine, servant de réservoir d'énergie rapide dans les cellules musculaires sous forme de phosphocréatine. | | Créatinine | Déchet métabolique cyclique dérivé de la créatine et de la phosphocréatine, éliminé par les reins, dont le taux sanguin est un indicateur de la fonction rénale. | | Catécholamines | Molécules dérivées d'acides aminés aromatiques (phénylalanine, tyrosine), contenant un cycle catéchol et une fonction amine, agissant comme hormones et neurotransmetteurs (adrénaline, noradrénaline, dopamine). | | Tyramine | Analogue des catécholamines dérivé de la tyrosine par décarboxylation, agissant comme un sympathomimétique indirect, provoquant vasoconstriction et augmentation de la pression artérielle. | | Tryptamine | Analogue des catécholamines dérivé du tryptophane par décarboxylation, agissant comme un vasoconstricteur puissant et mimant les effets des catécholamines. | | Sérotonine (5-hydroxytryptamine) | Neurotransmetteur et hormone dérivé du tryptophane, jouant un rôle dans la régulation du sommeil, de l'humeur, de l'appétit et de la coagulation sanguine. | | S-Adénosyl-méthionine (SAM) | Coenzyme dérivé de la méthionine et de l'ATP, agissant comme donneur de groupe méthyle (–CH₃) dans de nombreuses réactions de méthylation, essentielles à la régulation de l'expression génique. | | Holoprotéines | Protéines composées uniquement d'acides aminés, sans partie non protéique, pouvant être globulaires (solubles) ou fibreuses (insolubles). | | Hétéroprotéines | Protéines formées d'une partie protéique (apoprotéine) liée à une partie non protéique (groupement prosthétique), comme les phosphoprotéines, nucléoprotéines, glycoprotéines, lipoprotéines et chromoprotéines. | | Albumine | Protéine globulaire soluble la plus abondante du plasma sanguin, jouant un rôle majeur dans le maintien de la pression oncotique et le transport de diverses substances. | | Globulines | Protéines globulaires solubles présentes dans le sérum sanguin, classées en fractions (alpha, bêta, gamma) selon leur mobilité électrophorétique, impliquées dans le transport, la défense immunitaire, la coagulation et l'inflammation. | | Immunoglobulines (anticorps) | Protéines de la fraction gamma-globuline, produites par les lymphocytes B, essentielles à la défense immunitaire spécifique en reconnaissant et neutralisant les agents pathogènes. | | Électrophorèse sur gel d'agarose | Technique de diagnostic biochimique pour séparer les protéines du sérum en fonction de leur charge, leur taille et leur mobilité électrophorétique. | | Glycoprotéines | Hétéroprotéines formées par une liaison covalente entre une protéine et une séquence glucidique, présentes dans les membranes cellulaires, le plasma et les tissus conjonctifs, jouant des rôles dans la reconnaissance cellulaire, la défense immunitaire et le groupe sanguin. | | Lipoprotéines | Complexes protéine-lipide qui transportent les lipides insolubles dans le plasma sanguin, classées en 5 classes (chylomicrons, VLDL, IDL, LDL, HDL) selon leur composition et densité. |

# Structure et propriétés des oses Cette section explore la filiation des aldoses et cétoses, les méthodes de synthèse, le calcul des isomères, la cyclisation des sucres en structures pyranose et furanose, les projections de Haworth, ainsi que les propriétés physico-chimiques des oses. ### 1.1 Filiation des aldoses et cétoses La filiation des oses établit une relation généalogique entre les monosaccharides basée sur leur nombre d'atomes de carbone. Il est possible d'allonger ou de raccourcir la chaîne carbonée d'un ose pour passer d'un type à un autre (par exemple, d'un aldose à $n$ carbones à un aldose à $n+1$ carbones) [1](#page=1). #### 1.1.1 Synthèse de Kiliani-Fischer La synthèse de Kiliani-Fischer est une méthode permettant d'allonger la chaîne carbonée d'un aldose d'un atome de carbone. Le processus se déroule en trois étapes principales [1](#page=1): 1. **Addition de HCN:** L'acide cyanhydrique (HCN) s'additionne sur le groupe aldéhyde (−CHO) du carbone 1, qui devient un carbone asymétrique portant un groupe hydroxyle (−OH) et un groupe cyano (−CN) [1](#page=1). 2. **Hydrolyse et réduction:** Le groupe cyano (−CN) est hydrolysé en groupe acide carboxylique (−COOH) sous l'action de l'eau et de l'acide, formant un acide aldonic. L'ajout d'eau et d'acide peut entraîner la libération d'ammoniac (NH₃) [1](#page=1). 3. **Réduction en aldéhyde:** L'acide aldonic est ensuite réduit pour transformer le groupe acide carboxylique (−COOH) en groupe aldéhyde (−CHO) [1](#page=1). Cette synthèse conduit à la formation d'un nouvel aldose avec un carbone supplémentaire. Cependant, en raison de la création d'un nouveau centre chiral au carbone 1, deux diastéréoisomères (épimères) sont obtenus, résultant des deux orientations possibles du groupe −H (à droite ou à gauche) lors de l'addition du HCN [1](#page=1). Le même mécanisme s'applique aux cétoses, en commençant par un cétotriose ou de la dihydroxyacétone [1](#page=1). #### 1.1.2 Calcul du nombre d'isomères Le nombre d'isomères d'un ose dépend de son nombre d'atomes de carbone ($n$) et de sa nature (aldose ou cétose). La formule tient compte des centres chiraux. * **Aldoses:** Le nombre d'isomères est de $2^{n-2}$. Par exemple, le glucose, un aldose à 6 carbones ($n=6$), possède $2^{6-2} = 2^4 = 16$ isomères (8 formes D et 8 formes L) [2](#page=2). * **Cétoses:** Le nombre d'isomères est de $2^{n-3}$. Par exemple, le fructose, une cétose à 6 carbones ($n=6$), possède $2^{6-3} = 2^3 = 8$ isomères (4 formes D et 4 formes L) [2](#page=2). ### 1.2 Structure cyclique des oses En solution aqueuse ou dans les milieux biologiques, les oses comportant plus de quatre atomes de carbone existent majoritairement sous forme cyclique. Cette cyclisation résulte de la réaction entre le groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone) et un groupe hydroxyle de la même molécule, formant un hémiacétal (pour les aldoses) ou un hémiacétal (pour les cétoses) [2](#page=2). #### 1.2.1 Cyclisation selon Tollens La cyclisation se fait par l'attaque du groupe hydroxyle d'un carbone (généralement C5 pour les aldoses, C4 pour les cétoses) sur le carbone du groupe carbonyle. Le carbone du carbonyle devient alors un centre chiral quaternaire, formant un nouveau groupe hémiacétal. Cette réaction est également appelée cyclisation selon Tollens [2](#page=2). #### 1.2.2 Types de cycles : pyranose et furanose La nature du cycle formé dépend du groupe hydroxyle qui attaque le carbonyle : * **Pyranose:** Formé lorsque le groupe −OH du carbone 5 attaque le carbonyle (C1 pour un aldose). Il résulte en un cycle à 6 atomes, dont 5 carbones et 1 oxygène, ressemblant à un cycle de pyrane. L'exemple typique est le D-glucopyranose [2](#page=2). * **Furanose:** Formé lorsque le groupe −OH du carbone 4 attaque le carbonyle. Il résulte en un cycle à 5 atomes, dont 4 carbones et 1 oxygène, ressemblant à un cycle de furane. L'exemple typique est le D-fructofuranose [2](#page=2). ### 1.3 Projection de Haworth La projection de Haworth est une représentation simplifiée en 3D des cycles des sucres [3](#page=3). * **Représentation:** Le cycle est représenté comme un anneau presque plat. Le carbone anomérique est généralement positionné en bas à droite (ou parfois en haut à gauche). Les autres carbones sont numérotés dans le sens des aiguilles d'une montre, en partant du carbone anomérique [3](#page=3). * **Règles de conversion Fischer-Haworth :** * Les groupes −OH qui sont à droite dans la projection de Fischer se situent en bas du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). * Les groupes −OH qui sont à gauche dans la projection de Fischer se situent en haut du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). #### 1.3.1 Le carbone anomérique Le carbone anomérique est le carbone dérivé du groupe carbonyle initial (C1 pour les aldoses) après la cyclisation. Il peut exister sous deux formes, définies par la position du groupe hydroxyle attaché à ce carbone [3](#page=3): * **Forme $\alpha$ (alpha):** Le groupe −OH anomérique est orienté vers le bas [3](#page=3). * **Forme $\beta$ (bêta):** Le groupe −OH anomérique est orienté vers le haut [3](#page=3). #### 1.3.2 Conformation spatiale des oses Les oses en solution adoptent des conformations spatiales telles que les formes chaise et bateau. La forme chaise est la plus stable et celle sous laquelle les oses naturels se présentent le plus souvent [3](#page=3). ### 1.4 Propriétés physico-chimiques des oses #### 1.4.1 Propriétés physiques * **Solubilité:** Les oses sont très solubles dans l'eau en raison de la présence de nombreux groupes hydroxyles [4](#page=4). * **Pouvoir rotatoire spécifique:** En solution, les oses présentent un pouvoir rotatoire spécifique, utile pour leur identification et leur dosage [4](#page=4). * **Thermodégradation:** Les oses sont thermodégradables; le chauffage peut entraîner une caramélisation [4](#page=4). #### 1.4.2 Propriétés chimiques Les propriétés chimiques des oses sont dues à la présence de leurs fonctions caractéristiques : 1. **Fonction carbonyle ou groupe hémiacétalique:** Ces fonctions participent à des réactions spécifiques comme l'oxydation, la réduction et la condensation [4](#page=4). 2. **Fonctions alcools:** Les nombreux groupes hydroxyles confèrent aux oses leurs propriétés de solubilité dans l'eau et leur confèrent également une réactivité spécifique [4](#page=4). 3. **Réactions dues à la fonction carbonyle (propriétés réductrices) :** * **Oxydation :** Les oses peuvent être oxydés. * **Oxydation enzymatique:** L'oxydation enzymatique, comme celle du glucose par la glucose oxydase (GOD), utilise de l'oxygène pour oxyder spécifiquement le D-glucose en acide D-gluconique, produisant du peroxyde d'hydrogène (H₂O₂). La réaction générale est [4](#page=4): $$ \text{Glucose} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{glucose oxydase}} \text{Acide gluconique} + \text{H}_2\text{O}_2 $$ [4](#page=4). Dans cette réaction, le groupe aldéhyde du C1 est oxydé en groupe carboxylique [4](#page=4). * **Oxydation chimique douce:** L'oxydation chimique d'un aldose transforme le groupe aldéhyde (−CHO) du carbone 1 en groupe acide carboxylique (−COOH), sans affecter les autres groupes hydroxyles. Par exemple, le D-glucose est oxydé en acide D-gluconique [4](#page=4). $$ \text{D-glucose} \rightarrow \text{Acide D-gluconique} $$ [4](#page=4). * **Réduction :** Les groupes carbonyles peuvent être réduits en alcools. * **Condensation :** Les oses peuvent réagir avec d'autres molécules par condensation. > **Tip:** L'oxydation enzymatique du glucose est une réaction fondamentale utilisée dans les tests de glycémie. Il est important de distinguer l'oxydation enzymatique, qui est souvent spécifique, de l'oxydation chimique qui peut avoir lieu à différents niveaux de la molécule [4](#page=4). --- # Réactions chimiques des oses Cette section explore les transformations chimiques fondamentales des oses, principalement dues à leurs fonctions carbonyle et alcoolique, incluant les réactions d'oxydation, de réduction, de condensation et de déshydratation [4](#page=4). ### 2.1 Réactions dues à la fonction carbonyle (groupement réducteur) Les réactions d'oxydation et de réduction ciblent spécifiquement la fonction carbonyle, qui confère aux oses leur caractère réducteur [4](#page=4). #### 2.1.1 Oxydation des oses L'oxydation des oses peut être douce ou forte, et peut également être réalisée par des réactifs spécifiques [4](#page=4). ##### 2.1.1.1 Oxydation enzymatique L'oxydation enzymatique, par exemple celle du glucose par la glucose oxydase (GOD), est une réaction biochimique clé utilisée dans les tests de glycémie [4](#page=4). * **Principe général**: L'enzyme oxydase utilise le dioxygène ($O_2$) pour oxyder la molécule de glucose en acide gluconique, produisant du peroxyde d'hydrogène ($H_2O_2$) [4](#page=4). * **Réaction** [4](#page=4): $$ \text{Glucose} + O_2 \xrightarrow{[\text{glucose oxydase}]} \text{Acide gluconique} + H_2O_2 $$ * **Explication**: Le groupement aldéhyde du glucose (C1) est oxydé en acide carboxylique (–COOH), formant ainsi l'acide gluconique ($C_6H_{12}O_7$). Le dioxygène est réduit en peroxyde d'hydrogène [4](#page=4). ##### 2.1.1.2 Oxydation chimique douce L'oxydation chimique douce d'un aldose transforme spécifiquement le groupement aldéhyde (–CHO) en fonction acide carboxylique (–COOH), sans affecter les autres groupements hydroxyles [4](#page=4). * **Réaction générale**: Le carbone C1, portant le groupement aldéhyde, est oxydé en acide carboxylique [4](#page=4). $$ \text{Aldose} \rightarrow \text{Acide aldonique} $$ * **Exemple**: Le D-glucose est oxydé en acide D-gluconique [4](#page=4). * **Réactifs utilisés**: L'eau bromée ($Br_2/H_2O$) est un réactif couramment utilisé pour cette transformation [5](#page=5). ##### 2.1.1.3 Oxydation chimique forte L'oxydation forte utilise des oxydants puissants pour oxyder plusieurs fonctions de la molécule, conduisant à la formation d'acides aldariques [5](#page=5). * **Principe général**: Lors d'une oxydation forte d'un aldose par un oxydant puissant comme l'acide nitrique ($HNO_3$), le carbone C1 (groupement aldéhyde) et le carbone C6 (alcool primaire) sont oxydés en fonctions acides carboxyliques (–COOH) [5](#page=5). * **Produit**: On obtient un acide dicarboxylique, appelé acide aldarique [5](#page=5). * **Réaction générale** [5](#page=5): $$ \text{HOCH}_2\text{–(CHOH)}_\text{n}\text{–CHO} \xrightarrow{HNO_3, \text{chaleur}} \text{HOOC–(CHOH)}_\text{n}\text{–COOH} + H_2O $$ * **Exemple**: L'oxydation du D-glucose par l'acide nitrique produit de l'acide D-glucarique (ou acide saccharique) [5](#page=5). * **Oxydation des cétoses par $HNO_3$**: Contrairement aux aldoses, les cétoses, possédant une fonction cétone (–CO–) plutôt qu'un aldéhyde, subissent une rupture de chaîne autour du carbone cétone lors d'une oxydation forte par $HNO_3$ [6](#page=6). * **Exemple**: Le D-fructose est coupé entre C2 et C3, produisant de l'acide glycolique et de l'acide tartrique, qui sont ensuite oxydés en leurs acides carboxyliques respectifs [6](#page=6). ##### 2.1.1.4 Oxydation par les sels de métaux lourds Les sels de métaux lourds, comme la liqueur de Fehling ou la solution de Tollens, agissent comme oxydants doux qui sont eux-mêmes réduits [6](#page=6). * **Principe général**: En milieu basique et à chaud, certains ions métalliques (ex: $Cu^{2+}$ ou $Ag^+$) peuvent oxyder les oses, tandis qu'ils sont réduits. C'est une réaction d'oxydo-réduction [6](#page=6). $$ \text{Ose (réducteur)} + \text{Sel métallique (oxydant)} \rightarrow \text{Acide} + \text{Métal réduit} $$ * **Aldoses = réducteurs**: Les aldoses possèdent un groupement aldéhyde ou peuvent le régénérer en milieu basique, ce qui leur permet de réduire les ions $Cu^{2+}$ ou $Ag^+$. Ils sont donc appelés sucres réducteurs [6](#page=6). * **Cétoses = réducteurs (indirectement)**: Bien que les cétoses ne possèdent pas de groupe aldéhyde, certains, comme le fructose, peuvent s'isomériser en aldoses (glucose ou mannose) en milieu basique, devenant ainsi réducteurs indirectement [6](#page=6). #### 2.1.2 Réduction des oses La réduction des oses transforme les fonctions carbonyle (aldéhyde ou cétone) en fonctions alcool [7](#page=7). * **Réduction d'un aldéhyde**: La réduction du groupement aldéhyde (–CHO) par un agent réducteur comme le borohydrure de sodium ($NaBH_4$) transforme le carbone C1 en un alcool primaire (–CH₂OH). Le produit final est un polyol (un alcool avec plusieurs fonctions –OH) [7](#page=7). * **Structure générale d'un aldose**: $R–CH_2OH \cdot R'–CHOH \cdot CHO$ (en considérant le C1 comme l'aldéhyde, et la chaîne comme $R–CHOR–CHOR–CHO$ pour simplifier la représentation du carbonyle) [7](#page=7). * **Réduction**: L'ion hydrure ($H^−$) attaque le carbone du $C=O$. La double liaison $C=O$ devient $C–OH$, et l'hydrogène ajouté forme un alcool primaire [7](#page=7). * **Réduction d'une cétone**: La réduction du groupement cétone (–CO–) par un agent réducteur comme le borohydrure de sodium transforme le carbone cétone en un alcool secondaire (–CHOH). Le produit final est un polyol, transformant le cétose en polyol [7](#page=7). * **Structure générale d'une cétose**: $R_1–CO–R_2$ [7](#page=7). * **Réduction**: L'ion $H^−$ attaque le carbone du $C=O$. La double liaison $C=O$ devient $C–OH$, et l'hydrogène ajouté forme un alcool secondaire [7](#page=7). #### 2.1.3 Condensation des oses Les réactions de condensation permettent de lier des oses entre eux ou avec d'autres molécules, formant des liaisons glycosidiques ou hétérosidiques [8](#page=8). * **Principe général**: Une fonction hydroxyle (–OH) d'un ose peut réagir avec un groupement –OH ou –NH₂ d'un autre partenaire pour former une liaison covalente, avec élimination d'une molécule d'eau ($H_2O$) [8](#page=8). $$ C–OH (\text{ose}) + R–OH \rightarrow C–O–R + H_2O $$ La liaison formée est appelée liaison glycosidique ou hétérosidique [8](#page=8). * **Différents types de condensation** [8](#page=8): * **Avec un autre ose (holoside)**: Si le partenaire est un autre sucre, on forme un disaccharide ou un polysaccharide [8](#page=8). * **Exemple**: Glucose + Glucose → Maltose (liaison α-1,4-glycosidique) + $H_2O$. Le produit est un holoside. La liaison est de type O-glycosidique [8](#page=8). * **Avec un alcool ou phénol (O-hétéroside)**: Si le partenaire $R–OH$ n'est pas un sucre, on obtient un O-hétéroside [8](#page=8). * **Exemple**: Glucose + $R–OH$ → O-hétéroside + $H_2O$ [8](#page=8). * **Avec une amine (N-hétéroside)**: La condensation peut se faire avec un groupement –NH₂ [8](#page=8). * **Exemple**: Sucre + Base azotée → N-glycoside. Cette réaction est très importante en biochimie, notamment pour la formation de l'ADN et de l'ARN [8](#page=8). ### 2.2 Réactions dues aux fonctions alcools Les fonctions hydroxyles des oses peuvent subir des réactions d'estérification et de déshydratation [9](#page=9). #### 2.2.1 Estérification des oses L'estérification des oses est une réaction cruciale dans le métabolisme énergétique [9](#page=9). * **Principe général**: L'estérification consiste à faire réagir une fonction alcool (–OH) avec un acide (H–X) pour former un ester (R–O–X), avec élimination d'eau [9](#page=9). $$ R–OH + H–X \rightarrow R–O–X + H_2O $$ * **Pour les oses**: Les fonctions hydroxyles des oses peuvent être estérifiées par des acides typiques comme l'acide phosphorique ($H_3PO_4$), l'acide sulfurique, ou des acides carboxyliques [9](#page=9). * **Exemple**: Formation de glucose 6-phosphate [9](#page=9). * **Réaction chimique** [9](#page=9): $$ \text{Glucose} + H_3PO_4 \rightarrow \text{Glucose 6-phosphate} + H_2O $$ * **Explication**: Le –OH en C6 du glucose réagit avec l'acide phosphorique pour former un ester phosphorique. Cette réaction est la première étape de la glycolyse. L'élimination d'eau est typique des réactions de condensation [9](#page=9). #### 2.2.2 Déshydratation des oses en milieu acide La déshydratation des oses en milieu acide fort et sous l'action de la chaleur conduit à la formation de produits cycliques et aromatiques comme le furfural ou le HMF [10](#page=10). * **Principe général**: La déshydratation implique l'élimination de plusieurs molécules d'eau sous l'action d'un acide fort et de la chaleur. Cela entraîne une cyclisation et la formation de produits aromatiques [10](#page=10). $$ \text{Ose} \xrightarrow{(\text{acide fort} + \text{chaleur})} \text{Furfural / HMF} + H_2O $$ * **Type d'ose et produit** [10](#page=10): * **Pentose (C5)**: produit du furfural, nécessitant l'élimination de 3 molécules d'eau [10](#page=10). * **Exemple**: Ribose → Furfural + $3H_2O$ [10](#page=10). * **Hexose (C6)**: produit de l'hydroxyméthylfurfural (HMF), nécessitant l'élimination de 3 molécules d'eau [10](#page=10). * **Exemple**: Glucose → Hydroxyméthylfurfural + $3H_2O$ [10](#page=10). --- # Oses, holosides et hétérosides Cette section aborde la formation, la nomenclature et les rôles des osides, en détaillant les holosides (oligosides et polyosides) et les hétérosides [11](#page=11). ### 3.1 Définition et classification des osides Un oside est une molécule glucidique complexe dont l'hydrolyse libère des oses, ou un ose et une molécule non glucidique. Ils se divisent en deux grandes catégories [11](#page=11): * **Holosides:** Formés uniquement d'oses liés entre eux. Ils comprennent les oligosides (2 à 10 oses) et les polyosides (>10 oses) [11](#page=11). * **Hétérosides:** Composés d'un ou plusieurs oses liés à une partie non sucrée, appelée aglycone [11](#page=11). | Type d'oside | Produits d'hydrolyse | Exemple | Composition | | :----------- | :------------------- | :------ | :---------- | | Holoside | Uniquement des oses | Maltose, Saccharose, Lactose | Ose + Ose | | Hétéroside | Ose(s) + aglycone | ADN, glycoprotéines, glycolipides | Ose + molécule non osidique | ### 3.2 La liaison osidique La liaison osidique est une liaison covalente qui unit deux oses. Elle se forme entre [11](#page=11): 1. Le carbone anomérique (généralement le C1) d'un ose. 2. Un groupement hydroxyle (–OH) d'un autre ose [11](#page=11). La nature de cette liaison dépend de plusieurs facteurs : * **Nature des oses liés:** Exemples: glucose + galactose, glucose + fructose [11](#page=11). * **Forme cyclique de chaque ose:** Pyrane (cycle à 6 atomes) ou furane (cycle à 5 atomes) [11](#page=11). * **Configuration anomérique :** * $\alpha$ (alpha): si le groupe hydroxyle anomérique est en bas du plan du cycle [11](#page=11). * $\beta$ (bêta): si le groupe hydroxyle anomérique est en haut du plan du cycle [11](#page=11). ### 3.3 Les holosides #### 3.3.1 Oligosides Les oligosides sont formés de 2 à 10 oses. Les plus courants sont les diholosides (composés de deux oses) [11](#page=11). **Diholosides réducteurs:** Un diholoside est dit réducteur si l'un des deux oses conserve sa fonction hémiacétalique libre. Cela signifie que le carbone anomérique de cet ose n'est pas engagé dans la liaison osidique. Ces sucres peuvent encore réduire les sels métalliques, comme ceux présents dans la liqueur de Fehling. Les diholosides réducteurs peuvent exister sous forme $\alpha$ ou $\beta$, selon la configuration du carbone anomérique libre [11](#page=11). **Nomenclature générale des osides (avec exemples de diholosides) :** Le terme utilisé pour nommer un oside dépend de l'état de sa fonction hémiacétalique : * **-ose:** La fonction hémiacétalique est libre. C'est un sucre réducteur [12](#page=12). * **-osyl:** L'ose a sa fonction hémiacétalique engagée dans la liaison osidique. C'est le premier ose du diholoside nommé [12](#page=12). * **-oside:** La fonction hémiacétalique du dernier ose est engagée. Le sucre est non réducteur [12](#page=12). **Exemple 1 : Lactose** * **Composition:** 1 D-galactose + 1 D-glucose [12](#page=12). * **Liaison osidique:** $\beta$(1$\rightarrow$4) (C1 du galactose lié au C4 du glucose) [12](#page=12). * **Nom chimique:** D-galactopyranosyl ($\beta__MATH_BLOCK_0__\beta$2) (C1 du glucose engagé avec le C2 du fructose) [12](#page=12). * **Nom chimique:** D-glucopyranosyl ($\alpha__MATH_BLOCK_1__\beta$2)D-fructofuranoside ou $\alpha$-D-glucopyranosyl-(1$\rightarrow$2)-$\beta$-D-fructofuranoside [12](#page=12). * **Caractère:** Les deux carbones anomériques (C1 du glucose et C2 du fructose) sont engagés. Il n'y a pas de fonction hémiacétalique libre. Le saccharose est donc un sucre **non réducteur**. C'est le sucre de table [13](#page=13). **Exemple 3 : Maltose** * **Composition:** 2 molécules de D-glucose [13](#page=13). * **Liaison osidique:** $\alpha$(1$\rightarrow$4) (C1 du premier glucose lié au C4 du second glucose) [13](#page=13). * **Nom chimique:** D-glucopyranosyl (USD\alphaUSDUSD\rightarrow$4)D-glucopyranose ou D-glucopyranosyl-(1$\rightarrowUSD 4)D-glucopyranose [13](#page=13). * **Caractère:** Le premier glucose est engagé (-osyl), le second garde son C1 libre (-ose). Le maltose est donc **réducteur**. Les formes $\alpha$ ou $\beta$ sont possibles selon l'anomère libre. C'est un produit de la digestion de l'amidon ou du glycogène [13](#page=13). #### 3.3.2 Polyosides (Polysaccharides) Les polyosides sont de grands glucides complexes formés par la condensation de nombreuses molécules d'oses (centaines à milliers). Ils jouent trois rôles majeurs [14](#page=14): * **Réserve énergétique:** Amidon, glycogène [14](#page=14). * **Structural:** Cellulose, chitine [14](#page=14). * **Biologique spécifique:** Acide hyaluronique, héparine [14](#page=14). Les polyosides se distinguent par : 1. **Le type d'oses constitutifs:** Identiques (homopolysides) ou différents (hétéopolysides) [14](#page=14). 2. **Le type de liaison osidique:** Position des carbones (ex: 1$\rightarrow$4, 1$\rightarrow$6) et stéréochimie ($\alpha$ ou $\beta$) [14](#page=14). 3. **La structure de la chaîne:** Linéaire ou ramifiée [14](#page=14). **Remarque sur la nomenclature $\alpha$(1$\rightarrow$4) :** * $\alpha$: Indique la configuration de l'hydroxyle anomérique du premier ose (position $\alpha$ dans le cycle) [15](#page=15). * 1$\rightarrow$4: Indique la liaison entre le carbone 1 (C1) du premier ose et le carbone 4 (C4) du deuxième ose [15](#page=15). ##### 3.3.2.1 Homopolysides Les homopolysides sont formés d'un seul type d'ose [14](#page=14). | Exemple | Osides constitutifs | Type de liaison | Structure | Rôle | | :-------- | :------------------ | :-------------- | :----------------------- | :--------------------------------------------- | | Amidon | Glucose | $\alpha$(1$\rightarrow$4) et $\alpha$(1$\rightarrow$6) | Ramifiée (amylopectine) et linéaire (amylose) | Réserve énergétique végétale | [14](#page=14). | Glycogène | Glucose | $\alpha$(1$\rightarrow$4) et $\alpha$(1$\rightarrow$6) | Fortement ramifiée | Réserve énergétique animale (foie, muscle) | [14](#page=14). | Cellulose | Glucose | $\beta$(1$\rightarrow$4) | Linéaire | Rôle structural (paroi végétale) | [14](#page=14). ### 3.4 Les hétérosides Un hétéroside est une molécule composée de deux parties distinctes : 1. **Une partie glucidique:** Un ose ou un holoside [15](#page=15). 2. **Une partie non glucidique:** Appelée aglycone ou génine [15](#page=15). Ces deux parties sont liées par une liaison osidique, où l'hydroxyle du carbone anomérique du sucre se lie à un atome de la partie aglycone [15](#page=15). **Types d'hétérosides selon la nature de l'aglycone :** | Type d'hétéroside | Liaison | Exemple typique | Où on les trouve | | :---------------- | :------------------- | :--------------------------------------- | :----------------------------------------------- | | O-hétéroside | Ose lié à un O | Liaison ose–sérine/thréonine dans une protéine | Glycoprotéines | [15](#page=15). | N-hétéroside | Ose lié à un N | Nucléosides (adénosine: ribose + adénine) | ADN, ARN | [15](#page=15). | C-hétéroside | Ose lié à un C | Certains pigments végétaux | Plantes médicinales | [15](#page=15). | S-hétéroside | Ose lié à un S | Composés soufrés (rares) | Plantes alliacées (ail, oignons) | [15](#page=15). **Types d'aglycones et exemples :** | Type d'aglycone | Exemple | Rôle principal / Localisation | | :------------------- | :------------------------------------------------- | :-------------------------------------------------------------------------------------------- | | Lipide | Glycolipide | Composent la membrane cellulaire, reconnaissance entre cellules | [15](#page=15). | Protéine + GAG* | Protéoglycanes (PG) | Tissus conjonctifs, structure, lubrification | [15](#page=15). | Peptides + Polysaccharides | Peptidoglycanes | Paroi bactérienne (rigidité) | [15](#page=15). | Protéine + quelques oses | Glycoprotéines (GP) | Rôles hormonaux, immunitaires, enzymatiques | [15](#page=15). | Protéine (fixation non enzymatique) | Protéine glycosylée (ex: HbA1c) | Marqueurs biologiques (ex: glycémie à long terme) | [15](#page=15). *GAG : Glycosaminoglycanes **Rôles des hétérosides dans les cellules :** * Identifier les cellules (glycolipides) [16](#page=16). * Communiquer (glycoprotéines) [16](#page=16). * Stocker et transmettre l'information génétique (nucléosides, ADN/ARN) [16](#page=16). **Tableau récapitulatif des liaisons des hétérosides :** | Liaison | Type d'hétéroside | Exemple | | :----------------------- | :---------------- | :------------------------------------ | | Ose + Protéine | Glycoprotéine | Récepteurs membranaires, hormones | [16](#page=16). | Ose + Lipide | Glycolipide | Membrane cellulaire (ex: globules rouges) | [16](#page=16). | Ose + Base azotée | Nucléoside | Adénosine (base + ribose) | [16](#page=16). --- # Lipides : structure, propriétés et rôles Les lipides sont une classe diversifiée de molécules organiques caractérisées par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques, jouant des rôles cruciaux allant de l'isolation à la signalisation cellulaire. ### 4.1 Définition et structure des lipides Les lipides sont des composés organiques principalement constitués de carbone (C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O). Leur caractéristique fondamentale est leur caractère hydrophobe, ce qui signifie qu'ils n'interagissent pas bien avec les molécules d'eau. La majorité des lipides sont composés de deux éléments principaux: des acides gras, qui sont de longues chaînes d'atomes de carbone terminées par un groupe acide (-COOH), et un alcool, souvent le glycérol, qui possède un ou plusieurs groupes -OH. La liaison d'un acide gras à un alcool forme un ester, qui est la base chimique de nombreux lipides comme les graisses et les huiles [17](#page=17). ### 4.2 Propriété hydrophobe En raison de leur nature non polaire, les lipides sont insolubles dans l'eau, qui est une molécule polaire. Cette propriété explique leur incapacité à se mélanger avec l'eau, tout en leur permettant de se dissoudre efficacement dans des solvants non polaires tels que le chloroforme, l'éther ou le benzène [17](#page=17). > **Tip:** La distinction entre composés polaires et non polaires est essentielle pour comprendre l'interaction des lipides avec l'eau et les solvants. ### 4.3 Substances apparentées aux lipides Certains composés, bien que ne contenant pas d'acides gras, sont classés parmi les lipides en raison de leur caractère hydrophobe. Cela inclut les stéroïdes, tels que le cholestérol et les hormones stéroïdes, ainsi que les vitamines liposolubles (vitamines E, D, K, A) [17](#page=17). ### 4.4 Rôles physiologiques des lipides Les lipides remplissent plusieurs fonctions vitales dans l'organisme : #### 4.4.1 Isolement et protection des organes Les lipides forment le tissu adipeux, une couche de graisse située sous la peau et autour de certains organes vitaux. Cette réserve de graisse assure [17](#page=17): * **Isolement thermique:** Le tissu adipeux agit comme une barrière isolante, limitant la perte de chaleur et aidant à maintenir une température corporelle constante, particulièrement dans des environnements froids [17](#page=17). * **Protection mécanique:** La graisse entoure des organes comme le cœur, les reins et le foie, agissant comme un amortisseur pour les protéger des chocs physiques et des pressions extérieures [17](#page=17). #### 4.4.2 Transport et absorption des vitamines Certains lipides sont indispensables au transport des vitamines liposolubles (vitamines A, D, E, K). Ces vitamines ont des rôles essentiels [18](#page=18): * Vitamine A: vision et croissance cellulaire [18](#page=18). * Vitamine D: absorption du calcium et solidité osseuse [18](#page=18). * Vitamine E: protection cellulaire contre l'oxydation [18](#page=18). * Vitamine K: coagulation sanguine [18](#page=18). Les lipides facilitent l'absorption de ces vitamines dans l'intestin et leur transport via le sang vers les tissus où elles sont nécessaires [18](#page=18). #### 4.4.3 Stockage d'énergie Les lipides représentent la principale réserve d'énergie du corps. Les acides gras sont stockés dans les cellules adipeuses sous forme de triacylglycérols (ou triglycérides). Ces molécules peuvent être dégradées pour fournir de l'énergie lorsque le corps en a besoin, par exemple entre les repas ou lors d'efforts physiques. Leur rendement énergétique est très élevé: 1 gramme de lipides libère environ 9 kilocalories (kcal), soit plus du double de l'énergie fournie par 1 gramme de glucides ou de protéines (environ 4 kcal) [18](#page=18). > **Example:** Les sportifs d'endurance s'appuient sur leurs réserves de graisses pour fournir l'énergie nécessaire aux efforts prolongés. #### 4.4.4 Synthèse de molécules de signalisation Certains lipides ne servent pas uniquement de réserve d'énergie; ils participent également à la communication cellulaire en donnant naissance à des molécules de signalisation. À partir d'acides gras polyinsaturés, tels que l'acide arachidonique, l'organisme synthétise des médiateurs chimiques comme les prostaglandines, les thromboxanes et les prostacyclines. Ces substances jouent des rôles cruciaux dans la régulation de l'inflammation, de la douleur, de la coagulation sanguine et de la contraction des muscles lisses (par exemple, dans les bronches ou l'utérus) [18](#page=18). ### 4.5 Classification des lipides Les lipides sont généralement classés en deux grandes catégories basées sur leur composition chimique: les lipides simples et les lipides complexes [19](#page=19). #### 4.5.1 Lipides simples Ces lipides sont composés uniquement de carbone (C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O). Ils résultent généralement de l'union entre des acides gras et un alcool [19](#page=19). * **Glycérides:** L'alcool est le glycérol. Ils peuvent être des mono-, di- ou triacylglycérols, selon le nombre d'acides gras liés. Ils correspondent aux graisses et huiles dans le corps et l'alimentation, leur rôle principal étant la réserve d'énergie [19](#page=19). * **Cérides:** L'alcool est un alcool à longue chaîne (souvent 16 à 30 carbones). Ces lipides forment les cires, présentes sur la peau, les feuilles ou les plumes, et leur rôle principal est la protection et l'imperméabilisation [19](#page=19). * **Stérides:** L'alcool est un stérol, comme le cholestérol. Ces composés forment des esters de cholestérol et jouent un rôle dans la réserve et le transport du cholestérol dans l'organisme [19](#page=19). #### 4.5.2 Lipides complexes Ces lipides contiennent, en plus de C, H et O, d'autres éléments comme le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont souvent des constituants des membranes cellulaires [19](#page=19). * **Glycérophospholipides:** Ils contiennent du glycérol, deux acides gras et un groupe phosphate, qui peut être lié à un composé azoté. Leur rôle principal est la structure des membranes cellulaires [19](#page=19). * **Sphingolipides:** Ils sont constitués d'une base appelée sphingosine, d'un acide gras et parfois d'un groupement phosphate. On les trouve principalement dans le système nerveux, notamment dans la gaine de myéline [19](#page=19). * **Glycolipides:** Formés d'un lipide et d'un glucide (sucre), ils sont situés à la surface des membranes cellulaires. Leur rôle principal est la reconnaissance et la communication entre les cellules [19](#page=19). #### 4.5.3 Caractère physico-chimique des lipides Les lipides peuvent présenter différents caractères de solubilité : * **Hydrophobes:** Totalement insolubles dans l'eau, comme les triglycérides et les cires [19](#page=19). * **Amphiphiles:** Ils possèdent une partie hydrophile (qui aime l'eau) et une partie hydrophobe (qui repousse l'eau). C'est typique des phospholipides et des glycolipides, qui sont des composants essentiels des membranes biologiques [19](#page=19). --- # Acides gras : structure, classification et propriétés Cette section explore la définition, la structure chimique, la nature amphiphile, les différentes classifications basées sur la saturation et la longueur de chaîne, la nomenclature et les propriétés physico-chimiques fondamentales des acides gras. ### 5.1 Définition et structure des acides gras Un acide gras est un acide monocarboxylique. Il se compose de deux parties distinctes: une fonction acide carboxylique (–COOH) qui est polaire et hydrophile, et un radical R, une chaîne hydrocarbonée (–CH₂–) de longueur variable qui est non polaire et hydrophobe. La représentation générale d'un acide gras est donc R–COOH [20](#page=20). > **Tip:** La nature amphiphile, possédant à la fois une partie hydrophile et une partie hydrophobe, est fondamentale pour la formation des micelles et des membranes biologiques par les acides gras. Les chaînes carbonées des acides gras naturels présentent plusieurs caractéristiques : * Elles sont généralement linéaires, sans ramification [20](#page=20). * Elles possèdent un nombre pair de carbones, car elles sont synthétisées à partir d'unités de deux carbones (acétyl-CoA) [20](#page=20). * Elles ont une longueur variable, mais les acides gras naturels comptent typiquement entre 14 et 24 atomes de carbone [20](#page=20). * Le degré d'insaturation varie: les acides gras saturés ne possèdent aucune double liaison, tandis que les acides gras insaturés en possèdent une ou plusieurs (jusqu'à 6) [20](#page=20). * Ils peuvent être linéaires, ramifiés ou cycliques [20](#page=20). * Contrairement aux lipides complexes, les acides gras ne sont pas hydrolysables en sous-unités plus petites par hydrolyse [20](#page=20). Dans l'eau à pH physiologique (environ 7,4), le groupement carboxyle perd son proton (H⁺), formant un ion carboxylate (–COO⁻) chargé négativement. Cette ionisation renforce la solubilité de la tête polaire dans l'eau, tandis que la chaîne hydrocarbonée reste insoluble [20](#page=20). > **Tip:** La numérotation de la chaîne carbonée commence par le carbone du groupement carboxyle (C1) (#page=21, 23). L'autre extrémité, le groupe méthyle (CH₃), est appelée l'extrémité oméga (ω) [21](#page=21) [23](#page=23). ### 5.2 Classification des acides gras Les acides gras sont principalement classés selon la présence ou l'absence de doubles liaisons dans leur chaîne carbonée, ainsi que par leur nombre de carbones (#page=21, 23) [21](#page=21) [23](#page=23). #### 5.2.1 Acides gras saturés Les acides gras saturés possèdent une chaîne carbonée entièrement saturée en hydrogène, c'est-à-dire sans double liaison carbone-carbone [21](#page=21). * **Formule générale:** $C_nH_{2n+2}$ si l'on considère le groupe carboxyle, ou plus précisément $CH_3–(CH_2)_n–COOH$ ou $C_nH_{2n}O_2$. La formule $C_nH_{2n+2}$ est une simplification pour la chaîne alkyle seule [21](#page=21). * **Structure:** Chaîne linéaire avec un nombre pair de carbones [21](#page=21). * **Abondance:** Ils sont abondants chez les mammifères, présents dans les graisses animales et certaines huiles végétales [21](#page=21). **Acides gras saturés représentatifs :** | Acide gras | Notation | Nombre de carbones | Source principale | | :-------------- | :------- | :----------------- | :---------------------------------------------- | | Acide palmitique | C16:0 | 16 | Graisses animales, huile de palme | [21](#page=21). | Acide stéarique | C18:0 | 18 | Graisses animales, chocolat | [21](#page=21). | Acide butyrique | C4:0 | 4 | Beurre, métabolisme bactérien | [21](#page=21). | Acide lignocérique| C24:0 | 24 | Lipides du tissu nerveux | [21](#page=21). **Nomenclature:** Le symbole C16:0, par exemple, indique 16 carbones et 0 double liaison. Le préfixe "n-" devant le nom systématique (ex: acide n-hexadécanoïque pour l'acide palmitique) signifie que la chaîne est normale, linéaire et non ramifiée [22](#page=22). #### 5.2.2 Acides gras insaturés Les acides gras insaturés possèdent au moins une double liaison carbone-carbone dans leur chaîne [22](#page=22). * **Formule générale:** $C_nH_{2n-2x}O_2$, où $x$ est le nombre de doubles liaisons [22](#page=22). * **Structure:** La chaîne a généralement entre 16 et 20 carbones. La première double liaison se situe fréquemment entre les carbones 9 et 10 (position Δ9). Les doubles liaisons sont généralement en configuration *cis* [22](#page=22). ##### 5.2.2.1 Classification selon le nombre de doubles liaisons * **Acides gras mono-insaturés (AGMI):** Ils possèdent une seule double liaison, souvent située entre C9 et C10 [23](#page=23). * **Exemple:** Acide oléique (C18:1Δ9 ou ω9) [23](#page=23). * **Formule développée:** $CH_3-(CH_2)_7-CH=CH-(CH_2)_7-COOH$ [23](#page=23). * **Présence:** Très présents dans les huiles végétales [23](#page=23). * **Acides gras poly-insaturés (AGPI):** Ils possèdent plusieurs doubles liaisons, toujours séparées par un ou plusieurs groupements méthylènes (–CH₂–) [23](#page=23). * **Exemples essentiels (acides gras essentiels apportés par l'alimentation) :** | Acide gras | Symbole | Localisation des doubles liaisons | Famille | | :--------------------- | :-------- | :-------------------------------- | :------ | | Acide linoléique | C18:2Δ9,12 | Δ9, Δ12 | ω6 | | Acide α-linolénique | C18:3Δ9,12,15 | Δ9, Δ12, Δ15 | ω3 | * **Rôle:** Jouent un rôle crucial dans le développement cellulaire, la synthèse de médiateurs chimiques et le fonctionnement cardiovasculaire [23](#page=23). ##### 5.2.2.2 Configurations des doubles liaisons La présence d'une double liaison C=C confère une certaine rigidité et limite la rotation autour de celle-ci [24](#page=24). * **Configuration *cis*:** Les deux atomes d'hydrogène sont du même côté de la double liaison. Cette configuration induit un coude ou un pli dans la chaîne, empêchant un empaquetage serré des molécules. Les acides gras mono-insaturés naturels sont majoritairement en configuration *cis* [24](#page=24). * **Configuration *trans*:** Les deux atomes d'hydrogène sont de part et d'autre de la double liaison. La chaîne reste quasi linéaire, ressemblant à celle des acides gras saturés. Cette configuration tend à rendre les acides gras plus solides [24](#page=24). #### 5.2.3 Nomenclature * **Notation Δ (Delta):** Indique la position de la première double liaison à partir du groupement carboxyle (carbone 1). Par exemple, C18:1Δ9 signifie que la double liaison est entre le carbone 9 et le carbone 10 [23](#page=23). * **Notation ω (Oméga):** Indique la position de la première double liaison à partir du carbone terminal méthyle (CH₃), appelé carbone ω (carbone 1). Par exemple, C18:1ω9 signifie que la double liaison se trouve sur le 9ème atome de carbone à partir de l'extrémité CH₃ [23](#page=23). ### 5.3 Propriétés physico-chimiques des acides gras Les propriétés physico-chimiques des acides gras sont déterminées par la longueur de leur chaîne carbonée et leur degré d'insaturation [26](#page=26). #### 5.3.1 Propriétés physiques 1. **Solubilité dans l'eau :** * Les acides gras possèdent une tête hydrophile (–COOH) et une queue hydrophobe (chaîne hydrocarbonée) [26](#page=26). * Plus la chaîne hydrocarbonée est longue, plus la partie hydrophobe domine, et moins l'acide gras est soluble dans l'eau [26](#page=26). * **Exemples:** Les chaînes courtes (C4-C6) sont solubles, tandis que les chaînes longues (>C10) sont pratiquement insolubles [26](#page=26). * La présence de doubles liaisons augmente légèrement la solubilité en empêchant un empaquetage trop serré des molécules [26](#page=26). 2. **Masse volumique :** * Les acides gras ont une masse volumique légèrement inférieure à celle de l'eau, généralement comprise entre 0,8 et 0,95 g/cm³ [26](#page=26). * C'est pourquoi les huiles flottent à la surface de l'eau [26](#page=26). 3. **Point de fusion :** * Le point de fusion est la température à laquelle un solide devient liquide [27](#page=27). * **Influence de la longueur de la chaîne carbonée:** Plus la chaîne est longue, plus les molécules peuvent interagir fortement entre elles, nécessitant plus de chaleur pour fondre. Ainsi, le point de fusion augmente avec la longueur de la chaîne [27](#page=27). * Chaîne courte (<10 C): Liquide à température ambiante [27](#page=27). * Chaîne longue (>10 C): Solide à température ambiante [27](#page=27). * **Influence du degré d'insaturation:** Chaque double liaison crée un pli dans la chaîne, empêchant un emboîtement serré des molécules et affaiblissant leurs interactions. Par conséquent, plus il y a de doubles liaisons, plus le point de fusion est bas, ce qui rend la substance plus liquide. Les graisses solides contiennent des acides gras longs et saturés, tandis que les huiles liquides contiennent des acides gras courts ou insaturés [27](#page=27). #### 5.3.2 Propriétés chimiques Les réactions chimiques des acides gras dépendent de deux éléments principaux: la fonction acide carboxylique (–COOH) et la présence de doubles liaisons (C=C) [27](#page=27). ##### 5.3.2.1 Réactions dues à la fonction acide (–COOH) a) **Formation de sels alcalins (savons) :** * La réaction d'un acide gras avec une base forte (comme NaOH ou KOH) forme un sel d'acide gras (appelé savon) et de l'eau [27](#page=27). * **Équation:** $R–COOH + NaOH \rightarrow R–COO^-Na^+ + H_2O$ [27](#page=27). * Le savon possède une tête hydrophile chargée ($R–COO^-$) et un ion métallique (Na⁺) qui interagit avec l'eau, permettant ainsi la formation d'émulsions [27](#page=27). b) **Estérification :** * La réaction d'un acide gras avec un alcool (R'–OH) forme un ester et de l'eau [28](#page=28). * **Équation:** $R–COOH + R'–OH \rightarrow R–COO–R' + H_2O$ [28](#page=28). * Cette réaction est fondamentale pour la synthèse de lipides complexes. Par exemple, les triglycérides (graisses neutres) se forment lorsque trois acides gras se lient à une molécule de glycérol [28](#page=28). * **Exemple:** Acide gras + glycérol → triglycéride (triacylglycérol) [28](#page=28). ##### 5.3.2.2 Réactions dues à la présence de doubles liaisons (C=C) Ces réactions concernent uniquement les acides gras insaturés. a) **Hydrogénation :** * L'hydrogénation consiste à ajouter de l'hydrogène (H₂) sur les doubles liaisons [28](#page=28). * Elle supprime les doubles liaisons, transformant un acide gras insaturé en acide gras saturé [28](#page=28). * **Équation simplifiée:** $CH_2=CH–CH=CH–CH + H_2 \rightarrow CH_3–CH_2–CH_2–CH_2–CH_2$ [28](#page=28). * **Exemple pratique:** L'huile végétale (liquide, insaturée) peut être hydrogénée pour devenir de la margarine (solide, saturée) [28](#page=28). b) **Oxydation :** * Lorsqu'un acide gras insaturé est oxydé (par exemple, avec du permanganate de potassium, KMn₄), les doubles liaisons sont clivées [28](#page=28). * On obtient alors deux acides carboxyliques [28](#page=28). * **Équation:** $R–CH=CH–R'–COOH + KMnO_4 \rightarrow R–COOH + HOOC–R'–COOH$ [28](#page=28). * Chaque double liaison conduit à la formation d'un acide simple et d'un diacide (possédant deux fonctions –COOH) [28](#page=28). * Cette réaction explique le rancissement des graisses lorsqu'elles s'oxydent à l'air [28](#page=28). --- # Classification détaillée des lipides Cette section détaille la classification des lipides en lipides simples et complexes, en explorant leurs structures, leurs propriétés et leurs rôles biologiques, ainsi que les mécanismes d'hydrolyse [29](#page=29). ### 6.1 Lipides simples (homolipides) Les lipides simples, également appelés homolipides, sont constitués uniquement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils résultent de la réaction d'estérification entre un alcool et un ou plusieurs acides gras, formant ainsi des esters d'acides gras. Leur classification dépend du type d'alcool impliqué [29](#page=29). #### 6.1.1 Glycérides (ou acylglycérols) Les glycérides sont formés par l'estérification du glycérol avec un ou plusieurs acides gras. Le glycérol, un triol (propane-1,2,3-triol), possède trois groupes hydroxyles (-OH) aux positions α, β et α'. La réaction d'estérification peut se résumer ainsi: Glycérol + Acide gras $\rightarrow$ Glycéride + Eau [30](#page=30). **Types de glycérides selon le nombre d'acides gras :** * **Monoglycéride:** 1 acide gras lié au glycérol. C'est un intermédiaire digestif et il est amphipathique [30](#page=30). * **Diglycéride:** 2 acides gras liés au glycérol. C'est un intermédiaire métabolique et il est amphipathique [30](#page=30). * **Triglycéride:** 3 acides gras liés au glycérol. Ils constituent les graisses et les huiles et sont très hydrophobes [30](#page=30). **Glycérides simples vs mixtes :** * **Simples (homogènes):** Tous les acides gras sont identiques (R₁ = R₂ = R₃). Exemple: acide tripalmitique [30](#page=30). * **Mixtes (hétérogènes):** Les acides gras sont différents (R₁ ≠ R₂ ≠ R₃). Exemple: acide palmito-oléostéarique [30](#page=30). **Propriétés physiques des glycérides :** * **Solubilité:** Les monoglycérides et diglycérides sont amphipathiques (partie hydrophile du glycérol, partie hydrophobe des acides gras). Les triglycérides sont totalement hydrophobes, insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques [31](#page=31). * **Point de fusion:** Il dépend du type d'acides gras. Les acides gras saturés donnent des solides à température ambiante (graisses), tandis que les acides gras insaturés donnent des liquides (huiles) [31](#page=31). **Hydrolyse des glycérides :** * **Hydrolyse acide ou enzymatique:** Triglycéride + 3 H₂O $\rightarrow$ Glycérol + 3 Acides gras. C'est la réaction naturelle lors de la digestion par les lipases [31](#page=31). * **Hydrolyse alcaline (saponification):** Triglycéride + 3 NaOH $\rightarrow$ Glycérol + 3 Sels d'acides gras. Utilisée pour la fabrication de savons [31](#page=31). **Rôles des triglycérides :** 1. **Rôle énergétique:** Ils sont une molécule de réserve d'énergie majeure. 1g de triglycéride fournit environ 9 kcal, soit deux fois plus que les glucides ou les protéines. Le corps les stocke dans le tissu adipeux, et ils sont libérés en cas de jeûne ou d'effort pour fournir des acides gras (oxydés pour l'ATP) et du glycérol (utilisé dans la néoglucogenèse) [31](#page=31). 2. **Rôle de stockage:** Les TG sont stockés dans les adipocytes. C'est une forme de stockage très dense car elle n'est pas associée à de l'eau, contrairement au glycogène [31](#page=31). 3. **Isolation thermique et protection:** Le tissu adipeux sous-cutané agit comme isolant thermique, et le tissu adipeux viscéral protège les organes internes [31](#page=31). 4. **Rôle physiopathologique:** Un excès de triglycérides est lié à l'obésité, au diabète et aux maladies cardiovasculaires. Le tissu adipeux produit également des facteurs inflammatoires [32](#page=32). **Digestion et hydrolyse des triglycérides :** Les triglycérides alimentaires sont hydrolysés en monoglycérides et acides gras par la lipase pancréatique dans l'intestin grêle. L'hydrolyse dans les cellules (lipolyse) des triglycérides stockés dans les adipocytes implique plusieurs enzymes: ATGL (Adipose Triglyceride Lipase), HSL (Hormone Sensitive Lipase), et MGL (Monoglycerol Lipase), libérant successivement des acides gras et du glycérol [32](#page=32). #### 6.1.2 Cérides Les cérides, ou cires, sont formés par la réaction d'estérification entre un acide gras et un alcool à longue chaîne (souvent 16 à 30 carbones) [29](#page=29). * **Formation:** Acide gras + Alcool gras $\rightarrow$ Cérides (cire) + H₂O [37](#page=37). * **Structure:** Ils contiennent une longue chaîne hydrocarbonée (hydrophobe) et une liaison ester [37](#page=37). * **Exemple:** Le palmitate de cétyle est formé de l'acide palmitique et de l'alcool cétylique [37](#page=37). * **Propriétés physiques:** Ils sont solides à température ambiante en raison de l'empilement de leurs longues chaînes carbonées, et ils sont très hydrophobes, insolubles dans l'eau, ce qui leur confère leur texture cireuse [37](#page=37). * **Rôle:** Protection contre l'eau et les agents extérieurs. Exemples: cire d'abeille, sébum cutané, cires végétales sur les feuilles [29](#page=29). #### 6.1.3 Stérides (ou esters de cholestérol) Les stérides sont des esters formés entre un stérol (comme le cholestérol) et un acide gras (#page=29, 32) [29](#page=29) [32](#page=32). * **Structure:** Réaction d'estérification entre le groupe carboxyle d'un acide gras (R-COOH) et le groupe hydroxyle (-OH) d'un stérol comme le cholestérol [32](#page=32). $R-\text{COOH} + \text{Cholestérol}-\text{OH} \rightarrow R-\text{COO}-\text{Cholestérol} + \text{H}_2\text{O}$ [32](#page=32). * **Rôle:** Forme de stockage et de transport du cholestérol dans le sang. Ils sont présents dans les membranes cellulaires et sont des précurseurs d'hormones stéroïdiennes (#page=29, 33) [29](#page=29) [33](#page=33). #### 6.1.4 Stérols (famille des stéroïdes) Les stérols appartiennent à la famille des stéroïdes, caractérisés par un noyau stérane (cyclopentanophénanthrène) composé de quatre cycles accolés (trois hexagonaux et un pentagonal) [33](#page=33). * **Structure du noyau stérane:** Rigide, conférant le terme "stéroïde". Présent chez les eucaryotes, absent chez les procaryotes [33](#page=33). * **Cholestérol:** Le stérol le plus connu (formule C₂₇H₄₆), c'est un alcool (fonction -OH). Il est un constituant majeur des membranes cellulaires, stabilisant leur fluidité et leur perméabilité [33](#page=33). * **Dérivés du cholestérol :** * **Acides biliaires:** Synthétisés dans le foie à partir du cholestérol, ils émulsifient les graisses dans l'intestin. Il existe des acides biliaires primaires (foie) et secondaires (flore intestinale) [34](#page=34). * **Vitamine D:** Synthétisée dans la peau à partir du 7-déhydrocholestérol sous l'effet des UV. Elle est essentielle à la minéralisation osseuse (absorption du calcium et du phosphore) [34](#page=34). * **Hormones stéroïdiennes:** Hormones fabriquées à partir du cholestérol, ayant une structure stéroïde. Elles sont produites par diverses glandes et ont des rôles variés [35](#page=35). * **Glucocorticoïdes** (ex: cortisol): régulation du métabolisme du glucose, anti-inflammatoire, immunomodulateur [35](#page=35). * **Minéralocorticoïdes** (ex: aldostérone): contrôle des quantités de sodium et d'eau, régulation de la pression artérielle [36](#page=36). * **Androgènes** (ex: testostérone): développement des caractères sexuels mâles, spermatogenèse, croissance musculaire et osseuse [36](#page=36). * **Œstrogènes** (ex: estradiol): développement des caractères sexuels féminins, préparation de l'endomètre, cycle menstruel [36](#page=36). * **Progestatifs** (ex: progestérone): préparation de l'utérus à la nidation, maintien de la grossesse [36](#page=36). ### 6.2 Lipides complexes Les lipides complexes contiennent des acides gras et d'autres groupes chimiques tels que des phosphates ou des sucres. Ils sont les principaux constituants des membranes biologiques. Trois grandes familles sont distinguées: les glycérophospholipides, les sphingolipides et les glycérolycolipides [38](#page=38). #### 6.2.1 Glycérophospholipides Ce sont les lipides complexes les plus importants chez l'homme. Leur structure de base est l'acide phosphatidique, composé d'un glycérol lié à deux acides gras (souvent un saturé en C1 et un insaturé en C2) et un groupement phosphate sur C3 [38](#page=38). * **Structure de base:** Acide phosphatidique: glycérol - Acide gras R1 - Acide gras R2 - Phosphate [38](#page=38). * **Formation:** En ajoutant un alcool (HO-X) à l'acide phosphatidique, celui-ci se fixe sur le phosphate, formant un glycérophospholipide [40](#page=40). Acide phosphatidique + Alcool $\rightarrow$ Glycérophospholipide + H₂O [40](#page=40). * **Amphiphilie:** Les glycérophospholipides sont amphiphiles, possédant une tête polaire hydrophile (glycérophosphate + alcool) et une queue apolaire hydrophobe (deux chaînes d'acides gras) (#page=40, 43). Cette amphiphilie leur permet de former la bicouche lipidique des membranes cellulaires, où les têtes hydrophiles sont orientées vers l'eau et les queues hydrophobes se regroupent au centre (#page=43, 44) [40](#page=40) [43](#page=43) [44](#page=44). * **Variété:** La nature de l'alcool fixé sur le phosphate détermine le type de glycérophospholipide et ses fonctions. Exemples [40](#page=40): * Phosphatidylcholine (lécithine): Membranes, transport lipidique [40](#page=40). * Phosphatidyléthanolamine: Membranes, cerveau [40](#page=40). * Phosphatidylsérine: Signalisation cellulaire (apoptose) [40](#page=40). * Phosphatidylinositol: Transmission du signal cellulaire [40](#page=40). * Phosphatidylglycérol: Membranes mitochondriales [40](#page=40). * Cardiolipine: Double phosphate lié à deux acides phosphatidiques et un glycérol; présent dans la membrane interne des mitochondries [40](#page=40). #### 6.2.2 Sphingolipides Les sphingolipides sont des lipides complexes dont le squelette n'est pas le glycérol mais la sphingosine [44](#page=44). * **Sphingosine:** Amino-dialcool à 18 carbones, possédant une fonction amine (-NH₂), deux fonctions alcool (-OH), et une longue chaîne hydrocarbonée avec une double liaison trans [44](#page=44). * **Céramide:** Formé par la liaison amide entre la fonction amine de la sphingosine et un acide gras. Cette liaison amide est forte et stable [45](#page=45). Sphingosine + Acide gras $\rightarrow$ Céramide + H₂O [45](#page=45). * **Familles de sphingolipides:** Dépendent de la molécule fixée sur le groupe -OH du carbone 1 de la sphingosine [46](#page=46). * **Sphingophospholipides (sphingomyélines):** Liaison ester phosphorique entre le céramide et un groupement (phosphate + alcool, comme la choline ou l'éthanolamine). Ils sont présents dans les membranes plasmiques, notamment dans les gaines de myéline, protégeant et aidant à la conduction du signal nerveux. L'enzyme sphingomyélinase hydrolyse la sphingomyéline; un déficit de cette enzyme peut causer la maladie de Niemann-Pick [46](#page=46). * **Sphingoglycolipides:** Le céramide est lié à un ou plusieurs sucres (oses) au niveau du carbone 1, sans groupement phosphate [47](#page=47). * **Cérébrosides:** 1 seul ose lié au céramide (ex: galactocérébroside). Trouvés dans le tissu nerveux et les membranes [47](#page=47). * **Gangliosides (ou oligosylcéramides):** Plusieurs oses (2 à 20), souvent incluant un acide sialique. Ils sont très abondants dans les neurones du cerveau et jouent un rôle dans la reconnaissance cellulaire et comme récepteurs de certaines toxines (ex: le ganglioside GM1 est un point d'entrée pour la toxine cholérique) [47](#page=47). --- # Acides aminés : structure, classification et fonctions Cette section détaille la composition fondamentale des protéines, les acides aminés, en explorant leur structure moléculaire, leurs diverses classifications basées sur leurs propriétés chimiques et leur importance fonctionnelle dans le métabolisme cellulaire. ### 7.1 Définition et structure de base des acides aminés Les acides aminés (AA) sont les unités monomériques constituant les protéines. Chaque acide aminé partage une structure fondamentale comprenant un carbone central (carbone alpha, Cα) lié à quatre groupes: une fonction amine (–NH₂), une fonction acide carboxylique (–COOH), un atome d'hydrogène (H), et une chaîne latérale variable appelée groupe R [48](#page=48) [49](#page=49). * La fonction amine est basique et peut capter un proton (H⁺), formant le groupe N-terminal [49](#page=49). * La fonction carboxylique est acide et peut libérer un proton (H⁺), formant le groupe C-terminal [49](#page=49). * Le groupe R est ce qui distingue chaque acide aminé [49](#page=49). * Le carbone alpha est généralement chiral (sauf dans la glycine, où R=H), ce qui signifie que les acides aminés existent sous forme de deux stéréoisomères: L et D. Seules les formes L sont utilisées dans les protéines humaines [49](#page=49). Il existe plus de 300 acides aminés naturels, mais seulement 20 sont protéinogènes, c'est-à-dire codés par l'ADN et incorporés dans les protéines lors de la traduction [49](#page=49). ### 7.2 Classification des acides aminés Les acides aminés peuvent être classés selon plusieurs critères, notamment leur caractère essentiel ou non essentiel, et la nature chimique de leur chaîne latérale (R). #### 7.2.1 Classification selon l'apport alimentaire (essentiels et non essentiels) * **Acides aminés essentiels** [50](#page=50): * L'organisme ne peut pas les synthétiser et ils doivent être apportés par l'alimentation. * Leur manque peut bloquer la synthèse protéique. * Les 8 acides aminés essentiels chez l'homme sont : Arginine\*, Histidine\*, Isoleucine, Leucine, Lysine, Méthionine, Phénylalanine, Thréonine, Tryptophane, Valine. * L'arginine et l'histidine sont considérées comme semi-essentielles, particulièrement importantes chez l'enfant en croissance [50](#page=50). * **Acides aminés non essentiels** [50](#page=50): * L'organisme peut les synthétiser à partir d'autres composés métaboliques. * Ils n'ont pas besoin d'un apport alimentaire direct. * Les acides aminés non essentiels sont : Alanine, Asparagine, Acide aspartique, Cystéine, Acide glutamique, Glutamine, Glycine, Proline, Sérine, Tyrosine. * L'arginine et l'histidine peuvent aussi être considérés comme non essentiels dans certaines conditions physiologiques [50](#page=50). #### 7.2.2 Classification selon la chaîne latérale (R) Cette classification est basée sur les propriétés physico-chimiques du groupe R, notamment sa polarité, sa charge et sa taille. ##### 7.2.2.1 Groupe 1: Acides aminés aliphatiques [51](#page=51). Leur chaîne latérale est constituée uniquement d'atomes de carbone et d'hydrogène, sans cycles aromatiques. Ils sont généralement hydrophobes et se situent à l'intérieur des protéines. * **Acides aminés aliphatiques acycliques** : * **Glycine (Gly, G)** [51](#page=51): * Le plus simple des acides aminés, avec R = H. * Son carbone alpha n'est pas chiral, ce qui lui confère une flexibilité unique et la place souvent dans les boucles ou coudes des protéines [51](#page=51). * **Alanine (Ala, A)** [51](#page=51): * R = CH₃ (groupe méthyle). * Petite et hydrophobe. * Intervient dans le cycle de l'alanine entre le muscle et le foie [51](#page=51). * **Acides aminés aliphatiques ramifiés** [52](#page=52): * Leur chaîne carbonée R se ramifie. Ils sont volumineux et très hydrophobes. * **Valine (Val, V)**: R = –CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Leucine (Leu, L)**: R = –CH₂–CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Isoleucine (Ile, I)**: R = –CH(CH₃)–CH₂–CH₃ (isomère de la leucine) [52](#page=52). ##### 7.2.2.2 Groupe 2: Acides aminés hydroxylés [53](#page=53). Leur chaîne latérale contient un groupe hydroxyle (–OH), ce qui les rend polaires et hydrophiles. * **Sérine (Ser, S)** [53](#page=53): * R = –CH₂–OH. Le groupe –OH est porté par un carbone primaire. * Hydrophile, capable de former des liaisons hydrogène. * Le groupe –OH peut être phosphorylé (ajout d'un groupe phosphate), un mécanisme clé pour la régulation de l'activité enzymatique [53](#page=53). * La phosphorylation de résidus de sérine joue un rôle crucial dans la réponse aux dommages de l'ADN, notamment via l'activation de la kinase ATM [54](#page=54). * **Thréonine (Thr, T)**: R = –CH(OH)–CH₃. Similaire à la sérine par la présence d'un groupe hydroxyle [50](#page=50). * **Tyrosine (Tyr, Y)**: Bien que considéré comme aromatique, son groupe phénol inclut un –OH, lui conférant des propriétés polaires [64](#page=64). ##### 7.2.2.3 Groupe 3: Acides aminés soufrés [55](#page=55). Leur chaîne latérale contient un atome de soufre (S). * **Cystéine (Cys, C)** [55](#page=55): * R contient un groupement thiol (–SH). * Le groupe thiol est très réactif. Deux cystéines peuvent s'oxyder pour former une liaison disulfure (–S–S–), stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines (ex: kératine) [55](#page=55). * **Méthionine (Met, M)** [56](#page=56): * R contient un groupement thioéther (–S–CH₃). * C'est le premier acide aminé de la plupart des protéines. * Peut être transformée en S-adénosylméthionine (SAM), un donneur de groupe méthyle essentiel pour la méthylation de l'ADN et d'autres molécules, influençant l'expression génique [56](#page=56). ##### 7.2.2.4 Groupe 4: Acides aminés dicarboxyliques et amides dérivés [57](#page=57). Leur chaîne latérale contient un groupement carboxyle supplémentaire (–COOH) ou un groupe amide (–CONH₂). * **Acides aminés acides** (chargés négativement à pH physiologique) : * **Acide aspartique (Asp, D)** [57](#page=57): * R = –CH₂–COOH. Possède deux groupes carboxyles. * Impliqué dans la synthèse de l'urée (cycle de l'urée) et dans les réactions de transamination (#page=57, page=58, page=59) [57](#page=57) [58](#page=58) [59](#page=59). * **Acide glutamique (Glu, E)** (#page=50, page=57) [50](#page=50) [57](#page=57): * R = –CH₂–CH₂–COOH. Similaire à l'acide aspartique mais avec une chaîne latérale plus longue. * Agit comme neurotransmetteur excitateur (#page=50, page=57) [50](#page=50) [57](#page=57). * **Amides dérivés** : * **Asparagine (Asn, N)** (#page=50, page=60): Dérivé de l'acide aspartique, R contient un groupe amide (–CONH₂) [50](#page=50) [60](#page=60). * **Glutamine (Gln, Q)** (#page=50, page=60): Dérivé de l'acide glutamique, R contient un groupe amide (–CONH₂) [50](#page=50) [60](#page=60). * Ces deux amides sont importants pour le transport de l'azote dans l'organisme, notamment sous forme d'ammoniac stocké ou transporté [60](#page=60). ##### 7.2.2.5 Groupe 5: Acides aminés dibasiques [61](#page=61). Leur chaîne latérale possède une seconde fonction basique (amine ou guanidinium), les rendant fortement positifs à pH physiologique. * **Lysine (Lys, K)** [61](#page=61): * R contient un groupe ε-amino (–(CH₂)₄–NH₂). * Participe à la structure des protéines fibreuses comme le collagène. * Peut subir une hydroxylation post-traductionnelle pour former la 5-hydroxylysine, essentielle à la réticulation du collagène et à sa stabilité [62](#page=62). * **Arginine (Arg, R)** [63](#page=63): * R contient un groupement guanidinium, très basique et toujours chargé positivement. * Semi-essentielle pendant la croissance. * Précurseur de l'urée dans le cycle de l'urée. * Transformée en oxyde nitrique (NO), un important messager cellulaire impliqué dans la vasodilatation [63](#page=63). * **Histidine (His, H)** [62](#page=62): * R contient un cycle imidazole. * Son pKa est proche du pH physiologique, ce qui lui permet d'agir comme un tampon biologique, stabilisant les variations de pH dans les protéines (ex: hémoglobine) [62](#page=62). * Essentielle pendant la croissance. * Souvent impliquée dans les sites actifs d'enzymes, participant aux réactions chimiques [62](#page=62). ##### 7.2.2.6 Groupe 6: Acides aminés aromatiques [64](#page=64). Leur chaîne latérale possède un cycle benzénique ou similaire, les rendant stables, absorbant les UV et souvent hydrophobes. * **Phénylalanine (Phe, F)** [64](#page=64): * R = groupe phényle (cycle benzénique). * Indispensable, doit être apportée par l'alimentation. * Hydrophobe. * Peut être hydroxylée en tyrosine [64](#page=64). * **Tyrosine (Tyr, Y)** (#page=64, page=65) [64](#page=64) [65](#page=65): * Identique à la phénylalanine mais avec un groupe –OH sur le cycle benzénique (groupe phénol). * Semi-essentielle. * Précurseur de plusieurs molécules importantes: hormones thyroïdiennes, catécholamines (dopamine, adrénaline), et mélanine [65](#page=65). * **Tryptophane (Trp, W)** [65](#page=65): * R = groupe indole (double cycle aromatique contenant de l'azote). * Indispensable. * Volumineux et hydrophobe [65](#page=65). ##### 7.2.2.7 Groupe 7: Acides imino [66](#page=66). Ce groupe contient un seul acide aminé particulier : * **Proline (Pro, P)** [66](#page=66): * Unique car son groupe amine primaire forme un cycle avec sa chaîne latérale R. Le groupe amine devient secondaire. * La structure cyclique confère une grande rigidité à la proline. * Elle ne peut pas tourner librement autour de ses liaisons. * Subit une hydroxylation post-traductionnelle, essentielle pour la structure du collagène [66](#page=66). ### 7.3 Classification selon la polarité La polarité d'un acide aminé dépend de la répartition des charges dans sa chaîne latérale R. * **Polaire non ionisable** (hydrophile, sans charge nette) (#page=67, page=69) [67](#page=67) [69](#page=69): * Possèdent des groupes polaires (–OH, –SH, –CONH₂) mais pas de charge permanente. * Peuvent former des liaisons hydrogène avec l'eau. * Exemples: Sérine, Thréonine, Tyrosine, Cystéine, Asparagine, Glutamine (#page=67, page=69) [67](#page=67) [69](#page=69). * **Polaire ionisable** (hydrophile, chargée + ou – selon le pH) (#page=67, page=70) [67](#page=67) [70](#page=70): * Possèdent des groupes ionisables qui portent une charge électrique à pH physiologique. * **Acides (chargés négativement)**: Leur R contient un groupe carboxyle –COOH qui perd un proton (–COO⁻). Exemples: Acide aspartique, Acide glutamique (#page=67, page=70) [67](#page=67) [70](#page=70). * **Basiques (chargés positivement)**: Leur R contient une fonction amine ou guanidinium qui capte un proton (–NH₃⁺ ou un groupement positivement chargé). Exemples: Lysine, Arginine, Histidine (#page=67, page=70) [67](#page=67) [70](#page=70). * **Non polaire** (hydrophobe) (#page=67, page=68) [67](#page=67) [68](#page=68): * Leur chaîne latérale ne contient pas de groupes polaires ou chargés. * Insolubles dans l'eau, ils se regroupent à l'intérieur des protéines pour éviter le contact avec l'eau (effet hydrophobe) (#page=67, page=68) [67](#page=67) [68](#page=68). * Exemples: Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine, Méthionine, Proline, Phénylalanine, Tryptophane, Glycine (#page=67, page=68) [67](#page=67) [68](#page=68). ### 7.4 Fonctions métaboliques des acides aminés Outre leur rôle de constituants des protéines, les acides aminés remplissent diverses fonctions métaboliques : * **Structurale**: Formation des protéines [51](#page=51). * **Énergétique**: Peuvent être dégradés pour fournir de l'énergie ou être convertis en glucose (néoglucogenèse). Les acides α-cétoniques, produits de la dégradation des acides aminés, peuvent entrer dans le cycle de Krebs pour produire de l'ATP [51](#page=51) [78](#page=78). * **Métabolique/Précurseur**: Servent à synthétiser d'autres molécules importantes comme des hormones ou des neurotransmetteurs. Par exemple, la tyrosine est précurseur des hormones thyroïdiennes et des catécholamines. La méthionine est le précurseur de la SAM, un donneur de méthyle essentiel pour la méthylation de l'ADN [51](#page=51) [56](#page=56) [65](#page=65). * **Signalisation/Récepteur**: Certains jouent un rôle direct dans la communication cellulaire, comme le glutamate qui est un neurotransmetteur excitateur. L'histamine, formée par décarboxylation de l'histidine, est un médiateur important des réactions allergiques et de l'inflammation [51](#page=51) [76](#page=76). ### 7.5 Propriétés physico-chimiques des acides aminés #### 7.5.1 Chiralité et pouvoir rotatoire * **Carbone alpha chiral**: Le carbone alpha est asymétrique chez la plupart des acides aminés, excepté la glycine [71](#page=71). * **Énantiomères L et D**: Les acides aminés chiraux existent sous deux formes miroirs: L (lévogyre) et D (dextrogyre). Seules les formes L sont utilisées dans les protéines humaines [71](#page=71) [72](#page=72). * **Pouvoir rotatoire**: La capacité d'une substance à faire tourner le plan de la lumière polarisée. La notation D/L concerne la configuration spatiale, tandis que +/– indique le sens de rotation de la lumière. Les formes D sont généralement reconnues par des bactéries mais pas par les enzymes humaines [72](#page=72) [73](#page=73). #### 7.5.2 Absorption des UV Les acides aminés aromatiques (Phénylalanine, Tyrosine, Tryptophane) absorbent la lumière UV (260-280 nm) en raison de leurs cycles aromatiques (#page=72, page=73). Cette propriété est utilisée pour le dosage des protéines par spectrophotométrie (#page=72, page=73) [72](#page=72) [73](#page=73). #### 7.5.3 Comportement ionique : amphotérie, zwitterion, pKa, pHi * **Amphotérie**: Les acides aminés peuvent agir à la fois comme acide (donneur de H⁺) et comme base (accepteur de H⁺) grâce à leurs groupes –COOH et –NH₂ ionisables [74](#page=74). * **Zwitterion**: À pH neutre (environ 7), un acide aminé existe majoritairement sous forme zwitterionique, portant une charge positive sur le groupe amine (–NH₃⁺) et une charge négative sur le groupe carboxyle (–COO⁻), pour une charge globale nulle [74](#page=74). * **pKa**: Chaque groupe ionisable a un pKa, le pH auquel 50% du groupe est ionisé. Le groupe –COOH a un pKa bas (entre 1 et 4), et le groupe –NH₃⁺ a un pKa élevé (entre 9 et 10) [75](#page=75). * **pHi (point isoélectrique)**: Le pH auquel un acide aminé est majoritairement sous forme zwitterionique, avec une charge nette nulle. La formule générale est pHi = (pK₁ + pK₂) / 2 pour les acides aminés simples [75](#page=75). * **Relation pH et charge** : * À pH < pHi, l'acide aminé est cationique (charge positive). * À pH = pHi, l'acide aminé est zwitterionique (charge nulle). * À pH > pHi, l'acide aminé est anionique (charge négative) [75](#page=75). * **Électrophorèse**: Le pHi permet de séparer les acides aminés par électrophorèse en fonction de leur charge nette à un pH donné [75](#page=75). ### 7.6 Réactions chimiques des acides aminés Les acides aminés peuvent subir diverses réactions chimiques : * **Décarboxylation**: Perte d'un groupe carboxyle (CO₂) catalysée par des décarboxylases, formant des amines physiologiquement actives (ex: Histidine → Histamine) [76](#page=76). * **Amidation**: Formation d'une liaison amide, base de la formation des liaisons peptidiques entre deux acides aminés (–COOH + –NH₂ → –CONH– + H₂O) [76](#page=76). * **Estérification**: Réaction entre un groupe carboxyle et un alcool, formant un ester. Utilisée pour protéger temporairement les groupes COOH [77](#page=77). * **Déamination oxydative**: Perte du groupe amine (–NH₂) sous forme d'ammoniac (NH₃), catalysée par des déshydrogénases, conduisant à la formation d'un acide α-cétonique. Ces acides α-cétoniques peuvent ensuite être utilisés pour produire de l'énergie ou comme précurseurs biosynthétiques [77](#page=77) [78](#page=78). * **Transamination**: Transfert réversible d'un groupe amine d'un acide aminé vers un acide α-cétonique, catalysé par des transaminases avec le coenzyme PLP (vitamine B6). Permet de dégager ou de former des acides aminés sans perte d'azote [78](#page=78). --- # Méthodes d'identification et de quantification des acides aminés et peptides Ce chapitre détaille les diverses méthodes utilisées pour identifier, quantifier et séquencer les acides aminés et peptides, en abordant des techniques chromatographiques, électrophorétiques, colorimétriques et séquentielles. ### 8.1 Identification et quantification des acides aminés L'identification des acides aminés vise à déterminer quels acides aminés sont présents dans un échantillon, tandis que la quantification cherche à en estimer la quantité [90](#page=90). #### 8.1.1 Réactions chimiques spécifiques des acides aminés Certaines réactions chimiques sont fondamentales pour l'identification et la détection des acides aminés. ##### 8.1.1.1 Réaction avec la ninhydrine La ninhydrine (C₉H₆O₄) est un agent oxydant puissant utilisé pour la détection et la quantification des acides aminés [79](#page=79). * **Principe:** La ninhydrine oxyde les acides aminés, entraînant leur dégradation. Cette réaction libère de l'ammoniac (NH₃) et un aldéhyde (R–CHO), qui réagissent ensuite avec une deuxième molécule de ninhydrine pour former le pourpre de Ruhemann [79](#page=79). * **Résultats :** * La plupart des acides aminés donnent une couleur violette intense (pourpre de Ruhemann) [80](#page=80). * La proline et l'hydroxyproline, qui sont des iminoacides (amines secondaires), forment un complexe différent et donnent une couleur bleue [80](#page=80). * **Applications :** * Détection qualitative: identifier la présence d'acides aminés [80](#page=80). * Dosage quantitatif: mesurer l'intensité de la couleur pour estimer la concentration des acides aminés [80](#page=80). * Applications pratiques en biochimie, médecine et criminalistique (détection d'empreintes digitales) [80](#page=80). ##### 8.1.1.2 Réactions liées aux chaînes latérales R Les propriétés des chaînes latérales R des acides aminés déterminent des réactions spécifiques. * **Groupement carboxyle de la chaîne latérale (Acide aspartique, Acide glutamique):** Ces acides aminés peuvent être transformés en amides par réaction avec l'ammoniac, formant l'asparagine et la glutamine [80](#page=80). * **Groupement hydroxyle de la chaîne latérale (Sérine, Thréonine, Tyrosine):** Ces groupements –OH sont le site de réactions de phosphorylation, où un groupement phosphate est ajouté. Ils peuvent également être le point d'attache pour la O-glycosylation, l'ajout de sucres [81](#page=81). * **Groupement thiol (Cystéine):** Le groupement –SH de la cystéine est sujet à l'oxydation, pouvant former des ponts disulfures (S–S) entre deux cystéines. Ces ponts sont cruciaux pour la stabilisation de la structure tertiaire et quaternaire des protéines [82](#page=82). #### 8.1.2 Méthodes d'identification (techniques de séparation) Les méthodes d'identification permettent de séparer les différents acides aminés d'un mélange. ##### 8.1.2.1 Électrophorèse L'électrophorèse est une technique qui sépare les acides aminés en fonction de leur charge électrique dans un champ électrique. Les acides aminés migrent différemment selon leur charge et le pH du milieu, permettant leur séparation [90](#page=90). ##### 8.1.2.2 Chromatographie La chromatographie est une méthode de séparation basée sur la distribution différentielle des composants d'un mélange entre une phase stationnaire et une phase mobile [90](#page=90). * **Phases :** * **Phase stationnaire (fixe):** Matériau solide (papier, silice, résine) qui interagit avec les molécules à séparer [90](#page=90). * **Phase mobile (en mouvement):** Solvant (liquide ou gaz) qui transporte les molécules à travers la phase stationnaire [90](#page=90). * **Principe de migration:** La vitesse de migration d'un acide aminé dépend de son affinité pour la phase stationnaire et de sa solubilité dans la phase mobile [91](#page=91). ###### 8.1.2.2.1 Chromatographie sur Couche Mince (C.C.M.) Méthode rapide et simple pour séparer et identifier les acides aminés [92](#page=92). * **Principe:** Un mélange d'acides aminés est déposé sur une plaque de silice (phase stationnaire). Un solvant (phase mobile) monte par capillarité, entraînant les acides aminés à des vitesses différentes selon leur polarité, taille et solubilité [92](#page=92). * **Révélation:** Les acides aminés incolores sont révélés par vaporisation de ninhydrine, formant des taches colorées [92](#page=92). * **Rapport Frontal (Rf):** Le rapport Rf ($Rf = H/h$, où H est la distance parcourue par le front du solvant et h par la tache) est caractéristique de chaque acide aminé et permet son identification par comparaison avec des standards [92](#page=92). ###### 8.1.2.2.2 Chromatographie Ionique des Acides Aminés Cette technique sépare les acides aminés en fonction de leur charge électrique à un pH donné [93](#page=93). * **Principe:** Utilise des résines échangeuses d'ions (chargées positivement ou négativement). Les acides aminés chargés de signe opposé à la résine s'y fixent [93](#page=93). * **pH et point isoélectrique (pHi):** La charge globale d'un acide aminé dépend du pH du milieu et de son pHi [93](#page=93). * pH < pHi : charge positive. * pH = pHi : charge neutre (zwitterion). * pH > pHi : charge négative. * **Élution:** Les acides aminés sont libérés de la résine en ajustant le pH ou la force ionique du solvant. Chaque acide aminé sort à un temps de rétention caractéristique [93](#page=93). * **Détection:** Par des détecteurs UV ou par réaction post-colonne avec la ninhydrine [94](#page=94). #### 8.1.3 Méthodes d'identification et de quantification (quantitatives) Ces méthodes permettent de mesurer la concentration des acides aminés. ##### 8.1.3.1 Méthodes photométriques Applicables aux acides aminés aromatiques (Tryptophane, Tyrosine, Phénylalanine) qui absorbent la lumière UV (autour de 280 nm). La mesure de l'absorbance permet de quantifier leur concentration [94](#page=94). ##### 8.1.3.2 Méthodes colorimétriques Basées sur la réaction des acides aminés avec des réactifs pour former des composés colorés. L'intensité de la couleur est proportionnelle à la concentration [95](#page=95). * **Ninhydrine:** Réagit avec les groupes amines pour former le pourpre de Ruhemann, dont l'intensité est mesurée par spectrophotométrie (généralement à 570 nm). La proline donne une couleur jaune [95](#page=95). ### 8.2 Analyse des peptides Un peptide est une courte chaîne d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. L'analyse des peptides vise à déterminer leur composition et leur séquence [96](#page=96). #### 8.2.1 Détermination de la composition en acides aminés Pour connaître la composition, le peptide est hydrolysé pour libérer ses acides aminés constitutifs [100](#page=100). * **Hydrolyse acide (HCl):** Casse les liaisons peptidiques par chauffage. Conditions: HCl 6 mol/L, 110 °C, 18-24 h [100](#page=100). * **Problèmes:** Le tryptophane est dégradé. Les ponts disulfures (entre cystéines) doivent être réduits ou oxydés préalablement [100](#page=100). * **Hydrolyse alcaline (NaOH):** Casse les liaisons peptidiques dans un milieu basique, préservant le tryptophane . * **Séparation et dosage:** Les acides aminés libérés sont ensuite séparés par chromatographie d'échange d'ions et dosés par réaction à la ninhydrine . #### 8.2.2 Détermination de la séquence des peptides La détermination de la séquence (l'ordre des acides aminés) est cruciale pour comprendre la fonction des peptides. ##### 8.2.2.1 Identification du N-terminal L'extrémité N-terminale est celle portant le groupe amine libre (–NH₂) du premier acide aminé . * **Méthode de Sanger:** Utilise le 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène (DNFB, réactif de Sanger) pour marquer le groupe amine libre du N-terminal. Après hydrolyse acide, le dérivé DNF–AA du N-terminal est identifié par chromatographie . * **Méthode au chlorure de Dansyl:** Utilise le chlorure de dansyl (DANS-Cl) pour marquer le N-terminal. Le dérivé DANS–AA est fluorescent, permettant une détection plus sensible sous UV. Après hydrolyse acide, le DANS–AA est identifié par chromatographie . ##### 8.2.2.2 Séquençage pas à pas (Méthode d'Edman) La méthode d'Edman permet de déterminer la séquence des acides aminés un par un, du N-terminal vers le C-terminal, sans détruire le reste de la chaîne . * **Principe:** Le peptide est traité avec du phénylisothiocyanate (PITC) qui se fixe sur le –NH₂ libre du N-terminal. Un traitement acide doux libère ensuite le premier acide aminé sous forme de dérivé P.T.H. (phénylthiohydantoïne). Le peptide restant, raccourci d'un acide aminé, peut être réutilisé pour le cycle suivant . * **Identification du PTH–AA:** Le dérivé PTH–AA est identifié par chromatographie ou spectrométrie de masse . ##### 8.2.2.3 Méthodes enzymatiques (Aminopeptidases) Les aminopeptidases sont des exopeptidases qui coupent les liaisons peptidiques à l'extrémité N-terminale, libérant les acides aminés un par un . ##### 8.2.2.4 Détermination des AA C-terminaux L'extrémité C-terminale est celle portant le groupe carboxyle libre (–COOH) du dernier acide aminé . * **Carboxypeptidases:** Ces exopeptidases coupent les acides aminés à l'extrémité C-terminale. La carboxypeptidase A coupe la plupart des acides aminés, tandis que la carboxypeptidase B coupe spécifiquement les acides aminés basiques (Arg, Lys) . * **Hydrazinolyse:** Traitement du peptide avec de l'hydrazine (NH₂–NH₂). Toutes les liaisons peptidiques sont rompues, transformant la plupart des acides aminés en hydrazides. Le C-terminal, avec son –COOH libre, reste sous sa forme d'acide aminé et peut être identifié . ##### 8.2.2.5 Fragmentation à l'aide d'endopeptidases Pour les peptides trop longs, on utilise des endopeptidases qui coupent spécifiquement des liaisons peptidiques internes . * **Principales endopeptidases :** * **Trypsine:** Coupe après Arginine (Arg) et Lysine (Lys) . * **Chymotrypsine:** Coupe après Tyrosine (Tyr), Tryptophane (Trp) et Phénylalanine (Phe) . * **Pepsine:** Coupe après les acides aminés aromatiques et hydrophobes à pH acide . * **Thermolycine:** Coupe avant les acides aminés hydrophobes . ##### 8.2.2.6 Fragmentation chimique * **Bromure de cyanogène (BrCN):** Coupe spécifiquement la liaison peptidique après la Méthionine (Met) produisant des fragments se terminant par un dérivé de la méthionine . --- # Protéines : structure, propriétés et classification Voici une synthèse détaillée des protéines, de leur structure à leur classification, conçue pour un examen. ## 9. Protéines : structure, propriétés et classification Les protéines sont des macromolécules essentielles à la vie, dont la fonction est intimement liée à leur structure tridimensionnelle complexe et à leurs propriétés physico-chimiques et biologiques. ### 9.1 Définition et niveaux de structure Les protéines sont définies comme des macromolécules complexes formées par l'assemblage d'un grand nombre d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. L'ordre spécifique de ces acides aminés, appelé séquence primaire, est déterminé génétiquement. Pour être biologiquement actives, les protéines adoptent une conformation spatiale bien définie, qui se décline en quatre niveaux structurels: primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire . #### 9.1.1 Structure primaire La structure primaire correspond à la séquence linéaire des acides aminés qui composent la chaîne polypeptidique, incluant les ponts disulfure éventuels. Cette séquence est codée par un gène dans l'ADN et est traduite à partir de l'ARNm, commençant par l'extrémité N-terminale . #### 9.1.2 Structure secondaire La structure secondaire décrit les repliements locaux de la chaîne polypeptidique, stabilisés par des liaisons hydrogène entre les groupements amide (-NH) et carbonyle (-CO) du squelette peptidique. Les deux structures secondaires principales sont : * **Hélice α:** Le polypeptide s'enroule en une structure hélicoïdale, avec les chaînes latérales des acides aminés dirigées vers l'extérieur. Les liaisons hydrogène se forment entre l'oxygène d'un groupement carboxylique et l'hydrogène d'un groupement aminé à l'intérieur de la chaîne . * **Feuillet β:** La structure est formée par l'association d'au moins deux brins β parallèles ou antiparallèles. Les liaisons hydrogène unissent le groupement carbonyle d'un peptide au groupement amine d'un peptide adjacent . #### 9.1.3 Structure tertiaire La structure tertiaire représente la conformation tridimensionnelle complète de la protéine, résultant des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés. Elle est essentielle à la fonctionnalité de la protéine, notamment pour la formation du site actif des enzymes. Les chaînes latérales hydrophiles sont généralement orientées vers l'extérieur, tandis que les chaînes latérales hydrophobes forment un cœur hydrophobe à l'intérieur. Cette structure est stabilisée par : * **Liaisons covalentes:** Ponts disulfure entre résidus cystéine . * **Liaisons non covalentes:** Liaisons hydrogène, forces de Van der Waals, interactions hydrophobes et ioniques . #### 9.1.4 Structure quaternaire La structure quaternaire décrit l'assemblage de deux ou plusieurs chaînes polypeptidiques (appelées sous-unités) pour former une protéine active. On distingue : * **Homopolymères:** Sous-unités identiques . * **Hétéropolymères:** Sous-unités différentes. L'hémoglobine A est un exemple d'hétérotétramère composé de deux sous-unités α et deux sous-unités β . ### 9.2 Propriétés physiques Les protéines possèdent plusieurs propriétés physiques remarquables : * **Solubilité:** La plupart des protéines globulaires sont solubles dans l'eau, tandis que les scléroprotéines (fibres) sont insolubles . * **Cristallisation:** Les protéines peuvent être cristallisées en modulant le pH, la concentration saline et l'utilisation de solvants organiques . * **Propriétés optiques:** Les protéines sont optiquement actives. Elles absorbent la lumière UV à 280 nm, en raison de la présence de résidus aromatiques. La réaction du Biuret, une coloration violette avec des ions cuivriques en milieu alcalin, permet de doser les protéines (maximum d'absorption à 540 nm) . * **Masse moléculaire (MM):** Chaque protéine a une masse moléculaire caractéristique, supérieure à 6000 daltons (Da). La chromatographie par gel-filtration est une méthode courante pour déterminer la MM des protéines en les séparant selon leur taille sur un gel . ### 9.3 Propriétés chimiques Les protéines présentent des propriétés chimiques liées à leur composition et à la réactivité de leurs acides aminés : * **Composition élémentaire:** Elles contiennent majoritairement du carbone (C), de l'hydrogène (H), de l'oxygène (O), de l'azote (N) et souvent du soufre (S). La plupart des protéines sont formées à partir des 20 acides aminés standards, mais des modifications post-traductionnelles peuvent donner naissance à des acides aminés dérivés, comme l'hydroxyproline et l'hydroxylysine, abondants dans le collagène . * **Caractère amphotère:** Les protéines sont amphotères, c'est-à-dire qu'elles peuvent agir comme un acide ou une base en raison de la présence de groupes ionisables dans leur structure. Ces groupes incluent : * Les extrémités N-terminale (basique) et C-terminale (acide) de la chaîne peptidique . * Les chaînes latérales des acides aminés (acides comme Asp et Glu, basiques comme Lys, Arg, His) . * D'autres groupements polaires (-OH, -SH) . * **Point isoélectrique (pI):** Le pI est le pH auquel une protéine porte une charge nette globale nulle. À ce pH, la protéine ne migre pas dans un champ électrique (électrophorèse) et sa solubilité est souvent réduite, pouvant mener à la précipitation . ### 9.4 Propriétés biologiques Les protéines jouent des rôles biologiques cruciaux : * **Propriétés antigéniques:** Les protéines peuvent agir comme antigènes, induisant la synthèse d'anticorps . * **Activités biologiques spécifiques:** Elles sont impliquées dans la catalyse enzymatique, l'action hormonale (GH, EPO), la toxicité (exotoxines bactériennes) et possèdent des activités antibiotiques (VanX) . ### 9.5 Classification des protéines Les protéines peuvent être classées selon leur composition : #### 9.5.1 Holoprotéines Les holoprotéines sont constituées uniquement d'acides aminés. Elles se divisent en : * **Holoprotéines globulaires solubles:** Protéines de forme sphéroïde, solubles dans l'eau. Elles incluent les enzymes, hormones, anticorps, et les albumines (protéine plasmatique la plus abondante, importante pour la pression oncotique et le transport de substances) . * **Globulines:** Protéines globulaires solubles présentes dans le sérum, jouant des rôles dans le transport, l'immunité, la coagulation et l'inflammation. Elles sont classées par mobilité électrophorétique : * **α-globulines:** Transport et inhibition enzymatique . * **β-globulines:** Transport et réponse immunitaire . * **γ-globulines (immunoglobulines):** Défense immunitaire spécifique . L'électrophorèse sur gel d'agarose est une méthode clé pour séparer ces fractions . * **Scléroprotéines (protéines fibreuses) :** Insolubles dans l'eau, elles ont des rôles structuraux. #### 9.5.2 Hétéroprotéines Les hétéroprotéines sont composées d'une partie protéique et d'un groupement prosthétique non protéique : * **Phosphoprotéines:** Protéine liée à un groupement phosphorique (ex: caséine) . * **Nucléoprotéines:** Protéine liée à un acide nucléique (ADN ou ARN) (ex: télomérase) . * **Glycoprotéines:** Protéine liée de façon covalente à un sucre. La glycosylation se fait sur l'azote d'un résidu d'asparagine (N-glycosylation) ou sur l'oxygène d'un résidu de sérine ou thréonine (O-glycosylation). Elles sont impliquées dans la protection épithéliale (mucines), la défense immunitaire (immunoglobulines) et la détermination des groupes sanguins . * **Lipoprotéines:** Complexes protéines-lipides essentiels au transport des lipides dans le plasma sanguin. Elles sont classées selon leur densité en cinq classes: chylomicrons, VLDL, IDL, LDL, et HDL . * **Chromoprotéines:** Protéines liées à un pigment coloré . --- > **Tip :** Maîtriser les quatre niveaux de structure des protéines est fondamental. Visualisez comment chaque niveau contribue à la forme globale et donc à la fonction. Les liaisons stabilisant chaque structure sont particulièrement importantes pour l'examen. > **Tip :** La notion de point isoélectrique (pI) est cruciale pour comprendre le comportement des protéines en électrophorèse et leur solubilité. Retenez que lorsque le pH du milieu est égal au pI de la protéine, celle-ci est électriquement neutre et souvent moins soluble. > **Example :** La classification des globulines par électrophorèse est un point clé. N'oubliez pas de mémoriser les principales fractions (alpha, bêta, gamma) et leurs fonctions associées, notamment le rôle majeur des gamma-globulines en tant qu'anticorps. --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Aldose | Un monosaccharide comportant un groupe aldéhyde libre. | | Synthèse de Kiliani-Fischer | Méthode chimique permettant d'allonger la chaîne carbonée d'un aldose en ajoutant un carbone, produisant un mélange de deux épimères. | | Épimères | Des stéréoisomères qui diffèrent par la configuration d'un seul centre chiral. | | Cétose | Un monosaccharide comportant un groupe cétone libre. | | Isomère | Molécule ayant la même formule brute qu'une autre, mais une structure différente. | | Projection de Fischer | Représentation bidimensionnelle des molécules organiques, particulièrement utilisée pour les sucres, où les liaisons sont dessinées comme des croix. | | Projection de Haworth | Représentation schématique des cycles des monosaccharides dans l'espace, montrant la structure cyclique de manière simplifiée. | | Carbone anomérique | Le carbone issu du groupe carbonyle de la forme linéaire d'un sucre, qui devient un centre chiral après cyclisation. | | Hémiacétal | Groupe fonctionnel formé par la réaction d'un aldéhyde ou d'une cétone avec un alcool. | | Pyranose | Sucre cyclique à six atomes dans le cycle (cinq carbones et un oxygène), ressemblant à la pyran. | | Furanose | Sucre cyclique à cinq atomes dans le cycle (quatre carbones et un oxygène), ressemblant au furane. | | Pouvoir rotatoire spécifique | Capacité d'une substance chirale à faire tourner le plan de la lumière polarisée. | | Caramélisation | Réaction de brunissement des sucres sous l'effet de la chaleur, impliquant des réactions complexes de dégradation. | | Acide gluconique | Acide obtenu par oxydation douce du groupe aldéhyde du glucose en groupe carboxyle. | | Acide glucarique | Acide obtenu par oxydation forte des deux extrémités (groupe aldéhyde et groupe alcool primaire) d'un aldose. | | Liqueur de Fehling | Réactif utilisé pour tester la présence de sucres réducteurs, formant un précipité rouge d'oxyde cuivreux en cas de réaction positive. | | Solution de Tollens | Réactif utilisé pour détecter les aldéhydes et les sucres réducteurs, formant un dépôt d'argent métallique (miroir d'argent). | | Réduction chimique | Transformation d'une fonction chimique en une autre par l'ajout d'électrons ou d'hydrogène. Dans le cas des oses, cela transforme les aldéhydes ou cétones en alcools. | | Polyol | Composé contenant plusieurs groupes hydroxyles, comme les alcools dérivés de sucres après réduction. | | Condensation | Réaction chimique où deux molécules se lient en éliminant une petite molécule, comme l'eau. | | Liaison glycosidique | Liaison covalente formée entre le carbone anomérique d'un sucre et un groupe hydroxyle d'un autre sucre ou d'une autre molécule. | | Holoside | Glucide complexe formé uniquement d'oses liés par des liaisons glycosidiques. Peut être un oligoside (peu d'oses) ou un polyoside (nombreux oses). | | Hétéroside | Glucide complexe formé d'une partie glucidique (ose ou oside) et d'une partie non glucidique (aglycone). | | Aglycone | Partie non glucidique d'un hétéroside. | | Maltose | Diholoside composé de deux molécules de glucose liées par une liaison α(1→4)-glycosidique. | | Saccharose | Diholoside composé d'une molécule de glucose et d'une molécule de fructose, liées par une liaison α(1→β)-glycosidique. | | Lactose | Diholoside composé d'une molécule de galactose et d'une molécule de glucose, liées par une liaison β(1→4)-glycosidique. | | Polysaccharide | Glucide complexe formé de nombreuses unités d'oses (plus de 10), comme l'amidon, le glycogène ou la cellulose. | | Amidon | Polysaccharide de réserve énergétique chez les végétaux, composé de glucose. | | Glycogène | Polysaccharide de réserve énergétique chez les animaux, composé de glucose, fortement ramifié. | | Cellulose | Polysaccharide structural présent dans la paroi des cellules végétales, composé de glucose lié par des liaisons β(1→4). | | Lipides | Classe de molécules organiques caractérisées par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques. | | Acide gras | Acide monocarboxylique à longue chaîne carbonée, constituant de base de nombreux lipides. | | Glycérol | Alcool à trois carbones comportant trois groupes hydroxyles, souvent estérifié par des acides gras pour former des glycérides. | | Hydrophobe | Qui repousse l'eau ; se dit des molécules ou des parties de molécules qui ne sont pas solubles dans l'eau. | | Amphiphile | Molécule possédant à la fois une partie hydrophile (soluble dans l'eau) et une partie hydrophobe (insoluble dans l'eau). | | Stéroïde | Classe de lipides caractérisée par un noyau stérol composé de quatre cycles accolés. | | Vitamines liposolubles | Vitamines qui se dissolvent dans les graisses (vitamines A, D, E, K). | | Tissu adipeux | Tissu corporel constitué de cellules appelées adipocytes, spécialisées dans le stockage des graisses. | | Triacylglycérols | Esters formés par la réaction du glycérol avec trois acides gras ; principale forme de stockage des lipides dans le corps. | | Triglycérides | Synonyme de triacylglycérols. | | Prostaglandines | Molécules lipidiques dérivées d'acides gras polyinsaturés, jouant un rôle dans la régulation de nombreux processus physiologiques. | | Lipides simples | Lipides formés uniquement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, résultant de l'estérification d'un acide gras avec un alcool (glycérol, alcool gras ou stérol). | | Lipides complexes | Lipides contenant, outre C, H et O, des atomes comme le phosphore (P) ou l'azote (N), souvent impliqués dans la structure des membranes cellulaires. | | Glycérophospholipides | Lipides complexes contenant du glycérol, deux acides gras, un groupe phosphate et un alcool. Composants majeurs des membranes cellulaires. | | Sphingolipides | Lipides complexes basés sur une molécule de sphingosine au lieu du glycérol, importants dans le système nerveux. | | Glycolipides | Lipides contenant un sucre lié à une partie lipidique, présents à la surface des membranes cellulaires et impliqués dans la reconnaissance cellulaire. | | Acide gras saturé | Acide gras ne contenant aucune double liaison carbone-carbone dans sa chaîne hydrocarbonée. | | Acide gras insaturé | Acide gras contenant au moins une double liaison carbone-carbone dans sa chaîne hydrocarbonée. | | Acide palmitique | Acide gras saturé à 16 atomes de carbone (C16:0). | | Acide stéarique | Acide gras saturé à 18 atomes de carbone (C18:0). | | Acide oléique | Acide gras mono-insaturé à 18 atomes de carbone, avec une double liaison en position 9 (C18:1Δ9). | | Acide linoléique | Acide gras poly-insaturé à 18 atomes de carbone, avec deux doubles liaisons en positions 9 et 12 (C18:2Δ9,12). | | Acide α-linolénique | Acide gras poly-insaturé à 18 atomes de carbone, avec trois doubles liaisons en positions 9, 12 et 15 (C18:3Δ9,12,15). | | Configuration cis | Dans une double liaison, les substituants sont du même côté. Conduit à une courbure de la chaîne carbonée. | | Configuration trans | Dans une double liaison, les substituants sont de part et d'autre. Conduit à une chaîne plus linéaire. | | Point de fusion | Température à laquelle une substance passe de l'état solide à l'état liquide. | | Saponification | Réaction d'hydrolyse alcaline des esters, notamment des triglycérides, pour former des savons (sels d'acides gras) et du glycérol. | | Stérides | Lipides simples formés par l'estérification d'un stérol (comme le cholestérol) avec un acide gras. | | Noyau stérane | Structure chimique commune aux stéroïdes, composée de quatre cycles accolés. | | Cholestérol | Stérol important présent dans les membranes cellulaires animales, précurseur de nombreuses hormones stéroïdes et de la vitamine D. | | Acides biliaires | Dérivés du cholestérol, synthétisés par le foie, qui émulsifient les graisses dans l'intestin. | | Vitamine D3 | Cholécalciférol, une vitamine liposoluble synthétisée dans la peau sous l'action des UV, essentielle pour la minéralisation osseuse. | | Hormone stéroïdienne | Hormone dérivée du cholestérol, caractérisée par le noyau stérane (ex : cortisol, testostérone, œstrogènes). | | Cortisol | Glucocorticoïde produit par la corticosurrénale, régulant le métabolisme du glucose et ayant des effets anti-inflammatoires et immunomodulateurs. | | Aldostérone | Minéralocorticoïde produit par la corticosurrénale, régulant l'équilibre hydrique et sodique, et la tension artérielle. | | Testostérone | Hormone androgène produite par les testicules, responsable du développement des caractères sexuels mâles. | | Estradiol | Œstrogène dominant produit par les ovaires, responsable du développement des caractères sexuels féminins. | | Progestérone | Progestatif produit par le corps jaune de l'ovaire, préparant l'utérus à la grossesse et la maintenant. | | Cérides | Lipides simples formés par l'estérification d'un acide gras avec un alcool à longue chaîne. Constituent les cires naturelles. | | Cire | Lipide simple insoluble dans l'eau, formant une couche protectrice et imperméabilisante sur la peau, les feuilles ou les plumes. | | Glycérophospholipides | Lipides complexes majoritaires des membranes cellulaires, amphiphiles, avec une tête polaire hydrophile et deux queues hydrophobes. | | Sphingomyéline | Sphingolipide contenant un groupe phosphate et un alcool (choline), important dans la gaine de myéline des neurones. | | Cérébrosides | Sphingoglycolipides contenant un seul sucre, présents dans le tissu nerveux. | | Gangliosides | Sphingoglycolipides contenant plusieurs sucres, dont un acide sialique, abondants dans les neurones du cerveau et impliqués dans la reconnaissance cellulaire. | | Protéines | Macromolécules biologiques constituées de chaînes d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques, essentielles à toutes les fonctions cellulaires. | | Acide aminé (AA) | Molécule organique possédant une fonction amine et une fonction acide carboxylique, constituant de base des protéines. | | Liaison peptidique | Liaison covalente formée entre le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amine d'un autre, avec élimination d'une molécule d'eau. | | Peptide | Petite chaîne d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques (< 50 AA). | | Polypeptide | Longue chaîne d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques (> 50 AA). | | Acides aminés essentiels | Acides aminés que l'organisme ne peut pas synthétiser et qui doivent être apportés par l'alimentation. | | Acides aminés non essentiels | Acides aminés que l'organisme peut synthétiser lui-même. | | Acides aminés aliphatiques | Acides aminés dont la chaîne latérale R est une chaîne hydrocarbonée linéaire ou ramifiée, généralement hydrophobe. | | Glycine | L'acide aminé le plus simple, avec R=H. Son carbone alpha n'est pas chiral. | | Alanine | Acide aminé aliphatique avec R=CH₃. | | Valine, Leucine, Isoleucine | Acides aminés aliphatiques ramifiés, très hydrophobes, souvent situés à l'intérieur des protéines. | | Acides aminés hydroxylés | Acides aminés dont la chaîne latérale R contient un groupe hydroxyle (-OH), les rendant polaires et hydrophiles. | | Sérine | Acide aminé hydroxylé avec R=-CH₂OH. Peut être phosphorylée. | | Thréonine | Acide aminé hydroxylé avec R=-CH(OH)CH₃. Peut être phosphorylée. | | Tyrosine | Acide aminé aromatique hydroxylé, précurseur d'hormones et de neurotransmetteurs. Peut être phosphorylée. | | Acides aminés soufrés | Acides aminés contenant du soufre dans leur chaîne latérale. | | Cystéine | Acide aminé soufré avec R=-CH₂SH. Peut former des ponts disulfures (cystine). | | Méthionine | Acide aminé soufré avec R=-CH₂CH₂SCH₃. Initie la synthèse protéique et est précurseur de SAM. | | Pont disulfure (S-S) | Liaison covalente forte entre deux atomes de soufre de cystéines, stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines. | | S-adénosylméthionine (SAM) | Dérivé activé de la méthionine, donneur de groupes méthyle (-CH₃) dans de nombreuses réactions de méthylation. | | Acides aminés acides | Acides aminés dont la chaîne latérale R possède un groupe carboxyle (-COOH) ionisable, leur conférant une charge négative à pH physiologique (ex: Asp, Glu). | | Acides aminés basiques | Acides aminés dont la chaîne latérale R possède une fonction amine (-NH₂) ou guanidinium ionisable, leur conférant une charge positive à pH physiologique (ex: Lys, Arg, His). | | Lysine | Acide aminé dibasique avec un groupe ε-amino sur sa chaîne latérale. | | Arginine | Acide aminé dibasique avec un groupe guanidinium sur sa chaîne latérale, très basique. | | Histidine | Acide aminé dont la chaîne latérale R contient un cycle imidazole, qui peut gagner ou perdre un proton et agit comme tampon. | | Acides aminés aromatiques | Acides aminés dont la chaîne latérale R contient un cycle benzénique (Phe, Tyr) ou un double cycle aromatique (Trp). Absorbent les UV. | | Phénylalanine | Acide aminé aromatique essentiel, précurseur de la tyrosine. | | Tryptophane | Acide aminé aromatique essentiel avec un cycle indole, précurseur de la sérotonine et de la tryptamine. | | Proline | Acide aminé cyclique (iminoacide) qui rigidifie la chaîne polypeptidique et est important dans la structure du collagène. | | Polarité | Répartition asymétrique des charges électriques dans une molécule, conduisant à des zones partiellement positives et négatives. | | Zwitterion | Molécule neutre globalement, mais portant simultanément une charge positive et une charge négative. | | Point isoélectrique (pHi) | pH auquel un acide aminé ou une protéine est électriquement neutre (forme zwitterionique majoritaire). | | Décarboxylation | Réaction chimique qui retire un groupe carboxyle (-COOH) sous forme de dioxyde de carbone (CO₂). | | Amidation | Réaction qui transforme un groupe carboxyle (-COOH) en groupe amide (-C NH₂). | | Estérification | Réaction entre un acide carboxylique et un alcool pour former un ester et de l'eau. | | Déamination oxydative | Réaction de perte du groupe amine (-NH₂) d'un acide aminé, produisant un acide α-cétonique et de l'ammoniac (NH₃). | | Transamination | Réaction où un groupe amine est transféré d'un acide aminé à un acide α-cétonique, catalysée par des transaminases. | | Base de Schiff | Composé formé par la réaction d'un aldéhyde avec une amine primaire, caractérisé par une double liaison C=N. | | Ninhydrine | Réactif chimique utilisé pour détecter et quantifier les acides aminés, formant un complexe violet intense (pourpre de Ruhemann). | | Peptide | Molécule composée de plusieurs acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. | | Peptide N-terminal | Le premier acide aminé d'une chaîne peptidique, portant un groupe amine libre (-NH₂). | | Peptide C-terminal | Le dernier acide aminé d'une chaîne peptidique, portant un groupe carboxyle libre (-COOH). | | Dipeptide | Peptide composé de deux acides aminés. | | Oligopeptide | Peptide court composé de 2 à environ 10 acides aminés. | | Polypeptide | Chaîne de nombreux acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. | | Séquençage peptidique | Détermination de l'ordre précis des acides aminés dans un peptide ou une protéine. | | Hydrolyse acide | Rupture des liaisons peptidiques par réaction avec de l'acide fort et de la chaleur. | | Hydrolyse alcaline | Rupture des liaisons peptidiques par réaction avec une base forte et de la chaleur, moins destructrice pour certains acides aminés comme le tryptophane. | | Chromatographie | Technique de séparation de mélanges basée sur la différence d'affinité des composants pour une phase stationnaire et une phase mobile. | | Électrophorèse | Technique de séparation basée sur la migration des molécules chargées dans un champ électrique. | | Aminopeptidase | Exopeptidase qui clive les liaisons peptidiques à partir de l'extrémité N-terminale d'un peptide. | | Carboxypeptidase | Exopeptidase qui clive les liaisons peptidiques à partir de l'extrémité C-terminale d'un peptide. | | Endopeptidase | Enzyme qui coupe les liaisons peptidiques à l'intérieur d'une chaîne polypeptidique, reconnaissant des séquences spécifiques d'acides aminés. | | Trypsine | Endopeptidase qui coupe après les acides aminés basiques (Arg, Lys). | | Chymotrypsine | Endopeptidase qui coupe après les acides aminés aromatiques (Phe, Tyr, Trp). | | Pepsine | Endopeptidase gastrique qui coupe après les acides aminés aromatiques et hydrophobes. | | Bromure de cyanogène (BrCN) | Réactif chimique utilisé pour fragmenter les peptides spécifiquement après la méthionine. | | Oxydation | Réaction chimique qui implique la perte d'électrons, souvent l'ajout d'oxygène ou la perte d'hydrogène. | | Réduction | Réaction chimique qui implique le gain d'électrons, souvent l'ajout d'hydrogène ou la perte d'oxygène. | | Hormones peptidiques | Hormones constituées de chaînes d'acides aminés (ex: insuline, ocytocine). | | Neurotransmetteur | Substance chimique libérée par un neurone pour transmettre un signal à un autre neurone, muscle ou glande. | | Antibiotiques peptidiques | Peptides naturels produits par des micro-organismes, ayant une activité antibactérienne. | | Structure primaire | Séquence linéaire des acides aminés dans une protéine. | | Structure secondaire | Repliement local de la chaîne polypeptidique en hélices α ou feuillets β, stabilisé par des liaisons hydrogène. | | Structure tertiaire | Conformation tridimensionnelle complète d'une seule chaîne polypeptidique, stabilisée par diverses liaisons. | | Structure quaternaire | Association de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine fonctionnelle. | | Holoprotéine | Protéine composée exclusivement d'acides aminés. | | Hétéroprotéine | Protéine composée d'une partie protéique (apoprotéine) et d'une partie non protéique (groupement prosthétique). | | Protéine globulaire | Protéine de forme sphérique ou ovoïde, généralement soluble dans l'eau, avec des chaînes latérales hydrophobes à l'intérieur et hydrophiles à l'extérieur. | | Scléroprotéine | Protéine fibreuse, généralement insoluble dans l'eau, avec un rôle structural (ex: collagène). | | Albumine | Protéine globulaire la plus abondante dans le plasma sanguin, impliquée dans le maintien de la pression oncotique et le transport de substances. | | Globulines | Protéines globulaires du plasma sanguin, impliquées dans le transport, la défense immunitaire, la coagulation et l'inflammation. | | γ-globulines | Fraction des globulines correspondant aux anticorps (immunoglobulines). | | Électrophorèse sur gel d'agarose | Technique de diagnostic biochimique utilisée pour séparer les protéines sériques en fonction de leur charge et de leur taille. | | Glycoprotéine | Hétéroprotéine contenant une partie glucidique liée de manière covalente. | | Lipoprotéine | Complexe protéine-lipide impliqué dans le transport des lipides dans le plasma sanguin. | | Chylomicron | Lipoprotéine de très basse densité qui transporte les lipides alimentaires absorbés depuis l'intestin vers les tissus. | | VLDL | Lipoprotéine de très basse densité, transportant les triglycérides synthétisés par le foie vers les tissus. | | LDL | Lipoprotéine de basse densité, transportant le cholestérol vers les cellules. | | HDL | Lipoprotéine de haute densité, captant le cholestérol des tissus et le ramenant vers le foie. |

# Structure et propriétés des oses Ce sujet aborde la filiation des aldoses, le calcul du nombre d'isomères, la formation des cycles des oses (pyranose et furanose) ainsi que leur représentation simplifiée par les projections de Haworth et leurs conformations spatiales [ ](#page=1) [ ](#page=2) [ ](#page=3) [1](#page=1) [2](#page=2) [3](#page=3). ### 1.1 Filiation des aldoses La filiation des aldoses établit une relation entre les oses en permettant d'allonger ou de raccourcir leur chaîne carbonée, définissant ainsi une sorte de "généalogie" des sucres [ ](#page=1) [1](#page=1). #### 1.1.1 Synthèse de Kiliani-Fischer Cette synthèse permet d'allonger la chaîne carbonée d'un aldose d'un carbone [ ](#page=1). Le processus se déroule en trois étapes principales [1](#page=1): 1. Addition d'acide cyanhydrique (HCN) sur le groupe aldéhyde (CHO) pour former un cyanhydrine. Le carbone anciennement aldéhydique devient asymétrique [ ](#page=1) [1](#page=1). 2. Hydrolyse du groupe cyano (-CN) en groupe acide carboxylique (-COOH) suivie d'une déshydratation, transformant le groupe -COOH en groupe aldéhyde (-CHO) [ ](#page=1) [1](#page=1). 3. Cette addition de HCN conduit à la formation de deux diastéréoisomères (épimères) car le nouveau centre asymétrique peut se former de deux manières différentes [ ](#page=1) [1](#page=1). Le même mécanisme s'applique aux cétoses [ ](#page=1) [1](#page=1). ### 1.2 Nombre d'isomères Le nombre d'isomères d'un ose dépend de sa structure (aldose ou cétose) et du nombre de ses carbones asymétriques. * **Aldoses**: Le nombre d'isomères est donné par la formule $2^{n-2}$, où $n$ est le nombre total d'atomes de carbone. Pour le glucose ($n=6$), il y a $2^{6-2} = 16$ isomères (8 séries D et 8 séries L) [ ](#page=2) [2](#page=2). * **Cétoses**: Le nombre d'isomères est donné par la formule $2^{n-3}$, où $n$ est le nombre total d'atomes de carbone. Pour le fructose ($n=6$), il y a $2^{6-3} = 8$ isomères (4 séries D et 4 séries L) [ ](#page=2) [2](#page=2). ### 1.3 Structure cyclique des oses En solution aqueuse ou dans les milieux biologiques, les oses de quatre carbones ou plus existent majoritairement sous forme cyclique, formée par la réaction intramoléculaire d'un groupe hydroxyle (-OH) avec la fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) pour former un hémiacétal [ ](#page=2) [2](#page=2). #### 1.3.1 Mécanisme de cyclisation (Tollens) 1. Le groupe -OH d'un carbone (souvent C5 pour un aldose, ou C4 pour une cétose) attaque le carbone du groupe carbonyle [ ](#page=2) [2](#page=2). 2. La double liaison C=O est rompue, et l'oxygène forme une liaison avec le carbone du carbonyle, refermant ainsi le cycle [ ](#page=2) [2](#page=2). 3. Le carbone du carbonyle devient un carbone tétraédrique et un nouveau centre stéréogène, appelé carbone anomérique [ ](#page=2) [2](#page=2). #### 1.3.2 Types de cycles La taille du cycle dépend du groupe -OH qui participe à la réaction : * **Pyranose**: Formé lorsque le -OH du C5 attaque le carbone anomérique, créant un cycle à 6 atomes (5 carbones + 1 oxygène). L'exemple est le D-glucopyranose [ ](#page=2) [2](#page=2). * **Furanose**: Formé lorsque le -OH du C4 attaque le carbone anomérique, créant un cycle à 5 atomes (4 carbones + 1 oxygène). L'exemple est le D-fructofuranose [ ](#page=2) [2](#page=2). ### 1.4 Projection de Haworth La projection de Haworth est une représentation simplifiée en 3D des cycles des sucres [ ](#page=3) [3](#page=3). #### 1.4.1 Représentation * Le cycle est représenté comme un anneau hexagonal (pour les pyranoses) ou pentagonal (pour les furanoses) légèrement incliné, avec l'oxygène du cycle généralement placé en haut à droite ou en haut à gauche [ ](#page=3) [3](#page=3). * Les atomes de carbone sont numérotés dans le sens des aiguilles d'une montre en partant du carbone anomérique [ ](#page=3) [3](#page=3). #### 1.4.2 Conversion Fischer-Haworth Les règles de conversion entre la projection de Fischer (linéaire) et la projection de Haworth (cyclique) sont les suivantes : * Les groupes -OH situés à droite dans la projection de Fischer se retrouvent en bas du cycle dans la projection de Haworth [ ](#page=3) [3](#page=3). * Les groupes -OH situés à gauche dans la projection de Fischer se retrouvent en haut du cycle dans la projection de Haworth [ ](#page=3) [3](#page=3). #### 1.4.3 Carbone anomérique Le carbone anomérique (C1 pour les aldoses) peut exister sous deux formes : * **Forme $\alpha$ (alpha)**: Le groupe -OH du carbone anomérique est orienté vers le bas [ ](#page=3) [3](#page=3). * **Forme $\beta$ (bêta)**: Le groupe -OH du carbone anomérique est orienté vers le haut [ ](#page=3) [3](#page=3). ### 1.5 Conformation spatiale des oses En solution, les cycles des oses adoptent des conformations spatiales spécifiques. * Les deux conformations principales sont la **forme chaise** et la **forme bateau** [ ](#page=3) [3](#page=3). * Ces conformations sont en équilibre dynamique [ ](#page=3) [3](#page=3). * La **forme chaise** est la plus stable et est la conformation adoptée par la majorité des oses naturels [ ](#page=3) [3](#page=3). --- # Réactions chimiques des oses Cette section explore les réactions chimiques fondamentales des oses, axées sur leurs groupements fonctionnels et conduisant à diverses transformations chimiques importantes [4](#page=4). ### 2.1 Propriétés physico-chimiques des oses Les oses présentent des propriétés physiques et chimiques distinctes. Physiquement, ils sont hautement solubles dans l'eau en raison de leurs nombreux groupements hydroxyles, possèdent un pouvoir rotatoire spécifique en solution, et leur structure est thermodégradable, conduisant à la caramélisation lors du chauffage. Chimiquement, leurs propriétés découlent principalement de leur fonction carbonyle (ou hémiacétalique) et de leurs fonctions alcools [4](#page=4). #### 2.1.1 Propriétés dues à la fonction carbonyle La fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) est responsable de plusieurs réactions clés, notamment l'oxydation, la réduction et la condensation [4](#page=4). ##### 2.1.1.1 Oxydation des oses L'oxydation des oses peut être douce, forte, ou catalysée par des enzymes, et elle a des conséquences chimiques importantes [4](#page=4). ###### 2.1.1.1.1 Oxydation enzymatique L'oxydation enzymatique, telle que celle du glucose par la glucose oxydase (GOD), est cruciale en biochimie, notamment pour les tests de glycémie. L'enzyme GOD utilise l'oxygène ($\text{O}_2$) pour oxyder spécifiquement le D-glucose en acide gluconique, produisant du peroxyde d'hydrogène ($\text{H}_2\text{O}_2$) comme sous-produit [4](#page=4). $$ \text{Glucose} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{glucose oxydase}} \text{Acide gluconique} + \text{H}_2\text{O}_2 $$ Dans cette réaction, le groupe aldéhyde en $\text{C}1$ du glucose est oxydé en groupe carboxylique ($\text{–COOH}$), formant l'acide gluconique ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_7$) [4](#page=4). ###### 2.1.1.1.2 Oxydation chimique douce L'oxydation chimique douce d'un aldose vise à transformer le groupement aldéhyde ($\text{–CHO}$) en acide carboxylique ($\text{–COOH}$) sans affecter les autres parties de la molécule. Le carbone $\text{C}1$ est le seul carbone oxydé [4](#page=4). **Réaction générale :** Le groupement aldéhyde ($\text{–CHO}$) en $\text{C}1$ devient un acide carboxylique ($\text{–COOH}$), tandis que les autres groupements hydroxyles restent intacts [4](#page=4). > **Exemple:** L'oxydation du D-glucose conduit à l'acide D-gluconique [4](#page=4). Plusieurs réactifs peuvent réaliser cette oxydation, notamment le dibrome en milieu aqueux ($\text{Br}_2/\text{H}_2\text{O}$) [5](#page=5). ###### 2.1.1.1.3 Oxydation chimique forte L'oxydation forte utilise des oxydants puissants, comme l'acide nitrique ($\text{HNO}_3$), pour oxyder simultanément le groupement aldéhyde en $\text{C}1$ et le groupement alcool primaire en $\text{C}6$ (pour les aldoses). Le produit résultant est un acide dicarboxylique, appelé acide aldarique [5](#page=5). **Principe général :** Le $\text{C}1$ (aldéhyde $\text{–CHO}$) et le $\text{C}6$ (alcool primaire $\text{–CH}_2\text{OH}$) sont tous deux oxydés en groupes carboxyliques ($\text{–COOH}$) [5](#page=5). **Réaction générale :** $$ \text{HOCH}_2\text{–(CHOH)}_4\text{–CHO} \xrightarrow{\text{HNO}_3, \text{chaleur}} \text{HOOC–(CHOH)}_4\text{–COOH} + \text{H}_2\text{O} $$ Chez les aldoses, cela produit un acide aldarique (par exemple, l'acide D-glucarique ou acide saccharique à partir du D-glucose) [5](#page=5). **Cas des cétoses :** Les cétoses, possédant une fonction cétone (souvent en $\text{C}2$), subissent un clivage de la chaîne carbonée autour de la fonction cétone sous l'action de l'acide nitrique. Les fragments résultants sont ensuite oxydés [6](#page=6). > **Exemple:** Le D-fructose, un cétose, peut être clivé entre $\text{C}2$ et $\text{C}3$, produisant de l'acide glycolique ($\text{HOCH}_2\text{–COOH}$) et de l'acide tartrique ($\text{HOOC–CHOH–CHOH–COOH}$) [6](#page=6). ###### 2.1.1.1.4 Oxydation par les sels de métaux lourds (agents réducteurs) Certains sels métalliques, comme la liqueur de Fehling ou la solution de Tollens, agissent comme des oxydants doux en milieu alcalin ou neutre. Les oses capables de réduire ces ions métalliques (comme $\text{Cu}^{2+}$ en $\text{Cu}^{+}$ ou $\text{Ag}^{+}$ en $\text{Ag}$) sont qualifiés de sucres réducteurs [6](#page=6). **Principe général :** $$ \text{Ose (réducteur)} + \text{Sel métallique (oxydant)} \rightarrow \text{Acide d'ose} + \text{Métal réduit} $$ Les aldoses sont des sucres réducteurs car ils possèdent un groupement aldéhyde libre ou peuvent en générer un par tautomérisation, même à partir de leur forme cyclique [6](#page=6). > **Cas particulier:** Certains cétoses, comme le fructose, peuvent se tautomériser en aldoses en milieu basique, devenant ainsi réducteurs indirectement [6](#page=6). ##### 2.1.1.2 Réduction des oses La réduction des oses, généralement effectuée avec des agents réducteurs comme le borohydrure de sodium ($\text{NaBH}_4$), transforme la fonction carbonyle en alcool [7](#page=7). **Réduction des aldoses :** Le groupement aldéhyde ($\text{–CHO}$) en $\text{C}1$ est réduit en alcool primaire ($\text{–CH}_2\text{OH}$). Le produit final est un polyol (un alcool avec plusieurs groupements $\text{–OH}$) [7](#page=7). **Structure générale d'un aldose :** $$ \text{R–CHO} \rightarrow [\text{Réduction}] \rightarrow \text{R–CH}_2\text{OH} $$ **Réduction des cétoses :** Le groupement cétone ($\text{–CO–}$) est réduit en alcool secondaire ($\text{–CHOH–}$). Le produit final est également un polyol [7](#page=7). **Structure générale d'un cétose :** $$ \text{R}_1\text{–CO–R}_2 \rightarrow [\text{Réduction}] \rightarrow \text{R}_1\text{–CHOH–R}_2 $$ #### 2.1.2 Déshydratation des oses La déshydratation des oses se produit en milieu acide et à chaud, entraînant une perte d'eau. Cette réaction conduit à la cyclisation des oses et à la formation de composés aromatiques comme le furfural ou l'hydroxyméthylfurfural (HMF) [10](#page=10). **Principe général :** Un ose perd des molécules d'eau sous l'action d'un acide fort et de la chaleur, formant un produit cyclisé et aromatique [10](#page=10). $$ \text{Ose} \xrightarrow{\text{Acide fort + chaleur}} \text{Furfural / HMF} + \text{H}_2\text{O} $$ **Types de produits formés :** * **Pentoses (C5):** Donnent du furfural après perte de 3 molécules d'eau [10](#page=10). > **Exemple:** Le ribose (C5) donne du furfural [10](#page=10). * **Hexoses (C6):** Donnent de l'hydroxyméthylfurfural (HMF) après perte de 3 molécules d'eau [10](#page=10). > **Exemple:** Le glucose (C6) donne du HMF [10](#page=10). --- # Les osides : holosides et hétérosides Cette section aborde la définition et la classification des osides, qui sont des molécules glucidiques complexes résultant de la condensation d'oses, incluant les holosides (oligosides et polyosides) et les hétérosides, en détaillant leurs structures, liaisons et rôles. ### 3.1 Définition et principes généraux des osides Un oside est une molécule glucidique complexe dont l'hydrolyse libère des oses ou des oses et une autre molécule non glucidique. Ils sont formés par des réactions de condensation entre les fonctions hydroxyle (–OH) d'un ose, permettant la création de liaisons glycosidiques [11](#page=11) [8](#page=8). #### 3.1.1 Formation des liaisons glycosidiques et osidiques La condensation entre la fonction hydroxyle d'un ose et un groupe –OH ou –NH₂ d'un autre composé forme une liaison covalente, libérant une molécule d'eau (H₂O). Cette réaction est une déshydratation [8](#page=8) [9](#page=9). * **Liaison osidique (ou glycosidique)**: liaison covalente formée entre le carbone anomérique (C1 de l'ose réducteur) et un groupement hydroxyle (–OH) d'un autre ose [11](#page=11). > **Tip:** La formation de liaisons glycosidiques est une réaction de condensation typique, impliquant la perte d'une molécule d'eau. #### 3.1.2 Types de condensation La nature du partenaire de condensation détermine la classification de l'oside formé : * **Condensation avec un autre ose**: forme un holoside (disaccharide ou polysaccharide) [8](#page=8). * Exemple: Glucose + Glucose → Maltose (liaison α-1,4-glycosidique) + H₂O [8](#page=8). * Produit: Holoside (uniquement des sucres) [8](#page=8). * Lien: O-glycosidique (impliquant le carbone anomérique) [8](#page=8). * **Condensation avec une molécule non sucrée (alcool, phénol)**: forme un O-hétéroside [8](#page=8). * Exemple: Glucose + R–OH → O-hétéroside + H₂O [8](#page=8). * **Condensation avec une amine**: forme un N-hétéroside [8](#page=8). * Exemple: Sucre + Base azotée → N-glycoside [8](#page=8). * Ces N-hétérosides sont cruciaux en biochimie, présents dans l'ADN et l'ARN [8](#page=8). ### 3.2 Classification des osides Les osides sont classifiés en deux grandes familles: les holosides et les hétérosides [11](#page=11). | Type d'oside | Produits d'hydrolyse | Exemple | Composition | | :------------- | :----------------------------------- | :------------------------------------------ | :---------------------------------------- | | Holoside | Uniquement des oses | Maltose, Saccharose, Lactose | Ose + Ose | | Hétéroside | Ose(s) + aglycone (partie non sucrée) | ADN, glycoprotéines, glycolipides | Ose + molécule non osidique | #### 3.2.1 Les holosides Les holosides sont exclusivement constitués d'oses unis par des liaisons osidiques. Ils se subdivisent en oligosides et polyosides [11](#page=11). ##### 3.2.1.1 La liaison osidique Cette liaison covalente se forme entre : 1. Le carbone anomérique (généralement C1) d'un ose. 2. Un groupement hydroxyle (–OH) d'un autre ose. Les caractéristiques déterminant la liaison osidique sont : 1. **Nature des oses liés**: L'identité des sucres (ex: glucose, galactose) [11](#page=11). 2. **Forme cyclique de chaque ose**: Pyrane (cycle à 6) ou furane (cycle à 5) [11](#page=11). 3. **Configuration anomérique** : * $ \alpha $ ( $ \alpha $ ): si le groupe –OH anomérique est orienté vers le bas dans la représentation cyclique [11](#page=11). * $ \beta $ ( $ \beta $ ): si le groupe –OH anomérique est orienté vers le haut [11](#page=11). ##### 3.2.1.2 Classification des holosides par taille * **Oligosides**: Composés de 2 à 10 unités d'oses [11](#page=11). * Exemples: Maltose (glucose + glucose), Saccharose (glucose + fructose), Lactose (glucose + galactose) [11](#page=11). * Rôle: Souvent impliqués dans le stockage énergétique et la reconnaissance cellulaire [11](#page=11). * **Polyosides (polysaccharides)**: Composés de plus de 10 unités d'oses (souvent des centaines ou milliers) [11](#page=11) [14](#page=14). * Exemples: Amidon, Glycogène, Cellulose [11](#page=11). * Rôles: Réserve énergétique (amidon, glycogène), structurel (cellulose, chitine), ou biologique spécifique (acide hyaluronique, héparine) [14](#page=14). ##### 3.2.1.3 Diholosides réducteurs et non réducteurs Un diholoside est dit réducteur si son carbone anomérique n'est pas engagé dans la liaison osidique, conservant ainsi une fonction hémiacétalique libre. Cela lui permet de réduire les sels métalliques (comme la liqueur de Fehling). Les diholosides réducteurs peuvent exister sous forme $ \alpha $ ou $ \beta $ [11](#page=11). Inversement, un diholoside est non réducteur si ses deux carbones anomériques sont engagés dans la liaison osidique [12](#page=12). ##### 3.2.1.4 Nomenclature des osides La nomenclature des osides dépend de l'état de la fonction hémiacétalique : * **-ose**: L'ose a sa fonction hémiacétalique libre; il est réducteur [12](#page=12). * **-osyl**: L'ose a sa fonction hémiacétalique engagée dans la liaison osidique; il s'agit généralement du premier ose d'un diholoside [12](#page=12). * **-oside**: La fonction hémiacétalique du dernier ose est engagée; le sucre peut être non réducteur [12](#page=12). > **Example:** > * **Lactose**: Diholoside réducteur (D-galactopyranosyl ( $ \beta \rightarrow 4 $ ) D-glucopyranose). Le galactose est l'osyl, le glucose reste un ose réducteur [12](#page=12). > * **Saccharose**: Diholoside non réducteur (D-glucopyranosyl ( $ \alpha \rightarrow \beta $ ) D-fructofuranoside). Les carbones anomériques C1 du glucose et C2 du fructose sont engagés, rendant le sucre non réducteur [12](#page=12). > * **Maltose**: Diholoside réducteur (D-glucopyranosyl ( $ \alpha \rightarrow 4 $ ) D-glucopyranose). Le premier glucose est l'osyl, le second glucose reste réducteur [13](#page=13). ##### 3.2.1.5 Les polyosides (polysaccharides) Les polyosides sont de grands polymères d'oses. Ils se différencient par [14](#page=14): 1. Le type d'oses constitutifs (identiques ou différents) [14](#page=14). 2. Le type de liaison osidique ( $ \alpha $ ou $ \beta $, positions des carbones: 1→4, 1→6, etc.) [14](#page=14). 3. La structure de la chaîne (linéaire ou ramifiée) [14](#page=14). > **Remarque sur la nomenclature des liaisons glycosidiques :** > La notation $ \alpha $ (1→4) indique une liaison entre le carbone 1 (en position $ \alpha $) du premier ose et le carbone 4 du deuxième ose [15](#page=15). **Grandes familles de polyosides :** * **Homopolysides**: Formés d'un seul type d'ose [14](#page=14). | Exemple | Oses constitutifs | Type de liaison | Structure | Rôle | | :--------- | :---------------- | :-------------- | :---------------------- | :----------------------- | | Amidon | Glucose | $ \alpha $(1→4) et $ \alpha $(1→6) | Ramifiée / Linéaire | Réserve énergétique végétale | | Glycogène | Glucose | $ \alpha $(1→4) et $ \alpha $(1→6) | Fortement ramifiée | Réserve énergétique animale | | Cellulose | Glucose | $ \beta $(1→4) | Linéaire | Rôle structural (végétal) | #### 3.2.2 Les hétérosides Un hétéroside est une molécule composée d'une partie glucidique (un ou plusieurs oses) et d'une partie non glucidique appelée aglycone. Ces deux parties sont liées par une liaison covalente [15](#page=15). * **Formation**: La liaison se fait entre la fonction hémiacétalique du sucre et un atome de la partie aglycone [15](#page=15). > **Tip:** La distinction entre différents types d'hétérosides dépend de l'atome de l'aglycone participant à la liaison. **Types d'hétérosides selon la liaison :** | Type d'hétéroside | Liaison | Exemple typique | Où les trouver | | :---------------- | :--------------------------------------- | :------------------------------------------------------ | :---------------------------------------------- | | O-hétéroside | Ose lié à un O (hydroxyle alcoolique) | Liaison ose–sérine dans une protéine | Glycoprotéines | | N-hétéroside | Ose lié à un N (amine ou base azotée) | Nucléosides (adénosine : ribose + adénine) | ADN, ARN | | C-hétéroside | Ose lié à un C de l'aglycone | Certains pigments végétaux | Plantes médicinales | | S-hétéroside | Ose lié à un S (thiol –SH) | Composés soufrés (rares) | Plantes alliacées (ail, oignons) | **La partie aglycone (ou groupement) :** Elle peut être de plusieurs types : * **Lipides**: Ose + lipide → Glycolipide [15](#page=15). * Présents dans les membranes cellulaires servent à la reconnaissance cellulaire [15](#page=15) [16](#page=16). * **Protéines**: Protéine + longues chaînes glucidiques (GAG) → Protéoglycane (PG) [15](#page=15). * Présents dans les tissus conjonctifs, rôle structurel et de lubrification [15](#page=15). * **Peptides + polysaccharides** → Peptidoglycanes [15](#page=15). * Constituent la paroi bactérienne, assurant sa rigidité [15](#page=15). * **Protéines + quelques oses (chaînes courtes)** → Glycoprotéine (GP) [15](#page=15). * Rôles hormonaux, immunitaires, enzymatiques. Exemples: récepteurs membranaires, hormones [15](#page=15) [16](#page=16). * **Fixation non enzymatique de glucose sur une protéine** → Protéine glyquée [15](#page=15). * Marqueurs biologiques, ex: HbA1c pour la glycémie à long terme [15](#page=15). **Rôles des liaisons dans les cellules :** * Identification des cellules (glycolipides) [16](#page=16). * Communication cellulaire (glycoprotéines) [16](#page=16). * Stockage et transmission de l'information génétique (nucléosides → ADN/ARN) [16](#page=16). ### 3.3 Réactions dues à la fonction alcool : Estérification des oses L'estérification des oses est une réaction clé en biochimie, particulièrement dans le métabolisme énergétique [9](#page=9). * **Principe général**: L'estérification consiste à faire réagir un groupe hydroxyle (–OH) avec un acide (H–X) pour former un ester (R–O–X), avec élimination d'eau [9](#page=9). * Formule: $ R–OH + H–X \rightarrow R–O–X + H_2O $ [9](#page=9). * **Pour les oses**: Les fonctions hydroxyles des oses peuvent être estérifiées par des acides typiques comme l'acide phosphorique ( $ H_3PO_4 $ ), l'acide sulfurique, ou des acides carboxyliques [9](#page=9). > **Exemple concret : Formation de glucose 6-phosphate** > * Réaction: Glucose + $ H_3PO_4 $ → Glucose 6-phosphate + $ H_2O $ [9](#page=9). > * Explication: Le groupe –OH en C6 du glucose réagit avec l'acide phosphorique pour former un ester phosphorique. Cette réaction est la première étape de la glycolyse [9](#page=9). * **Observation**: L'estérification est une réaction de déshydratation, typique des réactions de condensation [9](#page=9). --- # Les lipides : structure, propriétés et classification Voici une synthèse détaillée sur la structure, les propriétés et la classification des lipides, prête pour l'étude. ## 4. Les lipides : structure, propriétés et classification Les lipides sont une classe hétérogène de molécules organiques essentielles à la vie, caractérisées par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques non polaires, jouant des rôles cruciaux dans le stockage d'énergie, la structure cellulaire, et la signalisation [17](#page=17). ### 4.1 Définition et caractéristiques fondamentales des lipides Les lipides sont des composés organiques principalement constitués de carbone (C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O). Leur propriété fondamentale est leur caractère hydrophobe, ce qui signifie qu'ils n'interagissent pas avec l'eau. Cette hydrophobicité découle de leur nature non polaire. La majorité des lipides sont formés de deux composantes principales: des acides gras et un alcool, souvent le glycérol. La liaison entre un acide gras et un alcool forme un ester, une structure de base pour de nombreux lipides [17](#page=17). ### 4.2 Substances apparentées aux lipides Certains composés, bien que ne contenant pas d'acides gras, sont classés parmi les lipides en raison de leur caractère hydrophobe. Il s'agit notamment des stéroïdes (comme le cholestérol et les hormones stéroïdes) et des vitamines liposolubles (vitamines A, D, E, K) [17](#page=17). ### 4.3 Rôles physiologiques des lipides Les lipides remplissent plusieurs fonctions vitales dans l'organisme : * **Isolement et protection des organes**: Ils forment le tissu adipeux sous-cutané, assurant une isolation thermique pour maintenir la température corporelle et une protection mécanique autour des organes vitaux [17](#page=17). * **Transport et absorption des vitamines**: Les lipides facilitent l'absorption intestinale et le transport sanguin des vitamines liposolubles (A, D, E, K) [18](#page=18). * **Stockage d'énergie**: Ils constituent la principale réserve énergétique du corps, stockée sous forme de triacylglycérols dans les adipocytes. 1 gramme de lipides fournit environ 9 kcal plus du double des glucides ou des protéines [18](#page=18). * **Synthèse de molécules de signalisation**: Certains lipides, dérivés d'acides gras polyinsaturés, donnent naissance à des médiateurs chimiques comme les prostaglandines, les thromboxanes et les leucotriènes, impliqués dans l'inflammation, la douleur, la coagulation et la contraction musculaire [18](#page=18). ### 4.4 Classification des lipides Les lipides sont classifiés en deux grandes catégories: les lipides simples et les lipides complexes. Une classification basée sur leurs propriétés physico-chimiques les distingue également en lipides hydrophobes et amphiphiles [19](#page=19). #### 4.4.1 Lipides simples (homolipides) Ces lipides sont composés exclusivement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils résultent généralement de l'estérification entre un alcool et des acides gras [19](#page=19) [29](#page=29). * **Glycérides (ou acylglycérols)**: L'alcool est le glycérol. Ils peuvent être des mono-, di-, ou triacylglycérols selon le nombre d'acides gras liés. Les triglycérides sont les graisses et huiles alimentaires, servant principalement de réserve d'énergie [19](#page=19) [30](#page=30) [31](#page=31). * **Cérides (ou cires)**: L'alcool est une longue chaîne carbonée. Ils forment les cires naturelles, protégeant et imperméabilisant. Par exemple, l'acide palmitique estérifié avec l'alcool cétylique forme le palmitate de cétile, une cire. Les cérides sont solides à température ambiante et insolubles dans l'eau en raison de leurs longues chaînes hydrophobes et de leur absence quasi-totale de groupes polaires [19](#page=19) [37](#page=37). * **Stérides**: L'alcool est un stérol, comme le cholestérol. Ils forment des esters de cholestérol, jouant un rôle dans le stockage et le transport du cholestérol [19](#page=19) [32](#page=32). #### 4.4.2 Lipides complexes (hétérolipides) Ces lipides contiennent, en plus du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène, d'autres éléments comme le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont des constituants majeurs des membranes cellulaires [19](#page=19) [38](#page=38). * **Glycérophospholipides**: Composés de glycérol, de deux acides gras, d'un groupe phosphate, et souvent d'un autre alcool lié au phosphate. Ils sont amphiphiles et forment la bicouche lipidique des membranes cellulaires. Les types varient selon l'alcool: phosphatidylcholine, phosphitydéthanolamine, phosphatidylsérine, phosphatidylinositol, et cardiolipine [19](#page=19) [38](#page=38) [40](#page=40) [43](#page=43). * **Sphingolipides**: Ils ont pour squelette la sphingosine (un amino-dialcool à 18 carbones) au lieu du glycérol. Ils se lient à un acide gras par une liaison amide, formant un céramide [19](#page=19) [44](#page=44) [45](#page=45). * **Sphingophospholipides (sphingomyélines)**: Contiennent un groupe phosphate et un alcool, comme la choline. Ils sont abondants dans la gaine de myéline isolant les neurones [46](#page=46). * **Sphingoglycolipides**: Le céramide est lié à un ou plusieurs sucres (oses). Ils ne contiennent pas de phosphate. Les cérébrosides n'ont qu'un seul ose, tandis que les gangliosides possèdent plusieurs oses et un acide sialique. Ils sont impliqués dans la reconnaissance cellulaire et la signalisation [47](#page=47). * **Glycérolycolipides**: Formés d'un lipide lié à un glucide (sucre), sans groupement phosphate. Ils sont présents dans les membranes végétales [19](#page=19). #### 4.4.3 Classification par caractère physico-chimique * **Hydrophobes**: Totalement insolubles dans l'eau, comme les triglycérides et les cires [19](#page=19). * **Amphiphiles**: Possédant une partie hydrophile (affinité pour l'eau) et une partie hydrophobe (répulsion de l'eau). C'est le cas des phospholipides et des glycolipides, essentielle à leur organisation en membranes [19](#page=19) [43](#page=43). ### 4.5 Les acides gras #### 4.5.1 Définition et structure générale Les acides gras sont des acides monocarboxyliques constitués d'une fonction acide carboxylique (-COOH), polaire et hydrophile, et d'une longue chaîne carbonée, apolaire et hydrophobe. Ils peuvent être représentés par la formule générale R–COOH [20](#page=20). #### 4.5.2 Caractère amphipathique Leur double nature (hydrophile et hydrophobe) leur permet de former des structures comme les micelles ou les membranes biologiques. La partie -COOH est la "tête" hydrophile, tandis que la chaîne carbonée est la "queue" hydrophobe [20](#page=20). #### 4.5.3 Caractéristiques des chaînes carbonées * **Structure linéaire**: Généralement sans ramification [20](#page=20). * **Nombre pair de carbones**: Synthétisés à partir d'unités de deux carbones (acétyl-CoA) [20](#page=20). * **Longueur de chaîne**: Typiquement entre 14 et 24 atomes de carbone [20](#page=20). * **Degré d'insaturation**: Absence (saturés) ou présence (insaturés) de doubles liaisons C=C [20](#page=20). * **Formes possibles**: Linéaires, ramifiées ou cycliques [20](#page=20). * **Non hydrolysables directement**: Contrairement à certains lipides complexes [20](#page=20). #### 4.5.4 Ionisation du groupement carboxyle En milieu aqueux à pH physiologique (≈7,4), le groupement carboxyle se déprotone (-COOH → -COO⁻ + H⁺), acquérant une charge négative et augmentant l'hydrophilie de cette partie de la molécule [20](#page=20). #### 4.5.5 Acides gras saturés * **Définition et formule**: Chaîne carbonée sans double liaison, entièrement saturée en hydrogène. Formule générale: $C_nH_{2n+2}$ ou $CH_3-(CH_2)_n-COOH$ [21](#page=21). * **Exemples représentatifs**: Acide palmitique (C16:0), acide stéarique (C18:0), acide butyrique (C4:0), acide lignocérique (C24:0) [21](#page=21). * **Nomenclature**: La numérotation commence par le carbone du groupe carboxyle. Le symbole C16:0 indique 16 carbones et 0 double liaison [21](#page=21) [22](#page=22). #### 4.5.6 Acides gras insaturés * **Définition**: Possèdent au moins une double liaison carbone-carbone (C=C). Formule générale: $C_nH_{2n-2x}$ où x est le nombre de doubles liaisons [22](#page=22). * **Structure**: Longueur de chaîne typiquement entre 16 et 20 carbones. La première double liaison se situe souvent entre C9 et C10. Les doubles liaisons sont généralement séparées par des groupes méthylènes (-CH₂-) [22](#page=22). * **Classification selon le nombre de doubles liaisons** : * **Mono-insaturés (AGMI)**: Une seule double liaison, souvent en C9-C10. Exemple: acide oléique (C18:1Δ9). Ils sont communs dans les huiles végétales [23](#page=23). * **Poly-insaturés (AGPI)**: Plusieurs doubles liaisons. Exemples essentiels: acide linoléique (C18:2Δ9,12) et acide α-linolénique (C18:3Δ9,12,15). Ils sont essentiels et doivent être apportés par l'alimentation [23](#page=23). * **Nomenclature Δ et ω**: La notation Δ indique la position de la double liaison à partir du groupe carboxyle (C1). La notation ω (ou n-) indique la position à partir du méthyle terminal (CH₃) [23](#page=23). #### 4.5.7 Configurations des doubles liaisons * **Cis**: Les deux atomes d'hydrogène sont du même côté de la double liaison. Cela induit un coude dans la chaîne, empêchant un empilement serré, ce qui rend la molécule liquide à température ambiante [24](#page=24). * **Trans**: Les deux atomes d'hydrogène sont de part et d'autre de la double liaison. La chaîne est plus linéaire, similaire aux acides gras saturés, rendant la molécule solide à température ambiante [24](#page=24). #### 4.5.8 Propriétés physico-chimiques des acides gras * **Solubilité dans l'eau**: Diminue avec l'augmentation de la longueur de la chaîne carbonée (queue hydrophobe). Les chaînes courtes (C4-C6) sont solubles, les chaînes longues (>C10) sont pratiquement insolubles. La présence de doubles liaisons augmente légèrement la solubilité car elle empêche l'empilement [26](#page=26). * **Masse volumique**: Inférieure à celle de l'eau (environ 0,8 à 0,95 g/cm³) ce qui explique pourquoi les huiles flottent à la surface de l'eau [26](#page=26). * **Point de fusion** : * Augmente avec la longueur de la chaîne carbonée en raison des interactions intermoléculaires plus fortes [27](#page=27). * Diminue avec le degré d'insaturation, car les doubles liaisons créent des "pliures" qui empêchent un empilement compact. Les graisses solides contiennent des acides gras longs et saturés, tandis que les huiles liquides contiennent des acides gras courts ou insaturés [27](#page=27). #### 4.5.9 Propriétés chimiques des acides gras * **Réactions dues à la fonction acide (-COOH)** : * **Formation de sels alcalins (savons)**: Réaction avec une base forte (NaOH, KOH) pour former un sel d'acide gras et de l'eau. Le sel est amphiphile, expliquant le pouvoir détergent des savons [27](#page=27). $R-COOH + NaOH \rightarrow R-COO^-Na^+ + H_2O$ * **Estérification**: Réaction avec un alcool (R'-OH) pour former un ester et de l'eau. C'est la réaction de base pour la formation des triglycérides [28](#page=28). $R-COOH + R'-OH \rightarrow R-COO-R' + H_2O$ * **Réactions dues à la présence de doubles liaisons (C=C) (acides gras insaturés)** : * **Hydrogénation**: Addition d'hydrogène (H₂) sur les doubles liaisons pour les supprimer, transformant un acide gras insaturé en acide gras saturé. C'est le principe de solidification des huiles végétales pour fabriquer des margarines [28](#page=28). $CH_2=CH-CH=CH-CH + H_2 \rightarrow CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_2$ * **Oxydation**: L'oxydation des doubles liaisons, par exemple avec du permanganate de potassium (KMnO₄), conduit à la rupture de la chaîne et à la formation d'acides carboxyliques. Cette réaction est responsable du rancissement des graisses [28](#page=28). $R-CH=CH-R'-COOH + KMnO_4 \rightarrow R-COOH + HOOC-R'-COOH$ ### 4.6 Les triglycérides (acylglycérols) #### 4.6.1 Définition et formation Les triglycérides sont des esters formés par la réaction entre une molécule de glycérol et trois molécules d'acides gras. Le glycérol est un triol (propane-1,2,3-triol) avec des positions nommées α, β, et α' [30](#page=30). #### 4.6.2 Types de glycérides * **Monoglycérides**: 1 acide gras + 1 glycérol. Intermédiaires digestifs, amphipathiques [30](#page=30). * **Diglycérides**: 2 acides gras + 1 glycérol. Intermédiaires métaboliques, amphipathiques [30](#page=30). * **Triglycérides**: 3 acides gras + 1 glycérol. Graisses et huiles, très hydrophobes [30](#page=30). #### 4.6.3 Triglycérides simples vs mixtes * **Simples (homogènes)**: Les trois acides gras sont identiques (R₁ = R₂ = R₃) [30](#page=30). * **Mixtes (hétérogènes)**: Les acides gras sont différents (R₁ ≠ R₂ ≠ R₃) [30](#page=30). #### 4.6.4 Propriétés physiques des triglycérides * **Solubilité**: Totalement hydrophobes, insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques [31](#page=31). * **Point de fusion**: Dépend du type d'acides gras: saturés (solides, graisses) et insaturés (liquides, huiles) [31](#page=31). #### 4.6.5 Propriétés chimiques des triglycérides * **Hydrolyse acide ou enzymatique**: Par des lipases lors de la digestion, produisant du glycérol et 3 acides gras [31](#page=31) [32](#page=32). $Triglycéride + 3H_2O \xrightarrow{Enzyme} Glycérol + 3 Acides Gras$ * **Hydrolyse alcaline (saponification)**: Réaction avec une base forte pour produire du glycérol et des savons. Utilisée industriellement pour fabriquer des savons [31](#page=31). $Triglycéride + 3NaOH \rightarrow Glycérol + 3 Savons$ #### 4.6.6 Rôles des triglycérides * **Rôle énergétique**: Molécules de réserve énergétique primaires, fournissant 9 kcal/g. Stockés dans le tissu adipeux, ils sont mobilisés en cas de besoin [31](#page=31). * **Stockage compact**: Moins d'eau associée que le glycogène, permettant un stockage efficace [31](#page=31). * **Isolation et protection**: Le tissu adipeux sous-cutané isole thermiquement, et le tissu adipeux viscéral protège les organes [31](#page=31). * **Rôle physiopathologique**: Un excès peut entraîner obésité, diabète, maladies cardiovasculaires, et le tissu adipeux produit des facteurs inflammatoires [31](#page=31). ### 4.7 Les stérides #### 4.7.1 Définition et formation Les stérides sont des lipides simples formés par l'estérification d'un stérol (comme le cholestérol) avec un acide gras [32](#page=32). #### 4.7.2 Famille des stéroïdes Ils appartiennent à la famille des stéroïdes, caractérisée par un noyau stérane (cyclopentanophénanthrène) rigide composé de 4 cycles accolés: 3 cycles hexagonaux et 1 cycle pentagonal [33](#page=33). #### 4.7.3 Le cholestérol Le cholestérol (C₂₇H₄₆) est un stérol, un alcool stéroïdien, majeur constituant des membranes cellulaires où il stabilise la fluidité. Il est précurseur d'autres molécules: acides biliaires, vitamine D, hormones stéroïdiennes. Estérifié avec un acide gras, il devient un stéride, plus hydrophobe et stocké dans les gouttelettes lipidiques [33](#page=33). #### 4.7.4 Dérivés du cholestérol * **Acides biliaires**: Synthétisés dans le foie à partir du cholestérol, ils émulsifient les graisses dans l'intestin pour faciliter leur digestion. Les types primaires (cholique, chénodésoxycholique) et secondaires (désoxycholique, lithocholique) sont distingués [34](#page=34). * **Vitamine D**: Synthétisée dans la peau à partir du 7-déhydrocholestérol sous l'action des UV. Elle est essentielle à la minéralisation osseuse en favorisant l'absorption du calcium et du phosphore [34](#page=34). * **Hormones stéroïdiennes**: Molécules dérivées du cholestérol, possédant le noyau stérane. Elles sont produites par diverses glandes (corticosurrénale, testicules, ovaires) et agissent comme messagers chimiques [35](#page=35). * **Glucocorticoïdes** (ex: Cortisol): Régulent le métabolisme du glucose, anti-inflammatoires et immunomodulateurs [35](#page=35). * **Minéralocorticoïdes** (ex: Aldostérone): Contrôlent la quantité de sel et d'eau, régulent la tension artérielle [36](#page=36). * **Androgènes** (ex: Testostérone): Hormones mâles, stimulent la spermatogenèse, la croissance musculaire et osseuse [36](#page=36). * **Œstrogènes** (ex: Estradiol): Hormones féminines, développement des caractères sexuels secondaires, préparent l'utérus à la fécondation [36](#page=36). * **Progestatifs** (ex: Progestérone): Préparent l'utérus à la nidation et maintiennent la grossesse [36](#page=36). ### 4.8 Les lipides complexes : glycérophospholipides et sphingolipides #### 4.8.1 Glycérophospholipides * **Structure de base**: Formés de glycérol lié à deux acides gras (un saturé en C1, un insaturé en C2) et un groupement phosphate sur C3, formant l'acide phosphatidique [38](#page=38). * **Formation des glycérophospholipides**: Par ajout d'un alcool (ex: choline, éthanolamine, sérine, inositol) sur le groupement phosphate de l'acide phosphatidique [40](#page=40). * **Caractère amphiphile**: Tête polaire (glycérophosphate + alcool) hydrophile et queues apolaires (2 acides gras) hydrophobes. Cette propriété leur permet de former la bicouche lipidique des membranes cellulaires [40](#page=40) [43](#page=43) [44](#page=44). * **Types et rôles** : Les propriétés dépendent de l'alcool fixé au phosphate : * Phosphatidylcholine (lécithine): Composant des membranes, transport des lipides [40](#page=40). * Phosphatidyléthanolamine (céphaline): Membranes, cerveau [40](#page=40). * Phosphatidylsérine: Signalisation cellulaire (apoptose) [40](#page=40). * Phosphatidylinositol: Transmission du signal cellulaire [40](#page=40). * Phosphatidylglycérol: Membranes mitochondriales [40](#page=40). * Cardiolipine: Double acide phosphatidique lié par du glycérol, présent dans la membrane interne des mitochondries [40](#page=40). #### 4.8.2 Sphingolipides * **Définition**: Lipides complexes sans glycérol, dont le squelette est la sphingosine (amino-dialcool à 18 carbones avec une double liaison trans) [44](#page=44). * **Formation du céramide**: La fonction amine (–NH₂) de la sphingosine se lie à un acide gras par une liaison amide stable, formant le céramide [45](#page=45). * **Familles** : * **Sphingophospholipides (sphingomyélines)**: Le groupe OH en C1 de la sphingosine est lié à un groupe phosphate auquel est attaché un alcool (ex: choline). Abondants dans la gaine de myéline. L'hydrolyse par la sphingomyélinase est importante pour le métabolisme; un défaut peut causer la maladie de Tay-Sachs [46](#page=46). * **Sphingoglycolipides**: Le groupe OH en C1 est lié à un ou plusieurs sucres (oses), sans phosphate [47](#page=47). * **Cérébrosides**: Un seul ose (galactocérébroside, glucocérébroside), présents dans le tissu nerveux [47](#page=47). * **Gangliosides**: Plusieurs oses (dont un acide sialique), abondants dans les neurones, impliqués dans la reconnaissance cellulaire et la signalisation. Par exemple, le ganglioside GM1 est un récepteur pour la toxine cholérique [47](#page=47). --- # Les acides aminés : structure, classification et fonctions Ce sujet explore la nature fondamentale des acides aminés, en détaillant leur architecture moléculaire, leur catégorisation en essentiels et non essentiels, ainsi que leurs diverses fonctions biologiques et méthodes d'analyse. ### 5.1 Définition et structure de base des acides aminés Les acides aminés (AA) sont les unités structurales fondamentales des protéines. Chaque acide aminé partage une structure commune comprenant un atome de carbone central (carbone α) lié à quatre groupes: une fonction amine (–NH₂), une fonction carboxylique (–COOH), un atome d'hydrogène (H), et une chaîne latérale (R) qui varie d'un acide aminé à l'autre et détermine ses propriétés spécifiques. Le carbone α est généralement chiral, sauf dans le cas de la glycine où R=H. La fonction amine est basique (car capable de capter un proton H⁺) et la fonction carboxylique est acide (car capable de libérer un proton H⁺). Les protéines sont des chaînes d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques [48](#page=48) [49](#page=49). ### 5.2 Nombre et catégories d'acides aminés Il existe plus de 300 acides aminés connus, mais seuls 20 sont utilisés dans la synthèse des protéines humaines, appelés acides aminés standards ou protéinogènes. Les autres sont non protéinogènes [49](#page=49). #### 5.2.1 Acides aminés essentiels Ces acides aminés ne peuvent pas être synthétisés par l'organisme et doivent être apportés par l'alimentation. Leur absence bloque la synthèse protéique. Les 8 acides aminés essentiels chez l'homme sont: Arginine*, Histidine*, Isoleucine, Leucine, Lysine, Méthionine, Phénylalanine, Thréonine, Tryptophane, et Valine. L'arginine et l'histidine sont considérées comme semi-essentielles, particulièrement importantes chez l'enfant en croissance [50](#page=50). #### 5.2.2 Acides aminés non essentiels L'organisme peut synthétiser ces acides aminés à partir d'autres composés métaboliques. Les acides aminés non essentiels sont: Alanine, Asparagine, Acide aspartique, Cystéine, Acide glutamique, Glutamine, Glycine, Proline, Sérine, et Tyrosine. L'arginine et l'histidine peuvent également être considérées comme non essentielles selon le contexte physiologique [50](#page=50). ### 5.3 Fonctions des acides aminés Outre leur rôle structural dans les protéines, les acides aminés remplissent diverses autres fonctions métaboliques. Ils peuvent être utilisés comme source d'énergie ou pour former du glucose (néoglucogenèse). Ils servent aussi à la synthèse d'autres molécules importantes, à la signalisation cellulaire, et certains agissent comme neurotransmetteurs [51](#page=51). ### 5.4 Classification selon la chaîne latérale (R) La classification des acides aminés est principalement basée sur la nature de leur chaîne latérale R, qui influence leurs propriétés physiques et chimiques [51](#page=51). #### 5.4.1 Acides aminés aliphatiques non polaires Ces acides aminés possèdent une chaîne latérale composée uniquement de carbone et d'hydrogène, sans cycles aromatiques ou polaires. Ils sont hydrophobes et tendent à se placer à l'intérieur des protéines pour éviter le contact avec l'eau [51](#page=51). ##### 5.4.1.1 Acides aminés aliphatiques linéaires * **Glycine (Gly)**: Sa chaîne latérale est R = H, ce qui en fait le plus petit acide aminé. Son carbone α n'est pas chiral, lui conférant une grande flexibilité aux protéines [51](#page=51). * **Alanine (Ala)**: Sa chaîne latérale est R = CH₃, un groupe méthyle. Elle est petite et hydrophobe [51](#page=51). ##### 5.4.1.2 Acides aminés aliphatiques ramifiés Leur chaîne carbonée est ramifiée, les rendant plus volumineux et très hydrophobes. Ils se retrouvent préférentiellement à l'intérieur des protéines [52](#page=52). * **Valine (Val)**: R = –CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Leucine (Leu)**: R = –CH₂–CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Isoleucine (Ile)**: R = –CH(CH₃)–CH₂–CH₃ [52](#page=52). #### 5.4.2 Acides aminés hydroxylés Leur chaîne latérale R contient un groupe hydroxyle (–OH), ce qui les rend plus polaires et hydrophiles [53](#page=53). * **Sérine (Ser)**: Possède un groupe –CH₂–OH. Son groupe –OH peut être phosphorylé (phosphorylation), un mécanisme clé dans la régulation enzymatique. Elle joue un rôle dans la réponse aux dommages de l'ADN, notamment en étant un site de phosphorylation par des kinases comme ATM [53](#page=53) [54](#page=54). * **Thréonine (Thr)**: Contient également un groupe hydroxyle [53](#page=53). #### 5.4.3 Acides aminés soufrés Ces acides aminés contiennent de l'atome de soufre (S) dans leur chaîne latérale [55](#page=55). * **Cystéine (Cys)**: Sa chaîne latérale contient un groupement thiol (–SH). Deux cystéines peuvent s'oxyder pour former un pont disulfure (–S–S–), qui stabilise la structure tridimensionnelle des protéines. Les cheveux, par exemple, sont riches en ponts disulfures [55](#page=55). * **Méthionine (Met)**: Sa chaîne latérale contient un thioéther (–S–CH₃). Elle est le premier acide aminé de toute protéine et initie la synthèse protéique. Elle peut être transformée en S-adénosylméthionine (SAM), une forme activée de la méthionine qui agit comme donneur de groupe méthyle (–CH₃) dans de nombreuses réactions, notamment la méthylation de l'ADN [56](#page=56). #### 5.4.4 Acides aminés acides et amides Ces acides aminés possèdent un groupement carboxyle (–COOH) additionnel ou un amide dérivé de celui-ci dans leur chaîne latérale [57](#page=57). * **Acide aspartique (Asp)**: Possède deux groupes carboxyles. Il est impliqué dans la synthèse de l'urée et dans la transamination (transfert d'un groupe amine). Il est essentiel dans le cycle de l'urée pour l'élimination de l'ammoniac [57](#page=57) [58](#page=58) [59](#page=59). * **Acide glutamique (Glu)**: Similaire à l'acide aspartique, avec une chaîne latérale plus longue [57](#page=57). * **Asparagine (Asn)**: Dérivé amide de l'acide aspartique. Sert au transport de l'azote dans l'organisme [60](#page=60). * **Glutamine (Gln)**: Dérivé amide de l'acide glutamique. Assure le transport de l'azote entre les organes [60](#page=60). #### 5.4.5 Acides aminés dibasiques Ces acides aminés ont deux fonctions basiques (capables de capter des protons H⁺): la fonction amine α et une autre fonction amine ou groupement basique sur la chaîne latérale R. Ils sont fortement positifs à pH physiologique [61](#page=61). * **Lysine (Lys)**: Possède un groupe ε-amino sur sa chaîne latérale. Elle est présente dans les protéines structurales comme le collagène. Elle peut subir une hydroxylation post-traductionnelle en 5-hydroxylysine, cruciale pour la structure du collagène [61](#page=61) [62](#page=62). * **Arginine (Arg)**: Sa chaîne latérale contient un groupement guanidyle, très basique. Elle est un précurseur de l'urée dans le cycle de l'urée et de l'oxyde nitrique (NO), un messager cellulaire important [63](#page=63). * **Histidine (His)**: Possède un groupement imidazole dans sa chaîne latérale. Le groupement imidazole est tampon et peut gagner ou perdre un proton facilement, ce qui en fait un tampon biologique. Elle est indispensable pendant la croissance et intervient dans les sites actifs des enzymes [62](#page=62). #### 5.4.6 Acides aminés aromatiques Leur chaîne latérale contient un cycle benzénique, ce qui les rend stables, capables d'absorber les UV, et souvent hydrophobes [64](#page=64). * **Phénylalanine (Phe)**: Contient un cycle phényle. Elle est indispensable et doit être apportée par l'alimentation. Elle peut être hydroxylée en tyrosine [64](#page=64). * **Tyrosine (Tyr)**: Similaire à la phénylalanine, mais avec un groupe hydroxyle (–OH) sur le cycle benzénique. Elle est semi-essentielle et sert de précurseur aux hormones thyroïdiennes, aux catécholamines (dopamine, adrénaline), et à la mélanine [65](#page=65). * **Tryptophane (Trp)**: Son R est un groupement indole (double cycle aromatique azoté). Il est indispensable, volumineux et hydrophobe [65](#page=65). #### 5.4.7 Iminoacides La proline est le seul iminoacide. Son groupe amine est secondaire car il est intégré dans un cycle avec sa chaîne latérale R, formant un cycle pyrrolidine. Cette rigidité est essentielle pour la structure du collagène. La proline peut être hydroxylée post-traductionnellement en hydroxyproline [66](#page=66). ### 5.5 Propriétés physiques des acides aminés #### 5.5.1 Polarité La polarité d'une molécule dépend de la répartition des charges électriques. Les molécules polaires interagissent avec l'eau (hydrophiles), tandis que les non polaires sont hydrophobes [67](#page=67). * **Non polaire (hydrophobe)**: Chaîne latérale sans charge ni polarité significative. Exemples: Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe, Trp, Gly. Ils se rassemblent au centre des protéines [67](#page=67) [68](#page=68). * **Polaire non ionisable (hydrophile)**: Possède des groupements polaires mais pas de charge électrique. Soluble, forme des liaisons hydrogène. Exemples: Ser, Thr, Tyr, Cys, Asn, Gln. Ser, Thr, Tyr peuvent être phosphorylés. Cys forme des ponts disulfures. Asn et Gln servent au transport de l'azote [67](#page=67) [69](#page=69). * **Polaire ionisable (chargé)**: Présente une charge électrique selon le pH. Très soluble [67](#page=67). * **Acides (chargés négativement)**: Contiennent un groupe carboxyle additionnel qui perd un proton H⁺ à pH physiologique. Exemples: Asp, Glu. Ils lient des cations et sont impliqués dans les sites actifs enzymatiques [70](#page=70). * **Basiques (chargés positivement)**: Contiennent un groupe amine additionnel ou un groupement basique qui capte un proton H⁺. Exemples: Lys, Arg, His [70](#page=70). #### 5.5.2 Chiralité et pouvoir rotatoire La plupart des acides aminés possèdent un carbone α chiral, leur permettant d'exister sous deux formes énantiomères: L (lévogyre) et D (dextrogyre). Les formes L sont utilisées dans les protéines humaines. Le pouvoir rotatoire est la capacité d'une substance à faire tourner le plan de la lumière polarisée; la notation D/L concerne la configuration spatiale, tandis que +/- concerne le sens de rotation. Les formes D existent dans certaines bactéries [71](#page=71) [72](#page=72) [73](#page=73). #### 5.5.3 Absorption des UV Les acides aminés aromatiques (Phe, Tyr, Trp) absorbent la lumière UV (260-280 nm) en raison de leurs cycles aromatiques. Cette propriété permet leur dosage par spectrophotométrie [72](#page=72) [73](#page=73). #### 5.5.4 Comportement acido-basique et zwitterion Les acides aminés sont amphotères, agissant comme acides ou bases selon le pH, grâce à leurs groupes carboxyle et amine ionisables. À pH neutre (environ 7), ils existent sous forme de zwitterions, où la charge globale est nulle (une charge positive sur l'amine –NH₃⁺ et une charge négative sur le carboxyle –COO⁻) [74](#page=74). * **En milieu acide (pH faible)**: Charge globale positive (cationique), forme R–CH(NH₃⁺)–COOH [74](#page=74). * **En milieu basique (pH élevé)**: Charge globale négative (anionique), forme R–CH(NH₂)–COO⁻ [74](#page=74). Le **point isoélectrique (pHi)** est le pH auquel la charge globale de l'acide aminé est nulle et la forme zwitterionique est majoritaire. Le pHi est calculé comme la moyenne des pK des groupements ionisables du pH < pHi, l'AA est cationique; à pH > pHi, l'AA est anionique. Cette propriété est exploitée en électrophorèse pour séparer les acides aminés selon leur pHi [75](#page=75). ### 5.6 Réactions chimiques des acides aminés Les acides aminés peuvent subir diverses réactions, soit au niveau du carbone α, soit au niveau de leur chaîne latérale R. #### 5.6.1 Réactions au niveau du carbone α * **Décarboxylation**: Perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de CO₂, formant une amine. Par exemple, l'histidine est décarboxylée en histamine [76](#page=76). * **Amidation**: Formation de liaisons peptidiques par réaction entre un groupe carboxyle et un groupe amine, libérant de l'eau [76](#page=76). * **Estérification**: Réaction d'un groupe carboxyle avec un alcool pour former un ester. Utilisée pour protéger temporairement les groupes COOH [77](#page=77). * **Déshydrogénation**: Perte du groupe amine (–NH₂) sous forme d'ammoniac (NH₃), transformant un acide aminé en acide α-cétonique. Ces acides α-cétoniques peuvent être utilisés pour produire de l'énergie (ATP) ou entrer dans le cycle de Krebs [77](#page=77) [78](#page=78). * **Transamination**: Transfert d'un groupe amine d'un acide aminé vers un acide α-cétonique, catalysé par des transaminases. Permet de régénérer des acides aminés et de produire des intermédiaires métaboliques [78](#page=78). #### 5.6.2 Réactions impliquant les chaînes latérales R * **Groupement carboxyle de la chaîne latérale R**: L'acide aspartique et l'acide glutamique possèdent un groupe –COOH additionnel. Ils peuvent être transformés en amides (asparagine et glutamine) par réaction avec l'ammoniac [80](#page=80). * **Groupement hydroxyle (–OH)**: Présent dans la sérine, la thréonine et la tyrosine. Ils sont des sites de phosphorylation et d'O-glycosylation (ajout de sucre) [81](#page=81). * **Groupement thiol (–SH)**: Présent dans la cystéine. Permet la formation de ponts disulfures (S–S) entre deux cystéines, stabilisant la structure des protéines. L'insuline utilise ces ponts pour sa structure active [82](#page=82). * **Groupement amine (–NH₂) de la chaîne latérale R**: Présent dans la lysine (ε-amino) et l'arginine (guanidinium) (#page=61, 63) [61](#page=61) [63](#page=63). * **Groupement imidazole**: Présent dans l'histidine, rôle tampon [62](#page=62). * **Groupement phényle, phénol, indole**: Cycle aromatique des acides aminés aromatiques (Phe, Tyr, Trp) (#page=64, 65) [64](#page=64) [65](#page=65). #### 5.6.3 Réactions avec des réactifs spécifiques * **Réaction avec la ninhydrine**: La ninhydrine réagit avec les acides aminés pour former un composé coloré (pourpre de Ruhemann, ou bleu pour la proline), permettant leur détection qualitative et quantitative (#page=79, 95) [79](#page=79) [95](#page=95). ### 5.7 Dérivés d'acides aminés et molécules apparentées Certaines molécules biologiques importantes sont des dérivés ou des analogues d'acides aminés (#page=83, 85, 86, 87) [83](#page=83) [85](#page=85) [86](#page=86) [87](#page=87). * **Créatine**: Molécule azotée dérivée de la glycine, de l'arginine et de la méthionine. Elle sert de réserve d'énergie dans les muscles sous forme de phosphocréatine. Sa concentration sanguine est un marqueur de la fonction rénale [83](#page=83) [85](#page=85). * **Catécholamines**: Hormones et neurotransmetteurs dérivés d'acides aminés aromatiques (phénylalanine, tyrosine) comme la dopamine, la noradrénaline et l'adrénaline [85](#page=85). * **Analogues des catécholamines**: Molécules chimiquement proches, comme la tyramine (dérivée de la tyrosine par décarboxylation) et la tryptamine (dérivée du tryptophane par décarboxylation) (#page=86, 87) [86](#page=86) [87](#page=87). * **Sérotonine**: Neurotransmetteur dérivé du tryptophane [87](#page=87). * **S-adénosylméthionine (SAM)**: Dérivé activé de la méthionine, coenzyme donneur de groupe méthyle. Essentiel dans la synthèse de la créatine au foie [88](#page=88) [89](#page=89). * **Iodotyrosines**: Dérivés iodés de la tyrosine, précurseurs des hormones thyroïdiennes T₃ et T₄ [89](#page=89). ### 5.8 Méthodes d'identification et de dosage des acides aminés #### 5.8.1 Méthodes qualitatives (identification) Ces méthodes permettent de déterminer quels acides aminés sont présents dans un échantillon [90](#page=90). * **Électrophorèse**: Séparation des acides aminés en fonction de leur charge électrique à un pH donné [90](#page=90). * **Chromatographie**: Technique de séparation basée sur la différence d'affinité des molécules pour une phase stationnaire et une phase mobile [90](#page=90). * **Chromatographie sur couche mince (CCM)**: Méthode rapide utilisant une plaque de silice ou d'alumine comme phase stationnaire. Le rapport frontal (Rf) est utilisé pour l'identification [92](#page=92). * **Chromatographie ionique**: Utilise des résines chargées pour séparer les acides aminés en fonction de leur charge électrique à un pH donné et de leur affinité pour la résine. Le pH du milieu et le pHi de l'acide aminé déterminent sa charge et donc sa migration [93](#page=93). #### 5.8.2 Méthodes quantitatives (dosage) Ces méthodes permettent de mesurer la concentration des acides aminés dans un échantillon [94](#page=94). * **Méthodes photométriques**: Basées sur l'absorption de la lumière ultraviolette par les acides aminés aromatiques (Phe, Tyr, Trp). L'absorbance à 280 nm est proportionnelle à leur concentration [94](#page=94). * **Méthodes colorimétriques**: Utilisation de réactifs comme la ninhydrine qui forment des composés colorés avec les acides aminés. L'intensité de la couleur, mesurée par un spectrophotomètre, est proportionnelle à la quantité d'acides aminés présents. La proline donne une couleur jaune distincte du violet des autres acides aminés [95](#page=95). --- # Les peptides et les protéines : structure, propriétés et fonction Cette section explore la nature, la composition, la structure et les propriétés des peptides et des protéines, ainsi que les méthodes d'analyse et leur classification. ### 6.1 Les peptides Un peptide est une petite molécule constituée de plusieurs acides aminés reliés par des liaisons peptidiques [96](#page=96). #### 6.1.1 Acides aminés : les briques élémentaires Chaque acide aminé possède : * Un groupement amine libre (–NH₂) [96](#page=96). * Un groupement acide carboxylique libre (–COOH) [96](#page=96). * Un carbone central (α) lié à un hydrogène (H) [96](#page=96). * Un radical R, qui varie selon l'acide aminé et le différencie des autres [96](#page=96). #### 6.1.2 La liaison peptidique La liaison peptidique se forme lors de la réaction de condensation entre le groupement carboxyle (–COOH) d'un acide aminé et le groupement amine (–NH₂) d'un autre acide aminé, avec élimination d'une molécule d'eau. Il s'agit d'une liaison covalente forte, plane et rigide en raison d'un phénomène de résonance [96](#page=96). #### 6.1.3 Orientation et nomenclature des peptides Les peptides ont une directionnalité : * Une extrémité **N-terminale** (avec un –NH₂ libre) [96](#page=96). * Une extrémité **C-terminale** (avec un –COOH libre) [96](#page=96). La nomenclature se fait de l'extrémité N-terminale vers l'extrémité C-terminale. Les radicaux R des différents acides aminés sont orientés de manière alternée de part et d'autre de la chaîne peptidique [96](#page=96) [97](#page=97). #### 6.1.4 Classification des peptides par taille * Dipeptide: 2 acides aminés [97](#page=97). * Tripeptide: 3 acides aminés [97](#page=97). * Tétrapeptide: 4 acides aminés [97](#page=97). * Oligopeptide: moins de 10 acides aminés [97](#page=97). * Polypeptide: entre 10 et 100 acides aminés [97](#page=97). * Protéine: plus de 100 acides aminés [97](#page=97). Certains peptides peuvent avoir des fonctions hormonales (insuline, vasopressine), antibiotiques ou neurotransmettrices [99](#page=99). #### 6.1.5 Détermination de la composition et de la séquence des peptides Déterminer la structure d'un peptide implique de connaître sa composition en acides aminés et leur ordre (séquence) [100](#page=100). ##### 6.1.5.1 Détermination de la composition en acides aminés Le principe est de casser le peptide pour libérer les acides aminés, puis de les identifier et de les doser [100](#page=100). * **Méthode : Hydrolyse acide** * **Principe:** Rompre les liaisons peptidiques à l'aide d'acide chlorhydrique concentré (HCl 6 mol/L) à haute température (110°C) pendant une durée prolongée (24-48h) [100](#page=100). * **Limitations :** * Les ponts disulfure (S–S) doivent être préalablement cassés (par oxydation ou réduction) pour une libération complète des acides aminés [100](#page=100). * Le tryptophane (Trp) est détruit par l'hydrolyse acide concentrée [100](#page=100). * **Hydrolyse alcaline:** Utilisée spécifiquement pour préserver le tryptophane, avec de la soude (NaOH) à 100°C pendant 4 à 8 heures . * **Séparation et dosage des acides aminés :** * **Chromatographie d'échange d'ions:** Sépare les acides aminés selon leur charge électrique variable en fonction du pH . * **Révélation et dosage à la ninhydrine:** La ninhydrine réagit avec le groupe amine libre des acides aminés pour former un composé coloré violet (ou jaune pour la proline), dont l'intensité permet la quantification par spectrophotométrie . ##### 6.1.5.2 Détermination de l'acide aminé N-terminal Il s'agit d'identifier l'acide aminé dont le groupe amine est libre . * **Méthode de Sanger (DNFB)** * **Principe :** Marquage du groupe amine libre du N-terminal avec le 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène (DNFB). Le peptide marqué subit ensuite une hydrolyse acide, libérant les acides aminés. Le dérivé DNFB-AA, jaune, est identifié par chromatographie [102-103](#page=102,103). * **Méthode au chlorure de dansyl (DANS-Cl)** * **Principe:** Similaire à la méthode de Sanger, mais utilise le chlorure de dansyl. Le dérivé DANSYL-AA est fluorescent sous UV, rendant la détection plus sensible et facile . ##### 6.1.5.3 Détermination de la séquence des acides aminés * **Méthode d'Edman** * **Principe :** Réaction séquentielle et contrôlée du peptide avec le phénylisothiocyanate (PITC) en milieu légèrement alcalin. Le PITC se fixe sur le groupe amine N-terminal. Une réaction douce en milieu acide faible libère le premier acide aminé sous forme de dérivé cyclique stable (PTH-AA), laissant le reste du peptide intact mais raccourci d'un acide aminé. Ce processus peut être répété pour déterminer la séquence entière du N-terminal au C-terminal [105-106](#page=105,106). * **Méthodes enzymatiques (Aminopeptidases)** * Les **aminopeptidases** sont des exopeptidases qui hydrolysent les liaisons peptidiques à partir de l'extrémité N-terminale, libérant les acides aminés un par un . * **Détermination des acides aminés C-terminaux** * **Carboxypeptidases:** Enzymes exopeptidases qui agissent sur l'extrémité C-terminale. La carboxypeptidase A libère la plupart des AA (sauf Cys, Arg, Lys), tandis que la carboxypeptidase B libère Arg et Lys . * **Méthode chimique à l'hydrazine :** L'hydrazine (NH₂-NH₂) rompt toutes les liaisons peptidiques, transformant les acides aminés en hydrazides, sauf le C-terminal qui reste libre et peut être identifié [108-109](#page=108,109). ##### 6.1.5.4 Fragmentation du peptide pour l'analyse Pour les peptides trop longs à séquencer directement, une fragmentation en morceaux plus petits est nécessaire . * **Fragmentation par endopeptidases :** * **Principe:** Utilisation d'enzymes spécifiques qui coupent la chaîne polypeptidique en des sites précis en fonction de la nature des acides aminés . * **Exemples d'enzymes :** * **Trypsine:** Coupe après Arg et Lys (sauf si Proline suit) . * **Chymotrypsine:** Coupe après Tyr, Trp et Phe . * **Pepsine:** Coupe après des AA aromatiques et hydrophobes (Phe, Tyr, Trp, Leu) à pH acide . * **Thermolyne:** Coupe avant des AA hydrophobes (Leu, Ile, Val, Phe) . * **Fragmentation chimique :** * **Bromure de cyanogène (BrCN):** Coupe spécifiquement la liaison peptidique située après la méthionine (Met) [110-111](#page=110,111). Le fragment résultant se termine par une hydroxyméthylénamine (dérivé de la Met) et le second fragment commence par l'AA suivant la Met . ### 6.2 Les protéines Les protéines sont des macromolécules complexes formées d'un grand nombre d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. Leur séquence, déterminée génétiquement, est essentielle à leur activité biologique car elle dicte leur structure tridimensionnelle (conformation) . #### 6.2.1 Structures des protéines On distingue quatre niveaux de structure : * **Structure primaire:** La séquence linéaire des acides aminés, déterminée par les gènes, incluant les ponts disulfure . * **Structure secondaire:** Repliement local de la chaîne peptidique, stabilisé par des liaisons hydrogène entre les groupements amide (–NH) et carbonyle (–CO) du squelette peptidique. Les formes principales sont l'hélice α et le feuillet β . * **Hélice α:** Structure hélicoïdale où les radicaux R sont orientés vers l'extérieur. Stabilisée par des liaisons H entre l'oxygène du groupe carbonyle et l'hydrogène du groupe aminé . * **Feuillet β:** Structure formée par l'association de plusieurs brins β, maintenue par des liaisons H entre les radicaux –CO et –NH de peptides adjacents. Les brins peuvent être parallèles ou antiparallèles . * **Structure tertiaire:** La conformation tridimensionnelle complète de la protéine, résultant des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés (liaisons covalentes comme les ponts disulfure, et non covalentes comme les liaisons H, forces de Van der Waals, interactions hydrophobes et ioniques). Les chaînes latérales hydrophiles sont orientées vers l'extérieur, les hydrophobes à l'intérieur . * **Structure quaternaire:** Association de deux ou plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine active. Les sous-unités peuvent être identiques (homopolymères) ou différentes (hétéropolymères). L'hémoglobine A est un exemple d'hétérotétramère . #### 6.2.2 Propriétés physiques des protéines * **Solubilité:** La plupart des protéines globulaires sont solubles dans l'eau, tandis que les scléroprotéines (fibreuses) sont insolubles . * **Cristallisation:** Possibilité de cristalliser les protéines en ajustant le pH, la concentration saline et les solvants organiques . * **Propriétés optiques:** Les protéines sont optiquement actives. Elles absorbent la lumière UV à 280 nm (présence d'AA aromatiques). La réaction du Biuret avec des ions cuivriques en milieu alcalin donne un complexe coloré, utile pour le dosage . * **Masse moléculaire (MM):** Supérieure à 6000 Daltons (Da). La chromatographie par gel-filtration permet de la déterminer . #### 6.2.3 Propriétés chimiques des protéines * **Composition élémentaire:** Contiennent C, H, O, N et souvent S . * **Acides aminés dérivés:** Certaines protéines subissent des modifications post-traductionnelles, créant des acides aminés comme l'hydroxyproline et l'hydroxylysine (particulièrement dans le collagène) . * **Réactivité:** La réactivité d'une protéine dépend des acides aminés qui la composent (tendances basiques ou acides) . * **Caractère amphotère:** Les protéines peuvent se comporter comme des acides ou des bases, car elles possèdent des groupes ionisables (extrémités N et C, et chaînes latérales d'AA acides et basiques) . * **Point isoélectrique (pI):** Le pH auquel une protéine a une charge nette globale nulle. À ce pH, la protéine est souvent moins soluble et ne migre pas en électrophorèse . #### 6.2.4 Propriétés biologiques des protéines * **Propriétés antigéniques:** Les protéines peuvent induire la synthèse d'anticorps . * **Activités biologiques spécifiques:** Catalyse enzymatique, activité hormonale (GH, EPO), toxicité (exotoxines) et activité antibiotique (VanX) . #### 6.2.5 Classification des protéines * **Holoprotéines :** Composées uniquement d'acides aminés. * **Globulaires solubles :** Molécules sphéroïdes, solubles dans l'eau. Incluent les enzymes, hormones, anticorps et albumines (principales protéines du plasma, maintiennent la pression oncotique) [117-118](#page=117,118). * **Globulines:** Protéines solubles du sérum sanguin, classées par mobilité électrophorétique (α, β, γ). Jouent des rôles dans le transport, l'immunité, la coagulation . * **Hétéroprotéines :** Composées d'une partie protéique et d'une partie non protéique (groupement prosthétique). * **Phosphoprotéines:** Protéine + groupe phosphorique (ex: caséine) . * **Nucléoprotéines:** Protéine + acide nucléique (ADN ou ARN) (ex: télomérase) . * **Glycoprotéines:** Protéine + glucide (ex: mucines, immunoglobulines, glycoprotéines de groupes sanguins) . * **Lipoprotéines :** Protéine + lipide. Permettent le transport des lipides dans le plasma (ex: chylomicrons, VLDL, LDL, HDL) [119-120](#page=119,120). * **Chromoprotéines :** Protéine + pigment coloré. --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Aldose | Sucre simple dont la chaîne carbonée se termine par un groupement aldéhyde (-CHO). Les aldoses sont caractérisés par la filiation des aldoses. | | Synthèse de Kiliani-Fischer | Procédé chimique permettant d'allonger la chaîne carbonée d'un aldose d'un carbone, en introduisant une nouvelle fonction aldéhyde et un nouveau carbone asymétrique. Ce processus conduit à la formation de deux épimères. | | Carbone anomérique | Le carbone qui était initialement le groupement carbonyle (aldéhyde ou cétone) et qui devient un centre chiral après la cyclisation. Il porte un groupe hydroxyle qui peut exister sous deux formes, alpha et bêta, et qui est impliqué dans la formation de la liaison osidique. | | Projection de Haworth | Représentation schématique des cycles des sucres en 3D, simplifiée sous forme d'un anneau presque plat, permettant de visualiser la position des substituants par rapport au cycle. | | Pouvoir rotatoire | Capacité d'une substance, comme les oses, à faire tourner le plan de la lumière polarisée. Il est utilisé pour l'identification et le dosage des sucres. | | Oxydation | Réaction chimique qui implique la perte d'électrons ou l'ajout d'oxygène. Dans le cas des oses, elle peut transformer le groupe aldéhyde en acide carboxylique (oxydation douce) ou oxyder d'autres fonctions alcool en acide carboxylique (oxydation forte). | | Réduction | Réaction chimique qui implique le gain d'électrons ou la perte d'oxygène. Pour les oses, elle transforme le groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone) en groupe hydroxyle, formant ainsi des polyols. | | Liaison glycosidique | Liaison covalente formée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupement hydroxyle (ou amine) d'un autre ose ou d'une autre molécule. Elle est caractéristique des osides. | | Holoside | Oside formé exclusivement d'oses unis par des liaisons glycosidiques. Les holosides peuvent être des oligosides (2 à 10 oses) ou des polyosides (plus de 10 oses). | | Hétéroside | Oside composé d'une partie glucidique (un ou plusieurs oses) et d'une partie non glucidique appelée aglycone. | | Lipides | Classe de molécules organiques caractérisées par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques. Ils sont composés principalement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, et ont souvent une structure basique d'ester d'acides gras et d'alcool. | | Acide gras | Acide monocarboxylique caractérisé par une longue chaîne carbonée hydrophobe et un groupement carboxyle (-COOH) hydrophile. Ils sont les constituants de base de nombreux lipides. | | Triglycéride | Ester formé par la réaction entre le glycérol et trois acides gras. Ils constituent la principale réserve d'énergie du corps et sont stockés dans le tissu adipeux. | | Acides gras saturés | Acides gras dont la chaîne carbonée ne contient aucune double liaison carbone-carbone. Ils sont généralement solides à température ambiante. | | Acides gras insaturés | Acides gras possédant une ou plusieurs doubles liaisons carbone-carbone dans leur chaîne. Ils sont généralement liquides à température ambiante. | | Stérides | Lipides simples formés par l'estérification d'un stérol (comme le cholestérol) avec un acide gras. Ils jouent un rôle dans le stockage et le transport du cholestérol et sont présents dans les membranes cellulaires. | | Glycérophospholipides | Lipides complexes contenant un squelette de glycérol, deux acides gras, un groupe phosphate et un alcool. Ils sont des constituants majeurs des membranes cellulaires et sont amphiphiles. | | Sphingolipides | Lipides complexes dont le squelette est constitué de sphingosine (un amino-alcool) au lieu de glycérol. Ils sont importants dans le système nerveux et la formation des gaines de myéline. | | Acide aminé | Molécule organique possédant à la fois une fonction amine (-NH₂) et une fonction acide carboxylique (-COOH), ainsi qu'une chaîne latérale R variable. Les acides aminés sont les unités de base des protéines. | | Liaison peptidique | Liaison covalente formée entre le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amine d'un autre acide aminé, avec libération d'une molécule d'eau. Elle relie les acides aminés dans les peptides et les protéines. | | Peptide | Molécule constituée de quelques acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. Les peptides sont classés en oligopeptides (<10 AA) et polypeptides (>10 AA). | | Protéine | Macromolécule biologique constituée d'une longue chaîne d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. Les protéines ont des structures complexes (primaire, secondaire, tertiaire, quaternaire) qui déterminent leurs fonctions biologiques diverses. | | Structure primaire | Séquence linéaire des acides aminés dans une protéine, déterminée génétiquement et stabilisée par des ponts disulfures dans certains cas. | | Structure secondaire | Repliement local de la chaîne polypeptidique en structures régulières, comme l'hélice alpha (enroulement) ou le feuillet bêta (plissement), stabilisées par des liaisons hydrogène. | | Structure tertiaire | Conformation tridimensionnelle complète d'une protéine, résultant des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés, incluant liaisons covalentes et non covalentes. | | Structure quaternaire | Association de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine fonctionnelle. Les sous-unités peuvent être identiques (homopolymères) ou différentes (hétéropolymères). | | Zwitterion | Molécule portant à la fois une charge positive et une charge négative, mais globalement neutre. C'est la forme prédominante des acides aminés en milieu neutre. | | Point isoélectrique (pHi) | pH auquel un acide aminé ou une protéine porte une charge nette nulle, existant principalement sous forme de zwitterion. | | Électrophorèse | Technique de séparation basée sur la migration de molécules chargées dans un champ électrique, permettant de séparer les acides aminés ou les protéines selon leur charge et leur taille. | | Chromatographie | Technique de séparation de mélanges basée sur la distribution différentielle des composants entre une phase stationnaire et une phase mobile. | | Ninhydrine | Réactif chimique utilisé pour détecter et quantifier les acides aminés, formant un complexe coloré (pourpre de Ruhemann) lors de la réaction. | | Urée | Composé organique résultant de la dégradation des acides aminés, servant de moyen de transport et d'élimination de l'azote toxique chez les mammifères. Elle est éliminée par les reins. | | Catécholamines | Molécules dérivées d'acides aminés aromatiques (phénylalanine, tyrosine) contenant un cycle benzénique avec deux groupes hydroxyles voisins et une fonction amine. Elles agissent comme hormones et neurotransmetteurs. | | Sérotonine | Neurotransmetteur dérivé du tryptophane, jouant un rôle clé dans la régulation du sommeil, de l'humeur et de l'appétit, ainsi que dans la vasoconstriction et l'inflammation. | | S-Adénosylméthionine (SAM) | Coenzyme dérivé de la méthionine, jouant un rôle crucial en tant que donneur de groupe méthyle (-CH₃) dans de nombreuses réactions de méthylation, notamment la régulation de l'expression génique. | | Créatine | Petite molécule azotée, dérivée de la glycine, l'arginine et la méthionine, qui sert de réserve d'énergie rapide dans les cellules musculaires sous forme de phosphocréatine. | | Créatinine | Déchet métabolique formé par la dégradation spontanée de la créatine. Sa concentration sanguine est un indicateur de la fonction rénale. | | Peptide hormonal | Peptide agissant comme hormone, capable de transmettre des messages chimiques à distance dans l'organisme. Exemples : oxytocine, vasopressine, insuline, glucagon. | | Peptide antibiotique | Peptide d'origine naturelle (produit par bactéries ou champignons) possédant une activité antibactérienne. | | Holoprotéines | Protéines formées uniquement d'acides aminés. Elles peuvent être globulaires (sphéroïdes, solubles) ou fibreuses (allongées, insolubles). | | Hétéroprotéines | Protéines composées d'une partie protéique et d'une partie non protéique (groupement prosthétique), comme les phosphoprotéines, nucléoprotéines, glycoprotéines, lipoprotéines et chromoprotéines. | | Glycoprotéine | Hétéroprotéine dans laquelle un ou plusieurs glucides sont liés de manière covalente à la partie protéique. Elles jouent des rôles variés dans la reconnaissance cellulaire, la communication et la structure. | | Lipoprotéine | Complexe formé de lipides et de protéines, essentiel au transport des lipides insolubles dans le plasma sanguin et à leur distribution aux tissus. |

# Structure et propriétés des oses La filiation des oses décrit les relations entre les monosaccharides basées sur leur taille de chaîne carbonée et les réactions permettant de modifier cette chaîne, tandis que leurs structures cycliques et leurs représentations en projection de Haworth sont essentielles pour comprendre leur comportement en solution [1](#page=1) [2](#page=2) [3](#page=3). ### 1.1 Filiation des aldoses et synthèse de Kiliani-Fischer La filiation des aldoses établit des liens entre les oses en permettant d'allonger ou de raccourcir leur chaîne carbonée, créant ainsi une relation "généalogique" entre les différentes classes de sucres (trioses, tétroses, pentoses, hexoses, etc.) [1](#page=1). La synthèse de Kiliani-Fischer est une méthode clé pour allonger la chaîne carbonée d'un aldose d'un atome de carbone. Le processus se déroule en plusieurs étapes [1](#page=1): 1. **Addition de cyanure d'hydrogène (HCN)**: Le groupe aldéhyde (−CHO) réagit avec le HCN. Le carbone du carbonyle devient un centre asymétrique, car il est maintenant lié à quatre groupes différents: le groupe hydroxyle (−OH) issu de la transformation du carbonyle, le groupe cyano (−CN) du HCN, l'hydrogène (−H) initial de l'aldéhyde, et le reste de la chaîne carbonée du sucre [1](#page=1). 2. **Hydrolyse et acidification**: L'ajout d'eau et d'acide transforme le groupe cyano (−CN) en un groupe acide carboxylique (−COOH), formant un acide aldonic. L'azote s'échappe sous forme d'ammoniac (NH₃) [1](#page=1). 3. **Réduction**: Une légère réduction du groupe acide carboxylique (−COOH) le transforme en un groupe aldéhyde (−CHO). L'atome de carbone qui portait initialement le groupe carbonyle devient un centre de carbone déshyodraté, et le sucre gagne un atome de carbone [1](#page=1). Le résultat de cette synthèse est l'obtention d'un nouvel aldose avec un carbone de plus que le sucre de départ. Une conséquence importante de l'addition de HCN est la création d'un nouveau centre chiral, entraînant la formation de deux sucres différents: des épimères. Ces épimères se différencient par la configuration stéréochimique du nouveau carbone formé, où le groupe H peut être placé à droite ou à gauche. Ce mécanisme est également applicable à l'élongation des chaînes des cétoses [1](#page=1). ### 1.2 Calcul du nombre d'isomères Le nombre d'isomères d'un ose dépend du nombre de carbones asymétriques dans sa structure. * **Aldoses**: Le nombre d'isomères pour les aldoses est donné par la formule $2^{n-2}$, où $n$ représente le nombre total d'atomes de carbone. Ce calcul prend en compte les deux formes possibles (D et L) pour chaque ensemble de centres chiraux. Par exemple, le glucose, qui possède 4 carbones asymétriques (les carbones 2, 3, 4 et 5), aura $2^{6-2} = 2^4 = 16$ isomères, soit 8 isomères de la série D et 8 de la série L [2](#page=2). * **Cétoses**: Pour les cétoses, la formule est $2^{n-3}$, où $n$ est le nombre total d'atomes de carbone. Par exemple, le fructose, qui possède 3 carbones asymétriques (les carbones 3, 4 et 5), aura $2^{6-3} = 2^3 = 8$ isomères, soit 4 isomères de la série D et 4 de la série L [2](#page=2). ### 1.3 Représentation des structures cycliques En solution aqueuse ou dans les milieux biologiques, les oses comportant plus de quatre atomes de carbone adoptent préférentiellement une structure cyclique plutôt que linéaire. Cette cyclisation résulte de la réaction intramoléculaire entre un groupe aldéhyde ou cétone et un groupe hydroxyle sur la même molécule, formant un hémiacétal (pour les aldoses) ou un hémiacétal (pour les cétoses) [2](#page=2). #### 1.3.1 Formation du cycle 1. **Attaque nucléophile**: Le groupe hydroxyle (−OH) d'un carbone interne (souvent le C5 pour les aldoses, ou C4 pour les cétoses) attaque le carbone du groupe carbonyle (C1 pour les aldoses, C2 pour les cétoses) [2](#page=2). 2. **Fermeture du cycle**: Cette attaque forme une liaison carbone-oxygène, aboutissant à la fermeture du cycle. L'atome de carbone du carbonyle, initialement doublement lié à l'oxygène (C=O), devient alors un carbone tétraédrique [2](#page=2). 3. **Carbone anomérique**: Le carbone du carbonyle initial devient un nouveau centre chiral et est appelé carbone anomérique. Ce carbone porte désormais deux groupes hydroxyle distincts après la réaction, créant potentiellement de nouveaux isomères [2](#page=2). #### 1.3.2 Types de cycles La taille du cycle formé dépend du groupe hydroxyle qui participe à l'attaque : * **Pyranose**: Lorsque le groupe −OH du carbone 5 attaque le carbonyle (dans le cas des aldoses), un cycle à six chaînons (cinq carbones et un atome d'oxygène) est formé. Cette structure est appelée pyranose. L'exemple typique est le D-glucopyranose [2](#page=2). * **Furanose**: Lorsque le groupe −OH du carbone 4 attaque le carbonyle (par exemple, dans le cas des cétoses comme le fructose), un cycle à cinq chaînons (quatre carbones et un atome d'oxygène) est formé. Cette structure est appelée furanose. Un exemple est le D-fructofuranose [2](#page=2). ### 1.4 Représentation en projection de Haworth La projection de Haworth est une méthode simplifiée pour représenter la structure tridimensionnelle des cycles des sucres [3](#page=3). #### 1.4.1 Caractéristiques de la projection de Haworth * Le cycle est représenté comme un anneau presque plat. * L'oxygène du cycle est généralement placé en haut à droite (ou parfois en haut à gauche). * Les carbones sont numérotés dans le sens des aiguilles d'une montre, en commençant par le carbone anomérique (C1 pour les aldoses) [3](#page=3). #### 1.4.2 Règles de conversion de Fischer à Haworth Lors de la conversion d'une représentation linéaire (projection de Fischer) à une représentation cyclique (projection de Haworth) : * Les groupes hydroxyle (−OH) qui sont situés à droite dans la projection de Fischer sont positionnés en **bas** du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). * Les groupes hydroxyle (−OH) qui sont situés à gauche dans la projection de Fischer sont positionnés en **haut** du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). Cette convention permet de visualiser facilement la stéréochimie des différents groupes hydroxyles autour du cycle [3](#page=3). #### 1.4.3 Le carbone anomérique Le carbone anomérique (C1 pour les aldoses) est le carbone qui était le groupe carbonyle dans la forme linéaire. Après cyclisation, il porte un nouveau groupe hydroxyle qui peut exister sous deux formes stéréoisomères : * **Forme α (alpha)**: Le groupe −OH du carbone anomérique est orienté vers le **bas** du cycle [3](#page=3). * **Forme β (bêta)**: Le groupe −OH du carbone anomérique est orienté vers le **haut** du cycle [3](#page=3). La relation entre ces deux formes est celle d'épimères, car elles diffèrent par la configuration au niveau du carbone anomérique. #### 1.4.4 Conformation spatiale des oses Dans les solutions, les cycles des oses peuvent adopter différentes conformations spatiales. Les deux principales conformations sont la forme "bateau" et la forme "chaise" [3](#page=3). * La forme chaise est généralement la plus stable [3](#page=3). * Les oses naturels se retrouvent majoritairement sous la forme chaise en solution, car elle permet une meilleure minimisation des répulsions stériques [3](#page=3). --- # Réactions chimiques des oses Les oses présentent des propriétés physico-chimiques uniques dues à leurs fonctions aldéhyde ou cétone et à leurs multiples fonctions alcool, leur conférant une réactivité variée, notamment en oxydation, réduction et condensation [4](#page=4). ### 2.1 Propriétés physiques des oses Les oses sont très solubles dans l'eau en raison de leur richesse en groupements hydroxyles. Ils possèdent un pouvoir rotatoire spécifique en solution, utile pour leur identification et dosage. Leur structure est thermodégradable, conduisant à une caramélisation lors du chauffage [4](#page=4). ### 2.2 Propriétés chimiques des oses Les propriétés chimiques des oses découlent principalement de la fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) et des fonctions alcools. Ces fonctions sont le siège de réactions d'oxydation, de réduction et de condensation [4](#page=4). #### 2.2.1 Réactions dues à la fonction carbonyle (groupement réducteur) La fonction carbonyle, qu'elle soit aldéhyde ou cétone, confère aux oses un caractère réducteur [4](#page=4). ##### 2.2.1.1 Oxydation des oses L'oxydation des oses peut être douce, forte ou enzymatique. **2.2.1.1.1 Oxydation enzymatique** L'oxydation enzymatique par la glucose oxydase (GOD) est une réaction biochimique clé, utilisée notamment dans les tests de glycémie. L'enzyme glucose oxydase agit spécifiquement sur le D-glucose, le transformant en acide gluconique et produisant du peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) [4](#page=4). * **Réaction générale :** $$ \text{Glucose} + \text{O}_2 \xrightarrow{[\text{glucose oxydase}]} \text{Acide gluconique} + \text{H}_2\text{O}_2 $$ * **Explication:** Le groupement aldéhyde (–CHO) du glucose en C1 est oxydé en fonction acide carboxylique (–COOH), formant l'acide gluconique (C₆H₁₂O₇). L'oxygène (O₂) est réduit en peroxyde d'hydrogène [4](#page=4). **2.2.1.1.2 Oxydation chimique douce** L'oxydation chimique douce d'un aldose vise à transformer la fonction aldéhyde (–CHO) du carbone 1 en une fonction acide carboxylique (–COOH), sans altérer les autres fonctions hydroxyles [4](#page=4). * **Réaction générale :** $$ \text{Aldéhyde} \rightarrow \text{Acide monocarboxylique} $$ * **Exemple:** Le D-glucose est oxydé en acide D-gluconique. Cette réaction est réalisable avec divers réactifs tels que l'eau bromée (Br₂/H₂O) [4](#page=4) [5](#page=5). **2.2.1.1.3 Oxydation chimique forte** L'oxydation forte utilise des oxydants puissants, comme l'acide nitrique (HNO₃), pour oxyder simultanément plusieurs fonctions de la molécule d'ose [5](#page=5). * **Principe général:** Chez les aldoses, l'oxydant puissant oxyde le carbone 1 (aldéhyde) en acide carboxylique (–COOH) et le carbone terminal porteur d'une fonction alcool primaire (–CH₂OH) en acide carboxylique (–COOH). Le produit obtenu est un acide dicarboxylique, appelé acide aldarique [5](#page=5). * **Réaction générale chez les aldoses :** $$ \text{HOCH}_2\text{–(CHOH)}_n\text{–CHO} \xrightarrow{\text{HNO}_3} \text{HOOC–(CHOH)}_n\text{–COOH} $$ * **Exemple:** L'oxydation du D-glucose par l'acide nitrique concentré donne l'acide D-glucarique (ou acide saccharique) [5](#page=5). * **Cas des cétoses:** Chez les cétoses, la fonction cétone, notamment en C2, n'est pas directement oxydée. L'acide nitrique provoque une coupure de la chaîne carbonée au niveau de la fonction cétone, suivie d'une oxydation des extrémités des fragments obtenus [6](#page=6). * **Exemple:** Le D-fructose, chauffé avec de l'acide nitrique, subit une coupure entre C2 et C3, conduisant à la formation de deux acides plus courts: l'acide glycolique (HOCH₂–COOH) et l'acide tartrique (HOOC–CHOH–CHOH–COOH) [6](#page=6). **2.2.1.1.4 Oxydation par les sels de métaux lourds (réduction)** Certains réactifs, comme la liqueur de Fehling ou la solution de Tollens, utilisent des ions métalliques (Cu²⁺, Ag⁺) qui peuvent oxyder les oses en milieu basique et chaud, tout en étant eux-mêmes réduits. Il s'agit d'une réaction d'oxydo-réduction [6](#page=6). * **Principe général :** $$ \text{Ose (réducteur)} + \text{Sel métallique (oxydant)} \rightarrow \text{Acide} + \text{Métal réduit} $$ * **Aldoses:** Les aldoses, possédant une fonction aldéhyde ou pouvant la régénérer en milieu basique, sont des sucres réducteurs. Ils réduisent les ions Cu²⁺ en Cu⁺ (précipité rouge brique de Cu₂O avec la liqueur de Fehling) ou les ions Ag⁺ en Ag (réaction de Tollens, dépôt d'argent) [6](#page=6). * **Cétoses:** Les cétoses ne possèdent pas de fonction aldéhyde. Cependant, en milieu basique, certains cétoses, comme le fructose, peuvent s'isomériser en aldoses (glucose ou mannose). Ils deviennent ainsi indirectement réducteurs [6](#page=6). ##### 2.2.1.2 Réduction des oses La réduction des oses transforme la fonction carbonyle en fonction alcool [7](#page=7). * **Réduction des aldoses:** La réduction d'un aldose par un agent réducteur comme le borohydrure de sodium (NaBH₄) ou le borohydrure (BH₄⁻) transforme le groupe aldéhyde (–CHO) en alcool primaire (–CH₂OH). Le produit final est un polyol (un alcool comportant plusieurs fonctions alcool) [7](#page=7). * **Structure générale d'un aldose :** R–CH₂OH–(CHOH)n–CHO * **Produit de réduction :** R–CH₂OH–(CHOH)n–CH₂OH (un polyol) * **Réduction des cétoses:** La réduction d'un cétose transforme le groupe cétone (–CO–) en alcool secondaire (–CHOH–). Le produit final est également un polyol [7](#page=7). * **Structure générale d'un cétose :** R1–CO–R2 * **Produit de réduction :** R1–CHOH–R2 (un polyol) #### 2.2.2 Réactions de condensation des oses Les réactions de condensation permettent la formation de liaisons glycosidiques et, par extension, d'hétérosides et d'holosides [8](#page=8). * **Principe général:** La fonction hydroxyle (–OH) d'un ose peut réagir avec un groupement –OH ou –NH₂ d'un autre partenaire pour former une liaison covalente, avec élimination d'une molécule d'eau (H₂O). La liaison formée est appelée liaison glycosidique ou hétérosidique [8](#page=8). $$ \text{C–OH (ose)} + \text{R–OH} \rightarrow \text{C–O–R} + \text{H}_2\text{O} $$ * **Types de condensation :** * **Avec un autre ose (holoside):** Si le partenaire (R–OH) est un autre sucre, la condensation forme un disaccharide ou un polysaccharide. La liaison est de type O-glycosidique, formée au niveau du carbone anomérique de l'ose [8](#page=8). * **Exemple:** Glucose + Glucose → Maltose (liaison α-1,4-glycosidique) + H₂O. Le produit est un holoside [8](#page=8). * **Avec un alcool ou un phénol (O-hétéroside):** Si le partenaire R–OH n'est pas un sucre, on obtient un O-hétéroside [8](#page=8). * **Exemple:** Sucre + Alcool → O-hétéroside + H₂O [8](#page=8). * **Avec une amine (N-hétéroside):** La condensation peut également se faire avec un groupement –NH₂ pour former un N-hétéroside [8](#page=8). * **Exemple:** Sucre + Base azotée → N-glycoside. C'est une réaction très importante en biochimie, fondamentale pour la structure de l'ADN et de l'ARN [8](#page=8). --- # Les osides : holosides et hétérosides Les osides sont des molécules glucidiques complexes qui, par hydrolyse, libèrent des oses ou des oses et une molécule non glucidique. Ils se divisent en holosides (composés uniquement d'oses) et en hétérosides (composés d'oses et d'une partie non sucrée, l'aglycone) [11](#page=11). ### 3.1 Les holosides Les holosides sont exclusivement formés d'oses liés entre eux par une liaison osidique. Cette liaison covalente se crée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupement hydroxyle d'un autre ose [11](#page=11). #### 3.1.1 La liaison osidique La nature de la liaison osidique dépend de plusieurs facteurs : 1. **Nature des oses liés**: Ils peuvent être identiques ou différents (ex: glucose + galactose) [11](#page=11). 2. **Forme cyclique des oses**: Les cycles peuvent être pyranes (à 6 atomes) ou furanes (à 5 atomes) [11](#page=11). 3. **Configuration anomérique** : * $\alpha$ (alpha): si le groupement -OH anomérique est en bas du plan [11](#page=11). * $\beta$ (bêta): si le groupement -OH anomérique est en haut du plan [11](#page=11). #### 3.1.2 Classification des holosides Les holosides sont classés en deux grandes catégories selon le nombre d'unités osidiques : * **Oligosides**: Composés de 2 à 10 oses. Les exemples incluent le maltose (glucose + glucose), le saccharose (glucose + fructose), et le lactose (glucose + galactose) [11](#page=11). * **Polyosides (polysaccharides)**: Composés de plus de 10 oses. Les exemples majeurs sont l'amidon, le glycogène et la cellulose [11](#page=11). Ces molécules jouent des rôles essentiels dans le stockage d'énergie (amidon, glycogène) et la structure (cellulose) [11](#page=11). ##### 3.1.2.1 Diholosides réducteurs et non réducteurs Un diholoside est dit **réducteur** si son carbone anomérique libre ne participe pas à la liaison osidique. Cela signifie qu'il possède encore une fonction hémiacétalique libre, lui permettant de réduire les sels métalliques (comme la liqueur de Fehling). Les diholosides réducteurs peuvent exister sous forme $\alpha$ ou $\beta$ car un des carbones anomériques reste libre [11](#page=11). Un diholoside est dit **non réducteur** si les deux carbones anomériques de ses oses constitutifs sont engagés dans la liaison osidique, ne laissant aucune fonction hémiacétalique libre [12](#page=12). > **Tip:** La nomenclature des osides reflète cette réductibilité. Un terme se terminant par "-ose" indique une fonction hémiacétalique libre, tandis que "-oside" suggère que la fonction hémiacétalique du dernier ose est engagée [12](#page=12). #### 3.1.3 Nomenclature des osides La nomenclature générale des osides suit des règles précises indiquant la nature des oses, la configuration anomérique, les positions des carbones impliqués dans la liaison, et la réductibilité du composé [12](#page=12). * Le terme "-ose" désigne un ose libre [12](#page=12). * Le terme "-osyl" désigne un ose dont la fonction hémiacétalique est engagée dans une liaison osidique, il s'agit alors du premier ose d'un disaccharide [12](#page=12). * Le terme "-oside" indique que la fonction hémiacétalique du dernier ose est engagée, le sucre résultant peut alors être non réducteur [12](#page=12). **Exemples de nomenclature :** * **Lactose**: Diholoside réducteur composé de D-galactose et D-glucose, liés par une liaison $\beta$(1$\rightarrow$4). Nom chimique: D-galactopyranosyl ($\beta__MATH_BLOCK_0__\beta$2). Nom chimique: D-glucopyranosyl ($\alpha__MATH_BLOCK_1__\beta$)D-fructofuranoside ou $\alpha$-D-glucopyranosyl (1$\rightarrow$2)-$\beta$-D-fructofuranoside. Les deux carbones anomériques (C1 du glucose et C2 du fructose) sont engagés, le rendant non réducteur. C'est le sucre de table [12](#page=12). * **Maltose**: Diholoside réducteur composé de deux molécules de D-glucose, liées par une liaison $\alpha$(1$\rightarrow$4). Nom chimique: D-glucopyranosyl (USD\alphaUSDUSD\rightarrow$4)D-glucopyranose ou D-glucopyranosyl (1$\rightarrow$4)D-glucopyranose. Le premier glucose est engagé (-glucosyl), tandis que le second garde son C1 libre, le rendant réducteur. Il peut être $\alpha$ ou $\betaUSD selon l'anomère libre. Il est produit lors de la digestion de l'amidon ou du glycogène par les amylases [13](#page=13). #### 3.1.4 Les polyosides (polysaccharides) Les polyosides sont de grands glucides formés par la condensation de nombreuses unités d'oses, souvent des centaines ou des milliers, reliées par des liaisons O-glycosidiques. Ils jouent trois rôles principaux [14](#page=14): * Réserve énergétique (ex: amidon, glycogène) [14](#page=14). * Structural (ex: cellulose, chitine) [14](#page=14). * Biologique spécifique (ex: acide hyaluronique, héparine) [14](#page=14). Les polyosides se distinguent par : 1. Le type d'oses constitutifs (identiques ou différents) [14](#page=14). 2. Le type de liaison osidique ($\alpha$ ou $\beta$, et les positions des carbones impliqués, ex: 1$\rightarrow$4) [14](#page=14). 3. La structure de la chaîne (linéaire ou ramifiée) [14](#page=14). ##### 3.1.4.1 Homopolysides Les homopolysides sont constitués d'un seul type d'ose [14](#page=14). | Exemple | Oses constitutifs | Type de liaison | Structure | Rôle | | :-------- | :---------------- | :------------------ | :----------------------------------------- | :---------------------------------- | | Amidon | Glucose | $\alpha$(1$\rightarrow$4) et $\alpha$(1$\rightarrow$6) | Ramifiée (amylopectine) et linéaire (amylose) | Réserve énergétique végétale | | Glycogène | Glucose | $\alpha$(1$\rightarrow$4) et $\alpha$(1$\rightarrow$6) | Fortement ramifiée | Réserve énergétique animale (foie, muscle) | | Cellulose | Glucose | $\beta$(1$\rightarrow$4) | Linéaire | Rôle structural (paroi végétale) | > **Tip:** La notation $\alpha$(1$\rightarrow$4) indique que le carbone 1 du premier ose, en configuration $\alpha$, est lié au carbone 4 du deuxième ose [15](#page=15). ### 3.2 Les hétérosides Un hétéroside est une molécule complexe composée de deux parties distinctes : 1. Une partie glucidique: un ose ou un holoside [15](#page=15). 2. Une partie non glucidique: appelée aglycone ou génine [15](#page=15). Ces deux parties sont liées par une liaison osidique, impliquant l'hydroxyle du carbone anomérique du sucre et un atome de la partie aglycone [15](#page=15). #### 3.2.1 Types d'hétérosides Les hétérosides sont classés selon l'atome de l'aglycone participant à la liaison : * **O-hétéroside**: Liaison entre un ose et un atome d'oxygène (hydroxyle alcoolique) de l'aglycone. Exemple: liaison ose-sérine dans une glycoprotéine [15](#page=15). * **N-hétéroside**: Liaison entre un ose et un atome d'azote (amine ou base azotée) de l'aglycone. Exemple: nucléosides (adénosine: ribose + adénine) dans l'ADN et l'ARN [15](#page=15). * **C-hétéroside**: Liaison directe entre un carbone de l'ose et un carbone de l'aglycone. Exemple: certains pigments végétaux [15](#page=15). * **S-hétéroside**: Liaison entre un ose et un atome de soufre (groupe thiol -SH) de l'aglycone. Exemple: composés soufrés rares dans les plantes alliacées [15](#page=15). #### 3.2.2 Nature de l'aglycone L'aglycone peut être de différents types : * **Lipide**: Donne des **glycolipides**, présents dans les membranes cellulaires et impliqués dans la reconnaissance intercellulaire [15](#page=15). * **Protéine**: Forme des **protéoglycanes** (PG) ou des **glycoprotéines** (GP). Les PG, avec de longues chaînes glucidiques (GAG), se trouvent dans les tissus conjonctifs pour la structure et la lubrification. Les GP ont quelques oses attachés et jouent des rôles hormonaux, immunitaires ou enzymatiques [15](#page=15). * **Peptides et polysaccharides**: Forme des **peptidoglycanes**, constituant la paroi bactérienne pour assurer la rigidité [15](#page=15). * **Molécule non-osidique spécifique**: Par exemple, la fixation non enzymatique d'un glucose sur une protéine donne une **protéine glyquée**, utilisée comme marqueur biologique (ex: HbA1c pour la glycémie à long terme) [15](#page=15). #### 3.2.3 Rôles des hétérosides Dans les cellules, les liaisons des hétérosides sont cruciales pour : * L'identification des cellules (glycolipides) [16](#page=16). * La communication cellulaire (glycoprotéines) [16](#page=16). * Le stockage et la transmission de l'information génétique (nucléosides constituant l'ADN/ARN) [16](#page=16). | Liaison | Type d'hétéroside | Exemple | Présence / Rôle | | :---------------- | :---------------- | :------------------------ | :--------------------------------------------------------------------------- | | Ose + Protéine | Glycoprotéine | Récepteurs membranaires, hormones | | | Ose + Lipide | Glycolipide | Membrane cellulaire (globules rouges) | Composent la membrane cellulaire, servent à la reconnaissance entre cellules | | Ose + Base azotée | Nucléoside | Adénosine (base + ribose) | Constituent l'ADN et l'ARN | --- # Acides gras : structure, classification et propriétés Ce chapitre détaille la définition, les caractéristiques structurelles, la classification et les propriétés physico-chimiques fondamentales des acides gras [20](#page=20). ### 4.1 Définition des acides gras Un acide gras est un acide monocarboxylique possédant une fonction acide carboxylique (–COOH), qui est polaire et hydrophile, et un radical R, une chaîne hydrocarbonée (–CH₂–) de longueur variable, qui est non polaire et hydrophobe. La formule générale d'un acide gras est R–COOH. Cette dualité structurelle (tête hydrophile et queue hydrophobe) confère aux acides gras des propriétés amphipathiques, leur permettant de former des structures comme les micelles ou les membranes biologiques [20](#page=20). #### 4.1.1 Caractéristiques générales des acides gras Les acides gras partagent plusieurs caractéristiques communes : * **Chaîne carbonée non ramifiée**: Dans la majorité des cas, les carbones sont reliés linéairement [20](#page=20). * **Nombre pair de carbones**: Ils sont synthétisés à partir d'unités de deux carbones (acétyl-CoA) [20](#page=20). * **Longueur de chaîne variable**: Les acides gras naturels comportent généralement entre 14 et 24 atomes de carbone [20](#page=20). * **Degré d'insaturation**: Ils peuvent être saturés (aucune double liaison) ou insaturés (une ou plusieurs doubles liaisons) [20](#page=20). * **Formes possibles**: La chaîne carbonée peut être linéaire, ramifiée ou cyclique [20](#page=20). * **Non hydrolysables**: Contrairement aux lipides complexes, les acides gras ne peuvent pas être dégradés en sous-unités plus petites par hydrolyse [20](#page=20). #### 4.1.2 Ionisation du groupement carboxyle Dans un environnement aqueux à pH physiologique (environ 7,4), le groupement carboxyle (–COOH) peut perdre un proton (H⁺) pour former un groupement carboxylate (–COO⁻). Cette ionisation rend cette partie de la molécule hydrophile, tout en maintenant la chaîne hydrocarbonée hydrophobe insoluble dans l'eau. La réaction est: $–COOH \longrightarrow –COO^- + H^+$ [20](#page=20). ### 4.2 Classification des acides gras Les acides gras peuvent être classés selon plusieurs critères, notamment la présence ou l'absence de liaisons doubles et le nombre de carbones [21](#page=21). #### 4.2.1 Acides gras saturés Les acides gras saturés ne possèdent pas de double liaison carbone-carbone dans leur chaîne hydrocarbonée. Leur formule générale est $CH_3–(CH_2)_n–COOH$ ou plus généralement $C_nH_{2n+1}COOH$ (où $n$ varie, et si l'on considère la formule brute du squelette hydrocarboné, c'est $C_nH_{2n}$). Ils sont généralement linéaires, possèdent un nombre pair de carbones et sont abondants dans les graisses animales et certaines huiles végétales [21](#page=21). ##### 4.2.1.1 Acides gras saturés représentatifs | Acide gras | Notation | Nombre de carbones | Source principale | | :--------------- | :------- | :----------------- | :---------------------------------------------- | | Acide palmitique | C16:0 | 16 | Graisses animales, huile de palme | | Acide stéarique | C18:0 | 18 | Graisses animales, chocolat | | Acide butyrique | C4:0 | 4 | Beurre, métabolisme bactérien | | Acide lignocérique | C24:0 | 24 | Lipides du tissu nerveux | ##### 4.2.1.2 Numérotation et nomenclature des acides gras saturés La numérotation de la chaîne carbonée commence à partir du carbone du groupement carboxyle (C1). Par exemple, pour l'acide palmitique (C16:0), la formule est $CH_3–(CH_2)_{14}–COOH$. Le symbole "C16:0" indique 16 carbones et 0 double liaison. Le préfixe "n-" dans le nom systématique (ex: acide n-hexadécanoïque) signifie que la chaîne est normale, c'est-à-dire linéaire et non ramifiée [21](#page=21) [22](#page=22). * **Acide palmitique**: Nom systématique acide n-hexadécanoïque, formule brute $C_{16}H_{32}O_2$, formule développée $CH_3–(CH_2)_{14}–COOH$ [22](#page=22). * **Acide stéarique**: Nom systématique acide n-octadécanoïque, formule brute $C_{18}H_{36}O_2$, formule développée $CH_3–(CH_2)_{16}–COOH$ [22](#page=22). #### 4.2.2 Acides gras insaturés Les acides gras insaturés possèdent au moins une double liaison carbone-carbone dans leur chaîne. Leur formule générale est $C_nH_{2n-2x}O_2$, où $x$ représente le nombre de doubles liaisons. Ils comportent généralement entre 16 et 20 carbones. Les doubles liaisons sont typiquement séparées par un groupe méthylène (–CH₂–), une caractéristique dite *cis* [22](#page=22). > **Tip:** La première double liaison se situe généralement entre les carbones C9 et C10 [22](#page=22). ##### 4.2.2.1 Classification selon le nombre de doubles liaisons * **Acides gras mono-insaturés (AGMI)**: Ils possèdent une seule double liaison, fréquemment située en C9–C10. L'acide oléique (C18:1Δ9 ou ω9) est un exemple typique, avec la formule développée $CH_3–(CH_2)_7–CH=CH–(CH_2)_7–COOH$. Ils sont abondants dans les huiles végétales et la graisse d'olive [23](#page=23). * **Acides gras poly-insaturés (AGPI)**: Ils comportent plusieurs doubles liaisons, toujours séparées par au moins un groupe méthylène (–CH₂–). Ils sont essentiels et doivent être apportés par l'alimentation [23](#page=23). | Acide gras | Symbole | Localisation des doubles liaisons | Famille | | :---------------- | :---------- | :-------------------------------- | :------ | | Acide linoléique | C18:2Δ9,12 | Δ9, Δ12 | ω6 | | Acide α-linolénique | C18:3Δ9,12,15 | Δ9, Δ12, Δ15 | ω3 | Ces acides gras jouent un rôle crucial dans la structure des membranes cellulaires, la synthèse d'eicosanoïdes et le fonctionnement cardiovasculaire [23](#page=23). ##### 4.2.2.2 Nomenclature des acides gras insaturés Deux systèmes de nomenclature sont utilisés pour indiquer la position des doubles liaisons : * **Nomenclature Δ (Delta)**: La numérotation commence à partir du groupement carboxyle (C1). La notation indique la position du premier carbone de la double liaison. Par exemple, C18:1Δ9 signifie que la double liaison se situe entre le carbone 9 et le carbone 10 [23](#page=23). * **Nomenclature ω (Oméga)**: La numérotation commence à partir du carbone méthyle terminal (CH₃), appelé carbone ω (ou carbone n). La notation indique la position de la double liaison par rapport à ce carbone terminal. Par exemple, C18:1ω9 signifie que la première double liaison est sur le 9ème carbone en partant du groupe CH₃ [23](#page=23). #### 4.2.3 Configurations des doubles liaisons La double liaison $C=C$ dans les acides gras insaturés introduit une rigidité qui limite la rotation. Il existe deux configurations possibles pour les atomes d'hydrogène attachés aux carbones de la double liaison [24](#page=24): * **Cis**: Les deux atomes d'hydrogène sont du même côté de la double liaison. Cela crée un coude ou un pli dans la chaîne, empêchant un empilement serré des molécules et rendant l'acide gras liquide à température ambiante [24](#page=24). * **Trans**: Les deux atomes d'hydrogène sont de part et d'autre de la double liaison. La chaîne est plus linéaire, ressemblant à celle des acides gras saturés, ce qui favorise un empilement serré et rend l'acide gras solide à température ambiante [24](#page=24). ### 4.3 Propriétés physico-chimiques des acides gras Les propriétés physiques des acides gras sont déterminées par la longueur de leur chaîne carbonée et leur degré d'insaturation [26](#page=26). #### 4.3.1 Solubilité dans l'eau La présence d'une tête hydrophile (–COOH) et d'une queue hydrophobe (chaîne hydrocarbonée) rend les acides gras amphipathiques. Plus la chaîne hydrocarbonée est longue, plus la partie hydrophobe domine, diminuant ainsi la solubilité dans l'eau [26](#page=26). * Les chaînes courtes (C4-C6) sont solubles dans l'eau [26](#page=26). * Les chaînes longues (> C10) sont pratiquement insolubles [26](#page=26). Le degré d'insaturation augmente légèrement la solubilité car les doubles liaisons empêchent les molécules de se rapprocher étroitement [26](#page=26). #### 4.3.2 Densité Les acides gras ont une densité légèrement inférieure à celle de l'eau, généralement comprise entre 0,8 et 0,95 g/cm³. C'est pourquoi les huiles flottent à la surface de l'eau [26](#page=26). #### 4.3.3 Point de fusion Le point de fusion est la température à laquelle un solide devient liquide [27](#page=27). * **Influence de la longueur de la chaîne carbonée**: Plus la chaîne est longue, plus les molécules peuvent interagir fortement entre elles, nécessitant plus de chaleur pour les séparer. Par conséquent, le point de fusion augmente avec la longueur de la chaîne. Les chaînes courtes (< 10 carbones) mènent à des états liquides, tandis que les chaînes longues (> 10 carbones) mènent à des états solides à température ambiante [27](#page=27). * **Influence du degré d'insaturation**: Chaque double liaison crée un pli dans la chaîne, empêchant un emboîtement efficace des molécules. Cela réduit les forces intermoléculaires, abaissant ainsi le point de fusion. Plus il y a de doubles liaisons, plus le point de fusion est bas, et plus le composé est liquide [27](#page=27). #### 4.3.4 Propriétés chimiques Les réactions chimiques des acides gras sont dues à leur groupement carboxyle et, le cas échéant, à leurs doubles liaisons [27](#page=27). ##### 4.3.4.1 Réactions dues à la fonction acide (–COOH) * **Formation de sels alcalins (savons)**: La réaction d'un acide gras avec une base forte (comme NaOH ou KOH) produit un sel d'acide gras (savon) et de l'eau [27](#page=27). Équation: $R–COOH + NaOH \longrightarrow –COO^- Na^+ + H_2O$ [27](#page=27). Le sel de sodium ou de potassium est le savon. La partie $R–COO^-$ est hydrophobe, tandis que le $Na^+$ est hydrophile, conférant au savon ses propriétés détergentes [27](#page=27). * **Estérification**: La réaction d'un acide gras avec un alcool (R'–OH) forme un ester et de l'eau [28](#page=28). Équation: $R–COOH + R'–OH \longrightarrow R–COO–R' + H_2O$ [28](#page=28). Cette réaction est fondamentale dans la synthèse des lipides complexes, par exemple, les triglycérides se forment lorsque trois acides gras se lient à une molécule de glycérol [28](#page=28). Acide gras + glycérol $\longrightarrow$ Triglycéride (triacylglycérol) [28](#page=28). ##### 4.3.4.2 Réactions dues à la présence de doubles liaisons (C=C) Ces réactions ne concernent que les acides gras insaturés. * **Hydrogénation**: L'ajout d'hydrogène ($H_2$) sur les doubles liaisons supprime celles-ci et transforme un acide gras insaturé en un acide gras saturé [28](#page=28). Équation: $CH_2=CH–CH=CH–CH + H_2 \longrightarrow CH_3–CH_2–CH_2–CH_2–CH_2$ [28](#page=28). Exemple pratique: L'hydrogénation d'une huile végétale (liquide, insaturée) peut la transformer en margarine (solide, saturée) [28](#page=28). * **Oxydation**: L'oxydation d'un acide gras insaturé (par exemple, avec du permanganate de potassium, $KMnO_4$) peut cliver la double liaison [28](#page=28). Équation: $R–CH=CH–R'–COOH + KMnO_4 \longrightarrow R–COOH + HOOC–R'–COOH$ [28](#page=28). Chaque double liaison clivée produit un acide simple et un diacide (contenant deux fonctions –COOH). Cette réaction explique le rancissement des graisses lorsqu'elles s'oxydent à l'air [28](#page=28). --- # Classification et propriétés des lipides Ce chapitre détaille la classification des lipides en lipides simples et complexes, ainsi que leurs propriétés et rôles physiologiques essentiels. ### 5.1 Définition et caractéristiques générales des lipides Les lipides sont des composés organiques principalement constitués de carbone (C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O). Leur caractéristique fondamentale est leur insolubilité dans l'eau (hydrophobie) et leur solubilité dans les solvants organiques non polaires tels que le chloroforme, l'éther ou le benzène. Cette hydrophobicité découle de leur nature majoritairement non polaire. La plupart des lipides sont formés de deux composantes principales: des acides gras (longues chaînes carbonées avec un groupe acide -COOH) et un alcool (souvent le glycérol, possédant des groupes -OH). La liaison d'un acide gras à un alcool forme un ester, base chimique de nombreux lipides [17](#page=17). Certains composés, tels que les stéroïdes (cholestérol, hormones stéroïdes) et les vitamines liposolubles (A, D, E, K), sont rattachés aux lipides en raison de leur caractère hydrophobe, bien qu'ils ne contiennent pas d'acides gras [17](#page=17). > **Tip:** Comprendre le caractère hydrophobe des lipides est crucial pour appréhender leur rôle dans les membranes cellulaires et leur mode de transport dans l'organisme. ### 5.2 Rôles physiologiques des lipides Les lipides jouent plusieurs rôles vitaux dans l'organisme [17](#page=17): * **Isolement et protection des organes:** Le tissu adipeux, constitué de lipides, agit comme une couche isolante protégeant du froid et comme un amortisseur mécanique pour les organes vitaux [17](#page=17). * **Transport et absorption des vitamines:** Les lipides facilitent l'absorption et le transport des vitamines liposolubles (A, D, E, K) essentielles à la vision, la solidité osseuse, la protection cellulaire et la coagulation [18](#page=18). * **Stockage d'énergie:** Ils constituent la principale réserve d'énergie du corps, stockée sous forme de triacylglycérols dans les cellules adipeuses. 1 gramme de lipides libère environ 9 kcal, soit plus du double des glucides ou des protéines. Le stockage sous forme de triglycérides est efficace car il est anhydre, contrairement au glycogène [18](#page=18) [31](#page=31). * **Synthèse de molécules de signalisation:** Certains lipides, dérivés d'acides gras polyinsaturés, sont précurseurs de médiateurs chimiques comme les prostaglandines, thromboxanes et leucotriènes, impliqués dans l'inflammation, la douleur, la coagulation et la contraction des muscles lisses [18](#page=18). ### 5.3 Classification des lipides Les lipides sont classés en deux grandes catégories selon leur composition chimique: lipides simples et lipides complexes [19](#page=19). #### 5.3.1 Lipides simples (ou homolipides) Ces lipides sont composés uniquement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils résultent de la réaction d'estérification entre un alcool et un ou plusieurs acides gras [19](#page=19) [29](#page=29). ##### 5.3.1.1 Glycérides (ou Acylglycérols) * **Définition:** Esters formés par la réaction entre le glycérol (propane-1,2,3-triol) et un, deux ou trois acides gras (#page=29,30) [29](#page=29) [30](#page=30). * **Structure:** Le glycérol possède trois groupes hydroxyles (-OH) qui peuvent estérifier des acides gras. Les positions des carbones sont nommées $\alpha$ (C1), $\beta$ (C2) et $\alpha'$ (C3) [30](#page=30). * **Types :** * **Monoglycérides:** 1 acide gras + 1 glycérol. Intermédiaires dans la digestion, amphipathiques [30](#page=30). * **Diglycérides:** 2 acides gras + 1 glycérol. Intermédiaires métaboliques, amphipathiques [30](#page=30). * **Triglycérides:** 3 acides gras + 1 glycérol. Graisses et huiles, très hydrophobes. Les graisses animales et huiles végétales sont principalement des triglycérides [29](#page=29) [30](#page=30). * **Simples vs Mixtes:** Les glycérides sont simples si tous les acides gras sont identiques (ex: acide tripalmitique), et mixtes s'ils sont différents (ex: acide palmito-oléostéarique) [30](#page=30). * **Propriétés physiques :** * **Solubilité:** Les mono- et diglycérides sont amphipathiques. Les triglycérides sont totalement hydrophobes, insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques [31](#page=31). * **Point de fusion:** Les glycérides saturés sont solides à température ambiante (graisses), tandis que les insaturés sont liquides (huiles) [31](#page=31). * **Réactions chimiques :** * **Hydrolyse acide ou enzymatique:** Triglycéride + 3H₂O → Glycérol + 3 Acides gras. Réaction de digestion par les lipases [31](#page=31). * **Hydrolyse alcaline (saponification):** Triglycéride + 3NaOH → Glycérol + 3 Sels d'acides gras (savons) [31](#page=31). * **Rôles:** Réserve d'énergie, isolation thermique, protection mécanique (#page=29,31). Un excès peut mener à l'obésité, au diabète et aux maladies cardiovasculaires [29](#page=29) [31](#page=31). * **Digestion et Hydrolyse:** Les triglycérides alimentaires sont hydrolysés par la lipase pancréatique en 1 monoglycéride et 2 acides gras pour être absorbés. Dans les adipocytes, la lipolyse (catalysée par ATGL, HSL, MGL) dégrade les triglycérides stockés en acides gras et glycérol pour libérer de l'énergie [32](#page=32). ##### 5.3.1.2 Cérides (Cires) * **Définition:** Esters formés par la réaction entre un acide gras et un alcool à longue chaîne (souvent 16 à 30 carbones) (#page=19,29) [19](#page=19) [29](#page=29). * **Formation:** Acide gras + Alcool gras → Céride + H₂O [37](#page=37). * **Structure:** Contiennent une longue chaîne hydrocarbonée (hydrophobe) et une liaison ester. Exemple: Palmitate de cétyle (acide palmitique + alcool cétylique) [37](#page=37). * **Propriétés physiques:** Solides à température ambiante en raison de l'empilement de leurs longues chaînes. Très hydrophobes et insolubles dans l'eau. Texture cireuse [37](#page=37). * **Rôles:** Protection et imperméabilisation (ex: cire d'abeille, sébum cutané, cires végétales sur les feuilles) (#page=19,29) [19](#page=19) [29](#page=29). ##### 5.3.1.3 Stérides * **Définition:** Esters formés par la réaction entre un stérol (principalement le cholestérol) et un acide gras (#page=19,29,32) [19](#page=19) [29](#page=29) [32](#page=32). * **Structure:** Ester de cholestérol. Le noyau stérane, composé de 4 cycles accolés (3 hexagonaux, 1 pentagonal), est caractéristique des stéroïdes dont font partie les stérides [29](#page=29) [33](#page=33). * **Rôles:** Forme de stockage et de transport du cholestérol dans le sang. Constituants des membranes cellulaires et précurseurs des hormones stéroïdiennes (#page=29,33) [29](#page=29) [33](#page=33). > **Tip:** Les stérides représentent une forme plus hydrophobe de stockage du cholestérol, facilitant son transport dans le sang. * **Dérivés du cholestérol :** * **Acides biliaires:** Synthétisés dans le foie à partir du cholestérol, ils émulsifient les graisses dans l'intestin. Exemples: acides cholique, chénodésoxycholique (primaires), désoxycholique, lithocholique (secondaires) [34](#page=34). * **Vitamine D:** Synthétisée dans la peau à partir du 7-déhydrocholestérol sous l'action des UV. Elle favorise l'absorption du calcium et du phosphore pour la minéralisation osseuse [34](#page=34). * **Hormones stéroïdiennes:** Hormones dérivées du cholestérol, possédant le noyau stérane. Elles sont produites par les glandes surrénales, les testicules et les ovaires (#page=35,36). Exemples [35](#page=35) [36](#page=36): * **Cortisol:** Glucocorticoïde, régule le métabolisme du glucose, anti-inflammatoire et immunomodulateur [35](#page=35). * **Aldostérone:** Minéralocorticoïde, régule la quantité de sodium et d'eau dans le sang, influençant la pression artérielle [36](#page=36). * **Testostérone:** Androgène, rôle dans la spermatogenèse, la croissance musculaire et osseuse, et les caractères sexuels secondaires mâles [36](#page=36). * **Estradiol:** Œstrogène, rôle dans le développement des caractères sexuels secondaires féminins et la préparation de l'utérus [36](#page=36). * **Progestérone:** Progestatif, prépare l'utérus à l'implantation de l'embryon et maintient la grossesse [36](#page=36). #### 5.3.2 Lipides complexes Ces lipides contiennent, outre des acides gras, d'autres groupes chimiques comme le phosphate (P) ou des sucres. Ils sont les principaux constituants des membranes biologiques [19](#page=19) [38](#page=38). ##### 5.3.2.1 Glycérophospholipides * **Définition:** Lipides complexes contenant du glycérol, deux acides gras, un groupe phosphate, et souvent un alcool lié au phosphate (#page=19,38). Ils constituent la catégorie la plus importante de lipides complexes chez l'homme [19](#page=19) [38](#page=38). * **Structure de base:** L'acide phosphatidique, composé de glycérol, deux acides gras (un saturé sur C1, un insaturé sur C2) et un groupe phosphate sur C3 [38](#page=38). * **Amphiphilie:** Ils sont amphiphiles, possédant une tête polaire hydrophile (phosphate + alcool) et deux queues apolaires hydrophobes (acides gras) (#page=40,43,44) [40](#page=40) [43](#page=43) [44](#page=44). * **Organisation en bicouche lipidique:** En milieu aqueux, les têtes hydrophiles s'orientent vers l'eau (milieu extracellulaire et intracellulaire), tandis que les queues hydrophobes se regroupent au centre, formant la bicouche lipidique des membranes cellulaires (#page=43,44) [43](#page=43) [44](#page=44). * **Variations et rôles:** La nature de l'alcool fixé au phosphate détermine le nom et la fonction du glycérophospholipide [40](#page=40). * **Phosphatidylcholine:** Membranes, transport de lipides [40](#page=40). * **Phosphatidyléthanolamine:** Membranes, cerveau [40](#page=40). * **Phosphatidylsérine:** Signalisation cellulaire (apoptose) [40](#page=40). * **Phosphatidylinositol:** Transmission du signal cellulaire [40](#page=40). * **Phosphatidylglycérol:** Membranes mitochondriales [40](#page=40). * **Cardiolipine:** Double phosphate avec glycérol, trouvée dans la membrane interne des mitochondries [40](#page=40). ##### 5.3.2.2 Sphingolipides * **Définition:** Lipides complexes dont le squelette est formé par la sphingosine (un amino-dialcool à 18 carbones) au lieu du glycérol (#page=19,44) [19](#page=19) [44](#page=44). * **Structure de la sphingosine:** Possède un groupe amine (-NH₂), deux groupes alcool (-OH), et une longue chaîne hydrocarbonée avec une double liaison trans [44](#page=44). * **Formation du céramide:** La fonction amine de la sphingosine se lie à un acide gras par une liaison amide forte et stable, formant un céramide. Le céramide est la partie lipidique de base des sphingolipides [45](#page=45). * **Familles :** * **Sphingophospholipides (Sphingomyélines):** Le céramide est lié à un groupe phosphate et à un alcool (comme la choline) via une liaison ester phosphorique. Présents dans les membranes plasmiques, particulièrement dans la gaine de myéline des neurones, assurant protection et conduction nerveuse. Leur hydrolyse par la sphingomyélinase peut causer des maladies de stockage comme la maladie de Tay-Sachs [46](#page=46). * **Sphingoglycolipides:** Le céramide est lié à un ou plusieurs sucres (oses) au niveau du carbone 1, et ne contiennent pas de phosphate [47](#page=47). * **Cérébrosides:** Un seul ose. Ex: Galactocérébroside, Glucocérébroside. Trouvés dans le tissu nerveux et les membranes [47](#page=47). * **Gangliosides (Oligosylcéramides):** Plusieurs oses (2 à 20), souvent incluant un acide sialique (NANA). Ex: GM1, GM2. Ils jouent un rôle dans la reconnaissance cellulaire, la communication intercellulaire, et servent de récepteurs à certaines toxines ou virus. Très abondants dans les neurones [47](#page=47). ##### 5.3.2.3 Glycérolipides (ou Galactolipides) * **Définition:** Lipides formés de glycérol, deux acides gras, et un ou plusieurs sucres, mais sans groupe phosphate [38](#page=38). * **Rôle:** Constituants des membranes végétales [38](#page=38). ### 5.4 Classification chimique basée sur la solubilité Les lipides peuvent être classés selon leur solubilité dans l'eau [19](#page=19): * **Hydrophobes:** Totalement insolubles dans l'eau (ex: triglycérides, cires) [19](#page=19). * **Amphiphiles:** Possèdent une partie hydrophile (qui aime l'eau) et une partie hydrophobe (qui repousse l'eau). C'est le cas typique des phospholipides et glycolipides (#page=19,43) [19](#page=19) [43](#page=43). --- # Acides aminés : structure, classification et fonctions This section details the fundamental structure of amino acids, their classification based on side chains, their metabolic roles, and their physicochemical properties. ### 6.1 Structure fondamentale des acides aminés Les acides aminés (AA) sont les unités de base constituant les protéines. La structure générale d'un acide aminé comprend un carbone central (carbone alpha, Cα) lié à quatre groupes distincts: une fonction amine (–NH₂), une fonction carboxylique (–COOH), un atome d'hydrogène (–H), et une chaîne latérale variable (R) [49](#page=49). * **Fonction amine (–NH₂)**: Basique, peut capter un proton (H⁺). Elle est souvent appelée extrémité N-terminale [49](#page=49). * **Fonction carboxylique (–COOH)**: Acide, peut libérer un proton (H⁺). Elle est souvent appelée extrémité C-terminale [49](#page=49). * **Carbone alpha (Cα)**: Généralement chiral (sauf dans la glycine), ce qui signifie que les acides aminés existent sous deux formes images miroir, L et D. Seules les formes L sont utilisées dans les protéines humaines [49](#page=49). Il existe plus de 300 acides aminés connus, mais seulement 20 sont protéinogènes (standards) et incorporés dans les protéines humaines. Les autres sont non protéinogènes [49](#page=49). #### 6.1.1 Types d'acides aminés selon l'apport alimentaire * **Acides aminés essentiels**: L'organisme ne peut pas les synthétiser et ils doivent être apportés par l'alimentation. Il y en a 8 pour l'homme: Arginine\*, Histidine\*, Isoleucine, Leucine, Lysine, Méthionine, Phénylalanine, Thréonine, Tryptophane, Valine. (\* Arginine et Histidine sont semi-essentiels, particulièrement importants chez l'enfant en croissance) [50](#page=50). * **Acides aminés non essentiels**: L'organisme peut les fabriquer à partir d'autres composés métaboliques. Ce sont Alanine, Asparagine, Acide aspartique, Cystéine, Acide glutamique, Glutamine, Glycine, Proline, Sérine, Tyrosine [50](#page=50). #### 6.1.2 Divers rôles métaboliques des acides aminés Au-delà de leur rôle structural dans les protéines, les acides aminés ont d'autres fonctions métaboliques : * **Structurelle**: Constituent les protéines (chaînes polypeptidiques) [51](#page=51). * **Énergétique**: Peuvent être dégradés pour fournir de l'énergie ou former du glucose (néoglucogenèse) [51](#page=51). * **Métabolique / Précurseur**: Servent à former d'autres molécules importantes, comme la tyrosine pour les hormones thyroïdiennes [51](#page=51). * **Signalisation / Récepteur**: Certains jouent un rôle dans la communication cellulaire, comme le glutamate comme neurotransmetteur excitateur [51](#page=51). ### 6.2 Classification selon la structure de la chaîne latérale (R) La classification des acides aminés se fait principalement selon la nature de leur chaîne latérale (R). #### 6.2.1 Groupe 1 : Acides aminés aliphatiques Ces acides aminés possèdent des chaînes latérales composées uniquement d'atomes de carbone et d'hydrogène, sans cycles aromatiques ou polaires. Ils sont généralement hydrophobes. * **Sous-groupe 1 : Acides aminés aliphatiques simples** * **Glycine (Gly, G)**: La plus petite, R = H. Son carbone alpha n'est pas chiral, ce qui lui confère une grande flexibilité dans les structures protéiques [51](#page=51). * **Alanine (Ala, A)**: R = CH₃. Similaire à la glycine mais avec un groupe méthyle, elle est petite et hydrophobe. Impliquée dans le cycle de l'alanine entre le muscle et le foie [51](#page=51). * **Sous-groupe 2 : Acides aminés aliphatiques ramifiés** Ces acides aminés ont des chaînes carbonées plus volumineuses et très hydrophobes, se plaçant souvent à l'intérieur des protéines. * **Valine (Val, V)**: R = –CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Leucine (Leu, L)**: R = –CH₂–CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Isoleucine (Ile, I)**: R = –CH(CH₃)–CH₂–CH₃. Isomère de la leucine [52](#page=52). #### 6.2.2 Groupe 2 : Acides aminés hydroxylés Leur chaîne latérale (R) contient un groupe hydroxyle (–OH), les rendant polaires et hydrophiles. * **Sérine (Ser, S)**: La chaîne latérale est –CH₂–OH. Son groupe –OH peut former des liaisons hydrogène et être phosphorylé (phosphorylation), jouant un rôle dans la signalisation cellulaire et la réponse aux dommages de l'ADN via la protéine kinase ATM [53](#page=53). * **Thréonine (Thr, T)**: Contient un groupe hydroxyle, est hydrophile et peut être phosphorylée [69](#page=69). * **Tyrosine (Tyr, Y)**: Contient un groupe hydroxyle sur un cycle aromatique. Elle est semi-essentielle et précurseur d'hormones thyroïdiennes, de neurotransmetteurs (dopamine, adrénaline) et de mélanine [65](#page=65). #### 6.2.3 Groupe 3 : Acides aminés soufrés Ils contiennent un atome de soufre (S) dans leur chaîne latérale. * **Cystéine (Cys, C)**: Possède un groupement thiol (–SH). Deux cystéines peuvent former un pont disulfure (–S–S–), stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines, comme dans la kératine [55](#page=55). * **Méthionine (Met, M)**: Contient un groupe thioéther (–S–CH₃), moins réactif. Elle initie la synthèse protéique et peut être transformée en S-adénosylméthionine (SAM), un donneur de groupe méthyle essentiel pour la méthylation de l'ADN, régulant ainsi l'expression des gènes [56](#page=56). #### 6.2.4 Groupe 4 : Acides aminés acides et amides Ces acides aminés possèdent un groupement carboxyle supplémentaire ou un amide dérivé. * **Acide aspartique (Asp, D)**: R = –CH₂–COOH. Possède deux groupes carboxyles, le rendant acide. Il participe à la synthèse de l'urée (cycle de l'urée) et à la transamination [57](#page=57). * **Acide glutamique (Glu, E)**: Possède une chaîne latérale –CH₂–CH₂–COOH. Similaire à l'acide aspartique dans ses fonctions [59](#page=59). * **Asparagine (Asn, N)**: Dérivé amide de l'acide aspartique. Le groupe carboxyle de la chaîne latérale est remplacé par un groupe amide (–CONH₂). Sert au transport de l'azote [60](#page=60). * **Glutamine (Gln, Q)**: Dérivé amide de l'acide glutamique. Sert au transport de l'azote [60](#page=60). #### 6.2.5 Groupe 5 : Acides aminés dibasiques Ils possèdent deux fonctions basiques : la fonction amine alpha et une autre sur la chaîne latérale, les rendant fortement positifs à pH physiologique. * **Lysine (Lys, K)**: R contient une fonction ε-amino (–NH₂). Elle participe aux protéines structurales comme le collagène et peut subir une hydroxylation post-traductionnelle pour former la 5-hydroxylysine, essentielle à la solidité du collagène [61](#page=61). * **Arginine (Arg, R)**: R contient un groupement guanidyle, très basique. Elle est indispensable pendant la croissance, participe au cycle de l'urée et est transformée en oxyde nitrique (NO), un important messager cellulaire [63](#page=63). * **Histidine (His, H)**: R contient un groupement imidazole. Son pKa proche du pH physiologique (~6) lui permet d'agir comme tampon biologique, stabilisant le pH des protéines. Elle est indispensable pendant la croissance et intervient dans les sites actifs enzymatiques [62](#page=62). #### 6.2.6 Groupe 6 : Acides aminés aromatiques Leur chaîne latérale contient un cycle benzénique ou similaire, les rendant stables, capables d'absorber les UV, et souvent hydrophobes. * **Phénylalanine (Phe, F)**: Cycle benzénique simple. Acide aminé indispensable et très hydrophobe [64](#page=64). * **Tyrosine (Tyr, Y)**: Cycle benzénique avec un groupe hydroxyle. Semi-essentiel, précurseur de nombreuses molécules importantes [65](#page=65). * **Tryptophane (Trp, W)**: Contient un groupement indole (double cycle aromatique). Acide aminé indispensable, volumineux et hydrophobe [65](#page=65). #### 6.2.7 Groupe 7 : Acides imino * **Proline (Pro, P)**: Unique car son groupe amine primaire est intégré dans un cycle avec sa chaîne latérale R, formant un groupe amine secondaire. Cette structure cyclique confère une rigidité particulière. Elle peut subir une hydroxylation post-traductionnelle, essentielle pour la structure du collagène [66](#page=66). ### 6.3 Polarité et propriétés physico-chimiques La polarité d'un acide aminé dépend de la répartition des charges électriques dans sa chaîne latérale. * **Molécule polaire**: Zone de charge négative et positive partielle, capable d'interagir avec l'eau (hydrophile) [67](#page=67). * **Molécule non polaire**: Électrons répartis de façon équilibrée, insoluble dans l'eau (hydrophobe) [67](#page=67). On peut classer les acides aminés selon leur chaîne latérale R : * **Non polaire (hydrophobe)**: Insoluble dans l'eau. Exemples: Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe, Trp, Gly. Ces acides aminés se rassemblent souvent au centre des protéines [67](#page=67) [68](#page=68). * **Polaire non ionisable (hydrophile)**: Soluble, forme des liaisons hydrogène mais sans charge électrique. Exemples: Ser, Thr, Tyr, Cys, Asn, Gln. Ils contiennent des groupes comme –OH, –SH, –CONH₂ [67](#page=67) [69](#page=69). * **Polaire ionisable (hydrophile)**: Chargé positivement ou négativement selon le pH. Très soluble [67](#page=67). * **Acides (chargés négativement à pH physiologique)**: Asp, Glu. Leur R contient un groupe carboxyle qui perd un proton (–COO⁻) [70](#page=70). * **Basiques (chargés positivement à pH physiologique)**: Lys, Arg, His. Leur R contient des groupes basiques qui captent des protons (–NH₃⁺ ou guanidinium) [70](#page=70). #### 6.3.1 Chiralité et pouvoir rotatoire Le carbone alpha est généralement chiral, sauf pour la glycine. Un carbone chiral peut exister sous deux formes énantiomères (L et D) qui sont des images miroir non superposables [71](#page=71). * **Pouvoir rotatoire**: La capacité d'une substance à faire tourner le plan de la lumière polarisée. Les formes L peuvent être dextrogyres (+) ou lévogyres (–). La notation D/L concerne la configuration 3D, tandis que +/– indique le sens de rotation de la lumière [72](#page=72). * Les L-acides aminés sont reconnus par les enzymes humaines, tandis que les D-acides aminés existent dans certaines bactéries [73](#page=73). #### 6.3.2 Absorption des UV Les acides aminés aromatiques (Tyr, Trp, Phe) absorbent la lumière UV entre 260 et 280 nm, une propriété utilisée pour le dosage des protéines par spectrophotométrie [72](#page=72). #### 6.3.3 Comportement ionique (amphotérie, zwitterion) Les acides aminés sont amphotères car ils possèdent des groupes acides (–COOH) et basiques (–NH₂), pouvant agir comme acide ou base selon le pH du milieu [74](#page=74). * **En milieu acide (pH faible)**: Forme cationique (chargée positivement): R–CH(NH₃⁺)–COOH [74](#page=74). * **En milieu neutre (pH ≈ 7)**: Forme zwitterionique (majoritaire): R–CH(NH₃⁺)–COO⁻. La molécule porte une charge positive et une négative, mais sa charge globale est nulle [74](#page=74). * **En milieu basique (pH élevé)**: Forme anionique (chargée négativement): R–CH(NH₂)–COO⁻ [75](#page=75). * **pKa et pHi**: Chaque fonction ionisable a un pKa (pH auquel le groupement est 50% ionisé). Le pHi (point isoélectrique) est le pH auquel la charge globale de l'acide aminé est nulle (forme zwitterionique majoritaire). Cette propriété permet la séparation des acides aminés par électrophorèse selon leur charge nette à un pH donné [75](#page=75). ### 6.4 Réactions chimiques impliquant les acides aminés Diverses réactions chimiques peuvent modifier les acides aminés ou leurs dérivés. * **Décarboxylation**: Perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de CO₂. Catalysée par des décarboxylases, elle produit des amines physiologiquement actives, comme l'histamine à partir de l'histidine [76](#page=76). * **Amidation**: Formation d'un amide. C'est la base de la liaison peptidique entre deux acides aminés: –COOH + –NH₂ ⟶ –CONH– + H₂O [76](#page=76). * **Estérification**: Réaction entre un acide carboxylique et un alcool pour former un ester. Utilisée pour protéger les groupements –COOH pendant des synthèses complexes [77](#page=77). * **Déamination oxydative**: Perte du groupe amine (–NH₂) sous forme d'ammoniac (NH₃). Transforme un acide aminé en acide α-cétonique, souvent via un intermédiaire α-imine [77](#page=77). #### 6.4.1 Importance biologique des acides α-cétoniques Les acides α-cétoniques, produits par déamination oxydative, ont plusieurs rôles : * **Énergie**: Peuvent entrer dans le cycle de Krebs pour produire de l'ATP [78](#page=78). * **Bilan azoté**: L'azote éliminé sous forme de NH₃ doit être converti en urée pour l'excrétion [78](#page=78). * **Précurseurs biosynthétiques**: Peuvent servir à produire des glucides ou des acides gras [78](#page=78). * **Transamination**: Transfert réversible d'un groupe amine d'un acide aminé à un acide α-cétonique, catalysé par des transaminases avec le coenzyme phosphate de pyridoxal (PLP). Permet la dégradation des acides aminés sans perte d'azote [78](#page=78). --- # Identification et détermination de la séquence des peptides et protéines Ce sujet couvre les méthodes qualitatives et quantitatives pour identifier les acides aminés et déterminer l'ordre dans lequel ils sont assemblés pour former des peptides et des protéines. ### 7.1 Méthodes d'identification des acides aminés (qualitatives et quantitatives) #### 7.1.1 Réactions chimiques des acides aminés Les acides aminés possèdent des groupements fonctionnels qui peuvent réagir chimiquement, permettant leur identification et leur analyse. ##### 7.1.1.1 Réaction avec les aldéhydes : formation de la base de Schiff Les aldéhydes aromatiques peuvent réagir avec un groupement amine pour former une base de Schiff, caractérisée par une double liaison C=N. Ces bases de Schiff sont importantes dans les réactions enzymatiques impliquant des acides aminés. Par exemple, le coenzyme phosphate de pyridoxal (PLP) forme une base de Schiff avec l'amine du carbone alpha d'un acide aminé lors des réactions de transamination [79](#page=79). ##### 7.1.1.2 Réaction avec la ninhydrine La ninhydrine est un agent oxydant utilisé pour la détection des acides aminés. La réaction avec un acide aminé conduit à sa dégradation complète et à la formation d'un complexe coloré appelé pourpre de Ruhemann, d'une couleur violet intense. La proline et l'hydroxyproline, étant des iminoacides (amines secondaires), réagissent différemment pour former un complexe de couleur bleue. Cette réaction permet une détection qualitative des acides aminés, leur dosage par mesure d'intensité colorimétrique, et a des applications en biochimie, médecine et criminalistique [79](#page=79) [95](#page=95). ##### 7.1.1.3 Propriétés chimiques liées aux chaînes latérales R Certains acides aminés présentent des réactivités spécifiques dues à leurs chaînes latérales. * **Groupement carboxyle de la chaîne latérale R:** L'acide aspartique et l'acide glutamique possèdent un groupement carboxyle supplémentaire dans leur chaîne latérale, ce qui leur confère un caractère acide. Ils peuvent être transformés en amides, l'asparagine et la glutamine, par réaction avec l'ammoniac [80](#page=80). * **Groupement hydroxyle (–OH) de la chaîne latérale:** La sérine, la thréonine et la tyrosine possèdent un groupement hydroxyle dans leur chaîne latérale, qui est le site de réactions comme la phosphorylation. La phosphorylation ajoute un groupement phosphate (–PO₄³⁻) sur le –OH. Le groupement hydroxyle est également le point d'attache pour la O-glycosylation, où un sucre est fixé, formant une liaison O-glycosidique, comme observé avec la sérine et la thréonine [81](#page=81). * **Groupement thiol (–SH) de la chaîne latérale:** La cystéine possède un groupement thiol (–SH) dans sa chaîne latérale qui est susceptible à l'oxydation. Deux groupements thiol peuvent former un pont disulfure (–S–S–) entre deux cystéines, stabilisant la structure tertiaire et quaternaire des protéines. Par exemple, l'insuline est stabilisée par des ponts disulfures intra et inter-chaînes [82](#page=82). #### 7.1.2 Dérivés d'acides aminés ##### 7.1.2.1 La créatine La créatine est une molécule azotée dérivée de la glycine, de l'arginine et de la méthionine. Dans les cellules musculaires, elle sert de réservoir d'énergie sous forme de phosphocréatine, participant à la régénération rapide de l'ATP lors d'efforts intenses. Sa synthèse se fait en deux étapes: guanidinoacétate (GAA) dans les reins, puis créatine dans le foie via la S-adénosyl-méthionine (SAM) comme donneur de groupement méthyle. La créatinine, un produit de dégradation non réversible de la créatine, est un marqueur de la fonction rénale car elle est éliminée par filtration rénale [83](#page=83) [84](#page=84) [85](#page=85) [88](#page=88) [89](#page=89). ##### 7.1.2.2 Catécholamines et analogues Les catécholamines sont des dérivés d'acides aminés aromatiques (phénylalanine, tyrosine) contenant un cycle catéchol et un groupe amine. Exemples: dopamine, noradrénaline, adrénaline. Les analogues des catécholamines, comme la tyramine (dérivée de la tyrosine par décarboxylation) et la tryptamine (dérivée du tryptophane par décarboxylation), imitent partiellement leurs effets physiologiques (vasoconstriction, augmentation de la pression artérielle). La sérotonine, également dérivée du tryptophane, est un neurotransmetteur important régulant le sommeil, l'humeur et l'appétit [85](#page=85) [86](#page=86) [87](#page=87). ##### 7.1.2.3 S-adénosyl-méthionine (SAM) La SAM est un coenzyme dérivé de la méthionine et de l'ATP. Elle agit comme un donneur de groupement méthyle (–CH₃) dans diverses réactions de méthylation, notamment dans la synthèse de la créatine [88](#page=88) [89](#page=89). #### 7.1.3 Méthodes de séparation et d'identification ##### 7.1.3.1 Électrophorèse L'électrophorèse utilise un champ électrique pour séparer les molécules chargées en fonction de leur mobilité, qui dépend de leur charge et de leur taille. Les acides aminés, ayant des charges variables selon le pH, migrent différemment dans un gel sous l'influence d'un champ électrique [90](#page=90). ##### 7.1.3.2 Chromatographie La chromatographie est une méthode de séparation basée sur la distribution différentielle des composants d'un mélange entre une phase stationnaire et une phase mobile [90](#page=90). * **Principes généraux :** * **Phase stationnaire:** Matériau fixe (papier, silice, résine) qui attire les molécules selon leurs propriétés [90](#page=90). * **Phase mobile:** Solvant qui transporte les molécules à travers la phase stationnaire [90](#page=90). * **Migration:** La vitesse de migration de chaque acide aminé dépend de son affinité pour la phase stationnaire et de sa solubilité dans la phase mobile [91](#page=91). * **Chromatographie sur Couche Mince (CCM):** Méthode rapide et simple utilisant une plaque recouverte de silice ou d'alumine comme phase stationnaire. Après migration du solvant (phase mobile), les acides aminés sont révélés par la ninhydrine. Le rapport frontal (Rf) est calculé pour identifier les acides aminés par comparaison avec des standards [92](#page=92). * **Chromatographie Ionique:** Exploite la charge des acides aminés qui varie avec le pH. Elle utilise des résines chargées (échangeuses de cations ou d'anions). Les acides aminés sont séparés en fonction de leur charge, de leur affinité pour la résine, et sont ensuite détectés par absorption UV ou réaction à la ninhydrine. L'ajustement du pH ou de la force ionique du solvant permet de libérer les acides aminés retenus [93](#page=93) [94](#page=94). #### 7.1.4 Méthodes d'identification quantitatives ##### 7.1.4.1 Méthodes photométriques Ces méthodes quantifient les acides aminés aromatiques (tryptophane, tyrosine, phénylalanine) en mesurant leur absorbance de la lumière ultraviolette (UV), généralement autour de 280 nm [94](#page=94). ##### 7.1.4.2 Méthodes colorimétriques Ces méthodes utilisent des réactifs qui forment des composés colorés avec les acides aminés. L'intensité de la couleur, mesurée par spectrophotométrie, est proportionnelle à la concentration de l'acide aminé. La ninhydrine est le réactif le plus couramment utilisé, formant un complexe violet (ou jaune pour la proline) [95](#page=95). ### 7.2 Détermination de la séquence des peptides et protéines #### 7.2.1 Détermination de la composition en acides aminés Le premier étape pour connaître la structure d'un peptide est de déterminer quels acides aminés le composent et en quelle proportion [100](#page=100). * **Principe :** Hydrolyse du peptide pour libérer les acides aminés constitutifs. * **Méthode : Hydrolyse acide** * Utilise de l'acide chlorhydrique (HCl) concentré à haute température (110 °C) pendant plusieurs heures [100](#page=100). * Casse les liaisons peptidiques, libérant les acides aminés [100](#page=100). * **Précaution:** Les ponts disulfures (–S–S–) doivent être rompus avant l'hydrolyse (par oxydation ou réduction). Le tryptophane est fragile et peut être détruit par cette méthode [100](#page=100). * **Hydrolyse alcaline:** Alternative pour préserver le tryptophane, utilisant une base forte (NaOH) . * **Séparation et dosage:** Les acides aminés libérés sont séparés par chromatographie échangeuse d'ions et quantifiés par réaction à la ninhydrine et mesure spectrophotométrique . #### 7.2.2 Détermination du groupement N-terminal Le groupement N-terminal est le premier acide aminé de la chaîne, celui dont le groupement amine (–NH₂) est libre . * **Méthode de Sanger (avec DNFB) :** * Le réactif 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène (DNFB, ou réactif de Sanger) est utilisé pour marquer le groupement amine libre du N-terminal. Le DNFB se lie au groupe amine, formant un dérivé jaune (DNF–AA) . * Le peptide marqué est ensuite hydrolysé en milieu acide . * Le dérivé DNF–AA du premier acide aminé est séparé par chromatographie et identifié par comparaison avec des standards . * **Méthode au chlorure de Dansyl :** * Plus sensible que la méthode de Sanger, elle utilise le chlorure de dansyl (DANS–Cl) qui réagit avec le groupe amine du N-terminal pour former un dérivé fluorescent (DANS–Peptide) . * Après hydrolyse acide, le DANS–AA, le dérivé fluorescent du N-terminal, est séparé et identifié par chromatographie sous UV . #### 7.2.3 Détermination de la séquence d'acides aminés (ordre) ##### 7.2.3.1 Méthode d'Edman (séquençage par dégradation) La méthode d'Edman permet de déterminer la séquence d'acides aminés d'un peptide, du N-terminal vers le C-terminal, en retirant un acide aminé à la fois sans détruire le reste de la chaîne . * **Principe:** Le peptide est traité avec du phénilisothiocyanate (PITC) . * **Étapes :** 1. **Marquage du N-terminal:** Le PITC réagit avec le groupe amine libre du premier acide aminé (N-terminal) pour former un PTC–peptide . 2. **Cyclisation et libération:** Le PTC–peptide est traité en milieu acide faible, ce qui libère le premier acide aminé sous forme de dérivé cyclique stable, le phénylthiohydantoïne (PTH–AA₁). Le reste du peptide est raccourci d'un acide aminé (n-1) . 3. **Identification du PTH–AA₁:** Le PTH–AA₁ est séparé et identifié par chromatographie ou spectrométrie de masse . 4. **Répétition du cycle:** Le processus est répété sur le peptide raccourci pour identifier successivement les acides aminés suivants dans la séquence . ##### 7.2.3.2 Méthodes enzymatiques aux exopeptidases Les exopeptidases coupent les liaisons peptidiques à partir des extrémités du peptide . * **Aminopeptidases:** Agissent sur l'extrémité N-terminale, libérant les acides aminés un par un dans l'ordre . * **Carboxypeptidases:** Agissent sur l'extrémité C-terminale, libérant les acides aminés à partir de cette extrémité. Il existe différentes carboxypeptidases (A et B) qui coupent spécifiquement certains acides aminés . ##### 7.2.3.3 Détermination du groupement C-terminal par hydrazinolyse L'hydrazinolyse (réaction avec l'hydrazine, NH₂–NH₂) rompt toutes les liaisons peptidiques et transforme les acides aminés en hydrazides, sauf l'acide aminé C-terminal qui conserve son groupe carboxyle libre. Cet acide aminé C-terminal est ensuite isolé et identifié . ##### 7.2.3.4 Fragmentation de peptides à l'aide d'endopeptidases Pour les peptides ou protéines trop longs pour être séquencés directement, ils sont d'abord fragmentés en morceaux plus petits à l'aide d'endopeptidases. Ces enzymes coupent les liaisons peptidiques à l'intérieur de la chaîne, à des endroits spécifiques déterminés par la nature des acides aminés adjacents. Les enzymes couramment utilisées incluent la trypsine (coupe après Lys/Arg), la chymotrypsine (coupe après Tyr, Trp, Phe), la pepsine (coupe avant les AA aromatiques/hydrophobes à pH acide) et la thermolysine (coupe avant les AA hydrophobes) . ##### 7.2.3.5 Fragmentation chimique Le bromure de cyanogène (BrCN) est un réactif chimique spécifique qui coupe les liaisons peptidiques uniquement après la méthionine (Met). La réaction conduit à la formation de fragments où le premier fragment se termine par un dérivé de la méthionine et le second fragment commence par l'acide aminé qui suivait la méthionine . #### 7.2.4 Exemples de peptides et protéines * **Peptides hormonaux:** Oxytocine, Vasopressine (système nerveux central); Insuline, Glucagon (pancréas) . * **Peptides à activités antibiotiques:** Produits par des bactéries ou champignons, utilisés en thérapeutique (ex: Bacitracine, Gramicidine D) . --- # Structures et propriétés des protéines Voici un résumé de cours sur les structures et propriétés des protéines, conforme à vos instructions. ## 8. Structures et propriétés des protéines Les protéines sont des macromolécules essentielles dont la fonction dépend de leur structure tridimensionnelle précise, qui est déterminée par leur séquence d'acides aminés et les interactions qui en résultent . ### 8.1 Niveaux de structure protéique La structure d'une protéine est décrite à quatre niveaux . #### 8.1.1 Structure primaire La structure primaire correspond à la séquence linéaire des acides aminés qui constituent la chaîne polypeptidique, reliés entre eux par des liaisons peptidiques. Elle est déterminée par la séquence génétique de l'ADN et est lue de l'extrémité N-terminale vers l'extrémité C-terminale lors de la traduction. La présence de ponts disulfure entre des résidus cystéine est également considérée comme faisant partie de la structure primaire . #### 8.1.2 Structure secondaire La structure secondaire décrit le repliement local de la chaîne polypeptidique. Ce repliement est stabilisé par des liaisons hydrogène formées entre les groupements amide (-NH) et carbonyle (-CO) du squelette peptidique. Les deux formes principales de structure secondaire sont : * **Hélice α:** Le polypeptide s'enroule en une structure hélicoïdale. Les chaînes latérales des acides aminés sont dirigées vers l'extérieur du squelette. Les liaisons hydrogène se forment entre l'oxygène d'un groupement carboxylique (-C=O) et l'hydrogène d'un groupement aminé (-NH) d'un même brin polypeptidique, à l'intérieur de la chaîne . * **Feuillet β:** La structure est formée par l'association d'au moins deux brins β parallèles ou antiparallèles. Ces brins sont maintenus ensemble par des liaisons hydrogène entre le groupement -CO d'un brin et le groupement -NH d'un brin adjacent . #### 8.1.3 Structure tertiaire La structure tertiaire représente la conformation tridimensionnelle complète d'une seule chaîne polypeptidique. Elle résulte de l'agencement spatial des éléments de structure secondaire (hélices α, feuillets β) et des boucles qui les relient. Cette structure est essentielle à la fonctionnalité de la protéine, notamment à la formation du site actif des enzymes. Elle est stabilisée par diverses interactions : * **Liaisons covalentes:** Ponts disulfure entre les chaînes latérales de résidus cystéine . * **Liaisons non covalentes:** Liaisons hydrogène, forces de Van der Waals, interactions hydrophobes (les chaînes latérales hydrophobes se regroupent à l'intérieur, formant un cœur hydrophobe, tandis que les chaînes hydrophiles sont orientées vers l'extérieur) et interactions ioniques . #### 8.1.4 Structure quaternaire La structure quaternaire décrit l'association de deux ou plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine fonctionnelle. On distingue : * **Homopolymères:** Les sous-unités sont identiques . * **Hétéropolymères:** Les sous-unités sont différentes . > **Exemple:** L'hémoglobine A est un hétérotétramère, composé de quatre sous-unités: deux chaînes α et deux chaînes β . ### 8.2 Propriétés physiques des protéines Les protéines présentent plusieurs propriétés physiques importantes . * **Solubilité:** La plupart des protéines sont solubles dans l'eau, ce sont généralement des protéines globulaires. Les protéines insolubles dans l'eau sont appelées scléroprotéines ou protéines fibreuses . * **Cristallisation:** Les protéines peuvent être cristallisées en ajustant le pH, la concentration saline (force ionique) et en utilisant certains solvants organiques (comme l'éthanol ou l'acétone) qui réduisent leur solubilité dans l'eau . * **Propriétés optiques :** * Les protéines sont optiquement actives . * La plupart des protéines absorbent la lumière UV à 280 nm, en raison de la présence de résidus aromatiques . * En milieu alcalin, les protéines réagissent avec les ions cuivriques pour former un complexe coloré violet (réaction du Biuret), qui absorbe à 540 nm (DO = εLC). Cette réaction est utilisée pour doser les protéines du sang . * **Masse moléculaire (MM):** Chaque protéine possède une masse moléculaire caractéristique, généralement supérieure à 6000 Daltons (Da). La chromatographie par gel-filtration est une méthode courante pour déterminer la MM, en séparant les protéines selon leur taille sur des gels de dextranes . ### 8.3 Propriétés chimiques des protéines Les propriétés chimiques des protéines découlent de la nature des acides aminés qui les composent et de leurs modifications . * **Composition élémentaire:** Les protéines contiennent principalement du carbone (C), de l'hydrogène (H), de l'oxygène (O), de l'azote (N), et souvent du soufre (S). La majorité des protéines naturelles sont formées à partir des 20 acides aminés standards . * **Acides aminés dérivés:** Certaines protéines subissent des modifications post-traductionnelles, conduisant à la formation d'acides aminés dérivés comme l'hydroxyproline et l'hydroxylysine, particulièrement abondants dans le collagène et participant à la stabilisation des fibres . * **Réactivité:** La réactivité d'une protéine dépend de la nature de ses acides aminés constitutifs. Par exemple, une protéine riche en acides aminés basiques aura une tendance basique, et inversement pour les acides aminés acides . * **Caractère amphotère:** Les protéines sont amphotères car elles possèdent à la fois des groupes acides et basiques. L'ionisation de ces groupes est influencée par le pH du milieu. Les groupes ionisables incluent : * Les extrémités de la chaîne peptidique (groupement carboxyle terminal -COOH et groupement amine terminal -NH₂) . * Les chaînes latérales des acides aminés: groupes acides (-COOH de Asp, Glu), groupes basiques (-NH₂ de Lys, Arg, His), et autres groupes polaires (-OH de Tyr, Ser; -SH de Cys) . * **Point isoélectrique (pI):** Le pH auquel une protéine possède une charge nette globale nulle est appelé point isoélectrique (pI). À ce pH : * La protéine ne migre pas dans un champ électrique (électrophorèse) . * Elle est souvent moins soluble, car les charges équilibrées réduisent les répulsions intermoléculaires, ce qui peut entraîner sa précipitation . > **Remarque:** Après électrophorèse, les protéines sont souvent révélées par coloration au bleu de Coomassie . ### 8.4 Propriétés biologiques des protéines Les protéines jouent une multitude de rôles biologiques essentiels . * **Propriétés antigéniques:** Les protéines peuvent agir comme antigènes, induisant la synthèse d'anticorps . * **Activités biologiques spécifiques:** Elles peuvent avoir une activité catalytique enzymatique, agir comme hormones (ex: GH, EPO), ou encore être des toxines (ex: exotoxines bactériennes). Certaines protéines, comme VanX, possèdent une activité antibiotique directe . ### 8.5 Classification des protéines Les protéines peuvent être classées selon leur composition et leur solubilité . #### 8.5.1 Holoprotéines Les holoprotéines sont exclusivement composées d'acides aminés . * **Holoprotéines globulaires solubles:** Ce sont des protéines de forme sphéroïde, solubles dans l'eau. Elles comprennent la majorité des protéines fonctionnelles: enzymes, hormones et anticorps . * **Albumines:** Elles représentent environ 60% des protéines sériques. Elles sont impliquées dans le maintien de la pression oncotique, qui retient l'eau dans les vaisseaux sanguins et prévient la formation d'œdèmes. Elles assurent également le transport sérique de diverses substances (acides gras, médicaments, hormones) . * **Globulines:** Elles représentent environ 40% des protéines sériques. Elles jouent des rôles dans le transport de molécules, la défense immunitaire, la coagulation et la réponse inflammatoire. Elles sont classées selon leur mobilité électrophorétique en fractions α1, α2, β et γ. Les γ-globulines correspondent aux immunoglobulines (anticorps) . > **Principe de la séparation sur gel d'agarose:** L'électrophorèse sur gel d'agarose sépare les protéines sériques selon leur charge et leur taille, permettant leur visualisation après coloration . #### 8.5.2 Hétéroprotéines Les hétéroprotéines sont composées d'une partie protéique (apoprotéine) et d'une partie non protéique appelée groupement prosthétique . * **Phosphoprotéines:** Protéine + groupement phosphorique (liaison ester à la sérine ou thréonine). Exemple: caséine du lait . * **Nucléoprotéines:** Protéine + acide nucléique (ADN ou ARN). Exemple: télomérase . * **Glycoprotéines:** Protéines liées à un sucre. La glycosylation peut se faire sur l'azote d'une asparagine (N-glycosylation) ou sur l'oxygène d'une sérine ou thréonine (O-glycosylation). Elles sont impliquées dans la protection des épithéliums (mucines), la défense immunitaire (immunoglobulines) et déterminent les groupes sanguins (glycoprotéines des groupes sanguins) . * **Lipoprotéines:** Complexes protéines-lipides qui transportent les lipides insolubles dans le plasma sanguin. Elles sont classées en cinq classes selon leur densité: chylomicrons, VLDL, IDL, LDL, et HDL . * **Chromoprotéines:** Protéines associées à un pigment coloré . --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Terme | Définition | | Filiation des aldoses | Ensemble de réactions chimiques permettant de relier les oses entre eux en fonction de leur nombre d'atomes de carbone, soit par allongement, soit par raccourcissement de la chaîne carbonée. | | Synthèse de Kiliani-Fischer | Méthode chimique permettant d'allonger la chaîne carbonée d'un aldose d'un atome de carbone, en passant par la formation d'un cyanhydrine suivie d'une hydrolyse et d'une réduction. | | Isomère | Molécule ayant la même formule brute qu'une autre molécule mais une structure atomique différente, ce qui lui confère des propriétés physico-chimiques distinctes. | | Structure cyclique des oses | Forme prédominante des oses à plus de quatre atomes de carbone en solution aqueuse, formée par la réaction intramoléculaire d'une fonction carbonyle avec une fonction alcool pour créer un hémiacétal ou hémicétal. | | Hémiacétal | Composé résultant de l'addition d'un alcool sur une fonction aldéhyde, ou d'un hémiacétal sur un autre alcool. Dans le cas des oses, c'est la fermeture du cycle avec formation d'un nouveau centre chiral. | | Pyranose | Cycle à six chaînons formé par un atome d'oxygène et cinq atomes de carbone, typique des aldoses comme le glucose après cyclisation, où le groupe hydroxyle du carbone 5 attaque le carbone aldéhydique. | | Furanose | Cycle à cinq chaînons formé par un atome d'oxygène et quatre atomes de carbone, typique des cétoses comme le fructose après cyclisation, où le groupe hydroxyle du carbone 4 attaque le carbone cétonique. | | Projection de Haworth | Représentation schématique en 3D des cycles des sucres, où l'anneau est représenté de manière simplifiée, les substituants étant placés au-dessus ou en dessous du plan de l'anneau. | | Carbone anomérique | Le carbone issu de la fonction carbonyle (C1 pour les aldoses, C2 pour les cétoses) après la cyclisation. Il peut exister sous deux formes, alpha ($\alpha$) et bêta ($\beta$), selon la position du groupe hydroxyle. | | Forme chaise | Conformation spatiale la plus stable adoptée par les cycles pyranose en solution, similaire à la forme chaise du cyclohexane, où les atomes de carbone sont disposés de manière à minimiser les contraintes stériques. | | Ose | Un glucide simple, également appelé monosaccharide, qui est le bloc de construction de base des sucres plus complexes. Les oses possèdent des propriétés physiques comme une solubilité élevée dans l'eau et des propriétés chimiques dues à leurs groupements fonctionnels aldéhyde ou cétone, et leurs groupements hydroxyles. | | Oxydation enzymatique | Une réaction biochimique catalysée par une enzyme oxydase, où une molécule est oxydée en utilisant de l'oxygène moléculaire. Par exemple, la glucose oxydase (GOD) oxyde le D-glucose en acide gluconique en produisant du peroxyde d'hydrogène ($H_2O_2$). | | Oxydation douce | Une réaction chimique d'oxydation des aldoses qui cible spécifiquement le groupement aldéhyde (–CHO) pour le transformer en groupement acide carboxylique (–COOH), sans affecter les autres fonctions alcools de la molécule. L'eau bromée ($Br_2/H_2O$) est un réactif couramment utilisé pour cette transformation. | | Oxydation forte | Une réaction chimique d'oxydation des aldoses utilisant des oxydants puissants comme l'acide nitrique ($HNO_3$). Cette réaction oxyde à la fois le groupement aldéhyde (–CHO) en acide carboxylique (–COOH) et le groupement alcool primaire (–CH₂OH) en acide carboxylique (–COOH), conduisant à la formation d'acides aldariques. | | Acide aldarique | Un produit d'oxydation forte des aldoses, caractérisé par la présence de deux groupements acide carboxylique (–COOH) aux extrémités de la chaîne carbonée, généralement en position C1 et C6. La formation d'un acide aldarique est utile pour distinguer la nature des sucres par identification chimique. | | Oxydation par les sels de métaux lourds | Une réaction d'oxydo-réduction en milieu alcalin et chauffé, où certains ions métalliques (comme $Cu^{2+}$ ou $Ag^+$) agissent comme agents oxydants pour les oses réducteurs, tandis que les ions métalliques sont réduits. Les aldoses sont qualifiés de réducteurs car ils peuvent réduire ces ions. | | Ose réducteur | Un ose qui possède une fonction aldéhyde (–CHO) libre ou qui peut régénérer une fonction aldéhyde en milieu basique (même à partir d'une forme cyclique). Les oses réducteurs sont capables de réduire les ions de métaux lourds, comme $Cu^{2+}$ dans la liqueur de Fehling. | | Réduction chimique | Une réaction chimique qui est le complément de l'oxydation, où un agent réducteur tel que le borohydrure de sodium ($NaBH_4$) est utilisé pour transformer le groupement carbonyle d'un ose. Les aldoses sont réduits en polyols primaires, et les cétoses sont réduits en polyols secondaires. | | Polyol | Un composé organique contenant plusieurs groupements hydroxyles (–OH). Dans le contexte des oses, la réduction chimique transforme les aldoses en polyols primaires et les cétoses en polyols secondaires, modifiant ainsi la nature du sucre. | | Réaction de condensation | Une réaction chimique durant laquelle deux molécules se combinent pour former une molécule plus grande, avec l'élimination d'une petite molécule, typiquement de l'eau ($H_2O$). Les réactions de condensation des oses permettent la formation de liaisons glycosidiques, menant à des holosides ou des hétérosides. | | Liaison glycosidique | Une liaison covalente formée entre le carbone anomérique d'un ose et une autre molécule via une fonction hydroxyle ou amine. Dans les holosides, elle relie deux oses. Dans les hétérosides, elle lie un ose à un autre type de molécule, comme un alcool ou une base azotée (dans l'ADN/ARN). | | Holoside | Un type de polysaccharide ou de disaccharide composé uniquement d'unités de sucres (oses) reliées par des liaisons glycosidiques. L'exemple donné est la formation du maltose à partir de deux molécules de glucose par une liaison O-glycosidique en α-(1,4). | | Hétéroside | Un composé formé par la condensation d'un ose avec une molécule non glucidique, appelée aglycone. Il existe différents types d'hétérosides, tels que les O-hétérosides (sucre + alcool/phénol) et les N-hétérosides (sucre + amine, comme dans les acides nucléiques). | | Oside | Molécule glucidique complexe dont l'hydrolyse libère deux unités d'oses, identiques ou différentes, ou des oses et une molécule non glucidique. | | Liaison osidique | Liaison covalente formée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupement hydroxyle d'un autre ose, ou un groupement hydroxyle de l'aglycone dans le cas des hétérosides. | | Oligoside | Type d'holoside composé de 2 à 10 unités d'oses, comme le maltose (glucose + glucose) ou le saccharose (glucose + fructose). | | Polyoside (Polysaccharide) | Glucide complexe de grande taille, formé par la condensation de nombreuses molécules d'oses. Joue des rôles de réserve énergétique (amidon, glycogène) ou structuraux (cellulose). | | Sucre réducteur | Ose ou disaccharide qui possède une fonction hémiacétalique libre, lui permettant de réduire les sels métalliques, par exemple ceux de la liqueur de Fehling. | | Sucre non réducteur | Ose ou disaccharide dont la fonction hémiacétalique est engagée dans une liaison osidique, l'empêchant de réduire les sels métalliques. | | Aglycone | Partie non glucidique d'un hétéroside, qui peut être de nature lipidique, protéique, azotée, soufrée, etc. | | Glycoprotéine | Hétéroside où la partie glucidique est liée à une protéine, jouant des rôles variés comme la reconnaissance cellulaire, les fonctions immunitaires ou hormonales. | | Glycolipide | Hétéroside composé d'un lipide lié à un ou plusieurs oses, souvent retrouvé dans les membranes cellulaires et impliqué dans la reconnaissance intercellulaire. | | Homopolyside | Polyoside constitué d'un seul type d'ose, comme l'amidon ou la cellulose qui sont tous deux composés de glucose. | | Hétéropolyside | Polyoside composé de plusieurs types d'oses différents dans sa structure, comme certains composants de la matrice extracellulaire. | | Liaison α(1→4) | Liaison osidique où le carbone anomérique C1 d'un premier ose, en configuration alpha, est lié au carbone en position 4 du second ose. | | Liaison β(1→4) | Liaison osidique où le carbone anomérique C1 d'un premier ose, en configuration bêta, est lié au carbone en position 4 du second ose. | | Acides gras | Molécules composées d'une fonction acide carboxylique (–COOH, partie polaire et hydrophile) et d'un radical R (chaîne carbonée, partie non polaire et hydrophobe), de formule générale R–COOH. | | Acide gras saturé | Acide gras dont la chaîne carbonée ne contient aucune double liaison carbone-carbone ; elle est entièrement saturée en hydrogène. La formule générale est CₙH₂ₙ. | | Acide gras insaturé | Acide gras possédant au moins une double liaison carbone-carbone dans sa chaîne carbonée. Sa formule générale est CₙH₂ₙ₋₂ₓ, où x représente le nombre de doubles liaisons. | | Acide gras mono-insaturé (AGMI) | Acide gras qui ne possède qu'une seule double liaison carbone-carbone dans sa chaîne carbonée. L'exemple typique est l'acide oléique. | | Acide gras poly-insaturé (AGPI) | Acide gras qui contient plusieurs doubles liaisons carbone-carbone dans sa chaîne carbonée, séparées par un ou plusieurs groupements méthylènes. | | Chaîne carbonée | La partie hydrocarbonée d'un acide gras, constituée d'une série d'atomes de carbone liés entre eux. Cette chaîne est généralement linéaire et hydrophobe. | | Groupement carboxyle | La fonction acide de la molécule d'acide gras, représentée par –COOH. Elle est polaire, hydrophile et peut s'ioniser en carboxylate (–COO⁻) en milieu aqueux. | | Hydrophile | Se dit d'une substance ou d'une partie d'une molécule qui a une affinité pour l'eau et tend à s'y dissoudre. Dans les acides gras, le groupement carboxyle est hydrophile. | | Hydrophobe | Se dit d'une substance ou d'une partie d'une molécule qui repousse l'eau et tend à s'en éloigner. Dans les acides gras, la chaîne carbonée est hydrophobe. | | Liaison double | Une liaison chimique entre deux atomes de carbone impliquant quatre électrons, représentée par C=C. Les doubles liaisons confèrent une certaine rigidité à la chaîne carbonée des acides gras insaturés. | | Nomenclature | Ensemble de règles utilisées pour nommer les composés chimiques. Dans le cas des acides gras, elle peut être basée sur des noms d'usage, des noms systématiques (UICPA), ou des symboles abrégés. | | Oméga (ω) | Système de nomenclature des acides gras insaturés qui identifie la position de la première double liaison en comptant à partir du carbone méthylique terminal (–CH₃), appelé carbone oméga. | | Ponts de carbones | Liaison entre deux atomes de carbone adjacents dans une chaîne carbonée, généralement représentée par C-C dans les acides gras saturés. | | Point de fusion | Température à laquelle un corps solide passe à l'état liquide. Le point de fusion des acides gras est influencé par la longueur de leur chaîne carbonée et leur degré d'insaturation. | | Saponification | Réaction chimique d'un acide gras avec une base forte (comme NaOH ou KOH) pour former un sel d'acide gras (savon) et de l'eau. | | Symbole (notation) | Représentation abrégée d'un acide gras, indiquant le nombre total d'atomes de carbone et le nombre de doubles liaisons. Par exemple, C18:1 signifie 18 atomes de carbone et 1 double liaison. | | Tête hydrophile | La partie polaire et soluble dans l'eau d'une molécule amphipathique, telle que le groupement carboxyle (–COOH) d'un acide gras. | | Queue hydrophobe | La partie non polaire et insoluble dans l'eau d'une molécule amphipathique, telle que la longue chaîne carbonée d'un acide gras. | | Delta (Δ) | Système de nomenclature utilisé pour indiquer la position des doubles liaisons dans la chaîne d'un acide gras, en comptant à partir du carbone du groupement carboxyle, qui est le carbone 1. | | Hydrogénation | Réaction chimique par laquelle de l'hydrogène (H₂) est ajouté aux doubles liaisons d'un acide gras insaturé, le transformant en acide gras saturé. | | Estérification | Réaction chimique entre un acide gras et un alcool, formant un ester et de l'eau. Les triglycérides sont des esters formés par la réaction de trois acides gras avec le glycérol. | | Lipides | Composés organiques formés principalement de carbone, hydrogène et oxygène, caractérisés par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques non polaires. Ils sont souvent constitués d'acides gras et d'alcools. | | Glycérol | Un alcool à trois groupes hydroxyles (-OH) qui sert de squelette à de nombreux lipides, notamment les glycérides. Sa structure est souvent désignée par les positions alpha ($\alpha$), bêta ($\beta$), et alpha prime ($\alpha'$). | | Ester | Composé organique formé par la réaction entre un acide carboxylique et un alcool, avec élimination d'une molécule d'eau. C'est la liaison fondamentale dans de nombreux lipides. | | Lipides simples | Lipides composés uniquement de carbone, hydrogène et oxygène, résultant généralement de l'union d'acides gras avec un alcool. On distingue les glycérides, cérides et stérides. | | Glycérides | Lipides simples formés par la réaction entre le glycérol et un ou plusieurs acides gras. Ils sont classés en mono-, di-, et triacylglycérols selon le nombre d'acides gras liés. | | Triglycéride | Un glycéride composé de glycérol et de trois acides gras. Les graisses et huiles alimentaires et corporelles sont principalement des triglycérides, servant de réserve d'énergie. | | Cérides | Lipides simples formés par la réaction entre un acide gras et un alcool à longue chaîne. Ils constituent les cires naturelles et assurent des fonctions de protection et d'imperméabilisation. | | Stérides | Lipides simples formés par la réaction entre un stérol (comme le cholestérol) et un acide gras. Ils sont impliqués dans le transport et le stockage du cholestérol et sont présents dans les membranes cellulaires. | | Lipides complexes | Lipides contenant, outre le carbone, l'hydrogène et l'oxygène, d'autres éléments comme le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont des constituants majeurs des membranes cellulaires. | | Glycérophospholipides | Lipides complexes contenant du glycérol, deux acides gras, un groupe phosphate, et souvent un alcool lié au phosphate. Ils sont amphiphiles et forment la bicouche lipidique des membranes cellulaires. | | Sphingolipides | Lipides complexes dont le squelette est formé par une molécule de sphingosine au lieu du glycérol. Ils sont particulièrement présents dans le système nerveux, notamment dans la gaine de myéline. | | Glycolipides | Lipides formés par l'union d'un lipide (souvent un céramide) et d'un glucide. Ils sont situés à la surface des membranes cellulaires et jouent un rôle dans la reconnaissance et la communication intercellulaire. | | Amphiphile | Molécule possédant à la fois une partie hydrophile (qui aime l'eau) et une partie hydrophobe (qui repousse l'eau). Les glycérophospholipides et les glycolipides sont amphiphiles. | | Bicouche lipidique | Organisation structurelle formée par deux couches de molécules amphiphiles (comme les glycérophospholipides) en milieu aqueux, où les têtes hydrophiles sont orientées vers l'eau et les queues hydrophobes se regroupent au centre. | | Sphingosine | Molécule amino-dialcool à longue chaîne carbonée constituant le squelette de base des sphingolipides. Elle possède un groupe amine et deux groupes hydroxyles. | | Céramide | Composé formé par la liaison amide entre la sphingosine et un acide gras. C'est la partie lipidique de base des sphingolipides. | | Sphingomyéline | Un sphingolipide complexe comportant un céramide lié à un groupe phosphate et à un alcool (comme la choline). Il est abondant dans la gaine de myéline des neurones. | | Gangliosides | Type de sphingoglycolipides contenant une chaîne glucidique complexe de plusieurs sucres, dont souvent un acide sialique. Ils sont impliqués dans la reconnaissance cellulaire et sont abondants dans le cerveau. | | Stéroïdes | Lipides caractérisés par une structure chimique commune, le noyau stérane, composé de quatre cycles accolés. Le cholestérol et les hormones stéroïdiennes en font partie. | | Noyau stérane | Structure chimique rigide composée de quatre cycles fusionnés (trois cycles hexagonaux et un cycle pentagonal) qui est caractéristique de tous les stéroïdes. | | Cholestérol | Un stérol essentiel, stéroïde le plus connu. Il est un constituant majeur des membranes cellulaires, stabilise leur fluidité et est un précurseur de nombreuses autres molécules stéroïdiennes. | | Acides biliaires | Dérivés du cholestérol, synthétisés dans le foie, qui jouent un rôle crucial dans l'émulsification des graisses lors de la digestion dans l'intestin. | | Hormones stéroïdiennes | Hormones dérivées du cholestérol, possédant la structure du noyau stérane. Elles incluent les glucocorticoïdes, minéralocorticoïdes, androgènes, œstrogènes et progestatifs. | | Lipolyse | Réaction de dégradation des triglycérides stockés dans les adipocytes en acides gras et glycérol, libérant ainsi de l'énergie pour le corps. | | Acide aminé (AA) | Molécule organique constituant l'unité de base des protéines, caractérisée par une structure fondamentale comprenant une fonction amine (NH₂) et une fonction carboxylique (COOH) liées à un carbone central (carbone alpha). | | Carbone alpha ($\text{C}\alpha$) | Le carbone central d'un acide aminé, auquel sont attachés le groupe amine, le groupe carboxylique, un atome d'hydrogène et la chaîne latérale (R). Il est généralement chiral, sauf dans la glycine. | | Chaîne latérale (R) | Le groupement variable attaché au carbone alpha d'un acide aminé, qui détermine ses propriétés spécifiques et le différencie des autres acides aminés. | | Liaison peptidique | Liaison covalente formée entre le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amine d'un autre acide aminé, résultant de la condensation et de l'élimination d'une molécule d'eau, permettant la formation de chaînes polypeptidiques. | | Zwitterion | Une molécule neutre globalement qui porte à la fois une charge positive et une charge négative, résultant de la déprotonation du groupe carboxylique et de la protonation du groupe amine d'un acide aminé en milieu neutre. | | Chiralité | Propriété d'une molécule qui existe sous deux formes non superposables, comme une image miroir, généralement due à la présence d'un carbone asymétrique. Les acides aminés (sauf la glycine) sont chiraux et existent sous forme L et D. | | Acides aminés protéinogènes | Les 20 acides aminés standards utilisés par les organismes vivants pour fabriquer des protéines, codés par l'ADN et incorporés lors de la traduction de l'ARNm. | | Acides aminés essentiels | Acides aminés que l'organisme ne peut pas synthétiser et qui doivent être apportés par l'alimentation pour permettre la synthèse protéique. | | Acides aminés non essentiels | Acides aminés que l'organisme peut synthétiser lui-même à partir d'autres composés métaboliques. | | Polarité | Propriété d'une molécule relative à la répartition des charges électriques ; une molécule polaire a une zone partiellement positive et une zone partiellement négative, lui permettant d'interagir avec l'eau. | | Pont disulfure | Liaison covalente forte (S–S) formée entre deux groupes thiol (–SH) de deux résidus de cystéine dans une protéine, contribuant à stabiliser sa structure tridimensionnelle. | | Phosphorylation | Ajout d'un groupe phosphate (–$\text{PO}_4^{3-}$) à une molécule, souvent sur des résidus de sérine, thréonine ou tyrosine, jouant un rôle clé dans la régulation de l'activité des protéines. | | Méthylation | Ajout d'un groupe méthyle (–$\text{CH}_3$) à une molécule, un processus important dans la régulation de l'expression des gènes via la modification de l'ADN. | | pKa | La valeur du pH à laquelle 50 % d'un groupement ionisable est déprotoné (a perdu un proton) ; chaque fonction ionisable d'un acide aminé possède son propre pKa. | | pHi (point isoélectrique) | Le pH auquel un acide aminé ou une protéine porte une charge nette nulle et existe majoritairement sous forme zwitterionique. | | Transamination | Réaction chimique catalysée par des transaminases où un groupe amine est transféré d'un acide aminé à un acide alpha-cétonique, permettant la production de nouveaux acides aminés ou la dégradation des acides aminés. | | Acide alpha-cétonique | Molécule formée lors de la déamination d'un acide aminé, résultant de la perte du groupe amine, qui peut ensuite entrer dans le cycle de Krebs pour produire de l'énergie. | | Décarboxylation | Réaction enzymatique qui élimine un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de dioxyde de carbone ($\text{CO}_2$), conduisant à la formation d'amines physiologiquement actives. | | Amidation | Réaction chimique qui transforme un groupe carboxyle en un groupe amide (–CONH₂), processus fondamental dans la formation des liaisons peptidiques. | | Base de Schiff | Une base de Schiff est formée par la réaction entre un aldéhyde aromatique et un groupement amine, résultant en une double liaison carbone-azote (C=N) et la perte d'une molécule d'eau. Ces composés sont biologiquement importants, notamment dans les réactions enzymatiques impliquant des acides aminés. | | Ninhydrine | La ninhydrine est un réactif chimique oxydant (C₉H₆O₄) utilisé pour la détection et la quantification des acides aminés. Elle oxyde l'acide aminé, provoquant sa dégradation en aldéhyde, ammoniac et dioxyde de carbone, puis forme un complexe coloré appelé pourpre de Ruhemann avec l'ammoniac et un aldéhyde. | | Pourpre de Ruhemann | Le pourpre de Ruhemann est un complexe coloré violet intense formé par la réaction de la ninhydrine avec la plupart des acides aminés. Ce composé est utilisé pour la détection qualitative et la quantification des acides aminés dans diverses applications biochimiques et médico-légales. | | Créatine | La créatine est une petite molécule azotée, dérivée de la glycine, de l'arginine et de la méthionine. Dans les cellules musculaires, elle sert de réservoir d'énergie rapide en se convertissant en phosphocréatine, laquelle peut ensuite régénérer l'ATP lors d'efforts intenses. | | Créatinine | La créatinine est un déchet métabolique issu de la dégradation de la créatine et de la phosphocréatine dans les muscles. Elle est éliminée par les reins et sa concentration sanguine est un marqueur standard pour évaluer la fonction rénale. | | Catécholamines | Les catécholamines sont des molécules dérivées d'acides aminés aromatiques (phénylalanine, tyrosine) contenant un cycle benzénique avec deux groupes hydroxyles voisins et un groupe amine. Elles agissent comme hormones et neurotransmetteurs, tels que la dopamine, la noradrénaline et l'adrénaline. | | Tyramine | La tyramine est un analogue des catécholamines, dérivé de la tyrosine par décarboxylation. Elle agit comme un sympathomimétique indirect, mimant les effets des catécholamines en provoquant une vasoconstriction et une augmentation de la pression artérielle. | | Tryptamine | La tryptamine est un analogue des catécholamines dérivé du tryptophane par décarboxylation. C'est un vasoconstricteur puissant qui mime les effets des catécholamines sur le système cardiovasculaire. | | Sérotonine (5-hydroxytryptamine) | La sérotonine est un neurotransmetteur et une hormone dérivée du tryptophane par hydroxylation puis décarboxylation. Elle joue un rôle clé dans la régulation du sommeil, de l'humeur, de l'appétit, ainsi que dans le système cardiovasculaire et l'inflammation. | | S-adénosyl-méthionine (SAM) | La S-adénosyl-méthionine (SAM) est un coenzyme dérivé de la méthionine et de l'ATP. C'est un donneur universel de groupes méthyle (–CH₃) essentiel pour de nombreuses réactions de méthylation, notamment dans la synthèse de la créatine. | | Électrophorèse | L'électrophorèse est une technique de laboratoire utilisée pour séparer des acides aminés en fonction de leur charge électrique dans un champ électrique. Les acides aminés chargés migrent vers l'électrode de polarité opposée, permettant leur identification et leur séparation. | | Chromatographie | La chromatographie est une technique de séparation qui utilise deux phases, une phase stationnaire (fixe) et une phase mobile (en mouvement), pour séparer les composants d'un mélange en fonction de leurs propriétés physico-chimiques (polarité, charge, taille, etc.). | | Rapport frontal (Rf) | Le rapport frontal (Rf) est une mesure utilisée en chromatographie, calculée comme le rapport entre la distance parcourue par une tache d'un composé et la distance parcourue par le front du solvant. Chaque acide aminé possède un Rf caractéristique dans des conditions données, servant d'empreinte digitale pour son identification. | | Chromatographie ionique | La chromatographie ionique est une méthode de séparation qui exploite les charges électriques des acides aminés, dépendant du pH du milieu. Elle utilise des résines chargées pour retenir sélectivement les acides aminés positifs ou négatifs, qui sont ensuite élués en ajustant le pH ou la force ionique. | | Point isoélectrique (pHi) | Le point isoélectrique (pHi) est le pH auquel un acide aminé ou une molécule portant des groupes ionisables est globalement neutre, c'est-à-dire que la somme de ses charges positives et négatives est nulle. Ce concept est fondamental en chromatographie ionique. | | Hydrolyse acide | L'hydrolyse acide est une réaction chimique qui utilise de l'acide fort (comme le HCl) à haute température pour rompre les liaisons peptidiques et libérer les acides aminés constitutifs d'un peptide ou d'une protéine. Elle est utilisée pour déterminer la composition en acides aminés. | | Hydrolyse alcaline | L'hydrolyse alcaline utilise une base forte (comme le NaOH) à haute température pour rompre les liaisons peptidiques. Cette méthode est particulièrement utile pour préserver le tryptophane, qui est fragile lors de l'hydrolyse acide. | | Peptide | Un peptide est une petite chaîne constituée de plusieurs acides aminés reliés entre eux par des liaisons peptidiques. Les peptides sont classifiés selon leur taille : dipeptide (2 AA), tripeptide (3 AA), oligopeptide (<10 AA), polypeptide (10-100 AA), et protéine (>100 AA). | | Séquençage de peptides | Le séquençage de peptides est le processus de détermination de l'ordre des acides aminés dans une chaîne peptidique. Des méthodes comme celles de Sanger, de Dansyl, d'Edman, ou l'utilisation d'aminopeptidases et de carboxypeptidases sont employées. | | Méthode de Sanger | La méthode de Sanger utilise le 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène (DNFB) pour marquer le groupement amine libre (–NH₂) de l'acide aminé N-terminal. Après hydrolyse acide du peptide, le dérivé jaune DNF-acide aminé est identifié par chromatographie, révélant le premier acide aminé de la chaîne. | | Méthode au chlorure de dansyl | La méthode au chlorure de dansyl (DANS-Cl) est similaire à celle de Sanger mais utilise un réactif fluorescent. Le DANS-Cl marque l'acide aminé N-terminal, produisant un dérivé DANSYL-acide aminé fluorescent qui est ensuite séparé et identifié par chromatographie sous UV. Elle est plus sensible et plus rapide. | | Méthode d'Edman | La méthode d'Edman utilise l'isothiocyanate de phényle (PITC) pour marquer sélectivement le groupement amine libre du premier acide aminé N-terminal. Par une réaction douce en milieu acide, cet acide aminé est libéré sous forme de phénylthiohydantoïne (PTH-AA) identifiable, tandis que le reste du peptide reste intact, permettant un séquençage cyclique. | | Aminopeptidase | Une aminopeptidase est une exopeptidase qui hydrolyse les liaisons peptidiques à l'extrémité N-terminale d'un peptide, libérant séquentiellement les acides aminés un par un, à partir du début de la chaîne. | | Carboxypeptidase | Une carboxypeptidase est une exopeptidase qui agit sur l'extrémité C-terminale d'un peptide ou d'une protéine, libérant l'acide aminé C-terminal. Il existe différents types, comme la Carboxypeptidase A et B, qui varient dans leur spécificité pour les acides aminés. | | Endopeptidase | Une endopeptidase est une enzyme qui coupe les liaisons peptidiques à l'intérieur d'une chaîne polypeptidique, plutôt qu'aux extrémités. Des exemples incluent la trypsine, la chymotrypsine, la pepsine et la thermolysine, qui ont des spécificités de coupure différentes. | | Fragmentation chimique | La fragmentation chimique utilise des réactifs comme le bromure de cyanogène (BrCN) pour cliver spécifiquement une chaîne polypeptidique en fragments plus petits. Le BrCN coupe après les résidus de méthionine, permettant la génération de fragments pour faciliter le séquençage. | | Spectrométrie de masse | Bien que non détaillée dans le contenu fourni pour la définition, la spectrométrie de masse est une technique puissante utilisée pour identifier et quantifier des peptides et des protéines en mesurant le rapport masse/charge de leurs ions. Elle est souvent couplée à d'autres méthodes de séparation pour le séquençage. | | Séquence d'acides aminés | L'ordre spécifique dans lequel les acides aminés sont liés entre eux pour former une chaîne polypeptidique. Cet ordre est déterminé génétiquement et est crucial pour la structure tridimensionnelle et la fonction de la protéine. | | Conformation | La structure tridimensionnelle spécifique qu'une protéine adopte dans l'espace. Cette forme est essentielle à son activité biologique et peut être décrite à différents niveaux : primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire. | | Structure primaire | Le niveau de structure protéique qui décrit la séquence linéaire des acides aminés liés par des liaisons peptidiques. Elle détermine l'arrangement futur de la protéine. | | Structure secondaire | L'arrangement local régulier de segments de la chaîne polypeptidique, principalement stabilisé par des liaisons hydrogène. Les formes les plus communes sont l'hélice $\alpha$ (enroulement hélicoïdal) et le feuillet $\beta$ (arrangements en feuillets plissés). | | Hélice $\alpha$ | Une structure secondaire protéique où la chaîne polypeptidique s'enroule en une structure hélicoïdale régulière. Les chaînes latérales des acides aminés sont dirigées vers l'extérieur et la structure est stabilisée par des liaisons hydrogène intramoléculaires. | | Feuillet $\beta$ | Une structure secondaire protéique formée par l'alignement de plusieurs brins $\beta$ adjacents, souvent liés par des liaisons hydrogène. Ces brins peuvent être parallèles ou antiparallèles, formant une structure plane ou légèrement ondulée. | | Structure tertiaire | La conformation tridimensionnelle complète d'une protéine monomérique. Elle résulte des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés, y compris les liaisons covalentes (ponts disulfure) et non covalentes (liaisons hydrogène, interactions hydrophobes, forces de Van der Waals, interactions ioniques). | | Structure quaternaire | La disposition spatiale de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) qui s'assemblent pour former une protéine fonctionnelle active. Les sous-unités peuvent être identiques (homopolymères) ou différentes (hétéropolymères). | | Protéines globulaires | Des protéines dont la structure tridimensionnelle est globalement sphérique ou ovoïde. Elles sont généralement solubles dans l'eau et remplissent des fonctions diverses comme la catalyse enzymatique, le transport et la défense immunitaire. | | Scléroprotéines (protéines fibreuses) | Des protéines qui ont une structure allongée et sont généralement insolubles dans l'eau. Elles jouent souvent des rôles structuraux, comme le collagène dans les tissus conjonctifs ou la kératine dans les cheveux et les ongles. | | Cristallisation des protéines | Le processus par lequel les molécules de protéines s'organisent en une structure tridimensionnelle ordonnée et répétitive, formant un cristal. Cela peut être induit par des variations de pH, de concentration saline ou l'ajout de solvants organiques. | | Masse moléculaire (MM) | La masse d'une molécule de protéine, généralement exprimée en Daltons (Da). La MM est une propriété caractéristique de chaque protéine et peut être déterminée par diverses méthodes chromatographiques ou électrophorétiques. | | Caractère amphotère | La capacité d'une molécule, comme une protéine, à agir à la fois comme un acide (donneur de protons H⁺) et comme une base (accepteur de protons H⁺). Ce caractère est dû à la présence de groupes ionisables dans la protéine. | | Point isoélectrique (pI) | Le pH auquel une molécule amphotère, telle qu'une protéine, possède une charge nette globale nulle. À ce pH, la protéine est généralement moins soluble et ne migre pas dans un champ électrique. | | Propriétés antigéniques | La capacité d'une protéine à agir comme un antigène, c'est-à-dire à induire une réponse immunitaire spécifique, notamment la production d'anticorps. | | Holoprotéines | Des protéines composées uniquement d'acides aminés. Elles sont subdivisées en protéines globulaires et protéines fibreuses. | | Hétéroprotéines | Des protéines composées d'une partie protéique (apoprotéine) et d'une partie non protéique (groupement prosthétique), comme les groupements phosphoriques, les acides nucléiques, les sucres ou les lipides. | | Phosphoprotéines | Un type d'hétéroprotéine où le groupement prosthétique est un groupement phosphorique lié par une liaison ester à des résidus sérine et/ou thréonine. La caséine du lait en est un exemple. | | Nucléoprotéines | Des complexes formés par une protéine (apoprotéine) liée à un acide nucléique (ADN ou ARN). La télomérase est un exemple de nucléoprotéine impliquée dans la maintenance des télomères. | | Glycoprotéines | Des protéines liées de manière covalente à des chaînes glucidiques (sucres). Elles sont souvent localisées dans les membranes cellulaires et jouent des rôles dans la reconnaissance cellulaire, l'adhésion et la défense immunitaire. | | Lipoprotéines | Des complexes formés de lipides et de protéines. Elles sont essentielles au transport et à la distribution des lipides insolubles dans le plasma sanguin, comme les chylomicrons, le VLDL, le LDL et le HDL. | | Pression oncotique | Une forme de pression osmotique exercée par les protéines plasmatiques, principalement l'albumine, dans le sang. Elle aide à retenir l'eau dans les vaisseaux sanguins et à prévenir la formation d'œdèmes. | | Globulines | Des protéines globulaires solubles présentes dans le sérum sanguin, classées selon leur mobilité électrophorétique (alpha, bêta, gamma). Elles jouent des rôles dans le transport, la défense immunitaire et la coagulation. |

# Structure et filiation des oses La filiation des oses décrit l'ensemble des réactions chimiques permettant de relier les oses entre eux, modifiant ainsi la longueur de leur chaîne carbonée, ce qui établit une relation "généalogique" entre les différentes familles d'oses [1](#page=1). ### 1.1 Modification de la chaîne carbonée des oses La filiation des oses permet deux types de modifications de la chaîne carbonée [1](#page=1): * **Allongement de la chaîne carbonée:** Passer d'un aldose à $n$ carbones à un aldose à $n+1$ carbones [1](#page=1). * **Raccourcissement de la chaîne carbonée:** Passer d'un aldose à $n$ carbones à un aldose à $n-1$ carbones [1](#page=1). Cette filiation aide à comprendre les relations entre les différents oses comme les trioses, tétroses, pentoses et hexoses [1](#page=1). ### 1.2 La synthèse de Kiliani-Fischer pour l'élongation des chaînes carbonées La synthèse de Kiliani-Fischer est une réaction clé pour allonger la chaîne carbonée des aldoses. Elle se déroule en plusieurs étapes [1](#page=1): 1. **Addition de cyanure d'hydrogène (HCN)** [1](#page=1). Le HCN s'additionne sur le groupe aldéhyde (−CHO) du sucre, qui est le premier carbone de la chaîne. Ce carbone devient alors asymétrique car il se retrouve lié à quatre groupes différents: le groupe hydroxyle (−OH) issu de la transformation du carbonyle, le groupe cyano (−CN) apporté par le HCN, l'hydrogène initial du groupe aldéhyde, et le reste de la chaîne carbonée du sucre [1](#page=1). Par exemple, si l'on part du D-érythrose (un aldose à 4 carbones), l'addition de HCN conduit à une nouvelle structure [1](#page=1). 2. **Hydrolyse du groupe cyano en acide carboxylique** [1](#page=1). L'ajout d'eau ($H_2O$) et d'un acide ($H^+$) transforme le groupe cyano (−CN) en groupe acide carboxylique (−COOH). L'azote (N) est libéré sous forme d'ammoniac ($NH_3$). Le résultat est la formation d'un acide aldonic [1](#page=1). 3. **Réduction du groupe acide carboxylique en aldéhyde** [1](#page=1). Une réduction chimique du groupe acide carboxylique (−COOH) transforme celui-ci en groupe aldéhyde (−CHO). Cette étape allonge la chaîne carbonée d'un atome [1](#page=1). Le résultat final est l'obtention d'un nouvel aldose avec une chaîne carbonée plus longue d'un carbone. Par exemple, la synthèse de Kiliani-Fischer appliquée à un aldose à 4 carbones conduit à un aldose à 5 carbones (un aldopentose) [1](#page=1). > **Tip:** Il est important de noter que l'étape d'addition du HCN peut conduire à deux stéréoisomères différents (épimères) car le nouveau carbone formé peut avoir le groupe cyano de chaque côté (à droite ou à gauche) [1](#page=1). ### 1.3 Application aux cétoses Le mécanisme d'élongation de chaîne par la synthèse de Kiliani-Fischer est également applicable aux cétoses, bien que l'élongation débute généralement à partir d'un cétotriose ou de la dihydroxyacétone [1](#page=1). --- # Cyclisation et représentation des oses La transformation des oses en solution aqueuse de formes linéaires en formes cycliques, notamment la formation d'hémiacétals et les projections de Haworth pour représenter ces cycles en 3D, incluant les conformations bateau et chaise. ### 2.1 Nombre d'isomères des oses Le nombre d'isomères pour les aldoses et les cétoses peut être calculé selon des formules spécifiques basées sur le nombre de carbones totaux et le nombre de carbones non asymétriques. * **Aldoses:** Le nombre d'isomères est de $2^{n-2}$, où $n$ est le nombre total de carbones et 2 représente le nombre de carbones non asymétriques [2](#page=2). * **Exemple:** Pour le glucose ($n=6$), le nombre d'isomères est $2^{6-2} = 2^4 = 16$, soit 8 isomères D et 8 isomères L [2](#page=2). * **Cétoses:** Le nombre d'isomères est de $2^{n-3}$, où $n$ est le nombre total de carbones et 3 représente le nombre de carbones non asymétriques [2](#page=2). * **Exemple:** Pour le fructose ($n=6$), le nombre d'isomères est $2^{6-3} = 2^3 = 8$, soit 4 isomères D et 4 isomères L [2](#page=2). ### 2.2 La cyclisation des oses En solution aqueuse ou dans les milieux biologiques, les oses comportant plus de quatre atomes de carbone existent majoritairement sous forme cyclique plutôt que linéaire. Cette transformation implique la formation d'un hémiacétal [2](#page=2). #### 2.2.1 Formation de l'hémiacétal La cyclisation se produit lorsqu'un groupe hydroxyle (−OH) d'un carbone de la même molécule attaque le carbone du groupement carbonyle (C1 pour les aldoses, C2 pour les cétoses) [2](#page=2). 1. **Attaque nucléophile:** Le groupe −OH d'un carbone (souvent C5 ou C4) attaque le carbone du carbonyle. La double liaison C=O se rompt, l'oxygène captant un proton pour former une nouvelle liaison C–O dans le cycle [2](#page=2). 2. **Formation du carbone anomérique:** Le carbone du groupement carbonyle, initialement sp2 hybridé, devient sp3 hybridé et est appelé carbone hémiacétalique. Il porte désormais un groupe hydroxyle et une liaison avec l'oxygène du cycle [2](#page=2). 3. **Cyclisation selon Tollens:** Ce processus de cyclisation est parfois appelé cyclisation selon Tollens [2](#page=2). #### 2.2.2 Types de cycles formés La nature du cycle dépend du carbone portant le groupe −OH qui réalise l'attaque : * **Cycle à six chaînons (pyranose):** Formé lorsque le groupe −OH du carbone 5 attaque le carbonyle. Il comprend 5 atomes de carbone et 1 atome d'oxygène. L'exemple typique est le D-glucopyranose [2](#page=2). * **Cycle à cinq chaînons (furanose):** Formé lorsque le groupe −OH du carbone 4 attaque le carbonyle. Il comprend 4 atomes de carbone et 1 atome d'oxygène. L'exemple typique est le D-fructofuranose [2](#page=2). ### 2.3 La projection de Haworth La projection de Haworth est une représentation schématique simplifiée en 3D des cycles des sucres [3](#page=3). #### 2.3.1 Description * L'anneau est représenté de manière quasi planaire. * L'oxygène du cycle est généralement placé en haut à droite (ou parfois en haut à gauche) [3](#page=3). * Les carbones sont numérotés dans le sens des aiguilles d'une montre, en partant du carbone anomérique (C1) [3](#page=3). #### 2.3.2 Règles de représentation Pour passer de la projection de Fischer (forme linéaire) à la projection de Haworth (forme cyclique) : * Les groupes hydroxyle (−OH) qui sont à droite dans la projection de Fischer sont représentés en bas du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). * Les groupes hydroxyle (−OH) qui sont à gauche dans la projection de Fischer sont représentés en haut du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). #### 2.3.3 Le carbone anomérique Le carbone C1 (dans les aldoses) devient le centre anomérique après la cyclisation. Il peut exister sous deux formes, définies par la position du groupe −OH anomérique [3](#page=3): * **Forme α (alpha):** Le groupe −OH du carbone anomérique est orienté vers le bas [3](#page=3). * **Forme β (bêta):** Le groupe −OH du carbone anomérique est orienté vers le haut [3](#page=3). ### 2.4 Conformation spatiale des oses Dans les solutions, les cycles des oses adoptent des conformations spatiales tridimensionnelles appelées "bateau" et "chaise" [3](#page=3). * Ces formes (chaise et bateau) sont en équilibre dynamique [3](#page=3). * La **forme chaise est la plus stable** [3](#page=3). * Les oses naturels se présentent préférentiellement sous leur forme chaise [3](#page=3). --- # Propriétés chimiques et réactions des oses Ce chapitre détaille les propriétés chimiques fondamentales des oses, axées sur les réactions induites par leurs fonctions carbonyle et alcool, ainsi que les dérivés qu'elles génèrent. ### 3.1 Propriétés générales des oses Les oses présentent des propriétés physiques et chimiques distinctes. Physiquement, ils sont très solubles dans l'eau en raison de leurs nombreux groupements hydroxyles et possèdent un pouvoir rotatoire spécifique en solution, utile pour leur identification et leur dosage. Leur structure est thermodégradable, conduisant à une caramélisation par chauffage. Chimiquement, leurs réactions découlent principalement de la présence de la fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) ou du groupement hémiacétalique, ainsi que des fonctions alcools [4](#page=4). ### 3.2 Réactions dues à la fonction carbonyle Ces réactions sont particulièrement importantes car elles définissent les oses comme des "sucres réducteurs" dans certains contextes. #### 3.2.1 Oxydation L'oxydation des oses peut être réalisée par des méthodes chimiques ou enzymatiques, menant à différents produits selon la force de l'oxydant. ##### 3.2.1.1 Oxydation enzymatique L'oxydation enzymatique, par exemple celle du glucose par la glucose oxydase (GOD), utilise de l'oxygène moléculaire pour oxyder spécifiquement le D-glucose en acide gluconique, produisant du peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) comme sous-produit. Cette réaction est biochimiquement significative et employée dans les tests de glycémie [4](#page=4). La réaction générale est : Glucose + O₂ → [glucose oxydase Acide gluconique + H₂O₂ [4](#page=4). Dans cette réaction, le groupement aldéhyde (–CHO) du carbone 1 (C1) du glucose est converti en une fonction acide carboxylique (–COOH) [4](#page=4). ##### 3.2.1.2 Oxydation chimique douce L'oxydation chimique douce d'un aldose transforme le groupement aldéhyde (–CHO) en fonction acide carboxylique (–COOH) sans affecter les autres groupements hydroxyles de la molécule. Les réactifs couramment utilisés incluent le dibrome (Br₂/H₂O) [4](#page=4) [5](#page=5). La réaction générale est : Aldéhyde → Acide d'aldose [4](#page=4). Exemple: Le D-glucose est oxydé en acide D-gluconique par cette méthode [4](#page=4). ##### 3.2.1.3 Oxydation chimique forte L'oxydation forte des aldoses, généralement réalisée avec des oxydants puissants comme l'acide nitrique (HNO₃) et souvent à chaud, affecte à la fois le carbone 1 (oxydation du –CHO en –COOH) et le carbone terminal (C6 pour un hexose, oxydation du –CH₂OH en –COOH). Le produit obtenu est un acide dicarboxylique, appelé acide aldarique [5](#page=5). La réaction générale pour un aldose est : HOCH₂–(CHOH)₄–CHO + HNO₃ → (chaleur) HOOC–(CHOH)₄–COOH + H₂O [5](#page=5). Chez les cétoses, l'oxydation forte par l'acide nitrique entraîne une coupure de la chaîne carbonée autour du groupement cétone, produisant des acides plus courts. Par exemple, le D-fructose peut être coupé en acide glycolique et acide tartrique [6](#page=6). ##### 3.2.1.4 Oxydation par les sels de métaux lourds Des réactifs comme la liqueur de Fehling ou la solution de Tollens utilisent des ions de métaux lourds (Cu²⁺ ou Ag⁺) en milieu alcalin pour oxyder les oses. Les aldoses sont dits "réducteurs" car ils réduisent ces ions métalliques tout en étant eux-mêmes oxydés [6](#page=6). Le principe est une réaction d'oxydo-réduction : Ose (réducteur) + Sel métallique (oxydant) → Acide + Métal réduit [6](#page=6). Les aldoses, possédant un groupement aldéhyde libre ou capable de se régénérer en milieu basique, réduisent ces réactifs. Les cétoses, en revanche, ne possèdent pas de groupement aldéhyde. Cependant, en milieu basique, certains cétoses (comme le fructose) peuvent s'isomériser en aldoses (glucose ou mannose), leur permettant ainsi de réduire indirectement ces réactifs [6](#page=6). #### 3.2.2 Réduction La réduction des oses transforme la fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) en une fonction alcool, produisant des polyols [7](#page=7). ##### 3.2.2.1 Réduction des aldoses La réduction du groupement aldéhyde (–CHO) d'un aldose par des agents réducteurs comme le borohydrure de sodium (NaBH₄) conduit à la formation d'un alcool primaire. Le carbone du groupe aldéhyde devient ainsi un alcool primaire (–CH₂OH), transformant l'aldose en un polyol [7](#page=7). ##### 3.2.2.2 Réduction des cétoses De même, la réduction du groupement cétone (–CO–) d'un cétose par des agents réducteurs comme le borohydrure forme un alcool secondaire (–CHOH–). Le cétose est alors transformé en un polyol [7](#page=7). #### 3.2.3 Condensation Les réactions de condensation impliquent la formation d'une liaison covalente entre une fonction hydroxyle (–OH) d'un ose et un autre groupement fonctionnel (–OH, –NH₂), avec élimination d'une molécule d'eau. Ces réactions sont fondamentales pour la formation de liaisons glycosidiques et hétérosides [8](#page=8). ##### 3.2.3.1 Condensation avec un autre ose (Holoside) Lorsque la fonction hydroxyle d'un ose réagit avec celle d'un autre ose, on forme un disaccharide, un oligosaccharide ou un polysaccharide. La liaison formée est une liaison O-glycosidique, impliquant le carbone anomérique [8](#page=8). Exemple: Glucose + Glucose → Maltose (liaison α-1,4-glycosidique) + H₂O. Le produit est un holoside car composé uniquement de sucres [8](#page=8). ##### 3.2.3.2 Condensation avec un alcool ou un phénol (O-hétéroside) Si le partenaire de condensation n'est pas un sucre mais un alcool (R–OH) ou un phénol, on obtient un O-hétéroside [8](#page=8). Exemple: Sucre + R–OH → O-hétéroside + H₂O [8](#page=8). ##### 3.2.3.3 Condensation avec une amine (N-hétéroside) La condensation peut également se produire avec un groupement amine (–NH₂), formant un N-hétéroside. Cette réaction est cruciale en biochimie, notamment dans la formation des nucléosides des acides nucléiques (ADN et ARN), qui sont des N-hétérosides constitués d'un sucre et d'une base azotée [8](#page=8). ### 3.3 Réactions dues aux fonctions alcools Les groupements hydroxyles des oses participent également à plusieurs réactions importantes. #### 3.3.1 Estérification L'estérification est la réaction d'un groupement hydroxyle avec un acide pour former un ester et de l'eau. Les oses peuvent être estérifiés par divers acides, tels que l'acide phosphorique, l'acide sulfurique ou des acides carboxyliques [9](#page=9). Exemple: La formation de glucose 6-phosphate est une estérification du –OH en C6 du glucose par l'acide phosphorique [9](#page=9). Réaction chimique: Glucose + H₃PO₄ → Glucose 6-phosphate + H₂O [9](#page=9). Cette réaction est une étape clé dans le métabolisme énergétique, notamment la glycolyse [9](#page=9). #### 3.3.2 Déshydratation en milieu acide En présence d'un acide fort et de chaleur, les oses subissent une déshydratation intramoléculaire, perdant des molécules d'eau. Cette réaction conduit à la cyclisation de la molécule et à la formation de produits aromatiques comme le furfural (à partir des pentoses) ou l'hydroxyméthylfurfural (HMF) (à partir des hexoses) [10](#page=10). La réaction générale est : Ose → (acide fort + chaleur) Furfural / HMF + H₂O [10](#page=10). Exemples : * Ribose (pentose) → Furfural + 3 H₂O [10](#page=10). * Glucose (hexose) → Hydroxyméthylfurfural + 3 H₂O [10](#page=10). --- # Structure et classification des osides Un oside est une molécule glucidique complexe dont l'hydrolyse libère soit des oses identiques ou différents, soit des oses et une molécule non glucidique. Ils se divisent en holosides et hétérosides, selon leur composition [11](#page=11). ### 4.1 Les holosides Les holosides sont formés exclusivement d'oses unis par une liaison osidique [11](#page=11). #### 4.1.1 La liaison osidique La liaison osidique est une liaison covalente formée entre le carbone anomérique (C1) d'un ose et un groupement hydroxyle (–OH) d'un autre ose. Sa nature dépend de [11](#page=11): 1. La nature des oses liés (ex: glucose + galactose) [11](#page=11). 2. La forme cyclique de chaque ose: pyranose (cycle à 6 atomes) ou furanose (cycle à 5 atomes) [11](#page=11). 3. La configuration anomérique: $\alpha$ (si le –OH anomérique est en bas du plan) ou $\beta$ (si le –OH anomérique est en haut du plan) [11](#page=11). #### 4.1.2 Classification des holosides Les holosides sont classés en oligosides (2 à 10 oses) et polyosides (>10 oses) [11](#page=11). * **Oligosides**: Ils comprennent les diholosides, qui sont des disaccharides formés par la liaison de deux oses [11](#page=11). * **Diholosides réducteurs**: Ils se forment lorsque le carbone anomérique d'un ose se lie à un groupement –OH d'un autre ose, mais que le carbone anomérique du second ose reste libre. Ce dernier peut encore réduire les sels métalliques. Ces diholosides peuvent exister sous forme $\alpha$ ou $\beta$ car un carbone anomérique reste libre [11](#page=11). * **Diholosides non réducteurs**: Ils se forment lorsque les carbones anomériques des deux oses sont engagés dans la liaison osidique, n'en laissant aucun de libre [11](#page=11). #### 4.1.3 Nomenclature des osides La nomenclature d'un oside indique si la fonction hémiacétalique est libre ou engagée [12](#page=12). * Le suffixe **-ose** indique que l'ose a sa fonction hémiacétalique libre, c'est un sucre réducteur [12](#page=12). * Le suffixe **-osyl** désigne le premier ose d'un diholoside dont la fonction hémiacétalique est engagée dans la liaison [12](#page=12). * Le suffixe **-oside** indique que la fonction hémiacétalique du dernier ose est engagée, le sucre peut être non réducteur [12](#page=12). **Exemples de nomenclature :** * **Lactose**: Diholoside réducteur composé de D-galactose et D-glucose, liés par une liaison $\beta$(1→4) [12](#page=12). * Nom chimique: D-galactopyranosyl ($\beta \to$4)D-glucopyranose. Le lactose est réducteur car le glucose a son carbone anomérique libre [12](#page=12). * **Saccharose**: Diholoside non réducteur composé de glucose et fructose, liés par une liaison $\alpha$(1→$\beta$2) [12](#page=12). * Nom chimique: D-glucopyranosyl ($\alpha \to\beta$)D-fructofuranoside. Les deux carbones anomériques (C1 du glucose et C2 du fructose) sont engagés, rendant le saccharose non réducteur. C'est le sucre de table [12](#page=12) [13](#page=13). * **Maltose**: Diholoside réducteur composé de deux molécules de D-glucose, liées par une liaison $\alpha$(1→4) [13](#page=13). * Nom chimique: D-glucopyranosyl ($\alpha \to$4)D-glucopyranose. Le second glucose garde son C1 libre, il est donc réducteur. C'est un produit de la digestion de l'amidon ou du glycogène [13](#page=13). > **Tip:** La notation (1→4) est une forme simplifiée de la liaison osidique où les numéros indiquent les carbones impliqués. $\alpha \to 4$ spécifie la configuration anomérique du premier ose engagé [13](#page=13) [15](#page=15). #### 4.1.4 Les polysides (polysaccharides) Les polysides sont de grands glucides complexes formés par la condensation de nombreuses molécules d'oses. Ils jouent des rôles de réserve énergétique (amidon, glycogène), structurel (cellulose, chitine) ou spécifique (acide hyaluronique, héparine) [14](#page=14). Les polysides se distinguent par : 1. Le type d'oses constitutifs (identiques ou différents) [14](#page=14). 2. Le type de liaison osidique ($\alpha$ ou $\beta$, et les positions des carbones: 1→4, 1→6, etc.) [14](#page=14). 3. La structure de la chaîne (linéaire ou ramifiée) [14](#page=14). **Grandes familles de polysides :** * **Homopolysides**: Formés d'un seul type d'ose [14](#page=14). | Exemple | Oses constitutifs | Type de liaison | Structure | Rôle | | :--------- | :---------------- | :------------------------ | :------------------------ | :----------------------------- | | Amidon | Glucose | $\alpha$(1→4) et $\alpha$(1→6) | Ramifiée et linéaire | Réserve énergétique végétale | | Glycogène | Glucose | $\alpha$(1→4) et $\alpha$(1→6) | Fortement ramifiée | Réserve énergétique animale | | Cellulose | Glucose | $\beta$(1→4) | Linéaire | Rôle structural (paroi végétale)| ### 4.2 Les hétérosides Un hétéroside est une molécule composée de deux parties: une partie glucidique (ose ou oside) et une partie non glucidique appelée aglycone. Ces deux parties sont unies par une liaison osidique. L'hydroxyle du carbone anomérique du sucre se lie à un atome de la partie aglycone [15](#page=15). Selon l'atome de l'aglycone participant à la liaison, on distingue plusieurs types d'hétérosides [15](#page=15): * **O-hétérosides**: Liaison de l'ose à un atome d'oxygène (O) de l'aglycone. Exemples: liaisons ose–sérine/thréonine dans les glycoprotéines [15](#page=15). * **N-hétérosides**: Liaison de l'ose à un atome d'azote (N) de l'aglycone. Exemples: nucléosides (adénosine: ribose + adénine) dans l'ADN et l'ARN [15](#page=15). * **C-hétérosides**: Liaison de l'ose à un atome de carbone (C) de l'aglycone. Exemples: certains pigments végétaux [15](#page=15). * **S-hétérosides**: Liaison de l'ose à un atome de soufre (S) de l'aglycone. Exemples: composés soufrés des plantes alliacées [15](#page=15). #### 4.2.1 L'aglycone L'aglycone est la partie non glucidique associée au sucre. Elle peut être de différents types [15](#page=15): * **Lipide**: Forme des **glycolipides**, présents dans les membranes cellulaires [15](#page=15). * **Protéine**: Forme des **glycoprotéines**, **protéoglycanes**, etc., jouant des rôles variés (structure, reconnaissance, enzymes) [15](#page=15). * **Peptides + polysaccharides**: Forme des **peptidoglycanes**, constituant la paroi bactérienne [15](#page=15). * **Fixation non enzymatique de glucose sur une protéine**: Forme des **protéines glyquées**, agissant comme marqueurs biologiques (ex: HbA1c) [15](#page=15). #### 4.2.2 Exemples d'hétérosides | Type d'hétéroside | Liaison | Exemple typique | Où trouve-t-on ? | | :---------------- | :----------------------- | :-------------------------------------------- | :------------------------------------------------------------ | | Ose + Protéine | Glycoprotéine | Récepteurs membranaires, hormones | Cellules | | Ose + Lipide | Glycolipide | Membrane cellulaire (ex: globules rouges) | Membrane cellulaire | | Ose + Base azotée | Nucléoside | Adénosine (base + ribose) | ADN, ARN | Dans les cellules, les hétérosides sont impliqués dans l'identification cellulaire (glycolipides), la communication (glycoprotéines) et le stockage/transmission de l'information génétique (nucléosides) [16](#page=16). --- # Lipides : définition, classification et propriétés Ce chapitre introduit les lipides, en détaillant leur nature hydrophobe, leur composition générale, leur classification en lipides simples et complexes, ainsi que leurs propriétés physico-chimiques fondamentales. ### 5.1 Définition des lipides Les lipides sont des composés organiques majoritairement constitués de carbone (C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O). Leur caractéristique essentielle est leur nature hydrophobe, ce qui signifie qu'ils n'interagissent pas avec les molécules d'eau. Ils sont également insolubles dans l'eau, qui est une molécule polaire, mais se dissolvent bien dans des solvants non polaires tels que le chloroforme, l'éther ou le benzène [17](#page=17). La structure générale de la majorité des lipides comprend deux parties principales : 1. Des acides gras: de longues chaînes d'atomes de carbone terminées par un groupe acide (-COOH) [17](#page=17). 2. Un alcool: souvent le glycérol, qui possède un ou plusieurs groupes hydroxyle (-OH) [17](#page=17). La liaison entre un acide gras et un alcool forme un ester, qui est la base chimique de nombreux lipides comme les graisses et les huiles [17](#page=17). Certains composés, bien que dépourvus d'acides gras, sont classés parmi les lipides en raison de leur caractère hydrophobe. Cela inclut les stéroïdes (cholestérol, hormones stéroïdes) et les vitamines liposolubles (vitamines E, D, K, A) [17](#page=17). Les rôles principaux des lipides incluent l'isolement et la protection des organes. Ils constituent une réserve de graisse dans le tissu adipeux, agissant comme une barrière isolante thermique pour maintenir la température corporelle et comme un amortisseur mécanique protégeant les organes vitaux des chocs [17](#page=17). ### 5.2 Classification des lipides Les lipides sont classés en deux grandes catégories selon leur composition chimique: les lipides simples et les lipides complexes [19](#page=19). #### 5.2.1 Lipides simples (ou homolipides) Ces lipides sont composés uniquement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils résultent de la réaction d'estérification entre des acides gras et un alcool. La formule générale de leur formation est [19](#page=19) [29](#page=29): $$ \text{Acide gras} + \text{Alcool} \rightarrow \text{Lipide simple} + \text{H}_2\text{O} $$ Les principales classes de lipides simples sont déterminées par le type d'alcool utilisé : ##### 5.2.1.1 Glycérides L'alcool impliqué est le glycérol (propane-1,2,3-triol). Chaque molécule de glycérol peut se lier à un, deux ou trois acides gras pour former des mono-, di-, ou triglycérides [19](#page=19) [29](#page=29). | Type de glycéride | Composition | Exemple | Rôle | | :---------------- | :--------------------------- | :----------------------------------- | :------------------------------------------------------- | | Monoglycéride | 1 acide gras + 1 glycérol | Intermédiaire dans la digestion | | | Diglycéride | 2 acides gras + 1 glycérol | Rare | | | Triglycéride | 3 acides gras + 1 glycérol | Graisses, huiles | Réserve d'énergie, isolation thermique, protection | [29](#page=29). Les graisses animales et les huiles végétales sont principalement des triglycérides [29](#page=29). ##### 5.2.1.2 Cérides (ou cires) L'alcool est un alcool à longue chaîne, généralement composé de 16 à 30 atomes de carbone. Ces lipides forment les cires, que l'on retrouve sur la peau, les feuilles ou les plumes [19](#page=19) [29](#page=29). Exemples : * Cire d'abeille: protège les rayons de la ruche [29](#page=29). * Sébium (cire cutanée): protège la peau et les poils contre la déshydratation [29](#page=29). * Cires végétales: limitent l'évaporation sur les feuilles [29](#page=29). Le rôle principal des cérides est la protection et l'imperméabilisation contre l'eau et les agents extérieurs [19](#page=19) [29](#page=29). La réaction de formation d'un céride implique un acide gras et un alcool gras, produisant un ester cireux et de l'eau : $$ \text{CH}_3–(\text{CH}_2)_{14}–\text{C}(=\text{O})–\text{OH} + \text{HO}–\text{CH}_2–(\text{CH}_2)_{14}–\text{CH}_3 \rightarrow \text{CH}_3–(\text{CH}_2)_{14}–\text{C}(=\text{O})–\text{O}–\text{CH}_2–(\text{CH}_2)_{14}–\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O} $$ Un exemple concret est la combinaison de l'acide palmitique (16 carbones) et de l'alcool cétylique (16 carbones) pour former le palmitate de cétyle, une cire naturelle [37](#page=37). Propriétés physico-chimiques des cérides : * **Solides à température ambiante**: leurs longues chaînes carbonées s'empilent efficacement, leur conférant un point de fusion élevé [37](#page=37). * **Très insolubles dans l'eau**: elles possèdent peu de groupes polaires, ce qui rend leur interaction avec l'eau minimale [37](#page=37). ##### 5.2.1.3 Stérides L'alcool constituant les stérides est un stérol, dont le cholestérol est le plus connu. L'union d'un acide gras avec le cholestérol forme un stéride (ou ester de cholestérol) [29](#page=29). Rôles : * Forme de stockage et de transport du cholestérol dans l'organisme [29](#page=29). * Présents dans les membranes cellulaires et les hormones stéroïdiennes [29](#page=29). #### 5.2.2 Lipides complexes Ces lipides contiennent, en plus de C, H, et O, des éléments tels que le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont souvent des constituants essentiels des membranes cellulaires [19](#page=19). ##### 5.2.2.1 Glycérophospholipides Ils sont constitués de glycérol, de deux acides gras, et d'un groupe phosphate. Le groupe phosphate peut être lié à un composé azoté. Leur rôle principal est la structure des membranes cellulaires [19](#page=19). ##### 5.2.2.2 Sphingolipides Ces lipides sont formés d'une base appelée sphingosine, d'un acide gras, et parfois d'un groupement phosphate. Ils sont particulièrement présents dans le système nerveux, notamment dans la gaine de myéline [19](#page=19). ##### 5.2.2.3 Glycolipides Les glycolipides sont formés de la combinaison d'un lipide et d'un glucide (sucre). Ils sont situés à la surface des membranes cellulaires et jouent un rôle clé dans la reconnaissance et la communication entre les cellules [19](#page=19). ### 5.3 Propriétés physico-chimiques des lipides Les lipides peuvent présenter différentes caractéristiques de solubilité : * **Hydrophobes**: totalement insolubles dans l'eau (exemples: triglycérides, cires) [19](#page=19). * **Amphiphiles**: possèdent une partie hydrophile (affinité pour l'eau) et une partie hydrophobe (repulsion de l'eau). Cette propriété est typique des phospholipides et des glycolipides [19](#page=19). > **Tip :** La distinction entre lipides simples et complexes repose sur la présence d'atomes autres que C, H, et O, comme P ou N, ce qui est crucial pour leur fonction dans les membranes biologiques. > **Example :** Les triglycérides, formes de stockage d'énergie, sont de parfaits exemples de lipides simples hydrophobes. En revanche, les phospholipides, composants majeurs des membranes, sont amphiphiles, leur permettant de former des bicouches lipidiques en milieu aqueux. --- # Acides gras : structure, nomenclature et propriétés Les acides gras sont des molécules amphipathiques composées d'une chaîne carbonée hydrophobe et d'une tête carboxylique hydrophile, dont la structure, la nomenclature et les propriétés physico-chimiques varient en fonction de la longueur de la chaîne et de la présence ou non de doubles liaisons. ### 6.1 Définition et structure générale des acides gras Un acide gras est un acide monocarboxylique dont la structure se compose de deux parties distinctes : * Une fonction acide carboxylique (–COOH), qui est polaire et donc hydrophile (soluble dans l'eau) [20](#page=20). * Un radical R, qui est une chaîne carbonée (hydrocarbonée), non polaire et donc hydrophobe (insoluble dans l'eau) [20](#page=20). La formule générale d'un acide gras est donc R–COOH, où R représente la chaîne carbonée [20](#page=20). #### 6.1.1 Caractéristiques générales des chaînes carbonées Les chaînes carbonées des acides gras présentent plusieurs caractéristiques communes : * **Chaîne linéaire**: Les carbones sont généralement reliés les uns aux autres sans ramification [20](#page=20). * **Nombre pair de carbones**: Les acides gras sont synthétisés à partir d'unités de deux carbones (acétyl-CoA), ce qui conduit à un nombre pair d'atomes de carbone dans la chaîne [20](#page=20). * **Longueur de chaîne**: Les acides gras naturels comportent typiquement entre 14 et 24 atomes de carbone [20](#page=20). * **Degré d'insaturation**: La chaîne peut être totalement saturée (sans double liaison) ou insaturée (avec une ou plusieurs doubles liaisons). Jusqu'à 6 doubles liaisons peuvent être présentes [20](#page=20). * **Formes possibles**: Ils peuvent être linéaires, ramifiés ou cycliques [20](#page=20). * **Non hydrolysables**: Contrairement aux lipides complexes, les acides gras ne peuvent pas être hydrolysés en sous-unités plus petites [20](#page=20). #### 6.1.2 Ionisation du groupement carboxyle Dans l'eau, à un pH physiologique d'environ 7,4, le groupement carboxyle (–COOH) peut perdre son proton (H⁺) pour former un ion carboxylate (–COO⁻). Cette ionisation rend cette partie de la molécule chargée négativement et donc hydrosoluble, tandis que la chaîne hydrocarbonée reste hydrophobe et insoluble. La réaction est la suivante [20](#page=20): $R–COOH \leftrightarrow R–COO^{-} + H^{+}$ [20](#page=20). ### 6.2 Nomenclature des acides gras La nomenclature des acides gras repose sur leur structure, notamment la présence ou l'absence de doubles liaisons et le nombre de carbones. #### 6.2.1 Acides gras saturés Les acides gras saturés ne possèdent aucune double liaison carbone-carbone dans leur chaîne carbonée. Leur chaîne est entièrement saturée en hydrogène [21](#page=21) [22](#page=22). ##### 6.2.1.1 Formule générale et exemples La formule générale des acides gras saturés est $C_nH_{2n}O_2$ ou $CH_3–(CH_2)_n–COOH$. Ils ont généralement un nombre pair de carbones [21](#page=21). * **Acide palmitique** : * Nom d'usage: Acide palmitique [22](#page=22). * Nom systématique: Acide n-hexadécanoïque [22](#page=22). * Symbole: C16:0 [22](#page=22). * Formule brute: $C_{16}H_{32}O_2$ [22](#page=22). * Formule développée: $CH_3–(CH_2)_{14}–COOH$ [22](#page=22). * Interprétation du symbole C16:0: 16 carbones, 0 double liaison [22](#page=22). * **Acide stéarique** : * Nom d'usage: Acide stéarique [22](#page=22). * Nom systématique: Acide n-octadécanoïque [22](#page=22). * Symbole: C18:0 [22](#page=22). * Formule brute: $C_{18}H_{36}O_2$ [22](#page=22). * Formule développée: $CH_3–(CH_2)_{16}–COOH$ [22](#page=22). * Interprétation du symbole C18:0: 18 carbones, 0 double liaison [22](#page=22). Le préfixe "n-" devant le nom systématique indique une chaîne linéaire et non ramifiée [22](#page=22). ##### 6.2.1.2 Acides gras saturés représentatifs | Acide gras | Notation | Nombre de carbones | Source principale | | :------------- | :------- | :----------------- | :----------------------------------------------------- | | Acide palmitique | C16:0 | 16 | Graisses animales, huile de palme | [21](#page=21). | Acide stéarique | C18:0 | 18 | Graisses animales, chocolat | [21](#page=21). | Acide butyrique | C4:0 | 4 | Beurre, métabolisme bactérien | [21](#page=21). | Acide lignocérique | C24:0 | 24 | Lipides du tissu nerveux | [21](#page=21). #### 6.2.2 Acides gras insaturés Les acides gras insaturés possèdent au moins une double liaison carbone-carbone dans leur chaîne carbonée [22](#page=22). ##### 6.2.2.1 Formule générale et caractéristiques La formule générale des acides gras insaturés est $C_nH_{2n-2x}O_2$, où $x$ représente le nombre de doubles liaisons. La longueur de chaîne se situe généralement entre 16 et 20 carbones. La première double liaison se trouve fréquemment entre les carbones 9 et 10. Les doubles liaisons sont généralement séparées par au moins un groupement méthylène (–CH₂–) [22](#page=22). ##### 6.2.2.2 Classification selon le nombre de doubles liaisons * **Acides gras mono-insaturés (AGMI)**: Ils ne possèdent qu'une seule double liaison, souvent située en position C9-C10 [23](#page=23). * **Acide oléique** : * Notation: C18:1Δ9 (ou ω9) [23](#page=23). * Formule développée: $CH_3-(CH_2)_7-CH=CH-(CH_2)_7-COOH$ [23](#page=23). * Ces acides gras sont souvent liquides à température ambiante et présents dans les huiles végétales [23](#page=23). * **Acides gras poly-insaturés (AGPI)**: Ils comportent plusieurs doubles liaisons, toujours séparées par un ou plusieurs groupements méthylènes (–CH₂–). Ils sont essentiels et doivent être apportés par l'alimentation [23](#page=23). | Acide gras | Symbole | Localisation des doubles liaisons | Famille | | :------------------ | :------- | :-------------------------------- | :------ | | Acide linoléique | C18:2Δ9,12 | Δ9, Δ12 | ω6 | | Acide α-linolénique | C18:3Δ9,12,15 | Δ9, Δ12, Δ15 | ω3 | Ces acides gras jouent des rôles importants dans le développement, la synthèse de molécules chimiques et le fonctionnement cardiovasculaire [23](#page=23). ##### 6.2.2.3 Systèmes de numérotation des doubles liaisons Il existe deux systèmes pour indiquer la position des doubles liaisons : * **Notation Δ (Delta)**: Cette notation indique la position de la double liaison par rapport au groupe carboxyle (COOH), qui est le carbone 1. Par exemple, C18:1Δ9 signifie que la double liaison se situe entre le carbone 9 et le carbone 10 [23](#page=23). * **Notation ω (Oméga)**: Cette notation indique la position de la double liaison par rapport au méthyle terminal (CH₃), appelé carbone ω. Par exemple, C18:1ω9 signifie que la double liaison se trouve sur le 9ème carbone compté à partir du CH₃ terminal [23](#page=23). #### 6.2.3 Configurations cis et trans des doubles liaisons La double liaison C=C dans les acides gras insaturés confère une certaine rigidité à la chaîne et limite la rotation autour de cette liaison. Deux configurations sont possibles [24](#page=24): * **Configuration Cis**: Les deux atomes d'hydrogène sont du même côté de la double liaison. Cela entraîne un coudage ou un pli de la chaîne carbonée, empêchant un empaquetage serré des molécules. Les acides gras cis sont donc généralement liquides à température ambiante [24](#page=24). * **Configuration Trans**: Les deux atomes d'hydrogène sont de part et d'autre de la double liaison. La chaîne reste plus linéaire, ressemblant ainsi à un acide gras saturé. Les acides gras trans sont donc généralement solides à température ambiante [24](#page=24). ### 6.3 Propriétés physico-chimiques des acides gras Les propriétés physiques des acides gras dépendent principalement de la longueur de leur chaîne carbonée et de leur degré d'insaturation [26](#page=26). #### 6.3.1 Solubilité dans l'eau La solubilité des acides gras dans l'eau est limitée en raison de leur caractère amphipathique [26](#page=26). * La tête carboxylique (–COOH) est hydrophile et aime l'eau. * La chaîne carbonée (–CH₂–) est hydrophobe et repousse l'eau. Plus la chaîne hydrocarbonée est longue, plus la partie hydrophobe domine, et moins l'acide gras est soluble dans l'eau [26](#page=26). * Les chaînes courtes (C4, C6) sont solubles dans l'eau [26](#page=26). * Les chaînes longues (> C10) sont pratiquement insolubles dans l'eau [26](#page=26). La présence de doubles liaisons augmente légèrement la solubilité car elle empêche les molécules de se serrer [26](#page=26). #### 6.3.2 Densité Les acides gras ont une densité légèrement inférieure à celle de l'eau, généralement entre 0,8 et 0,95 g/cm³. C'est pourquoi les huiles flottent à la surface de l'eau [26](#page=26). | Liquide | Masse volumique (g/ml) | | :--------------- | :-------------------- | | Huile d’olive | 0,92 | | Térébenthine | 0,86 | | Essence | 0,69 | #### 6.3.3 Point de fusion Le point de fusion est la température à laquelle un corps solide passe à l'état liquide. Deux facteurs influencent le point de fusion des acides gras [27](#page=27): * **Longueur de la chaîne carbonée**: Une chaîne carbonée plus longue permet des interactions intermoléculaires plus fortes, nécessitant plus de chaleur pour séparer les molécules. Par conséquent, le point de fusion augmente avec la longueur de la chaîne [27](#page=27). * Chaîne courte (moins de 10 C): Liquide à température ambiante [27](#page=27). * Chaîne longue (plus de 10 C): Solide à température ambiante [27](#page=27). Les graisses solides comme le beurre contiennent des acides gras longs et saturés, tandis que les huiles liquides contiennent des acides gras courts ou insaturés [27](#page=27). * **Degré d'insaturation (présence de doubles liaisons)**: Chaque double liaison crée un "pli" dans la chaîne, ce qui empêche les molécules de s'emboîter efficacement. Les interactions intermoléculaires sont donc plus faibles, ce qui abaisse le point de fusion. Plus il y a de doubles liaisons, plus le point de fusion est bas et plus la substance est liquide [27](#page=27). #### 6.3.4 Propriétés chimiques Les réactions chimiques des acides gras sont principalement dues à deux éléments : la fonction acide carboxylique (–COOH) et les doubles liaisons (C=C) présentes dans les acides gras insaturés. ##### 6.3.4.1 Réactions dues à la fonction acide (–COOH) * **Formation de sels alcalins (savons)**: La réaction d'un acide gras avec une base forte (comme NaOH ou KOH) forme un sel d'acide gras, appelé savon, et de l'eau [27](#page=27). $R–COOH + NaOH \rightarrow R–COO^{-}Na^{+} + H_2O$ [27](#page=27). Le sel (savon) est amphipathique: la partie $R–COO^{-}$ est hydrophobe, tandis que le cation $Na^{+}$ est hydrophile, ce qui confère aux savons leurs propriétés détergentes [27](#page=27). * **Estérification**: La réaction d'un acide gras avec un alcool forme un ester et de l'eau. Cette réaction est fondamentale dans la formation des lipides complexes. Par exemple, les triglycérides (graisses neutres) se forment lorsque trois acides gras se lient à une molécule de glycérol (un alcool) [28](#page=28). $R–COOH + R'–OH \rightarrow R–COO–R' + H_2O$ [28](#page=28). ##### 6.3.4.2 Réactions dues à la présence de doubles liaisons (C=C) Ces réactions ne concernent que les acides gras insaturés. * **Hydrogénation**: L'hydrogénation consiste à ajouter de l'hydrogène ($H_2$) sur les doubles liaisons. Ce processus supprime les doubles liaisons, transformant un acide gras insaturé en acide gras saturé [28](#page=28). $CH_2=CH–CH=CH–CH + H_2 \rightarrow CH_3–CH_2–CH_2–CH_2–CH_2$ [28](#page=28). Un exemple pratique est l'hydrogénation d'huiles végétales (liquides, insaturées) pour produire de la margarine (solide, saturée) [28](#page=28). * **Oxydation**: L'oxydation des acides gras insaturés (par exemple, avec du permanganate de potassium, $KMnO_4$) conduit à la rupture des doubles liaisons. On obtient alors des acides carboxyliques. Chaque double liaison donne naissance à un acide simple et un diacide (portant deux fonctions –COOH) [28](#page=28). $R–CH=CH–R'–COOH + KMnO_4 \rightarrow R–COOH + HOOC–R'–COOH$ [28](#page=28). Cette réaction explique le rancissement des graisses lorsqu'elles s'oxydent à l'air [28](#page=28). --- # Triglycérides et stérides Les triglycérides et les stérides sont deux classes importantes de lipides, jouant des rôles cruciaux dans le stockage d'énergie, la structure cellulaire et diverses fonctions physiologiques [30](#page=30) [31](#page=31) [32](#page=32) [33](#page=33). ### 7.1 Les glycérides (ou acylglycérols) #### 7.1.1 Définition et formation Les glycérides sont des esters formés par la réaction entre le glycérol et un ou plusieurs acides gras. Le glycérol est un triol possédant trois groupes hydroxyles (-OH). Les carbones du glycérol sont nommés $\alpha$ (premier carbone), $\beta$ (carbone central) et $\alpha'$ (dernier carbone) [30](#page=30). La réaction générale d'estérification est la suivante : G y é + d gras→G y é d +H S d g y é #### 7.1.2 Types de glycérides Selon le nombre d'acides gras estérifiés au glycérol, on distingue plusieurs types de glycérides : | Type de glycéride | Nombre d'acides gras | Exemple | Remarque | | :---------------- | :------------------- | :------ | :------- | | Monoglycéride | 1 | | Intermédiaire digestif, amphipathique | | Diglycéride | 2 | | Intermédiaire métabolique, amphipathique | | Triglycéride | 3 | | Graisses et huiles, très hydrophobe | On distingue également les glycérides simples (ou homogènes), où tous les acides gras sont identiques (R₁ = R₂ = R₃), des glycérides mixtes (ou hétérogènes), où les acides gras sont différents (R₁ ≠ R₂ ≠ R₃). L'acide tripalmitique est un exemple de glycérides simples, tandis que l'acide palmito-oléostéarique est un exemple de glycérides mixtes [30](#page=30). #### 7.1.3 Propriétés physiques * **Solubilité**: Les monoglycérides et les diglycérides sont amphipathiques, possédant une partie hydrophile (glycérol) et une partie hydrophobe (acides gras). Les triglycérides sont totalement hydrophobes; ils sont insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques comme l'éther ou le chloroforme [31](#page=31). * **Point de fusion**: Il dépend du type d'acides gras. Les acides gras saturés conduisent à des solides à température ambiante (graisses), tandis que les acides gras insaturés conduisent à des liquides à température ambiante (huiles) [31](#page=31). #### 7.1.4 Réactions chimiques a) **Hydrolyse acide ou enzymatique** : T g y é d +3H →G y é +3 d gras C'est une réaction naturelle observée lors de la digestion par les lipases [31](#page=31). b) **Hydrolyse alcaline (saponification)** : T g y é d +3N H→G y é +3S Cette réaction est utilisée industriellement pour la fabrication de savons [31](#page=31). #### 7.1.5 Rôles des triglycérides Les triglycérides (TG) sont les principaux lipides de stockage d'énergie dans l'organisme [31](#page=31). 1. **Rôle énergétique** : * Un gramme de triglycéride fournit environ 9 kilocalories (kcal), soit le double de l'énergie fournie par les glucides ou les protéines (environ 4 kcal/g) [31](#page=31). * Le corps stocke les TG dans le tissu adipeux [31](#page=31). * En cas de jeûne ou d'effort, les TG sont dégradés pour libérer des acides gras, qui sont oxydés pour produire de l'ATP, et du glycérol, qui peut être utilisé dans la néoglucogenèse [31](#page=31). * Le stockage des TG dans les adipocytes est une forme de stockage économique, car il n'est pas associé à de l'eau, contrairement au glycogène [31](#page=31). 2. **Rôle structurel et de protection** : * Le tissu adipeux sous-cutané agit comme isolant thermique, protégeant l'organisme contre le froid [31](#page=31). * Le tissu adipeux protège également les organes internes tels que le cœur et les reins [31](#page=31). 3. **Rôle physiopathologique** : * Un excès de triglycérides peut contribuer à l'obésité, au diabète et aux maladies cardiovasculaires [32](#page=32). * Le tissu adipeux produit également des facteurs inflammatoires, comme les cytokines [32](#page=32). #### 7.1.6 Digestion et hydrolyse des triglycérides Les triglycérides alimentaires ne sont pas absorbés directement car ils sont trop volumineux et hydrophobes. Ils doivent être hydrolysés en molécules plus simples: un monoglycéride et deux acides gras. Cette hydrolyse est réalisée par la lipase pancréatique dans l'intestin grêle [32](#page=32): T g y é d → M g y é d + G ##### 7.1.6.1 Hydrolyse dans les cellules (lipolyse) Lorsque le corps a besoin d'énergie, les triglycérides stockés dans les adipocytes sont dégradés par des réactions enzymatiques successives : 1. **ATGL (Adipose Triglyceride Lipase)** : Catalyse la première hydrolyse, libérant un acide gras et un diglycéride (DG). TG → Diglycéride (DG) + 1 AG 2. **HSL (Hormone Sensitive Lipase)** : Catalyse la seconde hydrolyse, libérant un autre acide gras et un monoglycéride (MG). DG → Monoglycéride (MG) + 1 AG 3. **MGL (Monoglycerol Lipase)** : Catalyse la troisième hydrolyse, libérant le dernier acide gras et le glycérol. MG → Glycérol + 1 AG Le résultat final de la lipolyse est la libération de trois acides gras et de glycérol [32](#page=32). ### 7.2 Les stérides (esters de cholestérol) #### 7.2.1 Définition Les stérides sont des lipides simples formés par l'estérification d'un stéroïde (tel que le cholestérol) avec un acide gras [32](#page=32). La réaction générale est : R–COOH + Ch é –OH →R–COO–Ch é + H₂ #### 7.2.2 Famille des stérènes / stéroïdes Les stérides appartiennent à la grande famille des stéroïdes, caractérisée par une structure chimique commune: le noyau stérane (ou noyau cyclopentanopérhydrophenanthrène) [33](#page=33). * **Structure du noyau stérane**: Il est constitué de quatre cycles accolés: trois cycles hexagonaux (A, B, C) et un cycle pentagonal (D). Cette structure rigide est à l'origine du mot "stéroïde" (du grec *stereos* signifiant solide) [33](#page=33). * **Présence**: Les stéroïdes sont présents chez les eucaryotes (animaux, plantes, champignons) mais absents chez les procaryotes (bactéries) [33](#page=33). ##### 7.2.2.1 Le cholestérol Le cholestérol est le stéroïde le plus important d'origine endogène chez l'homme [33](#page=33). * **Structure**: Sa formule est C₂₇H₄₆. Il possède une fonction alcool (-OH), ce qui en fait un stérol. Sa masse molaire est d'environ 386,65 g/mol [33](#page=33). * **Rôles du cholestérol** : 1. **Constituant majeur des membranes cellulaires**: Le cholestérol stabilise la fluidité et la perméabilité de la membrane cellulaire [33](#page=33). 2. **Précurseur de diverses molécules**: Il est le précurseur des acides biliaires, de la vitamine D, et des hormones stéroïdiennes [33](#page=33). * **Stérides (esters de cholestérol)**: Ces composés, formés de cholestérol estérifié avec un acide gras, sont moins hydratés et donc stockés dans des gouttelettes lipidiques [33](#page=33). --- # Dérivés du cholestérol et hormones stéroïdiennes Cette section détaille les molécules dérivées du cholestérol, incluant les acides biliaires et la vitamine D, ainsi que les principales hormones stéroïdiennes, leur origine et leurs fonctions biologiques [34](#page=34) [35](#page=35) [36](#page=36). ### 8.1 Dérivés du cholestérol #### 8.1.1 Acides biliaires Les acides biliaires sont synthétisés dans le foie à partir du cholestérol et stockés dans la vésicule biliaire. Leur fonction principale est d'émulsifier les graisses dans l'intestin, facilitant ainsi leur digestion. Il existe deux types d'acides biliaires [34](#page=34): * **Primaires:** Synthétisés directement par le foie, ils incluent l'acide cholique et l'acide chénodésoxycholique [34](#page=34). * **Secondaires:** Transformés par la flore intestinale à partir des acides biliaires primaires, ils incluent l'acide désoxycholique et l'acide lithocholique [34](#page=34). #### 8.1.2 Vitamine D La vitamine D est synthétisée dans la peau à partir du 7-déhydrocholestérol, un dérivé du cholestérol, sous l'action des rayons ultraviolets (UV). La réaction peut être schématisée comme suit [34](#page=34): $$ \text{7-déhydrocholestérol} + \text{UV} \rightarrow \text{Vitamine D}_3 \text{ (cholécalciférol)} $$ [34](#page=34). Son rôle essentiel est la minéralisation osseuse, car elle favorise l'absorption du calcium et du phosphore [34](#page=34). ### 8.2 Hormones stéroïdiennes Une hormone est définie comme une molécule chimique produite par une glande et libérée dans le sang pour agir à distance sur d'autres organes, tel un messager chimique. Les hormones stéroïdiennes sont une classe spécifique d'hormones [35](#page=35). #### 8.2.1 Définition et origine Le terme "stéroïdienne" dérive de "stéroïde", une molécule caractérisée par sa structure dérivée du cholestérol et contenant le noyau stérane, composé de quatre cycles accolés et rigides. Par conséquent, une hormone stéroïdienne est une hormone fabriquée à partir du cholestérol et possédant une structure stéroïde. La transformation du cholestérol en différentes hormones dépend de l'enzyme présente dans la cellule [35](#page=35). #### 8.2.2 Catégories et production des hormones stéroïdiennes Les principales familles d'hormones stéroïdiennes, leur lieu de production et des exemples sont présentés dans le tableau suivant : | Famille | Lieu de production | Exemples | | :-------------------- | :---------------------- | :----------- | | Glucocorticoïdes | Glande corticosurrénale | Cortisol | | Minéralocorticoïdes | Glande corticosurrénale | Aldostérone | | Androgènes | Testicules | Testostérone | | Œstrogènes | Ovaires | Estradiol | | Progestatifs | Corps jaune (ovaire) | Progestérone | #### 8.2.3 Rôles des principales hormones stéroïdiennes ##### 8.2.3.1 Cortisol * **Famille:** Glucocorticoïde [35](#page=35). * **Production:** Corticosurrénale (partie externe des glandes surrénales) [35](#page=35). * **Rôles :** * Régulation du métabolisme du glucose: augmentation de la glycémie pour mobiliser l'énergie [35](#page=35). * Effet anti-inflammatoire: réduction des inflammations [35](#page=35). * Effet immunomodulateur: régulation de l'activité du système immunitaire [35](#page=35). > **Example:** En situation de stress, le cortisol augmente pour aider le corps à mobiliser de l'énergie [35](#page=35). ##### 8.2.3.2 Aldostérone * **Famille:** Minéralocorticoïde [36](#page=36). * **Production:** Corticosurrénale [36](#page=36). * **Rôles :** * Contrôle de la quantité de sodium (Na⁺) et de potassium (K⁺) dans le sang [36](#page=36). * Régulation de la pression artérielle [36](#page=36). > **Tip:** Une augmentation de l'aldostérone entraîne une rétention accrue de sel et d'eau par les reins, ce qui élève la tension artérielle [36](#page=36). ##### 8.2.3.3 Testostérone * **Famille:** Androgène (hormones mâles) [36](#page=36). * **Production:** Testicules [36](#page=36). * **Rôles :** * Stimulation de la spermatogenèse (formation du sperme) [36](#page=36). * Favorisation de la croissance musculaire et osseuse (effet anabolique) [36](#page=36). * Responsable des caractères sexuels secondaires masculins (voix grave, pilosité, etc.) [36](#page=36). > **Tip:** La testostérone est la principale hormone masculine [36](#page=36). ##### 8.2.3.4 Estradiol * **Famille:** Œstrogènes (hormones féminines) [36](#page=36). * **Production:** Ovaires [36](#page=36). * **Rôles :** * Développement des caractères sexuels secondaires féminins [36](#page=36). * Stimulation de l'épaississement de l'endomètre (muqueuse utérine) pour accueillir un embryon [36](#page=36). * Détermination des caractères sexuels externes et internes féminins (voix, seins, répartition des graisses, etc.) [36](#page=36). > **Tip:** L'estradiol est l'hormone féminine dominante durant la phase folliculaire du cycle menstruel [36](#page=36). ##### 8.2.3.5 Progestérone * **Famille:** Progestatifs [36](#page=36). * **Production:** Corps jaune de l'ovaire (après l'ovulation) [36](#page=36). * **Rôles :** * Préparation de l'utérus à la nidation (implantation de l'embryon) [36](#page=36). * Maintien de la grossesse en bloquant l'ovulation [36](#page=36). > **Tip:** En l'absence de progestérone, l'endomètre se détache, ce qui entraîne la menstruation [36](#page=36). --- # Lipides complexes : glycérophospholipides et sphingolipides Les lipides complexes sont des composants essentiels des membranes biologiques, caractérisés par la présence d'acides gras et d'autres groupes chimiques tels que le phosphate ou les sucres, et se divisent principalement en glycérophospholipides et sphingolipides [38](#page=38). ### 9.1 Les glycérophospholipides #### 9.1.1 Structure et composition Les glycérophospholipides constituent la catégorie la plus importante de lipides complexes chez l'homme et sont les principaux formateurs de la bicouche lipidique des membranes cellulaires. Leur structure de base est l'acide phosphatidique, qui se compose de [38](#page=38): 1. **Glycérol:** Un squelette à trois carbones (C1, C2, C3) [38](#page=38). 2. **Deux acides gras:** Un acide gras, souvent saturé, fixé sur C1, et un acide gras, souvent insaturé, fixé sur C2 [38](#page=38). 3. **Acide phosphorique:** Fixé sur C3 [38](#page=38). La structure peut être schématisée comme suit : C1 —O —CO —R1 (acide gras saturé) C2 —O —CO —R2 (acide gras insaturé) C3 —O —P O₃²⁻ (groupement phosphate) [38](#page=38). #### 9.1.2 Formation et amphiphilie L'ajout d'un alcool (HO–X) à l'acide phosphatidique, qui se fixe sur le groupe phosphate, donne naissance à un glycérophospholipide. Ces molécules sont **amphiphiles**, possédant [40](#page=40): * Une **tête polaire hydrophile**: composée du glycérophosphate et de l'alcool, elle interagit avec l'eau [40](#page=40) [43](#page=43). * Une **queue apolaire hydrophobe**: constituée des deux chaînes d'acides gras, elle se repousse de l'eau [40](#page=40) [43](#page=43). > **Tip :** L'amphiphilie est la propriété clé qui permet aux glycérophospholipides de s'auto-assembler en bicouche lipidique dans un environnement aqueux, formant la structure fondamentale des membranes cellulaires. #### 9.1.3 Organisation en bicouche lipidique Dans un milieu aqueux, les glycérophospholipides s'organisent spontanément : 1. Les têtes hydrophiles s'orientent vers l'extérieur et l'intérieur de la cellule, en contact avec l'eau [44](#page=44). 2. Les queues hydrophobes se regroupent au centre de la membrane, à l'abri de l'eau, créant une zone hydrophobe [44](#page=44). Cette organisation forme la **bicouche lipidique**, une structure essentielle aux membranes biologiques [44](#page=44). #### 9.1.4 Diversité des glycérophospholipides La nature du groupement alcool fixé sur le phosphate détermine les propriétés et le nom du glycérophospholipide [40](#page=40): * **Phosphatidylcholine (lécithine):** Contient la choline. Joue un rôle dans les membranes et le transport des lipides [40](#page=40). * **Phosphatidyléthanolamine (céphaline):** Contient l'éthanolamine. Présente dans les membranes et le cerveau [40](#page=40). * **Phosphatidylsérine:** Contient la sérine (un acide aminé). Impliquée dans la signalisation cellulaire, notamment l'apoptose [40](#page=40). * **Phosphatidylinositol:** Contient l'inositol (un sucre cyclique). Important dans la transmission du signal cellulaire [40](#page=40). * **Phosphatidylglycérol:** Contient du glycérol. Trouvé dans les membranes mitochondriales [40](#page=40). * **Cardiolipine:** Composée de deux acides phosphatidiques liés par du glycérol. Spécifique de la membrane interne des mitochondries [40](#page=40). ### 9.2 Les sphingolipides #### 9.2.1 Définition et structure de base Les sphingolipides sont des lipides complexes qui ne contiennent pas de glycérol dans leur structure de base. Leur squelette est dérivé de la **sphingosine**, un amino-dialcool à 18 carbones. La sphingosine possède [44](#page=44): * Une fonction amine (–NH₂) qui peut se lier à un acide gras [44](#page=44). * Deux fonctions alcool (–OH): un alcool primaire sur C1 et un alcool secondaire sur C3 [44](#page=44). * Une longue chaîne hydrocarbonée avec une double liaison trans, conférant rigidité et forme linéaire [44](#page=44). #### 9.2.2 Formation du céramide La formation d'un **céramide** est la première étape de la synthèse des sphingolipides. Elle résulte de la liaison d'un acide gras à la fonction amine (–NH₂) de la sphingosine via une **liaison amide** [45](#page=45). * Réaction: Sphingosine (–NH₂) + Acide gras (R–COOH) → Céramide (R–CO–NH–Sphingosine) + H₂O [45](#page=45). Cette liaison amide est très stable et résistante chimiquement, ce qui est crucial pour la fonction des membranes et de la barrière cutanée [45](#page=45). > **Tip :** La liaison amide (–CONH–) se forme par la réaction d'un groupe carboxyle (–COOH) d'un acide et d'un groupe amine (–NH₂) d'une autre molécule, avec libération d'eau. #### 9.2.3 Les sphingophospholipides (sphingomyélines) Les sphingophospholipides sont des sphingolipides où un **acide phosphorique**, éventuellement lié à un alcool (comme la choline ou l'éthanolamine), est attaché au groupe –OH du C1 du céramide via une liaison ester phosphorique [46](#page=46). * **Sphingomyéline:** Le sphingolipide le plus courant, composé de céramide + phosphate + choline [46](#page=46). * **Localisation et rôle:** Très présentes dans la membrane plasmique, notamment dans les cellules nerveuses, et abondantes dans la gaine de myéline qui isole les axones des neurones, facilitant la protection et la conduction nerveuse [46](#page=46). * **Enzymologie:** La sphingomyélinase hydrolyse la liaison ester phosphorique, dégradant la sphingomyéline en céramide et phosphate. Un déficit de cette enzyme peut entraîner l'accumulation de sphingomyéline, conduisant à des maladies lysosomales rares comme la maladie de Niemann-Pick [46](#page=46). #### 9.2.4 Les sphingoglycolipides Ces sphingolipides sont caractérisés par la liaison d'un ou plusieurs sucres (oses) au niveau du carbone 1 du céramide, et ils ne contiennent pas de phosphate [47](#page=47). * **Cérébrosides:** Contiennent un seul ose (par exemple, galactocérébroside, glucocérébroside). On les trouve principalement dans le tissu nerveux et les membranes [47](#page=47). * **Gangliosides (ou oligosylcéramides):** Contiennent plusieurs oses (de 2 à 20), souvent incluant un acide sialique (comme le N-acétylneuraminique, NANA). Ils sont particulièrement abondants dans les membranes neuronales du cerveau [47](#page=47). ##### 9.2.4.1 Structure et fonction des gangliosides La structure d'un ganglioside comprend un céramide lié à une chaîne glucidique complexe, pouvant inclure du D-galactose, D-glucose, N-acétyl-D-galactosamine, N-acétyl-D-glucosamine, L-fucose et de l'acide sialique [47](#page=47). Leurs fonctions principales sont : * **Reconnaissance cellulaire:** Essentiels pour la communication intercellulaire et l'identification des cellules par le système immunitaire [47](#page=47). * **Récepteurs:** Peuvent servir de points d'entrée pour certaines toxines ou virus [47](#page=47). > **Example :** Le ganglioside GM1 est un récepteur important dans la reconnaissance neuronale et est utilisé par la toxine cholérique pour pénétrer dans les cellules. --- # Protéines : définition, structure et classification Les protéines sont des macromolécules biologiques essentielles, constituées de chaînes d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques, dont la structure tridimensionnelle spécifique est cruciale pour leur fonction [48](#page=48). ### 10.1 Définition et importance des protéines Les protéines sont des macromolécules biologiques fondamentales, composées de longues chaînes d'acides aminés (AA) reliés par des liaisons peptidiques. Elles sont présentes dans tous les organismes vivants, à l'exception des virus qui ne possèdent pas toujours de protéines fonctionnelles propres. Les protéines représentent environ 50 % du poids sec de la cellule et sont caractérisées par une diversité extrême, jouant des rôles vitaux dans la structure et la dynamique cellulaire [48](#page=48). | Rôle | Exemple | Fonction principale | | :---------------- | :-------------------------------------- | :------------------------------------------------------------------------ | | Structurale | Collagène | Charpente des tissus (peau, os, tendons) | | Transport | Hémoglobine | Transport de l'oxygène dans le sang | | Protection/Défense| Anticorps | Reconnaissance et neutralisation des agents étrangers | | Mouvement | Actine et myosine | Contraction musculaire | | Régulation | Récepteurs hormonaux, facteurs de transcription | Contrôle des signaux hormonaux et de l'expression des gènes | | Catalyse (enzymatique) | Enzymes | Accélération des réactions biochimiques | Une protéine est une macromolécule constituée de plus de 50 acides aminés, tandis qu'un peptide en contient moins. L'insuline, avec 51 AA, se situe à la limite entre un peptide et une protéine. L'hémoglobine, par exemple, est composée d'environ 574 acides aminés [48](#page=48). ### 10.2 Structure des protéines Les protéines adoptent une structure tridimensionnelle bien définie, appelée conformation, indispensable à leur activité biologique. On distingue quatre niveaux de structure: primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire . #### 10.2.1 Structure primaire La structure primaire correspond à la séquence unique d'acides aminés dans la chaîne polypeptidique, ainsi qu'à la présence de ponts disulfure. Cette séquence est déterminée génétiquement par l'ADN. Elle débute à l'extrémité N-terminale . #### 10.2.2 Structure secondaire La structure secondaire décrit le repliement local de la chaîne d'acides aminés, stabilisé par des liaisons hydrogènes entre les groupements amide (-NH) et carbonyle (-CO) du squelette peptidique. Les deux structures secondaires principales sont : * **Hélice α:** La chaîne polypeptidique s'enroule en une structure hélicoïdale. Les chaînes latérales des AA sont dirigées vers l'extérieur. La structure est stabilisée par des liaisons hydrogènes intramoléculaires entre l'oxygène d'un groupement carboxylique (-C=O) et l'hydrogène d'un groupement aminé (-NH) . * **Feuillet β:** Formée par l'association d'au moins deux brins β, stabilisée par des liaisons hydrogènes entre le radical -CO d'un brin et le radical -NH d'un brin adjacent. Les brins peuvent être antiparallèles ou parallèles . #### 10.2.3 Structure tertiaire La structure tertiaire représente la conformation tridimensionnelle complète de la protéine. Elle peut intégrer des régions en hélice α, feuillet β, ou être mixte. Cette structure est essentielle à la fonctionnalité de la protéine, notamment pour la formation du site actif des enzymes. Les chaînes latérales hydrophiles sont généralement orientées vers l'extérieur, tandis que les chaînes latérales hydrophobes se regroupent à l'intérieur, formant un cœur hydrophobe. La stabilisation est assurée par : * **Liaisons covalentes:** Ponts disulfure entre résidus cystéine . * **Liaisons non covalentes:** Liaisons hydrogène, forces de Van der Waals, interactions hydrophobes et ioniques . #### 10.2.4 Structure quaternaire La structure quaternaire décrit l'association de deux ou plusieurs chaînes polypeptidiques (appelées sous-unités) pour former une protéine active . * **Homopolymères:** Sous-unités identiques . * **Hétéropolymères:** Sous-unités différentes . L'hémoglobine A est un exemple d'hétérotétramère, composé de quatre sous-unités différentes (2α et 2β) . ### 10.3 Propriétés physico-chimiques des protéines #### 10.3.1 Propriétés physiques * **Solubilité:** La plupart des protéines sont solubles dans l'eau, ce sont les protéines globulaires. Les protéines insolubles dans l'eau sont des scléroprotéines, également appelées protéines fibreuses . * **Cristallisation:** Les protéines peuvent être cristallisées en ajustant le pH, la concentration saline et en utilisant des solvants organiques qui réduisent leur solubilité . * **Propriétés optiques:** Les protéines sont optiquement actives. Elles absorbent la lumière UV à 280 nm, principalement en raison de la présence de résidus aromatiques. La réaction du Biuret, qui donne un complexe coloré en violet avec les ions cuivriques en milieu alcalin, permet le dosage des protéines du sang (absorbance maximale à 540 nm) . * **Masse moléculaire (MM):** Chaque protéine a une masse moléculaire caractéristique, qui doit être supérieure à 6000 daltons (Da). La chromatographie par gel-filtration est une méthode courante pour déterminer la MM, en séparant les protéines selon leur taille sur un gel de dextranes . #### 10.3.2 Propriétés chimiques Les protéines contiennent principalement les éléments C, H, O, N et souvent S. La majorité des protéines naturelles sont formées à partir des 20 acides aminés standards, bien que des acides aminés dérivés comme l'hydroxyproline et l'hydroxylysine, issus de modifications post-traductionnelles, soient présents, notamment dans le collagène pour la stabilisation des fibres . ##### 10.3.2.1 Caractère amphotère Les protéines sont amphotères, c'est-à-dire qu'elles peuvent se comporter comme un acide (donneur de H⁺) ou une base (accepteur de H⁺). L'ionisation des protéines provient de divers groupes chimiques : * **Extrémités de la chaîne peptidique:** Groupement carboxyle terminal (-COOH / COO⁻, acide) et groupement amine terminal (-NH₂ / NH₃⁺, basique) . * **Chaînes latérales des acides aminés:** Groupements acides (-COOH pour Asp, Glu) et basiques (-NH₂ pour Lys, Arg, His). D'autres groupements polaires incluent -OH (Tyr, Ser) et -SH (Cys) . Le **point isoélectrique (pI)** est le pH auquel la protéine a une charge nette globale nulle. À ce pH, la protéine ne migre pas dans un champ électrique (électrophorèse) et est souvent moins soluble, ce qui peut entraîner sa précipitation . > **Tip:** Les protéines sont révélées par coloration au bleu de Coomassie après électrophorèse . ### 10.4 Propriétés biologiques des protéines Les protéines présentent des propriétés antigéniques, induisant la synthèse d'anticorps. Elles possèdent également diverses activités biologiques spécifiques, telles que la catalyse enzymatique, le rôle d'hormones (ex: GH, EPO) et peuvent être des toxines (ex: exotoxines bactériennes). Il existe également des protéines à activité antibiotique, comme VanX . ### 10.5 Classification des protéines Les protéines sont principalement classées en holoprotéines et hétéroprotéines. #### 10.5.1 Holoprotéines Les holoprotéines sont exclusivement composées d'acides aminés . * **Holoprotéines globulaires solubles:** Ces protéines sphéroïdes sont solubles dans l'eau grâce à l'orientation des chaînes latérales hydrophobes vers l'intérieur. Elles comprennent la majorité des protéines fonctionnelles, telles que les enzymes, hormones et anticorps . * **Albumines:** Représentent 60 % des protéines sériques, jouant un rôle majeur dans le maintien de la pression oncotique et le transport de diverses substances. La pression oncotique retient l'eau dans les vaisseaux sanguins, maintenant l'équilibre hydrique et prévenant la formation d'œdèmes . * **Globulines:** Protéines globulaires solubles dans le sérum sanguin, représentant environ 40 % des protéines sériques. Elles sont impliquées dans le transport de molécules, la défense immunitaire, la coagulation et la réponse inflammatoire. Elles sont classées selon leur mobilité électrophorétique : | Fraction | Principales protéines | Fonctions principales | | :------------- | :------------------------------------------------------ | :---------------------------------------------------------------- | | α₁-globulines | α₁-antitrypsine, transcortine, HDL | Inhibition enzymatique, transport des hormones et lipides | | α₂-globulines | Haptoglobine, céruloplasmine, α₂-macroglobuline | Transport du fer et du cuivre, défense contre les protéases | | β-globulines | Transferrine, complément C3, LDL | Transport du fer, participation à la réponse immunitaire | | γ-globulines | Immunoglobulines (anticorps) | Défense immunitaire spécifique | > **Example:** L'électrophorèse sur gel d'agarose sépare les protéines sériques selon leur mobilité électrophorétique . #### 10.5.2 Hétéroprotéines Les hétéroprotéines sont composées d'une partie protéique et d'une partie non protéique (groupement prosthétique) . * **Phosphoprotéines:** Protéine liée à un groupement phosphorique par une liaison ester sur la sérine et/ou thréonine (ex: caséine du lait) . * **Nucléoprotéines:** Complexe formé par une protéine (apoprotéine) et un acide nucléique (ADN ou ARN) (ex: télomérase) . * **Glycoprotéines:** Protéines liées de façon covalente à un glucide. La glycosylation peut se faire sur l'azote d'un résidu asparagine (N-glycosylation) ou sur l'hydroxyle d'un résidu sérine ou thréonine (O-glycosylation). Elles sont localisées dans les membranes cellulaires, le plasma et les tissus conjonctifs. Exemples: mucines (protection des épithéliums), immunoglobulines (défense immunitaire), glycoprotéines des groupes sanguins (déterminent les groupes sanguins A, B, O) . * **Lipoprotéines:** Complexes protéines-lipides qui transportent les lipides insolubles dans le plasma sanguin. Elles sont classées en 5 classes selon leur composition et densité: Chylomicrons, VLDL, IDL, LDL, HDL . * **Chromoprotéines:** Protéines associées à un pigment coloré . --- # Acides aminés : structure, classification et propriétés Les acides aminés sont les unités structurales fondamentales des protéines, caractérisés par une structure de base comportant un carbone central alpha, une fonction amine, une fonction carboxylique, un atome d'hydrogène et une chaîne latérale R variable [49](#page=49). ### 11.1 Structure fondamentale d'un acide aminé La structure générale d'un acide aminé est la suivante : H | NH₂ —C —COOH | R * **Fonction amine (NH₂)**: Basique, capable de capter un proton (H⁺), souvent appelée extrémité N-terminale [49](#page=49). * **Fonction carboxylique (COOH)**: Acide, capable de libérer un proton (H⁺), souvent appelée extrémité C-terminale [49](#page=49). * **Atome d'hydrogène (H)**: Attaché au carbone central [49](#page=49). * **Chaîne latérale (R)**: Variable, détermine l'identité et les propriétés de l'acide aminé [49](#page=49). * **Carbone alpha (Cα)**: Relié aux quatre éléments ci-dessus; il est chiral sauf dans la glycine où R=H. La chiralité du Cα rend la plupart des acides aminés optiquement actifs [49](#page=49) [71](#page=71). ### 11.2 Nombre et catégories d'acides aminés Il existe plus de 300 acides aminés connus, mais seuls 20 sont standards ou protéinogènes, car ils sont codés par l'ADN et incorporés dans les protéines lors de la traduction. Les autres sont non protéinogènes [49](#page=49). #### 11.2.1 Acides aminés essentiels L'organisme ne peut pas les synthétiser et ils doivent être apportés par l'alimentation. Leur manque bloque la synthèse protéique. Les 8 acides aminés essentiels (parfois 10, incluant Arg et His comme semi-essentiels) sont [50](#page=50): * Arginine (Arg, R) [50](#page=50). * Histidine (His, H) [50](#page=50). * Isoleucine (Ile, I) [50](#page=50). * Leucine (Leu, L) [50](#page=50). * Lysine (Lys, K) [50](#page=50). * Méthionine (Met, M) [50](#page=50). * Phénylalanine (Phe, F) [50](#page=50). * Thréonine (Thr, T) [50](#page=50). * Tryptophane (Trp, W) [50](#page=50). * Valine (Val, V) [50](#page=50). #### 11.2.2 Acides aminés non essentiels L'organisme peut les synthétiser à partir d'autres métabolites. Les acides aminés non essentiels sont [50](#page=50): * Alanine (Ala, A) [50](#page=50). * Asparagine (Asn, N) [50](#page=50). * Acide aspartique (Asp, D) [50](#page=50). * Cystéine (Cys, C) [50](#page=50). * Acide glutamique (Glu, E) [50](#page=50). * Glutamine (Gln, Q) [50](#page=50). * Glycine (Gly, G) [50](#page=50). * Proline (Pro, P) [50](#page=50). * Sérine (Ser, S) [50](#page=50). * Tyrosine (Tyr, Y) [50](#page=50). ### 11.3 Rôles métaboliques des acides aminés Outre la constitution des protéines, les acides aminés ont diverses fonctions : * **Structurelle**: Constituent les protéines [51](#page=51). * **Énergétique**: Peuvent être dégradés pour fournir de l'énergie ou former du glucose (néoglucogenèse) [51](#page=51). * **Métabolique/Précurseurs**: Synthèse d'autres molécules importantes [51](#page=51). * **Signalisation/Récepteurs**: Rôle direct dans la communication cellulaire [51](#page=51). ### 11.4 Classification selon la structure de la chaîne latérale (R) #### 11.4.1 Acides aminés aliphatiques neutres (non polaires) Ces acides aminés ont une chaîne latérale R composée uniquement de carbone et d'hydrogène, formant des chaînes saturées ou cycliques. Ils sont hydrophobes et se placent généralement à l'intérieur des protéines pour éviter le contact avec l'eau [51](#page=51). ##### 11.4.1.1 Acides aminés aliphatiques simples * **Glycine (Gly, G)** : * R = H [51](#page=51). * C'est l'acide aminé le plus simple et le seul non chiral au niveau de son carbone alpha, car celui-ci est lié à deux atomes d'hydrogène [49](#page=49) [71](#page=71). * Sa petite taille permet une grande flexibilité aux protéines, trouvant souvent sa place dans les coudes des structures protéiques [51](#page=51). * **Alanine (Ala, A)** : * R = CH₃ (groupe méthyle) [51](#page=51). * Elle est petite et hydrophobe [51](#page=51). * Intervient dans le cycle alanine entre le muscle et le foie [51](#page=51). ##### 11.4.1.2 Acides aminés aliphatiques ramifiés Leur chaîne carbonée se divise en plusieurs branches, les rendant volumineuses et très hydrophobes [52](#page=52). * **Valine (Val, V)**: R = –CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Leucine (Leu, L)**: R = –CH₂–CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Isoleucine (Ile, I)**: R = –CH(CH₃)–CH₂–CH₃ [52](#page=52). ##### 11.4.1.3 Autres acides aminés non polaires * **Méthionine (Met, M)**: Contient du soufre dans un groupe thioéther; neutre et hydrophobe [55](#page=55) [68](#page=68). * **Proline (Pro, P)**: Unique par sa structure cyclique imino, conférant une rigidité à la protéine [66](#page=66) [68](#page=68). * **Phénylalanine (Phe, F)**: Possède un cycle benzénique (phényle); très hydrophobe [64](#page=64) [68](#page=68). * **Tryptophane (Trp, W)**: Possède un groupe indole (double cycle aromatique); volumineux et hydrophobe [65](#page=65) [68](#page=68). #### 11.4.2 Acides aminés hydroxylés (polaires non ionisables) Leur chaîne latérale (R) contient un groupe hydroxyle (–OH), les rendant polaires et hydrophiles [53](#page=53) [69](#page=69). * **Sérine (Ser, S)** : * R contient un groupe hydroxyle sur un carbone primaire [53](#page=53). * Hydrophile, peut former des liaisons hydrogène [53](#page=53). * Le groupe –OH peut être phosphorylé, un mécanisme clé dans la régulation de l'activité enzymatique et la signalisation cellulaire. La sérine est souvent le site de phosphorylation par des kinases comme ATM [53](#page=53) [54](#page=54). * **Thréonine (Thr, T)**: Contient un groupe hydroxyle [69](#page=69). * **Tyrosine (Tyr, Y)**: Contient un groupe phénol (cycle benzénique + –OH); participe à la signalisation cellulaire par phosphorylation [64](#page=64) [65](#page=65) [69](#page=69). #### 11.4.3 Acides aminés soufrés (polaires non ionisables/ionisables selon le groupe) Leur chaîne latérale contient un atome de soufre, leur conférant une grande réactivité chimique [55](#page=55). * **Cystéine (Cys, C)** : * R contient un groupement thiol (–SH) [55](#page=55). * Le groupe thiol est très réactif et peut former un pont disulfure (–S–S–) avec une autre cystéine, créant de la cystine [55](#page=55). * Les ponts disulfures stabilisent la structure tridimensionnelle des protéines [55](#page=55). * **Méthionine (Met, M)**: Contient un groupe thioéther (–S–CH₃); peu réactif. Elle est souvent le premier acide aminé de toute protéine [56](#page=56). #### 11.4.4 Acides aminés acides et leurs amides (polaires ionisables) Ces acides aminés possèdent un groupement carboxyle supplémentaire (–COOH) ou un amide dérivé (–C=O NH₂) dans leur chaîne latérale [57](#page=57). * **Acide aspartique (Asp, D)** : * Possède deux groupes carboxyles: un sur le carbone alpha et un dans la chaîne latérale R [57](#page=57). * Chargé négativement à pH physiologique (acide) [70](#page=70). * Participe à la synthèse de l'urée dans le cycle de l'urée [57](#page=57) [59](#page=59) [60](#page=60). * Impliqué dans les réactions de transamination [58](#page=58). * **Acide glutamique (Glu, E)**: Similaire à l'acide aspartique, mais avec une chaîne latérale plus longue. Chargé négativement à pH physiologique [57](#page=57) [70](#page=70). * **Asparagine (Asn, N)**: Amide dérivé de l'acide aspartique. Soluble, sert au transport de l'azote [60](#page=60) [69](#page=69). * **Glutamine (Gln, Q)**: Amide dérivé de l'acide glutamique. Sert au transport de l'azote [60](#page=60) [69](#page=69). #### 11.4.5 Acides aminés basiques (polaires ionisables) Ils possèdent une seconde fonction basique (amine ou groupement guanidyle) sur leur chaîne latérale, les rendant fortement positifs à pH physiologique [61](#page=61) [70](#page=70). * **Lysine (Lys, K)** : * R contient une fonction ε-amino (epsilon) fortement basique [61](#page=61). * Participe aux protéines structurales comme le collagène [61](#page=61). * Peut subir une hydroxylation post-traductionnelle pour former la 5-hydroxylysine, essentielle à la stabilité du collagène [62](#page=62). * **Arginine (Arg, R)** : * Sa chaîne latérale contient un groupement guanidyle, très basique et portant une charge positive même à pH élevé [63](#page=63). * C'est l'un des acides aminés les plus basiques [63](#page=63). * Semi-essentiel [50](#page=50). * Précurseur de l'urée dans le cycle de l'urée [63](#page=63). * Transformée en oxyde nitrique (NO), un important messager cellulaire [63](#page=63). * **Histidine (His, H)** : * R contient un groupement imidazole [62](#page=62). * Le groupement imidazole peut gagner ou perdre un proton, agissant comme un tampon biologique proche du pH physiologique [62](#page=62). * Semi-essentiel [50](#page=50). * Souvent impliquée dans les sites actifs des enzymes [62](#page=62). #### 11.4.6 Acides aminés aromatiques Leur chaîne latérale contient un cycle benzénique, les rendant stables chimiquement, capables d'absorber les UV, et souvent hydrophobes [64](#page=64). * **Phénylalanine (Phe, F)**: Contient un cycle benzénique (groupement phényle). Essentiel [50](#page=50) [64](#page=64). * **Tyrosine (Tyr, Y)**: Identique à la phénylalanine mais avec un groupe hydroxyle sur le cycle benzénique. Semi-essentiel. Précurseur d'hormones thyroïdiennes, de catécholamines (adrénaline, dopamine) et de mélanine [50](#page=50) [65](#page=65). * **Tryptophane (Trp, W)**: Contient un groupement indole (double cycle aromatique avec un atome d'azote). Essentiel [50](#page=50) [65](#page=65). #### 11.4.7 Acides imino * **Proline (Pro, P)** : * Unique, le groupe amine primaire de son carbone alpha est lié à sa chaîne latérale R pour former un cycle [66](#page=66). * Le groupe amine devient secondaire, d'où le terme "acide imino" [66](#page=66). * Sa structure cyclique rigide est essentielle pour la structure du collagène [66](#page=66). * Peut subir une hydroxylation post-traductionnelle en présence de vitamine C [66](#page=66). ### 11.5 Classification basée sur la polarité La polarité d'un acide aminé dépend de la répartition des charges électriques dans sa molécule, influençant sa solubilité dans l'eau [67](#page=67). * **Non polaire (hydrophobe)**: Pas de charge, insoluble dans l'eau. Exemples: Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe, Trp, Gly [67](#page=67) [68](#page=68). * **Polaire non ionisable (hydrophile)**: Présence de groupes polaires (–OH, –SH, –C NH₂) mais sans charge nette; soluble, forme des liaisons hydrogène. Exemples: Ser, Thr, Tyr, Cys, Asn, Gln [67](#page=67) [69](#page=69). * **Polaire ionisable**: Charge électrique positive ou négative selon le pH; très soluble [67](#page=67). * Acides (chargés négativement à pH physiologique): Asp, Glu [70](#page=70). * Basiques (chargés positivement à pH physiologique): Lys, Arg, His [70](#page=70). ### 11.6 Propriétés physico-chimiques des acides aminés #### 11.6.1 Chiralité et isomérie * **Carbone asymétrique (Cα*)**: Généralement le carbone alpha, lié à quatre groupes différents [71](#page=71). * **Exception: Glycine**: Son Cα est lié à deux hydrogènes, elle n'est donc pas chirale [71](#page=71). * **Énantiomères L et D**: Les acides aminés chiraux existent sous deux formes miroirs non superposables: L (le plus courant chez les êtres vivants) et D. La notation D/L indique la configuration spatiale par rapport au glycéraldéhyde, tandis que +/– indique le sens de rotation de la lumière polarisée. Les systèmes enzymatiques biologiques sont généralement chiraux et reconnaissent spécifiquement les formes L [71](#page=71) [72](#page=72). #### 11.6.2 Pouvoir rotatoire La capacité d'une substance à faire tourner le plan de la lumière polarisée [72](#page=72). * **Dextrogyre (+)**: Fait tourner vers la droite (sens horaire) [72](#page=72). * **Lévogyre (–)**: Fait tourner vers la gauche (sens antihoraire) [72](#page=72). #### 11.6.3 Absorption des UV Les acides aminés aromatiques (Phe, Tyr, Trp) absorbent la lumière UV (260-280 nm) en raison de leurs cycles aromatiques. Cette propriété permet de doser la concentration en protéines dans une solution par spectrophotométrie [72](#page=72). #### 11.6.4 Amphotérie et Zwitterion * **Amphotère**: Capable d'agir comme un acide et comme une base, grâce à ses groupes carboxylique et amine ionisables [74](#page=74). * **Zwitterion**: À pH neutre, l'acide aminé porte à la fois une charge positive (sur le groupe amine –NH₃⁺) et une charge négative (sur le groupe carboxyle –COO⁻), résultant en une charge globale nulle [74](#page=74). #### 11.6.5 Points isoélectriques (pHi) et comportement en fonction du pH * **pKa**: Le pH auquel 50% d'un groupement ionisable est déprotoné. Chaque groupe ionisable (–COOH, –NH₃⁺, chaînes latérales ionisables) a un pKa spécifique [75](#page=75). * **pHi (Point isoélectrique)**: Le pH auquel un acide aminé est majoritairement sous forme zwitterionique (charge globale nulle). Il est calculé comme la moyenne des pKa des groupes ionisables de l'acide aminé [75](#page=75). * **Relation pH/charge** : * pH < pHi: L'acide aminé est cationique (charge positive) [75](#page=75). * pH = pHi: L'acide aminé est zwitterionique (charge nulle) [75](#page=75). * pH > pHi: L'acide aminé est anionique (charge négative) [75](#page=75). Cette propriété est fondamentale pour la séparation des acides aminés par électrophorèse, où leur migration dépend de leur charge nette à un pH donné [75](#page=75). #### 11.6.6 Réactions chimiques des fonctions carbonées et aminées * **Décarboxylation**: Perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de CO₂, catalysée par des décarboxylases. Transforme un acide aminé en une amine biologiquement active, comme l'histidine en histamine [76](#page=76). * **Amidation**: Formation d'une liaison amide entre un groupe carboxyle et un groupe amine, formant la liaison peptidique essentielle à la synthèse des protéines [76](#page=76). * **Estérification**: Réaction entre un acide carboxylique et un alcool, formant un ester. Utile pour protéger les groupes COOH durant les synthèses complexes [77](#page=77). * **Déshydrogénation**: Perte du groupe amine (–NH₂) et d'hydrogène, catalysée par des déshydrogénases. Transforme un acide aminé en un acide α-cétonique. Les acides α-cétoniques peuvent entrer dans le cycle de Krebs pour produire de l'énergie, contribuer au bilan azoté, ou servir de précurseurs biosynthétiques [77](#page=77) [78](#page=78). * **Transamination**: Transfert réversible d'un groupe amine d'un acide aminé à un acide α-cétonique, catalysé par des transaminases avec le coenzyme PLP (vitamine B6). Permet de synthétiser des acides aminés sans perte d'azote [78](#page=78). --- # Peptides : formation, nomenclature et méthodes d'analyse Un peptide est une petite molécule composée d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques, dont la structure et la séquence peuvent être déterminées par diverses méthodes analytiques [96](#page=96). ### 12.1 Formation de la liaison peptidique Un acide aminé (AA) est caractérisé par un groupement amine (–NH₂), un groupement acide carboxylique (–COOH), un carbone alpha (α) lié à un hydrogène (H), et un radical R variable. La liaison peptidique se forme lors de la réaction de condensation entre le groupement –COOH d'un premier acide aminé et le groupement –NH₂ d'un second acide aminé, avec élimination d'une molécule d'eau (H₂O) [96](#page=96). * **Nature de la liaison peptidique:** Il s'agit d'une liaison covalente forte, plane et rigide due à un phénomène de résonance. Elle relie l'atome de carbone du groupe carbonyle (C=O) du premier AA à l'atome d'azote (N) du groupe amine du second AA [96](#page=96). * **Directionnalité des peptides:** Les peptides possèdent une extrémité N-terminale (avec un –NH₂ libre) et une extrémité C-terminale (avec un –COOH libre). Leur séquence est lue de l'extrémité N vers l'extrémité C [96](#page=96). * **Orientation des radicaux R:** Les radicaux R des différents acides aminés sont alternés de part et d'autre de la chaîne peptidique, ce qui contribue à la stabilité et à la structure tridimensionnelle du peptide [97](#page=97). ### 12.2 Nomenclature des peptides La nomenclature des peptides suit l'ordre de succession des acides aminés de l'extrémité N-terminale à l'extrémité C-terminale. Les acides aminés engagés dans la chaîne (sauf le dernier) voient leur suffixe "-ine" ou "-ate" remplacé par "-yl" [97](#page=97) [99](#page=99). * **Classification par taille :** * Dipeptide: 2 acides aminés [97](#page=97). * Tripeptide: 3 acides aminés [97](#page=97). * Tétrapeptide: 4 acides aminés [97](#page=97). * Oligopeptide: Moins de 10 acides aminés [97](#page=97). * Polypeptide: Entre 10 et 100 acides aminés [97](#page=97) [99](#page=99). * Protéine: Plus de 100 acides aminés [97](#page=97). **Exemple:** Alanine + Glycine + Tyrosine → Alanyl–Glycyl–Tyrosine [99](#page=99). ### 12.3 Fonctions et exemples de peptides Les peptides peuvent avoir diverses fonctions biologiques, notamment comme hormones (insuline, vasopressine, LH, FSH), antibiotiques, ou neurotransmetteurs [99](#page=99). ### 12.4 Détermination de la composition et de la séquence des peptides Pour caractériser un peptide, il est essentiel de déterminer deux choses: sa composition en acides aminés (nature et proportion) et sa séquence (ordre des acides aminés) [100](#page=100). #### 12.4.1 Détermination de la composition en acides aminés ##### 12.4.1.1 Hydrolyse acide * **Principe:** La liaison peptidique est rompue par hydrolyse en milieu acide fort, libérant les acides aminés constitutifs [100](#page=100). * **Conditions:** Acide chlorhydrique (HCl) concentré (6 mol/L), chauffé à 110 °C pendant 24 à 48 heures [100](#page=100). * **Précautions :** * **Ponts disulfure (S–S):** Doivent être préalablement rompus par oxydation (ex: acide performique) ou réduction (ex: β-mercaptoéthanol, DTT) [100](#page=100). * **Tryptophane (Trp):** Fragile en milieu acide fort et chaud; il est souvent détruit [100](#page=100). ##### 12.4.1.2 Hydrolyse alcaline * **Principe:** Permet de libérer les acides aminés sans détruire le tryptophane . * **Conditions:** Soude (NaOH) à 100 °C pendant 4 à 8 heures . * **Application:** Souvent utilisée en combinaison avec l'hydrolyse acide pour une analyse complète . ##### 12.4.1.3 Séparation des acides aminés : Chromatographie échangeuse d'ions Les acides aminés libérés sont séparés en fonction de leur charge électrique à un pH donné, utilisant une colonne échangeuse d'ions . ##### 12.4.1.4 Révélation et dosage : Réaction à la ninhydrine La ninhydrine réagit avec le groupe amine libre des acides aminés pour former un composé coloré (violet, jaune pour la proline), permettant leur visualisation et quantification par spectrophotométrie UV . #### 12.4.2 Détermination de l'acide aminé N-terminal L'identification de l'acide aminé N-terminal (celui ayant un groupe amine libre) est la première étape avant la détermination complète de la séquence . ##### 12.4.2.1 Méthode de Sanger * **Principe:** Marquage du groupe amine libre du N-terminal avec du 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène (DNFB), aussi appelé réactif de Sanger . * **Étapes :** 1. **Marquage:** Réaction du DNFB avec le groupe –NH₂ du N-terminal pour former un dérivé DNF–peptide, jaune . 2. **Hydrolyse acide:** Rupture des liaisons peptidiques dans des conditions acides (HCl, 110 °C, 24-48h) . 3. **Séparation et Identification:** Le composé DNF–AA obtenu est séparé par chromatographie et identifié par comparaison avec des standards . ##### 12.4.2.2 Méthode au chlorure de Dansyl (méthode de Gray) * **Principe:** Marquage du N-terminal avec le chlorure de dansyl (DANS–Cl), produisant un dérivé fluorescent . * **Avantages:** Plus sensible et le produit final est fluorescent sous UV (vert-jaune) . * **Étapes :** 1. **Marquage:** Réaction du DANS–Cl avec le groupe –NH₂ du N-terminal en milieu alcalin . 2. **Hydrolyse acide:** Rupture des liaisons peptidiques (HCl, 110 °C, 18-24h) . 3. **Séparation et Identification:** Le DANS–AA fluorescent est identifié par chromatographie . #### 12.4.3 Détermination de la séquence complète : Méthode d'Edman * **Principe:** Permet de dériver séquentiellement les acides aminés un par un à partir de l'extrémité N-terminale, sans détruire le reste de la chaîne. Le processus est cyclique, permettant de lire plusieurs acides aminés . * **Réactif:** Phénylisothiocyanate (PITC), aussi appelé réactif d'Edman . * **Étapes :** 1. **Marquage du N-terminal:** Le PITC réagit avec le groupe –NH₂ du premier acide aminé en milieu légèrement alcalin (pH ≈9) pour former un PTC–peptide . 2. **Cyclisation et libération:** Le PTC–peptide est traité en milieu acide faible (pH ≈3), ce qui provoque la libération du premier acide aminé sous forme de dérivé cyclique appelé PTH–AA. Le peptide restant est raccourci d'un acide aminé (n-1) . 3. **Identification du PTH–AA:** Le dérivé PTH–AA est identifié par chromatographie ou spectrométrie de masse . 4. **Répétition du cycle:** Le processus est répété sur le peptide raccourci pour identifier le second, puis le troisième acide aminé, et ainsi de suite . #### 12.4.4 Méthodes enzymatiques ##### 12.4.4.1 Aminopeptidases (Exopeptidases agissant sur le N-terminal) Ces enzymes hydrolysent la première liaison peptidique à partir de l'extrémité N-terminale, libérant progressivement les acides aminés dans l'ordre . ##### 12.4.4.2 Carboxypeptidases (Exopeptidases agissant sur le C-terminal) Ces enzymes agissent sur l'extrémité C-terminale, libérant le dernier acide aminé. Les carboxypeptidases A et B sont utilisées pour identifier différents types d'acides aminés C-terminaux . ##### 12.4.4.3 Hydrazinolyse * **Principe:** L'hydrazine (NH₂–NH₂) attaque toutes les liaisons peptidiques, rompant la chaîne . * **Résultat:** Tous les acides aminés sont transformés en hydrazides, sauf le C-terminal qui conserve son groupe –COOH libre et reste intact. L'identification du C-terminal se fait ensuite par chromatographie ou d'autres méthodes analytiques . ##### 12.4.4.4 Fragmentation à l'aide d'endopeptidases * **Principe:** Des enzymes spécifiques (trypsine, chymotrypsine, pepsine, thermolysine) coupent la chaîne polypeptidique à des sites précis, déterminés par la nature des acides aminés . * **Objectif:** Réduire la taille des peptides trop longs pour faciliter leur séquençage par d'autres méthodes (comme la méthode d'Edman) . ##### 12.4.4.5 Fragmentation chimique : Bromure de cyanogène (BrCN) * **Principe:** Le BrCN coupe spécifiquement les liaisons peptidiques situées après la méthionine (Met) . * **Résultat:** Obtention de fragments dont le premier se termine par un dérivé de méthionine et le second commence par l'acide aminé suivant la méthionine. Cette méthode permet de fragmenter la chaîne et d'identifier des positions spécifiques . --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Terme | Définition | | Filiation des aldoses | Ensemble de réactions chimiques permettant de relier les oses entre eux en fonction de leur nombre d'atomes de carbone, autorisant l'allongement ou le raccourcissement de la chaîne carbonée et établissant une relation généalogique entre les différents oses. | | Aldose | Monosaccharide possédant un groupe fonctionnel aldéhyde (CHO) en position terminale de sa chaîne carbonée. Ces sucres se caractérisent par une formule générale où le nombre de carbones de la chaîne est spécifié (par exemple, aldopentose pour un aldose à cinq carbones). | | D-érythrose | Exemple de petit sucre de base, classé comme un aldose, possédant quatre atomes de carbone. Sa structure comporte un groupe aldéhyde (CHO) en position supérieure, suivi d'une chaîne de trois carbones substitués par des groupes hydroxyle (OH). | | Synthèse de Kiliani-Fischer | Procédé chimique utilisé pour allonger la chaîne carbonée des aldoses. Cette synthèse implique l'ajout de cyanure d'hydrogène (HCN) au groupe aldéhyde, suivi d'une hydrolyse et d'une réduction, aboutissant à un nouvel aldose comportant un carbone supplémentaire. | | Acide aldonic | Acide dérivé d'un aldose, obtenu lors de la synthèse de Kiliani-Fischer par l'hydrolyse du groupe cyano (-CN) en groupe acide carboxylique (-COOH). Ce produit intermédiaire possède une chaîne carbonée allongée par rapport à l'aldose de départ. | | Épimères | Sucres diastéréoisomères qui diffèrent seulement par la configuration stéréochimique d'un seul atome de carbone asymétrique, généralement adjacent au carbone du groupe carbonyle. Dans le contexte de la synthèse de Kiliani-Fischer, l'obtention de deux épimères résulte de l'addition du HCN sur le carbone aldéhydique. | | Cétose | Monosaccharide possédant un groupe fonctionnel cétone (C=O) à l'intérieur de sa chaîne carbonée. L'élongation de la chaîne des cétoses peut également être réalisée par des mécanismes similaires à ceux des aldoses, bien que la réaction initiale concerne le carbone du groupe cétone. | | Cyclisation des oses | Processus par lequel les formes linéaires des oses, en solution aqueuse, se transforment en structures cycliques par formation d'hémiacétals, où un groupe hydroxyle d'un carbone attaque le carbone du carbonyle. | | Hémiacétal | Groupe fonctionnel formé par la réaction d'un aldéhyde ou d'une cétone avec un alcool sur la même molécule, résultant de la cyclisation des oses. | | Pyranose | Cycle de sucre formé lorsque le groupe hydroxyle du carbone 5 (C5) attaque le carbone du carbonyle, résultant en un cycle à six atomes (cinq carbones et un oxygène). | | Furanose | Cycle de sucre formé lorsque le groupe hydroxyle du carbone 4 (C4) attaque le carbone du carbonyle, résultant en un cycle à cinq atomes (quatre carbones et un oxygène). | | Projection de Haworth | Représentation schématique tridimensionnelle simplifiée des cycles des sucres, où le cycle est dessiné comme un anneau presque plat avec les substituants positionnés vers le haut ou vers le bas. | | Carbone anomérique | Le carbone qui était à l'origine le carbone du carbonyle (C1 pour un aldose) et qui devient un nouveau centre stéréogénique après la cyclisation, portant le groupe hydroxyle anomérique. | | Forme α (alpha) | Configuration de l'ose cyclisé où le groupe hydroxyle sur le carbone anomérique est orienté vers le bas dans la projection de Haworth. | | Forme β (bêta) | Configuration de l'ose cyclisé où le groupe hydroxyle sur le carbone anomérique est orienté vers le haut dans la projection de Haworth. | | Conformation chaise | Une des deux conformations spatiales possibles (avec la conformation bateau) que prennent les cycles des oses en solution, considérée comme la plus stable et celle sous laquelle se présentent la plupart des oses naturels. | | Conformation bateau | Une des deux conformations spatiales possibles (avec la conformation chaise) que prennent les cycles des oses en solution. | | Oxydation | Réaction chimique où une molécule perd des électrons. Dans le cas des oses, cela peut concerner la fonction carbonyle ou les fonctions alcool, conduisant à la formation d'acides ou d'autres dérivés. | | Oxydation douce | Oxydation sélective qui affecte uniquement le groupement aldéhyde (–CHO) d'un aldose, le transformant en acide carboxylique (–COOH) sans altérer les fonctions alcool. | | Oxydation forte | Oxydation vigoureuse utilisant un oxydant puissant, qui peut transformer à la fois le groupement aldéhyde (–CHO) en acide carboxylique (–COOH) et un alcool primaire en acide carboxylique (–COOH). | | Oxydation enzymatique | Réaction d'oxydation catalysée par une enzyme spécifique, telle que la glucose oxydase (GOD), qui agit de manière ciblée sur une molécule comme le glucose. | | Réduction | Réaction chimique où une molécule gagne des électrons. Pour les oses, cela implique généralement l'addition d'hydrogène, transformant la fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) en fonction alcool. | | Condensation | Réaction où deux molécules se lient en perdant une petite molécule comme l'eau. Dans le cas des oses, elle permet la formation de liaisons glycosidiques entre sucres ou avec d'autres groupements. | | Liaison glycosidique | Liaison covalente formée entre deux oses ou entre un ose et une autre molécule, résultant généralement de la réaction de condensation entre une fonction hydroxyle et le carbone anomérique. | | Holoside | Glucide constitué uniquement de sucres liés entre eux par des liaisons glycosidiques, comme les disaccharides, oligosaccharides ou polysaccharides. | | Hétéroside | Glucide composé d'un sucre lié à une autre famille de molécules organiques, comme un alcool, un phénol (O-hétéroside) ou une base azotée (N-hétéroside). | | Esterification | Réaction de formation d'un ester, impliquant la combinaison d'un alcool (ou d'une fonction hydroxyle d'un ose) avec un acide, avec élimination d'une molécule d'eau. | | Déshydratation des oses | Réaction où une molécule d'eau est éliminée d'un ose, généralement sous l'action d'un acide fort et de chaleur, conduisant souvent à la formation de produits cycliques ou aromatiques comme le furfural. | | Composé réducteur | Substance capable de céder des électrons lors d'une réaction d'oxydo-réduction. Les aldoses sont considérés comme des agents réducteurs car leur groupement aldéhyde peut être oxydé. | | Composé oxydant | Substance capable de capter des électrons lors d'une réaction d'oxydo-réduction. Les sels de métaux lourds comme le cuivre (Cu²⁺) ou l'argent (Ag⁺) peuvent agir comme oxydants doux pour les oses. | | Furfural | Composé aromatique obtenu par déshydratation des pentoses en milieu acide fort et chaud, caractérisé par un cycle à cinq atomes contenant un atome d'oxygène. | | Hydroxyméthylfurfural (HMF) | Composé aromatique obtenu par déshydratation des hexoses en milieu acide fort et chaud, similaire au furfural mais avec un groupement hydroxyméthyle supplémentaire. | | Acide aldarique | Produit d'oxydation forte d'un aldose, où les fonctions aldéhyde et alcool primaire aux extrémités de la chaîne carbonée sont transformées en fonctions acide carboxylique. | | Polyol | Composé organique contenant plusieurs fonctions alcool (hydroxyle). Les oses sont réduits en polyols. | | Oside | Molécule glucidique complexe résultant de l'hydrolyse, libérant des oses ou un ose et une molécule non glucidique (aglycone). Les osides se composent de liaisons osidiques entre leurs unités. | | Liaison osidique | Liaison covalente formée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupement hydroxyle (–OH) d'un autre ose, ou d'une aglycone, dans le cas des hétérosides. | | Sucre réducteur | Glucide possédant une fonction hémiacétalique libre, qui peut réduire les sels métalliques en milieu alcalin. Ces sucres peuvent exister sous formes anomériques α ou β. | | Sucre non réducteur | Glucide dont la fonction hémiacétalique est engagée dans une liaison osidique, ce qui l'empêche de réduire les sels métalliques. Aucun carbone anomérique n'est libre dans ces molécules. | | Oligoside | Polysaccharide composé de 2 à 10 unités d'oses liées entre elles. Le maltose, le saccharose et le lactose sont des exemples d'oligosides. | | Polyoside (Polysaccharide) | Glucide complexe de grande taille, formé par la condensation de nombreuses unités d'oses (souvent plusieurs centaines ou milliers) reliées par des liaisons O-glycosidiques. | | Homopolyside | Type d'oside composé d'un seul type d'ose. L'amidon, le glycogène et la cellulose sont des exemples d'homopolysides, se distinguant par leur structure et leur rôle. | | Hétéroglycoside (Hétéroside) | Molécule formée d'une partie glucidique (ose ou oside) et d'une partie non glucidique, l'aglycone. La liaison entre ces deux parties est covalente et peut être de différents types (O-, N-, C-, S-glycosidique). | | Aglycone | Partie non glucidique d'un hétéroside, à laquelle le(s) ose(s) est/sont lié(s) par une liaison osidique. Les aglycones peuvent être des lipides, des protéines, des bases azotées, etc. | | Lipides | Composés organiques principalement formés de carbone, hydrogène et oxygène, caractérisés par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques non polaires. Ils sont généralement constitués d'acides gras et d'un alcool. | | Caractère hydrophobe | Propriété des lipides de ne pas interagir avec les molécules d'eau en raison de leur nature non polaire, ce qui explique leur insolubilité dans l'eau mais leur solubilité dans les solvants non polaires. | | Acides gras | Longues chaînes d'atomes de carbone terminées par un groupe acide (-COOH). Ils constituent une partie fondamentale de la structure de nombreux lipides. | | Alcool | Composé organique contenant un ou plusieurs groupes hydroxyle (-OH). Dans la formation des lipides, le glycérol est un alcool fréquemment utilisé, tout comme les alcools à longue chaîne et les stérols. | | Ester | Composé chimique formé par la réaction entre un acide gras et un alcool, impliquant la perte d'une molécule d'eau. Les esters constituent la base chimique de nombreux lipides, tels que les graisses et les huiles. | | Glycérides | Lipides simples résultant de la liaison d'acides gras avec le glycérol. Ils peuvent être mono-, di- ou triacylglycérols, et servent principalement de réserve d'énergie dans l'organisme. | | Cérides (ou Cires) | Lipides simples formés par la réaction d'un acide gras avec un alcool à longue chaîne. Ils jouent un rôle de protection et d'imperméabilisation, comme les cires cutanées ou végétales. | | Stérides (ou Esters de cholestérol) | Lipides formés par la réaction d'un acide gras avec un stérol, tel que le cholestérol. Ils sont impliqués dans le stockage et le transport du cholestérol et se retrouvent dans les membranes cellulaires. | | Lipides complexes | Lipides contenant, outre le carbone, l'hydrogène et l'oxygène, d'autres éléments comme le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont souvent des constituants essentiels des membranes cellulaires. | | Glycérophospholipides | Lipides complexes composés de glycérol, de deux acides gras, d'un groupe phosphate et potentiellement d'un composé azoté. Ils sont fondamentaux pour la structure des membranes cellulaires. | | Sphingolipides | Lipides complexes constitués d'une base appelée sphingosine, d'un acide gras et parfois d'un groupement phosphate. Ils sont particulièrement présents dans le système nerveux, notamment dans la gaine de myéline. | | Glycolipides | Lipides complexes formés par l'association d'un lipide avec un glucide. Ils sont localisés à la surface des membranes cellulaires et jouent un rôle clé dans la reconnaissance et la communication intercellulaire. | | Amphiphiles | Qualifie les molécules possédant à la fois une partie hydrophile (affinité pour l'eau) et une partie hydrophobe (repulsion de l'eau). Les phospholipides et glycolipides sont des exemples typiques de lipides amphiphiles. | | Acide gras | Molécule constituée d'une fonction acide carboxylique (-COOH), qui est la partie polaire et hydrophile, et d'un radical R, qui est une longue chaîne carbonée aliphatique et hydrophobe. | | Acide gras saturé | Acide gras dont la chaîne carbonée ne contient aucune double liaison carbone-carbone ; elle est entièrement saturée en hydrogène. Ces acides gras ont une structure linéaire et sont généralement solides à température ambiante. | | Acide gras insaturé | Acide gras qui possède au moins une double liaison carbone-carbone dans sa chaîne carbonée. La présence de ces doubles liaisons rend la chaîne coudée et diminue le point de fusion, les rendant liquides à température ambiante. | | Acide gras mono-insaturé (AGMI) | Acide gras insaturé ne possédant qu'une seule double liaison carbone-carbone dans sa chaîne. La double liaison se situe fréquemment entre les carbones 9 et 10. | | Acide gras poly-insaturé (AGPI) | Acide gras insaturé comportant plusieurs doubles liaisons carbone-carbone dans sa chaîne. Ces doubles liaisons sont séparées par un ou plusieurs groupements méthylène (-CH₂-). | | Configuration cis | Configuration d'une double liaison carbone-carbone où les deux atomes d'hydrogène attachés aux carbones de la double liaison sont du même côté. Cette configuration induit un coudage dans la chaîne de l'acide gras. | | Configuration trans | Configuration d'une double liaison carbone-carbone où les deux atomes d'hydrogène attachés aux carbones de la double liaison sont de part et d'autre. Cette configuration rend la chaîne plus linéaire, ressemblant à celle des acides gras saturés. | | Hydrophilie | Affinité pour l'eau. La partie hydrophile d'une molécule, comme le groupement carboxyle (-COOH) d'un acide gras, est polaire et peut interagir favorablement avec les molécules d'eau. | | Hydrophobie | Répulsion de l'eau. La partie hydrophobe d'une molécule, comme la chaîne carbonée R d'un acide gras, est apolaire et tend à s'associer avec d'autres chaînes hydrophobes. | | Point de fusion | Température à laquelle une substance passe de l'état solide à l'état liquide. Pour les acides gras, il est influencé par la longueur de la chaîne carbonée et le degré d'insaturation. | | Savon | Sel alcalin d'un acide gras, formé par la réaction d'un acide gras avec une base forte comme le NaOH ou le KOH. Les savons sont amphiphiles, ayant une tête hydrophile et une queue hydrophobe, ce qui leur permet de nettoyer. | | Estérification | Réaction chimique entre un acide gras et un alcool, formant un ester et de l'eau. Les triglycérides, principaux constituants des graisses, sont formés par l'estérification du glycérol avec trois acides gras. | | Hydrogénation | Réaction chimique au cours de laquelle de l'hydrogène (H₂) est ajouté sur les doubles liaisons d'un acide gras insaturé, le transformant en acide gras saturé. Cette réaction est utilisée pour solidifier les huiles végétales. | | Glycéride | Esters formés par la réaction entre le glycérol, un triol contenant trois groupes hydroxyles (-OH), et un ou plusieurs acides gras. Il existe sous forme de monoglycérides, diglycérides et triglycérides. | | Monoglycéride | Glycéride résultant de l'estérification d'un seul acide gras avec le glycérol. Ce sont des intermédiaires digestifs et métaboliques, présentant une nature amphipathique. | | Diglycéride | Glycéride résultant de l'estérification de deux acides gras avec le glycérol. Similaire aux monoglycérides, ils sont considérés comme des intermédiaires métaboliques et sont amphipathiques. | | Triglycéride | Glycéride formé par l'estérification des trois groupes hydroxyles du glycérol avec des acides gras. Ils constituent la principale forme de stockage d'énergie sous forme de graisses et huiles, et sont typiquement très hydrophobes. | | Hydrolyse | Réaction chimique qui rompt une liaison par l'addition d'une molécule d'eau. Dans le contexte des glycérides, elle permet de séparer le glycérol des acides gras, que ce soit par hydrolyse acide, enzymatique (digestion) ou alcaline (saponification). | | Saponification | Hydrolyse alcaline d'un ester, typiquement d'un triglycéride, qui produit un sel d'acide gras (savon) et du glycérol. C'est une réaction utilisée industriellement pour la fabrication de savons. | | Lipolyse | Processus métabolique par lequel les triglycérides stockés dans les adipocytes sont dégradés en acides gras et glycérol pour fournir de l'énergie à l'organisme. Ce processus est catalysé par des lipases spécifiques. | | Stérides | Lipides simples formés par l'estérification d'un stérol (comme le cholestérol) avec un acide gras. Ils sont moins polaires que les stérols libres et sont généralement stockés dans des gouttelettes lipidiques. | | Stérol | Lipide complexe caractérisé par une structure d'anneau caractéristique appelée noyau stérane. Le cholestérol est un exemple important de stérol, essentiel à la structure membranaire et précurseur de nombreuses molécules bioactives. | | Noyau stérane | Structure chimique fondamentale des stéroïdes, composée de quatre cycles fusionnés : trois cycles hexagonaux (A, B, C) et un cycle pentagonal (D). Cette structure rigide est caractéristique de toute la famille des stéroïdes. | | Cholestérol | Stérol majeur présent chez les animaux, dont la formule est `$C_{27}H_{46}$`. Il est un constituant essentiel des membranes cellulaires, contribuant à leur stabilité et fluidité, et sert de précurseur aux acides biliaires, à la vitamine D et aux hormones stéroïdes. | | Membrane cellulaire | Barrière biologique qui délimite la cellule, régulant le passage des substances. Le cholestérol est un composant lipidique important qui stabilise et module la fluidité de la membrane plasmique chez les eucaryotes. | | Acides biliaires | Molécules synthétisées dans le foie à partir du cholestérol, stockées dans la vésicule biliaire. Leur rôle principal est d'émulsifier les graisses dans l'intestin, facilitant ainsi leur digestion. On distingue les acides biliaires primaires, fabriqués directement par le foie (acide cholique, acide chénodésoxycholique), et les secondaires, transformés par la flore intestinale (acide désoxycholique, acide lithocholique). | | Vitamine D | Molécule synthétisée dans la peau à partir du 7-déhydrocholestérol sous l'action des rayons ultraviolets. La forme la plus courante est la vitamine D3 (cholécalciférol). Elle joue un rôle essentiel dans la minéralisation osseuse en favorisant l'absorption du calcium et du phosphore par l'organisme. | | Hormone | Molécule chimique produite par une glande endocrine et libérée dans la circulation sanguine pour agir à distance sur des organes cibles spécifiques. Elle agit comme un messager chimique, régulant diverses fonctions physiologiques, telles que la croissance, le métabolisme ou la reproduction. | | Hormone stéroïdienne | Hormone dont la structure moléculaire est dérivée du cholestérol. Elle possède un noyau stérane, composé de quatre cycles accolés et rigides, qui confère sa spécificité à la molécule. Ces hormones sont produites par des glandes spécifiques et jouent des rôles variés dans l'organisme. | | Glucocorticoïdes | Famille d'hormones stéroïdiennes produites par la glande corticosurrénale. L'exemple le plus connu est le cortisol, qui régule le métabolisme du glucose, possède des propriétés anti-inflammatoires et immunomodulatrices, aidant le corps à mobiliser de l'énergie en situation de stress. | | Minéralocorticoïdes | Famille d'hormones stéroïdiennes, telles que l'aldostérone, produites par la corticosurrénale. Elles contrôlent la concentration de sodium ($Na^+$) et de potassium ($K^+$) dans le sang et régulent la pression artérielle en influençant la rétention d'eau par les reins. | | Androgènes | Groupe d'hormones stéroïdiennes, souvent appelées hormones mâles, dont la testostérone est l'exemple principal. Produites par les testicules chez l'homme, elles stimulent la spermatogenèse, favorisent la croissance musculaire et osseuse, et sont responsables des caractères sexuels secondaires masculins. | | Œstrogènes | Famille d'hormones stéroïdiennes, telles que l'œstradiol, principalement produites par les ovaires chez la femme. Elles jouent un rôle crucial dans le développement des caractères sexuels secondaires féminins, la préparation de l'endomètre à la nidation et la régulation du cycle menstruel. | | Progestatifs | Classe d'hormones stéroïdiennes, dont la progestérone est l'exemple type. Elles sont produites par le corps jaune de l'ovaire après l'ovulation et sont essentielles pour préparer l'utérus à l'implantation d'un embryon et maintenir la grossesse en inhibant l'ovulation. | | Acide phosphatidique | Molécule formée d'un squelette de glycérol sur lequel sont fixés deux acides gras (en C1 et C2) et un groupement phosphate (en C3), précurseur des glycérophospholipides. | | Amphiphile | Qualité d'une molécule possédant à la fois une partie hydrophile (qui attire l'eau) et une partie hydrophobe (qui repousse l'eau), caractéristique des glycérophospholipides qui forment la bicouche lipidique. | | Bicouche lipidique | Organisation spontanée des glycérophospholipides en milieu aqueux, où les têtes hydrophiles sont orientées vers l'eau et les queues hydrophobes se regroupent au centre, formant ainsi la structure fondamentale des membranes cellulaires. | | Sphingosine | Amino-dialcool à 18 carbones qui constitue le squelette des sphingolipides, caractérisé par une double liaison trans, une fonction amine et deux fonctions alcool. | | Céramide | Molécule résultant de la liaison d'un acide gras à la fonction amine de la sphingosine par une liaison amide, constituant de base des sphingolipides. | | Sphingophospholipides (Sphingomyélines) | Sphingolipides composés d'un céramide auquel sont liés un groupement phosphate et un alcool (comme la choline), présents dans les membranes plasmiques et les gaines de myéline. | | Sphingoglycolipides | Sphingolipides formés d'un céramide lié à un ou plusieurs sucres au niveau du carbone 1, dépourvus de phosphate. Ils se subdivisent en cérébrosides et gangliosides. | | Cérébrosides | Sphingoglycolipides contenant un seul sucre (ose) lié au céramide, principalement trouvés dans le tissu nerveux. | | Gangliosides | Sphingoglycolipides contenant plusieurs sucres (oses), dont souvent un acide sialique, liés au céramide. Ils jouent un rôle dans la reconnaissance cellulaire et sont abondants dans les neurones. | | Acide aminé (AA) | Unité de base constituante des protéines, caractérisé par une chaîne latérale spécifique qui lui confère ses propriétés. Les protéines sont formées de longues chaînes d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. | | Anticorps | Protéines produites par les lymphocytes B, qui jouent un rôle essentiel dans la défense immunitaire en reconnaissant et en neutralisant les agents pathogènes ou les substances étrangères. Ils sont également appelés immunoglobulines. | | Caractère amphotère | Propriété d'une molécule, comme les protéines, de pouvoir se comporter à la fois comme un acide (donneur de proton H⁺) et comme une base (accepteur de proton H⁺), en raison de la présence de groupes chimiques ionisables dans sa structure. | | Catalyse enzymatique | Activité de certaines protéines, appelées enzymes, qui accélèrent spécifiquement les réactions biochimiques dans les organismes vivants sans être consommées elles-mêmes. Elles sont cruciales pour le métabolisme cellulaire. | | Cellule | Unité fondamentale de la vie, les protéines étant des macromolécules biologiques essentielles présentes dans toutes les formes de vie et constituant une part importante du poids sec cellulaire. | | Chaîne peptidique | Longue chaîne formée par l'enchaînement d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. C'est la structure de base qui constitue les peptides et les protéines. | | Chromoprotéines | Hétéroprotéines dont la partie non protéique (groupement prosthétique) est un pigment coloré, conférant ainsi une couleur spécifique à la molécule. Elles jouent des rôles variés, notamment dans le transport de l'oxygène (hémoglobine). | | Conformation | Structure tridimensionnelle spécifique et bien définie qu'adopte une protéine dans l'espace. Cette conformation est indispensable à son activité biologique et dépend des interactions entre ses acides aminés. | | Cristallisation | Processus par lequel les molécules de protéines s'organisent de manière ordonnée pour former une structure cristalline. Ce phénomène peut être favorisé en ajustant le pH, la concentration saline et en utilisant des solvants organiques. | | Électrophorèse | Technique d'analyse utilisée pour séparer les molécules chargées, comme les protéines, en fonction de leur mobilité dans un champ électrique. La vitesse de migration dépend de la charge et de la taille de la protéine. | | Enzyme | Protéine qui agit comme un catalyseur biologique, accélérant ainsi les réactions chimiques nécessaires à la vie. Elles sont hautement spécifiques de leurs substrats. | | Hélice α | Structure secondaire courante des protéines, où la chaîne polypeptidique s'enroule en une structure hélicoïdale stable grâce à des liaisons hydrogènes internes entre les groupements amide et carbonyle du squelette peptidique. | | Hémoglobine | Protéine globulaire présente dans les globules rouges du sang, dont la fonction principale est le transport de l'oxygène des poumons vers les tissus et du dioxyde de carbone des tissus vers les poumons. Elle est composée de quatre sous-unités. | | Hétéroprotéines | Protéines complexes composées d'une partie protéique (apoprotéine) et d'une partie non protéique appelée groupement prosthétique. Les groupements prosthétiques peuvent être variés (lipides, glucides, groupements phosphoriques, etc.). | | Holoprotéines | Protéines simples entièrement constituées d'acides aminés, sans aucune autre composante chimique. Elles peuvent être globulaires ou fibreuses. | | Liaison hydrogène | Liaison faible mais importante qui se forme entre un atome d'hydrogène lié à un atome électronégatif (comme l'oxygène ou l'azote) et un autre atome électronégatif à proximité. Ces liaisons stabilisent les structures secondaires des protéines (hélice α, feuillet β). | | Liaison peptidique | Liaison covalente formée entre le groupement carboxyle (-COOH) d'un acide aminé et le groupement amine (-NH₂) d'un autre acide aminé, avec élimination d'une molécule d'eau. C'est le lien fondamental qui unit les acides aminés dans une protéine. | | Lipoprotéines | Complexes formés par des protéines et des lipides, qui sont essentiels pour le transport des lipides insolubles dans le plasma sanguin et leur distribution aux différents tissus de l'organisme. Elles sont classées selon leur densité. | | Macromolécule | Très grande molécule, souvent un polymère, composée de nombreuses unités répétitives plus petites. Les protéines, les glucides, les lipides et les acides nucléiques sont des exemples de macromolécules biologiques. | | Masse moléculaire (MM) | Poids caractéristique d'une protéine, généralement exprimé en Daltons (Da). Les protéines ont une masse moléculaire qui doit être supérieure à 6000 Da. | | Nucléoprotéines | Hétéroprotéines constituées d'une protéine spécifique (apoprotéine) liée à un acide nucléique (ADN ou ARN). Elles jouent des rôles cruciaux dans la régulation génétique et la maintenance des chromosomes. | | Poids moléculaire | Terme souvent utilisé de manière interchangeable avec masse moléculaire, représentant la masse d'une molécule exprimée en Daltons (Da). | | Polymère | Grande molécule constituée par la répétition de sous-unités plus petites, appelées monomères, reliées par des liaisons chimiques. Les protéines sont des polymères d'acides aminés. | | Pression oncotique | Pression osmotique exercée par les protéines plasmatiques, principalement l'albumine, dans le sang. Elle contribue à maintenir l'équilibre hydrique entre le sang et les tissus en retenant l'eau dans les vaisseaux sanguins. | | Protéine | Macromolécule biologique complexe et fonctionnelle, essentielle à la vie, constituée d'une ou plusieurs chaînes d'acides aminés liées par des liaisons peptidiques. Les protéines remplissent une multitude de fonctions dans les organismes vivants. | | Protéines fibreuses | Catégorie de protéines insolubles dans l'eau, caractérisées par des structures allongées et résistantes. Elles jouent souvent des rôles structuraux importants, comme le collagène dans les tissus conjonctifs ou la kératine dans les cheveux et les ongles. | | Protéines globulaires | Protéines généralement solubles dans l'eau, ayant une forme sphéroïde ou compacte. Les chaînes latérales hydrophobes sont dirigées vers l'intérieur, tandis que les chaînes latérales hydrophiles sont exposées à l'extérieur, favorisant leur solubilité. | | Séquence d'acides aminés | L'ordre spécifique des acides aminés dans une chaîne polypeptidique. Cette séquence, déterminée génétiquement, est appelée structure primaire et est fondamentale pour la structure tridimensionnelle et la fonction de la protéine. | | Structure primaire | Correspond à la séquence linéaire des acides aminés dans une protéine, reliés par des liaisons peptidiques. Elle est déterminée par le code génétique et commence au niveau du groupement amine N-terminal. | | Structure quaternaire | Organisation spatiale résultant de l'assemblage de deux ou plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine active et fonctionnelle. Ces sous-unités peuvent être identiques (homopolymères) ou différentes (hétéropolymères). | | Structure secondaire | Repliements locaux réguliers de la chaîne polypeptidique, stabilisés par des liaisons hydrogènes. Les formes les plus courantes sont l'hélice α et le feuillet β. | | Structure tertiaire | Conformation tridimensionnelle complète d'une seule chaîne polypeptidique, résultant des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés. Cette structure englobe les hélices α, les feuillets β et les régions non structurées, et est essentielle à la fonction protéique. | | Sous-unité | Une des chaînes polypeptidiques individuelles qui composent une protéine possédant une structure quaternaire. Les sous-unités peuvent être identiques ou différentes. | | Télomère | Extrémité des chromosomes linéaires qui protège le matériel génétique lors de la division cellulaire. La télomérase est une enzyme (nucléoprotéine) qui assure l'élongation des télomères. | | Triplet de nucléotides | Séquence de trois bases azotées dans une molécule d'ADN ou d'ARN qui code pour un acide aminé spécifique lors de la synthèse des protéines (traduction). Il est également appelé codon. | | VLDL (Very Low Density Lipoprotein) | Type de lipoprotéine de très basse densité, principalement impliqué dans le transport des triglycérides du foie vers les tissus périphériques. | | Vitesse de migration | La rapidité à laquelle une protéine se déplace dans un champ électrique lors d'une électrophorèse. Elle est influencée par la charge nette de la protéine, sa taille et la viscosité du milieu. | | Zone ionique | La partie de la molécule d'une protéine qui porte une charge électrique due à l'ionisation de ses groupes fonctionnels. L'ensemble des zones ioniques confère à la protéine une charge globale qui varie avec le pH. | | Acide aminé | Molécule organique fondamentale constituant les protéines, caractérisée par la présence simultanée d'une fonction amine (–NH₂) et d'une fonction acide carboxylique (–COOH) liées à un atome de carbone central (carbone α). | | Carbone α (alpha) | Le carbone central d'un acide aminé, auquel sont liés le groupe amine, le groupe carboxyle, un atome d'hydrogène et la chaîne latérale (R), sauf dans le cas de la glycine. | | Chaîne latérale (R) | Le groupement variable attaché au carbone α d'un acide aminé, déterminant ses propriétés spécifiques et différenciant un acide aminé d'un autre. | | Chirali té | Propriété d'une molécule, comme la plupart des acides aminés (sauf la glycine), d'exister sous deux formes images dans un miroir (énantiomères L et D) qui ne sont pas superposables. | | Proté inogène (standard) | Un des 20 acides aminés utilisés par l'organisme humain pour synthétiser des protéines, et dont l'information est codée dans l'ADN. | | Acides aminés essentiels | Acides aminés que l'organisme ne peut pas synthétiser et qui doivent donc être apportés par l'alimentation pour permettre la synthèse protéique. | | Acides aminés non essentiels | Acides aminés que l'organisme est capable de synthétiser lui-même à partir d'autres composés métaboliques. | | Acides aminés polaires | Acides aminés dont la chaîne latérale possède des groupements capables de former des liaisons hydrogène avec l'eau, les rendant hydrophiles. Ils peuvent être ionisables ou non ionisables. | | Acides aminés non polaires | Acides aminés dont la chaîne latérale est principalement constituée de carbone et d'hydrogène, les rendant hydrophobes et tendant à se regrouper à l'intérieur des protéines. | | Pont disulfure | Liaison covalente formée entre les atomes de soufre de deux résidus de cystéine dans une protéine, contribuant à stabiliser sa structure tridimensionnelle. | | Zwitterion | Une molécule, telle qu'un acide aminé en milieu neutre, qui porte à la fois une charge positive et une charge négative mais dont la charge globale est neutre. | | Amphotérie | Propriété d'une substance, comme les acides aminés, de pouvoir agir à la fois comme un acide (donneur de protons) et comme une base (accepteur de protons) selon le pH du milieu. | | Point isoélectrique (pHi) | Le pH auquel un acide aminé possède une charge nette nulle, est majoritairement sous forme zwitterionique et ne migre pas dans un champ électrique. | | Pouvoir rotatoire | Capacité d'une substance à faire tourner le plan de la lumière polarisée, propriété liée à la chiralité de la molécule. La déviation peut être vers la droite (+) ou vers la gauche (–). | | Décarboxylation | Réaction chimique catalysée par une enzyme (décarboxylase) qui entraîne la perte d'un groupe carboxyle sous forme de dioxyde de carbone (CO₂), transformant un acide aminé en amine. | | Transamination | Réaction chimique où un groupe amine (–NH₂) est transféré d'un acide aminé à un acide cétonique, catalysée par des transaminases, permettant de synthétiser de nouveaux acides aminés. | | Peptide | Une petite molécule constituée de plusieurs acides aminés reliés bout à bout par des liaisons peptidiques. Il possède une extrémité N-terminale avec un groupe amine libre et une extrémité C-terminale avec un groupe carboxyle libre. | | Radical R | La chaîne latérale d'un acide aminé, qui varie d'un acide aminé à l'autre et qui confère ses propriétés spécifiques à chaque acide aminé. | | Extrémité N-terminale | L'extrémité d'un peptide qui porte un groupement amine libre (–NH₂) appartenant au premier acide aminé de la chaîne. | | Extrémité C-terminale | L'extrémité d'un peptide qui porte un groupement carboxyle libre (–COOH) appartenant au dernier acide aminé de la chaîne. | | Dipeptide | Peptide formé par la liaison de deux acides aminés via une liaison peptidique. | | Oligopeptide | Peptide composé d'un petit nombre d'acides aminés, généralement moins de 10. | | Polypeptide | Chaîne de peptides formée par la liaison de nombreux acides aminés entre eux par des liaisons peptidiques, généralement plus de 10. | | Hydrolyse acide | Réaction chimique utilisant un acide fort et de l'eau pour rompre les liaisons peptidiques d'un peptide, libérant ainsi les acides aminés constitutifs. | | Hydrolyse alcaline | Réaction chimique utilisant une base forte et de l'eau pour rompre les liaisons peptidiques d'un peptide, souvent utilisée pour préserver des acides aminés sensibles comme le tryptophane. | | Chromatographie d'échange d'ions | Technique de séparation qui utilise la différence de charge électrique des acides aminés à différents pH pour les séparer et les identifier dans une colonne d'échange d'ions. | | Réaction à la ninhydrine | Réaction chimique entre la ninhydrine et le groupe amine libre des acides aminés, produisant une couleur violette (ou jaune pour la proline) permettant leur visualisation et leur dosage. | | Méthode de Sanger | Méthode chimique permettant d'identifier le premier acide aminé N-terminal d'un peptide en le marquant avec le 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène (DNFB) avant hydrolyse. | | DNFB (1-fluoro-2,4-dinitrobenzène) | Réactif utilisé dans la méthode de Sanger pour marquer spécifiquement le groupe amine libre de l'acide aminé N-terminal d'un peptide, lui conférant une couleur jaune. | | Chlorure de dansyl (DANS-Cl) | Réactif utilisé dans la méthode de Dansyl pour marquer le groupe amine libre de l'acide aminé N-terminal d'un peptide. Le composé résultant (DANS-AA) est fluorescent sous UV. | | Méthode de Dansyl (ou méthode de Gray) | Méthode sensible et fluorescente pour identifier l'acide aminé N-terminal d'un peptide, impliquant le marquage avec le chlorure de dansyl suivi d'une hydrolyse acide et d'une séparation chromatographique. | | Méthode d'Edman | Méthode chimique séquentielle permettant de déterminer la séquence d'acides aminés d'un peptide, en clivant et identifiant un par un les acides aminés à partir de l'extrémité N-terminale. | | PITC (Phénylthioisocyanate) | Réactif utilisé dans la méthode d'Edman pour réagir avec le groupe amine libre du premier acide aminé N-terminal, formant un dérivé (PTH-AA) après clivage doux. | | PTH-AA (Phénylthiohydantoïne de l'acide aminé) | Dérivé cyclique d'un acide aminé libéré lors de la méthode d'Edman, stable et facilement identifiable, indiquant la nature de l'acide aminé N-terminal à chaque cycle. | | Exopeptidase | Enzyme qui hydrolyse les liaisons peptidiques à partir des extrémités d'un peptide. Les aminopeptidases agissent sur l'extrémité N-terminale, et les carboxypeptidases sur l'extrémité C-terminale. | | Aminopeptidase | Exopeptidase qui coupe progressivement les acides aminés à partir de l'extrémité N-terminale d'un peptide. | | Carboxypeptidase | Exopeptidase qui coupe les acides aminés à partir de l'extrémité C-terminale d'un peptide. Il existe différents types (A et B) ciblant spécifiquement certains acides aminés. | | Hydrazinolyse | Réaction chimique utilisant l'hydrazine (NH₂-NH₂) pour rompre toutes les liaisons peptidiques d'un peptide, transformant la plupart des acides aminés en hydrazides, sauf l'acide aminé C-terminal qui reste libre. | | Endopeptidase | Enzyme qui hydrolyse les liaisons peptidiques à l'intérieur de la chaîne d'un peptide ou d'une protéine, plutôt qu'aux extrémités. | | Fragmentation enzymatique | Processus qui utilise des enzymes spécifiques (endopeptidases) pour couper un peptide en fragments plus petits, facilitant ainsi l'analyse de sa séquence. | | Fragmentation chimique | Processus qui utilise des réactifs chimiques spécifiques (comme le bromure de cyanogène) pour couper un peptide en fragments, souvent en ciblant des acides aminés particuliers comme la méthionine. | | Bromure de cyanogène (BrCN) | Réactif chimique utilisé pour la fragmentation des peptides, coupant spécifiquement la liaison peptidique située après la méthionine. |

# Structure et propriétés des oses Cette section explore la structure, l'isomérie, la cyclisation et les propriétés physicochimiques des oses, couvrant leur filiation, les méthodes de synthèse et d'analyse, ainsi que leurs réactions chimiques fondamentales. ### 1.1 Filiation des aldoses et synthèse de Kiliani-Fischer La filiation des aldoses décrit les réactions permettant de relier les oses en fonction de leur longueur de chaîne carbonée, permettant d'allonger ou de raccourcir cette chaîne pour établir une relation généalogique entre les différents types de sucres [1](#page=1). #### 1.1.1 Synthèse de Kiliani-Fischer La synthèse de Kiliani-Fischer est une méthode utilisée pour allonger la chaîne carbonée d'un aldose d'un atome de carbone. Elle se déroule en trois étapes principales [1](#page=1): 1. **Ajout de cyanure d'hydrogène (HCN)**: Le groupe aldéhyde (-CHO) du sucre réagit avec le HCN pour former un cyanhydrine. Le carbone du carbonyle devient alors asymétrique, créant deux épimères car l'addition peut se faire de deux manières différentes [1](#page=1). > **Principe** : Le groupe -CHO réagit avec HCN pour former un groupe -CH(OH)-CN. Le carbone devient asymétrique. > **Produit intermédiaire** : Un cyanhydrine. 2. **Hydrolyse du groupe cyano**: Le groupe cyano (-CN) est hydrolysé en groupe acide carboxylique (-COOH) par traitement avec de l'eau et un acide, formant un acide aldonic [1](#page=1). > **Principe** : -CN + 2H₂O + H⁺ → -COOH + NH₃. > **Produit** : Acide aldonic. 3. **Réduction du groupe acide carboxylique**: L'acide carboxylique (-COOH) est réduit en groupe aldéhyde (-CHO) par une légère réduction, ce qui allonge la chaîne carbonée de l'ose d'un carbone [1](#page=1). > **Principe** : -COOH → -CHO (par réduction). > **Produit final** : Nouvel aldose avec un carbone de plus. > **Tip** : Cette synthèse produit toujours deux épimères car le nouveau carbone créé est asymétrique. ### 1.2 Nombre d'isomères des oses Le nombre d'isomères stéréoisomères d'un ose dépend du nombre de carbones asymétriques dans sa structure. * **Pour les aldoses**: Le nombre d'isomères est de $2^n-2$, où $n$ est le nombre total d'atomes de carbone. Pour le glucose (un hexose, $n=6$), il y a $2^{6-2} = 2^4 = 16$ isomères (8 paires d'énantiomères D et L) [2](#page=2). * **Pour les cétoses**: Le nombre d'isomères est de $2^n-3$, où $n$ est le nombre total d'atomes de carbone. Pour le fructose (un hexose, $n=6$), il y a $2^{6-3} = 2^3 = 8$ isomères (4 paires d'énantiomères D et L) [2](#page=2). ### 1.3 Cyclisation des oses et projection de Haworth En solution aqueuse, les oses de plus de quatre carbones tendent à se cycliser plutôt qu'à exister sous forme linéaire. Cette cyclisation implique la réaction intramoléculaire d'un groupe hydroxyle avec la fonction carbonyle [2](#page=2). #### 1.3.1 Cyclisation selon Tollens La cyclisation selon Tollens forme un hémiacétal (pour les aldoses) ou un hémicétal (pour les cétoses) [2](#page=2). 1. **Attaque nucléophile**: Le groupe -OH d'un carbone (souvent C5 ou C4) attaque le carbone du carbonyle (C1 pour un aldose, ou un carbone interne pour un cétose) [2](#page=2). 2. **Formation du cycle**: Le groupe hydroxyle fixe le carbone du carbonyle, formant un cycle par l'intermédiaire de l'oxygène, qui devient un nouvel atome asymétrique [2](#page=2). 3. **Carbone anomérique** : Le carbone du carbonyle devient un centre stéréogène, appelé carbone anomérique. La taille du cycle dépend du groupe -OH impliqué dans l'attaque : * **Cyclisation avec le -OH du C5**: Forme un cycle à 6 atomes (5 carbones et 1 oxygène), appelé **pyranose** (ex: D-glucopyranose) [2](#page=2). * **Cyclisation avec le -OH du C4**: Forme un cycle à 5 atomes (4 carbones et 1 oxygène), appelé **furanose** (ex: D-fructofuranose) [2](#page=2). #### 1.3.2 Projection de Haworth La projection de Haworth est une représentation simplifiée des cycles des sucres en 3D [3](#page=3). * Elle représente le cycle comme un anneau presque plat. * Le groupe -CH₂OH est généralement placé en haut à droite ou en haut à gauche. * Les carbones sont numérotés dans le sens des aiguilles d'une montre à partir du carbone anomérique [3](#page=3). **Règles de conversion Fischer vers Haworth** : * Les groupes -OH situés à droite dans la projection de Fischer sont placés **en bas** du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). * Les groupes -OH situés à gauche dans la projection de Fischer sont placés **en haut** du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). **Carbone anomérique** : Le carbone anomérique (C1 dans les aldoses) peut exister sous deux formes : * **Forme $\alpha$ (alpha)**: Le groupe -OH anomérique est en **bas** du cycle [3](#page=3). * **Forme $\beta$ (bêta)**: Le groupe -OH anomérique est en **haut** du cycle [3](#page=3). #### 1.3.3 Conformation spatiale des oses Dans les solutions, les oses adoptent principalement deux conformations cycliques: la forme **chaise** et la forme **bateau**. La forme chaise est la plus stable, et les oses naturels se présentent majoritairement sous cette conformation [3](#page=3). ### 1.4 Propriétés physicochimiques des oses Les oses possèdent des propriétés physiques et chimiques distinctes. #### 1.4.1 Propriétés physiques * **Solubilité**: Les oses sont très solubles dans l'eau en raison de leurs nombreux groupements hydroxyles [4](#page=4). * **Pouvoir rotatoire spécifique**: En solution, les oses font tourner le plan de la lumière polarisée, ce qui est utile pour leur identification et leur dosage [4](#page=4). * **Thermibilité**: Les oses sont thermodégradables; le chauffage peut entraîner une caramélisation [4](#page=4). #### 1.4.2 Propriétés chimiques Les propriétés chimiques des oses sont dues à leurs fonctions carbonyle (ou hémiacétal/hémicétal) et alcool, ainsi qu'aux réactions redox. ##### 1.4.2.1 Réactions dues à la fonction carbonyle (groupement réducteur) * **Oxydation** : * **Oxydation enzymatique**: L'enzyme glucose oxydase (GOD) oxyde spécifiquement le D-glucose en acide gluconique, produisant du peroxyde d'hydrogène (H₂O₂). Cette réaction est utilisée dans les tests de glycémie [4](#page=4). $$ \text{Glucose} + \text{O}_2 \xrightarrow{\text{glucose oxydase}} \text{Acide gluconique} + \text{H}_2\text{O}_2 $$ * **Oxydation douce chimique**: Elle transforme le groupe aldéhyde (-CHO) en acide carboxylique (-COOH) sans affecter les autres fonctions alcool [4](#page=4). > **Réaction générale**: Le C1 (-CHO) devient -COOH. Le produit est un acide aldono-carboxylique (acide aldarique). Exemple: D-glucose → Acide D-gluconique [4](#page=4). > **Réactifs**: Bromure d'argent en milieu ammoniacal ($\text{Ag(NH}_3)_2^+$), liqueur de Fehling, peroxyde d'hydrogène [5](#page=5). * **Oxydation forte chimique**: Utilise des oxydants puissants comme l'acide nitrique ($\text{HNO}_3$) et peut oxyder plusieurs fonctions [5](#page=5). > **Principe**: Oxydation simultanée du carbone 1 (aldéhyde) en acide carboxylique et du carbone primaire terminal (ex: C6 dans un hexose) en acide carboxylique [5](#page=5). > **Produit**: Acide aldarique (possède deux groupes -COOH) [5](#page=5). > **Exemple**: D-glucose + $\text{HNO}_3$ → Acide D-glucarique (ou acide saccharique) [5](#page=5). > **Pour les cétoses**: L'acide nitrique coupe la chaîne carbonée au niveau du carbone cétone et oxyde les fragments résultants. Exemple: D-fructose → Acide glycolique + Acide tartarique (produits de fragmentation et d'oxydation) [6](#page=6). * **Oxydation par les sels de métaux lourds (Liqueur de Fehling, Solution de Tollens)**: Ces réactifs (contenant $\text{Cu}^{2+}$ ou $\text{Ag}^+$) peuvent oxyder les oses en milieu basique et sont eux-mêmes réduits [6](#page=6). > **Principe** : Ose (réducteur) + Sel métallique (oxydant) → Acide + Métal réduit. > **Aldoses**: Sont réducteurs car ils possèdent une fonction aldéhyde qui peut se régénérer en milieu basique [6](#page=6). > **Cétoses**: Ne sont pas réducteurs intrinsèquement. Cependant, en milieu basique, certains cétoses peuvent s'isomériser en aldoses (ex: fructose → glucose/mannose), devenant alors réducteurs indirectement [6](#page=6). * **Réduction**: La réduction des oses transforme leur fonction carbonyle en alcool. Elle est réalisée par des agents réducteurs comme le borohydrure de sodium ($\text{NaBH}_4$) [7](#page=7). * **Réduction d'un aldose**: Le groupe aldéhyde (-CHO) est réduit en alcool primaire (-CH₂OH). Le produit est un polyol (alcool ayant plusieurs fonctions alcool) [7](#page=7). > **Structure générale d'un aldose** : R-CHOH-CHO > **Réduction** : R-CHOH-CHO + $\text{H}^-$ → R-CHOH-CH₂OH (Polyol) * **Réduction d'un cétose**: Le groupe cétone (C=O) est réduit en alcool secondaire (-CHOH). Le produit est également un polyol [7](#page=7). > **Structure générale d'un cétose** : R₁-CO-R₂ > **Réduction** : R₁-CO-R₂ + $\text{H}^-$ → R₁-CHOH-R₂ (Polyol) * **Condensation** : Cette réaction implique la liaison de deux molécules d'oses (ou d'un ose avec une autre molécule) avec élimination d'une molécule d'eau. Elle forme des liaisons glycosidiques (entre deux oses) ou d'autres types de liaisons. (Ce point est mentionné comme catégorie mais pas détaillé dans le contenu fourni). ##### 1.4.2.2 Réactions dues aux fonctions alcools Les fonctions alcools présentes sur les oses peuvent réagir dans diverses conditions, par exemple, être estérifiées ou éthérifiées, mais ces réactions ne sont pas détaillées dans le contenu fourni. > **Tip** : Les réactions d'oxydation et de réduction sont particulièrement importantes pour comprendre le métabolisme des glucides et les tests de diagnostic. La capacité d'un ose à agir comme agent réducteur est une propriété clé pour son identification chimique. --- # Les osides : disaccharides et polysaccharides Ce chapitre détaille la formation, la structure et la classification des osides, notamment les holosides (disaccharides et polysaccharides) et les hétérosides, ainsi que leurs rôles biologiques. ### 2.1 Réactions de condensation des oses La condensation des oses permet la formation de liaisons glycosidiques et, par extension, d'osides plus complexes [8](#page=8). #### 2.1.1 Principe général La fonction hydroxyle (–OH) d'un ose peut réagir avec une autre fonction hydroxyle (–OH), ou un groupe –NH₂, pour former une liaison covalente, avec élimination d'une molécule d'eau (H₂O). Cette réaction est appelée une déshydratation condensative. La liaison formée est nommée liaison glycosidique ou hétérosidique [8](#page=8). #### 2.1.2 Types de condensations * **Avec un autre ose: formation d'un holoside** [8](#page=8). Si la molécule réagissant avec l'ose est un autre sucre, le produit est un disaccharide ou un polysaccharide [8](#page=8). * **Exemple:** Glucose + Glucose $\rightarrow$ Maltose (liaison α-(1→4)-glycosidique) + H₂O [8](#page=8). * Le produit est un holoside (tout sucre) [8](#page=8). * La liaison formée est une liaison O-glycosidique, impliquant le carbone anomérique [8](#page=8). * **Avec une molécule non glucidique: formation d'un hétéroside** [8](#page=8). Si la molécule réagissant avec l'ose n'est pas un sucre (représentée par R–OH), on obtient un O-hétéroside [8](#page=8). * **Exemple:** Glucose + R–OH $\rightarrow$ O-hétéroside + H₂O. Cela inclut la condensation avec un alcool ou un phénol [8](#page=8). * **Avec une amine: formation d'un N-hétéroside** [8](#page=8). La condensation peut également se produire avec un groupe amine (–NH₂) [8](#page=8). * **Exemple:** Sucre + Base azotée $\rightarrow$ N-glycoside [8](#page=8). * Les nucléosides, constituants de l'ADN et de l'ARN, sont des N-hétérosides importants en biochimie [16](#page=16) [8](#page=8). ### 2.2 Propriétés chimiques des oses liées aux fonctions alcool Les fonctions hydroxyles des oses peuvent subir diverses réactions chimiques. #### 2.2.1 Estérification L'estérification consiste à substituer un atome d'hydrogène d'un groupe hydroxyle par un groupe acyle, formant ainsi un ester. Elle est cruciale dans le métabolisme énergétique, notamment lors des étapes de phosphorylation [9](#page=9). * **Principe général:** Un groupe –OH réagit avec un acide (H–X) pour former un ester (R–O–X) et de l'eau [9](#page=9). $R–OH + H–X \rightarrow R–O–X + H₂O$ * **Pour les oses:** Les fonctions hydroxyles des oses peuvent être estérifiées par des acides tels que l'acide phosphorique, l'acide sulfurique, ou des acides carboxyliques [9](#page=9). * **Exemple:** Formation de glucose 6-phosphate. Le groupe –OH en C6 du glucose réagit avec l'acide phosphorique [9](#page=9). Glucose + H₃PO₄ $\rightarrow$ Glucose 6-phosphate + H₂O Cette réaction est la première étape de la glycolyse [9](#page=9). #### 2.2.2 Déshydratation La déshydratation des oses en milieu acide, sous l'action de la chaleur, conduit à la cyclisation et à la formation de produits aromatiques comme le furfural ou l'hydroxyméthylfurfural (HMF) [10](#page=10). * **Principe général:** Un ose perd des molécules d'eau sous l'action d'un acide fort et de chaleur [10](#page=10). Ose $\xrightarrow{\text{acide fort + chaleur}}$ Furfural / HMF + H₂O * **Produits selon le type d'ose :** * **Pentoses (C5):** Donnent du furfural après perte de 3 molécules d'eau [10](#page=10). Ribose (C5) $\xrightarrow{\text{H}^+, \text{chaleur}}$ Furfural + 3 H₂O * **Hexoses (C6):** Donnent de l'hydroxyméthylfurfural (HMF) après perte de 3 molécules d'eau [10](#page=10). Glucose (C6) $\xrightarrow{\text{H}^+, \text{chaleur}}$ Hydroxyméthylfurfural + 3 H₂O ### 2.3 Les osides : holosides et hétérosides Un oside est une molécule glucidique complexe dont l'hydrolyse libère des oses, ou des oses et une molécule non glucidique [11](#page=11). | Type d'oside | Produits d'hydrolyse | Exemple | Composition | | :------------ | :-------------------------------------------------- | :---------------------- | :------------------ | | Holoside | Uniquement des oses (identiques ou différents) | Maltose, Saccharose, Lactose | Ose + Ose | | Hétéroside | Ose(s) + aglycone (partie non sucrée) | ADN, glycoprotéines, glycolipides | Ose + molécule non osidique | #### 2.3.1 Les holosides Formés uniquement d'oses unis par une liaison osidique [11](#page=11). * **La liaison osidique:** Liaison covalente entre le carbone anomérique (C1 de l'ose réducteur) et un groupement hydroxyle (–OH) d'un autre ose [11](#page=11). * **Facteurs déterminant la liaison osidique :** 1. **Nature des oses liés:** (ex: glucose + galactose) [11](#page=11). 2. **Forme cyclique de chaque ose:** cycle pyranique (6 atomes) ou furanique (5 atomes) [11](#page=11). 3. **Configuration anomérique:** α (H anomérique en bas du plan) ou β (H anomérique en haut du plan) [11](#page=11). * **Classification des holosides :** | Type | Description | Exemple | | :---------- | :---------------------------------------- | :--------------------------------------------------------- | | Oligosides | 2 à 10 oses | Maltose (glucose + glucose), Saccharose (glucose + fructose), Lactose (glucose + galactose) | | Polyosides (polysaccharides) | >10 oses | Amidon, Glycogène, Cellulose | Ces molécules servent souvent de réserve énergétique (amidon, glycogène) ou de structure (cellulose) [11](#page=11). #### 2.3.2 Diholosides réducteurs Un diholoside est dit réducteur lorsque le carbone anomérique de l'un des oses est lié à un groupe hydroxyle d'un autre ose, mais que l'autre carbone anomérique reste libre. Cela signifie que le diholoside possède encore une fonction hémiacétalique libre et peut donc réduire les sels métalliques (comme la liqueur de Fehling). Ces diholosides peuvent exister sous forme α ou β car un des carbones anomériques reste libre [11](#page=11). #### 2.3.3 Nomenclature générale des osides La nomenclature dépend de la disponibilité de la fonction hémiacétalique du carbone anomérique [12](#page=12). * **Terme :** * `-ose`: La fonction hémiacétalique est libre (sucre réducteur) [12](#page=12). * `-osyl`: La fonction hémiacétalique est engagée dans la liaison (premier ose du diholoside) [12](#page=12). * `-oside`: La fonction hémiacétalique du dernier ose est engagée (sucre non réducteur) [12](#page=12). * **Exemple 1 : Lactose** * **Type:** Diholoside réducteur [12](#page=12). * **Composition:** 1 D-galactose, 1 D-glucose [12](#page=12). * **Liaison osidique:** β-(1→4) (C1 du galactose lié au C4 du glucose) [12](#page=12). * **Nom chimique:** D-galactopyranosyl (β→4)D-glucopyranose [12](#page=12). * Le galactose est engagé (-osyl), le glucose reste libre (-ose), donc le lactose est réducteur. Il peut exister sous forme α ou β selon l'anomère libre du glucose [12](#page=12). * **Exemple 2 : Saccharose** * **Type:** Diholoside non réducteur [12](#page=12). * **Composition:** 1 glucose, 1 fructose [12](#page=12). * **Liaison osidique:** α-(1→β2) (C1 du glucose en α et C2 du fructose en β sont engagés) [12](#page=12). * **Nom chimique:** D-glucopyranosyl (α→β)D-fructofuranoside ou α-D-glucopyranosyl (1→2)-β-D-fructofuranoside [12](#page=12). * Les deux carbones anomériques (C1 du glucose et C2 du fructose) sont engagés, aucun n'est libre. Il n'y a pas de fonction hémiacétalique libre, donc le saccharose est non réducteur. C'est le sucre de table [13](#page=13). * **Exemple 3 : Maltose** * **Type:** Diholoside réducteur [13](#page=13). * **Composition:** 2 molécules de D-glucose [13](#page=13). * **Liaison osidique:** α-(1→4) (C1 du 1er glucose lié au C4 du 2ème glucose) [13](#page=13). * **Nom chimique:** D-glucopyranosyl (α→4)D-glucopyranose ou D-glucopyranosyl (1→4)D-glucopyranose [13](#page=13). * Le premier glucose est engagé (-osyl), le second glucose garde son C1 libre (-ose), donc il est réducteur. La forme α ou β est possible selon l'anomère libre. Produit de la digestion de l'amidon ou du glycogène [13](#page=13). #### 2.3.4 Les polysides (ou polysaccharides) Grands glucides complexes formés par la condensation de nombreuses molécules d'oses (souvent plusieurs centaines ou milliers). Chaque liaison est une liaison O-glycosidique [14](#page=14). * **Rôles principaux :** * Réserve énergétique (ex: amidon, glycogène) [14](#page=14). * Rôle structural (ex: cellulose, chitine) [14](#page=14). * Rôle biologique spécifique (ex: acide hyaluronique, héparine) [14](#page=14). * **Caractéristiques distinctives :** 1. Type d'oses constituant (identiques ou différents) [14](#page=14). 2. Type de liaison osidique (α ou β, positions des carbones: 1→4, 1→6, etc.) [14](#page=14). 3. Structure de la chaîne: linéaire ou ramifiée [14](#page=14). * **Grandes familles de polysides :** **A. Les Homopolysides** Formés d'un seul type d'ose [14](#page=14). | Exemple | Oses constitutifs | Type de liaison | Structure | Rôle | | :-------- | :---------------- | :-------------- | :----------------------------------------------- | :------------------------- | | Amidon | Glucose | α(1→4) et α(1→6) | Ramifiée (amylopectine) et linéaire (amylose) | Réserve énergétique végétale | | Glycogène | Glucose | α(1→4) et α(1→6) | Fortement ramifiée | Réserve énergétique animale | | Cellulose | Glucose | β(1→4) | Linéaire | Rôle structural (végétal) | > **Remarque:** La notation α-(1→4) indique la configuration anomérique α du premier ose (carbone 1 en position α) et que la liaison se fait entre le carbone 1 (C1) du premier ose et le carbone 4 (C4) du deuxième ose [15](#page=15). #### 2.3.5 Les Hétérosides Molécules formées d'une partie glucidique (ose ou holoside) et d'une partie non glucidique appelée aglycone ou génine. Ces deux parties sont liées par une liaison glycosidique [15](#page=15). * **Principe:** Hétéroside $\leftrightarrow$ Sucre (ose/holoside) + Aglycone [15](#page=15). La liaison implique l'hydroxyle du carbone anomérique du sucre qui se lie à un atome de la partie aglycone [15](#page=15). * **Types d'hétérosides selon l'atome participant à la liaison :** | Type d'hétéroside | Liaison | Exemple typique | Où ? | | :---------------- | :--------------------------------------------- | :---------------------------------------------------- | :------------------------------------- | | O-hétéroside | se lie à un O (hydroxyle alcoolique) | Liaison ose–sérine (ou thréonine) dans une protéine | Glycoprotéines | | N-hétéroside | se lie à un N (amine ou base azotée) | Nucléosides (ex: adénosine: ribose + adénine) | ADN, ARN | | C-hétéroside | se lie à un C de l'aglycone | Certains pigments végétaux | Plantes médicinales | | S-hétéroside | se lie à un S (thiol -SH) | Composés soufrés (rares) | Plantes alliacées (ail, oignons) | * **L'aglycone (ou génine):** Ce sont les parties non glucidiques associées au sucre. Elles peuvent être de plusieurs types [15](#page=15): | Type d'aglycone | Exemple | Description | | :-------------- | :-------------------------- | :------------------------------------------------------------------------------------- | | Lipide | Lipide + ose $\rightarrow$ glycolipide | Présents dans les membranes cellulaires, rôle de reconnaissance entre cellules.. | [15](#page=15) [16](#page=16). | Protéine | Protéine + longues chaînes glucidiques (souvent GAG) $\rightarrow$ Protéoglycane (PG) | Tissus conjonctifs, rôle de structure et lubrification.. | [15](#page=15). | Protéine | Protéine + quelques oses (chaînes courtes) $\rightarrow$ Glycoprotéine (GP) | Rôles hormonaux, immunitaires, enzymatiques.. | [15](#page=15) [16](#page=16). | Peptides | Peptides + polysaccharides $\rightarrow$ Peptidoglycanes | Paroi bactérienne (rigidité).. | [15](#page=15). | Molécule non osidique | Fixation non enzymatique d'un glucose sur une protéine $\rightarrow$ Protéine glycosylée | Marqueurs biologiques (ex: HbA1c pour la glycémie à long terme).. | [15](#page=15). * **Rôles des liaisons hétérosidiques dans les cellules :** * Identifier les cellules (glycolipides) [16](#page=16). * Communiquer (glycoprotéines) [16](#page=16). * Stocker et transmettre l'information génétique (nucléosides $\rightarrow$ ADN/ARN) [16](#page=16). --- # Lipides : classification, propriétés et rôles Les lipides sont une classe diverse de molécules organiques définies par leur solubilité dans les solvants organiques et leur insolubilité dans l'eau, jouant des rôles cruciaux dans la structure cellulaire, le stockage d'énergie et la signalisation [17](#page=17). ### 3.1 Définition et propriétés générales des lipides Les lipides sont des composés organiques composés principalement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Leur caractéristique déterminante est leur nature hydrophobe, c'est-à-dire leur insolubilité dans l'eau, mais leur bonne solubilité dans les solvants organiques non polaires tels que le chloroforme, l'éther ou le benzène. Cette propriété découle de leur structure majoritairement apolaire. La plupart des lipides sont formés de deux composantes principales: des acides gras et un alcool, formant une liaison ester. Il existe également des substances apparentées aux lipides, comme les stéroïdes et les vitamines liposolubles, qui partagent leur caractère hydrophobe sans nécessairement contenir d'acides gras [17](#page=17). #### 3.1.1 Rôles physiologiques des lipides Les lipides remplissent plusieurs fonctions essentielles dans l'organisme : * **Isolement et protection des organes:** Le tissu adipeux, constitué de lipides, agit comme un isolant thermique, protège des chocs mécaniques et maintient la température corporelle [17](#page=17). * **Transport et absorption des vitamines:** Ils facilitent l'absorption et le transport des vitamines liposolubles (A, D, E, K) dans l'organisme [18](#page=18). * **Stockage d'énergie:** Les lipides constituent la principale réserve d'énergie du corps, libérant environ 9 kcal par gramme, soit le double des glucides ou des protéines. Ils sont stockés sous forme de triacylglycérols dans les cellules adipeuses [18](#page=18). * **Synthèse de molécules de signalisation:** Certains lipides sont précurseurs de médiateurs chimiques tels que les prostaglandines, les thromboxanes et les leucotriènes, impliqués dans l'inflammation, la douleur, la coagulation et la contraction musculaire [18](#page=18). ### 3.2 Classification des lipides Les lipides sont classés en deux grandes catégories: les lipides simples et les lipides complexes [19](#page=19). #### 3.2.1 Lipides simples (homolipides) Ces lipides sont composés uniquement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils résultent de l'union entre des acides gras et un alcool [19](#page=19). * **Glycérides:** Ils sont formés de glycérol estérifié par un, deux ou trois acides gras (mono-, di- ou triacylglycérols). Ils constituent les graisses et huiles du corps et de l'alimentation, servant principalement de réserve d'énergie. Les triglycérides sont les plus abondants [19](#page=19) [29](#page=29). * **Cérides:** Ils sont formés par la réaction d'un acide gras avec un alcool à longue chaîne. Ils constituent les cires naturelles, protégeant et imperméabilisant (ex: cire d'abeille, sébum) [19](#page=19) [37](#page=37). * **Stérides:** Ils sont formés par l'estérification d'un stérol (comme le cholestérol) avec un acide gras. Ils jouent un rôle dans le stockage et le transport du cholestérol [19](#page=19) [32](#page=32). #### 3.2.2 Lipides complexes (hétérolipides) Ces lipides contiennent, en plus de C, H et O, d'autres éléments comme le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont des constituants majeurs des membranes cellulaires [19](#page=19) [38](#page=38). * **Glycérophospholipides:** Composés de glycérol, de deux acides gras, d'un groupe phosphate et d'un alcool. Ils sont essentiels à la structure des membranes cellulaires [19](#page=19) [38](#page=38). * **Sphingolipides:** Composés d'une base appelée sphingosine, d'un acide gras, et potentiellement d'un groupement phosphate ou sucre. Ils sont présents dans le système nerveux, notamment dans la gaine de myéline [19](#page=19) [44](#page=44). * **Glycolipides:** Formés d'un lipide et d'un glucide. Ils sont situés à la surface des membranes cellulaires et participent à la reconnaissance et à la communication intercellulaire [19](#page=19). #### 3.2.3 Propriétés physico-chimiques des lipides Les lipides peuvent être hydrophobes (insolubles dans l'eau) comme les triglycérides, ou amphiphiles (ayant une partie hydrophile et une partie hydrophobe) comme les phospholipides [19](#page=19). ### 3.3 Les acides gras Les acides gras sont des acides monocarboxyliques constitués d'une longue chaîne hydrocarbonée (hydrophobe) et d'un groupe carboxyle (hydrophile). Ils présentent une double nature [20](#page=20): * **Tête hydrophile:** Le groupe carboxyle (-COOH), polaire, qui interagit avec l'eau [20](#page=20). * **Queue hydrophobe:** La chaîne hydrocarbonée (-CH₂-)n, apolaire, qui repousse l'eau [20](#page=20). Dans l'eau, le groupe carboxyle s'ionise en carboxylate (-COO⁻) à pH physiologique, renforçant leur caractère hydrophile [20](#page=20). #### 3.3.1 Caractéristiques des acides gras * **Chaîne carbonée:** Généralement linéaire et avec un nombre pair de carbones, car synthétisés à partir d'unités de deux carbones (acétyl-CoA) [20](#page=20). * **Longueur de chaîne:** Typiquement entre 14 et 24 atomes de carbone [20](#page=20). * **Degré d'insaturation :** * **Acides gras saturés:** Aucune double liaison C=C [20](#page=20) [21](#page=21). * **Acides gras insaturés:** Une ou plusieurs doubles liaisons C=C [20](#page=20). * **Formes:** Ils peuvent être linéaires, ramifiés ou cycliques [20](#page=20). * **Non hydrolysables:** Contrairement aux lipides complexes, les acides gras seuls ne peuvent pas être hydrolysés en sous-unités plus petites [20](#page=20). #### 3.3.2 Acides gras saturés Leur chaîne carbonée est entièrement saturée en hydrogène, sans double liaison. Des exemples incluent l'acide palmitique (C16:0) et l'acide stéarique (C18:0) [21](#page=21). #### 3.3.3 Acides gras insaturés Ils possèdent au moins une double liaison entre les carbones de leur chaîne. La première double liaison se situe souvent entre C9 et C10 [22](#page=22). * **Acides gras mono-insaturés (AGMI):** Possèdent une seule double liaison (ex: acide oléique, C18:1Δ9) [23](#page=23). * **Acides gras poly-insaturés (AGPI):** Possèdent plusieurs doubles liaisons séparées par des groupes méthylènes. Les acides linoléique (C18:2Δ9,12, ω6) et alpha-linolénique (C18:3Δ9,12,15, ω3) sont essentiels et doivent être apportés par l'alimentation [23](#page=23). ##### 3.3.3.1 Configurations des doubles liaisons * **Cis:** Les deux hydrogènes sont du même côté de la double liaison, créant un coude dans la chaîne et rendant l'acide gras liquide [24](#page=24). * **Trans:** Les deux hydrogènes sont de part et d'autre de la double liaison, la chaîne est plus linéaire, ressemblant aux acides gras saturés et rendant l'acide gras solide [24](#page=24). #### 3.3.4 Propriétés physico-chimiques des acides gras Les propriétés dépendent de la longueur de la chaîne et du degré d'insaturation [26](#page=26). * **Solubilité dans l'eau:** Diminue avec l'augmentation de la longueur de la chaîne carbonée. Les chaînes courtes sont solubles, les longues sont pratiquement insolubles. Les doubles liaisons augmentent légèrement la solubilité [26](#page=26). * **Masse volumique:** Inférieure à celle de l'eau (environ 0,8 - 0,95 g/cm³), ce qui explique pourquoi les huiles flottent [26](#page=26). * **Point de fusion :** * Augmente avec la longueur de la chaîne carbonée (plus de liaisons intermoléculaires) [27](#page=27). * Diminue avec le nombre de doubles liaisons (elles créent des plis, empêchant un empaquetage serré) [27](#page=27). Les graisses solides (beurre) contiennent des acides gras longs et saturés, tandis que les huiles liquides contiennent des acides gras courts ou insaturés [27](#page=27). #### 3.3.5 Propriétés chimiques des acides gras Les réactions dépendent du groupe carboxyle et des doubles liaisons [27](#page=27). * **Réactions dues au groupe carboxyle (-COOH) :** * **Formation de sels alcalins (savons):** Réaction avec une base forte (NaOH, KOH) produisant un savon et de l'eau. La partie carboxylate est hydrophile, le cation (Na⁺, K⁺) est hydrophile [27](#page=27). * **Estérification:** Réaction avec un alcool pour former un ester et de l'eau. C'est la réaction fondamentale pour la synthèse des glycérides [28](#page=28). * **Réactions dues aux doubles liaisons (C=C) :** * **Hydrogénation:** Addition d'hydrogène sur les doubles liaisons, les transformant en liaisons simples. Permet de solidifier les huiles végétales (ex: margarine) [28](#page=28). * **Oxydation:** Rupture des doubles liaisons, produisant des acides carboxyliques. Explique le rancissement des graisses insaturées [28](#page=28). ### 3.4 Les glycérides (acylglycérols) Les glycérides sont des esters formés par la réaction entre le glycérol et un ou plusieurs acides gras. Le glycérol est un triol avec trois groupes hydroxyle (-OH) nommés α, β, α' [30](#page=30). #### 3.4.1 Types de glycérides * **Monoglycérides:** 1 acide gras + 1 glycérol. Intermédiaire digestif, amphipathique [30](#page=30). * **Diglycérides:** 2 acides gras + 1 glycérol. Intermédiaire métabolique, amphipathique [30](#page=30). * **Triglycérides:** 3 acides gras + 1 glycérol. Graisses et huiles, très hydrophobes [30](#page=30). Les glycérides peuvent être simples (acides gras identiques) ou mixtes (acides gras différents) [30](#page=30). #### 3.4.2 Propriétés physiques des glycérides * **Solubilité:** Les mono- et diglycérides sont amphipathiques et solubles dans l'eau. Les triglycérides sont totalement hydrophobes et insolubles dans l'eau [31](#page=31). * **Point de fusion:** Dépend du type d'acides gras: saturés (solides, graisses) vs insaturés (liquides, huiles) [31](#page=31). #### 3.4.3 Propriétés chimiques des glycérides * **Hydrolyse acide ou enzymatique:** Désintègre le triglycéride en glycérol et trois acides gras. C'est la digestion des lipides alimentaires par les lipases [31](#page=31). * **Hydrolyse alcaline (saponification):** Réaction avec une base forte pour former du glycérol et des sels d'acides gras (savons) [31](#page=31). #### 3.4.4 Rôles des triglycérides * **Rôle énergétique:** Principale réserve d'énergie [31](#page=31). * **Stockage corporel:** Stockés dans les adipocytes, une forme de stockage efficace sans eau associée [31](#page=31). * **Isolation et protection:** Le tissu adipeux sous-cutané et viscéral assure l'isolation thermique et la protection mécanique des organes [31](#page=31). * **Rôle physiopathologique:** Un excès peut conduire à l'obésité, au diabète et aux maladies cardiovasculaires [32](#page=32). #### 3.4.5 Digestion et hydrolyse des triglycérides Les triglycérides alimentaires trop gros et hydrophobes sont hydrolysés en 1 monoglycéride et 2 acides gras par la lipase pancréatique. Dans les cellules, la lipolyse des triglycérides stockés libère successivement des diglycérides, des monoglycérides, puis du glycérol et trois acides gras, grâce aux enzymes ATGL, HSL et MGL [32](#page=32). ### 3.5 Les stérides Les stérides sont des lipides simples formés par l'estérification d'un stérol (comme le cholestérol) avec un acide gras [32](#page=32). #### 3.5.1 Famille des stéroïdes Les stérides appartiennent à la famille des stéroïdes, caractérisés par une structure rigide commune appelée noyau stérane (quatre cycles accolés: trois hexagonaux et un pentagonal) [33](#page=33). * **Cholestérol:** Composant majeur des membranes cellulaires, il stabilise leur fluidité et leur perméabilité. Il est également précurseur d'acides biliaires, de vitamine D et d'hormones stéroïdiennes. Le cholestérol est aussi stocké sous forme estérifiée (cholestérol + acide gras) pour être hydrophobe [33](#page=33). #### 3.5.2 Dérivés du cholestérol * **Acides biliaires:** Synthétisés dans le foie à partir du cholestérol, ils émulsifient les graisses dans l'intestin pour faciliter leur digestion [34](#page=34). * **Vitamine D:** Synthétisée dans la peau à partir du 7-déhydrocholestérol sous l'action des UV, elle régule la minéralisation osseuse en favorisant l'absorption du calcium et du phosphore [34](#page=34). * **Hormones stéroïdiennes:** Hormones produites à partir du cholestérol, ayant le noyau stérane. Elles incluent les glucocorticoïdes (cortisol), les minéralocorticoïdes (aldostérone), les androgènes (testostérone), les œstrogènes (estradiol) et les progestatifs (progestérone). Ces hormones jouent des rôles cruciaux dans le métabolisme, la régulation hydrique, le développement sexuel et la reproduction [35](#page=35) [36](#page=36). ### 3.6 Les cérides (cires) Les cérides sont formés par l'estérification d'un acide gras avec un alcool gras. Ils sont solides à température ambiante et insolubles dans l'eau, grâce à leurs longues chaînes carbonées et leur caractère apolaire. Ils protègent contre l'eau et les agents extérieurs, comme sur la peau, les feuilles ou les plumes [19](#page=19) [37](#page=37). ### 3.7 Les lipides complexes Ils contiennent des acides gras et d'autres groupes chimiques (phosphate, sucre), et sont les principaux constituants des membranes biologiques [38](#page=38). #### 3.7.1 Glycérophospholipides Ce sont les lipides complexes les plus importants chez l'homme. Leur structure de base est l'acide phosphatidique (glycérol + 2 acides gras + acide phosphorique). L'ajout d'un alcool sur le phosphate donne un glycérophospholipide [38](#page=38) [39](#page=39). * **Structure:** Ils possèdent une tête polaire (glycérophosphate + alcool) hydrophile et deux queues apolaires (acides gras) hydrophobes, les rendant amphiphiles [40](#page=40) [43](#page=43) [44](#page=44). * **Organisation:** Cette amphiphilie leur permet de former la bicouche lipidique des membranes cellulaires, où les têtes hydrophiles sont orientées vers l'eau et les queues hydrophobes s'assemblent au centre [43](#page=43) [44](#page=44). * **Variété:** Le type d'alcool fixé au phosphate détermine le nom et la fonction du glycérophospholipide (ex: phosphatidylcholine, phosphoryléthanolamine, phosphatidylsérine, phosphatidylinositol, cardiolipine) [40](#page=40). #### 3.7.2 Sphingolipides Ils sont construits sur une base de sphingosine (un amino-dialcool à 18 carbones) plutôt que de glycérol. La fonction amine de la sphingosine se lie à un acide gras par une liaison amide stable, formant un céramide [44](#page=44) [45](#page=45). * **Sphingophospholipides (sphingomyélines):** Formés d'un céramide lié à un groupe phosphate et un alcool (comme la choline). Ils sont abondants dans la gaine de myéline des neurones, contribuant à la protection et à la conduction nerveuse [46](#page=46). * **Sphingoglycolipides:** Formés d'un céramide lié à un ou plusieurs sucres (oses). Ils sont sans phosphate [47](#page=47). * **Cérébrosides:** Contiennent un seul sucre (ex: galactocérébroside). Présents dans le tissu nerveux [47](#page=47). * **Gangliosides:** Contiennent plusieurs sucres complexes (2 à 20), dont souvent un acide sialique. Ils jouent un rôle dans la reconnaissance cellulaire et sont abondants dans les neurones du cerveau [47](#page=47). --- # Acides aminés : structure, classification et réactions Voici un guide d'étude détaillé sur les acides aminés, leur structure, classification et réactions, basé sur le contenu fourni. ## 4. Acides aminés : structure, classification et réactions Ce guide d'étude présente la structure fondamentale des acides aminés, leur classification basée sur la nature de leur chaîne latérale, leurs propriétés physicochimiques et les réactions chimiques auxquelles ils participent. ### 4.1 Définition et structure fondamentale des acides aminés Les acides aminés (AA) sont les unités de base constituant les protéines. Chaque acide aminé partage une structure centrale composée d'un atome de carbone alpha (Cα) lié à quatre groupes: une fonction amine (–NH₂), une fonction acide carboxylique (–COOH), un atome d'hydrogène (–H) et une chaîne latérale variable (R). La fonction amine est basique et peut capter un proton, tandis que la fonction carboxylique est acide et peut libérer un proton. La chaîne latérale R est ce qui différencie les 20 acides aminés protéinogènes standards [49](#page=49). La formule générale d'un acide aminé est : H | NH₂ —C —COOH | R Le carbone alpha (Cα) est généralement chiral, sauf dans le cas de la glycine où R = H. La chiralité des acides aminés permet leur existence sous deux formes énantiomères, L et D. Seules les formes L sont utilisées dans les protéines humaines [49](#page=49) [71](#page=71). ### 4.2 Classification des acides aminés Les acides aminés sont classifiés selon la nature de leur chaîne latérale (R). #### 4.2.1 Classification par polarité et charge Les acides aminés peuvent être regroupés en trois catégories principales en fonction de la polarité de leur chaîne latérale R et de leur comportement à pH physiologique [67](#page=67) [70](#page=70): 1. **Non polaires (hydrophobes)**: Ces acides aminés n'aiment pas l'eau et se retrouvent souvent à l'intérieur des protéines pour échapper au milieu aqueux. Ils incluent [68](#page=68): * **Aliphatiques linéaires**: Alanine (Ala), Valine (Val), Leucine (Leu), Isoleucine (Ile) [51](#page=51) [52](#page=52). * **Soufré**: Méthionine (Met) [55](#page=55). * **Cyclique**: Proline (Pro) [66](#page=66). * **Aromatique**: Phénylalanine (Phe), Tryptophane (Trp) [64](#page=64) [65](#page=65). * **Cas particulier**: Glycine (Gly), très petite et souvent classée ici malgré une légère polarité [51](#page=51). 2. **Polaire non ionisable (hydrophiles sans charge)**: Ces acides aminés aiment l'eau mais ne portent pas de charge électrique nette à pH physiologique. Ils peuvent former des liaisons hydrogène. Ils incluent [69](#page=69): * **Hydroxylés**: Sérine (Ser), Thréonine (Thr), Tyrosine (Tyr). Le groupe –OH de la sérine, thréonine et tyrosine peut être phosphorylé [53](#page=53) [54](#page=54) [64](#page=64). * **Thiol**: Cystéine (Cys). Le groupe –SH peut former des ponts disulfures (S–S) [55](#page=55). * **Amides**: Asparagine (Asn), Glutamine (Gln). Ces groupes amides sont importants pour le transport de l'azote [60](#page=60). 3. **Polaire ionisable (chargés à pH physiologique)**: Ces acides aminés portent une charge électrique nette à pH physiologique, positive ou négative, selon le pH du milieu [70](#page=70). * **Acides (chargés négativement)**: Acide aspartique (Asp), Acide glutamique (Glu). Leur chaîne latérale contient un groupe carboxyle qui perd un proton [57](#page=57) [70](#page=70). * **Basiques (chargés positivement)**: Lysine (Lys), Arginine (Arg), Histidine (His). Leurs chaînes latérales contiennent des groupes amine ou guanidinium qui captent des protons. L'histidine a un rôle de tampon biologique grâce à son groupement imidazole [61](#page=61) [62](#page=62) [63](#page=63). #### 4.2.2 Classification par nature de la chaîne latérale R Cette classification est plus détaillée et se base sur la composition chimique de la chaîne latérale à [51](#page=51) [66](#page=66): * **Acides aminés aliphatiques** [51](#page=51) [52](#page=52): * **Non ramifiés**: Glycine (Gly) Alanine (Ala) [51](#page=51). * **Ramifiés**: Valine (Val), Leucine (Leu), Isoleucine (Ile). Ces chaînes sont très hydrophobes [52](#page=52). * **Acides aminés hydroxylés**: Sérine (Ser), Thréonine (Thr). Leur groupe –OH permet la phosphorylation. La tyrosine est aussi hydroxylée, mais son cycle aromatique la classe aussi dans les acides aminés aromatiques [53](#page=53) [54](#page=54) [64](#page=64). * **Acides aminés soufrés** [55](#page=55): * Cystéine (Cys): Contient un groupement thiol (–SH) capable de former des ponts disulfures (–S–S–) [55](#page=55). * Méthionine (Met): Contient un groupe thioéther (–S–CH₃). Elle initie la synthèse protéique et est le précurseur de la S-adénosylméthionine (SAM) [56](#page=56). * **Acides aminés acides et amides** [57](#page=57) [60](#page=60): * **Acides**: Acide aspartique (Asp), Acide glutamique (Glu). Possèdent un groupe carboxyle supplémentaire dans leur chaîne latérale. Ils sont impliqués dans le cycle de l'urée et la transamination [57](#page=57) [58](#page=58) [59](#page=59). * **Amides**: Asparagine (Asn), Glutamine (Gln). Dérivés des acides aspartique et glutamique, ils servent au transport de l'azote [60](#page=60). * **Acides aminés dibasiques**: Contiennent une fonction amine secondaire ou un groupe basique dans leur chaîne latérale, en plus de l'amine alpha [61](#page=61). * Lysine (Lys). Possède un groupe ε-amino basique. La lysine peut être hydroxylée (5-hydroxylysine) dans le collagène [61](#page=61) [62](#page=62). * Arginine (Arg). Possède un groupe guanidinium très basique. Précurseur de l'urée et de l'oxyde nitrique (NO) [63](#page=63). * Histidine (His). Possède un groupe imidazole qui agit comme tampon biologique et intervient dans les sites actifs enzymatiques [62](#page=62). * **Acides aminés aromatiques**: Leur chaîne latérale contient un cycle benzénique [64](#page=64). * Phénylalanine (Phe). Indispensable [64](#page=64). * Tyrosine (Tyr). Semi-essentiel. Précurseur des hormones thyroïdiennes, de la dopamine, de l'adrénaline, etc. [65](#page=65). * Tryptophane (Trp). Indispensable [65](#page=65). * **Acides imino**: Proline (Pro). Le groupe amine alpha est intégré dans un cycle, formant une amine secondaire. La proline peut être hydroxylée post-traductionnellement, jouant un rôle structurel clé dans le collagène [66](#page=66). #### 4.2.3 Acides aminés essentiels et non essentiels * **Acides aminés essentiels**: L'organisme ne peut pas les synthétiser et ils doivent être apportés par l'alimentation. Ce sont: Arginine*, Histidine*, Isoleucine, Leucine, Lysine, Méthionine, Phénylalanine, Thréonine, Tryptophane, Valine. (L'arginine et l'histidine sont parfois considérées comme semi-essentielles) [50](#page=50). * **Acides aminés non essentiels**: L'organisme peut les synthétiser à partir d'autres composés. Ce sont: Alanine, Asparagine, Acide aspartique, Cystéine, Acide glutamique, Glutamine, Glycine, Proline, Sérine, Tyrosine [50](#page=50). ### 4.3 Propriétés physicochimiques des acides aminés #### 4.3.1 Chiralité À l'exception de la glycine, les acides aminés possèdent un carbone alpha asymétrique, ce qui leur confère une chiralité. Ils existent sous forme d'énantiomères L et D. Les acides aminés de série L sont utilisés dans les protéines biologiques. La classification D/L concerne la configuration spatiale, tandis que +/- indique le sens de rotation de la lumière polarisée [71](#page=71) [72](#page=72) [73](#page=73). #### 4.3.2 Pouvoir rotatoire Le pouvoir rotatoire est la capacité d'une substance à dévier le plan de la lumière polarisée plane. Les formes L sont reconnues par les systèmes biologiques [72](#page=72) [73](#page=73). #### 4.3.3 Absorption des UV Les acides aminés aromatiques (Phénylalanine, Tyrosine, Tryptophane) absorbent la lumière UV (260-280 nm) en raison de leurs cycles aromatiques. Cette propriété est utilisée pour leur dosage par spectrophotométrie [72](#page=72) [73](#page=73) [94](#page=94). #### 4.3.4 Comportement acido-basique : Amphotérie et Zwitterion Les acides aminés sont amphotères, c'est-à-dire qu'ils peuvent agir comme des acides ou des bases, en raison de la présence de groupes carboxyle et amine ionisables [74](#page=74). * En milieu acide (pH faible), l'acide aminé est chargé positivement (cationique) avec la forme –NH₃⁺ [74](#page=74). * En milieu neutre (pH ≈ 7), l'acide aminé existe majoritairement sous forme de zwitterion, une molécule globalement neutre portant une charge positive (–NH₃⁺) et une charge négative (–COO⁻) [74](#page=74). * En milieu basique (pH élevé), l'acide aminé est chargé négativement (anionique) avec la forme –COO⁻ [74](#page=74). #### 4.3.5 Pka et PHi Chaque groupe ionisable d'un acide aminé a un pKa, qui est le pH auquel 50 % du groupement est ionisé. Les pKa typiques sont autour de 1-4 pour le groupe carboxylique et 9-10 pour le groupe amine [75](#page=75). Le pH isoélectrique (pHi) est le pH auquel la charge nette de l'acide aminé est nulle, et la forme zwitterionique est prédominante. Le pHi est calculé en faisant la moyenne des pKa des groupes ionisables de l'acide aminé. Le comportement d'un acide aminé en solution dépend de la relation entre le pH du milieu et son pHi [75](#page=75): * Si pH < pHi, l'acide aminé est cationique (charge positive) [75](#page=75). * Si pH = pHi, l'acide aminé est zwitterionique (charge nulle) [75](#page=75). * Si pH > pHi, l'acide aminé est anionique (charge négative) [75](#page=75). Cette propriété est exploitée en électrophorèse pour séparer les acides aminés: ils migrent vers la cathode (–) s'ils sont positifs, vers l'anode (+) s'ils sont négatifs, et ne migrent pas si leur charge nette est nulle [75](#page=75). ### 4.4 Réactions chimiques des acides aminés #### 4.4.1 Réactions impliquant le groupe alpha-carboxylique * **Décarboxylation**: Perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de CO₂. Catalysée par des enzymes appelées décarboxylases. Par exemple, l'histidine est décarboxylée en histamine, un médiateur important [76](#page=76). * **Amidation**: Remplacement du groupe –OH d'un carboxyle par un groupe –NH₂ pour former un amide. La liaison peptidique est un exemple de réaction d'amidation entre le groupe carboxyle d'un AA et le groupe amine d'un autre [76](#page=76). * **Estérification**: Réaction entre un acide carboxylique et un alcool en présence d'un catalyseur acide pour former un ester et de l'eau [77](#page=77). #### 4.4.2 Réactions impliquant le groupe alpha-amine * **Déamination oxydative**: Perte du groupe amine (–NH₂) sous forme d'ammoniac (NH₃), catalysée par des déshydrogénases. Transforme un acide aminé en acide alpha-cétonique. Nécessite des coenzymes comme NAD⁺ ou NADP⁺. Les acides alpha-cétoniques peuvent être utilisés pour produire de l'énergie (ATP), contribuer au bilan azoté (via la formation d'urée) ou servir de précurseurs biosynthétiques [77](#page=77) [78](#page=78). * **Transamination**: Transfert d'un groupe amine d'un acide aminé vers un acide alpha-cétonique, catalysé par des transaminases (ou amino-transférases) avec le phosphate de pyridoxal (PLP, dérivé de la vitamine B6) comme coenzyme. Permet de synthétiser des acides aminés non essentiels sans perte d'azote [78](#page=78). * **Réaction avec les aldéhydes (formation de Base de Schiff)**: Un groupement amine peut réagir avec un aldéhyde pour former une base de Schiff (liaison C=N). Le coenzyme PLP forme une base de Schiff avec l'amine alpha des acides aminés lors de réactions de transamination et décarboxylation [79](#page=79). #### 4.4.3 Réaction avec la ninhydrine La ninhydrine est un réactif chimique utilisé pour la détection et le dosage des acides aminés. Elle oxyde les acides aminés, provoquant leur dégradation et la formation d'un composé coloré, le pourpre de Ruhemann (couleur violette intense), à l'exception de la proline et de l'hydroxyproline qui donnent une couleur bleue. Cette réaction permet une identification qualitative et un dosage quantitatif des acides aminés [79](#page=79) [80](#page=80). #### 4.4.4 Réactions liées aux chaînes latérales R * **Groupe carboxyle de la chaîne latérale (Asp, Glu)**: Ces acides aminés peuvent être transformés en amides (Asparagine, Glutamine) par réaction avec l'ammoniac [80](#page=80). * **Groupe hydroxyle de la chaîne latérale (Ser, Thr, Tyr)** [81](#page=81): * **Phosphorylation**: Le groupe –OH peut être phosphorylé par ajout d'un groupe phosphate (–PO₄³⁻), ce qui est un mécanisme régulateur important, notamment lors de la réponse aux dommages de l'ADN via la kinase ATM [54](#page=54) [81](#page=81). * **O-glycosylation**: Un sucre peut être attaché à l'oxygène du groupe –OH, formant une liaison O-glycosidique [81](#page=81). * **Groupe thiol de la chaîne latérale (Cys)** [82](#page=82): * **Oxydo-réduction**: Deux groupes thiol (–SH) peuvent s'oxyder pour former un pont disulfure (–S–S–), créant de la cystine. Ces ponts disulfures stabilisent la structure tertiaire et quaternaire des protéines (ex: insuline) [82](#page=82). * **Groupes aromatiques (Phe, Tyr, Trp)**: Absorbent les UV [72](#page=72). * **Groupes basiques (Lys, Arg, His)** : Peuvent être protonés et portent des charges positives à pH physiologique. ### 4.5 Dérivés d'acides aminés * **Créatine**: Molécule azotée dérivée de la glycine, arginine et méthionine. Elle sert de réservoir d'énergie rapide sous forme de phosphocréatine dans les muscles. La créatinine, un produit de dégradation de la créatine, est un marqueur de la fonction rénale [83](#page=83) [84](#page=84). * **Catécholamines et analogues**: Dérivent des acides aminés aromatiques (phénylalanine, tyrosine) [85](#page=85). * **Dopamine, noradrénaline, adrénaline**: Hormones et neurotransmetteurs impliqués dans la réponse au stress et la signalisation nerveuse [85](#page=85). * **Tyramine**: Dérive de la tyrosine par décarboxylation. Imite partiellement les effets des catécholamines, provoquant vasoconstriction et augmentation de la pression artérielle [86](#page=86). * **Tryptamine**: Dérive du tryptophane par décarboxylation. Similaire aux catécholamines [87](#page=87). * **Sérotonine**: Dérive du tryptophane. Neurotransmetteur régulant le sommeil, l'humeur et l'appétit [87](#page=87). * **S-adénosyl-méthionine (SAM)**: Dérivé activé de la méthionine, c'est un donneur de groupe méthyle (–CH₃) essentiel pour de nombreuses réactions de méthylation, y compris la synthèse de créatine [88](#page=88) [89](#page=89). * **Iodotyrosines**: Dérivés iodés de la tyrosine, précurseurs des hormones thyroïdiennes T₃ et T₄ [89](#page=89). ### 4.6 Méthodes d'identification et de dosage des acides aminés #### 4.6.1 Méthodes qualitatives * **Électrophorèse**: Sépare les acides aminés en fonction de leur charge électrique nette à un pH donné [90](#page=90). * **Chromatographie**: Séparation basée sur les différences de polarité, de charge, de taille et de solubilité entre les acides aminés [90](#page=90). * **Chromatographie sur couche mince (CCM)**: Méthode rapide et simple utilisant une plaque recouverte de silice ou d'alumine (phase stationnaire) et un solvant (phase mobile). Le rapport frontal (Rf) est caractéristique de chaque acide aminé. La révélation se fait souvent avec de la ninhydrine [92](#page=92). * **Chromatographie ionique**: Utilise des résines chargées pour séparer les acides aminés en fonction de leur charge à un pH donné et de leur affinité pour la résine. Les acides aminés sont ensuite détectés (UV, ninhydrine) et leur position sur le chromatogramme permet leur identification et quantification [93](#page=93) [94](#page=94). #### 4.6.2 Méthodes quantitatives * **Méthodes photométriques**: Mesurent l'absorption de la lumière UV (autour de 280 nm) par les acides aminés aromatiques (Phe, Tyr, Trp) pour en déterminer la concentration [94](#page=94). * **Méthodes colorimétriques**: Utilisent des réactifs comme la ninhydrine qui forment des composés colorés avec les acides aminés. L'intensité de la couleur mesurée par un spectrophotomètre est proportionnelle à la concentration de l'acide aminé [95](#page=95). --- # Peptides et Protéines : structure, propriétés et analyse Voici un résumé détaillé sur les peptides et protéines, leur structure, propriétés et analyse, basé sur les pages fournies. ## 5. Peptides et protéines : structure, propriétés et analyse Ce thème explore la formation des peptides par la liaison peptidique, leur nomenclature, les méthodes de détermination de leur séquence, ainsi que la structure complexe des protéines à différents niveaux et leurs propriétés physico-chimiques. ### 5.1 Les peptides #### 5.1.1 Définition et formation Un peptide est une petite molécule constituée de plusieurs acides aminés (AA) reliés entre eux par des liaisons peptidiques. Chaque acide aminé possède un groupement amine (–NH₂), un groupement acide carboxylique (–COOH), un carbone alpha (α) lié à un hydrogène (H), et un radical R qui varie selon l'acide aminé [96](#page=96). La formation d'une liaison peptidique entre deux acides aminés est une réaction de condensation qui élimine une molécule d'eau (H₂O). Le groupement carboxyle (–COOH) d'un acide aminé réagit avec le groupement amine (–NH₂) du suivant [96](#page=96). #### 5.1.2 La liaison peptidique La liaison peptidique est une liaison covalente forte reliant l'atome de carbone du groupe carbonyle (C=O) du premier AA à l'atome d'azote (N) du groupe amine du second AA. Elle est plane et rigide en raison d'un phénomène de résonance entre le C=O et le N–H [96](#page=96). #### 5.1.3 Directionnalité des peptides Les peptides ont une directionnalité : * Une extrémité N-terminale, possédant un groupement –NH₂ libre [96](#page=96). * Une extrémité C-terminale, possédant un groupement –COOH libre [96](#page=96). La séquence d'un peptide est écrite de l'extrémité N-terminale vers l'extrémité C-terminale. Les radicaux R des différents acides aminés alternent de part et d'autre de la chaîne peptidique en raison de la structure plane et rigide de la liaison peptidique [96](#page=96) [97](#page=97). #### 5.1.4 Nomenclature La nomenclature des peptides se fait en nommant les acides aminés de l'extrémité N-terminale à la C-terminale, en modifiant le suffixe des acides aminés impliqués dans la chaîne en "–yl" (sauf pour le dernier acide aminé qui conserve son suffixe d'origine) [99](#page=99). * Deux AA: Dipeptide [97](#page=97). * Trois AA: Tripeptide [97](#page=97). * Moins de 10 AA: Oligopeptide [97](#page=97). * 10 à 100 AA: Polypeptide [97](#page=97). * Plus de 100 AA: Protéine [97](#page=97). #### 5.1.5 Rôles des peptides Certains peptides jouent des rôles biologiques importants, tels que les hormones (insuline, vasopressine, LH, FSH), les antibiotiques et les neurotransmetteurs [99](#page=99). ### 5.2 Analyse des peptides #### 5.2.1 Détermination de la composition en acides aminés Pour connaître la composition d'un peptide, on le casse pour libérer tous ses acides aminés, puis on les identifie et dose [100](#page=100). * **Méthode : Hydrolyse acide** * Principe: Rompre les liaisons peptidiques par chauffage en présence d'acide chlorhydrique concentré (HCl, 6 mol/L) à 110 °C pendant 18–24 heures [100](#page=100). * Problème: Le tryptophane (Trp) est détruit dans ces conditions [100](#page=100). * Traitement des ponts disulfure (Cys–S–S–Cys): Ils doivent être cassés avant l'hydrolyse, soit par oxydation (en –SO₃H) soit par réduction (en –SH) [100](#page=100). * **Hydrolyse alcaline** * Principe: Utiliser un milieu basique (NaOH) à 100 °C pendant 4 à 8 heures pour casser les liaisons peptidiques sans détruire le tryptophane. Souvent, une hydrolyse acide est complétée par une hydrolyse alcaline pour une analyse complète . * **Séparation et dosage des acides aminés** * Chromatographie d'échange d'ions: Les acides aminés sont séparés en fonction de leur charge électrique dans une colonne . * Révélation à la ninhydrine: Réagit avec les groupements amines libres pour donner une couleur violette (ou jaune pour la proline), permettant la visualisation et la quantification par absorption UV . #### 5.2.2 Détermination de la séquence d'acides aminés La détermination de la séquence (ordre des acides aminés) est cruciale. ##### 5.2.2.1 Identification de l'acide aminé N-terminal * **Méthode de Sanger** * Principe: Marquer le groupement amine libre (–NH₂) du premier acide aminé N-terminal avec le DNFB (1-fluoro-2,4-dinitrobenzène), aussi appelé réactif de Sanger . * Étapes : 1. **Marquage:** Le DNFB réagit avec le –NH₂ libre pour former un complexe DNF–Peptide, jaune . 2. **Hydrolyse acide:** Le peptide marqué est hydrolysé en acides aminés individuels. Le dérivé DNF–AA correspond à l'acide aminé N-terminal . 3. **Séparation et Identification:** Le DNF–AA est séparé par chromatographie et identifié par comparaison avec des standards . * **Méthode au chlorure de dansyl (méthode de Gray)** * Principe: Marquer le –NH₂ libre du N-terminal avec le chlorure de dansyl (DANS–Cl). Le produit obtenu, DANS–AA, est fluorescent sous UV . * Avantages : Plus sensible et plus rapide que la méthode de Sanger. * Étapes: Marquage, hydrolyse acide, séparation et identification (par fluorescence UV) . * **Méthode d'Edman** * Principe: Permet de déterminer la séquence d'acides aminés du N-terminal vers le C-terminal en retirant séquentiellement chaque acide aminé sans détruire le reste de la chaîne . * Réactif: Phényl isothiocyanate (PITC) . * Étapes : 1. **Marquage:** Le PITC réagit avec le –NH₂ libre du N-terminal . 2. **Cyclisation et clivage:** Le complexe PTC–Peptide est traité en milieu acide faible, libérant le premier acide aminé sous forme de PTH–AA (phénylthiohydantoïne) . 3. **Identification:** Le PTH–AA est identifié par chromatographie ou spectrométrie . 4. **Répétition (cycle d'Edman):** Le peptide restant, raccourci d'un acide aminé, peut subir le même processus . ##### 5.2.2.2 Utilisation d'aminopeptidases * **Principe:** Les aminopeptidases sont des exopeptidases qui coupent les liaisons peptidiques à l'extrémité N-terminale du peptide, libérant les acides aminés un par un . ##### 5.2.2.3 Détermination de l'acide aminé C-terminal * **Carboxypeptidases** * Principe: Ce sont des exopeptidases qui agissent sur l'extrémité C-terminale (celle avec le –COOH libre) . * Types: Carboxypeptidase A (coupe la majorité des AA, sauf Cys, Arg, Lys) et Carboxypeptidase B (coupe Arg et Lys) . * **Méthode chimique à l'hydrazine** * Principe: Traitement du peptide avec de l'hydrazine (NH₂–NH₂). Ceci rompt toutes les liaisons peptidiques, transformant les acides aminés en hydrazides, sauf le C-terminal qui conserve son groupe –COOH libre. L'acide aminé C-terminal peut alors être identifié . ##### 5.2.2.4 Fragmentation du peptide Pour les peptides trop longs, une fragmentation est nécessaire avant la détermination de la séquence. * **Endopeptidases enzymatiques** * Principe: Des enzymes qui coupent les liaisons peptidiques à l'intérieur de la chaîne, en reconnaissant des séquences d'acides aminés spécifiques . * Exemples : * Trypsine: coupe après Arg et Lys (sauf si Proline suit) . * Chymotrypsine: coupe après Tyr, Trp, Phe . * Pepsine: coupe après des AA aromatiques et hydrophobes à pH acide . * Thermolysine: coupe avant des AA hydrophobes (Leu, Ile, Val, Phe) . * **Fragmentation chimique** * Bromure de cyanogène (BrCN) : * Principe: Coupe spécifiquement les liaisons peptidiques situées après la méthionine (Met) . * Résultat: Formation de deux fragments, le premier se terminant par un dérivé de méthionine et le second commençant par l'acide aminé suivant la Met . ### 5.3 Les protéines #### 5.3.1 Définition et structure Les protéines sont de grandes molécules constituées d'un grand nombre d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. Leur structure spatiale, appelée conformation, est essentielle à leur activité biologique . * **Structure primaire : Séquence d'acides aminés** * Correspond à l'ordre des acides aminés dans la chaîne polypeptidique, déterminé génétiquement . * Inclut la présence de ponts disulfure. * **Structure secondaire : Repliement local** * Repliement de la chaîne polypeptidique dû à des liaisons hydrogènes entre les groupes amide (–NH) et carbonyle (–CO) du squelette peptidique . * Principales formes: Hélice α (enroulement hélicoïdal) et Feuillet β (plis en forme de feuillets) . * **Hélice α:** Stabilisée par liaisons H entre l'oxygène du –C=O et l'hydrogène du –NH. Les radicaux R sont orientés vers l'extérieur . * **Feuillet β:** Formé par l'association de brins β antiparallèles ou parallèles, stabilisé par des liaisons H entre –CO d'un brin et –NH d'un brin adjacent . * **Structure tertiaire : Conformation tridimensionnelle complète** * Repliement global de la protéine, intégrant des hélices α, des feuillets β ou des régions mixtes . * Essentielle à la fonctionnalité, notamment pour le site actif des enzymes . * Stabilisation par : * Liaisons covalentes: ponts disulfure . * Liaisons non covalentes: liaisons hydrogène, forces de Van der Waals, interactions hydrophobes et ioniques. Les chaînes latérales hydrophiles sont à l'extérieur et les hydrophobes à l'intérieur . * **Structure quaternaire : Association de sous-unités** * Concerne l'assemblage de deux ou plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine active . * Types: Homopolymères (sous-unités identiques) et Hétéropolymères (sous-unités différentes). Exemple: Hémoglobine A (2α et 2β) . #### 5.3.2 Propriétés physiques * **Solubilité:** La plupart sont solubles dans l'eau (protéines globulaires), tandis que les scléroprotéines (fibreuses) sont insolubles . * **Cristallisation:** Possible par ajustement du pH, de la concentration saline et de solvants organiques . * **Propriétés optiques :** * Activité optique . * Absorption UV à 280 nm due aux résidus aromatiques . * Réaction du Biuret: complexe coloré en violet avec des ions cuivriques en milieu alcalin, permettant le dosage . * **Masse moléculaire (MM):** Supérieure à 6000 Daltons (Da), déterminée par des méthodes comme la chromatographie par gel-filtration . #### 5.3.3 Propriétés chimiques * **Composition élémentaire:** C, H, O, N, et souvent S . * **Acides aminés dérivés:** Hydroxyproline et hydroxylysine, abondants dans le collagène, résultent de modifications post-traductionnelles . * **Réactivité:** Dépend de la nature des acides aminés constitutifs . * **Caractère amphotère:** Les protéines peuvent agir comme acides et bases, grâce aux groupements ionisables des extrémités N et C-terminales, et des chaînes latérales des acides aminés (Asp, Glu, Lys, Arg, His) . * **Point isoélectrique (pI):** pH auquel la protéine n'a aucune charge nette globale. À ce pH, la protéine ne migre pas en champ électrique et est souvent moins soluble, pouvant précipiter . #### 5.3.4 Propriétés biologiques * **Antigénicité:** Les protéines peuvent induire la synthèse d'anticorps . * **Activités biologiques spécifiques:** Catalyse enzymatique, action hormonale (GH, EPO), toxicité (exotoxines), activité antibiotique (VanX) . #### 5.3.5 Classification des protéines * **Holoprotéines :** Composées uniquement d'acides aminés. * Globulaires: Sphéroïdes, solubles dans l'eau, incluent enzymes, hormones, anticorps, albumines (transport, pression oncotique) . * Globulines: Solubles dans le sérum, diverses fonctions (transport, immunité, coagulation). Classées en α, β, et γ globulines selon leur mobilité électrophorétique . * α-globulines: Inhibition enzymatique, transport d'hormones et lipides . * β-globulines: Transport de fer et cuivre, réponse immunitaire . * γ-globulines (immunoglobulines): Défense immunitaire spécifique . * **Hétéroprotéines :** Composées d'une partie protéique et d'une partie non protéique (groupement prosthétique). * Phosphoprotéines: Protéine + groupe phosphorique (ex: caséine) . * Nucléoprotéines: Protéine + acide nucléique (ex: télomérase) . * Glycoprotéines: Protéine + sucre (glycosylations sur Asn, Ser, Thr). Exemples: mucines, immunoglobulines, glycoprotéines des groupes sanguins . * Lipoprotéines: Protéine + lipide, transportent les lipides dans le plasma. Classées par densité (Chylomicrons, VLDL, IDL, LDL, HDL) . * Chromoprotéines : Protéine + pigment coloré. --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Terme | Définition | |---|---| | Aldose | Un type de monosaccharide (sucre simple) caractérisé par la présence d'un groupe aldéhyde (–CHO) dans sa structure. Les aldoses sont des sucres réducteurs. | | Kiliani-Fischer | Synthèse chimique utilisée pour allonger la chaîne carbonée d'un aldose d'un atome de carbone, conduisant souvent à la formation de deux épimères. | | Hémiactal | Composé formé par la réaction d'un aldéhyde ou d'une cétone avec un alcool. Dans le cas des oses cycliques, il se forme par la réaction interne d'un groupe hydroxyle avec le groupe carbonyle. | | Pyranose | Forme cyclique d'un sucre (ose) à six atomes, composée de cinq atomes de carbone et d'un atome d'oxygène. Elle ressemble à la structure du pyrane. | | Furanose | Forme cyclique d'un sucre (ose) à cinq atomes, composée de quatre atomes de carbone et d'un atome d'oxygène. Elle ressemble à la structure du furane. | | Projection de Haworth | Représentation schématique tridimensionnelle simplifiée des cycles des oses, où le cycle est vu de profil comme un anneau presque plat. | | Carbone anomérique | Le carbone qui était le groupe carbonyle (aldéhyde ou cétone) dans la forme linéaire de l'ose et qui devient un centre chiral lors de la cyclisation. Il est impliqué dans la formation de la liaison glycosidique. | | Pouvoir rotatoire | Capacité d'une substance à faire tourner le plan de la lumière polarisée. Cette propriété est spécifique à chaque isomère chiral et est utilisée pour identifier et doser les oses. | | Oxydation | Réaction chimique où une substance perd des électrons ou augmente son état d'oxydation. Dans les oses, cela peut concerner le groupe aldéhyde, le groupe alcool primaire, ou le groupe alcool secondaire. | | Réduction | Réaction chimique où une substance gagne des électrons ou diminue son état d'oxydation. Dans les oses, la réduction du groupe carbonyle conduit à la formation de polyols. | | Condensation | Réaction chimique au cours de laquelle deux molécules se lient avec élimination d'une petite molécule, comme l'eau. Dans le cas des oses, cela mène à la formation de liaisons glycosidiques. | | Liaison glycosidique | Liaison covalente formée entre deux oses ou entre un ose et une autre molécule (aglycone). Elle est formée par la réaction entre le carbone anomérique d'un sucre et un groupe hydroxyle d'une autre molécule. | | Holoside | Un oside composé exclusivement d'oses liés entre eux par des liaisons osidiques. Les holosides peuvent être des oligosides (2 à 10 oses) ou des polyosides (plus de 10 oses). | | Hétéroside | Un oside composé d'une partie glucidique (un ose ou un oside) et d'une partie non glucidique appelée aglycone. | | Lipides | Composés organiques, majoritairement insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques non polaires, comprenant les graisses, huiles, cires, stéroïdes et phospholipides. Ils sont essentiels pour le stockage d'énergie, l'isolation, la structure des membranes et la signalisation. | | Acide gras | Molécule organique de longue chaîne carbonée terminée par un groupe acide carboxylique (–COOH). Les acides gras sont amphiphiles, possédant une partie hydrophile (tête) et une partie hydrophobe (queue). | | Triglycéride | Ester formé par la réaction du glycérol avec trois molécules d'acides gras. C'est la principale forme de stockage d'énergie des lipides dans le corps. | | Glycérophospholipide | Lipide complexe formé d'un glycérol, de deux acides gras, d'un groupe phosphate et d'un alcool lié au phosphate. Ils constituent la bicouche lipidique des membranes cellulaires. | | Sphingolipide | Lipide complexe dont le squelette est basé sur la sphingosine au lieu du glycérol. Ils sont importants dans les membranes cellulaires, notamment dans le système nerveux. | | Stéroïde | Classe de lipides caractérisée par une structure de base de quatre cycles carbonés fusionnés (noyau stérane). Le cholestérol et les hormones stéroïdes en sont des exemples. | | Hormone stéroïdienne | Hormone dérivée du cholestérol, caractérisée par la présence du noyau stérane. Exemples : cortisol, aldostérone, testostérone, œstrogènes. | | Acide aminé | Molécule organique possédant à la fois une fonction amine (–NH₂) et une fonction acide carboxylique (–COOH). Ils sont les unités de base des protéines. | | Liaison peptidique | Liaison covalente forte (amide) formée entre le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amine d'un autre acide aminé, avec élimination d'une molécule d'eau. Elle relie les acides aminés dans les peptides et les protéines. | | Peptide | Chaîne courte d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. On distingue les oligopeptides (< 10 AA) et les polypeptides (> 10 AA). | | Protéine | Macromolécule biologique constituée d'une ou plusieurs chaînes polypeptidiques (grand nombre d'acides aminés) dont la structure tridimensionnelle spécifique est essentielle à leur fonction. | | Structure primaire | Séquence linéaire des acides aminés dans une chaîne polypeptidique, déterminée par les gènes. | | Structure secondaire | Repliement local de la chaîne polypeptidique, stabilisé par des liaisons hydrogène entre les atomes du squelette peptidique (ex: hélice α, feuillet β). | | Structure tertiaire | Conformation tridimensionnelle complète d'une chaîne polypeptidique unique, résultant des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés (liaisons hydrogène, ioniques, hydrophobes, ponts disulfures). | | Structure quaternaire | Organisation spatiale de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) assemblées pour former une protéine fonctionnelle. | | Zwitterion | Molécule amphotère possédant simultanément une charge positive et une charge négative, résultant d'une neutralisation interne des groupes ionisables. Les acides aminés existent majoritairement sous forme zwitterionique à leur point isoélectrique. | | Point isoélectrique (pHi) | Le pH auquel une molécule amphotère (comme un acide aminé ou une protéine) porte une charge nette nulle, existant principalement sous forme zwitterionique. | | Électrophorèse | Technique de séparation des molécules chargées (comme les acides aminés ou les protéines) basée sur leur migration différentielle dans un champ électrique, en fonction de leur charge, de leur taille et de leur forme. | | Chromatographie | Technique de séparation de mélanges complexes en fonction des différences d'affinité des composants pour une phase stationnaire et une phase mobile. Diverses formes existent : chromatographie sur papier, sur couche mince (CCM), sur colonne, d'échange d'ions, etc. | | Ninhydrine | Réactif chimique utilisé pour la détection et le dosage des acides aminés. Elle réagit avec les amines primaires pour former un complexe coloré (pourpre de Ruhemann), sauf avec la proline et l'hydroxyproline qui donnent une couleur bleue. | | Hydrolyse | Réaction chimique au cours de laquelle une molécule est scindée par l'addition d'une molécule d'eau. Dans le contexte des peptides et protéines, l'hydrolyse des liaisons peptidiques libère les acides aminés constitutifs. | | Pont disulfure | Liaison covalente forte (S–S) formée entre deux groupements thiol (–SH) de deux résidus cystéine. Ces ponts stabilisent la structure tridimensionnelle des protéines. | | Holoprotéine | Protéine composée uniquement d'acides aminés. Elle peut être globulaire (sphérique, soluble) ou fibreuse (allongée, insoluble). | | Hétéroprotéine | Protéine composée d'une partie protéique (chaîne(s) d'acides aminés) et d'une partie non protéique (groupement prosthétique), comme un phosphate, un sucre, un lipide ou un pigment. | | Glycoprotéine | Hétéroprotéine dans laquelle un ou plusieurs sucres sont liés de manière covalente à la partie protéique. Ils jouent des rôles importants dans la reconnaissance cellulaire, la signalisation et la défense immunitaire. | | Lipoprotéine | Complexe macromoléculaire formé de lipides et de protéines, essentiel pour le transport et la distribution des lipides insolubles dans le sang. |

# Structure et propriétés des oses Ce guide étudie la filiation, la numérotation des isomères, la structure cyclique, les projections de Haworth des oses, ainsi que leurs propriétés physiques et chimiques [1](#page=1). ### 1.1 Filiation des oses La filiation des aldoses décrit les réactions chimiques qui permettent de relier les oses entre eux en fonction de leur nombre d'atomes de carbone, permettant d'allonger ou de raccourcir une chaîne carbonée. Cela établit une relation généalogique entre les différents oses (trioses, tétroses, pentoses, hexoses, etc.) [1](#page=1). #### 1.1.1 Synthèse de Kiliani-Fischer Cette synthèse permet d'allonger la chaîne carbonée d'un aldose d'un atome de carbone. Le processus implique l'addition d'acide cyanhydrique (HCN) au groupe aldéhyde, suivie d'une hydrolyse pour former un acide carboxylique, puis d'une réduction pour obtenir un aldéhyde, allongeant ainsi la chaîne de carbone [1](#page=1). 1. **Addition de HCN:** Le groupe aldéhyde (−CHO) réagit avec HCN. Le carbone du carbonyle devient asymétrique, porteur de quatre groupes différents: −OH, −CN, −H et le reste de la chaîne carbonée [1](#page=1). 2. **Hydrolyse et réduction:** Le groupe nitrile (−CN) est hydrolysé en acide carboxylique (−COOH), puis ce dernier est réduit en aldéhyde (−CHO) [1](#page=1). 3. **Obtention de deux isomères:** L'addition de HCN peut se faire de deux manières, conduisant à la formation de deux épimères différents [1](#page=1). Le même mécanisme s'applique à l'élongation des chaînes de cétoses [1](#page=1). #### 1.1.2 Nombre d'isomères Le nombre d'isomères d'un aldose est donné par la formule $2^{n-2}$, où $n$ est le nombre total de carbones dans la molécule. Pour un aldose, il y a $n-2$ carbones asymétriques [2](#page=2). * **Exemple:** Le glucose, un hexose ($n=6$), possède $2^{6-2} = 2^4 = 16$ isomères (8 formes D et 8 formes L) [2](#page=2). Le nombre d'isomères d'une cétose est donné par la formule $2^{n-3}$, où $n$ est le nombre total de carbones dans la molécule. Pour une cétose, il y a $n-3$ carbones asymétriques [2](#page=2). * **Exemple:** Le fructose, un hexose ($n=6$), possède $2^{6-3} = 2^3 = 8$ isomères (4 formes D et 4 formes L) [2](#page=2). ### 1.2 Structure cyclique des oses En solution aqueuse, les oses comportant plus de quatre atomes de carbone existent principalement sous forme cyclique. Cette cyclisation résulte de la réaction intramoléculaire entre une fonction aldéhyde ou cétone et un groupe hydroxyle, formant un hémiacétal (pour les aldoses) ou un hémicétal (pour les cétoses) [2](#page=2). #### 1.2.1 Formation du cycle 1. Le groupe hydroxyle d'un carbone (souvent C5 pour les aldoses, C4 ou C5 pour les cétoses) attaque le carbone du groupe carbonyle [2](#page=2). 2. La double liaison C=O se rompt, et l'oxygène ferme le cycle [2](#page=2). 3. Le carbone du carbonyle devient un carbone tétraédrique et est appelé carbone anomérique [2](#page=2). Cette cyclisation est appelée cyclisation de Tollens [2](#page=2). #### 1.2.2 Types de cycles La taille du cycle dépend du carbone portant le groupe hydroxyle qui attaque le carbonyle : * **Pyranose:** Formation d'un cycle à six atomes (cinq carbones et un oxygène) lorsque le groupe hydroxyle en C5 attaque le carbonyle (cas des aldoses). Exemple: D-glucopyranose [2](#page=2). * **Furanose:** Formation d'un cycle à cinq atomes (quatre carbones et un oxygène) lorsque le groupe hydroxyle en C4 attaque le carbonyle (cas des aldoses) ou en C5/C4 pour les cétoses. Exemple: D-fructofuranose [2](#page=2). ### 1.3 Projection de Haworth La projection de Haworth est une représentation schématique en 3D des cycles des sucres. L'anneau est représenté de manière quasi-plane, avec l'oxygène du cycle généralement placé en haut à droite ou en haut à gauche. Les carbones sont numérotés dans le sens des aiguilles d'une montre, en partant du carbone anomérique [3](#page=3). #### 1.3.1 Règles de représentation * Les groupes hydroxyle (−OH) qui sont à droite dans la projection de Fischer sont positionnés en bas du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). * Les groupes hydroxyle (−OH) qui sont à gauche dans la projection de Fischer sont positionnés en haut du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). #### 1.3.2 Le carbone anomérique Le carbone anomérique (C1 pour les aldoses) peut exister sous deux formes selon la position du groupe −OH : * **Forme α (alpha):** Le groupe −OH du carbone anomérique est en bas du cycle [3](#page=3). * **Forme β (bêta):** Le groupe −OH du carbone anomérique est en haut du cycle [3](#page=3). #### 1.3.3 Conformation spatiale Dans les solutions, les oses adoptent des conformations en "bateau" et en "chaise". La forme chaise est la plus stable et est celle sous laquelle se trouvent les oses naturels [3](#page=3). ### 1.4 Propriétés physicochimiques des oses #### 1.4.1 Propriétés physiques * Les oses sont très solubles dans l'eau en raison de la présence de nombreux groupes hydroxyles [4](#page=4). * En solution, les oses présentent un pouvoir rotatoire spécifique, utile pour leur identification et leur dosage [4](#page=4). * La structure des oses est thermodégradable, le chauffage entraînant une caramélisation [4](#page=4). #### 1.4.2 Propriétés chimiques Les propriétés chimiques des oses dérivent de leurs fonctions : 1. Fonction carbonyle (ou hémiacétalique/hémicétalique) [4](#page=4). 2. Fonctions alcools [4](#page=4). Les réactions spécifiques de la fonction carbonyle (qui confère un caractère réducteur aux oses) incluent l'oxydation, la réduction et la condensation [4](#page=4). ##### 1.4.2.1 Oxydation L'oxydation des oses peut être enzymatique ou chimique. * **Oxydation enzymatique:** L'enzyme glucose oxydase (GOD) catalyse l'oxydation du D-glucose en acide gluconique, produisant du peroxyde d'hydrogène ($H_2O_2$) [4](#page=4). $$ \text{Glucose} + O_2 \xrightarrow{\text{glucose oxydase}} \text{Acide gluconique} + H_2O_2 $$ Le groupe aldéhyde (C1) est oxydé en acide carboxylique [4](#page=4). * **Oxydation chimique douce:** Elle transforme le groupe aldéhyde (−CHO) du C1 en acide carboxylique (−COOH), sans affecter le reste de la molécule [4](#page=4). * Réactifs: Eau bromée ($Br_2/H_2O$), liqueur de Fehling, solution de Tollens [5](#page=5). * **Exemple:** D-glucose → Acide D-gluconique [4](#page=4). * **Oxydation forte:** Elle utilise des oxydants puissants comme l'acide nitrique ($HNO_3$) et oxyde à la fois le carbone C1 (groupe aldéhyde) et le carbone C6 (alcool primaire) en groupes carboxyliques (−COOH) [5](#page=5). * **Produit:** Acides aldariques (ou acides sacchariques) [5](#page=5). * **Exemple pour un aldose:** D-glucose → Acide D-glucarique [5](#page=5). $$ \text{HOCH}_2\text{–(CHOH)}_4\text{–CHO} \xrightarrow{HNO_3 \text{ (chaleur)}} \text{HOOC–(CHOH)}_4\text{–COOH} + H_2O $$ * **Cétoses:** L'oxydation forte par l'acide nitrique rompt la chaîne carbonée au niveau de la fonction cétone, conduisant à la formation de plusieurs acides plus courts, chacun étant ensuite oxydé aux extrémités [6](#page=6). * **Oxydation par les sels de métaux lourds (Liqueur de Fehling, solution de Tollens):** En milieu basique et chauffé, certains ions métalliques (comme $Cu^{2+}$ ou $Ag^+$) peuvent oxyder les oses tout en étant eux-mêmes réduits [6](#page=6). * **Oses réducteurs:** Les aldoses, possédant un groupe aldéhyde (ou capable de le régénérer en milieu basique), réduisent ces ions métalliques [6](#page=6). * **Cétoses:** Les cétoses ne possèdent pas directement de groupe aldéhyde et ne sont donc pas réducteurs par nature. Cependant, en milieu basique, certains cétoses comme le fructose peuvent s'isomériser en aldoses (glucose ou mannose), devenant ainsi réducteurs indirectement [6](#page=6). ##### 1.4.2.2 Réduction La réduction des oses transforme la fonction carbonyle en fonction alcool. * **Réduction des aldoses:** Le groupe aldéhyde (−CHO) est réduit en alcool primaire (−CH₂OH) [7](#page=7). * Réactifs: Agents réducteurs comme le borohydrure de sodium ($NaBH_4$) [7](#page=7). * **Produit:** Le sucre est transformé en polyol (alcool ayant plusieurs fonctions -OH) [7](#page=7). $$ \text{R–CHO} \xrightarrow{Na_2BH_4} \text{R–CH}_2\text{OH} $$ * **Réduction des cétoses:** Le groupe cétone (−CO−) est réduit en alcool secondaire (−CHOH−) [7](#page=7). * Réactifs: Agents réducteurs comme le borohydrure de sodium ($NaBH_4$) [7](#page=7). * **Produit:** Le cétose est transformé en polyol [7](#page=7). $$ \text{R}_1\text{–CO–R}_2 \xrightarrow{Na_2BH_4} \text{R}_1\text{–CHOH–R}_2 $$ --- # Réactions chimiques des oses Les oses, grâce à leurs fonctions aldéhyde/hémiacétalique et alcool, participent à diverses réactions chimiques incluant l'oxydation, la réduction et la condensation. ### 2.1 Propriétés chimiques des oses Les propriétés chimiques des oses proviennent principalement de leur fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) et de leurs multiples fonctions alcool. Les réactions liées à la fonction carbonyle incluent l'oxydation, la réduction et la condensation [4](#page=4). ### 2.2 Réactions d'oxydation des oses L'oxydation des oses peut être douce ou forte, et il existe également des réactions d'oxydation douce spécifiques impliquant des sels de métaux lourds. #### 2.2.1 Oxydation enzymatique L'oxydation enzymatique du glucose par la glucose oxydase (GOD) est une réaction biochimique utilisée dans les tests de glycémie. L'enzyme GOD catalyse spécifiquement la transformation du D-glucose en acide gluconique, produisant du peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) comme sous-produit [4](#page=4). La réaction générale est : $$ \text{Glucose} + \text{O}_2 \xrightarrow{[\text{glucose oxydase}]} \text{Acide gluconique} + \text{H}_2\text{O}_2 $$ Le groupe aldéhyde (–CHO) du glucose est oxydé en acide carboxylique (–COOH), formant l'acide gluconique (C₆H₁₂O₇), tandis que l'oxygène est réduit en peroxyde d'hydrogène [4](#page=4). #### 2.2.2 Oxydation chimique douce L'oxydation chimique douce d'un aldose transforme le groupement aldéhyde (–CHO) du carbone 1 en une fonction acide carboxylique (–COOH), sans affecter les autres fonctions alcool [4](#page=4). La réaction générale est : $$ \text{Aldose} \xrightarrow{\text{Oxydant doux}} \text{Acide aldonique} $$ Le carbone 1 (–CHO) devient –COOH, formant ainsi un acide aldonique, tel que l'acide D-gluconique à partir du D-glucose. Les réactifs couramment utilisés pour cette oxydation douce incluent le dibrome (Br₂/H₂O) [4](#page=4) [5](#page=5). #### 2.2.3 Oxydation chimique forte L'oxydation forte d'un aldose, typiquement avec un oxydant puissant comme l'acide nitrique (HNO₃) et souvent à chaud, conduit à la formation d'acides aldariques. Dans cette réaction, le carbone 1 (groupement aldéhyde) et le carbone terminal de l'alcool primaire sont oxydés en fonctions acide carboxylique [5](#page=5). La réaction générale pour un aldose est : $$ \text{HOCH}_2\text{–(CHOH)}_n\text{–CHO} \xrightarrow{\text{HNO}_3, \Delta} \text{HOOC–(CHOH)}_n\text{–COOH} $$ Le produit obtenu possède deux groupements carboxyle et est appelé acide aldarique. Par exemple, le D-glucose est oxydé en acide D-glucarique (ou acide saccharique) [5](#page=5). ##### 2.2.3.1 Oxydation forte des cétoses Chez les cétoses, l'oxydation forte par l'acide nitrique conduit à une rupture de la chaîne carbonée autour de la fonction cétone. La fonction cétone (–CO–) est attaquée, entraînant un clivage oxydant du squelette carboné. Les fragments résultants sont ensuite oxydés aux extrémités en fonctions acide carboxylique [5](#page=5). Par exemple, le D-fructose est coupé entre C2 et C3, produisant de l'acide glycolique (HOCH₂–COOH) et de l'acide tartrique (HOOC–CHOH–CHOH–COOH) [6](#page=6). #### 2.2.4 Oxydation par les sels de métaux lourds Certains sels de métaux lourds, comme ceux présents dans la liqueur de Fehling ou la solution de Tollens, peuvent oxyder les oses en milieu alcalin et chaud. Ces réactions sont des réactions d'oxydo-réduction, où l'ose est oxydé et l'ion métallique est réduit [6](#page=6). $$ \text{Ose (réducteur)} + \text{Sel métallique (oxydant)} \rightarrow \text{Acide} + \text{Métal réduit} $$ ##### 2.2.4.1 Aldoses comme réducteurs Les aldoses, tels que le glucose, le mannose et le galactose, réduisent les ions Cu²⁺ (de la liqueur de Fehling). Ils sont appelés sucres réducteurs car ils possèdent une fonction aldéhyde libre ou une fonction qui peut se régénérer en milieu basique [6](#page=6). ##### 2.2.4.2 Cétoses comme réducteurs Certains cétoses, comme le fructose, ne possèdent pas de groupe aldéhyde libre. Cependant, en milieu basique, ils peuvent s'isomériser en aldoses (par exemple, le fructose peut devenir glucose ou mannose). Par conséquent, ils peuvent aussi agir comme sucres réducteurs indirectement [6](#page=6). ### 2.3 Réductions chimiques des oses La réduction des oses est complémentaire à leur oxydation et transforme le groupe carbonyle en groupe alcool. #### 2.3.1 Réduction des aldoses La réduction d'un aldose, par exemple avec un hydrure comme le borohydrure de sodium (NaBH₄), transforme le groupe aldéhyde (–CHO) en un groupe alcool primaire (–CH₂OH) [7](#page=7). La structure générale d'un aldose est R–CHOR–CHOR–CHO. L'ion hydrure (H⁻) attaque le carbone électrophile du groupe C=O. La double liaison C=O devient C–OH, et l'hydrogène ajouté forme un alcool primaire. Le produit final est un polyol, transformant l'aldose en un alcool primaire [7](#page=7). #### 2.3.2 Réduction des cétoses La réduction d'un cétose transforme le groupe cétone (–CO–) en un groupe alcool secondaire (–CHOH–) [7](#page=7). La structure générale d'un cétose est R₁–CO–R₂. L'ion H⁻ attaque le carbone électrophile du groupe C=O. La double liaison C=O devient C–OH, et l'hydrogène ajouté forme un alcool secondaire. Le produit final est un alcool secondaire, transformant le cétose en polyol [7](#page=7). ### 2.4 Réactions de condensation des oses Les réactions de condensation permettent la formation de liaisons glycosidiques et d'hétérosides, impliquant la fonction hydroxyle d'un ose. #### 2.4.1 Principe général La fonction hydroxyle (–OH) d'un ose peut réagir avec un autre groupe –OH ou –NH₂ pour former une liaison covalente. Cette réaction est appelée réaction de condensation car elle s'accompagne de la perte d'une molécule d'eau (H₂O). La liaison formée est nommée liaison glycosidique ou hétérosidique, selon le partenaire de réaction [8](#page=8). #### 2.4.2 Différents types de condensation ##### 2.4.2.1 Condensation avec un autre ose (holoside) Si le partenaire de réaction (R–OH) est un autre sucre, la condensation forme un disaccharide ou un polysaccharide. La liaison formée est une liaison O-glycosidique, impliquant le carbone anomérique [8](#page=8). **Exemple :** $$ \text{Glucose} + \text{Glucose} \rightarrow \text{Maltose} (\alpha\text{-1,4-glycosidique}) + \text{H}_2\text{O} $$ Le produit est un holoside (composé uniquement de sucres) [8](#page=8). ##### 2.4.2.2 Condensation avec un alcool ou un phénol (O-hétéroside) Si R–OH n'est pas un sucre, on obtient un O-hétéroside [8](#page=8). **Exemple :** $$ \text{Glucose} + \text{R–OH} \rightarrow \text{O-hétéroside} + \text{H}_2\text{O} $$ ##### 2.4.2.3 Condensation avec une amine (N-hétéroside) La condensation peut également se faire avec un groupe –NH₂, formant un N-hétéroside [8](#page=8). **Exemple :** $$ \text{Sucre} + \text{Base azotée} \rightarrow \text{N-glycoside} $$ Ces N-hétérosides sont très importants en biochimie, notamment dans l'ADN et l'ARN, où ils constituent les nucléosides (sucre + base azotée) [8](#page=8). --- # Les osides et polysaccharides Un oside est une molécule glucidique complexe dont l'hydrolyse libère des oses ou un ose et une molécule non glucidique [11](#page=11). ### 3.1 Types d'osides selon leurs produits d'hydrolyse Les osides peuvent être classifiés en fonction des produits obtenus lors de leur hydrolyse [11](#page=11): | Type d'oside | Produits d'hydrolyse | Exemple | Composition | | :-------------- | :------------------------------------------------- | :------------------------------------------ | :------------------------------------------------------------------------- | | Holoside | Uniquement des oses (identiques ou différents) | Maltose, Saccharose, Lactose | Ose + Ose | | Hétéroside | Ose(s) + une molécule non glucidique (aglycone) | ADN, glycoprotéines, glycolipides | Ose + Molécule non osidique | ### 3.2 Les holosides : formation et structure Les holosides sont exclusivement formés d'oses unis par des liaisons osidiques [11](#page=11). #### 3.2.1 La liaison osidique La liaison osidique est une liaison covalente formée entre : * Le carbone anomérique (C1) d'un premier ose. * Un groupement hydroxyle (–OH) d'un second ose [11](#page=11). La nature de la liaison osidique dépend de plusieurs facteurs : 1. **Nature des oses liés**: La combinaison spécifique des monosaccharides qui se lient [11](#page=11). 2. **Forme cyclique de chaque ose**: Pyrane (cycle à 6 atomes) ou furane (cycle à 5 atomes) [11](#page=11). 3. **Configuration anomérique** : * $\alpha$ ( $\alpha$ ): si le groupe –OH anomérique est en bas du plan [11](#page=11). * $\beta$ ( $\beta$ ): si le groupe –OH anomérique est en haut du plan [11](#page=11). #### 3.2.2 Classification des holosides par taille Les holosides sont classifiés en oligosides et polyosides selon le nombre d'oses qu'ils contiennent [11](#page=11): | Type | Description | Exemple | | :-------- | :----------------------- | :--------------------------------------------------------------------- | | Oligosides | 2 à 10 oses | Maltose (glucose + glucose), Saccharose (glucose + fructose), Lactose (glucose + galactose) | | Polyosides (Polysaccharides) | >10 oses | Amidon, Glycogène, Cellulose | Ces molécules jouent souvent des rôles de réserve énergétique (amidon, glycogène) ou de structure (cellulose) [11](#page=11). #### 3.2.3 Diholosides réducteurs et non réducteurs Un diholoside est dit **réducteur** si l'un de ses deux oses possède encore une fonction hémiacétalique libre. Cela signifie que le carbone anomérique de cet ose n'est pas engagé dans la liaison osidique, permettant ainsi de réduire les sels métalliques (comme ceux utilisés dans la liqueur de Fehling). Ces diholosides peuvent exister sous forme $\alpha$ ou $\beta$ car un des carbones anomériques reste libre [11](#page=11). Un diholoside est dit **non réducteur** si les deux carbones anomériques des oses constitutifs sont engagés dans la liaison osidique. Par conséquent, aucune fonction hémiacétalique n'est libre [12](#page=12). > **Tip:** La présence d'une fonction hémiacétalique libre est déterminante pour le caractère réducteur d'un sucre. ### 3.3 Nomenclature des osides La nomenclature des osides prend en compte la liberté ou l'engagement de la fonction hémiacétalique [12](#page=12). | Terme | Signification | Explication | | :------- | :------------------------------------------------------------------------- | :---------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | -ose | L'ose a sa fonction hémiacétalique libre | C'est un sucre réducteur | | -osyl | L'ose a sa fonction hémiacétalique engagée dans la liaison osidique | C'est le premier ose du diholoside | | -oside | La fonction hémiacétalique du dernier ose est engagée | Le sucre peut être non réducteur | #### 3.3.1 Exemples de nomenclature ##### 3.3.1.1 Lactose (Diholoside réducteur) * **Composition**: 1 D-galactose, 1 D-glucose [12](#page=12). * **Liaison osidique**: $\beta$(1$\rightarrow$4). Le C1 du galactose est lié au C4 du glucose [12](#page=12). * **Nom chimique**: D-galactopyranosyl ($\beta \rightarrow$4)D-glucopyranose [12](#page=12). * Le galactose est engagé (devient "galactosyl"). * Le glucose garde son C1 libre (est réducteur). * **Conclusion**: Le lactose est réducteur et peut exister sous forme $\alpha$ ou $\beta$ selon l'anomère libre du glucose [12](#page=12). ##### 3.3.1.2 Saccharose (Diholoside non réducteur) * **Composition**: 1 glucose, 1 fructose [12](#page=12). * **Liaison osidique**: $\alpha$(1 USD\rightarrowUSDUSD\beta$2). Le C1 du glucose ($\alpha$) et le C2 du fructose ($\betaUSD) sont engagés [12](#page=12). * **Nom chimique**: D-glucopyranosyl ($\alpha \rightarrow \beta$2)D-fructofuranoside, ou $\alpha$-D-glucopyranosyl-(1$\rightarrow$2)-$\beta$-D-fructofuranoside [12](#page=12). * **Conclusion**: Les deux carbones anomériques (C1 du glucose et C2 du fructose) sont engagés, donc il est non réducteur. C'est le sucre de table [13](#page=13). ##### 3.3.1.3 Maltose (Diholoside réducteur) * **Composition**: 2 molécules de D-glucose [13](#page=13). * **Liaison osidique**: $\alpha$(1$\rightarrow$4). Le C1 du premier glucose est lié au C4 du second glucose [13](#page=13). * **Nom chimique**: D-glucopyranosyl ($\alpha \rightarrow$4)D-glucopyranose, ou D-glucopyranosyl-(1$\rightarrow$4)D-glucopyranose [13](#page=13). * Le premier glucose est engagé (devient "glucosyl"). * Le second glucose garde son C1 libre (est réducteur). * **Conclusion**: Le maltose est réducteur et peut exister sous forme $\alpha$ ou $\beta$ selon l'anomère libre. Il est produit par la digestion de l'amidon ou du glycogène par les amylases [13](#page=13). > **Tip:** La notation $\alpha$ ou $\beta$ avant la liaison (ex: $\alpha$(1$\rightarrow$4)) indique la configuration anomérique du premier ose qui forme la liaison. La notation (1$\rightarrow$4) indique simplement la connexion entre le C1 du premier ose et le C4 du second. ### 3.4 Les polyosides (polysaccharides) Les polysides sont de grands glucides complexes formés par la condensation de nombreuses molécules d'oses (souvent plusieurs centaines ou milliers), unis par des liaisons O-glycosidiques [14](#page=14). #### 3.4.1 Rôles des polysides Ils jouent trois rôles principaux [14](#page=14): * **Réserve énergétique**: Amidon, glycogène [14](#page=14). * **Structure**: Cellulose, chitine [14](#page=14). * **Biologique spécifique**: Acide hyaluronique, héparine [14](#page=14). #### 3.4.2 Caractéristiques différenciant les polysides Les polysides se distinguent selon : 1. **Le type d'oses**: Identiques (homopolysides) ou différents (hétéropolysides) [14](#page=14). 2. **Le type de liaison osidique**: Configuration ($\alpha$ ou $\beta$) et positions des carbones impliqués (1$\rightarrow$4, 1$\rightarrow$6, etc.) [14](#page=14). 3. **La structure de la chaîne**: Linéaire ou ramifiée [14](#page=14). #### 3.4.3 Grandes familles de polysides ##### 3.4.3.1 Les homopolysides Formés d'un seul type d'ose [14](#page=14). | Exemple | Oses constitutifs | Type de liaison | Structure | Rôle | | :-------- | :---------------- | :-------------- | :------------------------------------------- | :----------------------------- | | Amidon | Glucose | $\alpha$(1$\rightarrow$4) et $\alpha$(1$\rightarrow$6) | Ramifiée (amylopectine) et linéaire (amylose) | Réserve énergétique végétale | | Glycogène | Glucose | $\alpha$(1$\rightarrow$4) et $\alpha$(1$\rightarrow$6) | Fortement ramifiée | Réserve énergétique animale | | Cellulose | Glucose | $\beta$(1$\rightarrow$4) | Linéaire | Rôle structural (paroi végétale) | ##### 3.4.3.2 Les hétérosides Un hétéroside est une molécule composée de deux parties : 1. **Une partie glucidique**: Un ose ou un holoside [15](#page=15). 2. **Une partie non glucidique**: Appelée aglycone ou génine [15](#page=15). Ces deux parties sont liées par une liaison osidique, où l'hydroxyle du carbone anomérique du sucre se lie à un atome de la partie aglycone [15](#page=15). * **Hétéroside = (Sucre(s)) + Aglycone** [15](#page=15). #### 3.5 Les hétérosides Les hétérosides contiennent une partie glucidique et une partie non glucidique appelée aglycone [16](#page=16). | Liaison | Type d'hétéroside | Exemple | | :----------------------- | :----------------------- | :----------------------------------------------------- | | Ose + Protéine | Glycoprotéine | Récepteurs membranaires, hormones | | Ose + Lipide | Glycolipide | Membrane cellulaire (ex: globules rouges) | | Ose + Base azotée | Nucléoside | Adénosine (base + ribose) | Dans les cellules, ces liaisons sont essentielles pour : * Identifier les cellules (glycolipides) [16](#page=16). * Communiquer (glycoprotéines) [16](#page=16). * Stocker et transmettre l'information génétique (nucléosides $\rightarrow$ ADN/ARN) [16](#page=16). #### 3.5.1 Types d'hétérosides selon la liaison | Type d'hétéroside | Liaison | Exemple typique | Où retrouvé | | :---------------- | :---------------------------------------- | :----------------------------------------------------- | :----------------------------------------- | | O-hétéroside | Lié à un O (hydroxyle alcoolique) | Liaison ose – sérine (ou thréonine) dans une protéine | Glycoprotéines | | N-hétéroside | Lié à un N (amine ou base azotée) | Nucléosides (ex : adénosine $\rightarrow$ ribose + adénine) | ADN, ARN | | C-hétéroside | Lié à un C de l'aglycone | Certains pigments végétaux | Plantes médicinales | | S-hétéroside | Lié à un S (thiol -SH) | Composés soufrés (rares) | Plantes alliacées (ail, oignons) | #### 3.5.2 La partie aglycone (ou génine) Ce sont les molécules non glucidiques associées au sucre. Elles peuvent être de plusieurs types [15](#page=15): | Type d'aglycone | Exemple | Rôle / Localisation | | :------------------------ | :----------------------------------------------------- | :------------------------------------------------------------------------------------ | | Lipide + ose | Glycolipide | Composent la membrane cellulaire, servent à la reconnaissance entre cellules | | Protéine + longues chaînes glucidiques (souvent GAG) | Protéoglycane (PG) | Présents dans les tissus conjonctifs, rôle de structure et de lubrification | | Peptides + polysaccharides | Peptidoglycanes | Paroi bactérienne (rigidité) | | Protéine + quelques oses (chaînes courtes) | Glycoprotéine (GP) | Rôles hormonaux, immunitaires, enzymatiques | | Fixation non enzymatique d’un glucose sur une protéine | Protéine glycosylée | Marqueurs biologiques (ex : HbA1c pour la glycémie à long terme) | --- # Structure, propriétés et classification des lipides Voici le résumé du cours prêt pour l'examen sur la structure, les propriétés et la classification des lipides. ## 4. Structure, propriétés et classification des lipides Les lipides sont des composés organiques essentiels caractérisés par leur hydrophobicité, leur composition élémentaire, et leur structure fondamentale souvent basée sur des acides gras et des alcools. ### 4.1 Définition et composition des lipides Les lipides sont des composés organiques principalement constitués de carbone (C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O). Leur caractéristique fondamentale est leur caractère hydrophobe, signifiant qu'ils n'interagissent pas avec l'eau mais sont solubles dans les solvants organiques non polaires tels que le chloroforme ou l'éther. La majorité des lipides sont formés de deux parties principales: des acides gras et un alcool. L'union d'un acide gras et d'un alcool forme une liaison ester, base chimique de nombreux lipides comme les graisses et les huiles. Certains composés non constitués d'acides gras, mais partageant un caractère hydrophobe, sont également rattachés aux lipides, tels que les stéroïdes (cholestérol) et les vitamines liposolubles (A, D, E, K) [17](#page=17). Les principaux rôles des lipides incluent l'isolement et la protection des organes par le tissu adipeux, offrant une isolation thermique et une protection mécanique contre les chocs [17](#page=17). ### 4.2 Classification des lipides Les lipides sont classés en deux grandes catégories: simples et complexes [19](#page=19). #### 4.2.1 Lipides simples (ou homolipides) Les lipides simples sont composés uniquement de C, H et O. Ils résultent de la réaction d'estérification entre un alcool et un ou plusieurs acides gras, formant des esters d'acides gras [19](#page=19) [29](#page=29). * **Glycérides (ou acylglycérols)**: L'alcool est le glycérol (propane-1,2,3-triol). Selon le nombre d'acides gras liés au glycérol, ils sont classés en [19](#page=19): * Monoglycérides (1 acide gras + 1 glycérol) [19](#page=19). * Diglycérides (2 acides gras + 1 glycérol) [19](#page=19). * Triglycérides (3 acides gras + 1 glycérol) [19](#page=19). Ce sont les graisses et huiles, servant principalement de réserve d'énergie, d'isolation thermique et de protection. Les triglycérides sont très hydrophobes [19](#page=19) [30](#page=30) [31](#page=31). * **Cérides**: L'alcool est un alcool à longue chaîne (16 à 30 carbones). Ils forment les cires, présentes sur la peau, les feuilles ou les plumes. Leur rôle principal est la protection et l'imperméabilisation. Ils sont formés par la réaction d'un acide gras avec un alcool gras [19](#page=19) [37](#page=37). * **Stérides**: L'alcool est un stérol, comme le cholestérol. Ils forment des esters de cholestérol, servant de réserve et de transport du cholestérol dans l'organisme. Ils sont constitués d'un stérol et d'un acide gras [19](#page=19) [29](#page=29) [32](#page=32). #### 4.2.2 Lipides complexes Les lipides complexes contiennent, en plus de C, H et O, des éléments comme le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont souvent des constituants des membranes cellulaires [19](#page=19). * **Glycérophospholipides**: Ils contiennent du glycérol, deux acides gras et un groupe phosphate, qui peut être lié à un composé azoté. Leur rôle principal est la structure des membranes cellulaires [19](#page=19). * **Sphingolipides**: Constitués d'une base appelée sphingosine, d'un acide gras, et parfois d'un groupement phosphate. Ils sont présents surtout dans le système nerveux, notamment dans la gaine de myéline [19](#page=19). * **Glycolipides**: Formés d'un lipide et d'un glucide (sucre). Situés à la surface des membranes cellulaires, leur rôle principal est la reconnaissance et la communication entre les cellules [19](#page=19). #### 4.2.3 Classification physico-chimique Les lipides peuvent être : * **Hydrophobes**: Totalement insolubles dans l'eau (ex: triglycérides, cires) [19](#page=19). * **Amphiphiles**: Possèdent une partie hydrophile (aime l'eau) et une partie hydrophobe (repousse l'eau), typique des phospholipides et glycolipides [19](#page=19). ### 4.3 Acides gras #### 4.3.1 Définition et structure Les acides gras sont des acides monocarboxyliques. Ils possèdent deux parties [20](#page=20): * Une fonction acide carboxylique (–COOH): partie polaire et hydrophile [20](#page=20). * Un radical R: une longue chaîne hydrocarbonée, partie non polaire et hydrophobe [20](#page=20). La formule générale est R–COOH [20](#page=20). Ils sont amphipathiques, ayant une tête hydrophile et une queue hydrophobe. Dans l'eau, la partie hydrophobe s'associe pour former des micelles ou des membranes, tandis que les têtes hydrophiles restent en contact avec l'eau [20](#page=20). Caractéristiques principales des acides gras : 1. Chaîne carbonée: Généralement linéaire et sans ramification [20](#page=20). 2. Nombre de carbones: Presque toujours un nombre pair, car ils sont synthétisés à partir d'unités de 2 carbones (acétyl-CoA). La longueur naturelle varie entre 14 et 24 atomes de carbone [20](#page=20). 3. Degré d'insaturation : * Saturés: Aucune double liaison entre les carbones. Exemple: acide palmitique (C16:0) [20](#page=20). * Insaturés: Une ou plusieurs doubles liaisons. Exemple: acide oléique (C18:1) [20](#page=20). 4. Formes: Peuvent être linéaires, ramifiés ou cycliques [20](#page=20). 5. Non hydrolysables: Contrairement à certains lipides complexes, les acides gras ne sont pas hydrolysés en sous-unités plus petites [20](#page=20). Dans l'eau à pH physiologique (≈7,4), le groupe carboxyle s'ionise en carboxylate (–COO⁻), ce qui augmente son caractère hydrophile [20](#page=20). #### 4.3.2 Types d'acides gras Les acides gras peuvent être classés selon leur degré d'insaturation et le nombre de carbones [21](#page=21). ##### 4.3.2.1 Acides gras saturés Ce sont des acides gras dont la chaîne carbonée est entièrement saturée en hydrogène, sans double liaison [21](#page=21). * **Formule générale**: $C_nH_{2n+2}$ pour la chaîne hydrocarbonée seule, ou $C_nH_{2n}O_2$ pour la molécule entière [21](#page=21). * **Caractéristiques**: Chaîne linéaire, généralement nombre pair de carbones. Abondants dans les graisses animales et certaines huiles végétales [21](#page=21). * **Représentants** : * Acide palmitique: C16:0 [21](#page=21). * Acide stéarique: C18:0 [21](#page=21). * Acide butyrique: C4:0 [21](#page=21). * Acide lignocérique: C24:0 [21](#page=21). * **Numérotation**: Commence à partir du carbone du groupe carboxyle (C1) [21](#page=21). * Acide palmitique (C16:0): $CH_3-(CH_2)_{14}-COOH$ [21](#page=21). * Le symbole 'n-' devant le nom indique une chaîne linéaire [22](#page=22). ##### 4.3.2.2 Acides gras insaturés Ils possèdent au moins une double liaison entre les carbones de leur chaîne [22](#page=22). * **Formule générale**: $C_nH_{2n-2x}O_2$, où x est le nombre de doubles liaisons [22](#page=22). * **Caractéristiques**: Longueur de chaîne typiquement de 16 à 20 carbones. La première double liaison se situe généralement entre C9 et C10. Les doubles liaisons sont séparées par un ou plusieurs groupements méthylènes (–CH₂–) [22](#page=22). Classification selon le nombre de doubles liaisons : * **Acides gras mono-insaturés (AGMI)**: Une seule double liaison, souvent localisée en C9–C10 [23](#page=23). * Exemple: Acide oléique (C18:1Δ9 ou ω9) [23](#page=23). * Formule développée: $CH_3-(CH_2)_7-CH=CH-(CH_2)_7-COOH$ [23](#page=23). * Présents dans l'huile d'olive [23](#page=23). * **Acides gras poly-insaturés (AGPI)**: Plusieurs doubles liaisons séparées par des méthylènes. Ils sont essentiels et doivent être apportés par l'alimentation [23](#page=23). * Acide linoléique: C18:2Δ9,12 (famille ω6) [23](#page=23). * Acide α-linolénique: C18:3Δ9,12,15 (famille ω3) [23](#page=23). * Rôle: Développement, synthèse de molécules et fonctionnement cardiovasculaire [23](#page=23). **Nomenclature des doubles liaisons** : * **Nomenclature Δ (Delta)**: Indique la position de la double liaison en partant du groupe carboxyle (C1). Exemple: C18:1Δ9 signifie que la double liaison est entre C9 et C10 [23](#page=23). * **Nomenclature ω (Oméga)**: Indique la position de la double liaison en partant du groupe méthyle (CH₃) terminal (oméga). Exemple: C18:1ω9 signifie que la double liaison se trouve sur le 9ème carbone à partir du CH₃ terminal [23](#page=23). #### 4.3.3 Configurations des doubles liaisons La double liaison C=C limite la rotation et peut exister sous deux configurations : * **Cis**: Les deux hydrogènes sont du même côté de la double liaison. Entraîne un coude dans la chaîne, empêchant un empilement serré, ce qui rend l'acide gras liquide à température ambiante [24](#page=24). * **Trans**: Les deux hydrogènes sont de part et d'autre de la double liaison. La chaîne est presque linéaire, ressemblant aux acides gras saturés, ce qui conduit à des acides gras solides [24](#page=24). ### 4.4 Propriétés physico-chimiques des acides gras #### 4.4.1 Propriétés physiques Les propriétés physiques dépendent de la longueur de la chaîne carbonée et du degré d'insaturation [26](#page=26). * **Solubilité dans l'eau**: Les acides gras sont peu solubles dans l'eau en raison de leur longue chaîne hydrophobe. Plus la chaîne est longue, plus la partie hydrophobe domine, et moins l'acide gras est soluble. Les chaînes courtes (C4-C6) sont solubles, tandis que les chaînes longues (> C10) sont pratiquement insolubles. Les doubles liaisons augmentent légèrement la solubilité en empêchant l'empilement serré [26](#page=26). * **Masse volumique**: Les acides gras ont une masse volumique inférieure à celle de l'eau (environ 0,8 – 0,95 g/cm³). C'est pourquoi les huiles flottent à la surface de l'eau [26](#page=26). * **Point de fusion** : * **Influence de la longueur de la chaîne carbonée**: Plus la chaîne est longue, plus les molécules s'attachent fortement entre elles, nécessitant plus de chaleur pour fondre. Le point de fusion augmente avec la longueur de la chaîne. Les chaînes courtes sont liquides à température ambiante, tandis que les chaînes longues sont solides [27](#page=27). * **Influence du degré d'insaturation**: Chaque double liaison crée un "pli" dans la chaîne, empêchant l'emboîtement des molécules et réduisant les forces intermoléculaires. Ainsi, plus il y a de doubles liaisons, plus le point de fusion est bas, et plus l'acide gras est liquide. Les graisses solides (beurre) contiennent des acides gras longs et saturés, tandis que les huiles liquides contiennent des acides gras courts ou insaturés [27](#page=27). #### 4.4.2 Propriétés chimiques Les réactions des acides gras dépendent de la fonction acide (–COOH) et des doubles liaisons [27](#page=27). * **Réactions dues à la fonction acide (–COOH)** : * **Formation de sels alcalins (savons)**: La réaction d'un acide gras avec une base forte (NaOH ou KOH) produit un sel d'acide gras (savon) et de l'eau. Le sel de sodium ou de potassium est le savon. Le groupe carboxylate (–COO⁻) est hydrophile, tandis que le cation (Na⁺) est hydrophile, conférant ainsi des propriétés détergentes au savon [27](#page=27). Équation: $R-COOH + NaOH \rightarrow R-COO^-Na^+ + H_2O$ [27](#page=27). ### 4.5 Rôles et propriétés spécifiques de certaines classes de lipides #### 4.5.1 Glycérides (Acylglycérols) * **Définition**: Esters formés par la réaction entre le glycérol et un ou plusieurs acides gras [30](#page=30). Glycérol + Acide gras $\rightarrow$ Glycéride + H₂O [30](#page=30). * **Types**: Monoglycérides, diglycérides (intermédiaires digestifs, amphipathiques) et triglycérides (graisses et huiles, très hydrophobes) [30](#page=30). * **Propriétés physiques**: Monoglycérides et diglycérides sont amphipathiques. Les triglycérides sont totalement hydrophobes. Le point de fusion dépend du type d'acides gras (saturés → solides, insaturés → liquides) [31](#page=31). * **Propriétés chimiques** : * Hydrolyse acide ou enzymatique: $Triglycéride + 3H_2O \rightarrow Glycérol + 3 Acides gras$. Réaction naturelle lors de la digestion par les lipases [31](#page=31). * Hydrolyse alcaline (saponification): $Triglycéride + 3NaOH \rightarrow Glycérol + 3 Savons$. Utilisée pour fabriquer des savons [31](#page=31). * **Rôles des triglycérides** : 1. **Rôle énergétique**: Réserve d'énergie principale (≈9 kcal/g), stockée dans le tissu adipeux. En cas de besoin, ils libèrent des acides gras (pour l'ATP) et du glycérol (pour la néoglucogenèse) [31](#page=31). 2. **Stockage d'énergie**: Stockés dans les adipocytes, stockage efficace car sans eau associée (contrairement au glycogène) [31](#page=31). 3. **Isolation et protection**: Le tissu adipeux sous-cutané isole thermiquement et protège les organes internes [31](#page=31). 4. **Rôle physiopathologique**: En excès, peuvent causer obésité, diabète et maladies cardiovasculaires. Le tissu adipeux produit aussi des facteurs inflammatoires [32](#page=32). * **Digestion et hydrolyse des triglycérides**: Les triglycérides alimentaires sont trop gros et hydrophobes pour être absorbés directement. Ils sont hydrolysés en 1 monoglycéride et 2 acides gras par la lipase pancréatique dans l'intestin grêle. L'hydrolyse dans les cellules (lipolyse) pour libérer énergie utilise les enzymes ATGL, HSL et MGL, produisant 3 acides gras et du glycérol [32](#page=32). #### 4.5.2 Stérides * **Définition**: Lipides simples formés par la réaction entre un stérol (ex: cholestérol) et un acide gras. C'est une estérification entre un alcool stéroïdien et un acide gras [32](#page=32). Formule générale: $R-COOH + Cholestérol-OH \rightarrow R-COO-Cholestérol + H_2O$ [32](#page=32). * **Famille des stéréne / stéroïdes**: Les stérides appartiennent à la famille des stéroïdes, caractérisée par le noyau stérane (cyclopentanoperhydrophénanthrène) composé de 4 cycles accolés (3 hexagonaux, 1 pentagonal) [33](#page=33). * **Cholestérol**: Alcool (stérol), constituant majeur des membranes cellulaires, stabilisant leur fluidité et perméabilité. Il est un précurseur de plusieurs substances (acides biliaires, vitamine D, hormones stéroïdiennes). Sous forme d'ester de cholestérol (cholestérol + acide gras), il est hydrophobe et stocké dans les gouttelettes lipidiques [33](#page=33). * **Dérivés du cholestérol** : * **Acides biliaires**: Synthétisés dans le foie à partir du cholestérol, stockés dans la vésicule biliaire. Ils émulsifient les graisses dans l'intestin pour faciliter leur digestion [34](#page=34). * **Vitamine D**: Synthétisée dans la peau à partir du 7-déhydrocholestérol sous l'effet des rayons UV. Elle est essentielle pour la minéralisation osseuse en favorisant l'absorption du calcium et du phosphore [34](#page=34). #### 4.5.3 Cérides (Cires) * **Réaction de formation**: Réaction d'estérification entre un acide gras et un alcool gras [37](#page=37). Acide gras + Alcool gras $\rightarrow$ Céride + H₂O [37](#page=37). Exemple: Acide palmitique (C16) + Alcool cétylique (C16) $\rightarrow$ Palmitate de cétyle (une cire) [37](#page=37). * **Structure**: Molécule relativement longue et hydrophobe avec une liaison ester [37](#page=37). * **Propriétés physiques**: Solides à température ambiante en raison de l'empilement de leurs longues chaînes carbonées, ce qui leur confère un point de fusion élevé. Très insolubles dans l'eau car peu de groupes polaires. Leur texture est cireuse [37](#page=37). --- # Rôles et digestion des lipides Les lipides, composés organiques hydrophobes constitués majoritairement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, jouent des rôles multifacettes dans l'organisme, allant de la réserve énergétique à la signalisation cellulaire, tout en nécessitant une hydrolyse enzymatique pour leur absorption [17](#page=17). ### 5.1 Rôles des lipides Les lipides remplissent plusieurs fonctions essentielles pour le corps humain [17](#page=17). #### 5.1.1 Isolement et protection des organes Les lipides forment le tissu adipeux, une couche de graisse sous-cutanée et autour des organes [17](#page=17). * **Isolement thermique:** Ce tissu agit comme une barrière isolante, limitant la perte de chaleur et maintenant la température corporelle constante, particulièrement dans des environnements froids [17](#page=17). * **Protection mécanique:** Les graisses entourent des organes vitaux tels que le cœur, les reins et le foie, agissant comme un amortisseur pour les protéger des chocs physiques et des pressions externes [17](#page=17). #### 5.1.2 Transport et absorption des vitamines Certains lipides sont indispensables au transport des vitamines liposolubles (vitamines A, D, E, K) dans l'organisme [18](#page=18). * Ces vitamines ont des rôles cruciaux: la vitamine A pour la vision et la croissance cellulaire, la vitamine D pour l'absorption du calcium et la solidité osseuse, la vitamine E pour la protection antioxydante des cellules, et la vitamine K pour la coagulation sanguine [18](#page=18). * Les lipides facilitent leur absorption intestinale et leur transport sanguin vers les tissus [18](#page=18). #### 5.1.3 Stockage d'énergie Les lipides constituent la principale réserve d'énergie du corps [18](#page=18). * Les acides gras sont stockés dans les cellules adipeuses sous forme de triacylglycérols (triglycérides) [18](#page=18). * Ces molécules peuvent être dégradées pour fournir de l'énergie, notamment entre les repas ou lors d'efforts physiques [18](#page=18). * Leur rendement énergétique est très élevé: 1 gramme de lipides libère environ 9 kilocalories (kcal), soit plus du double de l'énergie fournie par les glucides ou les protéines (environ 4 kcal/g) [18](#page=18) [31](#page=31). * En tant que forme de stockage d'énergie, les triglycérides sont stockés dans les adipocytes. Contrairement au glycogène, ce stockage est léger car il n'est pas associé à de l'eau [31](#page=31). > **Tip:** La densité énergétique des lipides en fait une source d'énergie efficace et un moyen de stockage privilégié pour les périodes de jeûne prolongé. #### 5.1.4 Synthèse de molécules de signalisation Certains lipides ne sont pas seulement des réserves mais participent également à la communication cellulaire [18](#page=18). * À partir d'acides gras polyinsaturés (comme l'acide arachidonique), le corps synthétise des médiateurs chimiques tels que les prostaglandines, les thromboxanes et les prostacyclines [18](#page=18). * Ces substances ont des rôles physiologiques importants, incluant la régulation de l'inflammation et de la douleur, l'intervention dans la coagulation sanguine, et la participation à la contraction des muscles lisses (par exemple, dans les bronches ou l'utérus) [18](#page=18). #### 5.1.5 Rôle physiopathologique Un excès de lipides ou des déséquilibres dans leur métabolisme peuvent contribuer à diverses pathologies [31](#page=31). * Un apport excessif peut mener à l'obésité, au diabète et aux maladies cardiovasculaires [31](#page=31). * Le tissu adipeux produit également des facteurs inflammatoires, tels que les cytokines [31](#page=31). ### 5.2 Propriétés physiques des lipides Les lipides présentent des propriétés physiques variées qui influencent leur comportement et leur fonction dans l'organisme [17](#page=17) [31](#page=31). #### 5.2.1 Solubilité La solubilité des lipides dépend de leur structure [31](#page=31). * Les monoglycérides et les diglycérides sont amphipathiques, possédant une partie hydrophile (le glycérol) et une partie hydrophobe (les acides gras) [31](#page=31). * Les triglycérides sont totalement hydrophobes, ce qui les rend insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques comme l'éther ou le chloroforme. Cette caractéristique hydrophobe est fondamentale pour leur insolubilité dans l'eau [17](#page=17) [31](#page=31). #### 5.2.2 Point de fusion Le point de fusion des lipides varie en fonction de la nature de leurs acides gras constitutifs [31](#page=31). * Les acides gras saturés tendent à former des composés solides à température ambiante (les graisses) [31](#page=31). * Les acides gras insaturés forment des composés liquides à température ambiante (les huiles) [31](#page=31). ### 5.3 Digestion et hydrolyse des lipides Les triglycérides alimentaires, de par leur taille et leur caractère hydrophobe, ne peuvent pas être absorbés directement par l'organisme. Ils doivent subir une hydrolyse pour être transformés en molécules plus petites et plus facilement absorbables [32](#page=32). #### 5.3.1 Hydrolyse acide ou enzymatique La réaction d'hydrolyse des triglycérides peut se produire en présence d'un acide ou d'enzymes [31](#page=31). $$ \text{Triglycéride} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Glycérol} + 3\text{Acides gras} $$ [31](#page=31). Cette réaction est naturelle dans le processus de digestion par les lipases [31](#page=31). #### 5.3.2 Hydrolyse alcaline (saponification) L'hydrolyse des triglycérides peut également être réalisée en milieu alcalin, un processus connu sous le nom de saponification [31](#page=31). $$ \text{Triglycéride} + 3\text{NaOH} \rightarrow \text{Glycérol} + 3\text{Sels} $$ [31](#page=31). Ce procédé est utilisé industriellement pour la fabrication de savons [31](#page=31). #### 5.3.3 Hydrolyse enzymatique dans la digestion L'hydrolyse des triglycérides alimentaires est principalement réalisée par la lipase pancréatique dans l'intestin grêle [32](#page=32). $$ \text{Triglycéride} \rightarrow \text{1 Monoglycéride} + \text{2 Acides gras} $$ [32](#page=32). Cette enzyme découpe les triglycérides en monoglycérides et en acides gras, permettant leur absorption [32](#page=32). #### 5.3.4 Hydrolyse dans les cellules (lipolyse) Lorsque le corps a besoin d'énergie, les triglycérides stockés dans les adipocytes sont dégradés par une série de réactions enzymatiques (lipolyse) [32](#page=32). * **ATGL (Adipose Triglyceride Lipase):** Catalyse la première étape, transformant le triglycéride en diglycéride et libérant un premier acide gras [32](#page=32). $$ \text{TG} \xrightarrow{\text{ATGL}} \text{Diglycéride (DG)} + \text{1 AG} $$ [32](#page=32). * **HSL (Hormone Sensitive Lipase):** Hydrolyse le diglycéride pour former un monoglycéride et libérer un deuxième acide gras [32](#page=32). $$ \text{DG} \xrightarrow{\text{HSL}} \text{Monoglycéride (MG)} + \text{1 AG} $$ [32](#page=32). * **MGL (Monoglycerol Lipase):** Dégrade le monoglycéride en glycérol et libère le troisième acide gras [32](#page=32). $$ \text{MG} \xrightarrow{\text{MGL}} \text{Glycérol} + \text{1 AG} $$ [32](#page=32). Le résultat final de cette cascade est la libération d'acides gras et de glycérol [32](#page=32). ### 5.4 Stérides Les stérides sont une classe de lipides caractérisée par une structure stéroïde [32](#page=32). * Ils sont formés par l'estérification d'un stéroïde (comme le cholestérol) avec un acide gras [32](#page=32). * La formule générale de cette réaction est : $$ \text{R–COOH} + \text{Cholestérol–OH} \rightarrow \text{R–COO–Cholestérol} + \text{H}_2\text{O} $$ [32](#page=32). > **Tip:** La capacité des lipides à se dissoudre dans des solvants non polaires est une propriété clé qui sous-tend leur rôle dans le transport des vitamines liposolubles et leur structure membranaire. --- # Acides aminés : structure, classification et propriétés Les acides aminés (AA) sont les unités structurelles fondamentales des protéines, caractérisés par une structure de base commune comprenant un carbone alpha chiral, une fonction amine, une fonction acide carboxylique, un atome d'hydrogène et une chaîne latérale (R) qui détermine leurs propriétés spécifiques. ### 6.1 Structure générale des acides aminés Chaque acide aminé standard possède une structure commune [49](#page=49): ``` H | NH₂ —C —COOH | R ``` * **Fonction amine (–NH₂)**: Basique, peut capter un proton (H⁺). Appelée fonction amine N-terminale [49](#page=49). * **Fonction carboxylique (–COOH)**: Acide, peut libérer un proton (H⁺). Appelée fonction carboxyle C-terminale [49](#page=49). * **Atome d'hydrogène (H)**: Attaché au carbone central [49](#page=49). * **Chaîne latérale (R)**: Varie d'un acide aminé à l'autre, déterminant ses propriétés spécifiques [49](#page=49). * **Carbone α (central)**: Généralement chiral, lié aux quatre éléments mentionnés, sauf dans la glycine où R=H [49](#page=49). > **Tip:** La chiralité du carbone alpha rend la plupart des acides aminés optiquement actifs, existant sous forme L et D. Seules les formes L sont utilisées dans les protéines humaines [49](#page=49). ### 6.2 Nombre et catégories d'acides aminés Il existe plus de 300 acides aminés dans la nature, mais seulement 20 sont utilisés pour la synthèse des protéines humaines; ils sont appelés acides aminés standards ou protéinogènes. Les autres sont non protéinogènes [49](#page=49). #### 6.2.1 Acides aminés essentiels L'organisme ne peut pas les synthétiser et ils doivent être apportés par l'alimentation. Leur manque bloque la synthèse protéique [50](#page=50). Les 8 acides aminés essentiels chez l'homme sont : * Arginine\* (Arg, R) [50](#page=50). * Histidine\* (His, H) [50](#page=50). * Isoleucine (Ile, I) [50](#page=50). * Leucine (Leu, L) [50](#page=50). * Lysine (Lys, K) [50](#page=50). * Méthionine (Met, M) [50](#page=50). * Phénylalanine (Phe, F) [50](#page=50). * Thréonine (Thr, T) [50](#page=50). * Tryptophane (Trp, W) [50](#page=50). * Valine (Val, V) [50](#page=50). \*L'arginine et l'histidine sont considérées comme semi-essentielles, surtout chez l'enfant en croissance [50](#page=50). #### 6.2.2 Acides aminés non essentiels L'organisme peut les synthétiser à partir d'autres composés métaboliques [50](#page=50). Ils incluent : * Alanine (Ala, A) [50](#page=50). * Asparagine (Asn, N) [50](#page=50). * Acide aspartique (Asp, D) [50](#page=50). * Cystéine (Cys, C) [50](#page=50). * Acide glutamique (Glu, E) [50](#page=50). * Glutamine (Gln, Q) [50](#page=50). * Glycine (Gly, G) [50](#page=50). * Proline (Pro, P) [50](#page=50). * Sérine (Ser, S) [50](#page=50). * Tyrosine (Tyr, Y) [50](#page=50). La disponibilité métabolique de l'arginine et de l'histidine peut varier, les rendant parfois non essentiels [50](#page=50). ### 6.3 Fonctions des acides aminés Au-delà de leur rôle structural dans les protéines, les acides aminés ont diverses fonctions métaboliques [51](#page=51): * **Structurales**: Constituent les protéines [51](#page=51). * **Énergétiques**: Peuvent être dégradés pour fournir de l'énergie ou être précurseurs de glucose (néoglucogenèse) [51](#page=51). * **Métaboliques/Précurseurs**: Servent à synthétiser d'autres molécules importantes (hormones, neurotransmetteurs) [51](#page=51). * **Signalisation/Récepteurs**: Certains jouent un rôle dans la communication cellulaire [51](#page=51). ### 6.4 Classification selon la chaîne latérale (R) La chaîne latérale (R) est le critère principal de classification des acides aminés, influençant leur polarité et leur réactivité [51](#page=51). #### 6.4.1 Acides aminés aliphatiques neutres Ces acides aminés ont des chaînes latérales composées uniquement d'atomes de carbone et d'hydrogène, les rendant hydrophobes [51](#page=51). * **Sous-groupe 1 : Chaînes latérales linéaires** : * **Glycine (Gly, G)**: La plus petite, R=H. Son carbone alpha n'est pas chiral, ce qui lui confère une grande flexibilité à la chaîne peptidique [51](#page=51). * **Alanine (Ala, A)**: R=CH₃. Petite et hydrophobe [51](#page=51). * **Sous-groupe 2 : Chaînes latérales ramifiées** : * **Valine (Val, V)**: R = –CH(CH₃)₂. Très hydrophobe [52](#page=52). * **Leucine (Leu, L)**: R = –CH₂–CH(CH₃)₂. Chaîne plus longue, fréquente dans les protéines [52](#page=52). * **Isoleucine (Ile, I)**: R = –CH(CH₃)–CH₂–CH₃. Isomère de la leucine [52](#page=52). #### 6.4.2 Acides aminés hydroxylés Leur chaîne latérale contient un groupe hydroxyle (–OH), les rendant polaires et hydrophiles [53](#page=53). * **Sérine (Ser, S)**: R = –CH₂OH. Le groupe –OH est primaire. La phosphorylation de ce groupe est un mécanisme régulateur important [53](#page=53). * **Thréonine (Thr, T)**: R = –CH(OH)CH₃. Le groupe –OH est secondaire. Similaire à la sérine, il peut être phosphorylé [53](#page=53). * **Tyrosine (Tyr, Y)**: Contient un groupe phénol (cycle benzénique avec –OH). Bien que aromatique, le groupe –OH lui confère une certaine polarité [64](#page=64) [67](#page=67). #### 6.4.3 Acides aminés soufrés Contiennent un atome de soufre (S) dans leur chaîne latérale, leur conférant une réactivité chimique [55](#page=55). * **Cystéine (Cys, C)**: R = –CH₂–SH. Le groupe thiol (–SH) est réactif. Deux cystéines peuvent former un pont disulfure (–S–S–), stabilisant la structure tertiaire des protéines [55](#page=55). * **Méthionine (Met, M)**: Contient un atome de soufre dans un groupe thioéther. Neutre et hydrophobe [68](#page=68). #### 6.4.4 Acides aminés acides et amides Ces acides aminés possèdent dans leur chaîne latérale un groupement carboxyle supplémentaire (–COOH) ou un amide dérivé (–CONH₂) [57](#page=57). * **Acides aminés acides** : * **Acide aspartique (Asp, D)**: R = –CH₂–COOH. Possède deux groupes carboxyles [57](#page=57). * **Acide glutamique (Glu, E)**: R = –CH₂–CH₂–COOH. Possède deux groupes carboxyles [80](#page=80). Ces acides aminés sont chargés négativement à pH physiologique [70](#page=70). * **Acides aminés amides** : * **Asparagine (Asn, N)**: Amide de l'acide aspartique. R = –CH₂–CONH₂ [69](#page=69) [80](#page=80). * **Glutamine (Gln, Q)**: Amide de l'acide glutamique. R = –CH₂–CH₂–CONH₂ [69](#page=69) [80](#page=80). Ces deux sont polaires et non ionisables [67](#page=67). #### 6.4.5 Acides aminés basiques Possèdent une fonction basique supplémentaire dans leur chaîne latérale, en plus de la fonction amine alpha [61](#page=61). * **Lysine (Lys, K)**: R contient un groupe ε-amino (–(CH₂)₄–NH₂). Fortement basique, porte une charge positive à pH physiologique [61](#page=61). * **Arginine (Arg, R)**: R contient un groupement guanidyle (très basique). Porte une charge positive même à pH élevé [63](#page=63). * **Histidine (His, H)**: R contient un cycle imidazole. Son pKa est proche du pH physiologique, ce qui lui permet d'agir comme tampon et d'être chargée positivement ou neutre selon le pH [70](#page=70). #### 6.4.6 Acides aminés aromatiques Leur chaîne latérale contient un cycle benzénique, les rendant stables, capables d'absorber les UV et souvent hydrophobes [64](#page=64). * **Phénylalanine (Phe, F)**: Cycle phényle. Essentiel. Hydrophobe [64](#page=64). * **Tyrosine (Tyr, Y)**: Cycle phénol (cycle benzénique + –OH). Semi-essentiel [64](#page=64). * **Tryptophane (Trp, W)**: Cycle indole (double cycle aromatique). Essentiel [64](#page=64). #### 6.4.7 Acides imino * **Proline (Pro, P)**: La fonction amine alpha est intégrée dans un cycle avec la chaîne latérale, formant une amine secondaire. Sa structure rigide affecte la conformation des protéines, notamment le collagène. Elle peut être hydroxylée après traduction [66](#page=66). ### 6.5 Classification selon la polarité La polarité est déterminée par la répartition des charges électriques dans une molécule [67](#page=67). * **Non polaire (hydrophobe)**: Les acides aminés de ce groupe n'aiment pas l'eau et tendent à s'agréger à l'intérieur des protéines. Exemples: Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe, Trp, Gly [67](#page=67) [68](#page=68). * **Polaire non ionisable (hydrophile)**: Ces acides aminés sont solubles dans l'eau et peuvent former des liaisons hydrogène, mais ne portent pas de charge électrique nette. Exemples: Ser, Thr, Tyr, Cys, Asn, Gln [67](#page=67) [69](#page=69). * **Polaire ionisable**: Ces acides aminés portent une charge électrique (positive ou négative) selon le pH du milieu [70](#page=70). * **Acides** (chargés négativement à pH physiologique): Asp, Glu [67](#page=67) [70](#page=70). * **Basiques** (chargés positivement à pH physiologique): Lys, Arg, His [67](#page=67) [70](#page=70). ### 6.6 Propriétés physiques des acides aminés #### 6.6.1 Chiralité La plupart des acides aminés (sauf la glycine) possèdent un carbone alpha asymétrique, les rendant chiraux. Ils existent sous deux formes énantiomères: L et D. Seuls les acides aminés de la série L sont utilisés dans les protéines humaines [71](#page=71) [73](#page=73). #### 6.6.2 Pouvoir rotatoire Le pouvoir rotatoire mesure la capacité d'une substance à dévier le plan de la lumière polarisée. Les formes L/D ne correspondent pas nécessairement aux signes +/- de rotation [72](#page=72). #### 6.6.3 Absorption UV Les acides aminés aromatiques (Phe, Tyr, Trp) absorbent la lumière UV (260-280 nm) en raison de leurs cycles aromatiques. Cette propriété est utilisée pour le dosage des protéines par spectrophotométrie [72](#page=72) [73](#page=73). #### 6.6.4 Comportement ionique (amphotérie et zwitterion) Les acides aminés sont amphotères, pouvant agir comme acides ou bases en raison de leurs fonctions amine et carboxyle ionisables [74](#page=74). * En milieu acide (pH faible), ils sont chargés positivement (cationique): R–CH(NH₃⁺)–COOH [74](#page=74). * En milieu neutre (pH ≈ 7), ils existent sous forme de zwitterions, portant une charge positive et une charge négative, résultant en une charge globale neutre: R–CH(NH₃⁺)–COO⁻ [74](#page=74). * En milieu basique (pH élevé), ils sont chargés négativement (anionique): R–CH(NH₂)–COO⁻ [74](#page=74). ### 6.7 Propriétés chimiques liées au carbone alpha #### 6.7.1 Décarboxylation La perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de CO₂. Catalysée par des décarboxylases, elle forme des amines biologiquement actives. Exemple: l'histidine est décarboxylée en histamine, un médiateur important [76](#page=76). #### 6.7.2 Amidation La formation d'une liaison peptidique par la réaction entre un groupe carboxyle et un groupe amine, libérant une molécule d'eau. C'est la réaction fondamentale pour la construction des protéines [76](#page=76). ### 6.8 Réactions impliquant les acides aminés #### 6.8.1 Transamination Transfert d'un groupe amine (–NH₂) d'un acide aminé vers un acide α-cétonique, permettant la dégradation ou la synthèse d'acides aminés sans perte d'azote. Les enzymes impliquées sont les transaminases, utilisant le phosphate de pyridoxal (PLP, dérivé de la vitamine B6) comme coenzyme [78](#page=78). #### 6.8.2 Réaction avec les aldéhydes (formation de la Base de Schiff) Un groupe amine peut réagir avec un aldéhyde pour former une Base de Schiff (–N=CH–). Cette réaction est souvent une étape intermédiaire dans les réactions enzymatiques impliquant les acides aminés, comme avec le PLP [79](#page=79). #### 6.8.3 Réaction avec la ninhydrine La ninhydrine est un réactif utilisé pour détecter et doser les acides aminés. Elle oxyde les acides aminés, entraînant leur dégradation complète (déamination et décarboxylation). Le produit final, le "pourpre de Ruhemann", est de couleur violette intense pour la plupart des acides aminés, et bleue pour la proline et l'hydroxyproline en raison de leur amine secondaire [79](#page=79) [80](#page=80). ### 6.9 Propriétés chimiques liées aux chaînes latérales R #### 6.9.1 Groupement carboxyle de la chaîne latérale R Les acides aspartique et glutamique possèdent un second groupe carboxyle dans leur chaîne latérale, leur conférant des propriétés acides [80](#page=80). #### 6.9.2 Transformation en amides Ces acides aminés peuvent être transformés en amides par réaction avec de l'ammoniac (NH₃), formant l'asparagine (amide de l'acide aspartique) et la glutamine (amide de l'acide glutamique) [80](#page=80). --- # Réactions chimiques et biologiques des acides aminés et de leurs dérivés Voici un résumé détaillé des réactions chimiques et biologiques des acides aminés et de leurs dérivés, conçu pour un guide d'étude. ## 7. Réactions chimiques et biologiques des acides aminés et de leurs dérivés Ce chapitre explore les transformations chimiques et les rôles physiologiques variés des acides aminés et de leurs dérivés, couvrant des réactions clés comme la transamination, la décarboxylation, l'amidation, et l'estérification, ainsi que des exemples concrets tels que la créatine, les catécholamines et la SAM. ### 7.1 Transformations chimiques des groupements fonctionnels des acides aminés Les acides aminés, au-delà de leur rôle de base dans la synthèse des protéines, participent à de nombreuses réactions métaboliques impliquant leurs groupements fonctionnels (amine, carboxyle) et leurs chaînes latérales. #### 7.1.1 Décarboxylation La décarboxylation est la perte d'un groupement carboxyle (–COOH) sous forme de dioxyde de carbone (CO₂). Cette réaction est catalysée par des enzymes appelées décarboxylases, souvent désignées en biochimie comme Amino Acid Decarboxylases [76](#page=76). La réaction générale peut être représentée comme suit : $$ R–CH(NH_2)–COOH \xrightarrow{décarboxylase} R–CH_2–NH_2 + CO_2 $$ [76](#page=76). Le groupement –COOH est éliminé, conduisant à la formation d'une amine (R–CH₂–NH₂). Un exemple physiologique important est la décarboxylation de l'histidine en histamine [76](#page=76). ##### 7.1.1.1 Histamine L'histamine est un médiateur crucial dans les réactions allergiques et l'inflammation. La réaction est [76](#page=76): $$ \text{Histidine} \xrightarrow{} \text{Histamine} + CO_2 $$ [76](#page=76). ##### 7.1.1.2 Amine physiologiquement active Une amine est une molécule contenant un groupement –NH₂. Les amines formées par décarboxylation peuvent agir comme neurotransmetteurs ou messagers chimiques [76](#page=76). #### 7.1.2 Amidation L'amidation consiste à intégrer un groupement amine (–NH₂) pour former un amide. En biochimie, cette réaction est fondamentale pour la formation des liaisons peptidiques entre les acides aminés [76](#page=76): $$ –COOH + –NH_2 \longrightarrow –CONH– + H_2O $$ [76](#page=76). La liaison –CONH– résultante est une liaison peptidique, essentielle à la construction des protéines [76](#page=76). #### 7.1.3 Estérification L'estérification est une réaction entre un acide carboxylique et un alcool, généralement catalysée par un acide fort (H⁺) [77](#page=77). La réaction générale est : $$ R–CH(NH_2)–COOH + R'–OH \xrightarrow{H^+} R–CH(NH_2)–COOR' + H_2O $$ [77](#page=77). Le groupement amine (–NH₂) reste inchangé pendant cette réaction. Le produit est un ester. La proline peut être transformée en son ester benzylique avec un rendement élevé. Les esters sont souvent utilisés pour protéger temporairement les groupements carboxyles lors de synthèses chimiques complexes [77](#page=77). #### 7.1.4 Désamination oxydative La désamination oxydative est la perte du groupement amine (–NH₂) d'un acide aminé, produisant de l'ammoniac (NH₃). Elle est catalysée par des enzymes appelées désaminases. Cette réaction transforme un acide aminé en un acide α-cétonique [77](#page=77). Elle nécessite des coenzymes d'oxydo-réduction comme NAD⁺ ou NADP⁺ [77](#page=77). Les étapes impliquent : 1. Oxydation de l'acide aminé : formation d'un imine α-cétonique. 2. Hydrolyse : libération d'ammoniac (NH₃) et formation d'un acide α-cétonique. Le produit final, l'acide α-cétonique, est un composé qui peut être soit catabolisé pour produire de l'énergie (ATP), soit utilisé pour d'autres voies métaboliques [77](#page=77). ##### 7.1.4.1 Importance biologique de la désamination oxydative * **Énergie:** Les acides α-cétoniques peuvent entrer dans le cycle de Krebs pour produire de l'ATP [78](#page=78). * **Bilan azoté:** L'azote éliminé sous forme de NH₃ doit être converti en urée pour l'excrétion [78](#page=78). * **Précurseurs biosynthétiques:** Certains acides α-cétoniques peuvent servir à produire des glucides ou des acides gras [78](#page=78). #### 7.1.5 Transamination La transamination est le transfert réversible d'un groupement amine d'un acide aminé à un acide α-cétonique [78](#page=78). * **Enzymes et coenzyme:** Les enzymes responsables sont les transaminases (ou aminotransférases). Le coenzyme indispensable est le phosphate de pyridoxal (PLP), un dérivé de la vitamine B6 [78](#page=78). * **Spécificité:** Chaque acide aminé possède sa propre transaminase spécifique [78](#page=78). Ces réactions permettent à l'organisme de synthétiser des acides aminés non essentiels sans perte d'azote [78](#page=78). #### 7.1.6 Réaction avec les aldéhydes : formation de la Base de Schiff Un aldéhyde peut réagir avec un groupement amine pour former une Base de Schiff [79](#page=79). La réaction générale est : $$ R–NH_2 + R'–CHO \longrightarrow R–N=CH–R' + H_2O $$ [79](#page=79). Le groupement amine primaire réagit avec le groupement carbonyle de l'aldéhyde, formant une double liaison C=N et libérant de l'eau. Les Bases de Schiff sont souvent des intermédiaires enzymatiques dans les réactions impliquant des acides aminés. Par exemple, le PLP forme une Base de Schiff avec l'amine du carbone α de l'acide aminé lors des réactions de transamination [79](#page=79). #### 7.1.7 Réaction avec la ninhydrine La ninhydrine est un réactif oxydant utilisé pour détecter et quantifier les acides aminés. Elle est largement employée en biochimie et en criminalistique [79](#page=79). Lors de la réaction avec un acide aminé : 1. La ninhydrine oxyde l'acide aminé, entraînant sa dégradation complète : * Désamination (perte du groupement –NH₂ libérant NH₃). * Décarboxylation (perte du groupement –COOH libérant CO₂). 2. Le carbone α de l'acide aminé devient un aldéhyde (R–CHO) [79](#page=79). 3. Le NH₃ libéré réagit avec une autre molécule de ninhydrine réduite pour former un complexe coloré appelé pourpre de Ruhemann [79](#page=79). * **Résultat visuel :** * La plupart des acides aminés (sauf proline et hydroxyproline) donnent le pourpre de Ruhemann (violet intense) [80](#page=80). * La proline et l'hydroxyproline, étant des iminoacides (amines secondaires), donnent un complexe de couleur bleue [80](#page=80). * **Intérêt de la réaction :** * Détection qualitative (présence d'acides aminés). * Dosage (quantification par mesure de l'intensité de la couleur) [80](#page=80). * Applications: biochimie, médecine, criminalistique [80](#page=80). #### 7.1.8 Réactions liées aux chaînes latérales R Ces réactions dépendent des groupements fonctionnels présents dans les chaînes latérales des acides aminés. ##### 7.1.8.1 Groupement carboxyle de la chaîne latérale R Les acides aspartique (Asp) et glutamique (Glu) possèdent un groupement carboxyle supplémentaire dans leur chaîne latérale. Ils sont donc acides et peuvent libérer un proton H⁺ [80](#page=80). * **Transformation en amides:** Ces acides peuvent réagir avec de l'ammoniac (NH₃) pour former des amides. Le –OH du groupe –COOH est remplacé par –NH₂, formant un groupement –C NH₂ [80](#page=80). * Aspartate → Asparagine : $$ HOOC–CH(CH_2–COOH)–NH_2 + NH_3 \longrightarrow HOOC–CH(CH_2–C(NH_2))–NH_2 $$ [80](#page=80). * Glutamate → Glutamine : $$ HOOC–CH(CH_2–CH_2–COOH)–NH_2 + NH_3 \longrightarrow HOOC–CH(CH_2–CH_2–C(NH_2))–NH_2 $$ [80](#page=80). ##### 7.1.8.2 Groupement hydroxyle des chaînes latérales * **Hydroxylation de la Lysine:** La lysine peut être hydroxylée pour former la 5-hydroxylysine. Cette réaction, qui se produit lors de la synthèse du collagène, nécessite de la vitamine C. L'hydroxylysine est essentielle à la stabilité du collagène par la formation de liaisons hydrogène entre les chaînes polypeptidiques [62](#page=62). * **Hydroxylation de la Proline:** La proline peut aussi subir une hydroxylation post-traductionnelle, catalysée par la prolyl hydroxylase et nécessitant de la vitamine C. Ceci est crucial pour la structure du collagène [66](#page=66). ##### 7.1.8.3 Groupement imidazole L'histidine possède un groupement imidazole dans sa chaîne latérale. Ce groupement est un tampon biologique car son pKa est proche du pH physiologique (environ 6). Il peut facilement gagner ou perdre un proton, aidant à stabiliser les variations de pH dans les protéines, notamment l'hémoglobine [62](#page=62). ##### 7.1.8.4 Groupement guanidyle L'arginine possède un groupement guanidyle, qui est très basique. Elle peut porter une charge positive même à pH élevé [63](#page=63). ##### 7.1.8.5 Cycles aromatiques Les acides aminés aromatiques (Phénylalanine, Tyrosine, Tryptophane) possèdent des cycles benzéniques ou similaires dans leurs chaînes latérales. Ces cycles leur confèrent stabilité, capacité à absorber les UV et caractère hydrophobe [64](#page=64). ### 7.2 Rôles de dérivés d'acides aminés Plusieurs dérivés d'acides aminés jouent des rôles physiologiques essentiels. #### 7.2.1 S-Adénosylméthionine (SAM) La S-Adénosylméthionine (SAM) est la forme activée de la méthionine. Elle agit comme un donneur de groupe méthyle (–CH₃) dans de nombreuses réactions de méthylation [56](#page=56). * **Méthylation de l'ADN:** La SAM est utilisée par la DNMT (ADN méthyltransférase) pour méthyler la cytosine dans les régions promotrices des gènes. La méthylation d'un promoteur bloque la fixation de l'ARN polymérase, réprimant ainsi la transcription du gène. Ce mécanisme fait partie de la régulation épigénétique [56](#page=56) [57](#page=57). * **Synthèse de la créatine:** La SAM fournit le groupe méthyle nécessaire à la conversion du guanidinoacétate en créatine dans le foie [84](#page=84). #### 7.2.2 Créatine et Phosphocréatine La créatine est une petite molécule azotée synthétisée à partir de la glycine, de l'arginine et de la méthionine [83](#page=83). * **Rôle énergétique:** Dans les cellules musculaires, la créatine sert de réservoir d'énergie rapide via la phosphocréatine [83](#page=83). $$ \text{Créatine} + \text{ATP} \leftrightarrow \text{Phosphocréatine} + \text{ADP} $$ [83](#page=83). La phosphocréatine redonne rapidement un phosphate à l'ADP pour reformer de l'ATP lors d'efforts intenses [83](#page=83). * **Synthèse :** Elle est synthétisée en deux étapes : 1. Dans le rein: Arginine + Glycine → Guanidinoacétate (GAA) + Ornithine [83](#page=83). 2. Dans le foie: GAA + SAM → Créatine + SAH [84](#page=84). * **Métabolisme et élimination:** La créatine se dégrade spontanément en créatinine, qui est éliminée par les reins. La créatinine est un marqueur fiable de la fonction rénale [84](#page=84). #### 7.2.3 Catécholamines et analogues Les catécholamines sont des molécules dérivées des acides aminés aromatiques, phénylalanine et tyrosine. Elles contiennent un cycle catéchol (cycle benzénique avec deux groupes –OH voisins) et un groupement amine [85](#page=85). * **Principales catécholamines :** * Dopamine: neurotransmetteur [85](#page=85). * Noradrénaline: neurotransmetteur [85](#page=85). * Adrénaline: hormone de réponse au stress [85](#page=85). ##### 7.2.3.1 Tyramine La tyramine est un analogue des catécholamines, dérivant de la tyrosine par décarboxylation. Elle agit comme un sympathomimétique indirect, mimant partiellement les effets des catécholamines (vasoconstriction, augmentation de la pression artérielle). Elle est produite dans l'intestin par l'action de bactéries sur la tyrosine alimentaire, et se retrouve dans les aliments fermentés (fromage, vin) [86](#page=86) [87](#page=87). ##### 7.2.3.2 Tryptamine La tryptamine dérive du tryptophane par décarboxylation. C'est un vasoconstricteur puissant qui mime les effets des catécholamines [87](#page=87). ##### 7.2.3.3 Sérotonine (5-hydroxytryptamine) La sérotonine dérive également du tryptophane via deux réactions: hydroxylation puis décarboxylation. Elle joue un rôle clé dans le système nerveux central (sommeil, humeur, appétit), le système cardiovasculaire, et lors de processus inflammatoires [87](#page=87) [88](#page=88). #### 7.2.4 Le cycle de l'urée Le cycle de l'urée est un processus hépatique qui transforme l'ammoniac (toxique, issu de la dégradation des acides aminés) en urée (non toxique). Les composants importants incluent le carbamyl phosphate, la citrulline, l'argininosuccinate et l'arginine. L'aspartate est crucial pour introduire un groupement amine dans le cycle [59](#page=59). * **Enzymes impliquées:** Ornithine transcarbamylase, Arginase, Aspartate aminotransférase [59](#page=59). * **Entrées:** NH₃, CO₂, H₂O [60](#page=60). * **Sorties:** Urée, Fumarate [60](#page=60). * **Pathologies:** Des déficiences enzymatiques entraînent une hyperammoniémie, avec des conséquences neurologiques graves [60](#page=60). #### 7.2.5 Iodotyrosines Les iodotyrosines sont des dérivés iodés de la tyrosine. Elles sont les précurseurs des hormones thyroïdiennes T₃ (triiodothyronine) et T₄ (thyroxine), qui régulent le métabolisme [65](#page=65) [89](#page=89). ### 7.3 Méthodes d'identification des acides aminés Plusieurs techniques permettent de séparer et d'identifier les acides aminés dans un mélange. #### 7.3.1 Électrophorèse Cette technique sépare les molécules chargées dans un champ électrique. La vitesse de migration dépend de la charge de l'acide aminé, de sa taille et du pH du tampon [90](#page=90). #### 7.3.2 Chromatographie La chromatographie utilise deux phases: une phase stationnaire (fixe) et une phase mobile (en mouvement) [90](#page=90). * **Principe:** Les acides aminés sont répartis entre les deux phases en fonction de leurs propriétés (polarité, charge, solubilité). Le "tir à la corde" entre la rétention par la phase stationnaire et l'entraînement par la phase mobile détermine la vitesse de migration [91](#page=91). * **Types de chromatographie :** * **Chromatographie sur Couche Mince (CCM):** Méthode rapide et simple pour séparer et identifier les acides aminés. L'identification se fait après révélation à la ninhydrine et calcul du rapport frontal (Rf) [92](#page=92). * **Chromatographie Ionique:** Repose sur la charge des acides aminés qui varie avec le pH. Elle utilise des résines échangeuses d'ions. Les acides aminés sont séparés selon leur charge et leur affinité pour la résine, puis libérés par ajustement du pH ou de la force ionique [93](#page=93). * **Détection:** Les acides aminés sortant de la colonne sont détectés par UV (pour les aromatiques) ou par réaction à la ninhydrine, produisant un chromatogramme avec des pics caractéristiques [94](#page=94). #### 7.3.3 Méthodes quantitatives * **Méthodes photométriques:** Mesurent l'absorbance de la lumière UV, applicable uniquement aux acides aminés aromatiques (Tryptophane, Tyrosine, Phénylalanine) autour de 280 nm [94](#page=94). * **Méthodes colorimétriques:** Utilisent des réactifs comme la ninhydrine qui forment des composés colorés avec les acides aminés. L'intensité de la couleur, mesurée par un spectrophotomètre, est proportionnelle à la concentration de l'acide aminé. La proline donne une couleur jaune, contrairement à la plupart des autres acides aminés qui donnent une couleur violette [95](#page=95). --- # Peptides et protéines : structure et propriétés Absolument ! Voici une synthèse détaillée et structurée sur la formation, la nomenclature, les structures et les propriétés des peptides et des protéines, conçue pour être un outil d'étude efficace. ## 8. Peptides et protéines : structure et propriétés Les peptides et les protéines sont des macromolécules biologiques essentielles formées de chaînes d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques, dont la structure et les propriétés physico-chimiques déterminent leur fonction [48](#page=48). ### 8.1 Formation des peptides par liaisons peptidiques #### 8.1.1 Définition et structure d'un acide aminé Un peptide est une petite molécule constituée de plusieurs acides aminés (AA) reliés bout à bout par des liaisons peptidiques. Chaque acide aminé possède une structure générale comprenant [96](#page=96): * Un groupement amine (–NH₂) [96](#page=96). * Un groupement acide carboxylique (–COOH) [96](#page=96). * Un carbone alpha (α) lié à un hydrogène (H) [96](#page=96). * Un radical R, qui est la partie variable différenciant chaque acide aminé [96](#page=96). #### 8.1.2 Formation de la liaison peptidique La liaison peptidique se forme lors de la réaction entre le groupement carboxyle (–COOH) d'un acide aminé et le groupement amine (–NH₂) du second acide aminé. Cette réaction est une **condensation** (ou déshydratation) car elle entraîne l'élimination d'une molécule d'eau (H₂O), où un H provient du groupe amine et un OH du groupe carboxyle. Il se forme alors une liaison covalente forte entre le carbone du groupe carbonyle (C=O) du premier AA et l'azote (N) du groupe amine du second AA [76](#page=76) [96](#page=96). La réaction peut être schématisée ainsi : $$-COOH + -NH_2 \longrightarrow -CONH- + H_2O$$ [76](#page=76). Cette liaison est plane et rigide en raison d'un phénomène de **résonance**, impliquant un partage d'électrons entre le C=O et le N–H [96](#page=96). #### 8.1.3 Directionnalité et nomenclature des peptides Les peptides possèdent une directionnalité due à la présence de groupements libres aux extrémités : * Une **extrémité N-terminale**: celle qui possède un groupement amine libre (–NH₂) [96](#page=96). * Une **extrémité C-terminale**: celle qui possède un groupement carboxyle libre (–COOH) [96](#page=96). La nomenclature des peptides se fait en commençant par l'acide aminé N-terminal (placé à gauche), en terminant par l'acide aminé C-terminal (placé à droite), et en remplaçant les suffixes "-ine" ou "-ate" des acides aminés intermédiaires par le suffixe "-yl" [97](#page=97) [99](#page=99). * **Dipeptide**: formé de 2 AA [99](#page=99). * **Tripeptide**: formé de 3 AA [97](#page=97). * **Tétrapeptide**: formé de 4 AA [97](#page=97). * **Oligopeptide**: moins de 10 AA [97](#page=97). * **Polypeptide**: de 10 à 100 AA [97](#page=97) [99](#page=99). * **Protéine**: plus de 50 AA, souvent plus de 100 AA [48](#page=48) [98](#page=98). **Exemple:** Alanine + Glycine + Tyrosine → Alanyl–Glycyl–Tyrosine [99](#page=99). Les radicaux R des différents acides aminés sont orientés de part et d'autre de la chaîne peptidique de manière alternée. Cette alternance est due à la structure plane et rigide de la liaison peptidique, qui empêche l'alignement de tous les R du même côté, rendant la chaîne plus stable et influençant sa structure tridimensionnelle [97](#page=97). ### 8.2 Détermination de la composition et de la séquence d'un peptide #### 8.2.1 Détermination de la composition en acides aminés Pour connaître la composition d'un peptide, on le casse en acides aminés individuels par **hydrolyse** [100](#page=100). * **Hydrolyse acide**: Réalisée avec de l'acide chlorhydrique (HCl) concentré à 110°C pendant 24-48 heures. Elle rompt les liaisons peptidiques [100](#page=100). * **Inconvénient**: Détruit le tryptophane (Trp) en raison de sa sensibilité aux acides forts [100](#page=100). * **Traitement des ponts disulfure (S-S)**: Avant l'hydrolyse, les ponts disulfure doivent être cassés par oxydation (ex: acide performique) ou réduction (ex: DTT) car ils maintiennent la structure du peptide [100](#page=100). * **Hydrolyse alcaline**: Réalisée avec une base forte (NaOH) à 100°C pendant 4-8 heures. Elle permet de détecter spécifiquement le tryptophane sans le détruire . Après hydrolyse, les acides aminés sont séparés par **chromatographie d'échange d'ions** selon leur charge, puis identifiés et quantifiés par réaction à la **ninhydrine**, qui produit un colorant violet (ou jaune pour la proline) visible et mesurable par spectrophotométrie . #### 8.2.2 Détermination de l'acide aminé N-terminal Plusieurs méthodes permettent d'identifier l'acide aminé N-terminal (celui avec le groupe –NH₂ libre) : * **Méthode de Sanger (DNFB)** : 1. **Marquage du N-terminal**: Le réactif 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène (DNFB, "réactif de Sanger") réagit spécifiquement avec le groupe amine libre du N-terminal, formant un complexe jaune (DNF–Peptide) . 2. **Hydrolyse acide**: Le peptide marqué est hydrolysé en acides aminés individuels . 3. **Séparation et identification**: Le composé DNF–AA, coloré en jaune, est séparé par chromatographie et comparé à des standards pour identifier l'acide aminé N-terminal . * **Méthode au chlorure de dansyl (méthode de Gray)** : 1. **Marquage du N-terminal**: Le chlorure de dansyl (DANS–Cl) marque le groupe amine libre du N-terminal. Le produit formé (DANS–Peptide) est fluorescent . 2. **Hydrolyse acide**: Le peptide est hydrolysé en acides aminés . 3. **Séparation et identification**: Le DANS–AA fluorescent est détecté sous lampe UV et identifié par chromatographie. Cette méthode est plus sensible et le produit final est fluorescent sous UV . #### 8.2.3 Détermination de la séquence d'acides aminés (méthode d'Edman) La **méthode d'Edman** permet de déprotéiner séquentiellement un acide aminé de l'extrémité N-terminale sans détruire le reste de la chaîne polypeptidique. Ce processus peut être répété plusieurs fois ("cycle d'Edman") pour lire la séquence de N-terminal vers C-terminal . 1. **Marquage du N-terminal**: Le phénylisothiocyanate (PITC) réagit avec le groupe amine libre du premier acide aminé à pH légèrement alcalin (≈9) . 2. **Cyclisation et libération**: En milieu acide faible (pH ≈3), le premier acide aminé libéré sous forme cyclique (PTH–AA), tandis que le reste du peptide reste intact mais raccourci d'un acide aminé . 3. **Identification du PTH–AA**: Le dérivé PTH–AA est identifié par chromatographie ou spectrométrie . 4. **Répétition du cycle**: Le processus est répété sur le peptide raccourci pour identifier le second, puis le troisième acide aminé, et ainsi de suite . #### 8.2.4 Méthodes enzymatiques et chimiques pour la dégradation des peptides * **Aminopeptidases**: Ce sont des exopeptidases qui agissent sur l'extrémité N-terminale, libérant progressivement les acides aminés un par un . * **Carboxypeptidases**: Ce sont des exopeptidases qui agissent sur l'extrémité C-terminale. La Carboxypeptidase A libère la majorité des AA C-terminaux (sauf Cys, Arg, Lys), tandis que la Carboxypeptidase B libère les AA basiques (Arg, Lys) . * **Hydrazine (méthode chimique)**: L'hydrazine (NH₂–NH₂) rompt toutes les liaisons peptidiques, transformant tous les acides aminés (sauf le C-terminal) en hydrazides. Le C-terminal, conservant son groupe –COOH libre, reste identifiable . * **Endopeptidases** : Ces enzymes coupent les liaisons peptidiques à l'intérieur de la chaîne polypeptidique, générant des fragments plus petits. * **Trypsine**: Coupe après Arg et Lys (sauf si Proline) . * **Chymotrypsine**: Coupe après Tyr, Trp, Phe . * **Pepsine**: Coupe après des AA aromatiques et hydrophobes à pH acide . * **Thermolysine**: Coupe avant des AA hydrophobes (Leu, Ile, Val, Phe) . * **Bromure de cyanogène (BrCN)**: Ce réactif chimique coupe spécifiquement les liaisons peptidiques situées après la méthionine (Met), produisant des fragments dont le premier se termine par un dérivé de méthionine et le second commence par l'acide aminé suivant la Met . ### 8.3 Structures des protéines Les protéines adoptent une structure tridimensionnelle bien définie, essentielle à leur activité biologique. On distingue quatre niveaux de structure : #### 8.3.1 Structure primaire Correspond à la **séquence en acides aminés** de la chaîne polypeptidique, du N-terminal au C-terminal. Elle est déterminée génétiquement par l'ADN. Les ponts disulfure font également partie de la structure primaire . #### 8.3.2 Structure secondaire Il s'agit du **repliement local de la chaîne d'acides aminés**, stabilisé par des liaisons hydrogène entre les groupements –NH et –CO du squelette peptidique. Les deux structures secondaires principales sont : * **Hélice α**: La chaîne polypeptidique s'enroule en structure hélicoïdale. Les radicaux R sont dirigés vers l'extérieur. Les liaisons hydrogène se forment entre l'oxygène du groupe carbonyle d'un AA et l'hydrogène du groupe aminé d'un AA situé quatre résidus plus loin . * **Feuillet β**: Formé par l'association d'au moins deux brins β. Les liaisons hydrogène unissent le groupe –CO d'un brin au groupe –NH d'un brin adjacent. Les brins peuvent être antiparallèles ou parallèles . #### 8.3.3 Structure tertiaire Représente la **conformation tridimensionnelle complète de la protéine**. Elle est stabilisée par diverses interactions entre les chaînes latérales des acides aminés : * **Liaisons covalentes**: Ponts disulfure entre résidus cystéine . * **Liaisons non covalentes**: liaisons hydrogène, forces de Van der Waals, interactions hydrophobes (les chaînes latérales hydrophobes se regroupent à l'intérieur, formant un cœur hydrophobe) et interactions ioniques . Elle est essentielle à la fonctionnalité de la protéine, notamment pour la formation des sites actifs des enzymes . #### 8.3.4 Structure quaternaire Décrit l'**association de deux ou plusieurs chaînes peptidiques (sous-unités)** pour former une protéine fonctionnelle. Les sous-unités peuvent être identiques (homopolymères) ou différentes (hétéropolymères). L'hémoglobine A, par exemple, est un hétérotétramère composé de quatre sous-unités différentes (2α et 2β) . ### 8.4 Propriétés des protéines #### 8.4.1 Propriétés physiques * **Solubilité**: La plupart des protéines globulaires sont solubles dans l'eau, tandis que les scléroprotéines (protéines fibreuses) sont insolubles . * **Cristallisation**: Il est possible de cristalliser les protéines en modulant le pH, la concentration saline et les solvants organiques . * **Propriétés optiques** : * Les protéines sont optiquement actives . * Elles absorbent la lumière UV à 280 nm en raison de la présence de résidus aromatiques . * La **réaction du Biuret** (complexe coloré violet avec des ions cuivriques en milieu alcalin) permet le dosage des protéines . * **Masse moléculaire (MM)**: Chaque protéine a une MM caractéristique, supérieure à 6000 daltons. Elle peut être déterminée par chromatographie par gel-filtration . #### 8.4.2 Propriétés chimiques * **Composition élémentaire**: Les protéines contiennent majoritairement C, H, O, N et souvent S . * **Acides aminés dérivés**: Les protéines naturelles sont formées des 20 acides aminés standards. Des modifications post-traductionnelles peuvent donner naissance à des acides aminés dérivés comme l'hydroxyproline et l'hydroxylysine, particulièrement abondants dans le collagène pour stabiliser les fibres . * **Caractère amphotère**: Les protéines sont amphotères car elles contiennent des groupements acides (–COOH) et basiques (–NH₂) . * **Ionisation**: L'ionisation des groupes (extrémités peptidiques, chaînes latérales des AA) dépend du pH du milieu . * **Point isoélectrique (pI)**: C'est le pH auquel la protéine a une charge nette globale nulle. À ce pH, la protéine ne migre pas en électrophorèse et est souvent moins soluble, pouvant précipiter . #### 8.4.3 Propriétés biologiques * **Propriétés antigéniques**: Les protéines sont des antigènes qui induisent la synthèse d'anticorps . * **Activités biologiques spécifiques**: Elles peuvent avoir une activité catalytique (enzymes), hormonale (GH, EPO), être des toxines (exotoxines bactériennes) ou posséder une activité antibiotique (VanX) . ### 8.5 Classification des protéines Les protéines peuvent être classées en deux grandes catégories : #### 8.5.1 Holoprotéines Formées exclusivement d'acides aminés . * **Holoprotéines globulaires solubles**: Protéines sphéroïdes, solubles dans l'eau (chaînes latérales hydrophobes à l'intérieur). Elles comprennent les enzymes, hormones, anticorps . * **Albumines**: Abondantes dans le plasma, maintiennent la pression oncotique et transportent diverses substances . * **Globulines**: Présentes dans le sérum sanguin, jouent des rôles dans le transport, la défense immunitaire, la coagulation et l'inflammation. Elles sont classées en α-, β- et γ-globulines selon leur mobilité électrophorétique. Les γ-globulines sont les immunoglobulines (anticorps) . #### 8.5.2 Hétérotéines Composées d'une partie protéique (acides aminés) et d'une partie non protéique (groupement prosthétique) . * **Phosphoprotéines**: Protéine liée à un groupe phosphorique (ex: caséine du lait) . * **Nucléoprotéines**: Protéine liée à un acide nucléique (ADN ou ARN) (ex: télomérase) . * **Glycoprotéines**: Protéines liées de façon covalente à une séquence glucidique (ex: mucines, immunoglobulines, glycoprotéines de groupe sanguin) . * **Lipoprotéines**: Complexes protéines-lipides permettant le transport des lipides dans le plasma (ex: chylomicrons, VLDL, LDL, HDL) . * **Chromoprotéines**: Protéines liées à un pigment coloré . --- > **Tip:** N'oubliez pas que la structure des protéines est directement liée à leur fonction. Toute altération de structure (par exemple, due à des dénaturants ou des mutations) peut entraîner une perte d'activité biologique. Pensez à bien maîtriser les différents niveaux de structure et les liaisons qui les stabilisent. > **Example:** L'hémoglobine, avec sa structure quaternaire, est un exemple parfait de la relation structure-fonction. Ses quatre sous-unités permettent le transport optimal de l'oxygène, et les changements conformationnels lors de la liaison de l'oxygène facilitent la libération de l'O₂ dans les tissus . --- --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Terme | Définition | | Filiation des aldoses | Ensemble de réactions chimiques permettant de relier les oses entre eux selon leur nombre d'atomes de carbone, autorisant l'allongement ou le raccourcissement de la chaîne carbonée pour établir une relation généalogique. | | Synthèse de Kiliani-Fischer | Méthode chimique permettant d'allonger la chaîne carbonée d'un aldose d'un atome de carbone. Elle implique l'addition de HCN sur la fonction aldéhyde, suivie d'une hydrolyse en acide carboxylique, puis d'une réduction en aldéhyde, produisant un nouvel aldose à une unité carbonée supérieure. | | Épimères | Stéréoisomères qui diffèrent uniquement par la configuration absolue d'un seul centre chiral, souvent observés lors de réactions comme la synthèse de Kiliani-Fischer où deux sucres différents peuvent être obtenus. | | Structure cyclique des oses | Forme prédominante des oses (surtout ceux de plus de quatre carbones) en solution aqueuse ou dans les milieux biologiques, résultant de la réaction intramoléculaire d'une fonction carbonyle avec un groupe hydroxyle pour former un hémiacétal ou un hémicétal. | | Hémiacétal | Fonction résultant de la réaction entre une fonction aldéhyde et un groupe alcool, caractérisée par un carbone lié à un groupe hydroxyle (-OH) et à un groupe alkoxy (-OR). | | Hémicétal | Fonction résultant de la réaction entre une fonction cétone et un groupe alcool, caractérisée par un carbone lié à un groupe hydroxyle (-OH) et à deux groupes alkoxy (-OR). | | Cyclisation selon Tollens | Processus de formation de la structure cyclique des oses, où le groupe hydroxyle d'un carbone attaque le carbone du groupe carbonyle, formant ainsi un cycle et un centre anomérique. | | Pyranose | Cycle à six atomes (cinq carbones et un oxygène) formé par la cyclisation des oses, typiquement lorsque le groupe -OH du carbone 5 attaque le carbonyle d'un aldose. | | Furanose | Cycle à cinq atomes (quatre carbones et un oxygène) formé par la cyclisation des oses, typiquement lorsque le groupe -OH du carbone 4 attaque le carbonyle d'un aldose. | | Projection de Haworth | Représentation schématique des cycles des sucres en trois dimensions, où le cycle est dessiné comme un anneau presque plat, facilitant la visualisation de la position des substituants. | | Carbone anomérique | Le carbone qui était initialement le groupe carbonyle dans la forme linéaire de l'ose et qui devient un centre chiral après la cyclisation, donnant lieu aux formes α et β. | | Conformation chaise | La forme spatiale la plus stable adoptée par les cycles des oses, notamment les pyranoses, dans les solutions, comparée à la conformation bateau moins stable. | | Pouvoir rotatoire spécifique | Propriété des oses en solution de faire dévier le plan de la lumière polarisée, utilisée pour leur identification et leur dosage quantitatif. | | Caramélisation | Processus de dégradation des oses par chauffage, entraînant leur brunissement et la formation de composés complexes, résultant de réactions de déshydratation et de polymérisation. | | Fonction carbonyle | Groupe fonctionnel composé d'un atome de carbone doublement lié à un atome d'oxygène (C=O), présent dans les aldéhydes et les cétones. | | Groupement hémiacétalique | La fonction hémiacétal présente dans les oses cycliques, jouant un rôle clé dans leur réactivité chimique, notamment leur caractère réducteur. | | Fonction alcool | Groupe fonctionnel contenant un groupe hydroxyle (-OH) lié à un atome de carbone. Les oses en possèdent plusieurs, qui participent à leur réactivité. | | Oxydation enzymatique | Réaction catalysée par une enzyme (comme la glucose oxydase) utilisant de l'oxygène pour oxyder une molécule, par exemple la transformation du glucose en acide gluconique. | | Glucose oxydase (GOD) | Enzyme spécifique qui catalyse l'oxydation du D-glucose en acide gluconique, utilisée notamment dans les tests de glycémie. | | Acide gluconique | Acide carboxylique résultant de l'oxydation du groupe aldéhyde (C1) du glucose. | | Oxydation chimique douce | Réaction chimique qui oxyde sélectivement le groupe aldéhyde d'un aldose en acide carboxylique, sans affecter les autres fonctions hydroxyles, en utilisant des réactifs comme le dibrome ($Br_2$). | | Acide aldarique | Acide dicarboxylique obtenu par oxydation forte d'un aldose, où les groupes aldéhyde (C1) et alcool primaire (C6) sont convertis en groupes carboxyliques (-COOH). | | Oxydation forte | Réaction d'oxydation vigoureuse, souvent réalisée avec un oxydant puissant comme l'acide nitrique ($HNO_3$), qui oxyde à la fois les fonctions aldéhyde et alcool primaire d'un aldose, et peut même cliver la chaîne carbonée des cétoses. | | Acide saccharique | Synonyme d'acide aldarique, obtenu par oxydation forte des aldoses. | | Acide glycolique | Acide carboxylique simple ($HOCH_2-COOH$) obtenu lors de l'oxydation forte de certains cétoses (comme le fructose) suite au clivage de la chaîne carbonée. | | Acide tartrarique | Acide dicarboxylique hydroxyé ($HOOC-CHOH-CHOH-COOH$) pouvant être formé lors de l'oxydation forte de certains cétoses. | | Sels de métaux lourds | Composés contenant des métaux de transition, utilisés comme agents oxydants doux pour les oses réducteurs, tels que la liqueur de Fehling (ions $Cu^{2+}$) et la solution de Tollens (ions $Ag^{+}$). | | Liqueur de Fehling | Réactif utilisé pour détecter les sucres réducteurs, contenant des ions cuivreux ($Cu^{2+}$) qui sont réduits en ions cuivreux ($Cu^{+}$) par les oses. | | Solution de Tollens | Réactif utilisé pour détecter les aldéhydes et les sucres réducteurs, contenant des ions argent ($Ag^{+}$) qui sont réduits en argent métallique par les oses réducteurs. | | Sucre réducteur | Glucide qui possède un groupe aldéhyde libre ou un groupe carbonyle (cétone) qui peut s'isomériser en aldéhyde en milieu basique, lui permettant de réduire des ions métalliques dans des conditions alcalines douces. | | Isomérisation | Réaction chimique qui transforme une molécule en l'un de ses isomères, par exemple la conversion d'un cétose en aldose en milieu basique. | | Réduction chimique des oses | Réaction complémentaire à l'oxydation, où le groupe carbonyle des oses (aldéhyde ou cétone) est réduit en groupe alcool, transformant les oses en polyols. | | Polyol | Alcool comportant plusieurs groupes hydroxyles (-OH) dans sa molécule, obtenu par la réduction des oses. | | Borohydrure de sodium ($NaBH_4$) | Agent réducteur couramment utilisé en chimie organique pour réduire les aldéhydes et les cétones en alcools primaires et secondaires, respectivement. | | Oxydation douce | Réaction chimique où le groupement aldéhyde (–CHO) d'un aldose est converti en fonction acide carboxylique (–COOH), sans affecter les autres fonctions hydroxyles de la molécule. Le réactif typique est le dibrome (Br₂/H₂O). | | Réaction d'oxydoréduction | Réaction chimique impliquant le transfert d'électrons, où une espèce est oxydée (perd des électrons) et une autre est réduite (gagne des électrons). Les oses peuvent agir comme agents réducteurs en présence d'oxydants puissants. | | Agent réducteur | Substance capable de réduire une autre espèce chimique en lui donnant des électrons. Les aldoses, grâce à leur fonction aldéhyde ou la capacité de la régénérer, agissent comme agents réducteurs, notamment avec les sels de métaux lourds. | | Réaction de condensation | Réaction chimique où deux molécules se lient pour former une molécule plus grande, avec l'élimination d'une petite molécule comme l'eau (H₂O). La formation de liaisons glycosidiques entre les oses est un exemple clé. | | Liaison glycosidique | Liaison covalente formée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupement hydroxyle (–OH) ou un autre groupement fonctionnel d'une autre molécule (un autre ose, un alcool, une amine). | | Holoside | Glucide formé uniquement par des unités osidiques reliées par des liaisons glycosidiques. Les disaccharides et polysaccharides sont des exemples d'holosides. | | Hétéroside | Composé formé par la condensation d'un ose (la partie osidique) avec une autre molécule non glucidique (appelée aglycone). Les N-hétérosides, comme ceux présents dans l'ADN et l'ARN, impliquent une base azotée. | | Oside | Molécule glucidique complexe dont l'hydrolyse libère des oses, ou un ose lié à une molécule non glucidique (aglycone). | | Oligoside | Holoside formé par la condensation de 2 à 10 molécules d'oses. Le maltose, le saccharose et le lactose sont des exemples courants. | | Polysaccharide (ou Polyoside) | Glucide complexe formé par la condensation de nombreuses molécules d'oses (souvent plusieurs centaines ou milliers). Ils jouent des rôles de réserve énergétique, structuraux ou biologiques spécifiques. | | Liaison osidique | Liaison covalente formée entre le carbone anomérique (C1) d'un ose et un groupement hydroxyle (–OH) d'un autre ose. Elle peut être de type α ou β, et implique des carbones spécifiques (par exemple, 1→4). | | Ose réducteur | Ose dont la fonction hémiacétalique est libre, permettant la réduction de sels métalliques. Un disaccharide est réducteur si l'un de ses oses possède encore une fonction hémiacétalique libre. | | Ose non réducteur | Ose dont la fonction hémiacétalique est engagée dans une liaison osidique, l'empêchant de réduire des sels métalliques. Le saccharose est un exemple typique. | | Homopolyside | Polysaccharide constitué d'un seul type d'ose. L'amidon, le glycogène et la cellulose sont des exemples d'homopolysides. | | Hétéopolyside | Polysaccharide composé de différents types d'oses et/ou d'autres molécules. Ils sont moins courants que les homopolysides et souvent impliqués dans des rôles biologiques spécifiques. | | Aglycone | Partie non glucidique d'un hétéroside, liée à la partie sucrée (ose ou oside). Les aglycones peuvent être de nature diverse (alcool, amine, acide carboxylique, etc.). | | Glycoprotéine | Hétéroside dans lequel la partie glucidique est liée à une protéine. Elles jouent des rôles essentiels dans la reconnaissance cellulaire, les fonctions immunitaires et hormonales. | | Glycolipide | Hétéroside dans lequel la partie glucidique est liée à un lipide. Ils sont des composants importants des membranes cellulaires et participent à la reconnaissance intercellulaire. | | Lipides | Composés organiques principalement formés de carbone, hydrogène et oxygène, caractérisés par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques non polaires. Ils jouent des rôles essentiels comme réserve d'énergie, isolation et protection. | | Hydrophobe | Caractéristique d'une substance qui repousse l'eau, c'est-à-dire qu'elle n'interagit pas ou peu avec les molécules d'eau en raison de sa nature non polaire. | | Acides gras | Molécules constituées d'une longue chaîne carbonée hydrophobe et d'un groupe acide carboxylique (-COOH) polaire et hydrophile. Ils sont les unités de base de nombreux lipides. | | Alcool | Composé organique contenant un ou plusieurs groupes hydroxyles (-OH). Le glycérol est un alcool couramment trouvé dans la structure des lipides. | | Ester | Composé chimique formé par la réaction d'un acide avec un alcool, impliquant la perte d'une molécule d'eau. De nombreux lipides sont des esters d'acides gras et d'alcools. | | Lipides simples | Lipides composés uniquement de carbone, hydrogène et oxygène, résultant généralement de l'union d'acides gras avec un alcool (comme les glycérides, cérides, stérides). | | Lipides complexes | Lipides contenant, en plus du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène, des atomes d'autres éléments comme le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont souvent des constituants des membranes cellulaires. | | Glycérides | Lipides simples formés par la réaction du glycérol avec un ou plusieurs acides gras. Ils incluent les mono-, di-, et triglycérides, qui sont les principales graisses et huiles. | | Cérides | Lipides simples formés par la réaction d'un acide gras avec un alcool à longue chaîne. Ils constituent les cires, protégeant et imperméabilisant diverses surfaces. | | Stérides | Lipides simples formés par l'estérification d'un stérol (comme le cholestérol) avec un acide gras. Ils sont impliqués dans le stockage et le transport du cholestérol. | | Acide gras saturé | Acide gras dont la chaîne carbonée ne contient aucune double liaison entre les atomes de carbone. Sa chaîne est entièrement saturée en hydrogène. | | Acide gras insaturé | Acide gras possédant au moins une double liaison carbone-carbone dans sa chaîne. La présence de ces doubles liaisons réduit la fluidité de la molécule. | | Acide mono-insaturé (AGMI) | Acide gras insaturé qui ne possède qu'une seule double liaison carbone-carbone dans sa chaîne. | | Acide poly-insaturé (AGPI) | Acide gras insaturé qui contient plusieurs doubles liaisons carbone-carbone dans sa chaîne. Ces acides gras sont souvent essentiels à l'alimentation. | | Configuration Cis | Configuration d'une double liaison dans un acide gras insaturé où les atomes d'hydrogène sont du même côté de la double liaison, créant un coude dans la chaîne et rendant la molécule plus liquide. | | Configuration Trans | Configuration d'une double liaison dans un acide gras insaturé où les atomes d'hydrogène sont de part et d'autre de la double liaison, résultant en une chaîne plus linéaire, similaire aux acides gras saturés, et donc plus solide. | | Point de fusion | Température à laquelle un corps passe de l'état solide à l'état liquide. Pour les acides gras, il est influencé par la longueur de la chaîne carbonée et le degré d'insaturation. | | Saponification | Réaction chimique entre un acide gras et une base forte (comme le NaOH ou le KOH) pour former un sel d'acide gras (savon) et de l'eau. | | Triglycéride | Lipide simple composé de glycérol estérifié avec trois molécules d'acides gras. Ils constituent la principale forme de stockage d'énergie chez les organismes. | | Glycérol | Alcool simple à trois groupes hydroxyles (-OH), servant de squelette à de nombreux lipides, notamment les glycérides. | | Stéroïde | Type de lipide complexe caractérisé par une structure de quatre cycles de carbone fusionnés (noyau stérane). Le cholestérol est un stéroïde important. | | Cholestérol | Un stéroïde essentiel présent dans les membranes cellulaires des animaux, précurseur de nombreuses autres molécules stéroïdes comme les hormones et la vitamine D. | | Alcool (en tant que composant des lipides) | Une molécule, souvent le glycérol, qui possède un ou plusieurs groupes hydroxyles (-OH). Il se lie aux acides gras pour former la structure de base de nombreux lipides, tels que les triglycérides. | | Caractère hydrophobe | Propriété fondamentale des lipides, signifiant qu'ils n'interagissent pas bien avec l'eau, car ils sont non polaires. Cette caractéristique les rend insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques non polaires. | | Digestion des triglycérides | Processus par lequel les triglycérides alimentaires sont décomposés en molécules plus petites, principalement un monoglycéride et deux acides gras, grâce à l'action d'enzymes appelées lipases, notamment dans l'intestin grêle. | | Hydrolyse | Réaction chimique durant laquelle une molécule est scindée en deux parties par l'ajout d'une molécule d'eau. Dans le contexte des lipides, l'hydrolyse peut être acide, alcaline (saponification) ou enzymatique, menant à la séparation des acides gras de l'alcool (comme le glycérol). | | Isolement et protection des organes | Rôle des lipides stockés dans le tissu adipeux, qui forment une couche protectrice sous la peau et autour des organes vitaux. Ils assurent une protection mécanique contre les chocs et une isolation thermique pour maintenir la température corporelle. | | Lipases | Enzymes responsables de l'hydrolyse des lipides (triglycérides) en molécules plus simples, telles que les acides gras et les monoglycérides. La lipase pancréatique est cruciale pour la digestion des lipides alimentaires. | | Lipolyse | Processus enzymatique par lequel les triglycérides stockés dans les adipocytes sont dégradés pour libérer de l'énergie. Cette dégradation se fait en plusieurs étapes impliquant des enzymes comme l'ATGL, la HSL et la MGL. | | Molécules de signalisation | Substances dérivées de certains lipides, notamment les acides gras polyinsaturés, qui jouent un rôle crucial dans la communication cellulaire. Elles incluent les prostaglandines, les thromboxanes et les leucotriènes, intervenant dans l'inflammation, la douleur et la coagulation. | | Rôle énergétique des lipides | Fonction primaire des lipides qui constituent la principale réserve d'énergie du corps. 1 gramme de lipides libère environ 9 kcal, soit plus du double de l'énergie fournie par les glucides ou les protéines. | | Stéroïdes | Classe de lipides qui, bien que ne contenant pas toujours d'acides gras, sont regroupés avec eux en raison de leur caractère hydrophobe. Le cholestérol et les hormones stéroïdes en sont des exemples. | | Tissu adipeux | Tissu corporel constitué de cellules (adipocytes) spécialisées dans le stockage des graisses sous forme de triglycérides. Il remplit des fonctions d'isolation thermique, de protection mécanique et sert de réserve d'énergie. | | Triglycérides (TG) | Composés lipidiques formés de la liaison d'un glycérol avec trois acides gras. Ils sont la principale forme de stockage d'énergie dans le corps et constituent la majorité des graisses alimentaires. | | Vitamines liposolubles | Vitamines (A, D, E, K) qui, comme les lipides, sont solubles dans les graisses et les solvants organiques. Les lipides jouent un rôle dans leur transport et leur absorption dans l'organisme. | | Acide aminé | Molécule organique constituant l'unité de base des protéines, caractérisée par un groupe amine (NH₂) et un groupe carboxylique (COOH) liés à un carbone central (carbone alpha), ainsi qu'une chaîne latérale variable (R). | | Acides aminés essentiels | Acides aminés que l'organisme ne peut pas synthétiser et qui doivent donc être apportés par l'alimentation pour permettre la synthèse protéique. | | Acides aminés non essentiels | Acides aminés que l'organisme est capable de synthétiser à partir d'autres composés métaboliques, ne nécessitant pas d'apport alimentaire direct. | | Acides aminés protéinogènes | Les 20 acides aminés standards que notre organisme utilise pour fabriquer les protéines, codés par notre ADN et incorporés lors de la traduction de l'ARNm. | | Amphotère | Qualité d'un composé, comme les acides aminés, capable d'agir à la fois comme un acide (donneur de proton) et comme une base (accepteur de proton), en fonction du pH du milieu. | | Carbone alpha (Cα) | Le carbone central d'un acide aminé, auquel sont directement attachés le groupe amine, le groupe carboxylique, un atome d'hydrogène et la chaîne latérale (R). | | Chirale | Se dit d'une molécule qui possède un centre stéréogène (généralement un carbone asymétrique) et qui existe sous deux formes images miroir non superposables, appelées énantiomères. | | Cycle de l'urée | Voie métabolique hépatique qui transforme l'ammoniac (toxique) en urée (non toxique) pour son excrétion, visant à éliminer l'excès d'azote provenant de la dégradation des acides aminés. | | Dipeptide | Molécule formée par la liaison peptidique de deux acides aminés. | | Groupe amine (–NH₂) | Fonction chimique basique présente dans tous les acides aminés, capable de capter un proton (H⁺), et parfois appelée fonction amine N-terminale. | | Groupe carboxylique (–COOH) | Fonction chimique acide présente dans tous les acides aminés, capable de libérer un proton (H⁺), et parfois appelée fonction carboxylique C-terminale. | | Groupe hydroxyle (–OH) | Groupe fonctionnel caractéristique des alcools, présent dans la chaîne latérale de certains acides aminés (comme la sérine et la thréonine), les rendant plus polaires et hydrophiles. | | Groupe thiol (–SH) | Groupe fonctionnel contenant du soufre, présent dans la chaîne latérale de la cystéine, qui est très réactif et peut former des ponts disulfures (S–S) pour stabiliser la structure des protéines. | | Hydrophile | Propriété d'une molécule qui attire l'eau ; les chaînes latérales hydrophiles des acides aminés interagissent favorablement avec l'eau. | | Liaison peptidique | Liaison covalente forte qui unit le groupe carboxyle d'un acide aminé au groupe amine d'un autre acide aminé lors de la formation d'un peptide ou d'une protéine, avec libération d'une molécule d'eau. | | Métabolisme | Ensemble des transformations chimiques qui se déroulent dans les cellules d'un organisme vivant, incluant la synthèse (anabolisme) et la dégradation (catabolisme) des molécules. | | Peptide | Chaîne d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques, généralement composée de moins de 50 résidus d'acides aminés. | | Polarité | Propriété d'une molécule ou d'un groupement chimique dépendant de la répartition des charges électriques ; une molécule polaire présente des zones de charge positive et négative partielles. | | Pont disulfure (–S–S–) | Liaison covalente formée entre les groupes thiols (–SH) de deux résidus de cystéine, jouant un rôle crucial dans la stabilisation de la structure tridimensionnelle des protéines. | | Pouvoir rotatoire | Capacité d'une substance à faire tourner le plan de la lumière polarisée ; les acides aminés chiraux (sauf la glycine) présentent un pouvoir rotatoire. | | Protéine | Macromolécule biologique complexe composée d'une ou plusieurs chaînes polypeptidiques (longues chaînes d'acides aminés) dont la séquence d'acides aminés détermine sa structure tridimensionnelle et sa fonction. | | Radioprotecteur | Substance qui protège les cellules contre les dommages causés par les radiations ionisantes ; certains acides aminés, comme la cystéine, peuvent avoir des propriétés radioprotectrices grâce à leur groupe thiol. | | Zwitterion | Molécule qui porte simultanément une charge positive et une charge négative, résultant en une charge globale neutre ; c'est la forme prédominante d'un acide aminé en solution aqueuse neutre (pH 7). | | S-Adénosylméthionine (SAM) | Molécule dérivée de la méthionine, agissant comme donneur de groupe méthyle (–CH₃) dans de nombreuses réactions chimiques de la cellule, notamment la méthylation de l'ADN. Elle est formée à partir de méthionine et d'ATP. | | Méthylation | Réaction chimique consistant en l'ajout d'un groupe méthyle (–CH₃) sur une molécule. Dans le cas de l'ADN, elle peut se produire sur la cytosine et affecter l'expression des gènes en bloquant la fixation de l'ARN polymérase. | | Promoteur | Région d'un gène où se fixe l'ARN polymérase pour initier la transcription. La méthylation de cette région peut entraîner la répression de l'expression génique. | | Transamination | Réaction chimique où un groupe amine (–NH₂) est transféré d'un acide aminé à un acide cétonique, permettant la synthèse ou la dégradation d'acides aminés. Ces réactions sont catalysées par des enzymes appelées aminotransférases. | | Amidation | Réaction chimique qui consiste à remplacer un groupe hydroxyle (–OH) par un groupe amine (–NH₂) pour former un amide. C'est la base de la formation des liaisons peptidiques dans les protéines. | | Hydroxylation | Ajout d'un groupe hydroxyle (–OH) à une molécule, souvent après la synthèse d'une protéine (modification post-traductionnelle). Par exemple, la lysine peut être hydroxylée en 5-hydroxylysine, essentielle à la structure du collagène. | | Tampon biologique | Molécule qui aide à réguler les variations de pH dans un système. Le groupement imidazole de l'histidine, avec un pKa proche du pH physiologique, agit comme un tampon dans les protéines. | | Guanidyle (ou Guanidinium) | Groupement fonctionnel présent dans la chaîne latérale de l'arginine, qui est basique et peut porter une charge positive, même à pH élevé. | | Catécholamines | Molécules dérivées d'acides aminés aromatiques (phénylalanine et tyrosine) possédant un cycle benzénique avec deux groupes hydroxyles voisins et un groupe amine. Elles agissent comme hormones et neurotransmetteurs (ex: dopamine, adrénaline). | | Tyramine | Analogue des catécholamines, dérivé de la tyrosine par décarboxylation. Elle agit comme un sympathomimétique indirect, provoquant notamment la vasoconstriction et l'augmentation de la pression artérielle. | | Tryptamine | Analogue des catécholamines, dérivé du tryptophane par décarboxylation. C'est un vasoconstricteur puissant qui mime les effets des catécholamines. | | Sérotonine (ou 5-hydroxytryptamine) | Neurotransmetteur et hormone dérivé du tryptophane par hydroxylation puis décarboxylation. Elle régule le sommeil, l'humeur, l'appétit et joue un rôle dans la coagulation et l'inflammation. | | Créatine | Petite molécule azotée, dérivée de la glycine, de l'arginine et de la méthionine. Elle sert de réservoir d'énergie rapide dans les cellules musculaires sous forme de phosphocréatine, permettant de reconstituer l'ATP. | | Phosphocréatine | Forme phosphorylée de la créatine. Elle donne un groupe phosphate à l'ADP pour reformer de l'ATP rapidement lors d'efforts musculaires intenses. | | Créatinine | Déchet métabolique résultant de la dégradation de la créatine. Elle est éliminée par les reins et son taux sanguin est un marqueur de la fonction rénale. | | Base de Schiff | Molécule formée par la réaction entre un groupement amine et un aldéhyde. Les Bases de Schiff sont souvent des intermédiaires enzymatiques, comme celle formée entre le phosphate de pyridoxal et le carbone alpha d'un acide aminé. | | Ninhydrine | Réactif chimique utilisé pour détecter et quantifier les acides aminés. Elle oxyde complètement les acides aminés, produisant une couleur violette intense (pourpre de Ruhemann), sauf pour la proline et l'hydroxyproline qui donnent une couleur bleue. | | Rapport frontal (Rf) | Mesure utilisée en chromatographie, calculée comme la distance parcourue par une tache par rapport à la distance parcourue par le front du solvant. Il est caractéristique de chaque acide aminé et permet son identification. | | Chromatographie Ionique | Méthode de séparation basée sur les différences de charge des acides aminés à un pH donné. Elle utilise des résines chargées pour retenir sélectivement les acides aminés acides ou basiques. | | Point isoélectrique (pHi) | pH auquel un acide aminé porte une charge globale neutre. À ce pH, la molécule est moins soluble et se comporte différemment lors des séparations chromatographiques. | | Méthodes photométriques | Techniques quantitatives d'analyse basées sur la mesure de l'absorption de la lumière par une substance. Pour les acides aminés, cette méthode s'applique aux acides aminés aromatiques (Trp, Tyr, Phe) qui absorbent dans l'UV. | | Méthodes colorimétriques | Techniques quantitatives d'analyse basées sur la formation de composés colorés. L'intensité de la couleur, mesurée par un spectrophotomètre, est proportionnelle à la concentration de l'analyte, comme dans la réaction avec la ninhydrine. | | Acide aminé (AA) | Unité de base des protéines, composé d'un groupement amine (–NH₂), d'un groupement acide carboxylique (–COOH), d'un carbone alpha (α) lié à un hydrogène, et d'un radical R variable. | | Aminopeptidase | Type d'exopeptidase qui hydrolyse les liaisons peptidiques à partir de l'extrémité N-terminale d'un peptide, libérant séquentiellement les acides aminés. | | Anticorps | Protéines globulaires (γ-globulines) produites par les lymphocytes B, intervenant dans la défense immunitaire spécifique pour neutraliser les agents étrangers. | | Carboxypeptidase | Type d'exopeptidase qui hydrolyse les liaisons peptidiques à partir de l'extrémité C-terminale d'un peptide ou d'une protéine, libérant l'acide aminé final. | | Chiralité | Propriété de certains acides aminés (à l'exception de la glycine) où le carbone alpha est asymétrique, portant quatre substituants différents, ce qui leur confère une activité optique. | | Chromoprotéines | Hétéroprotéines dont le groupement prosthétique est un pigment coloré, comme l'hémoglobine qui contient un groupement hème. | | Cristallisation des protéines | Processus permettant d'obtenir des cristaux de protéines à partir de solutions, en ajustant des paramètres tels que le pH, la concentration saline et l'ajout de solvants organiques. | | Doublure d'Edman | Ensemble des réactions chimiques utilisées dans la méthode d'Edman pour dériver séquentiellement et identifier les acides aminés d'un peptide à partir de l'extrémité N-terminale. | | Électrophorèse | Technique de séparation basée sur la migration des molécules chargées (comme les protéines) dans un champ électrique, en fonction de leur charge et de leur taille. | | Endopeptidases | Enzymes qui coupent les liaisons peptidiques à l'intérieur de la chaîne polypeptidique, reconnaissant des séquences spécifiques d'acides aminés. | | Étape de la méthode de Sanger | Désigne les trois phases principales de la méthode de Sanger : marquage du N-terminal avec le DNFB, hydrolyse acide du peptide, et séparation des acides aminés marqués et non marqués. | | Exopeptidase | Enzyme qui hydrolyse une liaison peptidique à une extrémité d'un peptide, agissant soit sur l'extrémité N-terminale (aminopeptidase), soit sur l'extrémité C-terminale (carboxypeptidase). | | Fragmentation | Processus de découpage d'une chaîne polypeptidique en fragments plus petits, réalisé par des endopeptidases ou des réactifs chimiques (comme le BrCN), afin de faciliter la détermination de la séquence. | | Gène | Unité d'hérédité codant pour un acide aminé spécifique par un triplet de nucléotides (codon), déterminant ainsi la séquence primaire d'une protéine. | | Glycoprotéines | Hétéroprotéines dont le groupement prosthétique est un sucre, impliquées dans la reconnaissance cellulaire, la protection des épithéliums et la défense immunitaire. | | Hélice α | Structure secondaire des protéines, où la chaîne polypeptidique s'enroule en spirale, stabilisée par des liaisons hydrogène entre les groupements amide et carbonyle du squelette peptidique. | | Hémoglobine | Protéine de transport de l'oxygène dans le sang, composée de quatre chaînes polypeptidiques (deux alpha et deux bêta) et d'un groupement hème contenant du fer. | | Hétéropolymère | Protéine dont la structure quaternaire est formée par l'association de sous-unités polypeptidiques différentes. | | Holoprotéines | Protéines exclusivement composées d'acides aminés, sans groupement prosthétique. | | Homopolymère | Protéine dont la structure quaternaire est formée par l'association de sous-unités polypeptidiques identiques. | | Hydrazide | Dérivé formé par réaction avec l'hydrazine, utilisé dans la méthode chimique pour transformer les acides aminés en hydrazides, sauf le C-terminal. | | Hydrolyse alcaline | Hydrolyse réalisée en milieu basique (NaOH), utilisée pour casser les liaisons peptidiques tout en préservant le tryptophane, qui est sensible aux acides forts. | | Hydrolyse acide | Hydrolyse réalisée en milieu acide fort (HCl) à haute température, qui rompt les liaisons peptidiques mais peut dégrader certains acides aminés comme le tryptophane. | | Interactions hydrophobes | Forces faibles qui poussent les chaînes latérales non polaires des acides aminés à se regrouper à l'intérieur de la protéine, à l'écart du solvant aqueux. | | Liaison amide | Synonyme de liaison peptidique, formée par la réaction entre le groupement carboxyle d'un acide aminé et le groupement amine d'un autre. | | Lipoprotéines | Hétéroprotéines formées de lipides et de protéines, responsables du transport des lipides insolubles dans le plasma sanguin. | | Macromolécule | Très grande molécule, comme les protéines, constituée de nombreuses unités répétitives (monomères). | | Masse moléculaire (MM) | Poids moléculaire d'une protéine, généralement supérieur à 6000 Daltons, déterminé par diverses méthodes comme la chromatographie par gel-filtration. | | Méthode de Gray | Méthode alternative à celle de Sanger pour identifier l'acide aminé N-terminal, utilisant le chlorure de dansyl qui rend le dérivé fluorescent sous UV. | | Méthode de Sanger | Première méthode historique pour déterminer la séquence d'un peptide, impliquant le marquage du N-terminal avec le DNFB, suivi d'une hydrolyse acide et d'une séparation chromatographique. | | Modification post-traductionnelle | Modification chimique d'un acide aminé après sa synthèse sur le ribosome, comme l'hydroxylation de la proline et de la lysine dans le collagène. | | Mucines | Glycoprotéines présentes dans les sécrétions muqueuses, assurant la protection des épithéliums. | | Nucléoprotéines | Hétéroprotéines formées par une protéine liée à un acide nucléique (ADN ou ARN), comme la télomérase. | | Ondes de Van der Waals | Interactions faibles entre atomes voisins, contribuant à la stabilisation des structures protéiques. | | Oligopeptide | Peptide composé de moins de 10 acides aminés. | | Oxydation | Réaction chimique impliquant la perte d'électrons, utilisée notamment pour transformer les ponts disulfure (–S–S–) en groupes acides (–SO₃H) avant une hydrolyse. | | Peptide hormonal | Peptide agissant comme hormone, régulant diverses fonctions physiologiques (ex: insuline, oxytocine, vasopressine). | | Peptide antibiotique | Peptide naturel produit par des microorganismes, possédant une activité antibactérienne (ex: Bacitracine). | | Phosphoprotéines | Hétéroprotéines comportant un groupement phosphate lié par une liaison ester à un résidu sérine ou thréonine. | | Pression oncotique | Pression osmotique exercée par les protéines plasmatiques, principalement l'albumine, qui maintient l'eau dans les vaisseaux sanguins et prévient la formation d'œdèmes. | | Pont disulfure | Liaison covalente forte (–S–S–) formée entre les atomes de soufre de deux résidus cystéine, contribuant à la stabilisation de la structure tertiaire des protéines. | | Polypeptide | Chaîne d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques, généralement plus longue qu'un peptide (> 50 acides aminés). | | Pré-traitement | Étapes préliminaires nécessaires avant l'analyse d'un peptide, comme la rupture des ponts disulfure ou la protection de certains acides aminés. | | Protéines fibreuses (Scléroprotéines) | Protéines structurales insolubles dans l'eau, souvent de forme allongée, comme le collagène et la kératine. | | Protéines globulaires | Protéines de forme sphéroïde, solubles dans l'eau, dont les chaînes latérales hydrophobes sont orientées vers l'intérieur. Elles incluent enzymes, hormones et anticorps. | | Réaction à la ninhydrine | Réaction chimique utilisant la ninhydrine qui réagit avec les groupements amines libres des acides aminés pour former un composé coloré, permettant leur visualisation et leur dosage. | | Réduction | Réaction chimique impliquant un gain d'électrons, utilisée pour rompre les ponts disulfure en les transformant en groupes thiols (–SH). | | Séquence | Ordre spécifique des acides aminés le long de la chaîne polypeptidique d'une protéine, déterminé génétiquement. | | Structure covalente | Terme souvent utilisé pour désigner la structure primaire, décrivant la séquence des acides aminés et la présence de ponts disulfure. | | Structure primaire | Séquence linéaire des acides aminés dans une protéine, déterminée par les gènes. | | Structure quaternaire | Association de deux ou plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine active, comme dans l'hémoglobine. | | Structure secondaire | Repliement local de la chaîne polypeptidique, principalement sous forme d'hélice α ou de feuillet β, stabilisé par des liaisons hydrogène. | | Structure tertiaire | Conformation tridimensionnelle complète d'une protéine, résultant des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés et stabilisée par diverses liaisons. | | Télomérase | Nucléoprotéine qui assure l'élongation des télomères, les extrémités des chromosomes. | | Thermolysine | Endopeptidase qui coupe avant les acides aminés hydrophobes (Leu, Ile, Val, Phe), offrant une fragmentation spécifique. | | Trypsine | Endopeptidase qui coupe spécifiquement après les acides aminés basiques (Arginine et Lysine), sauf si la proline suit. | | Tryptophane | Acide aminé aromatique dont le noyau indolique est sensible aux acides forts, ce qui peut entraîner sa dégradation lors de l'hydrolyse acide. | | UV (ultraviolet) | Spectre de lumière dont l'absorption par les protéines à 280 nm est due à la présence de résidus aromatiques, utilisé pour le dosage et la détection de certaines molécules. | | VLDL (Very Low Density Lipoprotein) | Classe de lipoprotéines de très basse densité, impliquées dans le transport des triglycérides. |

# Structure et propriétés des oses Cette section examine la filiation des aldoses, le calcul du nombre d'isomères, la transformation des oses en formes cycliques, leur représentation par la projection de Haworth, ainsi que leurs propriétés physico-chimiques [1](#page=1) [2](#page=2) [3](#page=3) [4](#page=4). ### 1.1 Filiation des aldoses La filiation des aldoses décrit les réactions chimiques permettant de relier les oses entre eux en fonction de leur nombre d'atomes de carbone, établissant ainsi une relation généalogique entre les différentes familles d'oses (trioses, tétroses, pentoses, hexoses, etc.). Il est possible d'allonger une chaîne carbonée (passer d'un aldose à $n$ carbones à un aldose à $n+1$ carbones) ou de la raccourcir [1](#page=1). La synthèse de Kiliani-Fischer est une méthode clé pour allonger la chaîne carbonée d'un aldose. Elle implique les étapes suivantes [1](#page=1): 1. Addition d'acide cyanhydrique (HCN) sur le groupe aldéhyde (CHO) du carbone 1. Ce carbone devient alors asymétrique, portant quatre groupes différents: -OH, -CN, -H et la suite de la chaîne carbonée [1](#page=1). 2. Hydrolyse du groupe cyano (-CN) en groupe acide carboxylique (-COOH) par ajout d'eau et d'acide, formant un acide aldonic [1](#page=1). 3. Réduction du groupe acide carboxylique (-COOH) en groupe aldéhyde (-CHO) par déshydratation, transformant le sucre en un nouvel aldose avec un carbone supplémentaire [1](#page=1). Cette réaction conduit à la formation de deux sucres différents (épimères) car le groupe cyano peut s'ajouter de deux manières stéréochimiquement distinctes au carbone 1. Le même mécanisme s'applique aux cétoses [1](#page=1). ### 1.2 Nombre d'isomères des oses Le nombre d'isomères d'un aldose est donné par la formule $2^{n-2}$, où $n$ est le nombre total d'atomes de carbone. Pour le glucose (un aldose à 6 carbones), il y a $2^{6-2} = 2^4 = 16$ isomères (8 formes D et 8 formes L) [2](#page=2). Pour un cétose, le nombre d'isomères est donné par la formule $2^{n-3}$, où $n$ est le nombre total d'atomes de carbone. Par exemple, le fructose (un cétose à 6 carbones) compte $2^{6-3} = 2^3 = 8$ isomères (4 formes D et 4 formes L) [2](#page=2). ### 1.3 Structure cyclique des oses En solution aqueuse ou dans les milieux biologiques, les oses comportant plus de quatre atomes de carbone existent principalement sous forme cyclique, plutôt que sous leur forme linéaire. La cyclisation se produit par la fixation d'un groupe hydroxyle (-OH) sur la fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) de la même molécule, formant un hémiacétal (pour les aldoses) ou un hémicétal (pour les cétoses) [2](#page=2). * **Mécanisme de cyclisation:** Le groupe -OH d'un carbone (souvent C5 ou C4) attaque le carbone du carbonyle (C1 pour un aldose). Le carbone du carbonyle, initialement lié par une double liaison (C=O), devient un carbone $sp^3$ après l'attaque, formant un cycle. Ce nouveau carbone est appelé carbone hémiacétalique ou centre anomérique. La cyclisation selon Tollens conduit à la fermeture du cycle [2](#page=2). * **Types de cycles :** * Si le groupe -OH du carbone 5 attaque le carbonyle, un cycle à 6 atomes (5 carbones + 1 oxygène) est formé, appelé **pyranose** (ex: D-glucopyranose) [2](#page=2). * Si le groupe -OH du carbone 4 attaque le carbonyle, un cycle à 5 atomes (4 carbones + 1 oxygène) est formé, appelé **furanose** (ex: D-fructofuranose) [2](#page=2). ### 1.4 Projection de Haworth La projection de Haworth est une représentation simplifiée en 3D des cycles des sucres [3](#page=3). * **Représentation:** Le cycle est dessiné comme un anneau quasi plat. L'oxygène du cycle est généralement placé en haut à droite (ou parfois en haut à gauche). Les carbones sont numérotés dans le sens des aiguilles d'une montre, en commençant par le carbone anomérique (C1) [3](#page=3). * **Règles de conversion (Fischer vers Haworth) :** * Les groupes -OH qui sont à droite dans la projection de Fischer sont positionnés **en bas** du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). * Les groupes -OH qui sont à gauche dans la projection de Fischer sont positionnés **en haut** du cycle dans la projection de Haworth [3](#page=3). * **Carbone anomérique :** Le carbone anomérique (C1 dans les aldoses) peut exister sous deux formes : * **Forme $\alpha$ (alpha):** Le groupe -OH du carbone anomérique est en bas du cycle [3](#page=3). * **Forme $\beta$ (bêta):** Le groupe -OH du carbone anomérique est en haut du cycle [3](#page=3). ### 1.5 Conformation spatiale des oses En solution, les oses adoptent des conformations spatiales, notamment les formes "bateau" et "chaise". La forme chaise est la plus stable, et les oses naturels se présentent majoritairement sous cette conformation [3](#page=3). ### 1.6 Propriétés physico-chimiques des oses #### 1.6.1 Propriétés physiques * Les oses sont très solubles dans l'eau en raison de la présence de nombreux groupements hydroxyles (-OH) [4](#page=4). * En solution, les oses présentent un pouvoir rotatoire spécifique, utile pour leur identification et leur dosage [4](#page=4). * La structure des oses est thermodégradable, et le chauffage peut entraîner une caramélisation [4](#page=4). #### 1.6.2 Propriétés chimiques Les propriétés chimiques des oses découlent principalement de leurs groupements fonctionnels : 1. **Propriétés dues à la fonction carbonyle ou au groupement hémiacétalique:** Ces fonctions sont responsables de la réactivité des oses, notamment leur capacité à s'oxyder, se réduire et à former des condensations [4](#page=4). 2. **Propriétés dues aux fonctions alcools:** Les multiples groupements -OH confèrent aux oses leur caractère hydrophile et participent à diverses réactions de substitution ou d'estérification [4](#page=4). 3. **Réactions dues à la fonction carbonyle (groupement réducteur) :** * **Oxydation :** * **Oxydation enzymatique:** L'oxydation enzymatique, comme celle du glucose par la glucose oxydase (GOD), est une réaction biochimique importante, utilisée par exemple dans les tests de glycémie. L'enzyme utilise le dioxygène ($O_2$) pour oxyder le glucose en acide gluconique, produisant du peroxyde d'hydrogène ($H_2O_2$) [4](#page=4). $$ \text{Glucose} + O_2 \xrightarrow{\text{glucose oxydase}} \text{Acide gluconique} + H_2O_2 $$ Dans cette réaction, le groupe aldéhyde du glucose est oxydé en acide carboxylique, et l'oxygène est réduit en peroxyde d'hydrogène [4](#page=4). * **Oxydation chimique:** L'oxydation chimique douce d'un aldose transforme le groupe aldéhyde (-CHO) en groupe acide carboxylique (-COOH), sans altérer les autres fonctions hydroxyles [4](#page=4). $$ \text{Aldose} \xrightarrow{\text{oxydant doux}} \text{Acide aldonique} $$ Par exemple, le D-glucose est oxydé en acide D-gluconique [4](#page=4). * **Réduction:** Les aldoses et cétoses peuvent être réduits en alcools correspondants (polyols ou alditiols) par des agents réducteurs [4](#page=4). * **Condensation:** Les oses peuvent réagir avec des amines pour former des bases de Schiff ou des osazones, réactions utiles pour l'identification et la caractérisation des sucres [4](#page=4). --- # Réactions chimiques des oses Les oses présentent des propriétés chimiques variées, principalement attribuées à leurs fonctions carbonyle (aldéhyde ou cétone) et hydroxyle, permettant des réactions d'oxydation, de réduction et de condensation [4](#page=4). ### 2.1 Réactions dues à la fonction carbonyle Ces réactions impliquent soit l'oxydation, soit la réduction du groupement aldéhyde ou cétone, soit des réactions de condensation. #### 2.1.1 Oxydation des oses L'oxydation des oses peut être réalisée de manière enzymatique ou chimique, selon la force de l'agent oxydant. ##### 2.1.1.1 Oxydation enzymatique L'oxydation enzymatique, comme celle catalysée par la glucose oxydase (GOD), utilise l'oxygène moléculaire pour oxyder spécifiquement le D-glucose en acide gluconique, produisant du peroxyde d'hydrogène comme sous-produit [4](#page=4). $$ \text{Glucose} + \text{O}_2 \xrightarrow{[\text{glucose oxydase}]} \text{Acide gluconique} + \text{H}_2\text{O}_2 $$ [4](#page=4). ##### 2.1.1.2 Oxydation chimique douce L'oxydation chimique douce d'un aldose transforme le groupement aldéhyde (–CHO) en fonction acide carboxylique (–COOH) au niveau du carbone 1 (C1), sans altérer les autres fonctions hydroxyle. Le produit est un acide aldonique [4](#page=4). * **Réaction générale :** Aldose $\rightarrow$ Acide aldonique * **Exemple:** Le D-glucose est oxydé en acide D-gluconique [4](#page=4). > **Tip:** Cette réaction est spécifique au groupement aldéhyde. Des réactifs comme le brome en milieu aqueux ($\text{Br}_2/\text{H}_2\text{O}$) sont couramment utilisés pour cette oxydation douce [5](#page=5). ##### 2.1.1.3 Oxydation chimique forte L'oxydation forte, généralement réalisée avec des agents oxydants puissants comme l'acide nitrique ($\text{HNO}_3$) concentré et chauffé, oxyde à la fois le groupement aldéhyde (C1) en acide carboxylique et le groupement alcool primaire (C6) en acide carboxylique. Le produit obtenu est un acide aldarique [5](#page=5). * **Réaction générale (aldose) :** $$ \text{HOCH}_2\text{–(CHOH)}_n\text{–CHO} \xrightarrow{\text{HNO}_3, \text{chaleur}} \text{HOOC–(CHOH)}_n\text{–COOH} $$ [5](#page=5). * **Exemple:** Le D-glucose oxydé par $\text{HNO}_3$ donne l'acide D-glucarique (ou acide saccharique) [5](#page=5). > **Tip:** L'oxydation forte est une méthode utile pour différencier les aldoses des autres sucres et pour leur identification chimique. Chez les cétoses, comme le D-fructose, l'oxydation forte par $\text{HNO}_3$ entraîne une coupure de la chaîne carbonée au niveau de la fonction cétone, conduisant à la formation de plusieurs acides plus courts (ex: acide glycolique, acide tartarique) [6](#page=6). ##### 2.1.1.4 Oxydation par les sels de métaux lourds (réduction douce) Les solutions de Fehling et de Tollens utilisent des ions métalliques (comme $\text{Cu}^{2+}$ et $\text{Ag}^{+}$) capables d'oxyder les aldoses en milieu basique et chaud. L'ose est oxydé, tandis que l'ion métallique est réduit. Les aldoses, possédant une fonction aldéhyde ou une forme linéaire qui peut se régénérer, sont considérés comme des agents réducteurs. Les cétoses, comme le fructose, ne possèdent pas de fonction aldéhyde. Cependant, en milieu basique, ils peuvent s'isomériser en aldoses et donc également réagir comme agents réducteurs [6](#page=6). * **Principe général :** Ose (réducteur) + Sel métallique (oxydant) $\rightarrow$ Acide aldonique + Métal réduit #### 2.1.2 Réduction des oses La réduction des oses transforme la fonction carbonyle (aldéhyde ou cétone) en une fonction alcool, produisant des polyols (ou alditols). Les agents réducteurs couramment utilisés sont les hydrures métalliques comme le borohydrure de sodium ($\text{NaBH}_4$) [7](#page=7). * **Réduction d'un aldose:** Le groupement aldéhyde (–CHO) est réduit en alcool primaire (–$\text{CH}_2\text{OH}$) [7](#page=7). $$ \text{R–CHO} \xrightarrow{\text{NaBH}_4} \text{R–CH}_2\text{OH} $$ [7](#page=7). * **Réduction d'un cétose:** Le groupement cétone (–CO–) est réduit en alcool secondaire (–CHOH–) [7](#page=7). $$ \text{R}_1\text{–CO–R}_2 \xrightarrow{\text{NaBH}_4} \text{R}_1\text{–CHOH–R}_2 $$ [7](#page=7). #### 2.1.3 Condensation des oses Les réactions de condensation impliquent la formation d'une liaison covalente entre une fonction hydroxyle (–OH) d'un ose et un autre groupement fonctionnel, avec élimination d'une molécule d'eau [8](#page=8). ##### 2.1.3.1 Formation de liaisons glycosidiques (Holosides) Lorsqu'un ose condense avec un autre ose, une liaison O-glycosidique se forme entre le carbone anomérique d'un ose et un groupement hydroxyle d'un autre, créant ainsi des disaccharides, oligosaccharides ou polysaccharides [8](#page=8). * **Exemple:** La condensation de deux molécules de glucose forme du maltose via une liaison $\alpha$-1,4-glycosidique [8](#page=8). $$ \text{Glucose} + \text{Glucose} \rightarrow \text{Maltose} + \text{H}_2\text{O} $$ [8](#page=8). ##### 2.1.3.2 Formation d'hétérosides Si le partenaire de condensation n'est pas un sucre, on obtient des hétérosides. * **O-hétérosides:** Formation d'une liaison O-glycosidique avec un alcool (R–OH) ou un phénol [8](#page=8). $$ \text{Sucre} + \text{R–OH} \rightarrow \text{O-hétéroside} + \text{H}_2\text{O} $$ [8](#page=8). * **N-hétérosides:** Condensation avec une fonction amine (–$\text{NH}_2$) pour former une liaison N-glycosidique. Ces composés sont cruciaux en biochimie, notamment dans l'ADN et l'ARN (sucre + base azotée) [8](#page=8). $$ \text{Sucre} + \text{Base azotée–NH}_2 \rightarrow \text{N-glycoside} + \text{H}_2\text{O} $$ [8](#page=8). ### 2.2 Réactions dues aux fonctions alcools Les fonctions alcools présentes sur les oses peuvent subir des réactions telles que l'estérification et la déshydratation. #### 2.2.1 Estérification des oses L'estérification des oses consiste à faire réagir une fonction hydroxyle (–OH) de l'ose avec un acide (par exemple, acide phosphorique, acide sulfurique, acides carboxyliques) pour former un ester, avec élimination d'eau. Cette réaction est fondamentale dans le métabolisme énergétique [9](#page=9). * **Réaction générale :** $$ \text{R–OH} + \text{H–X} \rightarrow \text{R–O–X} + \text{H}_2\text{O} $$ [9](#page=9). * **Exemple:** La formation du glucose 6-phosphate, première étape de la glycolyse, par estérification du –OH en C6 du glucose avec l'acide phosphorique [9](#page=9). $$ \text{Glucose} + \text{H}_3\text{PO}_4 \rightarrow \text{Glucose 6-phosphate} + \text{H}_2\text{O} $$ [9](#page=9). #### 2.2.2 Déshydratation des oses en milieu acide En milieu acide fort et sous l'action de la chaleur, les oses subissent une déshydratation, c'est-à-dire une perte de molécules d'eau. Cette réaction conduit à la cyclisation et à la formation de produits aromatiques comme le furfural (à partir de pentoses) ou l'hydroxyméthylfurfural (HMF) (à partir d'hexoses) [10](#page=10). * **Exemple (Pentose):** Le ribose (C5) déshydraté donne du furfural [10](#page=10). $$ \text{Ribose} \xrightarrow{\text{H}^+, \text{chaleur}} \text{Furfural} + 3\text{H}_2\text{O} $$ [10](#page=10). * **Exemple (Hexose):** Le glucose (C6) déshydraté donne de l'hydroxyméthylfurfural (HMF) [10](#page=10). $$ \text{Glucose} \xrightarrow{\text{H}^+, \text{chaleur}} \text{Hydroxyméthylfurfural} + 3\text{H}_2\text{O} $$ [10](#page=10). --- # Structure et classification des lipides Cette section explore la définition, les propriétés, la classification et les rôles des lipides, en se concentrant sur les acides gras, les glycérides, les cérides, les stérides et les lipides complexes [17](#page=17). ### 3.1 Définition et propriétés générales des lipides Les lipides sont des composés organiques principalement constitués de carbone (C), d'hydrogène (H) et d'oxygène (O). Leur caractéristique essentielle est leur insolubilité dans l'eau, mais leur solubilité dans les solvants organiques non polaires tels que le chloroforme, l'éther ou le benzène. Cette propriété découle de leur caractère hydrophobe, signifiant qu'ils n'interagissent pas significativement avec les molécules d'eau, qui sont polaires. La majorité des lipides sont formés de deux parties: des acides gras (longues chaînes carbonées terminées par un groupe acide -COOH) et un alcool, souvent le glycérol. La liaison entre un acide gras et un alcool forme un ester, base chimique de nombreux lipides [17](#page=17). Certains composés non constitués d'acides gras sont néanmoins classés parmi les lipides en raison de leur caractère hydrophobe, comme les stéroïdes (cholestérol, hormones stéroïdes) et les vitamines liposolubles (A, D, E, K) [17](#page=17). Les rôles principaux des lipides incluent l'isolement et la protection des organes, par le biais du tissu adipeux qui agit comme une barrière isolante thermique et un amortisseur mécanique pour les organes vitaux [17](#page=17). ### 3.2 Classification des lipides Les lipides sont classés en deux grandes catégories: les lipides simples et les lipides complexes [19](#page=19). #### 3.2.1 Lipides simples (ou homolipides) Ces lipides sont formés uniquement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, résultant généralement de l'union d'acides gras et d'un alcool. Ils sont des esters d'acides gras [19](#page=19) [29](#page=29). ##### 3.2.1.1 Glycérides L'alcool est le glycérol, un triol. Ils peuvent être mono-, di- ou triacylglycérols selon le nombre d'acides gras liés. Ils constituent les graisses et huiles, et leur rôle principal est la réserve d'énergie [19](#page=19) [31](#page=31). * **Monoglycérides et Diglycérides**: Intermédiaires digestifs et métaboliques, ils sont amphipathiques [30](#page=30). * **Triglycérides**: Formés de glycérol lié à trois acides gras, ils sont très hydrophobes et servent de réserve d'énergie principale, d'isolation thermique et de protection mécanique. En cas de besoin énergétique, ils sont hydrolysés en acides gras et glycérol. Ils sont stockés dans les adipocytes [30](#page=30) [31](#page=31). ##### 3.2.1.2 Cérides L'alcool est un alcool à longue chaîne (souvent 16 à 30 carbones). Ils forment les cires, comme celles présentes sur la peau, les feuilles ou les plumes. Leur rôle principal est la protection et l'imperméabilisation. Les cérides sont des esters d'acides gras et d'alcools gras, solides à température ambiante et très insolubles dans l'eau en raison de leurs longues chaînes carbonées non polaires [19](#page=19) [37](#page=37). ##### 3.2.1.3 Stérides L'alcool est un stérol, le plus souvent le cholestérol. Ces composés forment des esters de cholestérol. Leur rôle est la réserve et le transport du cholestérol dans l'organisme. Ils sont formés par la réaction entre un stérol (comme le cholestérol) et un acide gras [19](#page=19) [32](#page=32). #### 3.2.2 Lipides complexes Ces lipides contiennent, en plus de C, H et O, des éléments comme le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont souvent des constituants des membranes cellulaires [19](#page=19) [38](#page=38). ##### 3.2.2.1 Glycérophospholipides Ils contiennent un glycérol, deux acides gras, un groupe phosphate, qui peut être lié à un composé azoté. Leur rôle principal est la structure des membranes cellulaires. Leur structure de base est l'acide phosphatidique, formé de glycérol, deux acides gras et un groupe phosphate. Fixé sur le phosphate, un alcool (choline, éthanolamine, sérine, inositol, glycérol) forme un glycérophospholipide. Ils sont amphiphiles, avec une tête polaire hydrophile et deux queues apolaires hydrophobes, ce qui leur permet de former la bicouche lipidique des membranes cellulaires [19](#page=19) [38](#page=38) [40](#page=40) [43](#page=43) [44](#page=44). ##### 3.2.2.2 Sphingolipides Ils sont constitués d'une base appelée sphingosine, d'un acide gras, et parfois d'un groupement phosphate. Ils sont présents surtout dans le système nerveux, notamment dans la gaine de myéline. Contrairement aux glycérophospholipides, ils ne contiennent pas de glycérol, leur squelette étant la sphingosine, un amino-dialcool à 18 carbones avec une double liaison trans. La fonction amine de la sphingosine se lie à un acide gras via une liaison amide, formant un céramide [19](#page=19) [44](#page=44) [45](#page=45). * **Sphingophospholipides (ou sphingomyélines)**: Liés par une liaison ester phosphorique au groupe -OH du C1 de la sphingosine, auquel est fixé un phosphate et un alcool (ex: choline). Ils sont présents dans les membranes plasmiques, particulièrement abondants dans les gaines de myéline [46](#page=46). * **Sphingoglycolipides**: Le céramide est lié à un ou plusieurs sucres au niveau du carbone 1, sans phosphate. Ils comprennent les cérébrosides (un ose) et les gangliosides (plusieurs oses, dont un acide sialique). Ils jouent un rôle dans la reconnaissance cellulaire et sont abondants dans les neurones [47](#page=47). ##### 3.2.2.3 Glycolipides Formés d'un lipide et d'un glucide (sucre). Situés à la surface des membranes cellulaires, leur rôle principal est la reconnaissance et la communication entre les cellules [19](#page=19). #### 3.2.3 Caractère physico-chimique Les lipides peuvent être hydrophobes (totalement insolubles dans l'eau) ou amphiphiles (ayant une partie hydrophile et une partie hydrophobe) [19](#page=19). ### 3.3 Acides gras Les acides gras sont des acides monocarboxyliques constitués d'une fonction acide carboxylique (-COOH) polaire et hydrophile, et d'un radical R qui est une longue chaîne hydrocarbonée apolaire et hydrophobe. Cette double nature (amphiphile) leur permet de former des micelles ou des membranes. Ils sont généralement linéaires, possèdent un nombre pair de carbones (entre 14 et 24 dans la nature), et peuvent être saturés (sans double liaison) ou insaturés (une ou plusieurs doubles liaisons). Dans l'eau, le groupe carboxyle peut s'ioniser en carboxylate (-COO⁻), augmentant leur caractère hydrophile [20](#page=20). #### 3.3.1 Acides gras saturés Leur chaîne carbonée est entièrement saturée en hydrogène, sans double liaison. Leur formule générale est $C_nH_{2n+2}$. Des exemples représentatifs incluent l'acide palmitique (C16:0) et l'acide stéarique (C18:0). La numérotation commence à partir du carbone du groupement carboxyle [21](#page=21). #### 3.3.2 Acides gras insaturés Ils possèdent au moins une double liaison entre les carbones de leur chaîne. Leur formule générale est $C_nH_{2n-2x}$ où x est le nombre de doubles liaisons. La première double liaison se situe généralement entre C9 et C10 [22](#page=22). * **Acides gras mono-insaturés (AGMI)**: Possèdent une seule double liaison, souvent en position C9–C10, comme l'acide oléique (C18:1Δ9). Ils sont liquides à température ambiante [23](#page=23) [27](#page=27). * **Acides gras poly-insaturés (AGPI)**: Possèdent plusieurs doubles liaisons séparées par des groupements méthylènes. Des exemples essentiels sont l'acide linoléique (C18:2Δ9,12) et l'acide α-linolénique (C18:3Δ9,12,15). Ils jouent un rôle important dans la structure membranaire et les processus inflammatoires [23](#page=23). La notation $\Delta$ (Delta) indique la position des doubles liaisons en partant du groupe carboxyle, tandis que la notation $\omega$ (Oméga) les indique en partant du groupe méthyle terminal [23](#page=23). #### 3.3.3 Configurations des doubles liaisons La double liaison C=C confère une rigidité à la chaîne. * **Configuration Cis**: Les deux hydrogènes sont du même côté de la double liaison, créant un pli dans la chaîne qui empêche un empaquetage serré, rendant l'acide gras liquide [24](#page=24). * **Configuration Trans**: Les deux hydrogènes sont de part et d'autre de la double liaison, rendant la chaîne plus linéaire, similaire aux acides gras saturés, et favorisant un état solide [24](#page=24). #### 3.3.4 Propriétés physico-chimiques des acides gras Les propriétés physiques dépendent de la longueur de la chaîne carbonée et du degré d'insaturation [26](#page=26). * **Solubilité dans l'eau**: Diminue avec l'augmentation de la longueur de la chaîne carbonée hydrophobe. Les doubles liaisons augmentent légèrement la solubilité en empêchant un empaquetage compact. Les chaînes courtes (<10 carbones) sont solubles, les chaînes longues (>10 carbones) sont pratiquement insolubles [26](#page=26). * **Masse volumique**: Les acides gras ont une masse volumique inférieure à celle de l'eau (environ 0,8 à 0,95 g/cm³) [26](#page=26). * **Point de fusion**: Augmente avec la longueur de la chaîne carbonée et le degré de saturation. Les graisses solides contiennent des acides gras longs et saturés, tandis que les huiles liquides contiennent des acides gras courts ou insaturés [27](#page=27). Les propriétés chimiques sont dues à la fonction acide (-COOH) et aux doubles liaisons [27](#page=27). * **Formation de sels alcalins (savons)**: La réaction d'un acide gras avec une base forte (NaOH, KOH) forme un sel de savon et de l'eau. La partie carboxylate est hydrophile, tandis que la chaîne hydrocarbonée est hydrophobe, conférant aux savons des propriétés détergentes [27](#page=27). ### 3.4 Stérides et stéroïdes Les stérides sont des esters formés par la réaction entre un stérol, comme le cholestérol, et un acide gras. Ils appartiennent à la famille des stéroïdes, caractérisée par le noyau stérane (cyclopentanopérhydrophenanthrène), une structure rigide composée de quatre cycles accolés [32](#page=32) [33](#page=33). Le cholestérol (C₂₇H₄₆) est un alcool stérol, un constituant majeur des membranes cellulaires stabilisant leur fluidité et leur perméabilité. Il est aussi un précurseur de divers composés [33](#page=33). #### 3.4.1 Dérivés du cholestérol * **Acides biliaires**: Synthétisés dans le foie, ils émulsifient les graisses dans l'intestin pour faciliter leur digestion [34](#page=34). * **Vitamine D**: Synthétisée dans la peau à partir du 7-déhydrocholestérol sous l'effet des rayons UV, elle est essentielle à la minéralisation osseuse en favorisant l'absorption du calcium et du phosphore [34](#page=34). * **Hormones stéroïdiennes**: Ce sont des hormones fabriquées à partir du cholestérol et ayant une structure stéroïde. Elles sont produites par différentes glandes et incluent les glucocorticoïdes (ex: cortisol), les minéralocorticoïdes (ex: aldostérone), les androgènes (ex: testostérone), les œstrogènes (ex: estradiol) et les progestatifs (ex: progestérone). Le cortisol, par exemple, régule le métabolisme du glucose et possède des propriétés anti-inflammatoires et immunomodulatrices [35](#page=35). ### 3.5 Digestion et hydrolyse des lipides Les triglycérides alimentaires sont trop gros et hydrophobes pour être absorbés directement; ils doivent être hydrolysés en monoglycérides et acides gras par des lipases, notamment la lipase pancréatique dans l'intestin grêle [32](#page=32). Au sein des cellules, les triglycérides stockés dans les adipocytes sont hydrolysés en trois acides gras et un glycérol par l'action séquentielle d'enzymes telles que l'ATGL, la HSL et la MGL [32](#page=32). ### 3.6 Cérides Les cérides, ou cires, résultent de l'estérification d'un acide gras avec un alcool gras. Ils sont solides à température ambiante et très insolubles dans l'eau [37](#page=37). ### 3.7 Lipides complexes Ils sont définis comme des lipides contenant des acides gras et d'autres groupes chimiques (phosphate, sucre, etc.). Ils constituent la majeure partie des membranes biologiques [38](#page=38). #### 3.7.1 Glycérophospholipides Ce sont les lipides complexes les plus importants chez l'homme. Ils sont amphiphiles, avec une tête polaire hydrophile (phosphate + alcool) et deux queues apolaires hydrophobes (chaînes d'acides gras). Ils forment la bicouche lipidique des membranes cellulaires. La nature de la tête polaire détermine leurs rôles spécifiques, tels que dans la signalisation cellulaire (phosphatidylinositol) ou la composition des membranes mitochondriales (cardiolipine) [38](#page=38) [40](#page=40) [43](#page=43) [44](#page=44). #### 3.7.2 Sphingolipides Ces lipides complexes ne contiennent pas de glycérol mais utilisent la sphingosine comme squelette. La sphingosine se lie à un acide gras via une liaison amide pour former un céramide [44](#page=44) [45](#page=45). * **Sphingophospholipides (sphingomyélines)**: Formés d'un céramide, d'un phosphate et d'un alcool comme la choline. Essentiels dans les membranes des cellules nerveuses et les gaines de myéline [46](#page=46). * **Sphingoglycolipides**: Formés d'un céramide lié à un ou plusieurs sucres. Ils incluent les cérébrosides (un ose) et les gangliosides (plusieurs oses, dont acide sialique). Ils sont cruciaux pour la reconnaissance cellulaire et abondent dans le cerveau [47](#page=47). --- # Acides aminés : structure, classification et réactions Voici le résumé du chapitre sur les acides aminés : structure, classification et réactions. ## 4. Acides aminés : structure, classification et réactions Les acides aminés sont les monomères constitutifs des protéines, possédant une structure de base commune caractérisée par un carbone alpha, une fonction amine, une fonction carboxylique et une chaîne latérale R variable, et se distinguent par leur classification selon la nature de cette chaîne latérale et les réactions qu'ils peuvent subir [49](#page=49). ### 4.1 Structure générale d'un acide aminé Chaque acide aminé possède une structure commune composée d'un carbone central (carbone alpha, Cα) lié à quatre groupes différents: une fonction amine (–NH₂), une fonction acide carboxylique (–COOH), un atome d'hydrogène (H), et une chaîne latérale variable (R). La fonction amine est basique et peut capter un proton, tandis que la fonction carboxylique est acide et peut céder un proton. Le carbone alpha est généralement chiral, sauf dans le cas de la glycine où R=H [49](#page=49). ### 4.2 Classification des acides aminés Les acides aminés sont classés en fonction de la nature chimique de leur chaîne latérale (R). Il existe 20 acides aminés standards ou protéinogènes utilisés dans la synthèse des protéines humaines. Ils se répartissent en deux catégories principales: essentiels (non synthétisables par l'organisme et devant être apportés par l'alimentation) et non essentiels (synthétisables par l'organisme) [49](#page=49) [50](#page=50). #### 4.2.1 Classification selon la chaîne latérale R ##### 4.2.1.1 Acides aminés aliphatiques Ce groupe se caractérise par des chaînes latérales composées uniquement d'atomes de carbone et d'hydrogène, formant des chaînes linéaires ou ramifiées. Ces chaînes sont généralement hydrophobes [51](#page=51). * **Chaînes linéaires aliphatiques :** * **Glycine (Gly, G):** La plus petite des acides aminés, avec R = H. Son carbone alpha n'est pas chiral, ce qui lui confère une grande flexibilité et lui permet de se trouver dans les "coudes" des protéines [51](#page=51). * **Alanine (Ala, A):** Avec R = CH₃, elle est similaire à la glycine mais avec un groupe méthyle. Elle est petite et hydrophobe [51](#page=51). * **Acides aminés aliphatiques ramifiés :** Ces acides aminés ont une chaîne carbonée R qui se ramifie, les rendant plus volumineux et très hydrophobes. * **Valine (Val, V):** R = –CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Leucine (Leu, L):** R = –CH₂–CH(CH₃)₂ [52](#page=52). * **Isoleucine (Ile, I):** R = –CH(CH₃)–CH₂–CH₃, isomère de la leucine [52](#page=52). ##### 4.2.1.2 Acides aminés hydroxylés La chaîne latérale R contient un groupe hydroxyle (–OH), ce qui les rend polaires et hydrophiles [53](#page=53). * **Sérine (Ser, S):** R = –CH₂–OH. Le groupe –OH est primaire et peut former des liaisons hydrogène. Il est également un site de phosphorylation, un mécanisme important de régulation de l'activité enzymatique. La sérine joue un rôle dans la réponse aux dommages de l'ADN, notamment en étant un site de phosphorylation par des kinases comme ATM [53](#page=53) [54](#page=54). * **Thréonine (Thr, T):** Possède également un groupe hydroxyle [53](#page=53). ##### 4.2.1.3 Acides aminés soufrés Ces acides aminés contiennent un atome de soufre (S) dans leur chaîne latérale [55](#page=55). * **Cystéine (Cys, C):** R = –CH₂–SH. Le groupe thiol (–SH) est très réactif. Deux cystéines peuvent s'oxyder pour former un pont disulfure (S–S), créant la cystine. Ces ponts disulfures stabilisent la structure tridimensionnelle des protéines [55](#page=55). * **Méthionine (Met, M):** Contient un groupe thioéther (–S–CH₃). Elle est le premier acide aminé de toutes les protéines synthétisées et peut être transformée en S-adénosylméthionine (SAM), un donneur de groupe méthyle essentiel pour la méthylation de l'ADN et d'autres molécules [56](#page=56). ##### 4.2.1.4 Acides aminés acides et amides Ce groupe comprend des acides aminés avec un groupement carboxyle (–COOH) ou un dérivé amide (–C=O NH₂) dans leur chaîne latérale [57](#page=57). * **Acide aspartique (Asp, D):** R = –CH₂–COOH. Possède deux groupes carboxyles, ce qui en fait un acide aminé acide. Il joue un rôle dans la synthèse de l'urée et est impliqué dans les réactions de transamination (#page=57, 59) [57](#page=57) [59](#page=59). * **Acide glutamique (Glu, E) :** Similaire à l'acide aspartique, avec une chaîne latérale plus longue. * **Asparagine (Asn, N):** L'amide dérivé de l'acide aspartique [60](#page=60). * **Glutamine (Gln, Q):** L'amide dérivé de l'acide glutamique. Ces amides servent à stocker et transporter l'azote sous une forme non toxique (ammoniac) [60](#page=60). ##### 4.2.1.5 Acides aminés dibasiques Ces acides aminés possèdent deux fonctions basiques dans leur structure: la fonction amine alpha et une seconde fonction amine ou un groupement basique sur la chaîne latérale R [61](#page=61). * **Lysine (Lys, K):** R contient un groupe ε-amino (–NH₂). Elle participe aux protéines structurales comme le collagène et peut subir une hydroxylation post-traductionnelle pour former la 5-hydroxylysine, importante pour la stabilité du collagène (#page=61, 62) [61](#page=61) [62](#page=62). * **Arginine (Arg, R):** R contient un groupement guanidinium très basique. Elle est impliquée dans le cycle de l'urée et est un précurseur de l'oxyde nitrique (NO), un important messager cellulaire [63](#page=63). * **Histidine (His, H):** R contient un groupement imidazole, qui lui confère des propriétés tampon et lui permet de jouer un rôle dans les sites actifs des enzymes. L'histidine est indispensable pendant la croissance [62](#page=62). ##### 4.2.1.6 Acides aminés aromatiques Leur chaîne latérale R contient un cycle benzénique, ce qui les rend chimiquement stables, capables d'absorber les UV, et souvent hydrophobes [64](#page=64). * **Phénylalanine (Phe, F):** Contient un groupement phényle. C'est un acide aminé essentiel. Elle peut être hydroxylée pour former la tyrosine [64](#page=64). * **Tyrosine (Tyr, Y):** Identique à la phénylalanine mais avec un groupe hydroxyle sur le cycle benzénique. Elle est un précurseur de nombreuses molécules importantes comme les hormones thyroïdiennes, les catécholamines (dopamine, adrénaline) et la mélanine. Elle est semi-essentielle (#page=50, 64) [50](#page=50) [64](#page=64) [65](#page=65). * **Tryptophane (Trp, W):** Son groupement R est l'indole (double cycle aromatique). C'est un acide aminé essentiel [65](#page=65). ##### 4.2.1.7 Acides imino Ce groupe ne contient qu'un seul acide aminé particulier, la proline, dont la structure dévie de la norme [66](#page=66). * **Proline (Pro, P):** Son groupe amine primaire est intégré dans la chaîne latérale R, formant un cycle pyrrolidine. Cela rend le groupe amine secondaire et confère une rigidité structurelle à la proline, particulièrement importante pour la structure du collagène. La proline peut subir une hydroxylation post-traductionnelle, également essentielle pour le collagène [66](#page=66). ### 4.3 Propriétés physico-chimiques des acides aminés Les propriétés physico-chimiques des acides aminés sont déterminées par leur chaîne latérale R et influencent leur comportement en solution [67](#page=67). #### 4.3.1 Polarité La polarité d'une molécule dépend de la répartition des charges électriques. Les acides aminés peuvent être : 1. **Non polaires (hydrophobes):** Chaîne latérale sans charge ni polarité significative, insolubles dans l'eau (#page=67, 68) [67](#page=67) [68](#page=68). 2. **Polaires non ionisables (hydrophiles):** Possèdent des groupements polaires (–OH, –SH, –C=O NH₂) mais pas de charge électrique nette. Ils sont solubles et peuvent former des liaisons hydrogène (#page=67, 69) [67](#page=67) [69](#page=69). 3. **Polaires ionisables:** Leur chaîne latérale porte une charge électrique positive ou négative selon le pH. Ils sont très solubles (#page=67, 70) [67](#page=67) [70](#page=70). #### 4.3.2 Chiralité La plupart des acides aminés sont chiraux, possédant un carbone alpha asymétrique, à l'exception de la glycine. Les énantiomères sont les formes L et D, qui sont des images miroirs non superposables. Seules les formes L sont utilisées dans les protéines humaines [71](#page=71). * **Pouvoir rotatoire:** La capacité d'une substance à faire tourner le plan de la lumière polarisée. La notation D/L concerne la configuration spatiale, tandis que +/- concerne le sens de rotation [72](#page=72). * **Différences biologiques:** Bien que les formes L et D aient les mêmes propriétés chimiques dans des milieux ordinaires, elles ont des propriétés biologiques distinctes car les enzymes et récepteurs biologiques sont chiraux (#page=72, 73) [72](#page=72) [73](#page=73). #### 4.3.3 Absorption UV Les acides aminés aromatiques (Phénylalanine, Tyrosine, Tryptophane) absorbent la lumière UV entre 260 et 280 nm, permettant leur dosage par spectrophotométrie (#page=72, 73) [72](#page=72) [73](#page=73). #### 4.3.4 Comportement ionique Les acides aminés sont amphotères, capables d'agir comme acides et bases grâce à leurs groupes carboxyle et amine [74](#page=74). * **Amphotérie:** En milieu acide, l'acide aminé est cationique (chargé positivement). En milieu neutre, il forme un zwitterion, une molécule globalement neutre portant des charges positives et négatives. En milieu basique, il est anionique (chargé négativement) [74](#page=74). * **pK et pHi:** Chaque groupement ionisable a un pK, le pH auquel 50% du groupement est ionisé. Le pHi (potentiel isoélectrique) est le pH auquel la charge nette de l'acide aminé est nulle, et la forme zwitterionique est majoritaire [75](#page=75). * **Électrophorèse:** Cette propriété de charge permet de séparer les acides aminés par électrophorèse en fonction de leur pHi et du pH du milieu [75](#page=75). ### 4.4 Réactions des acides aminés Les acides aminés peuvent subir diverses réactions chimiques qui sont fondamentales pour la biochimie [76](#page=76). #### 4.4.1 Décarboxylation Perte d'un groupe carboxyle (–COOH) sous forme de CO₂, catalysée par des enzymes appelées décarboxylases. Par exemple, l'histidine est décarboxylée en histamine, un médiateur important dans les réactions allergiques et l'inflammation [76](#page=76). #### 4.4.2 Amidation Formation d'un amide par remplacement d'un groupe –OH par un groupe –NH₂, ce qui est la base de la formation des liaisons peptidiques entre acides aminés [76](#page=76). #### 4.4.3 Estérification Réaction entre un acide carboxylique et un alcool en présence d'un acide fort, formant un ester et de l'eau. Les esters sont parfois utilisés pour protéger les groupes COOH pendant des synthèses complexes [77](#page=77). #### 4.4.4 Désamination oxydative Perte du groupe amine (–NH₂) sous forme d'ammoniac (NH₃), catalysée par des enzymes déshydrogénases. Cette réaction transforme un acide aminé en acide α-cétonique, qui peut ensuite être dégradé pour produire de l'énergie, contribuer au bilan azoté, ou servir de précurseur biosynthétique (#page=77, 78) [77](#page=77) [78](#page=78). #### 4.4.5 Transamination Transfert d'un groupe amine d'un acide aminé à un acide α-cétonique, catalysé par des transaminases avec la pyridoxal phosphate (PLP) comme coenzyme. Ces réactions permettent de former de nouveaux acides aminés ou de dégrader les acides aminés existants sans perte d'azote [78](#page=78). --- # Peptides et protéines : structure, nomenclature et analyse Voici un résumé complet sur les peptides et protéines, leur structure, nomenclature et analyse, destiné à préparer un examen. ## 5. Peptides et protéines : structure, nomenclature et analyse Cette section détaille la composition, la formation, la nomenclature, les méthodes d'analyse et les différentes structures des peptides et des protéines. ### 5.1 Les peptides Un peptide est une petite molécule composée de plusieurs acides aminés reliés séquentiellement par des liaisons peptidiques [96](#page=96). #### 5.1.1 Formation de la liaison peptidique La liaison peptidique se forme par la réaction de condensation entre le groupement carboxyle (–COOH) d'un acide aminé et le groupement amine (–NH₂) d'un autre acide aminé, avec élimination d'une molécule d'eau [96](#page=96). * **Réaction:** Acide aminé₁ (–COOH) + Acide aminé₂ (–NH₂) → Liaison peptidique (–CO–NH–) + H₂O [96](#page=96). * **Nature de la liaison:** Il s'agit d'une liaison covalente forte, plane et rigide en raison d'un phénomène de résonance entre le groupe carbonyle (C=O) et l'azote (N) [96](#page=96). #### 5.1.2 Directionnalité et nomenclature Les peptides possèdent une directionnalité : * **Extrémité N-terminale:** Possède un groupe amine libre (–NH₂) [96](#page=96). * **Extrémité C-terminale:** Possède un groupe carboxyle libre (–COOH) [96](#page=96). * La séquence d'un peptide est lue de l'extrémité N-terminale vers l'extrémité C-terminale [96](#page=96). #### 5.1.3 Nomenclature des peptides * Les acides aminés incorporés dans une chaîne peptidique, sauf le dernier, voient leur suffixe "-ine" ou "-ate" remplacé par "-yl" [99](#page=99). * Le nom d'un peptide se construit en terminant par le nom du dernier acide aminé non modifié [99](#page=99). * Exemple: Alanine + Glycine + Tyrosine → Alanyl–Glycyl–Tyrosine [99](#page=99). #### 5.1.4 Classification des peptides La classification se fait selon le nombre d'acides aminés : * Dipeptide: 2 acides aminés [97](#page=97) [99](#page=99). * Tripeptide: 3 acides aminés [97](#page=97). * Tétrapeptide: 4 acides aminés [97](#page=97). * Oligopeptide: Moins de 10 acides aminés (< 10 AA) [97](#page=97). * Polypeptide: Entre 10 et 100 acides aminés (10-100 AA) [97](#page=97) [99](#page=99). * Protéine: Plus de 100 acides aminés (> 100 AA) [97](#page=97). #### 5.1.5 Rôles des peptides Certains peptides ont des fonctions biologiques importantes : * Hormones (ex: insuline, vasopressine, LH, FSH) [99](#page=99). * Antibiotiques [99](#page=99). * Neurotransmetteurs [99](#page=99). * Blocs de construction pour des structures plus complexes [99](#page=99). ### 5.2 Analyse des peptides L'analyse d'un peptide vise à déterminer sa composition et sa séquence. #### 5.2.1 Détermination de la composition en acides aminés Le principe est de casser le peptide pour libérer les acides aminés, puis de les identifier et de les quantifier [100](#page=100). * **Méthode : Hydrolyse acide** * Utilise de l'acide chlorhydrique (HCl) concentré (6 mol/L) à haute température (110 °C) pendant plusieurs heures (24-48 h) [100](#page=100). * Casse les liaisons peptidiques, mais peut détruire certains acides aminés comme le tryptophane (Trp) [100](#page=100). * Peut également casser les ponts disulfure (S–S) si le peptide n'est pas préalablement traité [100](#page=100). * **Traitement des ponts disulfure :** * **Oxydation:** Avec de l'acide performique (HCOOOH), transforme les ponts S–S en groupes acides (–SO₃H) [100](#page=100). * **Réduction:** Avec du β-mercaptoéthanol ou du dithiothréitol (DTT), réduit les ponts S–S en groupes thiols (–SH) [100](#page=100). * **Hydrolyse alcaline :** * Utilise du NaOH (soude) à 100 °C pendant 4 à 8 heures . * Casse les liaisons peptidiques sans détruire le tryptophane . * Souvent utilisée en combinaison avec l'hydrolyse acide pour une analyse complète . * **Séparation et dosage des acides aminés :** * **Chromatographie d'échange d'ions:** Sépare les acides aminés en fonction de leur charge électrique, déterminée par le pH . * **Révélation et dosage : Réaction à la ninhydrine** * La ninhydrine réagit avec le groupe amine libre des acides aminés pour former un précipité coloré (violet, sauf pour la proline qui donne du jaune) . * L'intensité de la couleur, mesurée par spectrophotométrie UV, permet de quantifier chaque acide aminé . #### 5.2.2 Détermination de l'acide aminé N-terminal Identifier l'acide aminé à l'extrémité N-terminale est la première étape pour séquencer un peptide . * **Méthode de Sanger (avec 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène - DNFB)** 1. **Marquage du N-terminal:** Le DNFB réagit avec le groupe amine libre (–NH₂) du premier acide aminé, formant un dérivé jaune (DNF-Peptide) . 2. **Hydrolyse acide:** Le peptide marqué est hydrolysé pour libérer tous les acides aminés . 3. **Séparation et identification:** Le dérivé DNF-AA est séparé par chromatographie et identifié par comparaison avec des standards. Cet acide aminé est le N-terminal . * **Méthode au chlorure de dansyl (DANS-Cl)** * Plus sensible et le produit final (DANS-AA) est fluorescent sous UV . 1. **Marquage:** Le peptide réagit avec le DANS-Cl en milieu légèrement alcalin pour former du DANS-Peptide . 2. **Hydrolyse acide:** Le peptide est hydrolysé en milieu acide fort . 3. **Séparation et identification:** Le DANS-AA fluorescent est séparé par chromatographie et identifié . #### 5.2.3 Séquençage d'un peptide (méthode d'Edman) La méthode d'Edman permet de dégrader séquentiellement un peptide acide aminé par acide aminé, à partir de l'extrémité N-terminale, sans détruire le reste de la chaîne . 1. **Marquage du N-terminal:** Le peptide réagit avec le phénylisothiocyanate (PITC) en milieu légèrement alcalin pour former le PITC-Peptide . 2. **Cyclisation et libération du premier AA:** En milieu acide faible, le premier acide aminé est libéré sous forme de dérivé cyclique appelé PTH-AA (phénylthiohydantoïne). Le reste du peptide (n-1 acides aminés) reste intact . 3. **Identification du PTH-AA:** Le PTH-AA est identifié par chromatographie ou spectrométrie de masse . 4. **Répétition du cycle:** Le processus est répété sur le peptide raccourci pour identifier le deuxième, puis le troisième acide aminé, et ainsi de suite . #### 5.2.4 Méthodes enzymatiques * **Exopeptidases:** Enzymes qui coupent les liaisons peptidiques aux extrémités du peptide . * **Aminopeptidases:** Agissent sur l'extrémité N-terminale, libérant successivement les acides aminés . * **Carboxypeptidases:** Agissent sur l'extrémité C-terminale . * Carboxypeptidase A: Libère la majorité des AA, mais pas Cys, Arg, Lys . * Carboxypeptidase B: Libère les AA basiques (Arg, Lys), mais pas Gly . * **Endopeptidases:** Coupent les liaisons peptidiques à l'intérieur de la chaîne . * Elles reconnaissent des séquences spécifiques d'acides aminés . * **Exemples d'endopeptidases:** Trypsine (coupe après Lys/Arg), Chymotrypsine (coupe après Tyr/Trp/Phe), Pepsine (coupe après AA aromatiques/hydrophobes à pH acide), Thermolysine (coupe avant AA hydrophobes) . #### 5.2.5 Fragmentation chimique * **Bromure de cyanogène (BrCN):** Agent de clivage spécifique qui coupe les liaisons peptidiques uniquement après la méthionine (Met) . * Le BrCN réagit avec le soufre de la méthionine, créant un intermédiaire qui provoque la coupure de la liaison peptidique . * Le fragment N-terminal se termine par un dérivé de la méthionine, et le fragment C-terminal commence par l'acide aminé suivant la méthionine . ### 5.3 Les protéines Les protéines sont de macromolécules formées d'un grand nombre d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques. Leur activité biologique dépend de leur structure tridimensionnelle spécifique . #### 5.3.1 Structure des protéines On distingue quatre niveaux de structure : 1. **Structure primaire :** * Correspond à la séquence linéaire des acides aminés dans la chaîne polypeptidique . * Déterminée génétiquement par l'ADN . * Comprend également les ponts disulfure . 2. **Structure secondaire :** * Repliement local de la chaîne polypeptidique . * Stabilisée par des liaisons hydrogène entre les groupes –NH et –CO du squelette peptidique . * **Principales structures :** * **Hélice α:** Structure hélicoïdale où les radicaux R sont dirigés vers l'extérieur. Stabilisée par des liaisons H entre le groupement carbonyle d'un résidu et le groupement amine d'un résidu situé 4 positions plus loin . * **Feuillet β:** Formé par l'association de plusieurs brins β (chaînes polypeptidiques), parallèles ou antiparallèles, stabilisés par des liaisons H entre les groupes –CO et –NH de peptides adjacents . 3. **Structure tertiaire :** * Conformation tridimensionnelle complète d'une chaîne polypeptidique . * Résulte de l'interaction entre les chaînes latérales des acides aminés. * **Stabilisation :** * Liaisons covalentes: Ponts disulfure (entre résidus cystéine) . * Liaisons non covalentes: Liaisons hydrogène, forces de Van der Waals, interactions hydrophobes, interactions ioniques . * Essentielle pour la fonctionnalité, notamment pour la formation du site actif des enzymes. Les chaînes hydrophiles sont à l'extérieur et les chaînes hydrophobes à l'intérieur . 4. **Structure quaternaire :** * Association de deux ou plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine active . * **Types :** * Homopolymères: Sous-unités identiques . * Hétéropolymères: Sous-unités différentes (ex: hémoglobine A est un hétérotétramère 2α + 2β) . #### 5.3.2 Propriétés physiques des protéines * **Solubilité:** Majoritairement solubles dans l'eau (protéines globulaires). Les protéines fibreuses (scléroprotéines) sont insolubles . * **Cristallisation:** Possible en jouant sur le pH, la concentration saline et les solvants organiques . * **Propriétés optiques :** * Optiquement actives . * Absorption UV à 280 nm due aux résidus aromatiques . * Réaction du Biuret: Complexe violet avec des ions cuivriques en milieu alcalin, utilisé pour le dosage . * **Masse moléculaire (MM):** Supérieure à 6000 Daltons (Da). Déterminée par chromatographie par gel-filtration . #### 5.3.3 Propriétés chimiques des protéines * **Composition élémentaire:** Contiennent C, H, O, N, et souvent S . * **Acides aminés dérivés:** Présence d'acides aminés modifiés post-traductionnellement comme l'hydroxyproline et l'hydroxylysine (abondants dans le collagène) . * **Caractère amphotère:** Les protéines peuvent agir comme des acides ou des bases grâce aux groupes ionisables de leurs chaînes latérales et des extrémités . * **Groupes ionisables :** * Extrémités peptidiques (–COOH, –NH₂) . * Chaînes latérales d'acides aminés (Asp, Glu, Lys, Arg, His) . * **Point isoélectrique (pI):** Le pH auquel la protéine n'a pas de charge nette globale. À ce pH, la protéine est moins soluble et ne migre pas en électrophorèse . #### 5.3.4 Propriétés biologiques des protéines * **Propriétés antigéniques:** Induisent la synthèse d'anticorps . * **Activités biologiques spécifiques:** Catalyse enzymatique, hormones (ex: GH, EPO), toxines, activité antibiotique . #### 5.3.5 Classification des protéines * **Holoprotéines :** Composées uniquement d'acides aminés. * **Globulaires:** Sphéroïdes, solubles dans l'eau (ex: enzymes, hormones, anticorps, albumines, globulines). Les albumines maintiennent la pression oncotique et transportent des substances. Les globulines (α, β, γ) ont des rôles variés dans le transport, l'immunité, etc. . * **Fibreuses (scléroprotéines) :** Insolubles, structure allongée (ex: collagène, kératine). * **Hétéroprotéines:** Composées d'une partie protéique (apoprotéine) et d'une partie non protéique (groupement prosthétique) . * **Phosphoprotéines:** Acide phosphorique (ex: caséine) . * **Nucléoprotéines:** Acide nucléique (ADN ou ARN) (ex: télomérase) . * **Glycoprotéines:** Glucides (ex: mucines, immunoglobulines, glycoprotéines de groupe sanguin) . * **Lipoprotéines:** Lipides, transportent les lipides insolubles dans le plasma (ex: Chylomicrons, VLDL, LDL, HDL) . * **Chromoprotéines :** Pigment coloré. --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Terme | Définition | | Filiation des aldoses | Ensemble de réactions chimiques permettant de relier les oses entre eux selon leur nombre d'atomes de carbone, soit par allongement (n → n+1), soit par raccourcissement (n → n-1) de la chaîne carbonée. Cela établit une relation généalogique entre les différents oses (trioses, tétroses, pentoses, hexoses, etc.). | | Synthèse de Kiliani-Fischer | Procédé permettant d'allonger la chaîne carbonée d'un aldose. Il implique l'addition d'acide cyanhydrique (HCN) sur le groupe aldéhyde, transformant le carbone en un centre asymétrique, suivie d'une hydrolyse pour former un acide aldonic, puis d'une réduction pour obtenir un nouvel aldose avec un carbone supplémentaire. Ce processus peut générer deux épimères. | | Isomère | Molécule ayant la même formule brute qu'une autre molécule, mais une structure chimique différente. Dans le contexte des oses, les isomères diffèrent par l'arrangement spatial de leurs atomes, notamment autour des carbones asymétriques. | | Structure cyclique des oses | Forme prédominante des oses (avec plus de quatre atomes de carbone) en solution aqueuse ou dans les milieux biologiques. Elle résulte de la réaction intramoléculaire entre un groupe aldéhyde ou cétone et un groupe hydroxyle pour former un hémiacétal, entraînant la fermeture d'un cycle. | | Hémiacétal | Composé résultant de la réaction d'un aldéhyde ou d'une cétone avec un alcool. Dans le cas des oses, la cyclisation forme un hémiacétal cyclique, où le carbone anciennement carbonyle devient un centre stéréogène. | | Projection de Haworth | Représentation schématique et simplifiée en 3D des cycles des sucres. Elle montre le cycle comme un anneau presque plat, avec le groupe hydroxyle du carbone anomérique positionné en haut ou en bas, indiquant la configuration alpha ou bêta. | | Carbone anomérique | Le carbone qui était initialement le groupe carbonyle (C1 pour les aldoses, C2 pour les cétoses) avant la cyclisation. Après la formation du cycle, il devient un centre stéréogène et peut exister sous deux formes : alpha (α) et bêta (β), selon la position du groupe hydroxyle qui lui est attaché. | | Pouvoir rotatoire spécifique | Propriété des oses en solution de faire dévier le plan de la lumière polarisée. Cette caractéristique est utilisée pour leur identification et leur dosage quantitatif. | | Oxydation enzymatique | Réaction biochimique catalysée par une enzyme oxydase, utilisant l'oxygène moléculaire ($O_2$) pour oxyder une molécule. Par exemple, la glucose oxydase (GOD) oxyde spécifiquement le D-glucose en acide gluconique en produisant du peroxyde d'hydrogène ($H_2O_2$). | | Oxydation chimique des oses | Réaction chimique où le groupe aldéhyde (–CHO) d'un aldose est converti en un groupe acide carboxylique (–COOH). Cette réaction est souvent une oxydation douce qui ne modifie pas le reste de la molécule, notamment les autres groupes hydroxyles. | | Oxydation douce | Réaction chimique où le groupement aldéhyde (–CHO) d'un aldose est oxydé en une fonction acide carboxylique (–COOH), sans affecter le reste de la molécule. Cette réaction est généralement réalisée avec des réactifs comme le dibrome ($Br_2$). | | Oxydation forte | Réaction chimique au cours de laquelle un aldose est traité avec un oxydant puissant, tel que l'acide nitrique ($HNO_3$), entraînant l'oxydation simultanée du groupement aldéhyde en acide carboxylique (–COOH) et du groupement alcool primaire en fin de chaîne en un autre acide carboxylique (–COOH). | | Acides aldariques | Composés résultant de l'oxydation forte d'un aldose, où les deux extrémités de la chaîne carbonée (le carbone 1 et le carbone terminal) sont converties en fonctions acides carboxyliques (–COOH). L'exemple donné est l'acide D-glucarique obtenu à partir du D-glucose. | | Oxydation par les sels de métaux lourds | Réaction au cours de laquelle des ions métalliques comme $Cu^{2+}$ (dans la liqueur de Fehling) ou $Ag^+$ (dans la solution de Tollens) agissent comme oxydants doux en milieu alcalin ou chauffé. Les aldoses sont réduits par ces ions, tandis qu'ils sont eux-mêmes oxydés en acides carboxyliques. | | Aldoses réducteurs | Sucres possédant une fonction aldéhyde libre ou capable de se libérer en milieu basique, leur permettant de réduire les sels de métaux lourds. Le glucose et le mannose sont des exemples d'aldoses réducteurs. | | Cétoses | Sucres possédant une fonction cétone, généralement en position 2. Bien que n'ayant pas de fonction aldéhyde libre, certains cétoses, comme le fructose, peuvent s'isomériser en aldose en milieu basique, agissant ainsi indirectement comme réducteurs. | | Réduction | Réaction chimique complémentaire à l'oxydation, où un osidans un groupe carbonyle ($C=O$) est converti en un groupe hydroxyle ($–OH$). Dans le cas des oses, les agents réducteurs comme le borohydrure de sodium ($NaBH_4$) transforment les aldoses en polyols (alcools primaires) et les cétoses en polyols (alcools secondaires). | | Polyol | Composé organique comportant plusieurs groupes hydroxyles (–OH). Les oses sont transformés en polyols lors des réactions de réduction, où les fonctions aldéhyde ou cétone sont réduites en fonctions alcool. | | Condensation | Réaction où deux molécules ou plus se combinent pour en former une plus grande, généralement avec l'élimination d'une petite molécule comme l'eau ($H_2O$). Dans le contexte des oses, elle permet la formation de liaisons glycosidiques (entre sucres) ou de liaisons O- ou N-glycosidiques (avec d'autres types de molécules). | | Liaison glycosidique | Liaison covalente formée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupement hydroxyle d'un autre ose, formant ainsi des disaccharides ou polysaccharides. Cette liaison implique l'élimination d'une molécule d'eau. | | Holoside | Type de composé formé par la condensation de plusieurs unités de sucres simples. Les disaccharides et polysaccharides sont des exemples d'holosides, où seules des unités de glucides sont présentes. | | Hétéroside | Composé formé par la condensation d'un ose avec une autre molécule de nature non glucidique (comme un alcool, un phénol, ou une base azotée). Les N-hétérosides sont cruciaux en biochimie, notamment dans l'ADN et l'ARN. | | Estérification | Réaction chimique durant laquelle un alcool (ici, une fonction hydroxyle d'un ose) réagit avec un acide pour former un ester, avec élimination d'eau. Les oses peuvent être estérifiés par des acides tels que l'acide phosphorique, sulfurique ou des acides carboxyliques. | | Glucose 6-phosphate (G6P) | Un exemple d'ester phosphorique formé par l'estérification du groupement hydroxyle en C6 du glucose avec l'acide phosphorique. Cette réaction est une étape clé dans le métabolisme énergétique, comme la glycolyse. | | Déshydratation | Réaction où une molécule d'eau ($H_2O$) est retirée d'un composé. En milieu acide et chauffé, les oses subissent une déshydratation qui conduit à la formation de composés cycliques comme le furfural (à partir de pentoses) ou l'hydroxyméthylfurfural (HMF, à partir d'hexoses). | | Furfural | Composé aromatique cyclique obtenu par la déshydratation des pentoses en présence d'un acide fort et de chaleur. Il est formé par l'élimination de trois molécules d'eau. | | Hydroxyméthylfurfural (HMF) | Composé aromatique cyclique obtenu par la déshydratation des hexoses, comme le glucose, en milieu acide fort et chauffé. Il est également formé par l'élimination de trois molécules d'eau et est lié au furfural par une modification structurelle. | | Lipides | Composés organiques formés principalement de carbone, hydrogène et oxygène, caractérisés par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques non polaires. Ils peuvent être simples (esters d'acides gras et d'alcools) ou complexes (contenant d'autres éléments comme le phosphore ou l'azote). | | Acides gras | Acides monocarboxyliques constitués d'une longue chaîne carbonée (partie hydrophobe) et d'un groupe carboxyle (-COOH) polaire et hydrophile. Ils sont la base de nombreux lipides et peuvent être saturés (sans double liaison) ou insaturés (avec une ou plusieurs doubles liaisons). | | Glycérides | Lipides simples résultant de l'estérification du glycérol avec un ou plusieurs acides gras. Ils incluent les monoglycérides, diglycérides et triglycérides, servant principalement de réserve d'énergie. | | Cérides | Lipides simples formés par l'estérification d'un acide gras avec un alcool à longue chaîne. Ce sont les cires naturelles, jouant un rôle de protection et d'imperméabilisation. | | Stérides | Lipides simples formés par l'estérification d'un acide gras avec un stérol, le plus souvent le cholestérol. Ils sont impliqués dans le stockage et le transport du cholestérol. | | Lipides complexes | Lipides contenant, outre le carbone, l'hydrogène et l'oxygène, d'autres éléments tels que le phosphore (P) ou l'azote (N). Ils sont essentiels à la structure des membranes cellulaires et comprennent les glycérophospholipides et les sphingolipides. | | Acides gras saturés | Acides gras dont la chaîne carbonée ne contient aucune double liaison. Ils sont généralement solides à température ambiante en raison de leur structure linéaire permettant un empaquetage serré. | | Acides gras insaturés | Acides gras possédant une ou plusieurs doubles liaisons carbone-carbone dans leur chaîne. La présence de doubles liaisons, surtout en configuration cis, crée des coudes qui rendent ces acides gras liquides à température ambiante. | | Mono-insaturés (AGMI) | Acides gras insaturés contenant une seule double liaison carbone-carbone dans leur chaîne. | | Poly-insaturés (AGPI) | Acides gras insaturés contenant plusieurs doubles liaisons carbone-carbone dans leur chaîne, généralement séparées par des groupements méthylènes. | | Configuration Cis | Configuration d'une double liaison dans un acide gras insaturé où les deux atomes d'hydrogène sont du même côté de la double liaison, entraînant un coude dans la chaîne carbonée. | | Configuration Trans | Configuration d'une double liaison dans un acide gras insaturé où les deux atomes d'hydrogène sont de part et d'autre de la double liaison, résultant en une chaîne plus linéaire et rigide. | | Point de fusion | Température à laquelle un corps solide passe à l'état liquide. Pour les acides gras, il dépend de la longueur de la chaîne carbonée et du degré d'insaturation ; plus la chaîne est longue et saturée, plus le point de fusion est élevé. | | Saponification | Réaction chimique d'hydrolyse alcaline d'un ester, typiquement d'un triglycéride, avec une base forte (comme NaOH ou KOH) pour former un savon (sel d'acide gras) et du glycérol. | | Triglycérides | Esters formés par la réaction entre le glycérol et trois molécules d'acides gras. Ils constituent la principale forme de stockage d'énergie dans l'organisme et jouent un rôle dans l'isolation thermique et la protection mécanique. | | Stéroïdes | Lipides caractérisés par une structure commune comprenant quatre cycles accolés, le noyau stérane. Le cholestérol est le stéroïde le plus abondant chez les animaux. | | Hormones stéroïdiennes | Hormones dérivées du cholestérol, caractérisées par la présence du noyau stéroïde. Elles jouent des rôles cruciaux dans la régulation de nombreuses fonctions corporelles, incluant le métabolisme, la reproduction et la réponse au stress. | | Glycérophospholipides | Lipides complexes constitués de glycérol, de deux acides gras, d'un groupe phosphate et d'un alcool. Ils sont les principaux composants des membranes cellulaires et sont amphiphiles. | | Sphingolipides | Lipides complexes dont le squelette est basé sur la sphingosine au lieu du glycérol. Ils sont particulièrement abondants dans les membranes des cellules nerveuses et incluent les sphingomyélines et les sphingoglycolipides. | | Sphingomyélines | Type de sphingolipide contenant un groupe phosphate lié à la sphingosine et à un alcool (souvent la choline). Elles sont importantes pour la formation de la gaine de myéline qui isole les axones des neurones. | | Sphingoglycolipides | Type de sphingolipide dans lequel un ou plusieurs sucres sont liés à la partie céramide (sphingosine + acide gras). Ils jouent un rôle dans la reconnaissance et la communication cellulaire. | | Céramide | Molécule formée par la liaison amide entre la sphingosine et un acide gras. C'est le composant de base des sphingolipides. | | Amphiphile | Qualité d'une molécule possédant à la fois une partie hydrophile (qui aime l'eau) et une partie hydrophobe (qui repousse l'eau). Les glycérophospholipides et les sphingolipides sont amphiphiles, ce qui leur permet de former des bicouches lipidiques. | | Bicouche lipidique | Organisation spontanée des molécules amphiphiles (comme les phospholipides) en deux couches parallèles en milieu aqueux, où les têtes hydrophiles sont orientées vers l'eau et les queues hydrophobes se regroupent au centre. | | Gangliosides | Sous-famille de sphingoglycolipides contenant plusieurs sucres, dont souvent un acide sialique. Ils sont très abondants dans les membranes neuronales et sont impliqués dans la reconnaissance cellulaire et la signalisation. | | Acide aminé | Molécule organique servant d'unité de base pour la construction des protéines, caractérisée par un groupe amine (–NH₂) et un groupe carboxyle (–COOH) attachés à un carbone central (carbone α). | | Carbone α (alpha) | Carbone central d'un acide aminé auquel sont attachés le groupe amine, le groupe carboxyle, un atome d'hydrogène et la chaîne latérale (radical R). Il est généralement chiral, sauf dans la glycine. | | Chiralité | Propriété d'une molécule d'exister sous deux formes image miroir non superposables, appelées énantiomères (L et D), généralement due à la présence d'un carbone asymétrique. | | Pont disulfure | Liaison covalente (–S–S–) formée entre les atomes de soufre de deux résidus de cystéine, stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines. | | Énantiomère | Chacune des deux formes d'une molécule chirale qui sont des images miroirs l'une de l'autre et qui ne peuvent pas être superposées. Les acides aminés protéinogènes sont généralement de série L. | | Ester | Composé organique résultant de la réaction entre un acide carboxylique et un alcool, avec élimination d'eau. Les esters peuvent être utilisés pour protéger temporairement les groupes carboxyles. | | Hydrophobe | Se dit d'une molécule ou d'une partie de molécule qui n'a pas d'affinité pour l'eau et a tendance à s'en éloigner, cherchant souvent à s'agréger au centre des protéines. | | Hydrophile | Se dit d'une molécule ou d'une partie de molécule qui a une affinité pour l'eau et peut interagir avec elle par des liaisons hydrogène. | | Liaison peptidique | Liaison covalente formée entre le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amine d'un autre acide aminé, avec libération d'une molécule d'eau, lors de la synthèse des protéines. | | Lysine | Acide aminé dibasique essentiel dont la chaîne latérale R contient une fonction amine supplémentaire (ε-amino), lui conférant une charge positive à pH physiologique et participant à la structure des protéines. | | Méthionine | Acide aminé soufré qui initie la synthèse protéique et peut être transformée en S-adénosylméthionine (SAM), un donneur de groupe méthyle important. | | Métabolisme | Ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans un organisme vivant pour maintenir la vie, incluant la synthèse (anabolisme) et la dégradation (catabolisme) des molécules. | | Peptide | Molécule constituée d'une chaîne de quelques acides aminés (généralement moins de 50) reliés par des liaisons peptidiques. | | Phosphorylation | Réaction chimique par laquelle un groupe phosphate (–PO₄³⁻) est ajouté à une molécule, souvent à un groupe hydroxyle (–OH) ou amine (–NH₂), et qui joue un rôle crucial dans la régulation de l'activité des protéines. | | Polarité | Propriété d'une molécule due à une répartition inégale des charges électriques, créant des pôles partiellement positifs et négatifs. Les molécules polaires interagissent avec l'eau. | | Protéine | Macromolécule biologique complexe constituée d'une ou plusieurs chaînes polypeptidiques, elles-mêmes formées par l'assemblage d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques. | | Radical (R) | Chaîne latérale d'un acide aminé, qui varie d'un acide aminé à l'autre et détermine ses propriétés spécifiques. | | S-adénosylméthionine (SAM) | Forme activée de la méthionine, agissant comme un important donneur de groupes méthyle (–CH₃) dans diverses réactions de méthylation, notamment sur l'ADN. | | Transamination | Réaction chimique où un groupe amine (–NH₂) est transféré d'un acide aminé à un acide α-cétonique, catalysée par des transaminases, permettant la synthèse ou la dégradation des acides aminés. | | Zwitterion | Molécule, telle qu'un acide aminé à pH neutre, portant à la fois une charge positive nette et une charge négative nette, résultant en une charge globale nulle. | | Analyse de composition | Détermination de la nature et de la proportion des acides aminés constituant un peptide ou une protéine, souvent réalisée après hydrolyse et séparation chromatographique. | | Analyse de séquence | Détermination de l'ordre précis dans lequel les acides aminés sont liés au sein d'un peptide ou d'une protéine, utilisant diverses méthodes de clivage et d'identification. | | Aminoacide N-terminal | Le premier acide aminé d'une chaîne peptidique, caractérisé par la présence d'un groupement amine libre (–NH₂). | | Aminopeptidase | Enzyme de type exopeptidase qui hydrolyse séquentiellement les liaisons peptidiques à partir de l'extrémité N-terminale d'un peptide, libérant ainsi les acides aminés un par un. | | Antibiotique peptidique | Peptide naturel, souvent produit par des bactéries ou des champignons, possédant des propriétés antibactériennes et parfois utilisé en thérapeutique. | | Carboxypeptidase | Enzyme de type exopeptidase qui hydrolyse séquentiellement les liaisons peptidiques à partir de l'extrémité C-terminale d'un peptide, libérant ainsi le dernier acide aminé. | | Chaîne peptidique | Séquence d'acides aminés reliés entre eux par des liaisons peptidiques, formant la structure de base des peptides et des protéines. | | Chromatographie | Méthode de séparation basée sur la différence d'affinité des molécules pour une phase stationnaire (solide ou liquide) et une phase mobile (solvant), permettant d'identifier et de quantifier les composants d'un mélange. | | Dipeptide | Molécule constituée de deux acides aminés unis par une liaison peptidique, formée suite à une réaction de condensation avec élimination d'une molécule d'eau. | | Endopeptidase | Enzyme qui hydrolyse les liaisons peptidiques à l'intérieur d'une chaîne polypeptidique, créant ainsi des fragments plus petits. | | Exopeptidase | Enzyme qui hydrolyse les liaisons peptidiques aux extrémités d'une chaîne polypeptidique, soit à l'extrémité N-terminale (aminopeptidase), soit à l'extrémité C-terminale (carboxypeptidase). | | Fragmentation de peptide | Processus de coupure d'un peptide ou d'une protéine en fragments plus petits, réalisé par des enzymes spécifiques (endopeptidases) ou par des agents chimiques, dans le but de faciliter l'analyse de séquence. | | Hélice alpha ($\alpha$-hélice) | Structure secondaire principale des protéines, où la chaîne polypeptidique s'enroule en une forme hélicoïdale stabilisée par des liaisons hydrogènes entre les groupements amide et carbonyle du squelette peptidique. | | Hétéroprotéine | Protéine complexe formée d'une partie protéique (apoprotéine) et d'une partie non protéique (groupement prosthétique), telle qu'une phosphoprotéine, une nucléoprotéine, une glycoprotéine ou une lipoprotéine. | | Holoprotéine | Protéine composée uniquement d'acides aminés, sans groupement prosthétique non protéique. Elles peuvent être globulaires ou fibreuses. | | Homopolymère | Protéine dont la structure quaternaire est formée de sous-unités identiques. | | Hydrolyse | Réaction chimique dans laquelle l'eau est utilisée pour rompre une liaison chimique, typiquement les liaisons peptidiques dans le cas des peptides et protéines, libérant ainsi les monomères constitutifs. | | Hydrolyse acide | Type d'hydrolyse réalisée en milieu acide fort (par exemple, HCl concentré à haute température), qui rompt les liaisons peptidiques mais peut dégrader certains acides aminés fragiles comme le tryptophane. | | Hydrolyse alcaline | Type d'hydrolyse réalisée en milieu basique (par exemple, NaOH), qui rompt les liaisons peptidiques tout en préservant les acides aminés sensibles aux conditions acides, comme le tryptophane. | | Liaison hydrogène | Interaction faible entre un atome d'hydrogène lié à un atome électronégatif (donneur) et un autre atome électronégatif (accepteur), jouant un rôle crucial dans la stabilisation des structures secondaires et tertiaires des protéines. | | Macromolécule | Très grande molécule, typiquement un polymère, composée de nombreuses unités répétitives (monomères). Les protéines sont des macromolécules biologiques essentielles. | | Méthode d'Edman | Méthode chimique de séquençage des peptides qui permet de déterminer la séquence d'acides aminés du N-terminal vers le C-terminal en retirant et identifiant séquentiellement le premier acide aminé à chaque cycle. | | Méthode de Sanger | Première méthode chimique développée pour identifier l'acide aminé N-terminal d'un peptide en le marquant avec du DNFB, puis en hydrolysant le peptide et en identifiant le dérivé marqué. | | Méthode du chlorure de dansyl | Méthode chimique sensible pour identifier l'acide aminé N-terminal d'un peptide ou d'une protéine, utilisant le chlorure de dansyl qui forme un dérivé fluorescent avec le groupement amine libre. | | Nomenclature des peptides | Système de dénomination des peptides basé sur l'ordre des acides aminés constitutifs, en commençant par l'acide aminé N-terminal (suffixe –yl) et en terminant par le nom du dernier acide aminé. | | Pont disulfure (pont S–S) | Liaison covalente forte formée entre les atomes de soufre de deux résidus cystéine, contribuant à la stabilisation de la structure tertiaire et quaternaire des protéines. | | Pression oncotique | Forme de pression osmotique exercée par les protéines plasmatiques (principalement l'albumine) dans le sang, qui tend à attirer l'eau vers le compartiment sanguin et à maintenir l'équilibre hydrique. | | Réaction à la ninhydrine | Réaction chimique entre la ninhydrine et le groupement amine libre des acides aminés, produisant une coloration violette (ou jaune pour la proline) qui permet leur visualisation et leur dosage. | | Radical R (chaîne latérale) | Partie variable de la structure d'un acide aminé, qui le différencie des autres acides aminés et influence ses propriétés physico-chimiques et son rôle dans la protéine. | | Séquençage | Détermination de l'ordre précis des acides aminés dans une chaîne polypeptidique, réalisée par diverses méthodes chimiques ou enzymatiques. | | Structure chimique des protéines | Organisation spatiale des protéines, qui comprend plusieurs niveaux : primaire (séquence d'acides aminés), secondaire ($\alpha$-hélice, feuillet $\beta$), tertiaire (conformation tridimensionnelle) et quaternaire (association de sous-unités). | | Structure primaire | La séquence linéaire d'acides aminés d'une chaîne polypeptidique, déterminée génétiquement et maintenue par des liaisons peptidiques et, le cas échéant, par des ponts disulfure. | | Structure quaternaire | Organisation spatiale des protéines formées de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) associées, comme dans l'hémoglobine. | | Structure secondaire | Repliement local d'une chaîne polypeptidique en structures régulières telles que l'hélice $\alpha$ ou le feuillet $\beta$, stabilisé par des liaisons hydrogènes. | | Structure tertiaire | La conformation tridimensionnelle complète d'une chaîne polypeptidique unique, résultant des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés, et essentielle à l'activité biologique de la protéine. | | Tryptophane | Acide aminé aromatique contenant un cycle indolique, particulièrement sensible aux conditions d'hydrolyse acide forte qui peuvent le dégrader. | | Urée | Composé organique simple, souvent utilisé comme agent dénaturant pour rompre les liaisons hydrogènes et les interactions non covalentes dans les protéines. | | VLDL (Very Low Density Lipoprotein) | Classe de lipoprotéines caractérisée par une faible densité, principalement responsable du transport des triglycérides synthétisés par le foie. | | X-ray crystallography | Méthode d'analyse structurale utilisant la diffraction des rayons X pour déterminer la structure tridimensionnelle des molécules, y compris les protéines, avec une haute résolution. |

# Introduction à la biochimie et son rôle La biochimie est l'étude des réactions chimiques qui se déroulent au sein des êtres vivants, analysant leurs constituants cellulaires et leurs applications [1](#page=1). ### 1.1 Définition et champ d'étude * La biochimie, également appelée chimie biologique, se concentre sur les réactions chimiques fondamentales qui animent la vie [1](#page=1). * Elle vise à comprendre les structures, les fonctions et les interactions des macromolécules biologiques essentielles telles que : * Les glucides (exemples: glucose, amidon, glycogène) [2](#page=2). * Les lipides (exemples: phospholipides, stéroïdes) [2](#page=2). * Les protéines (exemples: enzymes, albumines, globulines) [2](#page=2). * Les acides nucléiques (ADN et ARN) [2](#page=2). ### 1.2 Applications de la biochimie Les découvertes et les connaissances issues de la biochimie trouvent des applications dans divers domaines [1](#page=1): * Médecine * Agriculture * Industrie alimentaire ### 1.3 La biochimie et la médecine La médecine et la biochimie sont intrinsèquement liées [1](#page=1). * **Santé**: Elle est synonyme d'un équilibre harmonieux des réactions biochimiques au sein de l'organisme [1](#page=1). * **Maladies**: Elles sont souvent le reflet d'anomalies dans les molécules biologiques ou les réactions biochimiques [1](#page=1). * Les connaissances en biochimie sont donc indispensables pour la pratique de la médecine et des sciences biomédicales [1](#page=1). * Les examens biochimiques de laboratoire, tels que les analyses sanguines, les dosages enzymatiques et les profils métaboliques, sont une composante essentielle du diagnostic et du suivi thérapeutique de nombreuses pathologies [1](#page=1). > **Tip:** Comprendre le lien entre la biochimie et la santé permet d'apprécier l'importance des analyses de laboratoire dans la prise en charge médicale. ### 1.4 Constituants chimiques de la cellule La cellule, unité fondamentale du vivant, est composée d'une combinaison de structures cellulaires (organites) et d'éléments chimiques. Ces éléments comprennent [2](#page=2): * L'eau ($H_2O$) [2](#page=2). * Les minéraux (ions tels que $Na^+$, $K^+$, $Ca^{2+}$, $Mg^{2+}$) [2](#page=2). * Les molécules organiques : * Glucides [2](#page=2). * Lipides [2](#page=2). * Protéines [2](#page=2). * Acides nucléiques [2](#page=2). ### 1.5 Domaines de la biochimie La biochimie peut être subdivisée en plusieurs domaines d'étude interdépendants [2](#page=2): * Biochimie structurale [2](#page=2). * Biochimie métabolique [2](#page=2). * Enzymologie [2](#page=2). > **Example:** La biochimie structurale étudie la forme tridimensionnelle d'une protéine, tandis que la biochimie métabolique explore les voies par lesquelles cette protéine participe à des réactions chimiques dans la cellule. L'enzymologie se concentre spécifiquement sur le rôle et le fonctionnement des enzymes, qui sont des protéines catalytiques essentielles à la vie. --- # Les glucides: structure, classification et propriétés Les glucides, également appelés hydrates de carbone ou sucres, sont des biomolécules fondamentales, omniprésentes dans la nature, jouant des rôles essentiels en tant que source d'énergie, de stockage, de précurseurs pour la synthèse d'autres biomolécules, et d'éléments structuraux. Ils se caractérisent par leur nature polyhydroxylée et la présence d'un groupement carbonyle (aldéhyde ou cétone), leur conférant une grande hydrophilie et un caractère réducteur [4](#page=4). ### 2.1 Classification des glucides La classification des glucides repose principalement sur deux critères: leur taille et la nature de leur fonction carbonyle [6](#page=6). #### 2.1.1 Les oses Les oses, ou monosaccharides, sont les glucides les plus simples. Ils sont constitués d'une chaîne carbonée linéaire de 3 à 8 atomes de carbone. Chaque carbone porte un groupement hydroxyle, à l'exception d'un seul qui porte un groupement carbonyle [5](#page=5). ##### 2.1.1.1 Critères de classification des oses Les oses sont classés selon : * **Le nombre d'atomes de carbone :** * Trioses (3 C) * Tétroses (4 C) * Pentoses (5 C) * Hexoses (6 C) * Etc. * **La nature de la fonction carbonyle :** * **Aldoses:** présence d'une fonction aldéhyde (–CHO). Leur nom se termine par "-ose". L'aldose le plus simple est le glycéraldéhyde [6](#page=6) [7](#page=7). * **Cétoses:** présence d'une fonction cétone (–C=O). Leur nom se termine par "-ulose", à l'exception du fructose. Le plus simple des cétoses est la dihydroxyacétone [14](#page=14) [6](#page=6). La combinaison de ces deux critères permet une nomenclature précise, par exemple un aldose à 6 carbones est un aldohexose. Les plus simples des oses sont les trioses, possédant une fonction aldéhyde ou cétone et deux fonctions alcool [6](#page=6). ##### 2.1.1.2 Structure et représentation des oses La représentation linéaire des oses utilise la projection de Fischer. Dans cette projection [7](#page=7): * Le squelette carboné est aligné verticalement [7](#page=7). * Le groupement carbonyle est placé au sommet (C1 pour les aldoses) [7](#page=7). * Les groupements hydroxyles sont représentés par des barres horizontales [7](#page=7). * Le carbone portant la fonction alcoolique secondaire est asymétrique, c'est-à-dire qu'il porte quatre radicaux différents [7](#page=7). **Numérotation des carbones :** 1. On commence par le carbone du groupe carbonyle: C1 pour un aldose (fonction –CHO en haut), ou le carbone du –CH₂OH en haut pour un cétose (le C2 portant la fonction cétone) [7](#page=7). 2. La numérotation descend vers le bas de la molécule [7](#page=7). > **Tip:** Pour simplifier, la chaîne carbonée est représentée par un trait vertical, et les groupes hydroxyles par des barres horizontales [7](#page=7). ##### 2.1.1.3 Configuration absolue : Série D et série L La configuration absolue d'un ose est déterminée par la position du groupement hydroxyle du carbone asymétrique le plus éloigné de la fonction carbonyle [8](#page=8). * **Série D:** Le groupement hydroxyle est orienté vers la droite de l'observateur [8](#page=8). * **Série L:** Le groupement hydroxyle est orienté vers la gauche de l'observateur [8](#page=8). D et L sont des images l'une de l'autre dans un miroir. Les oses naturels appartiennent presque exclusivement à la série D, les rares cas d'oses de série L se rencontrant chez les bactéries [8](#page=8). ##### 2.1.1.4 Isomérie des oses Les isomères sont des molécules ayant la même formule brute mais des formules structurales différentes [9](#page=9). * **Isomérie optique (énantiomères):** Les molécules possédant au moins un carbone asymétrique et pas de plan de symétrie sont optiquement actives. L'isomère optique d'une molécule est son image miroir non superposable. Chaque ose possède au moins un carbone asymétrique et donc des isomères optiques, appelés énantiomères. Les énantiomères ont les mêmes propriétés physicochimiques, sauf leur pouvoir rotatoire, qui est égal en valeur absolue mais opposé en signe [10](#page=10) [11](#page=11) [9](#page=9). * **Carbone asymétrique:** Carbone lié à quatre radicaux différents [9](#page=9). * **Molécule chirale:** Molécule optiquement active contenant au moins un carbone asymétrique et sans plan de symétrie [9](#page=9). * À l'exception de la dihydroxyacétone, tous les monosaccharides ont au moins un carbone asymétrique [10](#page=10). * **Activité optique (Pouvoir rotatoire):** Les molécules optiquement actives font dévier le plan de la lumière polarisée [10](#page=10). * **Dextrogyre (d ou +):** Déviation vers la droite, pouvoir rotatoire positif [10](#page=10). * **Lévogyre (l ou –):** Déviation vers la gauche, pouvoir rotatoire négatif [10](#page=10). * L'intensité de la déviation, exprimée en degrés, est le pouvoir rotatoire spécifique, une caractéristique propre à chaque substance [10](#page=10). * Les isomères optiques ont des pouvoirs rotatoires égaux en valeur absolue mais opposés en signe. L'appartenance à la série D ou L ne préjuge pas du pouvoir rotatoire (ex: D-glucose est dextrogyre, D-fructose est lévogyre) [11](#page=11). * **Diastéréoisomères:** Ce sont des isomères optiques non images miroir l'un de l'autre. Ils diffèrent par la configuration d'au moins un carbone asymétrique, mais pas tous [12](#page=12). * **Épimères:** Sous-catégorie des diastéréoisomères qui diffèrent par la configuration d'un seul et même carbone asymétrique. Par exemple, le glucose et le mannose sont épimères en C2 et le glucose et le galactose sont épimères en C4. L'organisme humain utilise préférentiellement les isomères de la série D. La différence de configuration, même sur un seul carbone, peut avoir des conséquences physiologiques importantes, comme dans le cas de la galactosémie congénitale due à l'absence d'enzyme de conversion du galactose [12](#page=12). * **Anomères:** Isomères qui diffèrent uniquement par la configuration du carbone anomérique, issu de la cyclisation (C1 pour les aldoses, C2 pour les cétoses). Ils apparaissent lors de la cyclisation des oses et sont notés α et β [12](#page=12) [17](#page=17). ##### 2.1.1.5 Filiation des aldoses et cétoses La filiation des oses décrit la synthèse d'oses par élongation de leur chaîne carbonée, le plus souvent par la méthode de synthèse cyanhydrique de Kiliani-Fisher. Ce procédé insère un nouveau carbone asymétrique sous la fonction carbonyle, générant deux isomères à chaque étape [13](#page=13). * Le **glycéraldéhyde** (aldotriose) est le précurseur des aldoses plus longs [13](#page=13). * Le processus d'élongation du glycéraldéhyde conduit aux tétroses, puis aux pentoses, et enfin aux hexoses. Par exemple, à partir du D-érythrose et du D-thréose, on obtient 4 pentoses, qui par élongation donneront 8 hexoses [13](#page=13). * La **dihydroxyacétone** (cétotriose) est le précurseur des cétoses, suivant un mécanisme d'élongation similaire [14](#page=14). Le nombre d'isomères pour les aldoses est de $2^{n-2}$ (où n est le nombre total de carbones) et pour les cétoses, il est de $2^{n-3}$ [14](#page=14). #### 2.1.2 Les osides Les osides sont des glucides formés par la liaison d'un ose (monosaccharide) avec une autre molécule. Ils se divisent en deux catégories : * **Holosides:** Formés par la liaison de deux oses ou plus [21](#page=21). * **Hétérosides:** Formés par la liaison d'un ose avec une molécule non osidique (appelée aglycone). Ces liaisons peuvent être des O-hétérosides (liaison avec un groupe -OH), N-hétérosides (liaison avec une amine), ou encore des liaisons avec des bases azotées pour former des nucléosides [21](#page=21). ### 2.2 Structure cyclique des oses En solution aqueuse, les oses comportant cinq atomes de carbone ou plus adoptent une forme cyclique plutôt que linéaire. Cette cyclisation se produit par une réaction intramoléculaire entre la fonction carbonyle et un groupement hydroxyle de la même molécule, formant un hémiacétal (pour les aldoses) ou un hémicétal (pour les cétoses) via une liaison covalente avec un atome d'oxygène (pont oxygène) [15](#page=15). * **Cyclisation des aldoses:** La cyclisation peut se faire entre le C1 et le C5 (pour former un cycle à 6 chaînons, un pyranose) ou entre le C1 et le C4 (pour former un cycle à 5 chaînons, un furanose) [15](#page=15). * **Cyclisation des cétoses:** Généralement entre le C2 et le C6 (cycle pyranose) ou C2 et C5 (cycle furanose) [16](#page=16). ##### 2.2.1 Projection de Haworth La projection de Haworth est une représentation des cycles d'oses : * Les carbones et l'oxygène cyclique sont considérés dans un plan horizontal [16](#page=16). * Les substituants situés à droite dans la projection de Fischer sont positionnés en dessous du plan du cycle [16](#page=16). * Les substituants situés à gauche dans la projection de Fischer, ainsi que le CH₂OH en C5 des oses de série D, sont positionnés au-dessus du plan du cycle [16](#page=16). ##### 2.2.2 Conformation spatiale des oses Les cycles d'oses adoptent des conformations tridimensionnelles, notamment les conformations "bateau" et "chaise". La conformation chaise est généralement la plus stable. Les oses naturels se présentent le plus souvent sous forme chaise [17](#page=17). ### 2.3 Propriétés physiques des oses * Les oses sont très solubles dans l'eau en raison de leurs nombreux groupements hydroxyles qui établissent des liaisons hydrogène [17](#page=17) [4](#page=4). * En solution, ils présentent un pouvoir rotatoire spécifique, utilisé pour leur identification et leur dosage [10](#page=10) [17](#page=17). * Leur structure est thermodégradable; le chauffage peut entraîner une caramélisation [17](#page=17). ### 2.4 Propriétés chimiques des oses Les propriétés chimiques des oses sont dues à la présence des fonctions carbonyle (ou hémiacétal/hémicétal) et hydroxyles [18](#page=18). #### 2.4.1 Réactions dues à la fonction carbonyle (groupement réducteur) Ces réactions incluent l'oxydation, la réduction et la condensation [18](#page=18) [20](#page=20) [21](#page=21). ##### 2.4.1.1 Oxydation des oses * **Oxydation enzymatique:** Catalysée par des enzymes comme les oxydases (ex: glucose oxydase pour le glucose formant l'acide gluconique). Cette réaction est à la base de la mesure de la glycémie [18](#page=18). * **Oxydation chimique :** * **Oxydation douce:** En milieu alcalin, seule la fonction aldéhyde est oxydée en fonction carboxylique, formant un acide aldonique [19](#page=19). * **Oxydation forte:** Avec des oxydants forts comme l'acide nitrique (HNO₃), la fonction aldéhyde et l'alcool primaire sont oxydés, conduisant à des acides aldariques (deux fonctions carboxyliques en C1 et C6 pour les aldoses). Chez les cétoses, l'oxydation forte provoque la coupure du squelette carboné [19](#page=19). * **Oxydation par les sels de métaux lourds:** En milieu alcalin à chaud, les sels métalliques (comme la liqueur de Fehling) oxydent l'ose en se réduisant. Les aldoses sont réducteurs et transforment l'oxyde cuivrique bleu en oxyde cuivreux rouge brique. Les cétoses sont très peu réducteurs dans ces conditions [19](#page=19) [20](#page=20). ##### 2.4.1.2 Réduction des oses La réduction des fonctions aldéhydes et cétones par des agents réducteurs comme les borohydrures alcalins (LiBH₄, NaBH₄) transforme les oses en polyols (alcools de sucre). Les aldoses donnent un polyol, tandis que les cétoses donnent deux polyols épimères en C2. Ces polyols portent la terminaison "-itol" (ex: sorbitol, mannitol) [20](#page=20). ##### 2.4.1.3 Condensation La fonction OH du carbone anomérique peut se condenser avec une fonction alcool d'une autre molécule pour former une liaison osidique, aboutissant à des holosides ou des hétérosides. La condensation avec une amine peut former des N-hétérosides. Cette réaction est également fondamentale dans la formation des nucléosides par condensation avec des bases azotées [21](#page=21). #### 2.4.2 Réactions dues à la fonction alcool ##### 2.4.2.1 Estérification Les oses peuvent être estérifiés sur leurs fonctions alcool, souvent avec l'acide phosphorique, formant des esters phosphoriques [21](#page=21) [22](#page=22). ##### 2.4.2.2 Déshydratation en milieu acide En milieu acide fort et à chaud, les oses (surtout ceux avec au moins cinq carbones) subissent une déshydratation conduisant à la formation de cycles [22](#page=22). * Les pentoses forment du furfural [22](#page=22). * Les hexoses forment de l'hydroxyméthylfurfural (HMF) [22](#page=22). --- # Les osides: oligosides et polyosides Ce chapitre explore la classification et les caractéristiques des osides, en se concentrant sur les oligosides et les polyosides. ### 3.1 Définition générale des osides Les osides sont des molécules dont l'hydrolyse libère deux ou plusieurs molécules d'oses, identiques ou différentes. On distingue deux grands groupes: les holosides, dont l'hydrolyse ne produit que des oses, et les hétérosides, qui libèrent des oses et une partie non glucidique appelée aglycone. Les osides peuvent également se lier à d'autres types de molécules comme des protéines (glycoprotéines), des lipides (glycolipides) ou des bases azotées (nucléosides) [23](#page=23). Les holosides résultent de la condensation de molécules d'oses par l'intermédiaire de liaisons osidiques. Une liaison osidique est caractérisée par la nature des oses impliqués, leur forme cyclique (pyrane ou furane) et la configuration anomérique de la liaison (α ou β) [23](#page=23). ### 3.2 Oligosides Les oligosides sont des osides composés de 2 à 10 molécules d'oses. Ils incluent les disaccharides, trisaccharides, tétrasaccharides, etc. [23](#page=23). #### 3.2.1 Les disaccharides Les disaccharides sont formés de deux molécules d'oses reliées par une liaison osidique. On les classe selon que leur fonction réductrice est libre ou engagée [23](#page=23). * **Diholosides non réducteurs:** Dans ces disaccharides, les deux oses sont engagés par leur groupe réducteur, ce qui bloque les deux oses dans une forme anomérique spécifique. Un exemple est le D-glucopyranosyl(α 1β1) D-glucopyranoside [23](#page=23). * **Diholosides réducteurs:** La liaison osidique se forme entre le groupe réducteur du premier ose et un groupe hydroxyle alcoolique du deuxième ose. La fonction carbonyle du deuxième ose reste libre, permettant l'existence de deux formes anomériques (α ou β) [23](#page=23). > **Tip:** La nomenclature des osides utilise le suffixe "-ose" pour un ose dont la fonction hémiacétalique est libre, "-osyl" pour le premier ose dont la fonction hémiacétalique est engagée dans la liaison, et "-oside" pour le dernier ose dont la fonction hémiacétalique est également engagée [24](#page=24). **Exemples de disaccharides :** * **Lactose:** Le sucre du lait, principal oside du lait de tous les mammifères. Il s'agit du D-galactopyranosyl(β1→4) D-glucopyranose. C'est un disaccharide réducteur [24](#page=24). * **Saccharose:** Le sucre de table, également trouvé dans la canne à sucre, les fruits et le miel. Il est composé d'une molécule de glucose et d'une molécule de fructose, unies par une liaison α 1→β2- osidique. C'est un disaccharide non réducteur [24](#page=24). * **Maltose:** Produit de l'hydrolyse des polyosides (amidon et glycogène) par des enzymes comme les amylases. Il est formé de deux molécules de glucose unies par une liaison α1→4 osidique. C'est un disaccharide réducteur. Sa nomenclature est D-glucopyranosyl(α1→4) D- glucopyranose [24](#page=24). #### 3.2.2 Hydrolyse enzymatique des disaccharides Les disaccharidases sont des enzymes spécifiques qui hydrolysent les disaccharides. Chaque enzyme reconnaît la nature des oses impliqués, la position de la liaison (par exemple, 1→4) et la configuration anomérique (α ou β) [25](#page=25). * **Exemple:** La lactase (β galactosidase) hydrolyse le lactose en glucose et galactose, tandis que la saccharase (α glucosidase) hydrolyse le saccharose en glucose et fructose [25](#page=25). ### 3.3 Polyosides Les polyosides sont formés de nombreuses molécules d'oses unies par des liaisons O-glycosidiques. Ils se différencient par le type et le nombre d'oses, le type de liaison entre les oses, et leur structure linéaire ou ramifiée. On distingue les homopolyosides et les hétéropolyosides [25](#page=25). #### 3.3.1 Homopolyosides Les homopolyosides résultent de la condensation de molécules d'oses identiques [25](#page=25). * **Amidon:** Fonctionne comme réserve énergétique chez les végétaux et est une source alimentaire humaine fondamentale. Il est composé de deux homopolyosides: l'amylose (environ 15 à 30%) avec des liaisons α-1,4, et l'amylopectine (environ 70 à 85%) avec des liaisons α-1,4 et α-1,6 [26](#page=26). * **Glycogène:** Polyoside de réserve chez l'homme, stocké dans le foie et les muscles. C'est un polyoside ramifié composé d'unités de D-glucose liées par des liaisons osidiques intra-chaînes (α 1→4) et interchaînes (α 1→6). Les ramifications se produisent environ tous les 10 résidus. L'hydrolyse est assurée par des α 1→4 glucosidases (α amylase salivaire et pancréatique) et des α 1→6 glucosidases (enzyme débranchante). La structure du glycogène est donc formée de molécules de glucose liées par des liaisons glycosidiques α 1,4, avec des branches créées par des liaisons glycosidiques α 1,6 tous les environ 10 résidus [26](#page=26). * **Cellulose:** Bien que mentionnée comme un exemple d'homopolyoside sa structure et sa fonction ne sont pas détaillées dans les pages fournies [25](#page=25). #### 3.3.2 Hétéropolyosides Les hétéropolyosides sont formés par la condensation de molécules d'oses différentes [25](#page=25). ### 3.4 Hétérosides Les hétérosides sont le résultat d'une association covalente de glucides avec d'autres molécules non glucidiques, appelées génine ou aglycone. La fonction réductrice d'un ose peut se lier à différents types de groupes [26](#page=26): * Hydroxyle alcoolique (par exemple, sur la sérine ou la thréonine d'une protéine) pour former une liaison O-hétéroside [26](#page=26). * L'azote d'une base purique ou pyrimidique pour former une liaison N-hétéroside [26](#page=26). * Un carbone de la génine pour former une liaison C-hétéroside [26](#page=26). * Un groupement thiol (-SH) pour former une liaison S-hétéroside [26](#page=26). Les types de molécules non glucidiques (aglycanes) associées aux hétérosides sont variés [27](#page=27): * **Lipides:** conduisant à des glycolipides [27](#page=27). * **Protéines :** * **Protéoglycanes (PG):** polymères glucidiques majoritaires associés à une protéine [27](#page=27). * **Peptidoglycanes:** un réseau de polyosides relié par de nombreux petits peptides [27](#page=27). * **Glycoprotéines (GP):** protéines majoritaires auxquelles sont greffées des chaînes glucidiques courtes [27](#page=27). * **Protéines glyquées:** caractérisées par la fixation d'une unité de glucose sur des protéines plasmatiques [27](#page=27). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Biochimie | Branche de la science qui étudie les réactions chimiques qui se déroulent au sein des êtres vivants, y compris les structures, fonctions et interactions des macromolécules biologiques. | | Organismes unicellulaires | Êtres vivants composés d'une seule cellule, tels que les protophytes (végétaux unicellulaires) et les levures (champignons unicellulaires). | | Organismes pluricellulaires | Êtres vivants composés de plusieurs cellules, généralement des eucaryotes, incluant les métaphytes (végétaux pluricellulaires) et les métazoaires (animaux pluricellulaires). | | Glucides | Biomolécules les plus abondantes sur Terre, souvent appelées sucres, qui servent de source et de stockage d'énergie, de précurseurs de biomolécules et de composants structuraux. | | Lipides | Molécules organiques insolubles dans l'eau, essentielles à la structure cellulaire (membranes) et au stockage d'énergie. | | Protéines | Macromolécules composées d'acides aminés, jouant des rôles variés tels que catalyseurs (enzymes), transporteurs et éléments structuraux. | | Acides nucléiques | Molécules responsables du stockage et de la transmission de l'information génétique, comme l'ADN (acide désoxyribonucléique) et l'ARN (acide ribonucléique). | | Oses | Monosaccharides, les glucides les plus simples, constitués d'une chaîne carbonée polyhydroxylée portant une fonction aldéhyde (aldoses) ou cétone (cétoses). | | Isomérie optique | Propriété de molécules chirales qui sont des images miroir non superposables l'une de l'autre, résultant de la présence d'au moins un carbone asymétrique. | | Carbone asymétrique | Un atome de carbone lié à quatre groupes ou atomes différents, conduisant à l'existence d'énantiomères. | | Pouvoir rotatoire | Capacité d'une substance chirale à faire pivoter le plan de la lumière polarisée ; positif (+) pour dextrogyre (rotation à droite) et négatif (-) pour lévogyre (rotation à gauche). | | Diastéréoisomères | Stéréoisomères qui ne sont pas des images miroir l'un de l'autre et diffèrent par la configuration d'au moins un carbone asymétrique, mais pas tous. | | Épimères | Type particulier de diastéréoisomères qui diffèrent par la configuration d'un seul carbone asymétrique. | | Anomères | Isomères formés lors de la cyclisation des oses, qui diffèrent par la configuration du carbone anomérique (le carbone qui portait la fonction carbonyle dans la forme linéaire). | | Filiation des aldoses | Processus chimique (comme la synthèse de Kiliani-Fischer) qui allonge la chaîne carbonée d'un aldose par l'insertion d'un nouveau carbone asymétrique. | | Structure cyclique des oses | Conformation des oses en solution aqueuse où la fonction aldéhyde ou cétone réagit avec un groupe hydroxyle pour former un hémiacétal cyclique. | | Projection de Haworth | Représentation schématique des structures cycliques des oses, montrant le cycle dans un plan avec les substituants au-dessus ou en dessous. | | Liaison osidique | Liaison covalente formée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupe hydroxyle d'un autre ose ou d'une autre molécule, libérant une molécule d'eau. | | Holosides | Osides dont l'hydrolyse libère uniquement des molécules d'oses ; incluent les oligosides (2-10 oses) et les polyosides (>10 oses). | | Hétérosides | Osides formés par la liaison d'un ou plusieurs oses avec une partie non glucidique appelée aglycone. | | Oligosides | Osides constitués de 2 à 10 unités d'oses, tels que les disaccharides (ex: maltose, lactose, saccharose). | | Polyosides | Polysaccharides formés par la condensation de nombreuses unités d'oses ; peuvent être des homopolyosides (oses identiques, ex: amidon, cellulose) ou des hétéropolyosides (oses différents). | | Amidon | Homopolyoside végétal servant de réserve énergétique, composé d'amylose et d'amylopectine. | | Glycogène | Homopolyoside de réserve chez les animaux, principalement stocké dans le foie et les muscles, formé de glucose avec des ramifications. | | Liaison O-glycosidique | Liaison osidique formée entre le carbone anomérique d'un ose et un groupe hydroxyle d'une autre molécule (souvent un alcool). | | Liaison N-glycosidique | Liaison osidique formée entre le carbone anomérique d'un ose et l'azote d'une base azotée (dans les nucléosides). |

# Structure et classification des lipides Les lipides sont des composés organiques caractérisés par leur insolubilité dans l'eau et leur solubilité dans les solvants organiques, et se divisent en lipides simples et complexes [1](#page=1). ### 1.1 Définition et propriétés générales des lipides Les lipides sont des composés organiques principalement constitués de carbone, d'hydrogène et d'oxygène (C, H, O). Leur caractéristique distinctive est leur insolubilité dans l'eau, mais leur solubilité dans des solvants organiques tels que le chloroforme, l'éther et le benzène. La majorité de ces molécules sont formées d'un acide gras et d'un alcool. D'autres substances partageant un caractère hydrophobe, comme les stéroïdes et les vitamines liposolubles (A, D, E, K), sont également rattachées à la famille des lipides [1](#page=1). > **Tip:** Le caractère hydrophobe des lipides est crucial pour leur rôle dans la formation des membranes cellulaires. ### 1.2 Rôles des lipides Les lipides représentent environ 20 % du poids corporel et jouent plusieurs rôles essentiels dans l'organisme [1](#page=1): * **Source d'énergie:** Les acides gras constituent une source d'énergie significative, particulièrement lors de la $\beta$-oxydation qui se déroule dans les mitochondries [1](#page=1). * **Constitution des membranes cellulaires:** Les acides gras participent à la formation des phospholipides, composants fondamentaux des membranes cellulaires [1](#page=1). * **Isolement et protection des organes:** Le tissu adipeux, composé de lipides, assure l'isolation thermique du corps et protège les organes vitaux [2](#page=2). * **Transport des vitamines:** Les lipides facilitent l'absorption des vitamines liposolubles (A, D, E, K), indispensables à divers processus biologiques [2](#page=2). * **Stockage d'énergie:** Les acides gras sont stockés sous forme de triacylglycérols dans les cellules adipeuses, servant de réserves énergétiques [2](#page=2). * **Synthèse de molécules de signalisation:** Ils sont impliqués dans la synthèse de molécules telles que les prostaglandines, les thromboxanes et les leucotriènes [2](#page=2). ### 1.3 Classification des lipides Les lipides sont généralement subdivisés en deux catégories principales: les lipides simples et les lipides complexes [2](#page=2). #### 1.3.1 Lipides simples (homolipides) Les lipides simples, également appelés homolipides, sont composés uniquement d'atomes de carbone, d'hydrogène et d'oxygène (C, H, O). Ils résultent de l'estérification d'un alcool par un acide gras. Selon la nature de l'alcool utilisé, on distingue trois classes de lipides simples [12](#page=12) [2](#page=2): * **Glycérides:** Formés lorsque l'alcool est le glycérol. Les glycérides sont aussi appelés acylglycérols. Le glycérol est un triol possédant trois fonctions alcool, deux primaires ($\alpha$ et $\alpha'$) et une secondaire ($\beta$) [12](#page=12). * **Cérides:** Formés lorsque l'alcool possède une longue chaîne carbonée non ramifiée et un nombre pair d'atomes de carbone. Les cérides ont des températures de fusion élevées, ce qui les rend solides à température ambiante, et sont très apolaires, donc insolubles dans l'eau [16](#page=16) [17](#page=17). * **Stérides:** Formés lorsque l'alcool est un stérol, comme le cholestérol. Les stérides incluent diverses hormones stéroïdiennes telles que le cortisol (glucocorticoïde), l'aldostérone (minéralocorticoïde), la testostérone, l'œstradiol et la progestérone [12](#page=12) [16](#page=16). > **Example:** Les graisses alimentaires (triglycérides) sont un exemple courant de glycérides. La cire d'abeille est un exemple de cérides. #### 1.3.2 Lipides complexes Les lipides complexes contiennent, en plus du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène, un ou plusieurs hétéroatomes tels que le phosphore (P), le soufre (S) ou l'azote (N). Ils constituent les principaux composants des membranes biologiques et, grâce à leur imperméabilité, permettent de délimiter les différents compartiments cellulaires. Les principales catégories de lipides complexes sont [17](#page=17): * **Glycérophospholipides:** La molécule de base est l'acide phosphatidique. Il est constitué d'une molécule de glycérol estérifiée par deux acides gras et une molécule d'acide phosphorique sur la troisième fonction alcool. Souvent, l'un des acides gras est saturé (en position C1) et l'autre est insaturé (en position C2). La substitution de l'acide phosphorique par d'autres groupes chimiques permet d'obtenir différents types de phospholipides [17](#page=17). * **Sphingolipides :** (Bien que mentionnés, les détails ne sont pas fournis dans les pages spécifiées pour cette section.) * **Glycolipides :** (Bien que mentionnés, les détails ne sont pas fournis dans les pages spécifiées pour cette section.) > **Tip:** La structure amphiphile (présence de régions hydrophiles et hydrophobes) des lipides complexes est fondamentale pour la formation des bicouches lipidiques des membranes cellulaires. --- # Acides gras : caractéristiques et nomenclature Cette section explore la structure fondamentale des acides gras, leur classification basée sur la saturation et la longueur de la chaîne carbonée, ainsi que les différentes méthodes de nomenclature utilisées en chimie. ### 2.1 Structure et caractéristiques générales des acides gras Les acides gras sont des acides monocarboxyliques de formule générale $R-COOH$. Le radical $R$ est une chaîne aliphatique de type hydrocarbure dont la longueur est variable et confère à la molécule son caractère hydrophobe. La fonction acide, quant à elle, constitue la partie hydrophile de la molécule [3](#page=3). La grande majorité des acides gras naturels partagent plusieurs caractéristiques communes : * Une chaîne linéaire [3](#page=3). * Un nombre pair d'atomes de carbone. La plupart des acides gras naturels comportent entre 14 et 24 atomes de carbone et plus spécifiquement entre 12 et 18 atomes de carbone pour la majorité. Le plus petit acide gras naturel est l'acide butyrique, composé de 4 atomes de carbone [3](#page=3) [4](#page=4). * Ils peuvent être saturés (sans double liaison) ou insaturés (avec une ou plusieurs doubles liaisons). Le nombre maximal de doubles liaisons dans les acides gras naturels est de 6 [3](#page=3) [4](#page=4). Les acides gras sont des molécules amphipathiques, possédant un pôle hydrophile (la fonction acide) et une région hydrophobe (la chaîne hydrocarbonée). Les chaînes hydrocarbonées peuvent être linéaires, cycliques ou ramifiées. Elles ne sont pas hydrolysables dans le contexte de leur structure seule [3](#page=3). > **Tip:** La nature amphipathique des acides gras est cruciale pour la formation des membranes cellulaires et de structures comme les micelles. ### 2.2 Classification des acides gras La classification des acides gras repose principalement sur deux critères: la présence ou l'absence de doubles liaisons et le nombre d'atomes de carbone dans la chaîne aliphatique [4](#page=4). #### 2.2.1 Classification selon la saturation * **Acides gras saturés (AGS)**: Ils ne possèdent aucune double liaison dans leur chaîne carbonée. Leur formule générale est $C_nH_{2n}O_2$. Ils sont les plus abondants chez les mammifères [4](#page=4). * Exemple: L'acide palmitique est un AGS de 16 carbones, sa notation symbolique est $C_{16:0}$ et sa formule est $CH_3(CH_2)_{14}COOH$. L'acide stéarique est un AGS de 18 carbones, noté $C_{18:0}$ [5](#page=5) [7](#page=7). * **Acides gras insaturés (AGI)**: Ils possèdent au moins une double liaison dans leur chaîne carbonée. Leur formule générale est $C_nH_{2n-2x}O_2$, où $x$ représente le nombre de doubles liaisons. La plupart des acides gras insaturés naturels ont des longueurs de chaînes comprises entre 16 et 20 carbones [5](#page=5). > **Tip:** La présence de doubles liaisons, surtout en configuration *cis*, introduit des coudes dans la chaîne carbonée, ce qui affecte la fluidité et le point de fusion de l'acide gras. La classification des AGI se subdivise en : * **Acides gras mono-insaturés**: Ils possèdent une seule double liaison, généralement située entre les carbones $C_9$ et $C_{10}$ (monoéniques ou monoinsaturés) [5](#page=5). * Exemple: L'acide oléique est un mono-insaturé avec 18 carbones et une double liaison en position 9, noté $C_{18:1}\Delta^9$ ou $\omega9$ [5](#page=5) [6](#page=6). * **Acides gras poly-insaturés (AGPI)**: Ils comportent plusieurs doubles liaisons séparées par un ou plusieurs groupements méthylène ($CH_2$). Les doubles liaisons multiples ne sont pas conjuguées [5](#page=5). * Exemples: L'acide linoléique ($C_{18:2}\Delta^{9,12}$) et l'acide $\alpha$-linolénique ($C_{18:3}\Delta^{9,12,15}$) sont des AGPI essentiels qui doivent être apportés par l'alimentation. L'acide arachidonique ($C_{20:4}\Delta^{5,8,11,14}$) est également un AGPI important [5](#page=5) [6](#page=6). #### 2.2.2 Classification selon la longueur de la chaîne carbonée En fonction du nombre d'atomes de carbone, on distingue : * **Acide gras à chaîne courte**: 2 à 10 carbones. Seuls ces acides gras sont solubles dans l'eau [10](#page=10) [4](#page=4). * **Acide gras à chaîne moyenne**: 12 à 18 carbones [4](#page=4). * **Acide gras à chaîne longue**: 20 à 36 carbones [4](#page=4). > **Tip:** La longueur de la chaîne carbonée et le degré d'insaturation sont les principaux déterminants des propriétés physico-chimiques des acides gras, notamment leur solubilité et leur point de fusion [10](#page=10). ### 2.3 Nomenclature des acides gras Il existe plusieurs systèmes de nomenclature pour désigner les acides gras. #### 2.3.1 Nomenclature internationale (systématique) Cette nomenclature chimique utilise l'ajout du suffixe "-oïque" pour les acides gras saturés et "-énoïque" pour les acides gras insaturés, en précisant la position des doubles liaisons et leur configuration (cis ou trans) [7](#page=7). * Acide palmitique (saturé, 16 carbones): acide hexadécanoïque. Notation symbolique: $C_{16:0}$ [7](#page=7). * Acide oléique (18 carbones, 1 double liaison): acide 9-octadécénoïque. Notation symbolique: $C_{18:1}\Delta^9$, cis [7](#page=7). * Acide linoléique (18 carbones, 2 doubles liaisons): acide 9,12-octadéca**di**énoïque. Notation symbolique: $C_{18:2}\Delta^{9,12}$, cis [7](#page=7). Pour les acides gras saturés, le symbole $C_n:0$ indique $n$ atomes de carbone et l'absence de double liaison [7](#page=7). #### 2.3.2 Nomenclature symbolique Cette notation, souvent utilisée, résume le nombre d'atomes de carbone et le nombre de doubles liaisons. * $C_n : m$ où $n$ est le nombre d'atomes de carbone et $m$ est le nombre de doubles liaisons. * Exemple : $C_{16:0}$ pour l'acide palmitique, $C_{18:1}$ pour l'acide oléique, $C_{18:2}$ pour l'acide linoléique. #### 2.3.3 Détermination de la position des doubles liaisons : $\Delta$ et $\omega$ La position des doubles liaisons dans les acides gras insaturés peut être exprimée de deux manières principales [8](#page=8) [9](#page=9): * **Par rapport au groupe carboxyle ($\Delta$)**: La numérotation commence par le carbone du groupe carboxyle ($COOH$) comme carbone 1. Le symbole $\Delta$ indique la position des doubles liaisons [8](#page=8). * $C_n: x \Delta^{m,n,...}$ où $n$ est le nombre de carbones, $x$ le nombre de doubles liaisons, et $m, n,...$ sont les positions des doubles liaisons à partir du $C_1$ [9](#page=9). * Exemple: Acide linoléique: $C_{18:2}\Delta^{9,12}$. Les doubles liaisons sont situées entre $C_9$ et $C_{10}$, et entre $C_{12}$ et $C_{13}$ [9](#page=9). * **Par rapport au groupe méthyle terminal ($\omega$ ou $n$)**: La numérotation commence par le carbone du groupe méthyle ($CH_3$) terminal comme carbone 1. Le symbole $\omega$ (oméga) est couramment utilisé en médecine clinique [8](#page=8). * $C_n: m \omega p$ où $n$ est le nombre d'atomes de $C$, $m$ le nombre de doubles liaisons, et $p$ la position de la première double liaison à partir du groupe méthyle terminal [8](#page=8). * Exemple: Acide linoléique: $C_{18:2}\omega6$. Cela signifie 18 atomes de carbone, 2 doubles liaisons, et la première double liaison se trouve sur le 6ème atome de carbone en partant du $CH_3$ terminal [8](#page=8) [9](#page=9). * Exemple: Acide $\alpha$-linolénique: $C_{18:3}\omega3$. Sa première double liaison se trouve sur le 3ème atome de carbone à partir du méthyle terminal [9](#page=9). > **Tip:** La nomenclature en $\omega$ est particulièrement utile pour classer les acides gras insaturés en "familles" (par exemple, les $\omega$-3, $\omega$-6) qui ont des rôles métaboliques distincts. #### 2.3.4 Configuration cis et trans La présence d'une double liaison confère deux configurations possibles à la chaîne aliphatique : * **Configuration *cis***: Les atomes d'hydrogène ($H$) substitués sont du même côté par rapport à la double liaison [6](#page=6). * **Configuration *trans***: Les atomes d'hydrogène ($H$) substitués se trouvent de part et d'autre de la double liaison [6](#page=6). La plupart des acides gras naturels sont de configuration *cis*. La configuration *trans*, souvent issue de processus industriels d'hydrogénation, a des implications métaboliques différentes et est moins courante dans la nature [6](#page=6). ### 2.4 Propriétés physico-chimiques des acides gras Les propriétés physiques des acides gras sont principalement déterminées par la longueur et le degré d'insaturation de leur chaîne carbonée [10](#page=10). * **Solubilité dans l'eau**: Elle diminue avec l'allongement de la chaîne carbonée. Les acides gras avec des chaînes supérieures à 10 atomes de carbone deviennent quasiment insolubles dans l'eau, le caractère apolaire dominant le caractère polaire. Seuls les acides gras à chaîne courte (C4, C6) sont solubles dans l'eau. La présence de doubles liaisons influence également la solubilité [10](#page=10). * **Densité (masse volumique)**: La densité moyenne des acides gras se situe entre 0,8 et 0,95 g·cm⁻³. Cela explique pourquoi les huiles flottent sur l'eau [10](#page=10). > **Example:** L'acide butyrique ($C_4$) est soluble dans l'eau, tandis que l'acide palmitique ($C_{16}$) et l'acide oléique ($C_{18}$) sont insolubles. --- # Propriétés physiques et chimiques des acides gras Ce chapitre explore les propriétés physiques et chimiques fondamentales des acides gras, qui dictent leur comportement et leurs fonctions dans les systèmes biologiques. ### 3.1 Propriétés physiques des acides gras Les propriétés physiques des acides gras sont principalement déterminées par la longueur de leur chaîne carbonée et leur degré d'insaturation [10](#page=10). #### 3.1.1 Solubilité dans l'eau La solubilité des acides gras dans l'eau est influencée par deux facteurs majeurs [10](#page=10): * **La longueur de la chaîne carbonée:** La solubilité diminue avec l'allongement de la chaîne carbonée. Les acides gras deviennent quasiment insolubles lorsque la chaîne contient 10 atomes de carbone ou plus, car le caractère apolaire de la longue chaîne domine le caractère polaire du groupe carboxyle. Seuls les acides gras à chaîne courte (C4, C6) sont solubles dans l'eau [10](#page=10). * **La présence d'une ou plusieurs doubles liaisons :** L'insaturation tend à améliorer légèrement la solubilité par rapport à un acide gras saturé de même longueur de chaîne, bien que ce ne soit pas le facteur dominant. #### 3.1.2 Densité (masse volumique) La densité moyenne des acides gras se situe approximativement entre 0,8 et 0,95 g·cm⁻³. Cette densité inférieure à celle de l'eau explique pourquoi les huiles flottent à la surface de l'eau [10](#page=10). #### 3.1.3 Point de fusion Le point de fusion est la température à laquelle un acide gras passe de l'état solide à l'état liquide. Ce paramètre varie significativement en fonction de deux éléments clés [11](#page=11): * **Le nombre de carbones (n):** Plus le nombre de carbones dans la chaîne est important, plus le point de fusion est élevé [11](#page=11). * Les acides gras sont généralement liquides si n < 10 carbones [11](#page=11). * Ils sont généralement solides si n > 10 carbones [11](#page=11). * **Le degré d'insaturation:** L'augmentation du nombre de doubles liaisons entraîne une diminution de la température de fusion [11](#page=11). * **Exemple:** L'acide stéarique (C18:0), saturé, a un point de fusion de 69 °C. L'acide oléique (C18:1), monoinsaturé, fond à 13 °C. L'acide linoléique (C18:2), polyinsaturé, fond à -5 °C [11](#page=11). > **Tip:** La différence de point de fusion entre les acides gras saturés et insaturés est cruciale pour comprendre la fluidité des membranes cellulaires et l'état physique des graisses à température ambiante. ### 3.2 Propriétés chimiques des acides gras Les propriétés chimiques des acides gras découlent de la réactivité de deux de leurs composants principaux: le groupe carboxyle (–COOH) et les éventuelles doubles liaisons carbone-carbone [11](#page=11). #### 3.2.1 Réactions dues à la fonction carboxyle (–COOH) ##### 3.2.1.1 Formation de sels alcalins (les savons) En présence d'une base forte comme l'hydroxyde de sodium (NaOH) ou l'hydroxyde de potassium (KOH), les acides gras réagissent pour former des sels alcalins, communément appelés savons. Cette réaction est une neutralisation acide-base [11](#page=11). La réaction générale est la suivante : $$R\text{-}COOH + NaOH \rightarrow R\text{-}COO^-Na^+ + H_2O$$ où $R\text{-}COO^-Na^+$ représente le sel de sodium, un savon [11](#page=11). ##### 3.2.1.2 Estérification L'action d'un alcool sur un acide gras, en présence d'un catalyseur acide, conduit à la formation d'un ester et d'eau. Cette réaction est fondamentale pour la formation des lipides simples et complexes [11](#page=11). La réaction générale est la suivante : $$R\text{-}COOH + R'\text{-}OH \rightleftharpoons R\text{-}COO\text{-}R' + H_2O$$ où $R\text{-}COO\text{-}R'$ est un ester [11](#page=11). Dans les organismes vivants, les acides gras sont presque toujours présents sous forme d'esters, liés à divers types d'alcools, notamment le glycérol pour former les triglycérides [11](#page=11). #### 3.2.2 Réactions dues à la présence de doubles liaisons Les doubles liaisons carbone-carbone dans les chaînes d'acides gras insaturés sont des sites de réactivité chimique. Bien que non détaillées dans les pages fournies, ces réactions incluent typiquement : * **Hydrogénation :** Addition d'hydrogène sur les doubles liaisons, les transformant en liaisons simples et rendant l'acide gras saturé. Ce processus est utilisé industriellement pour solidifier les huiles végétales (margarine, shortening). * **Halogénation :** Addition d'halogènes (comme le brome) sur les doubles liaisons, permettant de les détecter et de quantifier le degré d'insaturation. * **Oxydation :** Les doubles liaisons sont sensibles à l'oxydation, ce qui peut entraîner le rancissement des graisses. Les réactions d'auto-oxydation sont initiées par des radicaux libres. * **Polymérisation :** Dans certaines conditions, les acides gras insaturés peuvent polymériser. --- # Types de lipides : glycérides, stérides et cérides Ce chapitre détaille les principales classes de lipides simples, incluant les glycérides, les stérides et les cérides, en abordant leur structure, leurs propriétés et leurs rôles biologiques. ### 4.1 Introduction aux lipides simples Les lipides simples, également appelés homolipides, sont des corps composés de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, résultant de l'estérification d'un alcool par un acide gras. En fonction de la nature de l'alcool estérifié, on distingue trois classes principales de lipides simples: les glycérides (lorsque l'alcool est le glycérol), les cérides (lorsque l'alcool possède une longue chaîne carbonée) et les stérides (lorsque l'alcool est un stérol comme le cholestérol) [12](#page=12). ### 4.2 Les glycérides (acylglycérides) Les glycérides, ou acylglycérols, sont des esters formés par la réaction entre le glycérol et des acides gras. Le glycérol est un triol, possédant trois fonctions alcool: deux primaires (notées $\alpha$ et $\alpha'$) et une secondaire (notée $\beta$) [12](#page=12). #### 4.2.1 Classification des glycérides Selon le nombre de fonctions alcool du glycérol estérifiées par des acides gras, on distingue : * **Monoglycérides**: un groupe hydroxyle du glycérol est estérifié [13](#page=13). * **Diglycérides**: deux groupes hydroxyles du glycérol sont estérifiés [13](#page=13). * **Triglycérides**: trois groupes hydroxyles du glycérol sont estérifiés [13](#page=13). Les glycérides peuvent également être classés selon la nature des acides gras : * **Glycérides simples homogènes**: tous les acides gras sont identiques (R1=R2 ou R1=R2=R3) [13](#page=13). * **Glycérides mixtes hétérogènes**: les acides gras sont différents [13](#page=13). #### 4.2.2 Propriétés et rôles des glycérides Les glycérides sont souvent appelés "graisses neutres" en raison de l'absence de charge nette [13](#page=13). * **Solubilité**: les monoglycérides et les diglycérides sont amphipathiques, tandis que les triglycérides sont très hydrophobes et insolubles dans l'eau [13](#page=13). * **Point de fusion**: les triglycérides contenant des acides gras saturés sont solides à température ambiante, alors que ceux contenant des acides gras insaturés sont liquides [13](#page=13). * **Hydrolyse**: l'hydrolyse, qu'elle soit acide ou enzymatique (par des lipases), libère du glycérol et des acides gras. L'hydrolyse alcaline produit des sels alcalins d'acides gras, communément appelés "savons" [13](#page=13). ##### 4.2.2.1 Rôles des triglycérides Les triglycérides n'ont pas de rôle structural majeur, mais sont essentiels comme réserve et source d'énergie, fournissant environ 9 kilocalories par gramme [13](#page=13). * **Stockage d'énergie**: ils sont stockés dans le tissu adipeux et mobilisés en cas de déficit énergétique, étant dégradés en acides gras pour la production d'ATP [13](#page=13). * **Isolation thermique**: le tissu adipeux sous-cutané assure une isolation thermique [13](#page=13). * **Rôles du tissu adipeux viscéral**: ce tissu, situé autour des organes, peut produire des facteurs d'inflammation et est associé à un risque accru de maladies cardiovasculaires et de diabète [13](#page=13). #### 4.2.3 Hydrolyse des triglycérides L'hydrolyse des triglycérides alimentaires est une étape cruciale pour leur absorption intestinale, car les molécules intactes ne peuvent traverser la barrière intestinale. Cette hydrolyse est principalement assurée par la lipase pancréatique, qui transforme les triglycérides en monoglycérides et deux acides gras [14](#page=14). Dans le tissu adipeux, l'hydrolyse complète des triglycérides fait intervenir trois enzymes successives : 1. L'ATGL (Adipose Triglyceride Lipase) hydrolyse le premier acide gras, produisant un diglycéride et un acide gras [14](#page=14). 2. La HSL (Hormone-Sensitive Lipase) hydrolyse le deuxième acide gras, produisant un monoglycéride et un acide gras [14](#page=14). 3. La MGL (Monoacylglycerol Lipase) hydrolyse le dernier acide gras, produisant du glycérol et un acide gras [14](#page=14). ### 4.3 Les stérides Les stérides appartiennent à la famille des stéroïdes, des molécules présentes chez les eucaryotes mais absentes chez les procaryotes. Leur structure de base est le noyau stérane, composé de quatre cycles accolés: trois cycles hexagonaux (A, B, C) et un cycle pentagonal (D). Cette structure rigide confère une certaine rigidité aux stérides [14](#page=14). Certains stéroïdes sont des stérols, caractérisés par la présence d'une fonction hydroxyle (OH). Le cholestérol est le principal stérol d'origine animale [14](#page=14). #### 4.3.1 Définition et exemples Les stérides sont des esters formés entre des acides gras et des stérols, le plus souvent du cholestérol. Les stérides dérivés du cholestérol sont spécifiquement appelés esters de cholestéryle [15](#page=15). > **Exemple :** Le palmitate de cholestéryle est un stérides. #### 4.3.2 Propriétés et rôles du cholestérol Le cholestérol libre possède une légère solubilité dans l'eau, mais le cholestérol estérifié est complètement hydrophobe. Le cholestérol est un constituant majeur de la membrane plasmique, où il joue un rôle crucial dans la fluidité membranaire. Il est également un précurseur de nombreuses molécules biologiquement actives [15](#page=15): * Acides biliaires [15](#page=15). * Vitamine D [15](#page=15). * Hormones stéroïdiennes [15](#page=15). ##### 4.3.2.1 Acides biliaires Les acides biliaires sont formés dans le foie à partir du cholestérol et stockés dans la vésicule biliaire [15](#page=15). * **Acides biliaires primaires**: acide cholique, acide chénodésoxycholique [15](#page=15). * **Acides biliaires secondaires**: acide désoxycholique, acide lithocholique [15](#page=15). ##### 4.3.2.2 Vitamine D La vitamine D (cholécalciférol) dérive du 7-déhydrocholestérol présent dans la peau, qui est converti sous l'action des rayons ultraviolets (UV). Elle joue un rôle important dans la minéralisation osseuse [15](#page=15). ##### 4.3.2.3 Hormones stéroïdiennes Les hormones stéroïdiennes sont dérivées du cholestérol et jouent des rôles physiologiques variés. * **Cortisol**: un glucocorticoïde qui intervient dans la régulation du métabolisme du glucose, favorise la dégradation des protéines, possède des propriétés anti-inflammatoires et immunomodulatrices [16](#page=16). * **Aldostérone**: un minéralocorticoïde qui régule l'équilibre hydroélectrolytique et contribue au maintien de la tension artérielle [16](#page=16). * **Testostérone**: contrôle la formation du sperme, le développement des organes génitaux et des caractères sexuels secondaires, et stimule l'anabolisme des protéines [16](#page=16). * **Estradiol**: induit la formation des organes génitaux féminins chez le fœtus, active la prolifération de l'endomètre et de l'épithélium vaginal, et contrôle les caractères sexuels secondaires [16](#page=16). * **Progestérone**: produite par l'ovaire et le corps jaune, elle agit sur l'utérus [16](#page=16). ### 4.4 Les cérides Les cérides sont des esters formés entre des acides gras et des alcools à longue chaîne non ramifiée, possédant un nombre pair d'atomes de carbone. Ils sont souvent appelés cires [16](#page=16). --- # Lipides complexes : glycérophospholipides et sphingolipides Les lipides complexes, incluant les glycérophospholipides et les sphingolipides, sont des constituants essentiels des membranes biologiques, jouant un rôle crucial dans la délimitation des compartiments cellulaires [17](#page=17). ### 5.1 Les glycérophospholipides La molécule de base des glycérophospholipides est l'acide phosphatidique. Cette structure est formée par un glycérol estérifié avec deux acides gras (souvent un saturé en position C1 et un insaturé en position C2) et un groupement acide phosphorique sur la troisième fonction alcool du glycérol. La nature de la substitution de l'acide phosphorique détermine les différentes classes de phospholipides [17](#page=17). #### 5.1.1 Principales classes de glycérophospholipides Les différentes classes de glycérophospholipides sont définies par la molécule greffée sur le groupement phosphate : * **Phosphatidyléthanolamines:** Acides phosphatidiques + Éthanolamine [18](#page=18). * **Phosphatidylsérines:** Acides phosphatidiques + Sérine [18](#page=18). * **Phosphatidylcholines (lécithines):** Acides phosphatidiques + Choline [18](#page=18). * **Phosphatidylinositols:** Acides phosphatidiques + Inositol [19](#page=19). > **Tip:** Les glycérophospholipides sont amphiphiles, c'est-à-dire qu'ils possèdent une tête polaire hydrophile (groupement phospho-alcool) et une double queue non polaire hydrophobe (deux chaînes acyles d'acides gras). Cette amphiphilicité leur permet de s'organiser en bicouches lipidiques en milieu aqueux, formant la structure fondamentale des membranes cellulaires [20](#page=20). ### 5.2 Les sphingolipides Les sphingolipides dérivent de la sphingosine, un amino-dialcool complexe. La sphingosine peut se lier à un acide gras saturé à longue chaîne par une liaison amide pour former la céramide. La céramide constitue le point de départ pour la synthèse des différents sphingolipides [20](#page=20). #### 5.2.1 Principaux sphingolipides Diverses molécules se greffent sur le groupement hydroxyle en C1 des céramides, conduisant à deux grandes catégories de sphingolipides : * **Sphingophospholipides (Sphingomyélines):** Ils sont caractérisés par une liaison ester entre le C1 de la céramide et un groupement phosphorylcholine. Les sphingomyélines se retrouvent particulièrement dans le tissu nerveux et les membranes cellulaires. Leur hydrolyse est assurée par les sphingomyélinases, qui clivent la liaison ester entre la céramide et la phosphorylcholine. Un déficit en sphingomyélinases entraîne une accumulation de sphingomyélines dans le cerveau, la rate et le foie, comme observé dans la maladie de Niemann-Pick [21](#page=21). * **Sphingoglycolipides (Glycosphingolipides) :** Ces lipides possèdent une liaison osidique. Ils comprennent plusieurs sous-classes : * **Cérébrogalactosides ou Galactosylcéramides:** Ils sont composés d'une céramide et d'un β-D-galactose, ce dernier étant lié à l'alcool primaire de la sphingosine par une liaison β-osidique [21](#page=21). * **Cérébroglucides ou Glucosylcéramides:** Ils sont constitués d'une céramide et d'un β-D-glucose [21](#page=21). * **Gangliosides ou Oligosylcéramides:** Ils sont formés d'une céramide liée à une chaîne de plusieurs oses [22](#page=22). > **Tip:** Les lipides complexes, en général, présentent des températures de fusion élevées, ce qui explique leur état solide à température ambiante, et sont très apolaires, ce qui les rend insolubles dans l'eau [17](#page=17). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Lipides | Composés organiques constitués principalement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, insolubles dans l'eau mais solubles dans les solvants organiques. Ils jouent des rôles essentiels comme source d'énergie, constituant des membranes et isolant. | | Acides gras | Acides monocarboxyliques de longue chaîne aliphatique, comportant un radical R qui confère le caractère hydrophobe. Ils peuvent être saturés (sans doubles liaisons) ou insaturés (avec une ou plusieurs doubles liaisons). | | Lipides simples | Lipides composés uniquement de carbone, d'hydrogène et d'oxygène. Ils incluent les glycérides, les cérides et les stérides, formés par l'estérification d'un alcool par un acide gras. | | Lipides complexes | Lipides qui contiennent, en plus du carbone, de l'hydrogène et de l'oxygène, des hétéroatomes comme le phosphore (P) et l'azote (N). Ils sont les principaux constituants des membranes biologiques. | | Triglycérides | Esters formés par la réaction du glycérol avec trois molécules d'acides gras. Ils constituent la principale forme de stockage d'énergie dans le tissu adipeux et sont aussi appelés graisses neutres. | | Cholestérol | Principal stérol d'origine animale, c'est un lipide stéroïdien essentiel à la structure des membranes plasmiques et précurseur de nombreuses molécules biologiquement actives comme les hormones stéroïdiennes et la vitamine D. | | Acides biliaires | Composés formés dans le foie à partir du cholestérol, ils sont stockés dans la vésicule biliaire et jouent un rôle crucial dans la digestion et l'absorption des lipides dans l'intestin. | | Vitamine D | Vitamine liposoluble dérivée du cholestérol qui joue un rôle important dans la minéralisation osseuse, régulant l'absorption du calcium et du phosphore. | | Hormones stéroïdiennes | Hormones produites par les glandes surrénales et les gonades, dérivées du cholestérol. Elles incluent les glucocorticoïdes (cortisol), les minéralocorticoïdes (aldostérone) et les hormones sexuelles (testostérone, œstradiol, progestérone). | | Cérides | Esters formés par la réaction d'un acide gras avec un alcool à longue chaîne non ramifiée et à nombre pair d'atomes de carbone. Ils sont généralement solides à température ambiante et très apolaires. | | Glycérophospholipides | Principaux lipides complexes des membranes cellulaires, dérivés de l'acide phosphatidique. Ils possèdent une tête polaire hydrophile (groupe phosphate et alcool) et deux queues hydrophobes (chaînes d'acides gras). | | Sphingolipides | Classe de lipides complexes qui ont comme base la sphingosine, un amino-dialcool. Ils comprennent les sphingomyélines et les glycolipides, importants dans la structure des membranes neuronales. | | Bicouche lipidique | Structure fondamentale des membranes cellulaires, formée par l'organisation des molécules de phospholipides en deux couches parallèles. Les têtes hydrophiles sont orientées vers l'extérieur (milieu aqueux) et les queues hydrophobes vers l'intérieur. | | Sphingomyélines | Type de sphingolipides qui sont également des phospholipides. Ils sont particulièrement abondants dans le tissu nerveux et dans les membranes cellulaires. | | Glycolipides | Lipides complexes contenant des chaînes de sucres (oses) attachées à une partie lipidique. Ils jouent des rôles dans la reconnaissance cellulaire, l'adhésion et la signalisation. |

# Aminoácidos, péptidos e proteínas: propriedades gerais e classificação Este tópico abrange as características fundamentais dos aminoácidos, a ligação peptídica que os une para formar péptidos e proteínas, as suas diversas classificações, propriedades físico-químicas e sensoriais, bem como a estrutura e função das proteínas [1](#page=1). ### 1.1 Aminoácidos: a unidade fundamental Aminoácidos são compostos orgânicos que contêm um grupo amino ($\text{-NH}_2$) e um grupo carboxilo ($\text{-COOH}$) ligados ao mesmo átomo de carbono, conhecido como carbono alfa ($\alpha$). São os blocos de construção das proteínas [6](#page=6). #### 1.1.1 Estrutura geral de um aminoácido A estrutura geral de um aminoácido é representada por: $$ \text{H}_2\text{N}-\underset{\underset{\text{R}}{\mid}}{\text{C}\text{H}}-\text{COOH} $$ Onde: * O $\alpha$-carbono é o carbono quiral (exceto na glicina) [6](#page=6). * O grupo $\text{R}$ é a cadeia lateral, que varia entre os diferentes aminoácidos e determina as suas propriedades específicas [6](#page=6). * O grupo amino ($\text{-NH}_2$) e o grupo carboxilo ($\text{-COOH}$) são os grupos funcionais ionizáveis [17](#page=17). #### 1.1.2 Aminoácidos comuns componentes das proteínas Existem 20 aminoácidos comuns que compõem a maioria das proteínas encontradas nos seres vivos. Estes podem ser classificados de acordo com as propriedades da sua cadeia lateral $\text{R}$ [6](#page=6): **a) Aminoácidos apolares (com cadeias laterais alifáticas)** Estes aminoácidos tendem a ficar no interior das proteínas, longe da água [7](#page=7). * Glicina (Gly, G): A cadeia lateral é apenas um átomo de hidrogénio. É o único aminoácido aquiral [6](#page=6) [7](#page=7). * Alanina (Ala, A): Cadeia lateral de um grupo metilo ($\text{-CH}_3$) [6](#page=6). * Valina (Val, V): Cadeia lateral ramificada [6](#page=6). * Leucina (Leu, L): Cadeia lateral ramificada [6](#page=6). * Isoleucina (Ile, I): Cadeia lateral ramificada [6](#page=6). * Metionina (Met, M): Contém um átomo de enxofre na sua cadeia lateral [6](#page=6). * Prolina (Pro, P): A sua cadeia lateral cíclica liga-se ao grupo amino, formando um anel [6](#page=6). **b) Aminoácidos polares não carregados (com cadeias laterais polares)** Estes aminoácidos podem formar ligações de hidrogénio com a água e tendem a localizar-se na superfície das proteínas [7](#page=7). * Serina (Ser, S): Contém um grupo hidroxilo ($\text{-OH}$) na cadeia lateral [6](#page=6). * Treonina (Thr, T): Contém um grupo hidroxilo ($\text{-OH}$) na cadeia lateral e é quiral [6](#page=6). * Cisteína (Cys, C): Contém um grupo sulfidrilo ($\text{-SH}$) na cadeia lateral, que pode formar pontes dissulfureto [6](#page=6). * Tirosina (Tyr, Y): Derivado da fenilalanina com um grupo hidroxilo [6](#page=6). * Asparagina (Asn, N): Contém um grupo amida ($\text{-CONH}_2$) [6](#page=6). * Glutamina (Gln, Q): Contém um grupo amida ($\text{-CONH}_2$) [6](#page=6). **c) Aminoácidos com carga positiva (básicos)** Estes aminoácidos têm cadeias laterais que estão protonadas (carregadas positivamente) a pH fisiológico [8](#page=8). * Lisina (Lys, K): Cadeia lateral com um grupo amino terminal [6](#page=6). * Arginina (Arg, R): Cadeia lateral com um grupo guanidino [6](#page=6). * Histidina (His, H): A cadeia lateral contém um anel imidazol, que pode estar protonado ou desprotonado a pH fisiológico [6](#page=6). **d) Aminoácidos com carga negativa (ácidos)** Estes aminoácidos têm cadeias laterais que estão desprotonadas (carregadas negativamente) a pH fisiológico [8](#page=8). * Ácido aspártico (Asp, D): Cadeia lateral com um grupo carboxilo [6](#page=6). * Ácido glutâmico (Glu, E): Cadeia lateral com um grupo carboxilo [6](#page=6). #### 1.1.3 Aminoácidos pouco comuns Alguns aminoácidos não são diretamente incorporados nas proteínas durante a tradução, mas podem ser formados por modificação pós-traducional de aminoácidos comuns, ou ter outras funções biológicas [13](#page=13). * **Derivados de aminoácidos comuns:** * Hidroxiprolina e Hidroxilisina: Presentes no colagénio [13](#page=13). * Seleniocisteína: Incorporada em algumas proteínas [13](#page=13). * Gama-carboxyglutamato: Presente em proteínas envolvidas na coagulação sanguínea [13](#page=13). * **Intermediários metabólicos:** * Ornitina e Citrulina: Envolvidos no ciclo da ureia [15](#page=15). #### 1.1.4 Propriedades ácido-base dos aminoácidos Devido à presença dos grupos ionizáveis amino e carboxilo, os aminoácidos comportam-se como **compostos anfotéricos** (ou tampões). Podem doar e aceitar protões [17](#page=17). * **Zwitterion:** A forma predominante dos aminoácidos em pH neutro (aproximadamente pH 7) é o zwitterion, onde o grupo amino está protonado ($\text{-NH}_3^+$) e o grupo carboxilo está desprotonado ($\text{-COO}^-$) [17](#page=17). $$ \text{H}_3\text{N}^+-\underset{\underset{\text{R}}{\mid}}{\text{C}\text{H}}-\text{COO}^- $$ * **Ponto isoelétrico ($\text{pI}$):** É o pH no qual a carga líquida total de um aminoácido (ou péptido/proteína) é zero. Neste ponto, a solubilidade é mínima [18](#page=18). * Para aminoácidos neutros (como a glicina), o $\text{pI}$ é a média dos $\text{pKa}$ dos grupos $\alpha$-amino e $\alpha$-carboxilo [18](#page=18). $$ \text{pI} = \frac{\text{p}K_{a1} + \text{p}K_{a2}}{2} $$ * Para aminoácidos ácidos, o $\text{pI}$ é menor, pois possuem um grupo carboxilo extra na cadeia lateral [20](#page=20). * Para aminoácidos básicos, o $\text{pI}$ é maior, pois possuem um grupo amino ou guanidino extra na cadeia lateral [21](#page=21). * **Curvas de titulação:** Representam a variação do pH de uma solução de aminoácido à medida que se adicionam protões ou bases. Mostram os diferentes estados de ionização e os pontos de tamponamento [18](#page=18). #### 1.1.5 Atividade ótica Todos os aminoácidos, exceto a glicina, possuem um carbono $\alpha$ quiral. Isto significa que existem em duas formas estereoisoméricas: a forma L (levogira) e a forma D (dextrogira). Na natureza, predominantemente encontram-se na forma L, que é a utilizada para a síntese de proteínas [4](#page=4). #### 1.1.6 Propriedades sensoriais de aminoácidos Alguns aminoácidos possuem propriedades sensoriais importantes. * O **L-glutamato monosódico (MSG)** é um intensificador de sabor, conhecido como aditivo E621 [25](#page=25). * O **Aspartame (APME)** é um edulcorante não calórico, aditivo E951 [25](#page=25). ### 1.2 Péptidos Péptidos são cadeias curtas de aminoácidos ligados entre si por ligações peptídicas [22](#page=22). #### 1.2.1 Ligação peptídica A ligação peptídica é formada pela reação de condensação entre o grupo $\alpha$-carboxilo de um aminoácido e o grupo $\alpha$-amino de outro aminoácido, com a libertação de uma molécula de água [22](#page=22). $$ \text{R}_1-\underset{\text{COOH}}{\stackrel{\text{NH}_2}{\text{C}}\text{H}} + \text{H}_2\text{N}-\underset{\text{COOH}}{\stackrel{\text{R}_2}{\text{C}}\text{H}} \longrightarrow \text{R}_1-\underset{\text{COOH}}{\stackrel{\text{NH}}{\text{C}}\text{H}}-\text{C}\text{O}-\underset{\text{COOH}}{\stackrel{\text{R}_2}{\text{C}}\text{H}} + \text{H}_2\text{O} $$ Esta reação é reversível por hidrólise. A ligação peptídica é planar e tem um caráter de dupla ligação parcial, o que restringe a rotação em torno dela [22](#page=22) [23](#page=23). #### 1.2.2 Classificação de péptidos * **Dipeptídeos:** Formados por 2 aminoácidos [23](#page=23). * **Tripeptídeos:** Formados por 3 aminoácidos [23](#page=23). * **Oligopeptídeos:** Formados por um pequeno número de aminoácidos (tipicamente até 20) [23](#page=23). * **Polipéptidos:** Formados por um grande número de aminoácidos [23](#page=23). #### 1.2.3 Propriedades dos péptidos * **Carga:** A carga total de um péptido depende dos aminoácidos constituintes e do pH do meio. Cada aminoácido nas extremidades da cadeia (N-terminal e C-terminal) contribui com um grupo amino e carboxilo, respetivamente, que podem estar ionizados. Os grupos $\text{R}$ das cadeias laterais também podem contribuir para a carga [24](#page=24). * **Funções biológicas:** Os péptidos desempenham uma vasta gama de funções biológicas, como hormonas (insulina, oxitocina), neurotransmissores e antibióticos [25](#page=25). * **Propriedades sensoriais:** Como mencionado, alguns péptidos, como o Aspartame, são utilizados como adoçantes [25](#page=25). ### 1.3 Proteínas Proteínas são polipéptidos (ou complexos de polipéptidos) com uma estrutura tridimensional específica que lhes confere a sua função biológica [1](#page=1). #### 1.3.1 Estrutura das proteínas A estrutura das proteínas é descrita em quatro níveis: * **Estrutura primária:** A sequência linear de aminoácidos numa cadeia polipeptídica. É determinada pela informação genética [1](#page=1). * **Estrutura secundária:** Padrões locais de enrolamento da cadeia polipeptídica, estabilizados por pontes de hidrogénio entre os átomos do esqueleto peptídico. Os padrões mais comuns são as $\alpha$-hélices e as $\beta$-folhas pregueadas [1](#page=1). * **Estrutura terciária:** A conformação tridimensional global de uma única cadeia polipeptídica, incluindo o empacotamento das estruturas secundárias e as interações entre as cadeias laterais $\text{R}$ (ligações dissulfureto, interações hidrofóbicas, pontes de hidrogénio, interações iónicas) [1](#page=1). * **Estrutura quaternária:** A organização de múltiplas cadeias polipeptídicas (subunidades) numa proteína funcional [1](#page=1). #### 1.3.2 Desnaturação de proteínas A desnaturação é a perda da estrutura tridimensional nativa de uma proteína, o que leva à perda da sua atividade biológica. Pode ser causada por calor, mudanças extremas de pH, agentes químicos (ureia, sais de guanidínio) ou força mecânica [1](#page=1). #### 1.3.3 Separação e quantificação de proteínas Métodos como eletroforese, cromatografia e espectrofotometria são utilizados para separar e quantificar proteínas [1](#page=1). --- > **Tip:** Ao estudar aminoácidos, preste atenção especial às cadeias laterais ($\text{R}$), pois são elas que ditam a maior parte das propriedades específicas de cada aminoácido e, consequentemente, das proteínas. > **Tip:** Compreender as curvas de titulação e o conceito de ponto isoelétrico ($\text{pI}$) é crucial para prever o comportamento dos aminoácidos e péptidos em diferentes condições de pH, especialmente em processos de separação e purificação. > **Tip:** Lembre-se que a forma L é a predominante na natureza para a síntese de proteínas, o que tem implicações importantes na estereoquímica das reações biológicas. --- # Estrutura das proteínas: primária, secundária, terciária e quaternária As proteínas exibem uma complexa hierarquia de estruturas que determinam a sua função, abrangendo desde a sequência linear de aminoácidos até à sua organização tridimensional completa [29](#page=29). ### 2.1 Níveis de estrutura das proteínas A estrutura de uma proteína é descrita em quatro níveis: primária, secundária, terciária e quaternária [29](#page=29). #### 2.1.1 Estrutura primária A estrutura primária refere-se à sequência linear única de aminoácidos numa cadeia polipeptídica. Esta sequência é determinada geneticamente e dita a forma como a proteína se irá dobrar. A ligação peptídica, formada entre o grupo carboxilo de um aminoácido e o grupo amino do seguinte, tem um caráter parcial de dupla ligação, o que confere rigidez e planaridade à ligação C-N. Esta planaridade restringe a rotação em torno da ligação peptídica, mas permite a rotação em torno das ligações C$\alpha$-C e N-C$\alpha$ [29](#page=29) [31](#page=31). #### 2.1.2 Estrutura secundária A estrutura secundária envolve a formação de padrões regulares e repetitivos nas regiões da cadeia polipeptídica, estabilizados por ligações de hidrogénio entre átomos da cadeia principal. Os dois tipos mais comuns de estrutura secundária são a $\alpha$-hélice e a folha $\beta$ [30](#page=30). ##### 2.1.2.1 A $\alpha$-hélice A $\alpha$-hélice é uma estrutura em espiral onde a cadeia polipeptídica se enrola em torno de um eixo central. Cada resíduo de aminoácido avança cerca de 3.6 unidades por volta da hélice. As ligações de hidrogénio ocorrem entre o grupo carbonilo (C=O) de um resíduo de aminoácido e o grupo amino (N-H) do resíduo localizado quatro posições adiante na sequência (i $\rightarrow$ i+4). As $\alpha$-hélices podem ser de enrolamento à direita (mais comuns) ou à esquerda [33](#page=33) [34](#page=34). ##### 2.1.2.2 A folha $\beta$ A folha $\beta$ consiste em segmentos de cadeia polipeptídica (fitas $\beta$) que se alinham lado a lado, formando uma estrutura semelhante a uma folha dobrada. As ligações de hidrogénio formam-se entre os grupos C=O e N-H de resíduos em fitas adjacentes. As fitas $\beta$ podem ser paralelas (correndo na mesma direção N-terminal para C-terminal) ou antiparalelas (correndo em direções opostas). As dobras $\beta$ são frequentemente encontradas em segmentos que contêm prolina (Pro) ou glicina (Gly), que induzem curvaturas na cadeia polipeptídica [36](#page=36) [37](#page=37). ##### 2.1.2.3 Outras estruturas secundárias Para além das $\alpha$-hélices e das folhas $\beta$, existem outras estruturas secundárias como voltas e laços que conectam os elementos regulares da estrutura secundária [37](#page=37). > **Tip:** A análise dos ângulos diédricos ($\phi$ e $\psi$) permitidos para os aminoácidos, representada em diagramas de Ramachandran, é crucial para prever e compreender as conformações possíveis da estrutura secundária [32](#page=32) [38](#page=38). #### 2.1.3 Estrutura terciária A estrutura terciária refere-se à conformação tridimensional completa de uma única cadeia polipeptídica, incluindo a disposição espacial de todas as suas estruturas secundárias, laços e regiões não estruturadas. Esta estrutura é determinada pelas interações entre as cadeias laterais (grupos R) dos aminoácidos. Estas interações incluem [39](#page=39) [40](#page=40): * **Ligações de hidrogénio:** Entre grupos polares das cadeias laterais [41](#page=41). * **Interações hidrofóbicas:** Grupos R apolares tendem a agrupar-se no interior da proteína, longe do ambiente aquoso [40](#page=40) [41](#page=41). * **Interações iónicas (pontes salinas):** Entre grupos R carregados positiva e negativamente [40](#page=40) [41](#page=41). * **Forças de Van der Waals:** Interações fracas entre grupos apolares próximos [40](#page=40). * **Ligações dissulfureto:** Ligações covalentes fortes formadas entre os grupos tiol (-SH) de dois resíduos de cisteína, que estabilizam significativamente a estrutura terciária [41](#page=41). > **Example:** A quimotripsina é um exemplo de proteína com uma estrutura terciária bem definida, crucial para a sua atividade catalítica [39](#page=39). #### 2.1.4 Estrutura quaternária A estrutura quaternária surge quando duas ou mais cadeias polipeptídicas (subunidades) se associam para formar uma única proteína funcional. Estas subunidades interagem umas com as outras através das mesmas forças que estabilizam a estrutura terciária (interações hidrofóbicas, pontes de hidrogénio, interações iónicas e, ocasionalmente, ligações dissulfureto entre subunidades) [42](#page=42). > **Example:** A hemoglobina, responsável pelo transporte de oxigénio no sangue, é um exemplo clássico de proteína com estrutura quaternária, composta por quatro subunidades (duas $\alpha$-globinas e duas $\beta$-globinas) [43](#page=43). > **Example:** Proteínas fibrosas, como a queratina (encontrada no cabelo e unhas) e o colagénio (componente do tecido conjuntivo), também exibem estruturas terciária e quaternária que lhes conferem propriedades mecânicas específicas. A estrutura quaternária da queratina é particularmente estabilizada por pontes dissulfureto, o que explica a diferença entre cabelo liso e encaracolado, dependendo do número e disposição destas ligações. A estrutura do colagénio é caracterizada por uma repetição de sequência como Gly-X-Pro ou Gly-X-4-Hyp [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46). > **Tip:** A perda ou alteração destes níveis de estrutura (desnaturação) pode levar à perda da função biológica da proteína, sendo frequentemente irreversível [40](#page=40). --- # Separação e quantificação de proteínas Este tópico explora as técnicas cruciais para isolar e determinar a quantidade de proteínas em amostras complexas, focando em métodos cromatográficos e eletroforéticos [52](#page=52). ### 3.1 Cromatografia em coluna A cromatografia em coluna é uma técnica fundamental para a separação de proteínas com base em diferentes propriedades físico-químicas. O processo envolve a passagem de uma amostra de proteína através de uma coluna empacotada com um material estacionário (fase estacionária), enquanto uma fase móvel (geralmente um tampão aquoso) flui através dela. As proteínas que interagem mais fortemente com a fase estacionária são retidas por mais tempo, enquanto aquelas com interações mais fracas eluem mais rapidamente, permitindo a separação [52](#page=52). #### 3.1.1 Cromatografia de troca iónica Esta técnica separa proteínas com base na sua carga líquida. Utiliza resinas com grupos carregados que se ligam a proteínas com carga oposta. A eluição é conseguida alterando a força iónica (concentração de sal) do tampão ou o pH. Proteínas com carga positiva ligam-se a resinas carregadas negativamente (trocadores aniónicos), e proteínas com carga negativa ligam-se a resinas carregadas positivamente (trocadores catiónicos) [53](#page=53). > **Tip:** A escolha do pH do tampão é crucial, pois determina a carga líquida das proteínas e, consequentemente, a sua interação com a resina de troca iónica. #### 3.1.2 Cromatografia de exclusão por tamanho (SEC) Também conhecida como cromatografia de gel filtração, esta técnica separa proteínas com base no seu tamanho e forma hidrodinâmica. A fase estacionária consiste em esferas porosas com um tamanho de poro definido. Proteínas maiores que o diâmetro dos poros não entram nas esferas e eluem primeiro (exclusão). Proteínas menores entram nas esferas e têm um percurso mais longo, eludindo mais tarde [54](#page=54). > **Tip:** A SEC é útil para fracionar misturas de proteínas e para determinar o peso molecular aproximado de proteínas purificadas. #### 3.1.3 Cromatografia de afinidade Esta é uma das técnicas mais específicas, baseada na interação reversível entre uma proteína de interesse e um ligando específico imobilizado na fase estacionária. O ligando pode ser um anticorpo, um substrato, um cofator ou qualquer outra molécula que se ligue especificamente à proteína alvo. Após a ligação da proteína alvo, ela é eluída por alteração das condições, como pH, força iónica ou adição de um competidor [55](#page=55). > **Example:** Para purificar uma enzima que liga um substrato específico, um análogo desse substrato pode ser imobilizado na resina. A enzima ligar-se-á a este substrato imobilizado, enquanto outras proteínas passarão sem ligação [55](#page=55). ### 3.2 Eletroforese A eletroforese utiliza um campo elétrico para separar moléculas carregadas, como proteínas, com base na sua carga, tamanho e forma. As proteínas migram em direção ao elétrodo de carga oposta. A maioria das técnicas eletroforéticas utiliza um gel (como poliacrilamida ou agarose) como matriz para aumentar a resolução da separação [57](#page=57). #### 3.2.1 SDS-PAGE (Eletroforese em gel de poliacrilamida com dodecil sulfato de sódio) A SDS-PAGE é a técnica de eletroforese mais comum para separar proteínas com base no seu tamanho. O SDS (dodecilsulfato de sódio) é um detergente aniónico que se liga às proteínas, conferindo-lhes uma carga líquida negativa uniforme e desdobrando a sua estrutura tridimensional. Isto significa que, no gel, as proteínas migram primariamente de acordo com o seu tamanho molecular, sendo separadas em fragmentos de diferentes pesos moleculares. A massa molecular relativa ($M_r$) de uma proteína pode ser determinada comparando a sua migração com a de proteínas de peso molecular conhecido (marcadores de peso molecular) [58](#page=58). > **Tip:** A SDS-PAGE é frequentemente usada em conjunto com colorações para visualizar as proteínas separadas no gel. #### 3.2.2 Focagem isoelétrica (IEF) A focagem isoelétrica (IEF) separa proteínas com base na sua carga líquida intrínseca, ou seja, no seu ponto isoelétrico (pI). Numa IEF, um gradiente de pH é estabelecido num gel. As proteínas migram através deste gradiente até atingirem o pH onde a sua carga líquida é zero, que é o seu ponto isoelétrico. Neste ponto, a força motriz eletroforética cessa, e as proteínas param de migrar, concentrando-se numa banda estreita [59](#page=59). > **Example:** Uma proteína com um pI de 6.5 irá migrar para a região do gel onde o pH é 6.5 e aí permanecerá [59](#page=59). #### 3.2.3 Eletroforese bidimensional (2D-PAGE) A eletroforese bidimensional combina duas técnicas de separação para obter uma resolução muito elevada de misturas complexas de proteínas. Tipicamente, a primeira dimensão envolve a focagem isoelétrica (IEF) para separar as proteínas com base no seu ponto isoelétrico. As proteínas separadas na primeira dimensão são então transferidas para um segundo gel para uma eletroforese SDS-PAGE, separando-as com base no seu peso molecular. O resultado é um mapa bidimensional de pontos, onde cada ponto representa uma proteína única com características específicas de pI e peso molecular [60](#page=60). > **Tip:** A 2D-PAGE é uma ferramenta poderosa para a proteómica, permitindo analisar alterações na expressão de proteínas em diferentes condições [60](#page=60). --- # Determinação da estrutura e modificações de proteínas Este tópico explora os métodos para elucidar a estrutura das proteínas em seus diversos níveis (primária, secundária, terciária e quaternária), as técnicas para identificar modificações pós-traducionais e a relevância da desnaturação e de modificações reversíveis para a função proteica. ### 4.1 Determinação da estrutura primária de proteínas A estrutura primária de uma proteína refere-se à sua sequência linear de aminoácidos. A elucidação desta sequência é fundamental para compreender a estrutura e função de uma proteína [61](#page=61). #### 4.1.1 Método de degradação de Edman O método de degradação de Edman é uma técnica clássica para a determinação da estrutura primária de proteínas. Este método permite a identificação sequencial dos aminoácidos N-terminais de uma cadeia polipeptídica. O processo envolve a reação do aminoácido N-terminal com fenilisotiocianato (PITC) em condições alcalinas, formando um derivado feniltiocarbamoil (PTC). Este derivado é então clivado da proteína em condições ácidas, liberando um único aminoácido como um derivado tiazolinona, enquanto o restante da cadeia polipeptídica permanece intacto. A tiazolinona é subsequentemente convertida em um derivado feniltiohidantoína (PTH-aminoácido) por tratamento ácido adicional, que pode então ser identificado por cromatografia. O processo é repetido cíclicamente para determinar a sequência completa [62](#page=62). > **Tip:** A degradação de Edman é mais eficaz para sequenciar fragmentos de proteínas menores ou para identificar os primeiros aminoácidos da cadeia. Para proteínas maiores, é comum clivar a proteína em fragmentos menores utilizando enzimas específicas (como tripsina ou pepsina) e, em seguida, sequenciar esses fragmentos. #### 4.1.2 Quebra de pontes dissulfureto Pontes dissulfureto (ligações S-S) são ligações covalentes que unem resíduos de cisteína, contribuindo para a estabilidade da estrutura tridimensional das proteínas. Para determinar a estrutura primária completa, especialmente em proteínas onde as pontes dissulfureto influenciam a sequência ou o dobramento, é necessário quebrar essas ligações. A quebra pode ser realizada por agentes redutores, como o ditiotreitol (DTT) ou mercaptoetanol, que reduzem as pontes dissulfureto a grupos tiol (-SH). Após a redução, os resíduos de cisteína podem ser posteriormente modificados para evitar a reforma das pontes dissulfureto, como a carboximetilação, antes de proceder à análise da sequência [12](#page=12) [63](#page=63). ### 4.2 Determinação das estruturas secundária, terciária e quaternária de proteínas A determinação das estruturas de ordem superior de proteínas (secundária, terciária e quaternária) fornece informações cruciais sobre a conformação tridimensional e, consequentemente, sobre a função biológica [64](#page=64). #### 4.2.1 Difração de raios-X A difração de raios-X é uma técnica poderosa para determinar a estrutura tridimensional de proteínas em estado cristalino. O processo envolve o bombardeamento de um cristal de proteína com um feixe de raios-X. Os átomos no cristal espalham os raios-X, e o padrão de difração resultante é detectado em uma placa fotográfica ou detector eletrônico. A análise matemática deste padrão de difração, utilizando transformadas de Fourier, permite a reconstrução da densidade eletrônica da molécula e, subsequentemente, a determinação da sua estrutura atômica [64](#page=64). > **Tip:** A qualidade do cristal é um fator limitante para o sucesso da difração de raios-X. Obter cristais de proteínas de alta qualidade pode ser um processo desafiador e demorado. #### 4.2.2 Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) A Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é outra técnica fundamental para determinar a estrutura tridimensional de proteínas, especialmente para moléculas em solução. A RMN explora as propriedades magnéticas dos núcleos atômicos, como o próton ($^1$H) e o carbono-13 ($^{13}$C) [65](#page=65). Um espectro de RMN de prótons ($^1$H) de uma proteína exibe picos que correspondem aos diferentes átomos de hidrogênio presentes na molécula. A posição (deslocamento químico) de cada pico é altamente sensível ao ambiente químico do átomo de hidrogênio, sendo influenciada pelas estruturas secundária, terciária e quaternária da proteína [65](#page=65). A partir de dados de RMN bidimensionais (como NOESY - Nuclear Overhauser Effect Spectroscopy), é possível obter informações sobre distâncias inter-atômicas entre prótons que estão próximos no espaço, mesmo que não estejam covalentemente ligados na sequência. Essas distâncias são usadas como restrições para calcular um conjunto de estruturas tridimensionais possíveis que se ajustam aos dados experimentais [66](#page=66). > **Example:** Um grupo de prótons localizado perto de um átomo de oxigênio eletronegativo apresentará um deslocamento químico maior (irá para uma região de campo mais baixo no espectro RMN) em comparação com um grupo de prótons em um ambiente menos eletronegativo. ### 4.3 Modificações reversíveis dos aminoácidos As modificações reversíveis dos resíduos de aminoácidos em proteínas são mecanismos cruciais para a regulação da atividade proteica e para a transdução de sinais nas células. Ao contrário das modificações permanentes, essas alterações podem ser adicionadas e removidas, permitindo que as células respondam rapidamente a estímulos [14](#page=14). > **Tip:** Exemplos comuns de modificações reversíveis incluem a fosforilação, a acetilação, a metilação, a glicosilação e a ubiquitinação. #### 4.3.1 Fosforilação A fosforilação é uma das modificações pós-traducionais mais comuns e importantes. Envolve a adição de um grupo fosfato a resíduos específicos de aminoácidos, tipicamente serina, treonina ou tirosina, catalisada por enzimas chamadas quinases. A adição do grupo fosfato, que é carregado negativamente, pode alterar drasticamente as propriedades eletrostáticas da proteína, afetando sua conformação, interações com outras moléculas e atividade catalítica. A remoção do grupo fosfato é realizada por fosfatases, permitindo a desfosforilação e a reversão da modificação. Este ciclo de fosforilação/desfosforilação é central em muitas vias de sinalização celular [14](#page=14). ### 4.4 Desnaturação de proteínas A desnaturação é o processo pelo qual uma proteína perde sua estrutura tridimensional nativa (secundária, terciária e quaternária), resultando na perda de sua atividade biológica. A estrutura primária (sequência de aminoácidos) geralmente permanece intacta, a menos que ocorra hidrólise de ligações peptídicas [20](#page=20). > **Example:** A desnaturação pode ser causada por fatores como calor, alterações extremas de pH, certos solventes orgânicos, detergentes e sais de alta concentração. Por exemplo, o calor excessivo desnatura as proteínas cozinhando o alimento, alterando a textura e a cor devido à agregação das proteínas desnaturadas. A desnaturação pode ser reversível ou irreversível, dependendo das condições e da extensão da danificação da estrutura proteica. Em alguns casos, a remoção do agente desnaturante pode permitir que a proteína retorne à sua conformação nativa e recupere sua atividade (renaturação). No entanto, em muitos casos, a desnaturação leva à agregação e perda permanente da função. --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Term | Definition | |------|------------| | Aminoácido | Molécula orgânica que contém um grupo amino ($-\text{NH}_2$) e um grupo carboxilo ($-\text{COOH}$). São os blocos de construção das proteínas. | | Ligação peptídica | Ligação covalente que se forma entre o grupo carboxilo de um aminoácido e o grupo amino de outro aminoácido, liberando uma molécula de água (reação de condensação). | | Péptido | Cadeia curta de aminoácidos ligada por ligações peptídicas. | | Proteína | Molécula complexa composta por uma ou mais cadeias polipeptídicas, que desempenha uma vasta gama de funções biológicas. | | Estrutura primária | A sequência linear de aminoácidos numa cadeia polipeptídica, determinada pela informação genética. | | Estrutura secundária | Padrões locais de enrolamento da cadeia polipeptídica, estabilizados por ligações de hidrogénio entre os átomos do esqueleto peptídico, como as alfa-hélices e as folhas beta. | | Estrutura terciária | A conformação tridimensional global de uma única cadeia polipeptídica, resultante das interações entre as cadeias laterais dos aminoácidos. | | Estrutura quaternária | A disposição espacial de múltiplas subunidades polipeptídicas num complexo proteico funcional. | | Desnaturação | Processo que leva à perda da estrutura tridimensional nativa de uma proteína, geralmente por aquecimento, alterações de pH ou ação de agentes químicos, resultando na perda da sua atividade biológica. | | Propriedades ácido-base | Característica dos aminoácidos de poderem atuar como ácidos ou bases, devido à presença dos grupos amino e carboxilo ionizáveis. | | Atividade ótica | Capacidade de compostos quirais, como os aminoácidos (exceto a glicina), de rodar o plano da luz polarizada. | | Ponte dissulfureto | Ligação covalente forte formada entre os grupos tiol ($-\text{SH}$) de dois resíduos de cisteína, contribuindo para a estabilização da estrutura terciária e quaternária das proteínas. | | Cromatografia em coluna | Técnica de separação que envolve a passagem de uma amostra através de uma coluna contendo uma fase estacionária, permitindo a separação dos componentes com base nas suas interações com a fase estacionária e a fase móvel. | | Eletroforese | Técnica de separação que utiliza um campo elétrico para mover moléculas carregadas através de uma matriz (gel), separando-as com base na sua carga, tamanho e forma. | | Focagem isoelétrica (IEF) | Técnica de eletroforese que separa proteínas com base no seu ponto isoelétrico (pI), o pH no qual a proteína tem carga líquida zero. | | SDS-PAGE | Eletroforese em gel de poliacrilamida com dodecilsulfato de sódio. Uma técnica comum para separar proteínas com base no seu tamanho após a desnaturação e a introdução de uma carga negativa uniforme. | | Massa molar relativa ($M_r$) | O peso molecular de uma substância, expresso como um número adimensional. Na eletroforese, a SDS-PAGE é frequentemente utilizada para determinar a $M_r$ de proteínas. | | Ponto isoelétrico (pI) | O pH no qual uma molécula de aminoácido, péptido ou proteína tem uma carga elétrica líquida de zero. |

# Introdução às enzimas e suas propriedades Este tópico explora a natureza, função e características fundamentais das enzimas, destacando seu papel crucial na aceleração de reações biológicas. ### 1.1 Definição e natureza das enzimas Enzimas são catalisadores biológicos que aceleram significativamente a velocidade das reações químicas no organismo. A grande maioria das enzimas são proteínas, mas algumas moléculas de RNA, conhecidas como ribozimas, também possuem capacidade catalítica. Elas desempenham um papel essencial, pois sem sua ação, a maioria das reações celulares ocorreria a velocidades muito baixas ou nem ocorreria nas condições biológicas normais (temperatura, pH neutro e ambiente aquoso) [3](#page=3). ### 1.2 Mecanismo de ação enzimática As enzimas aumentam a velocidade das reações biológicas ao diminuir seletivamente a energia de ativação. A energia de ativação é a energia necessária para que uma reação ocorra. As enzimas não são consumidas durante o processo catalítico, permanecendo intactas ao final da reação e podendo ser reutilizadas em novos ciclos catalíticos [17](#page=17) [20](#page=20) [3](#page=3) [4](#page=4). É crucial entender que as enzimas não afetam o equilíbrio químico de uma reação, nem a sua constante de equilíbrio ($K_{eq}$). Elas apenas aceleram a taxa na qual o equilíbrio é atingido. A posição e a direção do equilíbrio são determinadas pela energia livre dos reagentes e produtos, que não é alterada pela presença da enzima [17](#page=17) [19](#page=19) [20](#page=20) [21](#page=21) [3](#page=3). > **Tip:** Embora a reação possa ser termodinamicamente favorável (Δ$G$ < 0), uma alta energia de ativação pode impedir que ela ocorra espontaneamente em uma velocidade detectável. As enzimas superam essa barreira [20](#page=20). ### 1.3 Propriedades das enzimas As enzimas exibem várias propriedades distintivas que as tornam catalisadores biológicos eficientes e específicos: #### 1.3.1 Alta especificidade Uma característica marcante das enzimas é a sua alta especificidade para o substrato. Elas são capazes de distinguir substratos com estruturas muito semelhantes e ignorar moléculas competidoras. Essa especificidade garante que cada enzima catalise apenas uma reação específica ou um pequeno conjunto de reações quimicamente semelhantes [4](#page=4). #### 1.3.2 Necessidade em pequenas quantidades Enzimas são necessárias em quantidades muito pequenas em comparação com a quantidade de substrato que processam. Isso se deve ao fato de não serem consumidas na reação e serem reutilizadas repetidamente [19](#page=19) [4](#page=4). #### 1.3.3 Suscetibilidade à regulação e inibição A atividade enzimática pode ser modulada e regulada. Isso pode ocorrer através de modificações covalentes reversíveis (como a fosforilação), ligação de reguladores alostéricos, ativação por proteólise, entre outros mecanismos [4](#page=4) [5](#page=5). #### 1.3.4 Importância da estrutura conformacional A integridade da conformação nativa da enzima é essencial para sua atividade catalítica. Desnaturação, dissociação de subunidades ou degradação levam à perda da forma tridimensional, resultando na perda da atividade catalítica. As estruturas primária, secundária, terciária e quaternária são todas cruciais para a função enzimática [4](#page=4). #### 1.3.5 Local ativo O local ativo é uma região específica na enzima onde o substrato se liga e a reação catalítica ocorre, convertendo o substrato em produto. A forma do local ativo é determinada pela estrutura terciária da enzima e deve ser complementar à do substrato para que a catálise aconteça. Alterações na forma geral da enzima afetam a forma do local ativo e, consequentemente, sua atividade catalítica [5](#page=5). > **Tip:** O poder catalítico e a especificidade das enzimas resultam de interações fracas não covalentes (como interações eletrostáticas, ligações de hidrogênio e interações hidrofóbicas) que elas estabelecem com o substrato [5](#page=5). #### 1.3.6 Influência de fatores externos A atividade das enzimas é influenciada por fatores como pH e temperatura. Cada enzima possui um pH ótimo, pois o estado de ionização dos resíduos de aminoácidos no local ativo e em outras partes da proteína é sensível às variações de pH. Da mesma forma, a temperatura afeta a velocidade da reação; uma diminuição na temperatura geralmente reduz a velocidade da reação, pois menos moléculas terão energia suficiente para superar a barreira de ativação. As enzimas também possuem uma temperatura ótima para sua atividade [19](#page=19) [20](#page=20). ### 1.4 Modelos de interação enzima-substrato O modelo "chave-fechadura" descreve a complementaridade rígida entre enzima e substrato no local ativo. No entanto, este modelo é limitado, pois ignora a flexibilidade enzimática e as mudanças conformacionais que ocorrem durante a ligação do substrato. Além disso, não considera a estabilização do estado de transição, um fator crucial para a diminuição da energia de ativação. Modelos mais recentes e precisos consideram a indução de encaixe e a estabilização do estado de transição [13](#page=13) [21](#page=21). ### 1.5 Efeitos da enzima sobre parâmetros de reação Em uma reação que pode ocorrer com ou sem catálise enzimática: * **(a) Variação da energia livre padrão da reação ($\Delta G^0$):** A enzima **não altera** a variação da energia livre padrão da reação. Esta depende das condições padrão (temperatura, pressão, concentração inicial de substrato e produto) e da natureza do substrato e do produto [21](#page=21). * **(b) Energia de ativação da reação:** A enzima **diminui** a energia de ativação da reação. Ela estabiliza o estado de transição, facilitando a reação e permitindo que ela ocorra mais rapidamente [21](#page=21). * **(c) Velocidade inicial da reação:** A enzima **aumenta** a velocidade inicial da reação [21](#page=21). * **(d) Constante de equilíbrio da reação ($K_{eq}$):** A enzima **não altera** a constante de equilíbrio da reação. O equilíbrio é atingido mais rapidamente, mas a posição do equilíbrio permanece a mesma [17](#page=17) [21](#page=21). > **Example:** As enzimas são catalisadores altamente eficientes, podendo aumentar a velocidade de reações químicas em milhares ou milhões de vezes [19](#page=19). --- # Mecanismos de catálise enzimática e energia de ativação As enzimas aumentam a velocidade das reações químicas ao diminuírem a energia de ativação necessária para que a reação ocorra [11](#page=11) [21](#page=21). ### 2.1 A reação química e a energia de ativação A energia livre (G) de um sistema é representada em função do progresso da reação, partindo do substrato (S) para o produto (P). Uma reação química requer a superação de uma barreira energética entre o estado fundamental do substrato e o estado fundamental do produto [10](#page=10) [9](#page=9). * A velocidade das reações pode ser aumentada pelo aumento da temperatura, aumento da pressão ou adição de catalisadores [10](#page=10). * Uma energia de ativação mais elevada resulta numa reação mais lenta [10](#page=10). O topo desta barreira energética, a partir do qual o decaimento para substrato ou produto tem a mesma probabilidade, é o **estado de transição** (‡). A **energia de ativação** (ΔG‡) é a diferença entre os níveis de energia do estado fundamental e do estado de transição. Quanto maior a energia de ativação, mais lenta será a reação. Enquanto a energia livre (ΔG’º) indica se uma reação pode ocorrer, a energia de ativação (ΔG‡) determina a rapidez com que ela ocorre [11](#page=11) [12](#page=12). ### 2.2 O papel das enzimas na catálise As enzimas atuam como catalisadores, aumentando a velocidade de uma reação sem alterar o seu equilíbrio. Elas aceleram a interconversão entre substrato e produto, catalisando a reação em ambas as direções (S → P e P → S), mas não afetam a posição e direção do equilíbrio, apenas o atingem mais rapidamente por aumentarem a velocidade [12](#page=12) [9](#page=9). As reações catalisadas por enzimas podem envolver várias etapas, incluindo a formação e consumo de intermediários como o complexo enzima-substrato (ES) e o complexo enzima-produto (EP). A velocidade final da reação é determinada pela etapa (ou etapas) com a maior energia de ativação, conhecida como etapa limitante da velocidade [12](#page=12). > **Tip:** Embora as enzimas aumentem a velocidade de uma reação, elas não alteram a variação da energia livre padrão da reação (ΔG’º) nem a constante de equilíbrio (Keq). Estes parâmetros dependem apenas da natureza dos reagentes e produtos e das condições de temperatura e pressão, não sendo influenciados pela enzima [21](#page=21). ### 2.3 Mecanismos de diminuição da energia de ativação As enzimas diminuem a energia de ativação principalmente através da **estabilização do estado de transição**. O sítio ativo da enzima é complementar ao estado de transição da reação, permitindo interações ótimas entre a enzima e o substrato apenas quando este se encontra nesse estado. A complementaridade total entre a enzima e o substrato ocorre somente no estado de transição [11](#page=11) [14](#page=14). A ligação do substrato à enzima pode induzir uma mudança conformacional na enzima (fenómeno conhecido como **encaixe induzido**), que cria várias interações fracas adicionais com o substrato. Esta mudança conformacional posiciona corretamente os grupos funcionais da enzima no sítio ativo para catalisar a reação e estabiliza o estado de transição [14](#page=14) [16](#page=16). #### 2.3.1 Interações não covalentes e energia de ligação O poder catalítico e a especificidade das enzimas estão intrinsecamente ligados às **interações não covalentes** entre a enzima e o substrato, que contribuem para a diminuição da energia de ativação. Estas interações incluem ligações de hidrogénio, interações iónicas e interações hidrofóbicas [15](#page=15). A formação de cada uma destas interações fracas não covalentes no complexo enzima-substrato é acompanhada pela libertação de energia livre, denominada **energia de ligação**. Esta energia de ligação é a principal fonte de energia livre utilizada pelas enzimas para diminuir a energia de ativação. As interações fracas entre a enzima e o substrato fornecem a força propulsora para a catálise enzimática [15](#page=15). > **Tip:** A energia de ligação libertada pelas interações não covalentes entre a enzima e o substrato compensa a energia necessária para a ativação da reação [15](#page=15). #### 2.3.2 Contribuição da energia de ligação para o poder catalítico A energia de ligação contribui para o poder catalítico das enzimas de várias formas: * **Diminuição da entropia do substrato:** A energia de ligação mantém o substrato orientado e alinhado com a enzima através de interações fracas não covalentes, aproximando-o e orientando-o na posição apropriada para reagir [16](#page=16). * **Diminuição da solvatação:** A formação de ligações fracas não covalentes entre a enzima e o substrato leva à dessolvatação do substrato. A interação enzima-substrato substitui a maioria das ligações de hidrogénio entre o substrato e as moléculas de água, removendo a camada de solvatação que impediria a reação [16](#page=16). * **Mudança conformacional da enzima (encaixe induzido):** A ligação do substrato induz uma mudança conformacional na enzima, gerando interações fracas adicionais e posicionando os grupos funcionais do sítio ativo corretamente para a catálise [16](#page=16). #### 2.3.3 Especificidade enzimática A energia de ligação é também fundamental para a extraordinária **especificidade** das enzimas pelos seus substratos. A especificidade resulta da formação de múltiplas interações fracas não covalentes entre a enzima (E) e o substrato (S). O sítio ativo da enzima possui grupos funcionais organizados de forma a formar um grande número de interações fracas com o substrato no estado de transição. Como resultado, a enzima não será capaz de interagir com a mesma intensidade com outras moléculas, garantindo a sua seletividade [16](#page=16). > **Example:** Imagine uma fechadura (enzima) e uma chave (substrato). A chave só entra e gira (catalisa a reação) se tiver o formato exato dos entalhes da fechadura. Enzimas são semelhantes, os seus sítios ativos são desenhados para interagir com substratos específicos, especialmente quando estes atingem o estado de transição. ### 2.4 Efeitos da catálise enzimática em parâmetros de reação Para uma reação que pode ocorrer com ou sem catálise enzimática: * **(a) Variação da energia livre padrão da reação (ΔG’º):** A enzima **não altera** [21](#page=21). * **(b) Energia de ativação da reação (ΔG‡):** A enzima **diminui** [11](#page=11) [21](#page=21). * **(c) Velocidade inicial da reação:** A enzima **aumenta** [21](#page=21). * **(d) Constante de equilíbrio da reação (Keq):** A enzima **não altera** [21](#page=21). > **Tip:** Lembre-se que a enzima afeta a cinética (velocidade) da reação, mas não a sua termodinâmica (equilíbrio e viabilidade). --- # Fatores que afetam a atividade enzimática e cofatores A atividade enzimática é um processo complexo influenciado por diversos fatores, incluindo a presença de cofatores e coenzimas, bem como as condições ambientais como pH e temperatura, e a integridade estrutural da enzima [19](#page=19) [8](#page=8). ### 3.1 Cofatores e coenzimas Certas enzimas necessitam de moléculas auxiliares não proteicas para que possam desempenhar a sua função catalítica. Estas moléculas são classificadas como cofatores ou coenzimas [8](#page=8). * **Cofatores:** Geralmente são íons metálicos inorgânicos ou moléculas metalorgânicas [8](#page=8). * **Coenzimas:** São moléculas orgânicas [8](#page=8). Quando firmemente, ou covalentemente, ligados a uma enzima, os cofatores e coenzimas são denominados **grupo prostético**. A combinação da enzima com o seu grupo prostético resulta numa enzima cataliticamente ativa. Algumas enzimas requerem tanto uma coenzima quanto um ou mais cofatores para serem ativas. A parte proteica da enzima sem estes grupos auxiliares é inativa [8](#page=8). ### 3.2 Fatores que afetam a atividade enzimática A atividade catalítica das enzimas é influenciada por vários fatores ambientais e estruturais. #### 3.2.1 pH O pH do meio ambiente afeta significativamente a atividade enzimática. Cada enzima possui um pH ótimo no qual a sua atividade é máxima. Isso ocorre porque o pH influencia o estado de ionização dos resíduos de aminoácidos presentes no sítio ativo e em outras partes da estrutura proteica. Mudanças no estado de ionização podem alterar a conformação da enzima e a sua capacidade de ligar o substrato e catalisar a reação [19](#page=19). > **Tip:** O pH ótimo de uma enzima é geralmente próximo do pH fisiológico do seu local de atuação no organismo. #### 3.2.2 Temperatura Embora não explicitamente detalhado nas páginas fornecidas para este tópico, é um fator conhecido que a temperatura também é crucial para a atividade enzimática. Temperaturas elevadas podem levar à desnaturação da enzima (perda da sua estrutura tridimensional e, consequentemente, da sua função), enquanto temperaturas muito baixas podem diminuir a velocidade da reação. Existe uma temperatura ótima para cada enzima, onde a sua atividade é máxima. #### 3.2.3 Estrutura da enzima A estrutura da enzima, em todos os seus níveis (primário, secundário, terciário e quaternário), é essencial para a sua atividade catalítica. Alterações conformacionais na estrutura da enzima podem afetar drasticamente a sua função [22](#page=22). * **Exemplo de alteração estrutural:** A substituição de um aminoácido com um grupo R carregado negativamente, como o ácido glutâmico, por um aminoácido com um grupo R pequeno e apolar, como a alanina ou a glicina, pode desestabilizar a conformação do centro ativo. Isso prejudica as interações essenciais para a reação enzimática, levando à perda da atividade catalítica. Por outro lado, a substituição de alanina por glicina pode não afetar a função, pois ambos os aminoácidos compartilham características químicas e estruturais semelhantes (pequenos e hidrofóbicos) [22](#page=22). ### 3.3 Outras considerações sobre a atividade enzimática * **Especificidade:** As enzimas exibem alta especificidade, o que significa que são capazes de catalisar reações envolvendo um isómero específico (por exemplo, D-hidratos de carbono ou L-aminoácidos), mas não o seu enantiómero. Essa especificidade é determinada pela interação do substrato com o centro ativo da enzima [19](#page=19). * **Equilíbrio da reação:** As enzimas não alteram a constante de equilíbrio de uma reação; elas apenas aceleram a velocidade com que o equilíbrio é atingido [19](#page=19). * **Concentração:** As enzimas são utilizadas em concentrações muito menores do que os substratos, pois não são consumidas durante a reação e podem ser reutilizadas [19](#page=19). * **Eficiência:** As enzimas são catalisadores extremamente eficientes, podendo aumentar a velocidade de reações químicas em milhares ou milhões de vezes [19](#page=19). --- # Técnicas de análise de proteínas: Eletroforese com SDS A eletroforese com SDS é uma técnica fundamental para a separação de proteínas baseada principalmente na sua massa molecular, utilizando o dodecil sulfato de sódio (SDS) para modificar as propriedades de carga e forma das proteínas [23](#page=23). ### 4.1 O papel do SDS na eletroforese O SDS (dodecil sulfato de sódio) é um detergente aniónico amplamente utilizado na eletroforese para garantir que a separação das proteínas ocorra predominantemente com base na sua massa molecular [23](#page=23). #### 4.1.1 Mecanismo de ligação do SDS às proteínas O SDS liga-se de forma não covalente às proteínas. Esta ligação ocorre através de duas interações principais [23](#page=23): * **Interações hidrofóbicas:** A cauda hidrofóbica (não polar) do SDS interage fortemente com as regiões hidrofóbicas da proteína. Estas interações são responsáveis por "desdobrar" ou desnaturar a proteína, rompendo as suas estruturas terciárias e quaternárias, resultando numa conformação mais linear ou alongada [23](#page=23). * **Interações com resíduos positivos:** O grupo sulfato hidrofílico (polar) do SDS pode interagir com resíduos de aminoácidos positivos na proteína, como a lisina e a arginina. Embora contribua, esta interação é considerada menos significativa para a carga final [23](#page=23). #### 4.1.2 Consequências da ligação do SDS A ligação extensiva do SDS às proteínas tem duas consequências cruciais para a eletroforese: * **Conferir carga negativa:** O grupo sulfato do SDS é altamente carregado negativamente. Ao ligar-se às proteínas, o SDS confere a estas uma carga negativa dominante e uniforme, mascarando efetivamente a carga intrínseca das proteínas. Todas as proteínas, independentemente da sua composição de aminoácidos, adquirem uma relação carga-massa semelhante [23](#page=23). * **Confirir forma alongada:** A natureza detergente do SDS e a sua capacidade de interagir com regiões hidrofóbicas levam ao desdobramento das proteínas, tornando-as mais lineares e alongadas [23](#page=23). #### 4.1.3 Separação baseada na massa molecular Devido à carga negativa uniforme e à forma alongada adquiridas após a ligação ao SDS, as proteínas, quando submetidas a um campo elétrico, migram em direção ao polo positivo (ânodo). A velocidade de migração torna-se então dependente quase exclusivamente do seu tamanho molecular. Proteínas menores, com menor resistência à migração através da matriz do gel, movem-se mais rapidamente e mais longe do que as proteínas maiores [23](#page=23). > **Tip:** A eletroforese com SDS, também conhecida como SDS-PAGE (Polyacrylamide Gel Electrophoresis), é frequentemente utilizada em conjunto com a eletroforese bidimensional ou como etapa de preparação para outras técnicas, como o Western Blot. > **Exemplo:** Numa amostra contendo proteínas de 20 kDa, 50 kDa e 100 kDa, após tratamento com SDS e submissão a SDS-PAGE, espera-se que a proteína de 20 kDa migre mais rapidamente e atinja uma posição mais distante no gel, enquanto a proteína de 100 kDa migrará mais lentamente e ficará mais perto do ponto de aplicação. --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Termo | Definição | |------|------------| | Enzima | Molécula, geralmente uma proteína, que atua como um catalisador biológico, acelerando reações químicas específicas sem ser consumida no processo. | | Catálise | Processo pelo qual a velocidade de uma reação química é aumentada por uma substância (catalisador) que não é consumida na reação. | | Reação biológica | Reação química que ocorre em organismos vivos, geralmente mediada por enzimas para garantir que ocorram a taxas fisiologicamente relevantes. | | Energia de ativação | A energia mínima necessária para que uma reação química ocorra, representando a barreira energética que os reagentes devem superar para se converterem em produtos. | | Equilíbrio químico | Estado de uma reação reversível onde as taxas das reações direta e inversa são iguais, resultando em concentrações constantes de reagentes e produtos. | | Substrato | Molécula sobre a qual uma enzima atua, sendo convertida em produto. | | Local ativo | Região específica na estrutura tridimensional de uma enzima onde o substrato se liga e onde a catálise ocorre. | | Cofator | Molécula não proteica, orgânica ou inorgânica, que é essencial para a atividade catalítica de algumas enzimas. | | Coenzima | Cofator orgânico, frequentemente derivado de vitaminas, que atua em conjunto com uma enzima para catalisar uma reação. | | Grupo prostético | Parte não proteica de uma metaloproteína ou glicoproteína que está firmemente ligada ou covalentemente ligada à cadeia polipeptídica. | | Estado de transição | Um arranjo de átomos de alta energia que ocorre no pico de uma barreira de energia durante uma reação química, onde as ligações antigas estão sendo quebradas e novas estão sendo formadas. | | Encaixe induzido | Modelo de ligação enzima-substrato onde a enzima e/ou o substrato sofrem uma alteração conformacional após a ligação, otimizando o ajuste e a catálise. | | Interações não covalentes | Forças de atração fracas entre átomos ou moléculas, como ligações de hidrogénio, interações hidrofóbicas e forças de van der Waals, que são cruciais na estrutura e função das biomoléculas. | | Energia de ligação | A energia liberada quando interações fracas não covalentes se formam entre uma enzima e seu substrato, contribuindo para a diminuição da energia de ativação. | | Eletroforese | Técnica de laboratório usada para separar moléculas carregadas, como proteínas e ácidos nucleicos, com base em seu tamanho e carga elétrica, passando uma corrente elétrica através delas. | | SDS (Dodecil Sulfato de Sódio) | Um surfactante aniónico amplamente utilizado em bioquímica para desnaturar proteínas, conferir-lhes uma carga negativa uniforme e permitir sua separação por eletroforese com base no tamanho. | | Desnaturação | Processo no qual a estrutura tridimensional de uma proteína é alterada, geralmente pela exposição a calor, pH extremo ou produtos químicos, resultando na perda de sua função biológica. |

# Cinética enzimática básica e modelo de Michaelis-Menten Esta seção explora os fundamentos da cinética enzimática, focando na formação do complexo enzima-substrato, o conceito de estado estacionário e a dedução da equação de Michaelis-Menten, incluindo a interpretação dos parâmetros V0, Vmax e Km. ### 1.1 Conceitos fundamentais da cinética enzimática A cinética enzimática estuda a velocidade das reações catalisadas por enzimas e os fatores que a influenciam. Uma reação enzimática típica envolve as seguintes etapas [3](#page=3): 1. **Formação do complexo enzima-substrato (ES):** A enzima (E) liga-se ao substrato (S) para formar o complexo ES. Esta etapa é reversível, com constantes de velocidade $k_1$ (formação de ES) e $k_{-1}$ (dissociação de ES) [3](#page=3). $$ E + S \xrightleftharpoons[k_{-1}]{k_1} ES $$ 2. **Conversão de ES em produto:** O complexo ES é convertido em enzima livre (E) e produto (P). Esta etapa possui uma constante de velocidade $k_2$ [3](#page=3). $$ ES \xrightarrow{k_2} E + P $$ ### 1.2 O estado estacionário O conceito de estado estacionário é crucial na cinética enzimática e postula que, após um breve período inicial, a concentração do complexo enzima-substrato ([ES]) permanece constante ao longo do tempo. Isso ocorre porque a velocidade de formação do complexo ES é igual à sua velocidade de decomposição (seja por dissociação para E + S ou por formação de produto) [13](#page=13) [3](#page=3) [9](#page=9). $$ \text{velocidade de formação de } ES = \text{velocidade de decomposição de } ES $$ $$ k_1[E][S = k_{-1}[ES + k_2[ES $$ No início da reação, a concentração de produto é desprezível, o que simplifica a análise [3](#page=3). ### 1.3 Parâmetros da cinética enzimática #### 1.3.1 Velocidade inicial (V0) A velocidade inicial (V0) refere-se à taxa de formação de produto ou consumo de substrato em unidades de concentração por tempo (e.g., μM/min) nos momentos iniciais da reação. É definida sob a suposição de que a concentração da enzima ([E]) é mantida constante [4](#page=4) [7](#page=7). * **Baixas concentrações de substrato ([S]):** V0 aumenta de forma aproximadamente linear com o aumento de [S [4](#page=4). * **Altas concentrações de substrato ([S]):** V0 aumenta muito pouco em resposta ao aumento de [S, aproximando-se de um valor máximo [4](#page=4). A vantagem de medir V0 é que, nesse ponto, a [S ainda é alta em relação ao substrato consumido, tornando as alterações na [S desprezíveis para que possa ser tratada como constante [6](#page=6). > **Tip:** Medir a velocidade inicial (V0) é vantajoso porque, no início da reação, a concentração de substrato ([S]) permanece praticamente constante devido ao seu consumo mínimo para formar o produto [6](#page=6). #### 1.3.2 Velocidade máxima (Vmax) A velocidade máxima (Vmax) é a velocidade de catálise atingida pela enzima quando esta está completamente saturada com substrato. Isso significa que todos os centros ativos da enzima estão ocupados por substrato. Neste ponto, um aumento adicional na [S leva a um aumento insignificante em V0, pois a enzima está operando na sua capacidade máxima. A enzima está predominantemente na forma de complexo ES, e a concentração de enzima livre ([E]) é muito baixa [4](#page=4). > **Tip:** Quando uma enzima está saturada com substrato, ela atinge sua velocidade máxima (Vmax) [4](#page=4). #### 1.3.3 Constante de Michaelis-Menten (Km) A constante de Michaelis-Menten (Km) é uma medida da afinidade de uma enzima pelo seu substrato. Ela é definida como a concentração de substrato ([S]) na qual a velocidade inicial da reação (V0) é igual à metade da velocidade máxima (½ Vmax) [10](#page=10) [15](#page=15) [4](#page=4) [7](#page=7) [9](#page=9). $$ Km = [S \text{ quando } V0 = \frac{Vmax}{2} $$ * **Relação com afinidade:** Km é inversamente proporcional à afinidade da enzima pelo substrato [4](#page=4). * Um **Km alto** indica **baixa afinidade** da enzima pelo substrato, necessitando de uma maior [S para atingir ½ Vmax [4](#page=4). * Um **Km baixo** indica **alta afinidade** da enzima pelo substrato, necessitando de uma menor [S para atingir ½ Vmax. Km é uma propriedade intrínseca da enzima e não varia durante a reação, refletindo as propriedades catalíticas e de ligação da enzima ao substrato [6](#page=6). > **Example:** Se uma enzima tem um Km de 10 mM para um determinado substrato, isso significa que a velocidade inicial da reação será metade da Vmax quando a concentração do substrato for de 10 mM [10](#page=10). ### 1.4 A equação de Michaelis-Menten A equação de Michaelis-Menten descreve a relação entre a velocidade inicial de uma reação enzimática (V0) e a concentração de substrato ([S]). Ela é derivada sob a aproximação do estado estacionário e considerando que, no início da reação, a concentração de produto é desprezível [12](#page=12) [4](#page=4) [5](#page=5) [7](#page=7). A dedução leva à seguinte equação: $$ V0 = \frac{Vmax [S]}{Km + [S]} $$ Onde: * $V0$ é a velocidade inicial da reação. * $Vmax$ é a velocidade máxima da reação. * $[S]$ é a concentração de substrato. * $Km$ é a constante de Michaelis-Menten. Esta equação descreve uma curva hiperbólica quando V0 é plotado contra [S [7](#page=7). > **Tip:** A equação de Michaelis-Menten é fundamental para entender como a concentração de substrato afeta a velocidade das reações enzimáticas [4](#page=4). ### 1.5 Análise gráfica: Gráfico de Michaelis-Menten e Lineweaver-Burk #### 1.5.1 Gráfico V0 vs. [S (Michaelis-Menten) Este gráfico mostra uma relação hiperbólica entre a velocidade inicial (V0) e a concentração de substrato ([S]). A curva aumenta rapidamente no início (baixas [S]), depois se achata e se aproxima assintoticamente de Vmax em altas [S, indicando saturação da enzima. A intersecção com o eixo dos x representa a concentração de substrato. A curva se aproxima de Vmax, mas teoricamente não a atinge [4](#page=4) [7](#page=7). #### 1.5.2 Gráfico 1/V0 vs. 1/[S (Lineweaver-Burk) A equação de Michaelis-Menten pode ser linearizada para facilitar a análise e a determinação de Vmax e Km usando o gráfico de Lineweaver-Burk. Tomando o inverso da equação de Michaelis-Menten [5](#page=5): $$ \frac{1}{V0} = \frac{Km + [S]}{Vmax [S]} $$ $$ \frac{1}{V0} = \frac{Km}{Vmax [S]} + \frac{[S]}{Vmax [S]} $$ $$ \frac{1}{V0} = \frac{Km}{Vmax} \cdot \frac{1}{[S]} + \frac{1}{Vmax} $$ Esta equação tem a forma de $y = mx + b$: * $y = \frac{1}{V0}$ * $x = \frac{1}{[S]}$ * $m = \frac{Km}{Vmax}$ (declive da reta) * $b = \frac{1}{Vmax}$ (intersecção com o eixo dos y - ordenada na origem) > **Tip:** O gráfico de Lineweaver-Burk é uma ferramenta útil para determinar precisamente os valores de Vmax e Km a partir de dados experimentais [5](#page=5). No gráfico de Lineweaver-Burk: * A intersecção com o eixo y (ordenada na origem) é $\frac{1}{Vmax}$ [5](#page=5). * A intersecção com o eixo x (abcissa) é $-\frac{1}{Km}$ [5](#page=5). * O declive da reta é $\frac{Km}{Vmax}$ [5](#page=5). ### 1.6 Considerações sobre as aproximações Na dedução da equação de Michaelis-Menten, duas aproximações principais são utilizadas [12](#page=12): 1. **Aproximação do estado estacionário:** A concentração do complexo ES é constante ao longo do tempo [13](#page=13) [3](#page=3). 2. **Aproximação de substrato em excesso:** A concentração de substrato é muito maior do que a concentração de enzima ([S >> [E]). Isso garante que, mesmo quando a enzima está saturada, a [S não muda significativamente e permanece alta em relação à quantidade de substrato consumido [13](#page=13) [6](#page=6). ### 1.7 Outros parâmetros e observações * **Concentração de enzima livre:** No início da reação, a concentração de enzima livre ([E]) diminui à medida que se liga ao substrato [3](#page=3). * **Concentração de ES:** O complexo ES aumenta inicialmente e atinge um platô quando a enzima está saturada [3](#page=3). * **Concentração de substrato ([S]) diminui ao longo do tempo:** Conforme a reação avança, [S diminui [14](#page=14). * **Concentração de produto ([P]) aumenta ao longo do tempo:** Conforme a reação avança, [P aumenta [14](#page=14). * A velocidade de gasto de ES considera as etapas de sua decomposição [8](#page=8). * A regulação de uma enzima por cofatores é relacionada ao seu funcionamento geral, não diretamente à Km [9](#page=9). * No início da reação (V0), o substrato ainda não saturou completamente a enzima, então V0 é menor que Vmax. V0 = Vmax apenas quando a enzima está totalmente saturada [6](#page=6). --- # Métodos gráficos para análise de cinética enzimática Os métodos gráficos, como os de Michaelis-Menten e Lineweaver-Burk, são ferramentas essenciais para a visualização e quantificação de parâmetros cinéticos de enzimas e para a compreensão do efeito de inibidores [5](#page=5). ### 2.1 O modelo de Michaelis-Menten A equação de Michaelis-Menten descreve a relação entre a velocidade inicial da reação enzimática ($V_0$) e a concentração do substrato ($[S]$). Embora a forma original da equação não seja linear, sua representação gráfica revela características importantes da cinética enzimática [5](#page=5). > **Tip:** A curva de Michaelis-Menten exibe um padrão hiperbólico onde a velocidade inicial aumenta com a concentração de substrato até atingir um platô, que representa a velocidade máxima ($V_{max}$). ### 2.2 O gráfico de Lineweaver-Burk O gráfico de Lineweaver-Burk é uma transformação linear da equação de Michaelis-Menten, representada pela seguinte equação: $$ \frac{1}{V_0} = \frac{K_m}{V_{max}} \cdot \frac{1}{[S]} + \frac{1}{V_{max}} $$ Esta equação corresponde à forma de uma reta ($y = mx + b$), onde: * $y = \frac{1}{V_0}$ * $x = \frac{1}{[S]}$ * $m = \frac{K_m}{V_{max}}$ (declive) * $b = \frac{1}{V_{max}}$ (interseção com o eixo y, ordenada na origem) [5](#page=5). #### 2.2.1 Determinação de parâmetros cinéticos A linearização oferecida pelo gráfico de Lineweaver-Burk permite uma determinação mais precisa dos parâmetros cinéticos chave: * **$V_{max}$ (Velocidade Máxima):** É determinada pela interseção da reta com o eixo das ordenadas (eixo y), correspondendo ao valor de $\frac{1}{V_{max}}$. Para obter o valor de $V_{max}$, inverte-se este valor [5](#page=5). $$ V_{max} = \frac{1}{b} $$ * **$K_m$ (Constante de Michaelis):** A $K_m$ pode ser determinada de duas maneiras: * **Pelo declive:** O declive da reta ($m$) é igual a $\frac{K_m}{V_{max}}$. Assim, $K_m = m \cdot V_{max}$ [5](#page=5). * **Pela interseção com o eixo das abcissas (eixo x):** A interseção da reta com o eixo x ocorre quando $V_0$ é infinito (ou $\frac{1}{V_0} = 0$). Nesse ponto, $\frac{1}{[S]} = -\frac{1}{K_m}$. O valor de $x$ nesta interseção é igual a $-\frac{1}{K_m}$. Portanto, $K_m$ é o inverso do valor absoluto da abscissa no eixo x [11](#page=11) [5](#page=5). $$ K_m = -\frac{1}{x_{interseção}} $$ > **Tip:** O gráfico de Lineweaver-Burk é particularmente útil para visualizar e analisar o efeito de inibidores sobre a cinética enzimática, pois diferentes tipos de inibição resultam em alterações distintas nas interceções e no declive da reta. ### 2.3 Análise de inibidores enzimáticos através de métodos gráficos Os métodos gráficos são fundamentais para distinguir entre os diferentes tipos de inibição reversível de enzimas. #### 2.3.1 Inibição competitiva Na inibição competitiva, o inibidor liga-se ao sítio ativo da enzima, competindo com o substrato [19](#page=19). * **Curva de Michaelis-Menten:** A $K_m$ aparente aumenta (o que significa que é necessária uma maior concentração de substrato para atingir metade da $V_{max}$), enquanto a $V_{max}$ se mantém inalterada. Isso ocorre porque, em concentrações elevadas de substrato, a probabilidade de ligação do inibidor à enzima é minimizada [19](#page=19). * **Gráfico Lineweaver-Burk:** * As linhas para a reação sem e com inibidor cruzam-se no eixo das ordenadas em $\frac{1}{V_{max}}$ confirmando que a $V_{max}$ não é afetada [19](#page=19). * A interseção com o eixo das abcissas ($-\frac{1}{K_m}$) desloca-se para a direita (tornando-se menos negativa), indicando um aumento na $K_m$ aparente ($\alpha K_m$) [19](#page=19). * O declive da reta aumenta [31](#page=31). > **Example:** Um inibidor competitivo para a enzima desidrogenase lática poderia ser o malonato, que é estruturalmente semelhante ao succinato (substrato da succinato desidrogenase, outra enzima). #### 2.3.2 Inibição anticompetitiva Na inibição anticompetitiva, o inibidor liga-se exclusivamente ao complexo enzima-substrato (ES), impedindo a sua catálise. * **Curva de Michaelis-Menten:** Tanto a $K_m$ quanto a $V_{max}$ diminuem. A diminuição da $K_m$ aparente significa que é necessária uma menor concentração de substrato para atingir metade da nova $V_{max}$. A $V_{max}$ diminui porque a presença do inibidor prejudica a atividade catalítica do complexo ES. A curva de Michaelis-Menten desloca-se para baixo [21](#page=21). * **Gráfico Lineweaver-Burk:** * A linha com o inibidor é paralela e acima da linha sem inibidor [21](#page=21). * A $V_{max}$ diminui, o que resulta num aumento do valor de $\frac{1}{V_{max}}$ (interseção com o eixo y aumenta) [21](#page=21). * A $K_m$ diminui, o que significa que $-\frac{1}{K_m}$ aumenta (deslocando-se para a direita), mas a inclinação da reta muda de forma a manter as linhas paralelas. #### 2.3.3 Inibição mista (não competitiva) Na inibição mista, o inibidor pode ligar-se tanto à enzima livre (E) quanto ao complexo enzima-substrato (ES), afetando a atividade catalítica e a afinidade pelo substrato. A inibição não competitiva pura é um caso especial onde a $K_m$ não varia. * **Curva de Michaelis-Menten:** A $V_{max}$ diminui, pois o número de complexos funcionais enzima-substrato diminui. A curva de Michaelis-Menten desloca-se para baixo. Na inibição não competitiva pura, a $K_m$ não varia mantendo a curva sem deslocamento no eixo x [23](#page=23). * **Gráfico Lineweaver-Burk:** * A $V_{max}$ diminui, resultando num aumento de $\frac{1}{V_{max}}$, o que significa que a interseção com o eixo das ordenadas ocorre em um ponto superior [23](#page=23). * Na inibição não competitiva pura, a $K_m$ não varia. Consequentemente, a interseção com o eixo das abcissas em $-\frac{1}{K_m}$ permanece inalterada. O declive da reta muda [23](#page=23) [35](#page=35) [36](#page=36). > **Example:** Dados experimentais para inibição não competitiva mostram que a $V_{max}$ diminui (ex: de 0.49 mg/min para 0.21 mg/min), enquanto a $K_m$ se mantém relativamente constante (ex: de 1.98 mM para 2.31 mM). Isso é refletido nas interceções do gráfico Lineweaver-Burk [35](#page=35) [36](#page=36). > **Tip:** Ao analisar gráficos de Lineweaver-Burk com inibidores, preste atenção especial aos pontos de interseção com os eixos e ao declive, pois eles fornecem informações diretas sobre como a $V_{max}$ e a $K_m$ são afetadas. --- # Mecanismos de regulação da atividade enzimática A atividade enzimática é finamente controlada por diversos mecanismos que ajustam a sua eficiência catalítica em resposta às necessidades celulares. ## 3 Mecanismos de regulação da atividade enzimática A atividade enzimática pode ser regulada por vários fatores, incluindo pH, temperatura, alosteria, modificações covalentes e inibidores [16](#page=16). ### 3.1 Fatores físico-químicos #### 3.1.1 pH O pH ótimo é aquele em que a enzima exibe a máxima atividade catalítica. As cadeias laterais de aminoácidos com grupos ionizáveis são cruciais para determinar este pH ótimo, pois o seu estado de ionização afeta tanto o local ativo quanto a conformação geral da enzima [16](#page=16). #### 3.1.2 Temperatura Cada enzima possui uma temperatura ótima para a sua atividade catalítica máxima [16](#page=16). ### 3.2 Inibição enzimática Inibidores são compostos que reduzem ou bloqueiam a atividade catalítica de uma enzima [17](#page=17). #### 3.2.1 Inibição reversível Neste tipo de inibição, o inibidor liga-se fracamente à enzima, permitindo a sua dissociação. Os inibidores reversíveis podem ser análogos estruturais dos substratos ou produtos. Eles podem atuar de duas formas: impedindo a ligação do substrato à enzima livre, ou ligando-se ao complexo enzima-substrato e prevenindo a reação [17](#page=17). #### 3.2.2 Inibição irreversível O inibidor liga-se covalentemente à enzima, destruindo um grupo funcional essencial para a atividade catalítica, ou forma uma associação não covalente estável. Frequentemente, o inibidor liga-se ao local ativo, resultando numa inativação definitiva da enzima [25](#page=25). ### 3.3 Modificações covalentes #### 3.3.1 Modificação covalente reversível A atividade enzimática pode ser regulada por modificações covalentes reversíveis em um ou mais resíduos de aminoácidos, como fosforilação, metilação ou acetilação. As cinases adicionam grupos fosfato, enquanto as fosfatases removem esses grupos [26](#page=26). #### 3.3.2 Modificação covalente irreversível Este tipo de modificação leva à inativação permanente da enzima [25](#page=25). ### 3.4 Alosteria A atividade enzimática é regulada pela ligação não covalente reversível de modeladores/reguladores alostéricos a um local regulatório específico na enzima (#page=26, 27). Essa ligação induz uma alteração conformacional na enzima (#page=26, 27) [26](#page=26) [27](#page=27). #### 3.4.1 Tipos de enzimas alostéricas * **Enzima homotrópica:** O substrato atua como modelador, e o local ativo e o local regulatório são os mesmos [27](#page=27). * **Enzima heterotrópica:** O modelador é diferente do substrato, e existem locais regulatórios específicos para cada modelador heterotrópico [27](#page=27). #### 3.4.2 Estrutura e função Enzimas alostéricas são frequentemente compostas por várias subunidades, podendo ter diferentes modeladores ligados a subunidades distintas. O local regulador (onde o modelador se liga) e o local catalítico (onde o substrato se liga e a reação ocorre) podem estar em subunidades diferentes [27](#page=27). #### 3.4.3 Modeladores alostéricos Os modeladores podem ser ativadores (moduladores positivos) ou inibidores (moduladores negativos). A ligação de um modelador a um local regulatório induz uma mudança conformacional na enzima, passando de um estado T (tenso/inativo) para um estado R (relaxado/ativo), e vice-versa. Por exemplo, a ligação de um ativador a uma subunidade regulatória pode aumentar a afinidade do local ativo pelo substrato, tornando a enzima mais ativa. A dissociação do modelador retorna a enzima ao seu estado menos ativo [28](#page=28). #### 3.4.4 Cinética das enzimas alostéricas Enzimas alostéricas não seguem a cinética de Michaelis-Menten. A sua curva de saturação é sigmoidal, em contraste com a curva hiperbólica das enzimas não regulatórias. Em vez de $K_m$, utiliza-se $K_{0.5}$ para representar a concentração de substrato que fornece metade da $V_{max}$ [29](#page=29). * **Ativador alostérico:** Diminui o $K_{0.5}$, aumentando a afinidade da enzima pelo substrato e a velocidade de reação para uma dada concentração de substrato, sem alterar a $V_{max}$ [29](#page=29). > **Tip:** Um ativador alostérico permite que a enzima atinja metade da sua capacidade catalítica máxima com uma menor concentração de substrato, indicando uma ligação mais forte. * **Inibidor alostérico:** Aumenta o $K_{0.5}$, diminuindo a afinidade da enzima pelo substrato, o que requer uma concentração maior de substrato para atingir metade da $V_{max}$. O $V_{max}$ pode permanecer inalterado [29](#page=29). > **Tip:** A análise da curva de saturação sigmoidal é fundamental para identificar e caracterizar a regulação alostérica. > **Example:** Numa enzima alostérica heterotrópica, um ativador pode aumentar a $V_{max}$ sem alterar o $K_{0.5}$ (afinidade pelo substrato), enquanto um inibidor pode alterar o $K_{0.5}$ (afinidade) sem afetar a $V_{max}$ (capacidade catalítica máxima). A interpretação depende se o modelador afeta primariamente a afinidade ou a capacidade catalítica [29](#page=29). --- # Tipos de inibição enzimática A inibição enzimática ocorre quando um composto diminui ou impede a atividade catalítica de uma enzima. A inibição reversível envolve a ligação fraca do inibidor à enzima, permitindo a sua dissociação. Estes inibidores são frequentemente análogos estruturais de substratos ou produtos. Dependendo do momento e do local de ligação, os inibidores reversíveis podem ser classificados como competitivos, anticompetitivos ou mistos (não competitivos) [17](#page=17). ### 4.1 Inibição competitiva Na inibição competitiva, o inibidor liga-se reversivelmente apenas à enzima livre, competindo com o substrato pelo local ativo. Devido à semelhança estrutural entre o inibidor e o substrato, a sua ligação impede que o substrato se ligue, formando um complexo enzima-inibidor não reativo [18](#page=18). * **Características Cinéticas:** * A inibição pode ser revertida pelo aumento da concentração de substrato [18](#page=18). * O $K_m$ aparente aumenta (denotado como $\alpha K_m$). Isso significa que é necessária uma maior concentração de substrato para atingir metade da $V_{max}$ [19](#page=19). * A $V_{max}$ permanece inalterada pois em concentrações muito altas de substrato, a ligação do inibidor é minimizada [19](#page=19) [30](#page=30). * **Gráficos:** * **Curva de Michaelis-Menten:** A curva desloca-se para a direita, indicando um aumento no $K_m$ [19](#page=19). * **Gráfico de Lineweaver-Burk:** As linhas com e sem inibidor cruzam-se no eixo dos y em $1/V_{max}$. A interseção no eixo x ($-1/K_m$) desloca-se para a direita. A inclinação da reta é alterada [19](#page=19) [31](#page=31). > **Tip:** Na inibição competitiva, pense que o inibidor "ocupa o lugar" do substrato no centro ativo. Aumentar a quantidade de substrato pode "desocupar o lugar" do inibidor. > **Example:** Muitos fármacos funcionam como inibidores competitivos, por exemplo, inibidores da xantina oxidase que tratam a gota. ### 4.2 Inibição anticompetitiva Na inibição anticompetitiva, o inibidor liga-se exclusivamente ao complexo enzima-substrato (ES), e não à enzima livre. Por isso, não interfere diretamente com a ligação do substrato ao local ativo, mas sim com a catálise subsequente [20](#page=20). * **Características Cinéticas:** * Tanto o $K_m$ quanto a $V_{max}$ diminuem. A diminuição no $K_m$ aparente significa que é necessária uma menor concentração de substrato para atingir metade da $V_{max}$ aparente. A diminuição na $V_{max}$ reflete a inibição da atividade catalítica [21](#page=21). * Um fator $\alpha'$ descreve o efeito do inibidor sobre o complexo ES, geralmente levando à diminuição da $V_{max}$ e também do $K_m$ [24](#page=24). * **Gráficos:** * **Curva de Michaelis-Menten:** A curva desloca-se para baixo e para a esquerda, indicando diminuição tanto do $K_m$ quanto da $V_{max}$ [21](#page=21). * **Gráfico de Lineweaver-Burk:** A linha de inibição é paralela à linha sem inibidor, mas posicionada acima dela. A diminuição do $K_m$ leva a um $-1/K_m$ maior (mais próximo de zero no eixo x), e a diminuição da $V_{max}$ leva a um $1/V_{max}$ maior (interseção com o eixo y a valores superiores) [21](#page=21). > **Tip:** A inibição anticompetitiva é mais eficaz quando a concentração de substrato é alta, pois há mais complexos ES para o inibidor se ligar. ### 4.3 Inibição mista (não competitiva) Na inibição mista (também referida como não competitiva em alguns contextos), o inibidor pode ligar-se tanto à enzima livre quanto ao complexo enzima-substrato (ES). Crucialmente, o inibidor liga-se a um local alostérico, distinto do local ativo. Embora o substrato possa ligar-se ao local ativo, a ligação do inibidor inibe a catálise [22](#page=22). * **Características Cinéticas:** * A $V_{max}$ diminui porque o número de complexos enzima-substrato funcionais é reduzido [23](#page=23). * O $K_m$ pode variar. Na inibição *não competitiva pura*, o $K_m$ permanece inalterado. Na inibição *mista*, o inibidor pode alterar a afinidade do substrato pela enzima. A ligação de um inibidor ao complexo ES pode deslocar o equilíbrio para a formação de mais complexo ES, diminuindo o $K_m$ aparente [23](#page=23) [24](#page=24) [35](#page=35) [36](#page=36). * **Gráficos:** * **Curva de Michaelis-Menten:** A curva desloca-se para baixo. Se o $K_m$ não variar (inibição não competitiva pura), o deslocamento é puramente vertical [23](#page=23) [35](#page=35) [36](#page=36). * **Gráfico de Lineweaver-Burk:** A $V_{max}$ diminui, resultando numa interseção com o eixo y num ponto superior. Se o $K_m$ não variar, a interseção com o eixo x permanece em $-1/K_m$. Se o $K_m$ variar, a linha interceptará o eixo x num ponto diferente [23](#page=23) [35](#page=35) [36](#page=36). > **Tip:** A inibição mista é um tipo mais geral que engloba a competitiva e a anticompetitiva como casos específicos. Na inibição não competitiva pura, o inibidor afeta a capacidade catalítica da enzima, mas não a sua afinidade pelo substrato. ### 4.4 Inibição irreversível A inibição irreversível ocorre quando um inibidor se liga covalentemente à enzima, formando uma ligação permanente. Esta ligação inativa a enzima de forma permanente, pois o inibidor não se dissocia [17](#page=17). * **Características Cinéticas:** * A inibição irreversível leva a uma perda permanente de atividade enzimática. A cinética aparente pode depender da concentração de enzima ativa remanescente. Em muitos casos, a $V_{max}$ efetiva diminui significativamente, e o $K_m$ pode permanecer o mesmo se a enzima ativa restante não for afetada. * **Gráficos:** * **Curva de Michaelis-Menten:** A curva de velocidade versus concentração de substrato será mais baixa, indicando uma $V_{max}$ menor. * **Gráfico de Lineweaver-Burk:** A linha exibirá uma $V_{max}$ aparente menor, resultando em uma maior interceção no eixo y ($1/V_{max}$). > **Tip:** A inibição irreversível é frequentemente utilizada em estudos para identificar resíduos de aminoácidos cruciais no local ativo de uma enzima. > **Example:** O gás sarin, um agente neurotóxico, é um inibidor irreversível da acetilcolinesterase. --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Termo | Definição | |------|------------| | Complexo Enzima-Substrato (ES) | Intermediário formado quando a enzima se liga ao seu substrato, preparando-o para a catálise. A concentração deste complexo é considerada constante no estado estacionário. | | Estado Estacionário | Condição em que a concentração do complexo enzima-substrato ([ES]) permanece constante ao longo do tempo, pois a velocidade de formação de ES é igual à velocidade de sua decomposição (em produto ou dissociação). | | Constante de Velocidade (k) | Valor que quantifica a velocidade de uma reação química específica, indicando quão rápido os reagentes se transformam em produtos. Diferentes constantes (k1, k-1, k2) descrevem as etapas individuais de uma reação enzimática. | | Cinética Enzimática | Estudo da velocidade das reações catalisadas por enzimas, analisando como fatores como concentração de substrato, enzima, pH e temperatura afetam essa velocidade. | | Enzimas Alostéricas | Enzimas reguladas pela ligação de moléculas (modeladores) a um sítio alostérico, distinto do sítio ativo. Essa ligação induz mudanças conformacionais que alteram a atividade catalítica da enzima. | | V0 (Velocidade Inicial) | A velocidade de uma reação enzimática medida nos primeiros momentos, quando a concentração de substrato é alta e as alterações em sua concentração são desprezíveis. É crucial para a análise da cinética de Michaelis-Menten. | | Vmax (Velocidade Máxima) | A velocidade máxima que uma reação enzimática pode atingir sob condições específicas, ocorrendo quando a enzima está completamente saturada com substrato e todos os sítios ativos estão ocupados. | | Km (Constante de Michaelis-Menten) | A concentração de substrato na qual a velocidade inicial da reação (V0) é igual à metade da velocidade máxima (Vmax/2). Km é um indicador da afinidade da enzima pelo substrato; um Km menor indica maior afinidade. | | Gráfico de Michaelis-Menten | Representação gráfica da relação entre a velocidade inicial (V0) e a concentração de substrato ([S]), geralmente apresentando uma curva hiperbólica. | | Gráfico de Lineweaver-Burk | Uma representação linearizada da equação de Michaelis-Menten, plotando o inverso da velocidade inicial (1/V0) contra o inverso da concentração de substrato (1/[S]). Facilita a determinação de Vmax e Km e a análise de inibição. | | Inibição Reversível | Tipo de inibição em que o inibidor se liga à enzima de forma não covalente e pode se dissociar, permitindo que a enzima recupere sua atividade. | | Inibição Competitiva | Inibição onde o inibidor compete diretamente com o substrato pelo sítio ativo da enzima. Geralmente, o inibidor é estruturalmente semelhante ao substrato. | | Inibição Anticompetitiva | Inibição onde o inibidor se liga apenas ao complexo enzima-substrato (ES), e não à enzima livre. | | Inibição Mista (Não Competitiva) | Inibição em que o inibidor pode se ligar tanto à enzima livre quanto ao complexo enzima-substrato, em um sítio distinto do ativo, afetando tanto a ligação do substrato quanto a catálise. | | Inibição Irreversível | Tipo de inibição em que o inibidor se liga à enzima de forma covalente, causando uma modificação permanente e inativando a enzima definitivamente. | | Modificação Covalente Reversível | Processo de regulação enzimática onde grupos químicos são adicionados ou removidos covalentemente de resíduos de aminoácidos da enzima, alterando sua atividade. Exemplos incluem fosforilação e metilação. | | Sítio Alostérico | Região de uma enzima, distinta do sítio ativo, onde moduladores (ativadores ou inibidores) se ligam para regular a atividade catalítica da enzima através de mudanças conformacionais. | | Curva Sigmoide | Uma curva em forma de "S" observada em enzimas alostéricas, representando a relação entre a velocidade da reação e a concentração de substrato. Indica cooperação entre sítios de ligação. | | K0.5 | Parâmetro cinético utilizado para enzimas alostéricas, representando a concentração de substrato que resulta na metade da velocidade máxima (Vmax). Corresponde ao Km em enzimas que seguem a cinética de Michaelis-Menten. |

# Ruimtelijke structuur van koolwaterstoffen Dit gedeelte behandelt de ruimtelijke ordening van koolstofskeletten, inclusief alkanen, alkenen en alkynen, en de invloed van hybridisatie op de moleculaire vorm. ### 1.1 Inleiding De hybridisatietoestand van een koolstofatoom bepaalt de ruimtelijke verdeling van de eraan gebonden atomen of atoomgroepen, wat wordt vastgelegd door het aantal en de onderlinge oriëntatie van de $\sigma$-bindingen [9](#page=9). * Bij $\text{sp}^3$ hybridisatie zijn er vier $\sigma$-bindingen gericht naar de hoekpunten van een tetraëder met valentiehoeken van ongeveer 109º [9](#page=9). * Bij $\text{sp}^2$ hybridisatie zijn er drie $\sigma$-bindingen in hetzelfde vlak met valentiehoeken van ongeveer 120º [9](#page=9). * Bij $\text{sp}$ hybridisatie zijn er twee $\sigma$-bindingen langs eenzelfde lijn met valentiehoeken van 180º [9](#page=9). De ruimtelijke structuur van het koolwaterstofskelet wordt bepaald door de individuele koolstofatomen en hun hybridisatie. De som van de ruimtelijke verdelingen rondom elke bouwsteen bepaalt de totale moleculaire vorm. Verschillende hybridisaties en posities in het skelet resulteren in verschillende ruimtelijke structuren en daardoor ook verschillende fysicochemische eigenschappen, zoals geïllustreerd door stearinezuur en oleïnezuur die een smeltpuntverschil van 55 ºC hebben ondanks slechts één verschil: een dubbele binding in oleïnezuur [10](#page=10) [9](#page=9). ### 1.2 Methaan Methaan, het meest eenvoudige alkaan, wordt best voorgesteld met de wig-notatie [11](#page=11). H C H H H Moleculen zijn geen statische objecten; bindingsafstanden en valentiehoeken fluctueren voortdurend rondom evenwichtswaarden. Deze fluctuaties ontstaan door de omzetting van kinetische energie (bewegingsenergie) naar potentiële energie (inwendige energie) tijdens botsingen, wat met hogere temperaturen frequenter voorkomt. Bij voldoende hoge temperaturen kunnen zelfs de zwakste bindingen breken [11](#page=11). ### 1.3 Ethaan en conformationele isomerie In tegenstelling tot methaan, heeft ethaan een ruimtelijke structuur die niet eenduidig is. De twee tetraëders (koolstofatomen) kunnen ten opzichte van elkaar geroteerd worden [12](#page=12). * **Geëclipseerde vorm:** Elke C–H binding op het ene koolstofatoom staat precies tegenover een C–H binding van het naburige koolstofatoom [12](#page=12). * **Geschrankte vorm:** Elke C–H binding is zo geplaatst dat deze precies het midden doorsnijdt van de hoek gevormd door twee C–H bindingen op het naburige koolstofatoom [12](#page=12). Deze vormen kunnen in elkaar overgaan door rotatie rond de C–C as zonder de binding te breken. Dit zijn **conformeren** van elkaar [12](#page=12). > **Definitie:** Conformeren zijn verschillende ruimtelijke vormen van eenzelfde molecuul die ontstaan als gevolg van rotatie rondom een enkelvoudige binding, waarbij geen bindingen worden gebroken [12](#page=12). #### 1.3.1 Opbouw van een Newmanprojectie Een Newmanprojectie wordt gebruikt om verschillende conformaties op papier voor te stellen [12](#page=12). 1. De molecule wordt zo geplaatst dat de waarnemer langs de rotatie-as kijkt [13](#page=13). 2. Het dichtstbijzijnde atoom wordt voorgesteld als het snijpunt van de bindingen, en het achterste atoom als een cirkel [13](#page=13). 3. De overige bindingen op elk atoom worden symmetrisch verdeeld in het vlak van het papier [13](#page=13). Voor ethaan zijn de Newmanprojecties voor de geëclipseerde en geschrankte conformaties als volgt [13](#page=13): H H H H H H H H H H H H geëclipseerde conformatie geschrankte conformatie Het verschil tussen deze conformaties is de **torsiehoek $\theta$**. In de geschrankte vorm is $\theta$ 60º, en in de geëclipseerde vorm 0º [14](#page=14). Rotatie rondom $\sigma$-bindingen is vrij. Elke conformatie heeft een verschillende inwendige energie. De geschrankte vorm is het meest energetisch, en de geëclipseerde vorm het minst energetisch. Dit verschil ontstaat door elektrostatische afstoting tussen de elektronenwolken van naburige $\sigma$-bindingen. In de geëclipseerde vorm staan deze dichter bij elkaar, wat leidt tot meer sterische hinder. De afstand tussen geëclipseerde waterstofatomen is 229 pm, terwijl deze voor geschrankte waterstofatomen 255 pm is [14](#page=14) [15](#page=15). De sterische hinder bij de geëclipseerde vorm leidt tot een energieverhoging van ongeveer 4 kJ.mol⁻¹ per C-H/C-H interactie. Voor ethaan cumuleert dit tot een energieverschil van 12 kJ.mol⁻¹ tussen de geëclipseerde en geschrankte vormen [15](#page=15). Omdat conformeren een verschillende energieinhoud hebben, worden ze beschouwd als **conformationele isomeren** [15](#page=15). > **Definitie:** Conformationele isomeren zijn isomeren van een molecule die verschillen in hun inwendige energie door rotatie van één (of meerdere) vrij draaibare chemische bindingen [15](#page=15). Het energiediagram voor ethaan toont een variatie in inwendige energie als functie van de torsiehoek $\theta$, met minima voor geschrankte posities en maxima voor geëclipseerde posities [15](#page=15). Geëclipseerd Torsiehoek $\theta$ 12 kJ.mol⁻¹ Geschrankt Door bewegingsenergie kunnen de verschillende geschrankte vormen continu in elkaar overgaan, waarbij de energiebarrière van de geëclipseerde vorm overwonnen moet worden. Bij kamertemperatuur wordt deze barrière meer dan 10⁶ keer per seconde overwonnen [16](#page=16). ### 1.4 Propaan De situatie voor propaan is analoog aan ethaan, maar nu worden zowel C–H als C–C bindingen overwogen in de Newmanprojecties [16](#page=16). H H H CH₃ H H H H H CH₃H H 60º 0º $\theta$ $\theta$ Het energiediagram voor propaan is vergelijkbaar, maar de energiebarrière voor de overgang tussen geschrankte vormen is iets hoger (14 kJ.mol⁻¹) dan bij ethaan, vanwege de grotere repulsie tussen geëclipseerde C–H en C–C bindingen [16](#page=16). H H CH₃ CH₃ H H 60º $\theta$ H H CH₃ H H CH₃ 180º $\theta$ H H CH₃ H CH₃ H -60º $\theta$ gauche anti gauche A maximaal eclips C eclips C eclips Torsiehoek $\theta$ 16 kJ.mol⁻¹ 3.5 kJ.mol⁻¹ 19 kJ.mol⁻¹ H CH₃ H CH₃H H 0º $\theta$ H CH₃ H HH CH₃ 120º $\theta$ H CH₃ H HCH₃ H -120º $\theta$ ### 1.5 Butaan De Newmanprojectie van butaan kan worden afgeleid van die van ethaan door één waterstofatoom op een koolstofatoom te vervangen door een methylgroep. Rotatie rond de centrale C2–C3 binding resulteert in drie geschrankte en drie geëclipseerde conformaties [18](#page=18). * De meest stabiele conformatie is de **anti-conformatie** ($\theta$ = 180º), waarbij de twee methylgroepen maximaal uit elkaar liggen en alle C–C en C–H bindingen geschrankt staan [18](#page=18). * De meest energetische conformatie is de **maximaal geëclipseerde vorm** ($\theta$ = 0º), waarbij de twee methylgroepen elkaar eclipseren. Deze vorm is 19 kJ.mol⁻¹ hoger in energie dan de anti-conformatie [18](#page=18). * De **eclips-conformeren** met $\theta$ = 120º en $\theta$ = 240º (-120º) liggen 3 kJ.mol⁻¹ hoger in energie dan de maximaal geëclipseerde vorm. De sterische hinder tussen C–H en C–C bindingen is hier kleiner dan tussen twee C–C bindingen [18](#page=18). * Naast de anti-conformatie zijn er ook twee **gauche-conformeren** waarbij de methylgroepen 60º (D) en 300º (-60º) (E) uit elkaar staan. In deze gauche-conformeren komen de methylgroepen dicht genoeg bij elkaar dat hun elektronenwolken elkaar raken, wat leidt tot elektrostatische repulsie en een energieverhoging van ongeveer 3.5 kJ.mol⁻¹ ten opzichte van de anti-conformatie [18](#page=18). Daarom wordt de anti-conformatie energetisch bevoordeeld. Bij kamertemperatuur bestaat butaan voor ongeveer 64% uit anti-conformeren en 18% uit elk van de gauche-conformeren [19](#page=19). De resultaten van de conformationele analyse van butaan kunnen geëxtrapoleerd worden naar alle andere niet-cyclische alkanen [19](#page=19). * De meest stabiele conformatie zal steeds die zijn waarbij de C–C bindingen in alle fragmenten anti staan [19](#page=19). * Vanwege de geringe energieverschillen zullen gauche-conformeren ook significant aanwezig zijn [19](#page=19). * Door de vrije draaibaarheid doorlopen moleculen snel een groot aantal mogelijke conformaties, wat toeneemt met de grootte van het koolwaterstofskelet [19](#page=19). Dit onderstreept dat organische moleculen dynamische, driedimensionale objecten zijn [19](#page=19). ### 1.6 De ruimtelijke structuur van alkenen en alkynen #### 1.6.1 Etheen en buteen als representatieve voorbeelden van alkenen De $\text{sp}^2$ hybridisatie van koolstofatomen en de aanwezigheid van een $\pi$-binding resulteren in een andere moleculaire vorm dan bij alkanen [20](#page=20). * In etheen liggen alle atomen in hetzelfde vlak, waardoor etheen een **planair molecuul** is, in tegenstelling tot ethaan [20](#page=20). H C C H H H etheen H C C H H H ethaan * Er is **geen vrije draaibaarheid** mogelijk rond een dubbele binding, omdat rotatie de overlap van p-orbitalen en dus de $\pi$-binding zou verbreken. Het breken van de $\pi$-binding kost 240 kJ.mol⁻¹ en treedt alleen op bij hoge temperaturen of onder invloed van licht [20](#page=20). Bij normale temperaturen behouden de vier substituenten rond dubbele bindingen hun plaats. Dit leidt bij alkenen, waarbij elk dubbel gebonden koolstofatoom verschillende substituenten draagt, tot de mogelijkheid van twee isomere vormen. Dit is het geval bij 2-buteen (CH₃–CH=CH–CH₃) [20](#page=20). CH₃ C C H₃C H H cis 2-buteen H C C H₃C H CH₃ trans 2-buteen * Als beide methylgroepen aan dezelfde zijde van de dubbele binding staan, spreekt men van het **cis-isomeer** [21](#page=21). * Staan de methylgroepen aan tegenovergestelde zijden, dan spreekt men van het **trans-isomeer** [21](#page=21). Dit type isomerie is **cis-trans diastereoisomerie** (ook wel geometrische isomerie genoemd). De termen 'cis' en 'trans' zijn niet eenduidig wanneer een koolstofatoom van de dubbele binding twee identieke substituenten draagt [21](#page=21). Cis- en trans-isomeren van alkenen hebben een verschillende energie-inhoud. Het trans-isomeer heeft een kleinere verbrandingswarmte, wat aangeeft dat het **stabieler** is dan het cis-isomeer. Dit verschil berust op ongunstige sterische interacties tussen substituenten in de cis-vorm die afwezig zijn in de trans-vorm [21](#page=21). > **Tip:** Hoe stabieler een verbinding, hoe meer energie nodig is om de bindingen te breken. Bij verbranding van stabielere verbindingen komt netto minder reactiewarmte vrij [21](#page=21). > **Ter informatie:** De omzetting van 11-cis-retinal naar het trans-isomeer in het oog, onder invloed van licht, is essentieel voor het nachtzicht door de activatie van rhodopsine in de staafjes van het netvlies. Een tekort aan vitamine A kan leiden tot onvoldoende retinal en daardoor tot nachtblindheid [22](#page=22). #### 1.6.2 Alkynen Bij alkynen zorgt de $\text{sp}$ hybridisatie ervoor dat alle bindingen waaraan de twee $\text{sp}$ koolstofatomen deelnemen, op één lijn liggen (lineair). Dit wordt geïllustreerd door ethyn (acetyleen) [22](#page=22). C C H H ethyn Een "trans dubbele binding" is geen correcte notatie; alkynen hebben een lineaire structuur rond de drievoudige binding [22](#page=22). --- # Stereochemie en stereo-isomerie Dit deel introduceert de concepten van stereo-isomerie, chiraliteit, enantiomerie en diastereomerie, inclusief de R,S-nomenclatuur, Fisherprojecties en optische activiteit, met een focus op hun relevantie in de biochemie en geneeskunde [32](#page=32) [33](#page=33) [34](#page=34) [35](#page=35) [36](#page=36) [37](#page=37) [38](#page=38) [39](#page=39) [40](#page=40) [41](#page=41) [42](#page=42) [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46) [47](#page=47) [48](#page=48) [49](#page=49) [50](#page=50) [51](#page=51) [52](#page=52) [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55) [56](#page=56) [57](#page=57) [58](#page=58) [59](#page=59) [60](#page=60) [61](#page=61) [62](#page=62) [63](#page=63) [64](#page=64) [65](#page=65) [66](#page=66). ### 2.1 Stereo-isomerie: inleiding Stereo-isomerie ontstaat door de driedimensionale ruimtelijke verdeling van substituenten rondom atomen, met name rond sp$^{3}$-koolstofatomen. Moleculen die aan stereo-isomerie onderhevig zijn, zoals aminozuren en suikers, hebben centraal een sp$^{3}$-koolstofatoom dat gebonden is aan vier verschillende atomen of atoomgroepen, ook wel substituenten genoemd. Deze sp$^{3}$-koolstofatomen, met een tetraëdrische omringing, kunnen leiden tot stereo-isomeren omdat er twee manieren bestaan om vier verschillende substituenten over de hoekpunten van een tetraëder te verdelen, zonder dat de ene tetraëder volledig met de andere overlapt kan worden [38](#page=38) [39](#page=39). #### 2.1.1 Het stereogene koolstofatoom Een koolstofatoom dat door een verschillende configuratie van zijn gebonden substituenten aanleiding geeft tot het ontstaan van stereo-isomeren, wordt aangeduid als een stereogeen koolstofatoom of stereogeen centrum. Vaak wordt dit aangegeven met een asterisk (*) in een structuurformule [39](#page=39). #### 2.1.2 Voorwaarden voor een stereogeen koolstofatoom Een koolstofatoom kan enkel stereogeen zijn indien het een sp$^{3}$-hybridisatie heeft (tetraëdrische omringing) en gebonden is aan vier verschillende substituenten (#page=40, 41). Indien twee substituenten identiek zijn, geeft het koolstofatoom geen aanleiding tot de vorming van stereo-isomeren. sp$^{2}$-koolstofatomen kunnen geen stereogeen centrum zijn, zelfs als ze drie verschillende substituenten hebben, omdat de substituenten in het vlak van de dubbele binding kunnen worden geroteerd zonder de molecule te veranderen [40](#page=40) [41](#page=41). ### 2.2 Chiraliteit en enantiomerie Moleculen met één stereogeen centrum geven aanleiding tot twee stereo-isomeren die elkaars spiegelbeeld zijn en niet overlappen. Deze moleculen worden als **chiraal** beschouwd (#page=41, 42). De term 'chiraal' komt van het Griekse woord 'cheir' voor hand, omdat onze handen een bekend voorbeeld zijn van een enantiomeer paar: ze zijn elkaars spiegelbeeld maar niet identiek. De twee stereo-isomeren die elkaars spiegelbeeld zijn, vormen een **enantiomeer paar**. De specifieke vorm van stereo-isomerie die hierbij optreedt, wordt **enantiomerie** genoemd [41](#page=41) [42](#page=42). #### 2.2.1 Achirale moleculen Objecten die wel een spiegelbeeld hebben, maar identiek zijn aan hun spiegelbeeld en dus wel kunnen overlappen, worden **achiraal** genoemd. Een voorbeeld is een plastic beker. Een object is achiraal als er een spiegelvlak doorheen getrokken kan worden [43](#page=43). #### 2.2.2 Biomedisch voorbeeld: Softenon Een bekend en tragisch biomedisch voorbeeld van het effect van stereo-isomerie zijn de misvormingen veroorzaakt door het geneesmiddel Softenon (thalidomide). Eén stereo-isomeer kon zwangerschapsmisselijkheid voorkomen, terwijl het andere teratogene eigenschappen had, met misvormingen of vruchtafdrijving tot gevolg (#page=39, 65) [39](#page=39) [65](#page=65). ### 2.3 Optische activiteit De meeste fysische eigenschappen van enantiomeren, zoals dichtheid, smeltpunt en kookpunt, zijn identiek. Echter, enantiomeren interageren verschillend met **gepolariseerd licht**. Normaal licht heeft elektrische veldvectoren in alle mogelijke vlakken, terwijl vlak gepolariseerd licht een constante oriëntatie van deze vectoren heeft [44](#page=44). * **Optisch actief:** Wanneer een vlak gepolariseerde lichtstraal door een chiraal molecuul (of een oplossing ervan) gaat, kan er een draaiing van het polarisatievlak optreden. De verbinding wordt dan **optisch actief** genoemd [45](#page=45). * **Optisch inactief:** Een achiraal molecuul zal de richting van het polarisatievlak onveranderd laten [44](#page=44). De draaihoek wordt gemeten met een polarimeter. Om vergelijkingen mogelijk te maken, wordt vaak de **specifieke rotatie** $[ \alpha ]$ gebruikt, die onafhankelijk is van de afgelegde weg en concentratie [45](#page=45). ### 2.4 Fisherprojectie De Fisherprojectie is een conventionele tweedimensionale weergave die speciaal is ontworpen om de ruimtelijke verdeling van substituenten rondom een stereogeen centrum, met name bij suikers en aminozuren, ondubbelzinnig weer te geven [45](#page=45). #### 2.4.1 Opstellen van een Fisherprojectie Bij het opstellen van een Fisherprojectie worden de twee substituenten die horizontaal georiënteerd zijn naar de waarnemer toe gericht, en de andere twee, verticaal georiënteerde substituenten, van de waarnemer af gericht. Dit creëert een kruisvormige voorstelling die op het vlak van het papier wordt geprojecteerd [46](#page=46). * Het centrale koolstofatoom wordt niet weergegeven (#page=46, 47) [46](#page=46) [47](#page=47). * Er wordt gewerkt met hoeken van 90° [47](#page=47). * De koolstofketen wordt verticaal geplaatst, met de meest geoxideerde groep bovenaan (bv. carboxylgroep) [47](#page=47). #### 2.4.2 D- en L-vormen in Fisherprojecties Bij aminozuren en suikers wordt de Fisherprojectie gebruikt om D- en L-isomeren te onderscheiden. * **Suikers:** Als de functionele groep (bv. OH) rechts staat, is het de D-vorm ('dextro'); staat deze links, is het de L-vorm ('levo'). Bij glucose wordt het verschil tussen D- en L-vorm bepaald door de oriëntatie van de voorlaatste hydroxylgroep [48](#page=48) [49](#page=49). * **Aminozuren:** Als de aminegroep rechts staat, is het D-aminozuur; als deze links staat, is het L-aminozuur. In de biochemie van de cel worden voornamelijk L-aminozuren gebruikt voor eiwitten en D-suikers als energiebron [48](#page=48) [49](#page=49). #### 2.4.3 Eigenschappen van Fisherprojecties 1. **Permutatie van twee substituenten:** Het verwisselen van twee willekeurig gekozen substituenten in een Fisherprojectie resulteert in de projectie van het enantiomeer (het spiegelbeeld) (#page=49, 50). De absolute configuratie van het stereogeen centrum verandert hierdoor [49](#page=49) [50](#page=50). 2. **Twee opeenvolgende permutaties:** Twee opeenvolgende, onafhankelijke permutaties brengen het oorspronkelijke stereo-isomeer terug. Dit betekent dat het toegestaan is een Fisherprojectie over 180° te draaien [50](#page=50). 3. **Algemeen:** Bij moleculen met één stereogeen centrum genereert een oneven aantal permutaties steeds het enantiomeer, terwijl een even aantal permutaties de ruimtelijke structuur niet wijzigt [50](#page=50). Fisherprojecties zijn nuttig voor een beperkt aantal stereogene centra, maar worden niet gebruikt voor cyclische verbindingen [50](#page=50). ### 2.5 De R,S-nomenclatuur (CIP-nomenclatuur) De R,S-nomenclatuur, ontwikkeld door Cahn, Ingold en Prelog, maakt het mogelijk de absolute configuratie van stereogene centra ondubbelzinnig te benoemen [51](#page=51). #### 2.5.1 Regels voor de R,S-nomenclatuur 1. **Prioriteitstoekenning:** De vier substituenten rond het stereogeen centrum worden gerangschikt op basis van afnemende prioriteit [52](#page=52). * **a. Atoomgetal:** De atomen die direct aan het stereogeen koolstofatoom gebonden zijn, worden gerangschikt volgens afnemend atoomgetal. Het atoom met het hoogste atoomnummer krijgt prioriteit 1, het laagste prioriteit 4. (Voorbeeld: I > Br > Cl > S > P > F > O > N > C > H). Waterstof (Z=1) heeft altijd de laagste prioriteit [52](#page=52). * **b. Vervolgketens:** Indien atomen direct aan het koolstofatoom hetzelfde atoomgetal hebben, wordt gekeken naar de atoomgetallen van de volgende atomen in de substituenten, enzovoort [52](#page=52). * **c. Meervoudige bindingen:** Dubbele bindingen worden 'ontdubbeld' tot twee enkelvoudige bindingen, en driedubbele bindingen tot drie enkelvoudige bindingen voor de prioriteitsbepaling [53](#page=53). 2. **Oriëntatie:** De driedimensionale voorstelling van de verbinding wordt zo georiënteerd dat de substituent met de laagste prioriteit naar achter wijst. De andere drie substituenten wijzen naar de kijker toe, vergelijkbaar met een stuurwiel [4](#page=4) [53](#page=53). 3. **Configuratiebepaling:** * Als de volgorde van de rangnummers 1 → 2 → 3 een rotatie in wijzerzin (rechtsdraaiend) aangeeft, is de configuratie **R** (rectus = rechts) [53](#page=53). * Als de volgorde een rotatie in tegenwijzerzin (linksdraaiend) aangeeft, is de configuratie **S** (sinister = links) [53](#page=53). ### 2.6 Moleculen met meerdere stereogene centra Bij moleculen met meer dan één stereogeen centrum kan een groter aantal stereo-isomeren ontstaan. Voor een molecule met $n$ stereogene centra, worden in principe $2^n$ stereo-isomeren verwacht, verdeeld over $2^{n-1}$ enantiomeer paren [54](#page=54) [56](#page=56). #### 2.6.1 Enantiomeren en diastereomeren * **Enantiomeren:** Twee stereo-isomeren die elkaars spiegelbeeld zijn en niet overlappen. Bij moleculen met meerdere stereogene centra vinden we enantiomeren door aan alle centra één permutatie uit te voeren (#page=54, 55) [54](#page=54) [55](#page=55). * **Diastereomeren:** Stereo-isomeren die geen beeld en spiegelbeeld van elkaar zijn, maar wel verschillende ruimtelijke configuraties hebben. Deze ontstaan pas vanaf twee stereogene centra. Een enantiomeer van een paar is diastereomeer met alle stereo-isomeren van andere paren [55](#page=55) [56](#page=56). #### 2.6.2 Bijzondere gevallen: meso-verbindingen en racemaat * **Meso-verbindingen:** Moleculen met stereogene centra die intern een symmetrievlak hebben, waardoor ze achiraal zijn ondanks de aanwezigheid van stereogene centra. Een bekend voorbeeld is wijnsteenzuur, waarbij de 2R,3S- en 2S,3R-vorm feitelijk hetzelfde stereo-isomeer voorstellen en mesovorm genoemd worden (#page=56, 57) [56](#page=56) [57](#page=57). * **Racemaat:** Een mengsel van twee enantiomeren van dezelfde verbinding in gelijke hoeveelheden. Racematen kunnen specifieke eigenschappen hebben die verschillen van de samenstellende enantiomeren [58](#page=58). ### 2.7 Fysische en chemische eigenschappen van stereo-isomeren * **Enantiomeren:** Vertonen dezelfde fysische eigenschappen (kookpunt, smeltpunt, dichtheid, oplosbaarheid), maar verschillen in hun interactie met gepolariseerd licht en chirale reagentia (#page=44, 57, 58, 59) [44](#page=44) [57](#page=57) [58](#page=58) [59](#page=59). * **Diastereomeren:** Hebben duidelijk verschillende fysische eigenschappen [58](#page=58). * **Racematen:** Kunnen eigenschappen hebben die afwijken van de pure enantiomeren [58](#page=58). ### 2.8 Chemische, biochemische en biomedische relevantie van stereo-isomerie De verschillen in ruimtelijke configuratie van stereo-isomeren leiden tot verschillende interacties met andere moleculen, wat resulteert in een verschillende fysiologische respons (#page=43, 59) [43](#page=43) [59](#page=59). * **Interactie met achirale reagentia:** Enantiomeren reageren hetzelfde met achirale reagentia, wat resulteert in geen verschil in reactieproducten of -snelheden (#page=59, 62) [59](#page=59) [62](#page=62). * **Interactie met chirale reagentia/receptoren:** Enantiomeren reageren verschillend met chirale reagentia of receptoren, zoals enzymen, geurreceptoren of DNA (#page=43, 59, 60, 62, 63, 64, 65). Dit principe verklaart de stereoselectiviteit van enzymen en de verschillende geuren van enantiomeren van limoneen (citroen vs. sinaasappel) (#page=62, 63) [43](#page=43) [59](#page=59) [60](#page=60) [62](#page=62) [63](#page=63) [64](#page=64) [65](#page=65). * **Diastereomeren:** Reageren altijd verschillend, ongeacht of het reagens chiraal of achiraal is [62](#page=62). #### 2.8.1 Toepassingen in geneesmiddelen en biochemie * **Enzymen:** Zijn chiraal (opgebouwd uit L-aminozuren) en daardoor stereoselectief. Ze versnellen de omzetting van één enantiomeer van een substraat veel meer dan van het andere, volgens het sleutel-slotprincipe. Dit wordt benut bij de scheiding van enantiomeren in racematen, zoals bij naproxen [62](#page=62) [63](#page=63). * **Geneesmiddelen:** Veel geneesmiddelen worden als racemaat geproduceerd. Soms wordt slechts één enantiomeer de gewenste activiteit getoond (bv. S-ibuprofen is actiever dan R-ibuprofen). In andere gevallen kan het verkeerde enantiomeer schadelijk zijn (bv. Softenon) (#page=39, 65). L-Dopa wordt gebruikt bij Parkinson, omdat het door een enzym wordt omgezet tot dopamine, terwijl D-Dopa inactief is [39](#page=39) [58](#page=58) [64](#page=64) [65](#page=65). ### 2.9 Andere vormen van stereo-isomerie: cis-trans isomerie Naast stereo-isomerie rond sp$^{3}$-koolstofatomen, kan ook de tweevoudige koolstof-koolstofbinding in alkenen leiden tot stereo-isomerie, bekend als **cis-trans isomerie** of **geometrische isomerie** [66](#page=66). * Door de vlakke structuur en de beperkte draaibaarheid rond een dubbele binding, kunnen twee isomere vormen ontstaan wanneer elk van de dubbel gebonden sp$^{2}$-koolstofatomen verschillende substituenten draagt [66](#page=66). * **cis-isomeer:** Gelijke substituenten staan aan dezelfde zijde van de dubbele binding [66](#page=66). * **trans-isomeer:** Gelijke substituenten staan aan tegenovergestelde zijden van de dubbele binding [66](#page=66). Cis en trans alkenen zijn stereo-isomeren, maar vormen geen enantiomeer paar. Ze zijn diastereomeren van elkaar. Deze vorm van isomerie komt ook voor in cyclische verbindingen, waar het cis-trans onderscheid gemaakt wordt op basis van de positie van substituenten ten opzichte van het 'vlak' van de ring (#page=35, 36). In gesubstitueerde cyclohexanen is de equatoriale positie energetisch gunstiger dan de axiale positie [32](#page=32) [35](#page=35) [36](#page=36) [66](#page=66). --- # Ruimtelijke structuur van cyclische verbindingen Dit onderwerp onderzoekt de verschillende ruimtelijke arrangementen van atomen in cyclische verbindingen, met een focus op hoe ringstructuren de conformatiemogelijkheden beperken en hoe dit leidt tot spanningsvormen zoals Bayerspanning en Pitzerspanning, en specifieke conformeren zoals de stoelconformatie van cyclohexaan [23](#page=23). ### 3.1 Algemene principes van cyclische structuren De aanwezigheid van een gesloten keten in cyclische verbindingen beperkt significant het aantal mogelijke conformeren, aangezien rotaties rond C-C bindingen de ringstructuur moeten behouden zonder bindingen te verbreken. Veel biochemisch en biomedisch belangrijke verbindingen, zoals sucrose en cholesterol, bevatten één of meerdere ringen in hun koolstofskelet, wat het bestuderen van cyclische alkanen als basisskelet essentieel maakt [23](#page=23). ### 3.2 Spanning in cyclische verbindingen #### 3.2.1 Bayerspanning (hoekspanning) Bayerspanning, ook wel hoekspanning genoemd, ontstaat door de afwijking van de ideale tetraëdrische valentiehoek ($109.5^\circ$) bij sp3-gehybridiseerde koolstofatomen in een cyclische structuur. In cyclopropaan, waar de koolstofatomen een gelijkzijdige driehoek vormen, is de valentiehoek tussen de C-C bindingen $60^\circ$, wat een grote afwijking is en leidt tot een verhoogde inwendige energie en reactiviteit van het molecuul [23](#page=23) [24](#page=24). #### 3.2.2 Pitzerspanning (torsiespanning) Pitzerspanning, of torsiespanning, ontstaat door eclipsconformaties tussen bindingen op naburige koolstofatomen in een ring. In cyclopropaan zijn alle naburige C-H bindingen noodgedwongen geëclipseerd, wat leidt tot een verhoging van de inwendige energie. Deze spanning draagt bij aan de reactiviteit van cyclopropaan [24](#page=24). ### 3.3 Conformaties van kleinere cyclische alkanen #### 3.3.1 Cyclopropaan Cyclopropaan (C3H6) heeft slechts één mogelijke conformatie, waarbij de drie koolstofatomen de hoekpunten van een gelijkzijdige driehoek vormen. De koolstofatomen zijn coplanair en de C-C bindingshoeken zijn $60^\circ$, wat aanzienlijke Bayerspanning veroorzaakt. Bovendien zijn de C-H bindingen geëclipseerd, wat Pitzerspanning veroorzaakt. De gecombineerde spanning maakt cyclopropaan zeer reactief [23](#page=23) [24](#page=24). > **Tip:** De hogere verbrandingswarmte per CH2-groep voor cyclopropaan vergeleken met lineaire alkanen illustreert de aanwezigheid van deze spanningen [24](#page=24). #### 3.3.2 Cyclobutaan en cyclopentaan Voor vlakke cyclobutaan zouden de C-C bindingshoeken $90^\circ$ zijn, en voor vlak cyclopentaan $108^\circ$. Hoewel dit minder Bayerspanning oplevert dan cyclopropaan, wordt deze spanning vermeden door het aannemen van niet-vlakke conformeren [25](#page=25) [26](#page=26). * **Cyclobutaan:** Neemt een "vlinderconformatie" aan om de Pitzerspanning te verminderen, waarbij de ring iets verwrongen is om eclipsinteracties tussen C-H bindingen te minimaliseren [26](#page=26). * **Cyclopentaan:** Neemt een conformatie aan die lijkt op een "open envelope" om Pitzerspanning te reduceren. In deze conformatie wordt het aantal volledig geëclipseerde C-H bindingsparen gereduceerd, en ontstaan er geschrankte conformaties rondom de C-C bindingen [26](#page=26). De verbrandingswarmtegegevens suggereren dat, ondanks de Bayerspanning, cyclopentaan energetisch gunstiger is dan cyclobutaan in vlakke modellen, maar de niet-vlakke conformeren spelen een cruciale rol in de werkelijke stabiliteit [25](#page=25). ### 3.4 Cyclohexaan: de stoelconformatie Cyclohexaan is een bijzonder belangrijke ringstructuur omdat het een conformatie kan aannemen waarin zowel Bayerspanning als Pitzerspanning afwezig zijn. Dit is de **stoelconformatie** [27](#page=27). * In de stoelconformatie zijn alle valentiehoeken $109.5^\circ$, wat de Bayerspanning elimineert [27](#page=27). * Alle bindingen op naburige koolstofatomen zijn geschrankt, wat de Pitzerspanning elimineert [27](#page=27). Dit leidt tot een totale afwezigheid van spanning, wat blijkt uit het feit dat de verbrandingswarmte per CH2-groep identiek is aan die van lineaire alkanen [27](#page=27). #### 3.4.1 Axiale en equatoriale bindingen De stoelconformatie van cyclohexaan heeft twee soorten C-H bindingen [28](#page=28): * **Axiale bindingen:** Zes waterstofatomen (of substituenten) die loodrecht op het "vlak" van de zesring staan, afwisselend naar boven en naar beneden gericht [28](#page=28). * **Equatoriale bindingen:** Zes waterstofatomen (of substituenten) die in het "vlak" van de zesring liggen [28](#page=28). Elk koolstofatoom in de ring draagt één axiale en één equatoriale C-H binding [28](#page=28). #### 3.4.2 Conformationele inversie van de stoelvorm Net als butaan, kan cyclohexaan twee energetisch even stabiele stoelvormen hebben die in elkaar kunnen overgaan of "omklappen". Bij kamertemperatuur gebeurt dit zeer snel (ongeveer 1000 keer per seconde). Het cruciale gevolg van deze omklapping is dat alle equatoriale bindingen axiaal worden en vice versa. Beide stoelvormen van cyclohexaan zelf komen in een 50:50 verhouding voor, aangezien ze energetisch identiek zijn [28](#page=28) [29](#page=29). ### 3.5 Gesubstitueerde cyclohexaan-derivaten De aanwezigheid van substituenten op de cyclohexaanring beïnvloedt de stabiliteit van de verschillende conformeren. #### 3.5.1 Mono-gesubstitueerde cyclohexaan-derivaten Wanneer een substituent aan de cyclohexaanring wordt gebonden, ontstaan er twee mogelijke conformeren na ringomklapping: het axiale en het equatoriale substituut [29](#page=29). * **Equatoriaal substituut:** De substituent bevindt zich in een equatoriale positie. * **Axiaal substituut:** De substituent bevindt zich in een axiale positie. Deze twee vormen zijn **conformationele isomeren** van elkaar, omdat ze door ringomklapping in elkaar over kunnen gaan. Echter, ze hebben niet dezelfde energie-inhoud [29](#page=29) [30](#page=30). De axiale vorm heeft een hogere inwendige energie dan de equatoriale vorm. Dit komt door sterische interacties tussen de axiale substituent en de axiale waterstofatomen op dezelfde zijde van de ring. Deze interactie is analoog aan de gauche-butaaninteractie. Vermits er twee van dergelijke sterische contacten optreden, is de energieverhoging in axiaal methylcyclohexaan ongeveer $7 \text{ kJ.mol}^{-1}$ [30](#page=30) [31](#page=31). In de equatoriale vorm zijn er geen gauche-butaaninteracties. De substituent bevindt zich dan in een conformatie die vergelijkbaar is met anti-butaan [31](#page=31). Als gevolg van dit energieverschil, komen mono-gesubstitueerde cyclohexaan-derivaten bij kamertemperatuur hoofdzakelijk voor met de substituent in de equatoriale oriëntatie. Hoe groter de substituent, hoe groter het energieverschil en hoe kleiner het aandeel van het axiale conformeer. Tertiair-butylcyclohexaan komt bijvoorbeeld uitsluitend in de equatoriale conformatie voor [32](#page=32). > **Definitie:** Verbindingen die slechts in één conformatie kunnen voorkomen, worden **conformationeel homogeen** genoemd [32](#page=32). #### 3.5.2 Di-gesubstitueerde cyclohexaan-derivaten Bij twee substituenten op de cyclohexaanring ontstaan er verschillende isomerie-vormen. * **Ketenisomeren:** Verschillen in de chemische verbinding van de atomen (bv. 1,1-, 1,2-, 1,3-, 1,4-dimethylcyclohexaan) [33](#page=33). * **Conformationele isomeren:** Verschillende ruimtelijke arrangementen van dezelfde ketenisomeren, die door ringomklapping in elkaar over kunnen gaan. * **cis-1,3-dimethylcyclohexaan:** De twee methylgroepen staan aan dezelfde zijde van de ring. Dit isomeer kan voorkomen als di-equatoriaal of di-axiaal conformeer. De di-equatoriale vorm is energetisch gunstiger en overheerst. De di-axiale vorm is energetisch ongunstig door sterische contacten [33](#page=33) [36](#page=36). * **trans-1,3-dimethylcyclohexaan:** De twee methylgroepen staan aan tegenovergestelde zijden van de ring. Dit isomeer kan voorkomen als equatoriaal/axiaal of axiaal/equatoriaal conformeer. Beide conformeren zijn energetisch gelijkwaardig en komen in een 50:50 verhouding voor [34](#page=34) [36](#page=36). * **Stereoisomeren (cis-trans diastereomerie):** Moleculen die niet in elkaar over kunnen gaan door ringomklapping, maar wel verschillen in hun ruimtelijke opvulling. Dit type isomerie is vergelijkbaar met de geometrische isomerie aan dubbele bindingen [35](#page=35). * **cis-isomeer:** De substituenten staan aan dezelfde zijde van het "vlak" van de cycloalkaanring [35](#page=35) [36](#page=36). * **trans-isomeer:** De substituenten staan aan tegenovergestelde zijden van het "vlak" van de cycloalkaanring [36](#page=36). #### 3.5.3 Natuurlijke voorbeelden In de natuur komen veel gesubstitueerde vijf- en zesringen voor. Hierbij moet rekening gehouden worden met stereoisomerie en conformationele isomerie. D-glucose is een voorbeeld van een zesring dat voorkomt als twee geometrische isomeren, $\alpha$-D-glucose en $\beta$-D-glucose. Deze zijn **niet** conformationeel omzetbaar door ringomklapping en zijn conformationeel homogeen, omdat bij omklappen alle substituenten axiaal zouden komen te staan [37](#page=37). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Hybridebinding | Een binding die ontstaat door de interactie van verschillende orbitalen, resulterend in een specifieke ruimtelijke oriëntatie en eigenschappen van de binding. | | Valentiehoek | De hoek die gevormd wordt door de lijnen die de kernen van twee gebonden atomen verbinden met de kern van een centraal atoom. Deze hoek is kenmerkend voor de ruimtelijke structuur van een molecuul. | | Conformationele isomerie | Een vorm van isomerie waarbij moleculen dezelfde chemische formule en opeenvolging van atomen hebben, maar verschillen in de ruimtelijke ordening door rotatie rond enkelvoudige bindingen zonder de breking van bindingen. | | Newmanprojectie | Een grafische weergave die de ruimtelijke oriëntatie van substituenten rond een bepaalde binding in een molecuul toont, gezien vanuit de lengteas van die binding. | | Torsiehoek | De hoek tussen twee substituenten op naburige atomen, gemeten rond de as van de binding die deze atomen verbindt. Deze hoek is bepalend voor de conformatie van een molecuul. | | Sterische hinder | De afstoting tussen de elektronenwolken van naburige atomen of groepen in een molecuul, die de ruimtelijke rangschikking beïnvloedt en de energie van het molecuul verhoogt. | | Conformationele isomeren | Verschillende ruimtelijke vormen van eenzelfde molecuul die ontstaan door rotatie rond enkelvoudige bindingen, en die verschillende inwendige energieën hebben. | | Bayerspanning | De spanning die ontstaat in cyclische verbindingen door de afwijking van de ideale tetraëdrische valentiehoek van sp3-koolstofatomen, wat leidt tot een hogere inwendige energie. | | Pitzerspanning | De spanning die ontstaat in cyclische verbindingen door de afstoting tussen geëclipseerde bindingen op naburige koolstofatomen, wat de energie-inhoud van het molecuul verhoogt. | | Stereochemie | Het onderdeel van de scheikunde dat zich bezighoudt met de driedimensionale structuur van moleculen en hoe deze structuur chemische eigenschappen en reactiviteit beïnvloedt. | | Stereo-isomerie | Een vorm van isomerie waarbij moleculen dezelfde brutoformule en connectiviteit hebben, maar verschillen in de ruimtelijke rangschikking van hun atomen. | | Stereogeen centrum | Een atoom in een molecuul, meestal een koolstofatoom, dat gebonden is aan vier verschillende substituenten, waardoor het molecuul chirale eigenschappen kan vertonen. | | Chiraal | Een molecuul of voorwerp dat niet identiek is aan zijn spiegelbeeld, vergelijkbaar met een menselijke hand. Chirale moleculen kunnen in twee niet-overlappende spiegelbeelden, enantiomeren, voorkomen. | | Enantiomeer paar | Twee stereo-isomeren die elkaars niet-overlappende spiegelbeelden zijn. Ze hebben dezelfde fysische eigenschappen, behalve hun interactie met gepolariseerd licht en andere chirale moleculen. | | Optische activiteit | Het vermogen van een chiraal molecuul om het vlak van gepolariseerd licht te draaien. Dit effect is essentieel voor de identificatie en scheiding van enantiomeren. | | Fisherprojectie | Een tweedimensionale weergave van een driedimensionale moleculaire structuur, met name rond een stereogeen centrum, waarbij horizontale lijnen naar de waarnemer toe wijzen en verticale lijnen van de waarnemer af. | | R,S-nomenclatuur | Een systeem voor het benoemen van de absolute configuratie van stereogene centra in een molecuul, gebaseerd op de prioriteit van de substituenten rond dat centrum. R staat voor rectus (rechts) en S voor sinister (links). | | Diastereomeren | Stereo-isomeren van een molecuul die geen enantiomeren van elkaar zijn. Ze ontstaan wanneer een molecuul twee of meer stereogene centra heeft en hun ruimtelijke configuraties niet spiegelbeeldig aan elkaar zijn. | | Racemaat | Een equimolaire (gelijke hoeveelheden) mengsel van twee enantiomeren van een chirale verbinding. Racematen zijn optisch inactief omdat de draaiing van het gepolariseerde licht door het ene enantiomeer wordt opgeheven door het andere. | | Stereoselectiviteit | Een reactie waarbij één stereo-isomeer van een reactant met een hogere snelheid wordt gevormd dan de andere, of waarbij een specifiek stereo-isomeer als product ontstaat. Dit is cruciaal in biochemische reacties, met name enzymatische reacties. |

# Enzymes et régulation enzymatique Ce sujet explore le fonctionnement des enzymes et les mécanismes variés qui permettent de contrôler leur activité. ## 1. Enzymes et régulation enzymatique ### 1.1 Introduction aux enzymes et voies métaboliques Les enzymes sont des protéines biologiques qui agissent comme catalyseurs de réactions chimiques, avec une spécificité remarquable et la capacité d'être régulées. Les voies métaboliques sont des séquences de réactions chimiques catalysées par des enzymes, où le produit d'une réaction sert de substrat à la suivante. Ces voies peuvent être linéaires, ramifiées ou cycliques. La régulation de l'activité enzymatique est cruciale pour le contrôle des activités cellulaires; une régulation inappropriée peut mener à des maladies, comme le cancer, où la surexpression d'enzymes telles que la tyrosine kinase est associée à des altérations cellulaires [3](#page=3). ### 1.2 Voies métaboliques et enzyme clé Dans une voie métabolique, la plupart des enzymes sont présentes en excès, ce qui signifie que la vitesse des réactions dépend principalement de la concentration des substrats. Cependant, une enzyme régulatrice, qui catalyse la réaction limitante, contrôle le flux de la voie [3](#page=3). #### 1.2.1 La réaction limitante La réaction limitante est définie comme : * La première réaction spécifique d'une voie métabolique [4](#page=4). * La réaction la plus lente de la voie, imposant ainsi sa cadence à l'ensemble de la séquence [4](#page=4). * Généralement irréversible [4](#page=4). La vitesse de la réaction limitante dépend de trois facteurs principaux : 1. La disponibilité en substrat et en coenzyme [4](#page=4). 2. La concentration de l'enzyme régulatrice [4](#page=4). 3. L'activité de l'enzyme régulatrice [4](#page=4). #### 1.2.2 Disponibilité en substrat et coenzyme La disponibilité d'un substrat est déterminée par l'approvisionnement en précurseurs et le flux métabolique qui le convertit. Une fois que le substrat est disponible, la vitesse de réaction augmente tant que l'enzyme n'est pas saturée [4](#page=4). La disponibilité d'un coenzyme dépend de son propre approvisionnement et de sa régénération sous une forme utilisable par l'enzyme [4](#page=4). ### 1.3 Régulation enzymatique La régulation enzymatique peut s'exercer selon deux grands principes : 1. **Contrôle de la quantité de l'enzyme**: Cela implique d'ajuster le nombre de molécules enzymatiques présentes dans la cellule par des mécanismes comme l'induction, la répression ou la dégradation. Ces mécanismes sont généralement lents et assurent un contrôle à long terme [5](#page=5). 2. **Contrôle de l'activité de l'enzyme**: Cela consiste à moduler l'activité des molécules enzymatiques déjà synthétisées, par des processus d'inhibition ou d'activation. Ces mécanismes sont rapides et permettent une adaptation aux changements de conditions à court terme [5](#page=5). #### 1.3.1 Contrôle de la quantité de l'enzyme Ce mode de régulation est largement lié à la régulation génétique, ajustant la synthèse enzymatique [5](#page=5). * **Induction**: Augmentation de la synthèse d'une enzyme en réponse à un inducteur. Par exemple, la glucokinase est stimulée par son substrat, le glucose. Les enzymes régulées de cette manière sont dites inductibles [5](#page=5). * **Répression**: Diminution de la synthèse d'une enzyme par un répresseur [5](#page=5). * **Régulation par dégradation des protéines**: Une fois qu'un produit final d'une voie métabolique est synthétisé, les enzymes impliquées peuvent être dégradées, souvent dans les lysosomes, pour arrêter la production [6](#page=6). #### 1.3.2 Contrôle de l'activité enzymatique Plusieurs mécanismes permettent de moduler l'activité des enzymes préexistantes. ##### 1.3.2.1 Rétroinhibition La rétroinhibition, ou rétroaction négative, est un mécanisme rapide où le produit final d'une voie de biosynthèse inhibe directement la première enzyme de cette voie [6](#page=6). * Il s'agit d'une interaction non covalente et réversible [6](#page=6). * Si l'inhibiteur ressemble au substrat, il peut se lier au site actif (inhibition compétitive) [6](#page=6). * Un inhibiteur n'ayant pas de structure similaire au substrat peut se lier à un site différent du site actif, agissant comme un inhibiteur allostérique [6](#page=6). * La rétroinhibition peut impliquer de multiples boucles d'inhibition, notamment dans les voies de synthèse ramifiées [6](#page=6) [7](#page=7). ##### 1.3.2.2 Activation par protéolyse Certaines enzymes sont sécrétées sous forme inactive, appelée proenzymes ou zymogènes. Un zymogène est inactif car une chaîne polypeptidique supplémentaire masque le site actif. L'activation se produit par le clivage de cette chaîne, révélant le site actif. L'héxapeptide de l'extrémité N-terminale peut modifier la conformation de la protéine; la trypsine, une enzyme pancréatique, en est un exemple [7](#page=7). ##### 1.3.2.3 Modification covalente réversible L'activité enzymatique peut être modifiée par la formation réversible de liaisons covalentes avec des groupes chimiques. Les types de modifications incluent [7](#page=7): * Méthylation (ajout d'un groupe méthyle) [7](#page=7) [8](#page=8). * Adénylation (ajout d'un groupe AMP) [7](#page=7) [8](#page=8). * Phosphorylation (ajout d'un groupe phosphate) [7](#page=7) [8](#page=8). * Uridylation (ajout d'un groupe uridine) [7](#page=7). * ADP-Ribosylation (ajout d'un groupe ADP-Ribose) [7](#page=7) [8](#page=8). La phosphorylation est la modification la plus couramment utilisée pour réguler l'activité enzymatique. Elle implique l'ajout d'un groupe phosphate aux groupes hydroxyle de résidus sérine, thréonine ou tyrosine. Cette réaction est catalysée par des protéine kinases, tandis que la déphosphorylation, l'élimination du groupe phosphate, est effectuée par des phosphatases. La forme phosphorylée ou déphosphorylée peut être la forme active selon l'enzyme [8](#page=8). ##### 1.3.2.4 Interaction protéine-protéine Chez certaines enzymes composées de multiples sous-unités (catalytiques et régulatrices), l'inactivation peut survenir lorsque l'enzyme est entière. La liaison d'une molécule régulatrice, comme l'AMPc, aux sous-unités régulatrices peut libérer les sous-unités catalytiques, rendant l'enzyme pleinement active [8](#page=8). ### 1.4 Enzymes allostériques et régulation #### 1.4.1 Définition et structure L'allostérie décrit une modification de la conformation (structure spatiale) d'une protéine suite à la fixation d'un substrat ou d'une molécule effectrice, conférant ainsi des propriétés particulières, notamment un changement d'activité. Cette régulation est efficace lorsque la macromolécule est sous forme polymérique [1](#page=1). Les enzymes allostériques sont une classe d'enzymes de régulation qui possèdent des sites supplémentaires, appelés sites allostériques, en plus du site actif. Ces sites allostériques peuvent être uniques ou multiples. Les enzymes allostériques sont souvent composées de plusieurs sous-unités (protomères) occupant des positions équivalentes et présentant une symétrie. Chaque protomère possède un site actif pour fixer le substrat (S) et le transformer en produit (P), ainsi qu'un site régulateur pour la fixation réversible d'un effecteur allostérique (activateur ou inhibiteur) [1](#page=1) [2](#page=2). #### 1.4.2 Mode d'action et rôle La fixation d'un effecteur allostérique sur le site régulateur entraîne une modification conformationnelle du site actif, altérant ainsi l'activité biologique de l'enzyme (augmentation ou diminution). Les enzymes allostériques jouent un rôle régulateur essentiel dans les voies métaboliques, catalysant souvent la première réaction limitante et permettant d'adapter le métabolisme aux besoins cellulaires [1](#page=1) [2](#page=2). #### 1.4.3 Caractéristiques cinétiques Les enzymes allostériques ne suivent pas la cinétique de Michaelis-Menten. Leur courbe de vitesse en fonction de la concentration du substrat ($v_i$ vs $S$) présente une forme sigmoïdale [10](#page=10). * **Coopérativité**: La fixation d'un substrat sur une sous-unité influence la fixation des substrats sur les autres sous-unités [10](#page=10). * **Coopérativité positive**: La liaison d'un substrat augmente l'affinité de l'enzyme pour d'autres molécules de substrats [11](#page=11). * **Coopérativité négative (anticoopérativité)**: La liaison d'un substrat diminue l'affinité de l'enzyme pour d'autres molécules de substrats [11](#page=11). * La coopérativité nulle correspond à la cinétique Michaelis-Menten ($n=1$) [11](#page=11). * **Coefficient de Hill (n)**: Il mesure le degré de coopérativité. Plus $n$ est élevé, plus la coopérativité est forte [11](#page=11). * $n > 1$ : Coopérativité positive * $n = 1$ : Coopérativité nulle * $0 < n < 1$ : Coopérativité négative #### 1.4.4 Modèles allostériques Le comportement des enzymes allostériques est décrit par deux modèles principaux : 1. **Modèle symétrique (concerté) de Monod-Wyman-Changeux (MWC, 1965)** : * La symétrie est conservée: tous les changements conformationnels affectent simultanément toutes les sous-unités [11](#page=11). * L'enzyme existe sous deux formes: T (tendue, faible activité et affinité) et R (relâchée, forte activité et affinité) [11](#page=11) [9](#page=9). * Le ligand se fixe aux formes T ou R selon des affinités différentes, et la fixation du ligand modifie l'équilibre entre les formes T et R [11](#page=11). 2. **Modèle séquentiel de Koshland ** : * Chaque sous-unité passe individuellement d'un état à un autre, et les sous-unités peuvent avoir des affinités différentes pour le substrat [12](#page=12). * Le changement d'état d'une sous-unité influence le changement des autres sous-unités, se produisant en cascade de manière séquentielle [12](#page=12). * La symétrie n'est pas toujours conservée, permettant l'observation de formes hybrides où les formes T et R coexistent [12](#page=12). > **Tip:** Comprendre les différences entre les modèles MWC et Koshland est crucial pour expliquer la sigmoïdalité observée dans la cinétique des enzymes allostériques. Le modèle MWC postule un changement concerté de toutes les sous-unités, tandis que le modèle de Koshland permet des changements séquentiels et asymétriques. ### 1.5 Facteurs influençant la cinétique enzymatique #### 1.5.1 Effecteurs chimiques * **Activateurs chimiques**: Ces molécules se fixent à l'enzyme (et/ou augmentent son activité). Ils peuvent soit augmenter l'affinité pour le substrat ($K_M$), soit augmenter l'activité maximale ($V_{max}$). La fixation peut être réversible (liaison faible, phénomène instantané) ou irréversible (liaison covalente, phénomène lent) [1](#page=1). * **Inhibiteurs chimiques** : Bien que non détaillés dans cette section, les inhibiteurs jouent un rôle majeur dans la régulation enzymatique, comme vu précédemment avec la rétroinhibition. > **Tip:** La distinction entre activateurs et inhibiteurs est fondamentale. Les activateurs augmentent l'efficacité enzymatique, tandis que les inhibiteurs la réduisent. Les mécanismes d'action peuvent être variés, allant de la modification directe du site actif à des changements conformationnels globaux de l'enzyme. --- # Facteurs influençant la cinétique enzymatique Cette section détaille les éléments qui modulent la vitesse des réactions enzymatiques, en abordant notamment les activateurs chimiques et le fonctionnement des enzymes allostériques. ### 2.1 Activateurs chimiques Les activateurs sont des molécules qui se lient à l'enzyme, soit pour augmenter son affinité pour le substrat (diminution de $K_M$), soit pour accroître son activité maximale ($V_{max}$) [1](#page=1). * **Nature de la liaison:** * **Réversible:** L'activateur se fixe à l'enzyme par des liaisons faibles, permettant une modulation rapide et instantanée de l'activité [1](#page=1). * **Irréversible:** L'activateur se lie par une liaison covalente, entraînant un processus de modification plus lent mais potentiellement plus durable [1](#page=1). ### 2.2 Enzymes et effecteurs allostériques L'allostérie décrit la modification de la conformation (structure spatiale) d'une protéine suite à la fixation d'un substrat ou d'une molécule effectrice, conférant ainsi de nouvelles propriétés, notamment une modification de l'activité. La structure d'une macromolécule est intrinsèquement liée à sa fonction [1](#page=1). #### 2.2.1 Structure et mode d'action des enzymes allostériques Les enzymes allostériques sont souvent des protéines polymériques, dont la structure quaternaire est composée de plusieurs chaînes d'acides aminés appelées protomères [1](#page=1). * **Protomères:** Ils occupent des positions équivalentes et présentent une symétrie mutuelle. Chaque protomère possède deux sites fonctionnels distincts [1](#page=1): * **Site actif:** Lieu de fixation du substrat (S) et de sa transformation en produit (P) [1](#page=1). * **Site régulateur:** Site où se fixe l'effecteur allostérique (activateur ou inhibiteur) de manière réversible [1](#page=1). * **Conséquence de la fixation de l'effecteur:** La fixation d'un effecteur sur le site régulateur entraîne une modification conformationnelle du site actif. Cette modification peut altérer positivement ou négativement l'activité biologique de l'enzyme [1](#page=1). #### 2.2.2 Caractéristiques des enzymes allostériques Les enzymes allostériques constituent une classe d'enzymes cruciales pour la régulation. Elles sont caractérisées par une régulation enzymatique via la liaison non covalente et réversible de molécules régulatrices, appelées modulateurs allostériques ou effecteurs allostériques. Ces enzymes possèdent des sites supplémentaires, distincts du site actif, nommés sites allostériques. Une enzyme allostérique peut comporter un ou plusieurs sites allostériques [2](#page=2). #### 2.2.3 Rôles des enzymes allostériques Le rôle principal des enzymes allostériques est la régulation des voies métaboliques. En catalysant la première réaction limitante d'une voie métabolique, elles permettent d'adapter le métabolisme cellulaire aux besoins physiologiques changeants. La régulation de l'activité enzymatique est fondamentale pour le contrôle des voies métaboliques; une absence de régulation peut entraîner des dysfonctionnements cellulaires et le développement de maladies, comme le cancer, où la surexpression de certaines enzymes, telle que la tyrosine kinase, est associée à des altérations cellulaires [2](#page=2) [3](#page=3). > **Tip:** Les enzymes allostériques sont des points de contrôle clés dans le réseau métabolique, assurant l'efficacité et la flexibilité des processus cellulaires. ### 2.3 La réaction limitante et la vitesse enzymatique Une voie métabolique est une séquence de réactions chimiques catalysées par des enzymes. Dans la plupart des cas, les enzymes sont présentes en excès et la vitesse des réactions dépend des concentrations de substrats. Cependant, une enzyme spécifique, dite enzyme régulatrice, catalyse la réaction limitante et contrôle le flux global de la voie [3](#page=3). #### 2.3.1 Définition de la réaction limitante La réaction limitante est définie comme : * La première réaction spécifique d'une voie métabolique [4](#page=4). * La réaction la plus lente de la voie, imposant sa cadence à l'ensemble du processus [4](#page=4). * Une réaction généralement irréversible [4](#page=4). #### 2.3.2 Facteurs influençant la vitesse de la réaction limitante La vitesse de la réaction limitante est déterminée par trois facteurs principaux [4](#page=4): 1. **Disponibilité en substrat et coenzyme:** La concentration de substrat et de cofacteurs disponibles est cruciale. 2. **Concentration en enzyme:** La quantité d'enzyme active présente. 3. **Activité de l'enzyme:** L'efficacité intrinsèque de l'enzyme, qui peut être modulée par divers facteurs. #### 2.3.3 Disponibilité du substrat et du coenzyme La disponibilité du substrat (S) dépend de l'apport des précurseurs métaboliques et du flux métabolique qui les convertit en S. Tant que l'enzyme n'est pas saturée, une augmentation de la disponibilité de S conduit à une augmentation de la vitesse de réaction ($V$) [4](#page=4). La disponibilité du coenzyme est également essentielle et dépend de son approvisionnement et de sa régénération efficace sous une forme utilisable par l'enzyme [4](#page=4). --- # Enzymes allostériques et leur mode d'action Ce chapitre explore la nature, la structure et le fonctionnement des enzymes allostériques, en mettant l'accent sur leur rôle régulateur grâce à la modulation de leur conformation par des effecteurs. ### 3.1 Définition et principes fondamentaux des enzymes allostériques L'allostérie décrit la modification de la conformation (structure spatiale) d'une protéine suite à la fixation d'un substrat ou d'une molécule effectrice, ce qui confère à la protéine des propriétés particulières, notamment un changement d'activité. Cette propriété est particulièrement pertinente pour les macromolécules de structure polymérique. Les enzymes allostériques constituent une classe d'enzymes essentielles à la régulation, fonctionnant par liaison non covalente et réversible de molécules régulatrices, appelées modulateurs ou effecteurs allostériques. Elles se distinguent par la présence de sites supplémentaires, appelés sites allostériques, en plus du site actif. Ces sites allostériques sont des régions uniques sur la molécule enzymatique, et une enzyme allostérique peut en posséder un ou plusieurs [1](#page=1) [2](#page=2). > **Tip:** Les enzymes allostériques sont cruciales pour la régulation des voies métaboliques. Elles catalysent généralement la première réaction limitante d'une voie, permettant ainsi à la cellule d'adapter son métabolisme à ses besoins changeants [2](#page=2). ### 3.2 Structure des enzymes allostériques Les enzymes allostériques sont typiquement des enzymes polymériques dont la structure quaternaire est composée de plusieurs chaînes d'acides aminés, formant des sous-unités appelées protomères. Ces protomères occupent des positions équivalentes et présentent une symétrie les uns par rapport aux autres. Chaque protomère possède deux sites fonctionnels principaux [1](#page=1): * **Site actif:** C'est le site où le substrat (S) se fixe pour être transformé en produit (P) [1](#page=1). * **Site régulateur:** C'est le site où un effecteur allostérique (activateur ou inhibiteur) se fixe de manière réversible [1](#page=1). La structure quaternaire, où chaque sous-unité possède son propre site actif, implique qu'une enzyme peut lier plusieurs molécules de substrat [9](#page=9). ### 3.3 Mode d'action des enzymes allostériques La fixation d'un effecteur allostérique sur le site régulateur induit une modification conformationnelle du site actif entraînant ainsi une altération de l'activité biologique de l'enzyme, positive ou négative [1](#page=1). #### 3.3.1 Changements conformationnels et états de l'enzyme Les enzymes allostériques peuvent exister sous différentes conformations, principalement deux états : * **État T (Tendu):** Caractérisé par une faible activité catalytique et une faible affinité pour le substrat [9](#page=9). * **État R (Relâché):** Caractérisé par une forte activité catalytique et une forte affinité pour le substrat [9](#page=9). L'enzyme entière peut permuter entre ces conformations T et R. La liaison du substrat au site actif ou de molécules régulatrices aux sites allostériques déclenche ces changements de forme [9](#page=9). #### 3.3.2 Cinétique des enzymes allostériques et coopérativité Contrairement aux enzymes michaeliennes, la cinétique des enzymes allostériques n'est pas simple. Elles présentent un tracé sigmoïdal lors de la représentation de la vitesse initiale ($v_i$) en fonction de la concentration du substrat ([S]). Cette forme sigmoïdale traduit le phénomène de **coopérativité** [10](#page=10). La coopérativité se produit lorsque la fixation d'une molécule de substrat sur une sous-unité d'une enzyme allostérique influence la fixation des substrats sur les autres sous-unités [10](#page=10). Le processus typique est le suivant [10](#page=10): 1. À faible concentration de substrat, l'enzyme est majoritairement dans sa conformation inactive (état T). 2. La liaison du premier substrat à une sous-unité déclenche un changement conformationnel, favorisant le passage à la forme active (état R). 3. Une fois le premier substrat lié, les substrats suivants se lient plus facilement aux autres sous-unités (coopérativité positive). 4. Ce changement conformationnel se traduit par une forte augmentation de l'affinité pour le substrat et, par conséquent, une augmentation rapide de la vitesse de réaction sur une plage étroite de concentrations de substrat. 5. Lorsque tous les sites actifs sont occupés, la vitesse de réaction atteint un plateau ($v_i = V_{max}$), indiquant que toutes les enzymes sont saturées. #### 3.3.3 Types de coopérativité * **Coopérativité positive:** La liaison d'un substrat à un site actif augmente l'affinité de l'enzyme pour les autres molécules de substrat. Le coefficient de Hill ($n$) est supérieur à 1 ($n > 1$) [11](#page=11). * **Coopérativité négative (anticoopérativité):** La liaison d'un substrat à un site actif diminue l'affinité de l'enzyme pour les autres molécules de substrat. Le coefficient de Hill ($n$) est inférieur à 1 ($0 < n < 1$) [11](#page=11). * **Coopérativité nulle:** La liaison du substrat n'affecte pas les autres sites. Ceci correspond à la cinétique Michaelienne ($n = 1$) [11](#page=11). Le **coefficient de Hill ($n$)**, également appelé indice de coopérativité, quantifie la force de la coopération du substrat avec l'enzyme [11](#page=11). La cinétique des enzymes allostériques, ne pouvant être décrite par la simple cinétique Michaelis-Menten en raison de l'évolution de l'affinité avec la concentration du substrat, est caractérisée par la concentration de substrat donnant un taux demi-maximal ([S]$_{0.5}$) et le coefficient de Hill ($n$) [11](#page=11). #### 3.3.4 Modèles allostériques Le comportement des enzymes allostériques est expliqué par deux modèles principaux : 1. **Le modèle symétrique (concerté) de Monod-Wyman-Changeux (MWC):** [11](#page=11). * Ce modèle postule que toutes les sous-unités changent de conformation simultanément (modèle concerté) [11](#page=11). * La symétrie de la protéine est conservée pendant le changement conformationnel [11](#page=11). * Le ligand (substrat ou modulateur) se fixe aux formes T ou R avec des affinités différentes [11](#page=11). * La fixation du ligand modifie l'équilibre entre les formes R et T [11](#page=11). 2. **Le modèle séquentiel de Koshland:** [11](#page=11) [12](#page=12). * Dans ce modèle, chaque sous-unité passe individuellement d'un état à l'autre, avec des affinités potentiellement différentes pour le substrat entre les sous-unités [12](#page=12). * Le changement d'état d'une sous-unité influence le changement des autres sous-unités, se produisant en cascade et de manière séquentielle [12](#page=12). * La conservation de la symétrie n'est pas toujours observée, permettant la coexistence de formes hybrides (T et R) [12](#page=12). Ces modèles permettent de comprendre comment la liaison d'un effecteur peut moduler l'activité enzymatique par des changements conformationnels coordonnés ou indépendants des sous-unités. --- # Mécanismes de régulation de l'activité enzymatique Ce thème aborde les différentes stratégies de contrôle de l'activité enzymatique, incluant l'inhibition par rétroaction, l'activation par protéolyse et la modification covalente réversible. ### 6.1 Contrôle de la quantité de l'enzyme Le contrôle de la quantité d'une enzyme peut être réalisé par sa dégradation. La dégradation intracellulaire des enzymes se fait dans les lysosomes, et une fois que le produit final d'une voie métabolique est synthétisé, les enzymes impliquées dans cette voie peuvent être dégradées pour arrêter la production [6](#page=6). ### 6.2 Contrôle de l'activité enzymatique #### 6.2.1 Rétroinhibition La rétroinhibition, également appelée rétroaction négative, est un mécanisme par lequel le produit final d'une voie de biosynthèse inhibe directement la première enzyme de cette voie. Il s'agit d'un moyen de contrôle très rapide. Cette interaction est non covalente et réversible [6](#page=6). L'inhibition peut se produire de deux manières principales : * **Inhibition compétitive:** Si l'inhibiteur a une structure similaire au substrat, il se lie au site actif de l'enzyme [6](#page=6). * **Inhibition allostérique:** Si l'inhibiteur n'a pas une structure similaire au substrat, il peut se lier à un site différent du site actif [6](#page=6). La rétroinhibition peut impliquer de multiples boucles, comme observé dans la voie de synthèse ramifiée [7](#page=7). #### 6.2.2 Activation par protéolyse Certaines enzymes sont sécrétées sous des formes inactives appelées proenzymes ou zymogènes. Un zymogène est inactif car il contient une chaîne polypeptidique supplémentaire qui masque le site actif de l'enzyme. L'activation du zymogène se produit par le retrait de cette chaîne polypeptidique [7](#page=7). Un exemple notable est la trypsine, une enzyme pancréatique, où l'extrémité N-terminale modifie la conformation de la protéine [7](#page=7). #### 6.2.3 Modification covalente réversible Ce mécanisme implique la modification de l'activité enzymatique par la formation réversible de liaisons covalentes avec un groupement chimique. Les modifications covalentes réversibles courantes incluent [7](#page=7): * Méthylation (ajout d'un groupe méthyle) [7](#page=7). * Adénylation (addition d'un groupe AMP) [7](#page=7). * Phosphorylation (addition d'un groupe phosphate) [7](#page=7). * Uridylation (addition d'un groupe uridine) [7](#page=7). * ADP-Ribosylation (addition d'un groupe ADP-Ribose) [7](#page=7). La localisation de ces modifications sur les résidus d'acides aminés est la suivante : * Méthylation: Aspartate, Glutamate [8](#page=8). * Adénylation: Tyrosine [8](#page=8). * Phosphorylation: Sérine, thréonine ou tyrosine [8](#page=8). * ADP-Ribosylation: Arginine [8](#page=8). ##### 6.2.3.1 Phosphorylation La phosphorylation est la modification la plus fréquemment utilisée pour réguler l'activité enzymatique. Elle se produit par l'addition d'un groupe phosphate à un groupe hydroxyle de sérine, thréonine ou tyrosine de l'enzyme. Ce processus est catalysé par une enzyme appelée protéine kinase. La déphosphorylation, l'élimination du groupe phosphate, est réalisée par une enzyme appelée phosphatase [8](#page=8). La forme phosphorylée peut être active pour certaines enzymes, tandis que la forme déphosphorylée est active pour d'autres [8](#page=8). #### 6.2.4 Interaction protéine-protéine De nombreuses enzymes sont composées de plusieurs sous-unités, incluant des sous-unités catalytiques et régulatrices. L'enzyme entière peut être inactive. La liaison d'une molécule comme l'AMP cyclique (AMPc) aux sous-unités régulatrices peut libérer les sous-unités catalytiques, les rendant pleinement actives [8](#page=8). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Enzyme | Protéine biologique agissant comme catalyseur pour accélérer les réactions chimiques dans les organismes vivants. | | Cinétique enzymatique | Étude de la vitesse des réactions catalysées par les enzymes et des facteurs qui influencent cette vitesse. | | Activateur chimique | Molécule qui se lie à une enzyme pour augmenter son activité catalytique, soit en améliorant l'affinité pour le substrat, soit en augmentant la vitesse maximale de réaction. | | Liaison faible | Interaction réversible entre molécules, caractérisée par une faible énergie de liaison, permettant des changements rapides. | | Liaison covalente | Liaison chimique forte formée par le partage d'électrons entre atomes, souvent irréversible dans le contexte enzymatique. | | Allostérie | Phénomène par lequel la fixation d'une molécule régulatrice (effecteur) sur un site de la protéine modifie la conformation de cette protéine, et par conséquent son activité. | | Conformation | Structure tridimensionnelle spécifique d'une protéine, déterminée par l'arrangement de ses atomes et essentielle à sa fonction. | | Protomère | Une des unités moléculaires identiques qui composent une protéine polymérique, en particulier dans sa structure quaternaire. | | Site actif | Région spécifique d'une enzyme où se lie le substrat et où la réaction catalytique a lieu. | | Site régulateur | Site sur une enzyme allostérique où se fixe un effecteur allostérique, modulant ainsi l'activité de l'enzyme. | | Effecteur allostérique | Molécule qui se lie à un site régulateur d'une enzyme allostérique, modifiant sa conformation et son activité catalytique. | | Modulateur allostérique | Synonyme d'effecteur allostérique, terme utilisé pour décrire les molécules qui régulent l'activité enzymatique par liaison à un site allostérique. | | Voie métabolique | Séquence de réactions biochimiques catalysées par une série d'enzymes, où le produit d'une réaction devient le substrat de la réaction suivante. | | Enzyme clé | Enzyme qui catalyse la première réaction d'une voie métabolique, souvent la réaction limitante, et qui est un point de régulation majeur. | | Réaction limitante | Étape la plus lente d'une voie métabolique qui détermine la vitesse globale de la voie. | | Induction enzymatique | Augmentation de la synthèse d'une enzyme en réponse à la présence d'un inducteur, souvent le substrat lui-même ou un produit de la voie. | | Répression enzymatique | Diminution de la synthèse d'une enzyme en réponse à la présence d'un répresseur, souvent un produit de la voie métabolique. | | Rétroinhibition (ou rétroaction négative) | Mécanisme de régulation où le produit final d'une voie métabolique inhibe l'activité de la première enzyme de cette voie. | | Zymogène (ou proenzyme) | Précurseur inactif d'une enzyme qui nécessite une modification post-traductionnelle, comme une coupure protéolytique, pour devenir actif. | | Protéolyse | Hydrolyse des protéines en peptides plus petits par rupture des liaisons peptidiques, souvent impliquée dans l'activation des zymogènes. | | Modification covalente réversible | Modification chimique d'une enzyme par la formation d'une liaison covalente avec un groupement, qui peut être retirée, modulant ainsi son activité. | | Phosphorylation | Ajout d'un groupe phosphate à une molécule, souvent une protéine, par l'action d'une kinase, et qui peut moduler l'activité enzymatique. | | Déphosphorylation | Retrait d'un groupe phosphate d'une molécule, souvent une protéine, par l'action d'une phosphatase, et qui peut rétablir ou modifier l'activité enzymatique. | | Modèle concerté (ou symétrique) | Modèle allostérique (Monod-Wyman-Changeux) selon lequel toutes les sous-unités d'une enzyme changent de conformation simultanément. | | Modèle séquentiel | Modèle allostérique (Koshland) selon lequel les sous-unités d'une enzyme peuvent changer de conformation individuellement et séquentiellement. | | Coopérativité | Phénomène où la liaison d'un ligand (comme un substrat) à une sous-unité d'une enzyme allostérique influence la liaison du ligand aux autres sous-unités. | | Cooperativité positive | La liaison d'un substrat à une sous-unité augmente l'affinité des autres sous-unités pour le substrat. | | Cooperativité négative (ou anticoopérativité) | La liaison d'un substrat à une sous-unité diminue l'affinité des autres sous-unités pour le substrat. | | Coefficient de Hill (n) | Paramètre utilisé pour quantifier la coopérativité dans la liaison des ligands aux enzymes allostériques. Un $n > 1$ indique une coopérativité positive, $n = 1$ une absence de coopérativité (cinétique Michaelis-Menten), et $0 < n < 1$ une coopérativité négative. |

# Définitions et propriétés des coenzymes Cette section aborde les caractéristiques fondamentales des coenzymes, leur nature, leur rôle par rapport aux enzymes, et leurs distinctions par rapport aux substrats, ainsi que leur classification selon le mode de liaison à l'apoenzyme. ### 1.1 Définition du coenzyme Un coenzyme est une molécule organique de nature non protéique, dont les groupements fonctionnels sont distincts des acides aminés constituant l'enzyme. Les coenzymes sont des cofacteurs indispensables aux enzymes hétérotéiques. Ils font partie de l'enzyme à un moment donné et participent à la réaction chimique en tant que site catalytique [4](#page=4). ### 1.2 Propriétés des coenzymes Les coenzymes possèdent plusieurs propriétés distinctives : * **Nature non protéique**: Contrairement aux enzymes, les coenzymes ne sont pas de nature protéique. Ils sont souvent thermostables et ont une faible masse moléculaire (PM) [5](#page=5). * **Régénération**: Contrairement aux substrats, les coenzymes retrouvent leur état initial à la fin de la réaction et ne sont donc pas consommés [5](#page=5). * **Rôle de transfert**: Les coenzymes transfèrent d'une molécule à une autre une entité X, telle qu'un électron, un atome ou un groupement d'atomes, en la prenant transitoirement en charge [5](#page=5). ### 1.3 Distinction par rapport aux substrats La distinction principale réside dans le fait que les coenzymes sont régénérés à la fin de la réaction, alors que les substrats sont consommés. Les coenzymes agissent comme des transporteurs de groupes fonctionnels ou d'électrons, tandis que les substrats sont les molécules sur lesquelles l'enzyme agit directement [5](#page=5). ### 1.4 Classification selon la liaison à l'apoenzyme Les coenzymes peuvent être classifiés en fonction de leur mode de liaison à l'apoenzyme (la partie protéique de l'enzyme) [5](#page=5): * **Cosubstrats (CoS)**: Les cosubstrats peuvent rester libres à proximité de la protéine enzymatique. Leur liaison à l'apoenzyme est généralement faible. Ils participent à la réaction et sont ensuite libérés, souvent sous une forme modifiée, pour être régénérés lors d'une autre réaction [5](#page=5). * **Groupements prosthétiques (GP)**: Les groupements prosthétiques sont solidement attachés à l'enzyme, souvent par une liaison covalente. Ils sont considérés comme faisant partie intégrante de l'enzyme et ne sont pas libérés facilement [5](#page=5). > **Tip:** Comprendre la différence entre cosubstrats et groupements prosthétiques est essentiel pour saisir comment les coenzymes s'intègrent dans le cycle catalytique d'une enzyme. > **Example:** L'ion NAD$^+$ est un exemple typique de cosubstrat dans les réactions d'oxydoréduction, tandis que le groupement hème dans la catalase agit comme un groupement prosthétique. --- # Classification et origines des coenzymes Cette section explore les différentes classifications des coenzymes, principalement basées sur la nature des groupements qu'ils transfèrent, ainsi que leurs origines, souvent liées aux vitamines. ### 2.1 Origines des coenzymes La majorité des coenzymes possèdent un caractère essentiel, signifiant qu'ils ne peuvent être synthétisés par la cellule et doivent donc être apportés par l'alimentation. Ces coenzymes sont souvent dérivés de vitamines. Cependant, il existe des exceptions: certains coenzymes n'ont pas de caractère vitaminique, comme le coenzyme lipoïque. Inversement, certaines vitamines, telles que les vitamines liposolubles A et D, n'exercent pas d'activité coenzymatique [6](#page=6). ### 2.2 Classification des coenzymes Les coenzymes peuvent être classifiés selon la nature des composés qu'ils transfèrent. Cette classification distingue principalement deux grandes catégories [7](#page=7): #### 2.2.1 Coenzymes d’oxydoréduction Ces coenzymes sont impliqués dans le transfert d'équivalents réducteurs, qui peuvent être des électrons, des atomes d'hydrogène, ou des ions hydrure [7](#page=7). #### 2.2.2 Coenzymes de transfert de groupement Cette catégorie regroupe les coenzymes qui catalysent le transfert de groupements fonctionnels, qu'ils soient carbonés ou non. Cette sous-catégorie peut être davantage subdivisée [7](#page=7): * **Transfert de phosphates** : Impliquant des nucléotides. * **Transfert d'éléments carbonés**. * **Transfert d'éléments aminés**. * **Transfert d'autres groupements**. --- # Coenzymes d'oxydoréduction Ce thème se concentre sur les coenzymes impliqués dans les réactions d'oxydoréduction, tels que les coenzymes pyridiniques (NAD, NADP) et flaviniques (FMN, FAD), en expliquant leurs structures, fonctions, origines vitaminiques et mécanismes [8](#page=8). ### 5.1 Définition et fonction des coenzymes d’oxydoréduction Les coenzymes d'oxydoréduction sont des cofacteurs essentiels des enzymes appelées oxydoréductases. Leur rôle principal est de transporter des équivalents réducteurs, qui peuvent être des électrons, des atomes d'hydrogène, ou des ions hydrure. Ces coenzymes peuvent être classés en quatre groupes selon la nature de l'accepteur d'électrons ou d'hydrogène: les oxydases, les déshydrogénases, les hydroperoxydases et les oxygénases [8](#page=8). ### 5.2 Les coenzymes pyridiniques : NAD et NADP Les coenzymes pyridiniques, à savoir le Nicotinamide Adénine Dinucléotide (NAD) et le Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate (NADP), sont des dérivés de la vitamine B3 (niacine). Ils fonctionnent comme des cosubstrats dans les réactions d'oxydoréduction [10](#page=10) [9](#page=9). #### 5.2.1 Structure Le NAD et le NADP sont des dinucléotides, c'est-à-dire qu'ils sont constitués de deux nucléotides reliés par une liaison pyrophosphate. Chaque nucléotide comprend une base, un sucre et un groupement phosphoryle. Les bases présentes sont la nicotinamide et l'adénine, tandis que le sucre est le $\beta$-D-ribose. La principale différence structurelle entre le NAD et le NADP réside dans la présence d'un groupement phosphoryle supplémentaire sur le carbone 2' du ribose de l'adénosine monophosphate dans le NADP. La partie active de ces coenzymes est le cycle pyridine [9](#page=9). #### 5.2.2 Mécanisme de fonctionnement Lors d'une réaction d'oxydoréduction, le substrat réducteur (AH2) cède deux atomes: deux protons (H+) et deux électrons (2e-). Le coenzyme pyridine (NAD+ ou NADP+) fixe un ion hydrure (H-) et un proton (H+). Plus précisément, un électron est fixé sur le carbone 4 (C4) du cycle pyridine et un autre électron est fixé sur l'atome d'azote 1 (N1), tandis que le deuxième proton reste en solution. La forme réduite est alors NADH + H+ pour le NAD, et NADPH + H+ pour le NADP. La ré-oxydation du NADH, H+ par une autre déshydrogénase permet de céder son ion hydrure au substrat B, le réduisant en BH2, tandis que le proton libéré se retrouve également en solution [10](#page=10) [9](#page=9). > **Tip:** Le NAD et le NADP agissent comme des navettes d'équivalents réducteurs, permettant le transfert d'énergie et de matière au sein des cellules. #### 5.2.3 Rôles métaboliques * **NAD:** Il intervient principalement comme oxydant dans les réactions d'oxydation du catabolisme, par exemple lors de la glycolyse. Dans sa forme réduite (NADH), il peut également agir comme réducteur en cédant ses équivalents réducteurs à la chaîne respiratoire [11](#page=11). * **NADP:** Sa forme réduite (NADPH) agit comme réducteur dans les réactions de réduction de l'anabolisme [11](#page=11). #### 5.2.4 Propriétés spectrales Le NAD et le NADH présentent des propriétés spectrales distinctes qui permettent leur quantification. La forme réduite, NADH, possède un pic d'absorption supplémentaire à 340 nm, ce qui est particulièrement utile pour mesurer la vitesse des réactions enzymatiques impliquant ces coenzymes [11](#page=11). ### 5.3 Les coenzymes flaviniques : FMN et FAD Les coenzymes flaviniques comprennent le Flavine Mono-Nucléotide (FMN) et le Flavine Adénine Dinucléotide (FAD). Ils dérivent de la Riboflavine, également connue sous le nom de vitamine B2 [12](#page=12) [13](#page=13). #### 5.3.1 Structure Ces coenzymes sont des mononucléotides irréguliers composés d'une base de flavine et d'un pentose, le ribitol. La flavine est caractérisée par un noyau isoalloxazine riche en doubles liaisons conjuguées, ce qui confère à la molécule sa couleur jaune. Le FMN est un mononucléotide de flavine, tandis que le FAD est un dinucléotide formé de l'adénosine monophosphate (AMP) et du FMN [12](#page=12). #### 5.3.2 Partie active La partie active des FMN et du FAD est constituée par les deux atomes d'azote (N1 et N10) du noyau isoalloxazine, séparés par deux doubles liaisons conjuguées. Ces groupements sont des groupements prosthétiques pour les oxydoréductases appelées flavoprotéines. Ils ont la capacité de fixer réversiblement deux atomes d'hydrogène [13](#page=13). #### 5.3.3 Mécanisme de fonctionnement Le fonctionnement des coenzymes flaviniques implique la fixation de deux atomes d'hydrogène du substrat réducteur (AH2) sur les atomes N1 et N10 du noyau isoalloxazine. Ces atomes d'hydrogène sont ensuite transférés à un autre substrat (B), le réduisant en BH2 [14](#page=14). #### 5.3.4 Rôles métaboliques * **FAD:** Il est un groupement prosthétique de nombreuses déshydrogénases, particulièrement celles impliquées dans la création de doubles liaisons entre deux atomes de carbone, comme dans la $\beta$-oxydation des acides gras et le cycle de l'acide citrique [14](#page=14). * **FMN:** Il intervient spécifiquement dans la chaîne respiratoire, notamment au niveau du Complexe I [14](#page=14). ### 5.4 Le coenzyme lipoïque Le coenzyme lipoïque, également appelé acide lipoïque ou lipoate, est un acide gras à huit atomes de carbone portant un pont disulfure entre les carbones 6 et 8 [15](#page=15). #### 5.4.1 Partie active La partie active de ce coenzyme est le pont disulfure [15](#page=15). #### 5.4.2 Fonctionnement et réactions Le coenzyme lipoïque est impliqué dans la réaction de décarboxylation oxydative des acides $\alpha$-cétoniques, généralement au sein de complexes multienzymatiques [15](#page=15). ### 5.5 Les coenzymes héminiques Les coenzymes héminiques résultent de la combinaison d'un atome de fer avec une porphyrine, qui est un dérivé du noyau tétrapyrrolique [16](#page=16). #### 5.5.1 Structure et rôle Ils agissent comme des groupements prosthétiques pour les enzymes d'oxydoréduction. La partie active est l'ion fer (Fe3+) qui peut fixer réversiblement un électron. L'ion fer possède six valences de coordination: quatre sont utilisées pour former des liaisons avec les atomes d'azote du noyau porphyrine, et les deux autres sont disponibles pour lier l'aprotéine, souvent via des résidus d'histidine [16](#page=16). #### 5.5.2 Fonctionnement et réactions Les coenzymes héminiques jouent un rôle crucial dans : * Le transport d'électrons au sein de la chaîne respiratoire, comme les cytochromes (par exemple, Cyt b passant de Fe3+ à Fe2+ en fixant un électron) [16](#page=16). * Certaines réactions enzymatiques, telles que celles catalysées par le Cyt P450, impliquées dans l'hydroxylation du cholestérol et des stéroïdes [16](#page=16). * Les enzymes comme la catalase et la peroxydase [16](#page=16). --- # Coenzymes de transfert de groupement d'atome Cette section explore les coenzymes impliqués dans le transfert de divers groupements d'atomes, tels que le CO2, les groupements monocarbonés et les groupements acyle [18](#page=18). ### 6.1 Types de groupements transférés Les coenzymes de transfert de groupement d'atomes peuvent être classés selon le type d'élément transféré [17](#page=17): * Transfert de phosphate ou de nucléotides [17](#page=17). * Transfert d'éléments carbonés [17](#page=17). * Transfert d'éléments aminés [17](#page=17). ### 6.2 Coenzymes spécifiques de transfert de groupement d'atome Les coenzymes abordés dans ce chapitre incluent : * La biotine (transfert de CO2) [18](#page=18). * L'acide tétrahydrofolique (THF) et les coenzymes B12 ou cobalamines (transfert de groupements monocarbonés autres que CO2) [18](#page=18). * Le coenzyme A (CoA) et le pyrophosphate de thiamine (TPP) (transfert de groupements pluricarbonés) [18](#page=18). * Le phosphate de pyridoxal (PP) pour d'autres transferts [18](#page=18). #### 6.2.1 La biotine * **Structure:** La biotine est composée d'un noyau imidazole, d'un noyau thiophène et d'un acide pentatonique avec un groupement carboxyle terminal [18](#page=18). * **Origine vitaminique:** La biotine est également connue sous le nom de vitamine H ou B8 et est synthétisée par les bactéries intestinales et les végétaux [18](#page=18). * **Partie active:** La partie active est l'azote en position N1' du noyau imidazole, qui fixe réversiblement une molécule de CO2 [18](#page=18). * **Fonctionnement:** La biotine est le groupement prosthétique (GP) des carboxylases, comme la pyruvate carboxylase, l'acétyl-CoA carboxylase et la propionyl-CoA carboxylase. En présence d'ATP, un groupement carboxyle est fixé sur le N-1 de la biotine, formant une N-carboxybiotine, qui agit comme un "CO2 actif". Ce groupement carboxyle est ensuite transféré au substrat lors de la réaction de carboxylation [18](#page=18) [19](#page=19). #### 6.2.2 L'acide tétrahydrofolique (THF) * **Structure:** Le THF est un dérivé tétrahydrogéné du noyau ptéridine de l'acide folique [19](#page=19). * **Origine vitaminique:** Il dérive de la vitamine B9, l'acide folique [19](#page=19). * **Partie active:** La partie active est constituée des atomes d'azote N5 et N10. Ces positions fixent réversiblement des groupements monocarbonés (différents du CO2) à divers degrés d'oxydation (-CH3, -CH2-, -CHO, -CH=NH, -CH=) et permettent leur interconversion [20](#page=20). * **Mécanisme de fonctionnement:** Les groupements monocarbonés sont liés au THF par N5, N10, ou par les deux [20](#page=20). * **Réactions:** Le THF est un donneur de groupements monocarbonés dans de nombreuses réactions de synthèse, notamment la trans-méthylation de l'homocystéine en méthionine, la conversion de la sérine en glycine, et le métabolisme de l'histidine [20](#page=20). #### 6.2.3 La cobalamine (Coenzyme B12) * **Structure:** La cobalamine possède une structure complexe comprenant un cycle corrine (quatre noyaux pyrroliques unis par trois ponts carbonés, centré sur un ion cobalt) et un pseudo-nucléotide (base 5,6-diméthylbenzimidazole, groupement phosphate en C-3' lié à une chaîne latérale en C7 de l'anneau tétrapyrrolique) [21](#page=21). * **Origine vitaminique:** La vitamine B12 est synthétisée par les bactéries intestinales [22](#page=22). * **Fonctionnement:** La partie active est l'ion cobalt [22](#page=22). * **Réactions :** Il existe deux coenzymes B12 actifs : * **5'-désoxyadénosylcobalamine (mitochondriale):** Coenzyme de la réaction d'isomérisation du méthylmalonyl-CoA en succinyl-CoA (métabolisme des lipides) [22](#page=22). * **Méthylcobalamine (cytoplasmique):** Coenzyme de transfert de groupements méthyle, notamment de l'homocystéine en méthionine et du méthyl-THF en THF [22](#page=22). #### 6.2.4 Le Coenzyme A (CoA) * **Structure:** Le CoA est formé par l'union d'un nucléotide (3'-phospho-AMP) et de la phosphopantéthéine, elle-même constituée d'un groupement phosphoryle, de l'acide pantothénique (acide pantoïque et β-alanine) et de la cystéamine, unis par des liaisons amide [22](#page=22). * **Partie active:** Le groupement SH de la cystéamine est la partie active, d'où l'abréviation CoA-SH [23](#page=23). * **Origine vitaminique:** L'acide pantothénique est la vitamine B5 [23](#page=23). * **Fonctionnement:** Le CoA transporte et active les groupements acyle (R-CO-) et acétyle. La fixation du groupement carbonyle de l'acyle sur le groupement SH crée une liaison thioester à haut potentiel de transfert d'acyle [23](#page=23). * **Réactions :** * **Production d'acyl-CoA:** Formation d'acétyl-CoA (par β-oxydation et décarboxylation oxydative du pyruvate) et activation des acides gras en présence d'ATP [24](#page=24). * **Utilisation d'acyl-CoA:** Cycle de Krebs dans la mitochondrie, et synthèse des acides gras en présence d'ATP [24](#page=24). #### 6.2.5 Le pyrophosphate de thiamine (TPP) * **Structure:** Le TPP est composé d'une pyrimidine substituée reliée par un pont méthylène à un thiazole substitué portant une chaîne éthanolique estérifiée par un groupement pyrophosphoryle [24](#page=24). * **Partie active:** Le carbone en position C-2 du noyau thiazole est la partie active [24](#page=24). * **Origine vitaminique:** La thiamine est la vitamine B1 [24](#page=24). * **Fonctionnement:** Le TPP est un coenzyme de décarboxylation, agissant sur les acides α-cétoniques [24](#page=24). * **Réactions :** Le TPP est le coenzyme des réactions suivantes : * Décarboxylation oxydative des acides α-cétoniques (ex: pyruvate déshydrogénase) [25](#page=25). * Décarboxylation non oxydative des acides α-cétoniques [25](#page=25). * Transcétolisation: transfert des groupements 2-cétols (-CO-CH2OH) d'un cétose à un aldose [25](#page=25). > **Tip:** Le mécanisme de fonctionnement du TPP implique généralement quatre étapes: condensation, décarboxylation, protonation, et formation d'un intermédiaire réactif [26](#page=26). #### 6.2.6 Le phosphate de pyridoxal (PP) * **Structure:** Le PP est constitué d'une base (adénine), d'un sucre (β-D-ribose) et de un, deux ou trois groupes phosphoryles (AMP, ADP, ATP) [28](#page=28). * **Origine:** Il dérive de la vitamine B6 [26](#page=26). * **Vitamine précurseur:** Il n'y a pas de vitamine précurseur directe mentionnée pour le PP lui-même, mais il est un dérivé de la vitamine B6 [28](#page=28). * **Fonctionnement:** La partie active est l'atome de carbone aldéhydique porté par le carbone en position C4. Le PP est un coenzyme de transport des groupements aminés et est central dans le métabolisme des acides aminés. Il forme une base de Schiff avec le groupement aminé d'un acide aminé, permettant la libération d'une amine par décarboxylation ou d'un acide α-cétonique par transamination [27](#page=27). * **Réactions :** Le PP est un coenzyme multifonctionnel dans le métabolisme des acides aminés, impliqué dans : * Réactions de décarboxylation catalysées par des décarboxylases [27](#page=27). * Réactions de transamination catalysées par des transaminases [27](#page=27). * Réactions de désamination non oxydative catalysées par des déshydratases [27](#page=27). * Transfert de phosphate, pyrophosphate, et d'adénosine monophosphate [28](#page=28). * Réactions d'activation et de transfert de biomolécules telles que les oses (UDP-oses et/ou GDP-oses), les acides aminés (aminoacyl-AMP), et les lipides (acyl-AMP) [28](#page=28). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Coenzyme | Molécule organique de nature non protéique, de faible poids moléculaire, qui est indispensable à l'activité de certaines enzymes hétérotéiques et participe à la réaction catalytique en transférant un groupement d'atomes ou d'électrons. | | Apoenzyme | Partie protéique d'une enzyme qui, seule, est inactive. Elle nécessite la présence d'un cofacteur (coenzyme ou ion métallique) pour devenir catalytiquement active. | | Cosubstrat | Type de coenzyme qui reste libre à proximité de la protéine enzymatique et se lie à elle par une liaison faible lors de la réaction catalytique. Il est consommé et régénéré au cours du cycle réactionnel. | | Groupement prosthétique | Type de coenzyme qui est solidement attaché à l'enzyme, souvent par une liaison covalente. Il fait partie intégrante de la structure de l'enzyme active. | | Équivalents réducteurs | Entités moléculaires, telles que des électrons ou des atomes d'hydrogène (ions hydrures), qui sont transférées lors des réactions d'oxydoréduction et qui portent l'énergie nécessaire à la réduction d'un autre substrat. | | NAD (Nicotinamide Adénine Dinucléotide) | Coenzyme d'oxydoréduction dérivé de la vitamine B3, qui transporte deux électrons et un proton sous forme d'ion hydrure (H⁻). Sa forme oxydée est NAD⁺ et sa forme réduite est NADH + H⁺. Il est principalement utilisé dans les réactions cataboliques. | | NADP (Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphate) | Coenzyme d'oxydoréduction similaire au NAD, mais avec un groupement phosphate supplémentaire sur le C-2’ du ribose de l'AMP. Il fonctionne comme réducteur dans les réactions anaboliques. | | NADH + H⁺ | Forme réduite du NAD, résultant de la fixation d'un ion hydrure (H⁻) et d'un proton (H⁺) sur la molécule de NAD⁺. Il cède ses équivalents réducteurs à la chaîne respiratoire ou à d'autres substrats. | | FMN (Flavine Mono-Nucléotide) | Coenzyme d'oxydoréduction dérivé de la vitamine B2 (riboflavine), qui fait partie intégrante des flavoprotéines. Il fixe réversiblement deux atomes d'hydrogène et intervient notamment dans la chaîne respiratoire. | | FAD (Flavine Adénine Dinucléotide) | Coenzyme d'oxydoréduction dérivé de la vitamine B2 (riboflavine), formé de l'adénosine monophosphate (AMP) et du FMN. Il est le groupement prosthétique de nombreuses déshydrogénases, notamment celles impliquées dans la β-oxydation des acides gras et le cycle de l'acide citrique. | | Acide lipoïque | Coenzyme non vitaminique qui possède un pont disulfure comme partie active. Il participe aux réactions de décarboxylation oxydative des acides α-cétoniques, agissant comme intermédiaire de transfert de groupes acyle. | | Coenzymes héminiques | Coenzymes résultant de l'union d'un atome de fer et d'une porphyrine. Leur partie active est le fer (Fe³⁺ ou Fe²⁺) qui fixe réversiblement un électron. Ils sont essentiels pour les cytochromes de la chaîne respiratoire et des enzymes comme la catalase. | | Biotine | Coenzyme (vitamine H ou B8) dont la partie active est le N1’ du noyau imidazole. Elle est le groupement prosthétique des carboxylases et fixe réversiblement une molécule de CO₂, agissant comme un « CO₂ actif » pour la carboxylation des substrats. | | Acide tétrahydrofolique (THF) | Coenzyme dérivé de la vitamine B9 (acide folique). Sa partie active comprend les atomes d'azote N5 et N10, qui fixent réversiblement des groupements monocarbonés (-CH₃, -CH₂-, -CHO, etc.) et les transfèrent lors de nombreuses réactions de synthèse. | | Cobalamine (Coenzyme B12) | Coenzyme complexe contenant un ion cobalt au centre d'un cycle corrine. Il existe sous deux formes principales : la 5’-désoxyadénosylcobalamine (isomérisation) et la méthylcobalamine (transfert de méthyle). Il est essentiel pour le métabolisme des lipides et le transfert de groupes méthyle. | | Coenzyme A (CoA) | Coenzyme d'acylation dont la partie active est le groupement SH de la cystéamine. Il transporte et active les groupements acyle (R-CO-) et acétyle, formant des liaisons thioester à haut potentiel de transfert. Il est crucial dans le cycle de Krebs et la synthèse des acides gras. | | Thiamine pyrophosphate (TPP) | Coenzyme dérivé de la vitamine B1 (thiamine). Sa partie active est le C-2 du noyau thiazole. Il est le coenzyme de décarboxylation des acides α-cétoniques (comme le pyruvate) et des réactions de transcétolisation. | | Phosphate de pyridoxal (PP) | Coenzyme dérivé de la vitamine B6. Sa partie active est l'atome de carbone aldéhydique. Il est le coenzyme principal du métabolisme des acides aminés, intervenant dans les réactions de décarboxylation, de transamination et de désamination. |

# Cholesterolsynthese De aanmaak van cholesterol in het lichaam is een complex proces dat in verschillende fasen verloopt, waarbij de regulering cruciaal is, met HMG-CoA reductase als belangrijkste controlepunt [6](#page=6). ### 1.1 Functies en structuur van cholesterol Cholesterol is een sterol met een karakteristieke cholestaan structuur, bestaande uit vier ringen: drie zesledige ringen (A, B, C) en een vijfledige ring (D). De aanwezigheid van een hydroxylgroep (OH) kenmerkt een "sterol". Cholesterol speelt diverse vitale functies in het lichaam (#page=3, 4). Het menselijk lichaam heeft dagelijks ongeveer 1 gram cholesterol nodig, waarvan ongeveer 500 mg per dag wordt aangemaakt en 1000 mg per dag wordt aangevoerd. De menselijke cel is niet in staat om de steroïde keten van cholesterol af te breken [3](#page=3) [4](#page=4) [5](#page=5). ### 1.2 Algemene principes van cholesterolsynthese De cholesterolsynthese kan worden onderverdeeld in drie hoofd fasen. De synthon van cholesterol is isopentenylpyrofosfaat (IPPP) (#page=6, 9). De algemene principes van dit proces, de bronnen van de substraten, en de energiebronnen zijn belangrijk om te kennen (#page=6, 7, 9). De biosynthese van cholesterol vindt integraal plaats in het cytoplasma, hoewel sommige betrokken enzymen gebonden zijn aan het endoplasmatisch reticulum (ER). De energie voor de aanmaak van één molecuul cholesterol wordt geleverd door 18 moleculen acetyl-CoA, 36 moleculen ATP en 16 moleculen NADPH [6](#page=6) [7](#page=7) [9](#page=9). ### 1.3 De eerste fasen van de synthese en de rol van HMG-CoA reductase De eerste twee stappen van de cholesterolsynthese, die plaatsvinden in het cytoplasma, resulteren in de vorming van 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) uit drie moleculen acetyl-CoA. Deze stap gebruikt dezelfde enzymen als de ketogenese, die echter in de mitochondriën plaatsvindt. Het enzym HMG-CoA reductase speelt een sleutelrol, aangezien het de snelheidsbepalende stap (rate limiting step) van de cholesterolsynthese katalyseert. Dit enzym is sterk gereguleerd en ingebed in het ER-membraan. Het is essentieel om de naam en functie van HMG-CoA reductase te kennen [8](#page=8). ### 1.4 Polymerisatie en cyclisatie tot squaleen De volgende fase omvat het polymeriseren en cyclisch omvormen van structuren die vertrekken van IPPP en zijn isomeer, dimethylallylpyrofosfaat, tot squaleen. Dit proces van polymerisatie en cyclisatie komt frequent voor in de natuur en heeft vele medische en biologische toepassingen. De metabolieten die ontstaan uit de tussenstappen tot squaleen worden isoprenoïden (terpenen) genoemd [10](#page=10) [9](#page=9). ### 1.5 Verdere metabole producten van isoprenoïden Isoprenoïden worden verder gemetaboliseerd tot diverse belangrijke moleculen en functies, waaronder: * Ankerelementen [10](#page=10). * Farnesylarm van eiwitten zoals RAS (een oncogeen) [10](#page=10). * Dolicholfosfaat, dat fungeert als tijdelijke verankering voor oligosachariden [10](#page=10). * Oxidoreductasen, zoals co-enzym Q en vitamine E [10](#page=10). * Moleculen betrokken bij signaaltransductie [10](#page=10). * Carotenoïden, zoals retinal [10](#page=10). * Feromonen [10](#page=10). * Geurende terpenen, zoals limoneen, zingibereen en het terpeen alcohol menthol [10](#page=10). Het is belangrijk om de algemene principes van dit proces te kennen, evenals de vetgedrukte namen en functies van de genoemde isoprenoïde-afgeleide producten. De namen van de enzymen en tussenproducten in deze fasen zijn niet vereist [10](#page=10). --- # Regeling van de cholesterolsynthese en intracellulaire cholesterolbalans Dit onderdeel focust op de mechanismen die de hoeveelheid cholesterol in cellen reguleren, inclusief de aanmaak, afbraak, opname en excretie, met specifieke aandacht voor SREBP, LXR en LDL-receptoren. ### 2.1 Mechanismen voor de regulatie van de intracellulaire cholesterolconcentratie De intracellulaire cholesterolconcentratie wordt gereguleerd door een complex samenspel van processen die zowel de aanmaak als de afbraak en opname beïnvloeden [13](#page=13). #### 2.1.1 Verhogen van de intracellulaire cholesterolconcentratie De concentratie cholesterol in de cel kan toenemen door de volgende mechanismen: * **De novo synthese**: Dit is de aanmaak van cholesterol vanuit eenvoudigere moleculen [13](#page=13). * **Hydrolyse van intracellulaire cholesterylesters**: Cholesterylesters die zijn opgeslagen in de cel kunnen worden afgebroken tot vrij cholesterol [13](#page=13). * **Opname van cholesterol via het dieet**: Cholesterol dat met de voeding wordt ingenomen, kan door de cel worden opgenomen [13](#page=13). * **Opname van cholesterol uit de bloedbaan via de LDL-receptor**: LDL-deeltjes, die cholesterol transporteren, worden door cellen opgenomen via specifieke LDL-receptoren [13](#page=13). #### 2.1.2 Verlagen van de intracellulaire cholesterolconcentratie Omgekeerd kan de cholesterolconcentratie in de cel dalen door: * **Inhibitie van de de novo cholesterol synthese**: Het remmen van de aanmaak van cholesterol [13](#page=13). * **Downregulatie van de LDL-receptor**: Het verminderen van het aantal LDL-receptoren aan het celoppervlak, waardoor minder cholesterol uit de bloedbaan kan worden opgenomen [13](#page=13). * **Vorming van cholesterylesters**: Vrij cholesterol kan worden veresterd en opgeslagen door het enzym acyl-coenzyme A:cholesterol acyl transferase (ACAT) [13](#page=13). * **Opname van cholesterol vanuit de cel naar een HDL-lipoproteïne**: Cholesterol kan vanuit de cel worden getransporteerd naar HDL-deeltjes voor transport uit de cel [13](#page=13). * **Omvorming tot galzouten of steroïde hormonen**: Cholesterol kan worden omgezet in andere functionele moleculen [13](#page=13). * **Medicament-geïnduceerde inhibitie van HMG-CoA reductase**: Medicijnen kunnen het enzym HMG-CoA reductase remmen, wat leidt tot een daling van de HMG-CoA concentratie en daarmee de cholesterolsynthese [13](#page=13). * **Hoge concentratie van cholesterol ter hoogte van het membraan**: Een hoge beschikbaarheid van cholesterol kan feedbackmechanismen activeren die de synthese remmen [13](#page=13). ### 2.2 Sterol regulatory element-binding proteins (SREBP) SREBP's zijn transcriptiefactoren die een centrale rol spelen in de regulatie van de cholesterolsynthese en het metabolisme van lipiden. Ze werken nauw samen met SREBP cleavage-activating protein (SCAP) en insulin-induced gene (INSIG) [12](#page=12) [14](#page=14). #### 2.2.1 Regulatie van genexpressie door SREBP De activiteit van SREBP's reguleert de genexpressie van enzymen die betrokken zijn bij de cholesterolsynthese. Wanneer de intracellulaire cholesterolconcentratie laag is, wordt SREBP geactiveerd, transporteert het naar de celkern en bindt het aan specifieke DNA-sequenties (sterol regulatory elements) om de synthese van genen die betrokken zijn bij cholesterolsynthese te induceren [14](#page=14). #### 2.2.2 Hormonale regulatie van HMG-CoA reductase via SREBP en fosforylatie Hormonen kunnen de activiteit van HMG-CoA reductase, een sleutelenzym in de cholesterolsynthese, reguleren via SREBP en fosforylatieprocessen [15](#page=15). ### 2.3 Lever X receptoren (LXR) LXR's zijn nucleaire receptoren die betrokken zijn bij de regulatie van de cholesterolhuishouding in de cel. Ze spelen een rol in de balans tussen opname, synthese en excretie van cholesterol [12](#page=12) [45](#page=45). ### 2.4 Andere belangrijke regulatiemechanismen en moleculen De regulatie van de intracellulaire cholesterolbalans is een integraal proces dat ook de volgende componenten omvat: * **ACAT (Acyl-CoA cholesterol acyltransferase)**: Dit enzym verestert cholesterol en speelt een rol bij de opslag van cholesterol als cholesterylesters [13](#page=13) [45](#page=45). * **ABCA1 (ATP-binding cassette transporter)**: Een transporter die betrokken is bij het efflux van cholesterol uit de cel naar HDL-partikels [45](#page=45). * **SR-B1 (Scavenger receptor class B type 1)**: Een receptor die selectief cholesterol kan opnemen uit HDL [45](#page=45). * **ABCG1 (ATP-binding cassette sub-family G member 1)**: Een transporter die de efflux van cholesterol naar HDL en andere lipoproteïnen faciliteert [45](#page=45). * **LCAT (Lecithine-cholesterol-acyltransferase)**: Een enzym dat een rol speelt bij de verestering van cholesterol in HDL-partikels [45](#page=45). > **Tip:** Begrijp de centrale rol van SREBP als "cholesterol sensor" van de cel; het reageert op lage cholesterolniveaus door de expressie van synthese-enzymen te verhogen en op hoge cholesterolniveaus door de synthese te remmen. > **Tip:** Onthoud dat de regulatie van cholesterolsynthese niet alleen gaat over het maken van cholesterol, maar ook over hoe het uit de cel gaat (excretie) en hoe het uit de omgeving wordt opgenomen (dieet en LDL-opname). > **Tip:** Maak gebruik van de figuren in het document (bv. de figuur op pagina 12 met de genoemde enzymen) om de onderlinge verbanden tussen de verschillende regulatiemechanismen visueel te maken. --- # Cholesterolafbraak en metabolieten Dit onderdeel behandelt de omzetting van cholesterol tot galzouten en de vorming van steroïde hormonen uit cholesterol als precursor. ### 2.1 Galzouten De afbraak van cholesterol vindt plaats in de lever, waar het wordt omgezet in galzouten. De primaire galzouten zijn cholzuur en chenodeoxycholzuur. Deze worden geconjugeerd met glycine of taurine voor excretie in de gal. De verschillen tussen deze galzouten liggen in de plaatsing en het aantal hydroxyl ($\text{OH}$) groepen [16](#page=16) [17](#page=17). Secundaire galzouten worden gevormd wanneer bacteriën in de darm aanwezig zijn. De termen 'galzuren' en 'galzouten' worden door elkaar gebruikt. De omzetting van cholesterol naar galzouten wordt gekatalyseerd door het enzym 7$\alpha$-hydroxylase (CYP7A1). Dit proces omvat het afsplitsen van een koolstofatoom. Het is belangrijk om de algemene principes van de opbouw van galzouten te kennen, evenals de namen van de galzouten, en de structuurformules te kunnen herkennen [17](#page=17). > **Tip:** De detergentfunctie van galzouten is te danken aan hun structuur die zowel een polair als een apolair oppervlak bevat [18](#page=18). #### 2.1.1 Enterohepatische cyclus De enterohepatische cyclus beschrijft de reabsorptie van galzouten. Deze reabsorptie vindt actief plaats in het ileum en passief in het colon en jejunum. Ongeveer 95% van de galzouten wordt gereabsorbeerd. De flux van galzouten bedraagt 20-30 gram per dag, met een definitieve uitscheiding van slechts 0,5-0,8 gram per dag [18](#page=18). De ABCG5 en ABCG8 transporters spelen een rol bij de galzouttransporten in de lever en het maagdarmkanaal. ABCG staat voor ATP binding cassette type G [18](#page=18). #### 2.1.2 Klinische implicaties van galzouten Een verstoring in de balans van cholesterol en galzouten kan leiden tot de vorming van galstenen [19](#page=19). ### 2.2 Cholesterolmetabolieten: Steroïde hormonen Cholesterol dient als een cruciale precursor voor de synthese van steroïde hormonen [20](#page=20) [22](#page=22). #### 2.2.1 Synthese van steroïde hormonen De synthese van steroïde hormonen vindt voornamelijk plaats in de bijnieren en de gonadale organen (ovaria en testes). Tijdens de zwangerschap wordt dit ook door de placenta gedaan. De omzetting van cholesterol naar steroïde hormonen vereist specifieke cytochroom P450 iso-enzymen voor de oxidatie van cholesterol. De resulterende steroïde hormonen bevatten 21 of minder koolstofatomen [21](#page=21). Het "side chain cleavage enzyme", ook bekend als cholesteroldesmolase of CYP11A1, is essentieel voor de eerste stap in de omzetting van cholesterol naar steroïde hormonen en fungeert als de snelheidsbepalende stap (rate-limiting step). Het is belangrijk om de tussen- en eindproducten van deze omzetting te kennen, evenals de grote klassen van steroïde hormonen [22](#page=22). > **Voorbeeld:** De grote klassen van steroïde hormonen zijn mineralocorticoïden, glucocorticoïden en (andere) geslachtshormonen [22](#page=22). #### 2.2.2 Adrenogenitaal syndroom Het adrenogenitaal syndroom is een klinische aandoening die verband houdt met stoornissen in de steroïdhormoonsynthese. Dit syndroom komt voor bij naar schatting 1 op 10.000 tot 1 op 15.000 geboortes [23](#page=23). Klinische kenmerken kunnen zijn: * Vergrote bijnieren, wat kan leiden tot carcinoom [23](#page=23). * "Salt wasting" (zoutverlies) of "non-salt wasting" varianten [23](#page=23). * Bijnierinsufficiëntie [23](#page=23). * Bij meisjes kunnen virilisatiekenmerken optreden [23](#page=23). Deze aandoeningen worden vaak veroorzaakt door een deficiëntie in het 21-hydroxylase enzym. Het adrenogenitaal syndroom illustreert de klinische link met de cholesterolmetabolieten, maar specifieke details van het syndroom hoeven niet per se gekend te zijn voor dit examen [23](#page=23). --- # Lipiden- en cholesteroltransport en atherosclerose Dit thema beschrijft hoe cholesterol en lipiden in het bloed worden getransporteerd via lipoproteïnen, hoe ze worden geclassificeerd, welke klinische parameters relevant zijn en hoe dit alles gerelateerd is aan de ontwikkeling van atherosclerose. ### 4.1 Cholesterol en lipiden transport in het bloed Cholesterol is van nature slecht wateroplosbaar, met een grenswaarde van minder dan 2 milligram per liter bloed. Echter, de concentratie cholesterol in het circulerende bloed is ongeveer 2 gram per liter, wat 1.000 keer hoger is. Dit verschil wordt verklaard door de aanwezigheid van lipoproteïnen. Lipoproteïnen fungeren als emulgatoren voor triglyceriden (TG) en cholesterolesters en zijn omgeven door een enkele mantel van fosfolipiden (PL) en een beperkte hoeveelheid vrij cholesterol. Daarnaast bevatten ze apoproteïnen [26](#page=26). #### 4.1.1 Lipoproteïnen: classificatie en kenmerken Lipoproteïnen worden gekenmerkt door hun samenstelling en de aanwezige apoproteïnen. Ze kunnen worden onderverdeeld in TG-rijke lipoproteïnen en cholesterolrijke lipoproteïnen [27](#page=27). Lipoproteïnen worden verder geclassificeerd op basis van hun dichtheid en diameter [28](#page=28). ### 4.2 Lipidparameters in het bloed en hun bepaling Voor het beoordelen van lipiden in het bloed worden routinematig totaal cholesterol, HDL-cholesterol en triglyceriden bepaald. De meeste laboratoria bepalen LDL-cholesterol niet direct, maar berekenen dit middels de Friedewald-formule [29](#page=29). De Friedewald-formule luidt: $$ \text{[LDL-cholesterol]} = \text{[Totaal cholesterol]} - \text{[HDL-cholesterol]} - \frac{\text{[Triglyceriden]}}{5} $$ [29](#page=29) [31](#page=31). Deze formule is alleen betrouwbaar indien de bloedafname nuchter is genomen. Tevens kan de formule niet worden berekend indien de triglyceridenwaarde hoger is dan 400 mg/dl. Bij triglyceridewaarden boven 200 mg/dl dient de berekende LDL-cholesterolwaarde met voorzichtigheid te worden geïnterpreteerd [29](#page=29). Een andere belangrijke parameter is non-HDL-cholesterol, wat wordt berekend als: $$ \text{[Non-HDL-cholesterol]} = \text{[Totaal cholesterol]} - \text{[HDL-cholesterol]} $$ [29](#page=29). Dit getal is een maat voor het totale aantal atherogene cholesterolmoleculen [29](#page=29). #### 4.2.1 Referentiewaarden voor lipiden De referentiewaarden voor lipiden in het plasma zijn beïnvloedbaar door factoren zoals leeftijd, geslacht, populatie, dieet en lichaamsbeweging [31](#page=31). | Parameter | Referentiewaarde (routinematig) | "Alert" value | | :-------------------- | :----------------------------- | :------------ | | Totaal cholesterol | < 180 mg/dl | > 250 mg/dl | | HDL-cholesterol (Man) | > 40 mg/dl | < 30 mg/dl | | HDL-cholesterol (Vrouw)| > 45 mg/dl | < 30 mg/dl | | Triglyceriden | < 150 mg/dl | > 500 mg/dl | | LDL-cholesterol | < 115 mg/dl | > 190 mg/dl | | Apo A1 (Man) | > 120 mg/dl | | | Apo A1 (Vrouw) | > 140 mg/dl | | | Apo B | < 130 mg/dl | | | Lp(a) | < 35 | > 50 | De referentiewaarden voor totaal cholesterol, HDL-cholesterol, LDL-cholesterol en triglyceriden zijn belangrijk om te kennen. Andere waarden zoals Apo A1, Apo B en Lp(a) worden niet routinematig gebruikt [30](#page=30). #### 4.2.2 Alternatieve formules voor LDL-cholesterolberekening Naast de Friedewald-formule bestaat ook de Martin-Hopkins formule voor het berekenen van LDL-cholesterol. Het principe achter deze formules is belangrijker dan de exacte cijfers [32](#page=32). ### 4.3 Apoproteïnen Apoproteïnen zijn eiwitten die essentieel zijn voor de structuur en functie van lipoproteïnen. Enkele belangrijke apoproteïnen en hun functies zijn [33](#page=33): * **Apo A-I (chromosoom 11):** Structureel eiwit van HDL; cofactor van LCAT; ligand voor ABCA1 en SR-B1 [33](#page=33). * **Apo B-100 (chromosoom 2):** Structureel eiwit van VLDL en LDL; ligand van de LDL-receptor [33](#page=33). * **Apo B-48 (chromosoom 2):** Structureel eiwit van chylomicronen (CM) [33](#page=33). * **Apo C-II (chromosoom 19):** Cofactor voor lipoproteïne lipase (LPL) [33](#page=33). * **Apo E (chromosoom 19):** Ligand voor LDL- en remnant-receptoren; betrokken bij lokale lipidendistributie en reverse cholesteroltransport (HDL) [33](#page=33). Het molecuulgewicht van de apoproteïnen hoeft niet gekend te zijn [33](#page=33). ### 4.4 Opname van lipiden uit de voeding De opname van lipiden uit de voeding verloopt via verschillende stappen [37](#page=37): 1. **Emulsificatie:** In de maag en het duodenum worden lipiden geëmulgeerd door fysische processen (warmte, peristaltiek) en maag- en speeksellipase [37](#page=37). 2. **Hydrolyse en micelvorming:** In het duodenum en jejunum vindt verdere hydrolyse plaats door pancreatisch lipase (geactiveerd met colipase). Vermenging met galzouten leidt tot de vorming van micellen [37](#page=37). 3. **Transfer naar brush border:** De micellen dragen bij aan de overdracht naar de brush border. De opname van de meeste moleculen gebeurt grotendeels via diffusie van monoglyceriden (MAG) en weinig polaire moleculen zoals lange keten vetzuren en cholesterol. Middellange keten (MCT) en korte vetzuren worden direct opgenomen via de porta-ader [37](#page=37). #### 4.4.1 Specifieke cholesterolabsorptie en -excretie De opname van cholesterol uit de darm vereist actieve transporteurs zoals Nieman Pick like intracellular cholesterol transporter 1 (NPC1L1). Fytosterolen (plantensterolen) concurreren met cholesterol voor deze opname, waardoor een hoge inname van plantensterolen kan leiden tot een daling van de cholesterolabsorptie. De excretie van galzouten wordt gereguleerd door ABCG5 en ABCG8. Aan de basolaterale zijde worden vetzuren, cholesterol en Apo B-48 geassembleerd tot chylomicronen [38](#page=38). ##### 4.4.1.1 Klinische implicaties van ABCG5/G8 mutaties Mutaties in de ABCG5/G8 genen verhinderen de excretie van cholesterol en plantensterolen, ondanks actieve opname via NPC1L1. Dit leidt tot accumulatie van cholesterol en plantensterolen (zoals sitosterol) in verschillende weefsels, wat kan resulteren in vroegtijdige atheromatose. Deze aandoening staat bekend als sitosterolemie. Ezetimibe (Ezetrol) is een medicijn dat de cholesterolabsorptie remt [39](#page=39). ### 4.5 Opname van cholesterol en triglyceriden vanuit de bloedbaan naar cellen Cholesterol wordt voornamelijk opgenomen door de cellen via de LDL-receptor. Triglyceriden worden voornamelijk opgenomen via het enzym lipoproteïne lipase (LPL) [42](#page=42) [43](#page=43) [44](#page=44). LPL is verantwoordelijk voor het vrijmaken van vetzuren aan de cellen [43](#page=43). ### 4.6 VLDL synthese in de lever De lever produceert Very Low-Density Lipoproteins (VLDL) voor de excretie van TG en cholesterol vanuit de lever naar de bloedbaan. Dit proces is informatief [46](#page=46). ### 4.7 Atherosclerose: de rol van LDL-cholesterol De stapeling van LDL-cholesterol ter hoogte van de vaatwand is de primum movens in het ontstaan van atherosclerose [47](#page=47). ### 4.8 Klinische implicaties van lipidtransportstoornissen Verschillende factoren en aandoeningen hebben significante klinische implicaties met betrekking tot lipiden en atherosclerose: * **HMG CoA-reductaseremmers (statines):** Het blokkeren van HMG CoA-reductase leidt tot een upregulatie van LDL-receptoren, wat resulteert in een reductie van cholesterol [48](#page=48). * **Stoornissen in de LDL-receptor:** Problemen met de LDL-receptor kunnen leiden tot familiale hypercholesterolemie [48](#page=48). * **Invloed van glucose/fructose:** Hoge insulinespiegels als gevolg van verhoogde glucose- of fructose-inname hebben omgekeerde effecten op de synthese en excretie van TG en cholesterol. Dit resulteert in VLDL-deeltjes met een hoge TG-content en relatief lage cholesterol-content, wat kan leiden tot leversteatose (leververvetting) [48](#page=48). * **Verhoogd risico op hart- en vaatlijden:** Alle aandoeningen die leiden tot een stijging van LDL- en/of VLDL-cholesterol zijn direct en causaal verbonden met een verhoogd risico op hart- en vaatlijden [48](#page=48). > **Tip:** Het begrijpen van de Friedewald-formule en de referentiewaarden voor lipiden is cruciaal voor klinische interpretatie. Houd rekening met de voorwaarden waaronder de formule betrouwbaar is. > **Tip:** Atherosclerose is een multifactoriële ziekte, waarbij de accumulatie van LDL-cholesterol in de vaatwand een sleutelrol speelt. Het beheersen van lipidenprofielen is daarom essentieel voor preventie. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Acetyl-CoA | Een centrale molecule in de stofwisseling die wordt gevormd uit de afbraak van koolhydraten, vetten en eiwitten en dient als substraat voor de citroenzuurcyclus en de cholesterolsynthese. | | ATP | Adenosinetrifosfaat, de belangrijkste energiedrager in de cel, die wordt verbruikt bij veel cellulaire processen, waaronder de synthese van cholesterol. | | NADPH | Nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat, een cofactor die een cruciale rol speelt als reductiemiddel in anabole reacties, zoals de vetzuur- en cholesterolsynthese. | | HMG-CoA reductase | Het enzym dat de snelheidsbepalende stap in de cholesterolsynthese katalyseert; de remming hiervan is een belangrijk therapeutisch doel voor het verlagen van cholesterol. | | Isoprenoïden (Terpenen) | Een diverse groep organische verbindingen die afgeleid zijn van isopreen, waaronder metabolieten die ontstaan tijdens de cholesterolsynthese en die vele biologische functies hebben. | | SREBP (Sterol Regulatory Element-Binding Proteins) | Transcriptiefactoren die de expressie reguleren van genen betrokken bij cholesterolhomeostase, zoals genen voor cholesterolsynthese en LDL-receptoren. | | LXR (Liver X Receptor) | Een nucleaire receptor die een sleutelrol speelt in de regulatie van lipiden- en cholesterolmetabolisme, en ook betrokken is bij ontsteking en immuunrespons. | | Galzouten | Afkomstig van cholesterol in de lever, deze geconjugeerde stoffen emulgeren vetten in de darm, faciliteren de absorptie van vetten en vetoplosbare vitaminen, en worden via een enterohepatische cyclus gerecirculeerd. | | Enterohepatische cyclus | Het proces waarbij stoffen die uitgescheiden zijn in de gal, zoals galzouten, opnieuw worden geabsorbeerd in de dunne darm en terugkeren naar de lever. | | Steroïde hormonen | Een klasse van lipide-hormonen die afgeleid zijn van cholesterol en essentieel zijn voor diverse fysiologische functies, zoals regulatie van metabolisme, immuunfunctie en voortplanting. | | CYP7A1 | Het enzym 7α-hydroxylase, dat de initiële en snelheidsbepalende stap in de synthese van galzuren uit cholesterol katalyseert in de lever. | | Lipoproteïnen | Complexe deeltjes die bestaan uit lipiden (cholesterol, triglyceriden) en eiwitten (apoproteïnen), verantwoordelijk voor het transport van wateronoplosbare lipiden in het bloedplasma. | | LDL (Low-Density Lipoprotein) | Een type lipoproteïne dat cholesterol transporteert van de lever naar de perifere weefsels; een hoog LDL-cholesterolgehalte wordt geassocieerd met een verhoogd risico op hart- en vaatziekten. | | HDL (High-Density Lipoprotein) | Een type lipoproteïne dat overtollig cholesterol transporteert van de perifere weefsels terug naar de lever voor uitscheiding (reverse cholesterol transport); wordt vaak "goed" cholesterol genoemd. | | Atherosclerose | Een chronische ziekte van de slagaderwand, gekenmerkt door de accumulatie van lipiden, ontstekingscellen en bindweefsel, wat leidt tot vernauwing en verstijving van de slagaders. | | Friedewald formule | Een formule die wordt gebruikt om de concentratie van LDL-cholesterol te schatten op basis van de gemeten waarden van totaal cholesterol, HDL-cholesterol en triglyceriden. | | Apoproteïnen | Eiwitcomponenten van lipoproteïnen die structurele functies vervullen, dienen als liganden voor receptoren en fungeren als cofactoren voor enzymen die betrokken zijn bij het lipidenmetabolisme. | | NPC1L1 (Niemann-Pick C1-Like 1) | Een cholesteroltransporter in de darm en lever die essentieel is voor de absorptie van cholesterol uit de voeding en de opname van cholesterol via de LDL-receptor. | | Sitosterolemie | Een zeldzame genetische aandoening veroorzaakt door mutaties in ABCG5 of ABCG8 genen, leidend tot een verminderde excretie van cholesterol en plantensterolen, met vroege atherosclerose als gevolg. |

# Definitie en classificatie van complexe lipiden Complexe lipiden zijn een diverse groep moleculen die, na hydrolyse, meer dan twee chemische componenten bevatten, waaronder naast vetzuren en een hydroxylgroep ook fosfaatgroepen, stikstofhoudende basen, koolhydraten of eiwitten [3](#page=3). ### 1.1 Definitie van complexe lipiden Complexe lipiden worden gedefinieerd door hun samenstelling na hydrolyse. In tegenstelling tot simpele lipiden, die voornamelijk uit vetzuren en alcohol bestaan, bevatten complexe lipiden aanvullende chemische groepen. Deze extra componenten kunnen onder andere fosfaatgroepen, stikstofhoudende basen, koolhydraten (suikers) en, in het geval van lipoproteïnen, eiwitten zijn [3](#page=3). ### 1.2 Classificatie van complexe lipiden De classificatie van complexe lipiden kan gebaseerd zijn op verschillende criteria, zoals hun belangrijkste componenten of de aard van de alcohol die aan de vetzuren is gekoppeld [4](#page=4) [5](#page=5). #### 1.2.1 Classificatie op basis van samenstelling en functie Op basis van hun samenstelling en rol kunnen complexe lipiden als volgt worden ingedeeld [4](#page=4): * **Fosfolipiden:** Deze zijn van essentieel belang voor de structuur van celmembranen. Ze bevatten een fosfaatgroep als een van hun kenmerkende componenten [3](#page=3) [4](#page=4). * **Glycolipiden:** Bij glycolipiden zijn koolhydraatgroepen aan het lipidedeel bevestigd. Ze spelen een cruciale rol in celherkenning en de immuunrespons. Glycolipiden bevinden zich voornamelijk aan de buitenkant van het celmembraan [4](#page=4). * **Sfingolipiden:** Deze groep lipiden gebruikt sfingosine als alcohol in plaats van glycerol. Sfingomyeline, een belangrijk bestanddeel van de myelineschede rond zenuwcellen, is een voorbeeld van een sfingolipide. Bepaalde glycolipiden vallen ook onder deze classificatie [4](#page=4) [5](#page=5). * **Lipoproteïnen:** Hoewel technisch gezien macromoleculaire complexen, worden lipoproteïnen vaak genoemd in de context van lipidentransport [4](#page=4). #### 1.2.2 Classificatie op basis van de alcoholcomponent Een andere manier om complexe lipiden te classificeren is op basis van het type alcohol dat gebruikt wordt voor de verestering van vetzuren [5](#page=5): * **Glycerolipiden:** Deze lipiden gebruiken glycerol voor de verestering van twee vetzuren. Fosfoglyceriden (ook bekend als glycerofosfolipiden) en ether glycerolipiden vallen onder deze categorie [20](#page=20) [5](#page=5). * **Sfingolipiden:** Hierbij wordt sfingosine, wat een aminoalcohol is, gebruikt voor de verestering van één vetzuur. Voorbeelden hiervan zijn sfingofosfolipiden en glycolipiden [20](#page=20) [5](#page=5). #### 1.2.3 Onderverdeling van glycerofosfolipiden en sfingolipiden Binnen de hoofdgroepen van glycerofosfolipiden en sfingolipiden is verdere onderverdeling mogelijk op basis van hun specifieke structuren en componenten [13](#page=13). * **Glycerofosfolipiden** kunnen verder worden onderverdeeld in diverse types, waaronder fosfatidylcholine, fosfatidylethanolamine, fosfatidylserine, fosfatidylinositol, fosfatidylglycerol en cardiolipine (difosfatidylglycerol). Plasmalogenen en de platelet activating factor zijn ook gerelateerde structuren [20](#page=20). * **Sfingolipiden** omvatten sfingomyelines, cerebrosiden, sulfatiden, globosiden en gangliosiden [20](#page=20). > **Tip:** Het is nuttig om de schematische weergave van de verschillende complexe lipiden op pagina 20 te bestuderen, aangezien deze een visueel overzicht biedt van hun algemene samenstelling en onderlinge relaties [20](#page=20). > **Voorbeeld:** Sfingomyeline is een belangrijk type sfingolipide dat een sleutelrol speelt in de vorming van de myelineschede, die essentieel is voor de snelle geleiding van zenuwimpulsen. Dit illustreert hoe de classificatie van complexe lipiden ook hun specifieke biologische functies weerspiegelt [4](#page=4). --- # Structuur en functie van glycerofosfolipiden Dit onderwerp duikt in de structuur, synthese en diverse functies van glycerofosfolipiden, met bijzondere aandacht voor hun rol in celmembranen, signaaltransductie en klinische toepassingen zoals surfactans. ### 2.1 Structuur van glycerofosfolipiden Glycerofosfolipiden zijn een belangrijke klasse van lipiden die essentieel zijn voor de celstructuur en -functie. Ze worden gekenmerkt door een glycerolruggegraat, waaraan twee vetzuurketens en een fosfaatgroep gebonden zijn. De fosfaatgroep is op zijn beurt gekoppeld aan een variabele alcoholische groep, wat resulteert in een breed scala aan verschillende glycerofosfolipiden [7](#page=7) [9](#page=9). ### 2.2 Synthese van glycerofosfolipiden De synthese van glycerofosfolipiden is een complex proces dat verschillende tussenproducten en enzymen omvat [7](#page=7). #### 2.2.1 Fosfatidaat als intermediair Fosfatidaat (PA) is een cruciaal intermediair in de synthese van veel fosfolipiden, evenals van triglyceriden in de lever, vetcellen en het maagdarmkanaal. De synthese van fosfatidaat kan plaatsvinden via de glycerolkinase route, voornamelijk in de lever, nieren en het maagdarmkanaal [7](#page=7). #### 2.2.2 Gebruik van CDP Cytidine difosfaat (CDP) en cytidine trifosfaat (CTP) spelen een sleutelrol in de activatie van precursor moleculen tijdens de synthese. Een algemeen synthesepad omvat de activatie van een fosfolipide precursor met CDP, gevolgd door de koppeling aan diacylglycerol (DAG) [9](#page=9). #### 2.2.3 Interconversie van fosfolipiden Fosfolipiden kunnen ook worden omgezet door middel van methylatie en/of decarboxylatie reacties. Deze interconversies zijn belangrijk voor het aanpassen van de membraansamenstelling en functie. Een voorbeeld hiervan is de omzetting van fosfatidylethanolamine (PE) naar fosfatidylcholine (PC) door methylatie [9](#page=9). ### 2.3 Functies van glycerofosfolipiden Glycerofosfolipiden vervullen een breed scala aan functies binnen de cel en het organisme. #### 2.3.1 Structurele rol in celmembranen De meest fundamentele rol van glycerofosfolipiden is hun bijdrage aan de structurele integriteit van celmembranen. Ze vormen de lipide dubbellaag die de celomringt en intracellulaire compartimenten definieert [7](#page=7). #### 2.3.2 Secundaire messengers Sommige fosfolipiden, zoals fosfatidaat (PA), fungeren als belangrijke secundaire messengers in signaaltransductiepaden. Ze kunnen specifieke cellulaire reacties initiëren en reguleren [10](#page=10). #### 2.3.3 Verschillende specifieke functies Verschillende specifieke glycerofosfolipiden hebben unieke functies [10](#page=10): * **Fosfatidaat (PA)**: Speelt een rol in de galzuursynthese [10](#page=10). * **Cardiolipine**: Gevonden in de binnenste mitochondriale membraan, met een hoge concentratie in de hartspier [10](#page=10). * **Plasmalogenen**: Etherglycerolipiden die voornamelijk in zenuwen en spieren voorkomen en in de hartspier tot wel 50% van de fosfolipiden kunnen uitmaken [10](#page=10). #### 2.3.4 Signaalfunctie en klinische implicaties Glycerofosfolipiden hebben ook significante signaalfuncties, met implicaties voor diverse klinische aandoeningen [12](#page=12). ### 2.4 Klinische toepassingen van glycerofosfolipiden De kennis over glycerofosfolipiden heeft geleid tot belangrijke klinische toepassingen. #### 2.4.1 Surfactans Surfactans, een complexe lipoproteïne die voornamelijk uit fosfolipiden bestaat, is cruciaal voor het voorkomen van collaps van de alveolen in de longen [11](#page=11). * **Premature baby's**: Een tekort aan surfactans bij premature baby's kan leiden tot ademhalingsondersteuningssyndroom (ARDS) en is een belangrijke oorzaak van sterfte [11](#page=11). * **Diagnostiek**: De verhouding tussen lecithine en sfingomyeline (lecithin:sphingomyelin ratio) in vruchtwater kan worden gebruikt om de longrijpheid te bepalen [11](#page=11). * **Volwassenen**: Surfactans speelt ook een rol bij volwassenen en kan worden beïnvloed door chemische longschade [11](#page=11). #### 2.4.2 Emulgator Lecithine (fosfatidylcholine) fungeert als een emulgator, wat belangrijk is in diverse biologische processen [11](#page=11). > **Tip:** Bij het bestuderen van de synthesepaden is het belangrijk om de algemene pathways en de herkenning van de belangrijkste moleculen te kennen, zonder de specifieke enzymnamen te hoeven memoriseren [7](#page=7) [9](#page=9). > **Tip:** Focus op het begrijpen van de algemene functies van fosfolipiden en het herkennen van welke moleculen betrokken zijn, in plaats van het toewijzen van specifieke functies aan individuele moleculen zonder verdere context [10](#page=10). --- # Structuur en functie van sfingolipiden Sfingolipiden zijn een belangrijke klasse van lipiden die een cruciale rol spelen in celstructuur, signaaltransductie en neuronale ontwikkeling [14](#page=14). ### 3.1 Categorieën van sfingolipiden Sfingolipiden kunnen worden onderverdeeld in verschillende categorieën op basis van hun structuur en functionele groepen [14](#page=14). #### 3.1.1 Ceramiden * **Basisstructuur:** Ceramiden vormen de basisstructuur van veel sfingolipiden. Ze bestaan uit sfingosine, een aminoalcohol, dat is N-geacyleerd met een vetzuur [14](#page=14). * **Functie:** Ceramiden dienen als basisstructuur voor celmembranen en als signaalmoleculen [14](#page=14). #### 3.1.2 Sfingomyelines * **Structuur:** Sfingomyelines zijn sfingolipiden die een fosfaatgroep en een choline- of ethanolaminegroep bevatten, waardoor ze ook als fosfolipiden geclassificeerd kunnen worden [14](#page=14). * **Functie:** Ze zijn een belangrijk bestanddeel van de myelineschede rond zenuwcellen en spelen een isolerende rol. Ze zijn ook aanwezig in membranen en organellen zoals het endoplasmatisch reticulum en de mitochondria. Soms zijn ze verbonden met zeer lange ketens vetzuren, wat belangrijk is voor cerebrale ontwikkeling, zoals te zien is in moedermelk [14](#page=14) [16](#page=16). #### 3.1.3 Glycolipiden * **Structuur:** Glycolipiden zijn sfingolipiden waarbij één of meer koolhydraatgroepen covalent zijn gebonden aan een ceramide. Hun samenstelling kan sterk variëren en is niet constant gedurende de ontwikkeling, wat beïnvloed wordt door diverse regelprocessen [14](#page=14) [17](#page=17). * **Subgroepen:** Glycolipiden worden onderverdeeld in drie hoofdgroepen: neutrale glycolipiden, sulfatiden en gangliosiden [17](#page=17). * **Voorbeelden:** * **Cerebrosiden:** Bevatten één koolhydraatgroep gebonden aan ceramide [14](#page=14). * **Globosiden:** Bevatten meerdere koolhydraatgroepen gebonden aan ceramide [14](#page=14). * **Gangliosiden:** Complexere glycolipiden met één of meer sialinezuureenheden, waardoor ze negatief geladen zijn. Er zijn meer dan 60 soorten gangliosiden bekend, zoals de ABO-bloedgroepen [14](#page=14) [16](#page=16). * **Functie:** Glycolipiden zijn essentieel voor cel-celcommunicatie, celherkenning en spelen een rol bij bloedgroepen. Ze functioneren ook als receptoren voor virussen en toxines. De hoogste concentraties cerebrosiden en gangliosiden komen voor in het plasmamembraan van neuronen, wat hun belang in signaaltransductie onderstreept [14](#page=14) [16](#page=16). > **Tip:** Hoewel de algemene pathway van sfingolipidebiosynthese begrepen moet worden, is het niet noodzakelijk om alle specifieke enzymen te kennen. Het herkennen van de moleculen is belangrijker [15](#page=15). > **Tip:** De variëteit in de suikercomponenten van cerebrosiden en gangliosiden kan leiden tot meer dan 60 verschillende soorten gangliosiden, zoals geïllustreerd door de ABO-bloedgroepen [16](#page=16). --- # Klinisch belang van complexe lipiden Het klinisch belang van complexe lipiden wordt voornamelijk belicht aan de hand van lysosomale stapelingsziekten, waaronder sfingolipidosen en gangliosidosen, en hun erfelijke mechanismen [18](#page=18). ### 4.1 Lysosomale stapelingsziekten Lysosomale stapelingsziekten zijn een groep erfelijke aandoeningen die worden gekenmerkt door de accumulatie van specifieke moleculen binnen lysosomen, als gevolg van een deficiëntie of inactiviteit van bepaalde lysosomale enzymen [18](#page=18). #### 4.1.1 Sfingolipidosen en gangliosidosen Binnen deze categorie zijn sfingolipidosen en gangliosidosen prominente voorbeelden. Het is essentieel om de belangrijkste moleculen die bij deze ziekten betrokken zijn te herkennen en te weten welke ziektes hiermee geassocieerd zijn, zonder noodzakelijkerwijs alle enzymen of complexe biochemische pathways uit het hoofd te hoeven leren [18](#page=18). > **Tip:** Focus op het herkennen van de namen van de ziektes en de typen lipiden die zich ophopen, in plaats van op de exacte structuur van alle betrokken enzymen. #### 4.1.2 Erfelijke mechanismen De meeste lysosomale stapelingsziekten volgen een autosomaal recessieve overervingswijze. Dit betekent dat een individu twee kopieën van een gemuteerd gen moet hebben om de ziekte te ontwikkelen. Een belangrijke uitzondering hierop is de ziekte van Fabry, die X-gebonden recessief wordt overgeërfd [19](#page=19). > **Voorbeeld:** Bij een autosomaal recessieve ziekte hebben ouders die drager zijn van het mutante gen (elk één kopie) een kans van 25% om een kind te krijgen dat de ziekte heeft, 50% kans om een drager te krijgen, en 25% kans om een gezond kind te krijgen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Complexe lipiden | Een diverse groep moleculen die meer dan twee chemische componenten bevatten bij hydrolyse, naast vetzuren en een hydroxylgroep ook fosfaatgroepen, stikstofhoudende basen, koolhydraten en/of eiwitten. | | Glycerofosfolipiden | Lipiden die glycerol bevatten, twee vetzuren, een fosfaatgroep en een andere groep, essentieel voor de structuur van celmembranen. | | Sfingolipiden | Een klasse van lipiden die sfingosine, in plaats van glycerol, als alcoholcomponent bevatten, en een vetzuur bevatten, zoals sfingomyeline en glycolipiden. | | Fosfolipiden | Een hoofdcategorie van complexe lipiden die een fosfaatgroep bevatten en een cruciale rol spelen in de structuur van celmembranen en als bouwstenen voor andere moleculen. | | Glycolipiden | Lipiden waaraan koolhydraatgroepen zijn gekoppeld, belangrijk voor celherkenning, immuunrespons en bevinden zich voornamelijk aan de buitenkant van het celmembraan. | | Sfingosine | Een aminoalcohol die dient als de alcoholcomponent in sfingolipiden, in plaats van glycerol. | | Sfingomyeline | Een sfingolipide die een fosfaatgroep bevat en choline of ethanolamine, en een belangrijk bestanddeel is van de myelineschede rond zenuwcellen. | | Glycerolipiden | Lipiden die glycerol gebruiken voor de verestering van twee vetzuren, een brede categorie die ook fosfolipiden omvat. | | Fosfatidaat (PA) | Een intermediair molecuul in de synthese van fosfolipiden en triglyceriden, cruciaal voor de productie van deze lipiden in verschillende celtypen. | | Lecithine (fosfatidylcholine) | Een belangrijk fosfolipide dat ook bekend staat als lecithine, betrokken bij de galzuursynthese en fungeert als emulgator; het is ook een component van surfactans. | | Cardiolipin | Een difosfatidylglycerol dat voornamelijk voorkomt in de binnenste mitochondriale membraan, met een hoge concentratie in de hartspier. | | Plasmalogeen | Een type etherglycerolipide, een subklasse van glycerofosfolipiden, dat een etherbinding bevat en voorkomt in zenuwen en spieren, en een belangrijke rol speelt in mitochondriale lipiden. | | Surfactans | Een mengsel van fosfolipiden en eiwitten dat de oppervlaktespanning in de alveoli van de longen vermindert, essentieel voor ademhaling, vooral bij pasgeborenen. | | Sfingolipidosen | Een groep lysosomale stapelingsziekten die worden veroorzaakt door genetische deficiënties in enzymen die betrokken zijn bij het metabolisme van sfingolipiden, wat leidt tot accumulatie van deze lipiden. | | Gangliosiden | Complexe glycolipiden die neuraminezuur bevatten en voorkomen op het oppervlak van celmembranen, vooral in neuronen, en betrokken zijn bij celcommunicatie en signaaltransductie. | | Ceramide | De basisstructuur van sfingolipiden, bestaande uit sfingosine gebonden aan een vetzuur, en dient als precursor voor andere sfingolipiden. |

# Composición química y niveles de organización de los seres vivos El estudio de la composición química y los niveles de organización de los seres vivos abarca desde los componentes atómicos y moleculares que los constituyen hasta la forma en que se estructuran en sistemas cada vez más complejos, culminando en el ecosistema y la biosfera [1](#page=1). ### 1.1 Características de los seres vivos Los seres vivos comparten una serie de características fundamentales que los distinguen de la materia inerte [1](#page=1): * Están formados por los mismos elementos químicos, denominados bioelementos, y las mismas moléculas, denominadas biomoléculas [1](#page=1). * Son sistemas abiertos, ya que intercambian materia y energía con su entorno [1](#page=1). * Realizan las tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción [1](#page=1). * Poseen capacidad homeostática, es decir, la habilidad de mantener constantes las características de su medio interno, como la temperatura [1](#page=1). * Tienen la capacidad de evolucionar [1](#page=1). ### 1.2 Niveles de organización de los seres vivos La organización de los seres vivos se estructura jerárquicamente en varios niveles [2](#page=2): * **Nivel atómico:** Constituido por los átomos que forman parte de la materia viva, conocidos como bioelementos [1](#page=1) [2](#page=2). * **Nivel molecular:** Los átomos (bioelementos) se unen para formar biomoléculas [2](#page=2). * **Nivel subcelular:** Las biomoléculas se organizan en complejos supramoleculares, como los ribosomas [2](#page=2). * **Nivel celular:** Los orgánulos se combinan para formar células, las unidades estructurales y funcionales básicas de la vida [2](#page=2). * **Nivel tisular:** En organismos pluricelulares, las células especializadas se agrupan para formar tejidos [2](#page=2). * **Nivel organular:** Diversos tejidos se organizan para conformar órganos, los cuales se asocian en aparatos y sistemas [2](#page=2). * **Organismo:** La unión de aparatos y sistemas da lugar a un organismo [2](#page=2). * **Nivel ecosistema:** * Individuos de la misma especie se agrupan para formar **poblaciones** [2](#page=2). * El conjunto de poblaciones de una zona determinada constituye la **biocenosis** [2](#page=2). * La biocenosis junto con el biotopo (el medio físico) forman el **ecosistema** [2](#page=2). * El conjunto de ecosistemas de la Tierra constituye la **ecosfera** [2](#page=2). Cada nivel de organización presenta propiedades nuevas y superiores a las del nivel inferior [2](#page=2). ### 1.3 Composición química de los seres vivos #### 1.3.1 Bioelementos Los bioelementos son los elementos químicos que constituyen la materia viva. Se clasifican según su abundancia [2](#page=2): * **Bioelementos primarios:** Representan más del 95% de la materia viva y son el carbono (C), el oxígeno (O), el hidrógeno (H) y el nitrógeno (N) [2](#page=2). * **Propiedades:** * Forman enlaces covalentes muy estables debido al pequeño tamaño de sus átomos. La interacción entre ellos es responsable de sus propiedades fisicoquímicas [3](#page=3). * El carbono tiene la capacidad de formar largas cadenas muy estables, actuando como esqueleto básico de las biomoléculas [3](#page=3). * Se incorporan con facilidad del medio externo: el carbono y el oxígeno de la atmósfera, el hidrógeno del agua, y el nitrógeno de la dieta [3](#page=3). * **Bioelementos secundarios:** Constituyen aproximadamente el 4.5% de la materia viva. Destacan el magnesio (Mg), el calcio (Ca), el potasio (K) y el sodio (Na) [3](#page=3). * **Oligoelementos:** Representan solo el 0.1% de la materia viva. Algunos son esenciales para los seres vivos, como el hierro (Fe) y el cinc [3](#page=3). #### 1.3.2 Biomoléculas Existen dos tipos principales de biomoléculas: * **Biomoléculas inorgánicas:** Se encuentran tanto en materia viva como no viva y no son exclusivas de los seres vivos. Son moléculas simples con pocos átomos [3](#page=3). * **Agua:** Es la molécula más abundante en los seres vivos, representando entre el 60-70% en humanos. A pesar de su aparente sencillez, es fundamental para la vida. Está formada por un átomo de oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno mediante enlaces covalentes. El oxígeno, al ser más electronegativo, genera un carácter dipolar en la molécula, con una carga parcial negativa en el oxígeno y parcial positiva en los hidrógenos. Esta polaridad da lugar a la formación de puentes de hidrógeno entre moléculas de agua, lo que cohesiona las moléculas y determina sus propiedades y funciones [3](#page=3) [4](#page=4). \* **Propiedades y funciones del agua:** * Permanece en estado líquido en un amplio rango de temperaturas [4](#page=4). * Es un líquido incompresible, lo que le permite formar parte del esqueleto hidrostático de organismos como las medusas [4](#page=4). * Posee un **alto calor específico**: la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de un gramo de sustancia en un grado centígrado. Esto permite al agua absorber gran cantidad de calor sin aumentar significativamente su temperatura, destinando la energía a romper puentes de hidrógeno [4](#page=4). * Tiene un **alto calor de vaporización**: la energía necesaria para que una sustancia pase del estado líquido al gaseoso [4](#page=4). * **Función termorreguladora:** Ayuda a regular la temperatura corporal y ambiental, evitando cambios drásticos [4](#page=4). * **Capacidad disolvente:** Disuelve compuestos iónicos y moléculas covalentes polares, siendo el medio donde ocurren la mayoría de las reacciones químicas [4](#page=4). * **Función transportadora:** Al disolver sustancias, facilita su transporte a través del organismo [4](#page=4). * Presenta una **gran cohesión interna** y **capilaridad**, la capacidad de ascender en tubos de pequeño diámetro contra la gravedad. Ambas propiedades son cruciales para el transporte de savia bruta en plantas [4](#page=4). * Alcanza su **densidad máxima a 4 grados centígrados**. Esto provoca que el hielo flote sobre el agua líquida, aislando las capas inferiores y permitiendo la supervivencia de organismos acuáticos en climas fríos. En estado sólido (hielo), las moléculas de agua forman una estructura cristalina con puentes de hidrógeno que aumenta el volumen [4](#page=4). * **Sales minerales:** Pueden encontrarse en dos formas: * **Sales minerales precipitadas:** Son sólidas e insolubles en agua. Se encuentran formando estructuras de soporte, como los esqueletos de vertebrados, caparazones de crustáceos, y en huesos (fosfatos y carbonatos de calcio) [5](#page=5). * **Sales minerales disueltas:** Se encuentran ionizadas y son solubles en agua. Están presentes en los líquidos intra y extracelulares en forma de cationes (Na+, K+, Ca²⁺) y aniones (Cl⁻, CO₃²⁻) [5](#page=5). \* **Funciones de las sales minerales disueltas:** * **Homeostasis:** Contribuyen a mantener constantes las características del medio interno [5](#page=5). * **Regulación del pH:** Las **disoluciones tampón** (buffer) son sales minerales capaces de regular el pH, manteniendo la concentración de protones de hidrógeno constante para proteger proteínas y su función. Ejemplos son el tampón carbonato en la sangre y el tampón fosfato en las células [5](#page=5). * **Regulación de los procesos osmóticos:** El agua se difunde pasivamente a través de una membrana semipermeable desde un medio hipotónico (menor concentración) a un medio hipertónico (mayor concentración) hasta alcanzar el equilibrio isotónico. En animales, un medio extracelular hipertónico puede causar deshidratación y crenación celular. En plantas, puede provocar plasmolisis [5](#page=5). * **Biomoléculas orgánicas:** (No cubiertas en las páginas 1-5, por lo que no se incluirán en este resumen). * * * # Biomoléculas orgánicas: glúcidos, proteínas y ácidos nucleicos Las biomoléculas orgánicas, compuestas principalmente de carbono e hidrógeno, son esenciales para la vida, formando los pilares de las estructuras y funciones celulares [6](#page=6). ## 2 Biomoléculas orgánicas: glúcidos, proteínas y ácidos nucleicos ### 2.1 Glúcidos Los glúcidos, también conocidos como carbohidratos, son biomoléculas orgánicas compuestas principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno. Químicamente, se definen como polihidroxialdehídos o polihidroxicetonas. Son moléculas ricas en energía y la mayoría son polímeros formados por la unión de subunidades de monosacáridos [6](#page=6) [7](#page=7). #### 2.1.1 Clasificación de los glúcidos * **Monosacáridos:** Son las unidades básicas y más simples de los glúcidos, como la glucosa. Se unen entre sí mediante enlaces O-glucosídicos, que se forman por la unión de dos grupos hidroxila con liberación de agua [6](#page=6). * Según su grupo funcional: * **Aldosas:** Poseen un grupo aldehído en el carbono 1 [6](#page=6). * **Cetosas:** Poseen un grupo cetona en el carbono 2 [6](#page=6). * Según su número de carbonos: * **Triosas:** Tres carbonos (ej: gliceraldehído) [6](#page=6). * **Tetrosas:** Cuatro carbonos [7](#page=7). * **Pentosas:** Cinco carbonos (ej: ribosa, desoxirribosa) [7](#page=7). * **Hexosas:** Seis carbonos (ej: glucosa, fructosa) [7](#page=7). Normalmente, los monosacáridos de 5 y 6 átomos de carbono se encuentran ciclados [7](#page=7). * **Oligosacáridos:** Son la unión de 2 a 10 monosacáridos unidos por enlaces O-glucosídicos. Los más comunes son los disacáridos, formados por la unión de dos monosacáridos (ej: sacarosa, lactosa) [7](#page=7). * **Polisacáridos:** Son largas cadenas formadas por más de mil monosacáridos [7](#page=7). * **Homopolisacáridos:** Formados por un solo tipo de monosacárido (ej: todas glucosas) [7](#page=7). * **Heteropolisacáridos:** Formados por más de un tipo de monosacárido [7](#page=7). #### 2.1.2 Funciones de los glúcidos * **Reserva de energía:** * **Almidón:** Principal reserva energética en plantas, almacenado en amiloplastos [7](#page=7). * **Glucógeno:** Polisacárido de reserva en animales y hongos, compuesto enteramente por glucosa [7](#page=7). * **Estructurales:** * **Celulosa:** Formada por polisacáridos lineales de glucosa, genera la pared celular [7](#page=7). ### 2.2 Proteínas Las proteínas son cadenas de aminoácidos. Son moléculas complejas y ricas en energía [7](#page=7) [8](#page=8). #### 2.2.1 Aminoácidos Un aminoácido es una molécula orgánica con un carbono central (carbono alfa) unido a un grupo carboxilo (-COOH), un grupo amino (-NH₂), un hidrógeno (-H) y una cadena lateral o radical (R), que es lo que diferencia a un aminoácido de otro. Existen muchos aminoácidos, pero solo 20 son "proteicos" y se unen para formar proteínas [8](#page=8). Los aminoácidos se unen mediante enlaces peptídicos, formados por la unión del hidroxilo del grupo carboxilo de un aminoácido con dos hidrógenos del grupo amino de otro, liberando una molécula de agua. La unión de dos aminoácidos forma un dipéptido, de tres un tripéptido, y a partir de diez aminoácidos se considera una proteína [8](#page=8). #### 2.2.2 Estructura de las proteínas Las proteínas presentan, como mínimo, tres niveles estructurales, y algunas cuatro [8](#page=8): * **Estructura primaria:** Es la secuencia lineal de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. Es la estructura más simple pero la más importante, ya que determina las demás estructuras y, por ende, la función de la proteína [8](#page=8). * **Estructura secundaria:** Es la disposición espacial de la estructura primaria. Está unida por puentes de hidrógeno y depende de los aminoácidos que la forman [8](#page=8). * **Alfa hélice:** Una hélice que gira hacia la derecha, con grupos R en el exterior. Se produce una unión entre un aminoácido y el cuarto que le sigue. Hay aproximadamente 3.6 aminoácidos por vuelta [9](#page=9). * **Lámina beta:** Se dispone en forma de zigzag, es más estirada que la alfa hélice y surge de la formación de puentes de hidrógeno entre varias cadenas de beta lámina [9](#page=9). * **Estructura terciaria:** Es la disposición espacial más estable de la proteína en condiciones fisiológicas normales, conocida como conformación nativa. En este nivel, la proteína adquiere su funcionalidad y se vuelve activa. Se mantiene unida por enlaces débiles entre las cadenas laterales (grupos R) de distintos aminoácidos, incluyendo puentes de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas, fuerzas de Van der Waals, enlaces iónicos y puentes disulfuro [10](#page=10) [9](#page=9). * **Formaciones dentro de la estructura terciaria:** * **Globular:** Forma de ovillo con zonas de alfa hélice y beta láminas. Son solubles en agua y suelen tener funciones activas (ej: procesos metabólicos, hormonas) [10](#page=10). * **Fibrosas:** Proteínas más estiradas, a menudo una alfa hélice con pocos giros. Son insolubles en agua y su función principal es estructural (ej: colágeno) [10](#page=10). * **Estructura cuaternaria (solo algunas):** Ocurre cuando varias proteínas están formadas por cadenas polipeptídicas. A cada cadena se la denomina protómero y a la proteína en conjunto, oligómero. Se mantienen unidas por enlaces débiles entre las cadenas laterales de aminoácidos de distintas cadenas, y también por puentes disulfuro [10](#page=10) [11](#page=11). #### 2.2.3 Funciones de las proteínas Las proteínas tienen una gran diversidad de funciones, ya que existen miles de ellas, siendo responsables de las funciones celulares [11](#page=11): * **Transportadora:** (ej: ARN - aunque el ARN no es una proteína, esta función se asocia comúnmente a transportadores, lo que podría ser una imprecisión en el documento fuente) [11](#page=11). * **Defensiva:** Anticuerpos [11](#page=11). * **Hormonas:** [11](#page=11). * **Enzimas:** Llevan a cabo las reacciones metabólicas de la célula [11](#page=11). * **Reguladora:** [11](#page=11). * **Homeostática:** Regulan el pH del medio interno [11](#page=11). * **Contráctiles:** Actina y miosina, que realizan funciones contráctiles del músculo [11](#page=11). > **Tip:** Para que una proteína sea activa, necesita alcanzar su estructura terciaria. Si hay variaciones de temperatura o pH, se romperán las uniones que mantienen las estructuras, provocando desnaturalización [11](#page=11). #### 2.2.4 Desnaturalización La desnaturalización es la pérdida de todas las estructuras proteicas excepto la primaria, ya que los enlaces peptídicos no se rompen fácilmente. Si las condiciones del medio vuelven a ser normales, la proteína puede renaturalizarse [11](#page=11) [12](#page=12). ### 2.3 Ácidos nucleicos Los ácidos nucleicos son las biomoléculas orgánicas encargadas del almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética. Son largas cadenas de polímeros llamados nucleótidos [12](#page=12). #### 2.3.1 Nucleótidos Un nucleótido está formado por tres componentes [12](#page=12): 1. **Pentosa:** Ribosa o desoxirribosa. La diferencia es que la desoxirribosa ha perdido un oxígeno en el carbono 2' (dos prima) [12](#page=12). 2. **Base nitrogenada:** Se une al carbono 1' (un prima) de la pentosa. Pueden ser púricas (adenina y guanina) o pirimidínicas (citosina, timina y uracilo) [12](#page=12). 3. **Ión fosfato:** Se une al carbono 5' (cinco prima) [12](#page=12). Los nucleótidos se unen entre sí por enlaces fosfodiéster, que se forman entre el grupo hidroxilo del carbono 3' (tres prima) de un nucleótido y el grupo fosfato del carbono 5' (cinco prima) del siguiente nucleótido. Por esta razón, se leen en sentido 5' → 3' [12](#page=12) [13](#page=13). #### 2.3.2 ADN (Ácido Desoxirribonucleico) * **Pentosa:** Desoxirribosa [12](#page=12). * **Bases nitrogenadas:** Adenina, guanina, citosina, timina [12](#page=12). * **Estructura:** Bicatenario. La teoría de la doble hélice de Watson y Crick postula que el ADN está formado por dos cadenas antiparalelas: una va en sentido 5' → 3' y la otra en sentido 3' → 5'. Las cadenas son complementarias: siempre que hay adenina en una, hay timina en la otra; y siempre que hay guanina, hay citosina [13](#page=13). * **Puentes de hidrógeno:** Se forman 2 puentes de hidrógeno entre adenina y timina, y 3 puentes de hidrógeno entre guanina y citosina [13](#page=13). * **Función:** Almacena y transmite la información genética. Su función principal es la síntesis de proteínas [13](#page=13). #### 2.3.3 ARN (Ácido Ribonucleico) * **Pentosa:** Ribosa [12](#page=12). * **Bases nitrogenadas:** Adenina, guanina, citosina, uracilo [12](#page=12). * **Estructura:** Monocatenario, aunque en algunas partes pueden unirse por complementariedad de bases. Los virus pueden tener ARN bicatenario [13](#page=13). #### 2.3.4 Flujo de la información genética El dogma central de la biología molecular describe cómo la información genética fluye [14](#page=14): * **Replicación:** El ADN se replica para transmitir una copia en la división celular. Algunos virus con ARN también se replican [14](#page=14). * **Transcripción:** Es el proceso por el cual se sintetizan todos los tipos de ARN tomando como molde el ADN. Ocurre en el núcleo [14](#page=14). * **Traducción:** La información genética contenida en la secuencia de bases nitrogenadas se traduce a una secuencia de aminoácidos, dando lugar a la proteína [14](#page=14). * **Código genético:** Es un diccionario que indica la relación entre los tripletes de bases nitrogenadas (codones) y el aminoácido correspondiente [14](#page=14). \* **Características del código genético:** * **Universal:** Común para todos los seres vivos [14](#page=14). * **Degenerado:** Varios codones pueden codificar el mismo aminoácido (codones sinónimos) [14](#page=14). * **No ambiguo:** Cada codón codifica para un único aminoácido [14](#page=14). #### 2.3.5 Mutaciones Son cambios en la secuencia de las bases de ADN que pueden alterar la secuencia de aminoácidos de una proteína, resultando en una proteína diferente con distintas funciones. Las mutaciones son una fuente de variabilidad genética y pueden ser perjudiciales (causan enfermedades), neutras (no causan perjuicio ni beneficio) o beneficiosas (aportan características ventajosas para la supervivencia) [14](#page=14). * * * # La célula: tipos, estructuras y funciones La célula es la unidad fundamental de la vida, capaz de realizar las tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción. Existen dos tipos principales de células: procariotas y eucariotas, que difieren significativamente en su estructura y organización interna [15](#page=15). ### 3.1 Célula procariota Las células procariotas, como las bacterias y arqueas, son estructuralmente más simples al carecer de un núcleo definido y de orgánulos membranosos [15](#page=15). #### 3.1.1 Estructura de la célula procariota * **Membrana plasmática:** Es una doble capa lipídica que delimita la célula y regula el intercambio de sustancias. En procariotas, también es responsable de procesos como la respiración celular, al no contar con orgánulos especializados para ello [15](#page=15). * **Pared celular:** Proporciona forma, protección y evita la lisis celular debido a la diferencia de tonicidad entre el medio interno (hipertónico) y externo. Su composición general es de peptidoglicanos [15](#page=15). * **Cápsula:** Una cubierta externa, compuesta por glúcidos, que se sitúa por encima de la pared celular. Sus funciones incluyen la adherencia a medios, el almacenamiento de agua y la protección, como el camuflaje frente al sistema inmune del huésped [15](#page=15). * **Citoplasma:** El contenido interno de la célula, donde ocurren numerosas reacciones metabólicas [16](#page=16). * **Nucleoide:** Región donde se encuentra el material genético, típicamente una única molécula de ADN bicatenario circular. Su función es almacenar y transmitir la información genética [16](#page=16). * **Plásmidos:** Fragmentos pequeños de ADN circular extracromosómico que contienen genes adicionales, como los de resistencia a antibióticos, que pueden conferir ventajas a la bacteria [16](#page=16). * **Ribosomas:** Orgánulos no membranosos, de tipo 70S, encargados de la síntesis de proteínas. A diferencia de las eucariotas, los ribosomas procariotas son de 70S [16](#page=16). * **Fimbrias:** Estructuras cortas y numerosas, cuya función es la adherencia al sustrato [16](#page=16). * **Flagelo:** Uno o varios apéndices que permiten el movimiento o desplazamiento de la célula [16](#page=16). * **Pili:** Estructuras de tamaño intermedio entre flagelos y fimbrias, involucradas en el intercambio de material genético entre células [16](#page=16). ### 3.2 Célula eucariota Las células eucariotas, encontradas en animales, plantas, hongos y protoctistas, son significativamente más complejas. Poseen un núcleo diferenciado que contiene el ADN y una variedad de orgánulos membranosos que permiten la compartimentalización y la realización simultánea de diversas funciones [16](#page=16). #### 3.2.1 Estructura de la célula eucariota * **Membrana plasmática:** Sigue el modelo de mosaico fluido, caracterizado por una bicapa lipídica donde las cabezas polares de los fosfolípidos se orientan hacia el exterior e interior de la célula, y las colas apolares se sitúan en el interior de la membrana. El colesterol regula su rigidez (#page=16, 17). Puede contener proteínas integrales (que atraviesan la membrana) o periféricas, y glúcidos formando glucolípidos o glucoproteínas [16](#page=16) [17](#page=17). * **Funciones:** Mantiene la integridad celular, actúa como barrera selectiva regulando el intercambio de sustancias, y participa en el reconocimiento celular a través de receptores [17](#page=17). * **Pared celular (vegetal):** Una pared externa rígida, exclusiva de células vegetales, compuesta principalmente de glucosa. Proporciona forma y rigidez, y evita la lisis por entrada masiva de agua, ya que el interior de estas células es hipertónico [17](#page=17). * **Citoesqueleto:** Una red de filamentos proteicos compuesta por microfilamentos de actina, filamentos intermedios y microtúbulos. * **Funciones:** Da forma a la célula, facilita el movimiento de orgánulos, la segregación de cromosomas durante la división celular, el movimiento por pseudópodos, y la formación de cilios y flagelos [18](#page=18). * **Centrosoma:** Exclusivo de células animales, está formado por dos cilindros huecos de microtúbulos dispuestos perpendicularmente. Funciona como centro organizador de microtúbulos (COMG), responsable de la formación del huso acromático en la división celular y de la formación de cilios y flagelos [18](#page=18). * **Retículo endoplasmático (RE):** Una red continua de sacos (cisternas aplanadas) y túbulos interconectados con la membrana nuclear. * **RE rugoso (RER):** Presenta ribosomas adheridos en su cara externa. Su función es la síntesis, almacenamiento y transporte de proteínas, y la formación de peroxisomas [19](#page=19). * **RE liso (REL):** Carece de ribosomas. Se encarga de la síntesis, transporte y almacenamiento de lípidos [19](#page=19). * **Ribosomas:** Orgánulos no membranosos compuestos por ARN ribosómico y proteínas. Se encuentran en el núcleo, citoplasma, adheridos al RER, y en mitocondrias y cloroplastos. Su función principal es la síntesis de proteínas [19](#page=19). * **Aparato de Golgi:** Conjunto de dictiosomas (sacos aplanados) y vesículas asociadas, con una cara \_cis (receptora de vesículas del RE) y una cara \_trans (emisora de vesículas de secreción) [19](#page=19). * **Funciones:** Modificación y distribución de proteínas, participación en la formación de membranas, pared vegetal y lisosomas [19](#page=19). * **Vacuolas:** Vesículas membranosas. En células animales suelen ser pequeñas y numerosas, mientras que en células vegetales puede haber una gran vacuola central que almacena agua y otras sustancias, manteniendo la turgencia celular [19](#page=19). * **Mitocondrias y Cloroplastos:** Orgánulos energéticos con doble membrana, poseedores de su propio ADN y ribosomas 70S, lo que apoya la teoría endosimbiótica de Lynn Margulis [20](#page=20). * **Mitocondrias:** Presentan crestas mitocondriales y matriz mitocondrial donde ocurre el ciclo de Krebs [20](#page=20). * **Función:** Producción de energía mediante la respiración celular [20](#page=20). * **Cloroplastos:** Orgánulos exclusivos de células vegetales, con membranas externa e interna, ADN bicatenario circular, estroma y ribosomas 70S. Contienen tilacoides apilados en grana, donde se localiza la clorofila [23](#page=23). * **Función:** Realización de la fotosíntesis [23](#page=23). ### 3.3 Funciones vitales celulares Las células realizan tres funciones vitales: nutrición, relación y reproducción [15](#page=15). #### 3.3.1 Nutrición Es el proceso de obtención de materia y energía del medio para la síntesis de biomoléculas, la generación de estructuras y la reparación de daños [21](#page=21). * **Entrada de nutrientes:** * **Fuente de materia:** * **Autótrofos:** Utilizan biomoléculas inorgánicas sencillas como fuente de carbono (ej. CO2, agua) [21](#page=21). * **Heterótrofos:** Necesitan materia orgánica, aunque pueden utilizar inorgánica [21](#page=21). * **Fuente de energía:** * **Fotótrofos:** Utilizan la luz solar (fotosíntesis) [21](#page=21). * **Quimiótrofos:** Utilizan la energía química liberada por la degradación de moléculas [21](#page=21). * **Tipos combinados:** Fotoautótrofos, quimioautótrofos, fotoorganótrofos, quimiorganótrofos [21](#page=21). * **Metabolismo celular:** Conjunto de procesos químicos para utilizar nutrientes y obtener energía. * **Procesos catabólicos:** Degradación de biomoléculas orgánicas para obtener energía. * **Respiración celular (aerobia):** Ocurre en presencia de oxígeno, principalmente en mitocondrias. Incluye la obtención de Acetil-CoA, el ciclo de Krebs en la matriz mitocondrial, y la cadena respiratoria en la membrana mitocondrial interna. Produce una gran cantidad de ATP [22](#page=22). * Ecuación general: $C\_6H\_{12}O\_6 + 6O\_2 \\rightarrow 6CO\_2 + 6H\_2O + 38\\text{ ATP}$ [22](#page=22). * **Fermentación (anaerobia):** Ocurre en ausencia de oxígeno en el hialoplasma. Degrada moléculas orgánicas a otras más sencillas, obteniendo menos energía que en la respiración celular [23](#page=23). * **Fermentación láctica:** El ácido pirúvico se reduce a ácido láctico, regenerando $NAD^+$ a partir de $NADH$ [23](#page=23). * **Fermentación alcohólica:** El ácido pirúvico se transforma en acetaldehído (liberando $CO\_2$) y luego en etanol, regenerando $NAD^+$ [23](#page=23). * **Procesos anabólicos:** Síntesis de moléculas complejas a partir de otras más simples, empleando ATP [23](#page=23). * **Anabolismo autótrofo:** Utiliza $CO\_2$ como fuente de carbono y energía luminosa para sintetizar moléculas orgánicas como la glucosa [23](#page=23). * **Fotosíntesis:** Proceso anabólico que transforma moléculas inorgánicas sencillas en materia orgánica simple usando luz solar [23](#page=23). * Ecuación general: $6CO\_2 + 6H\_2O \\xrightarrow{\\text{Luz solar}} C\_6H\_{12}O\_6 + 6O\_2$ [23](#page=23). * **Fase luminosa:** Ocurre en la membrana de los tilacoides. La clorofila capta luz solar, se produce $ATP$ y poder reductor en forma de $NADPH$. La fotólisis del agua libera $O\_2$ y $NADPH$ [24](#page=24). * **Fase oscura (Ciclo de Calvin):** No depende directamente de la luz, pero sí de los productos de la fase luminosa. Fija el $CO\_2$ atmosférico (mediante RubisCO) y utiliza $ATP$ y $NADPH$ para producir materia orgánica sencilla como la glucosa [24](#page=24). * **Factores que afectan la fotosíntesis:** Intensidad luminosa, concentración de $CO\_2$, agua, $O\_2$ y temperatura (#page=24, 25) [24](#page=24) [25](#page=25). * **Importancia:** Reduce $CO\_2$ atmosférico, libera $O\_2$ (esencial para la vida), transforma energía luminosa en química, y produce biomoléculas orgánicas [25](#page=25). #### 3.3.2 Relación Las células utilizan la membrana plasmática para interactuar con el exterior, detectando estímulos (térmicos, químicos, luminosos, mecánicos) y adaptándose al medio. La respuesta a estos estímulos puede implicar movimiento [25](#page=25): * **Locomoción:** Si el movimiento es para desplazarse, se denomina tactismo. * **Fototactismo:** Movimiento en respuesta a la luz [25](#page=25). * **Quimiotactismo:** Movimiento hacia (positivo) o en contra (negativo) de un estímulo químico [25](#page=25). #### 3.3.3 Reproducción Aunque no se detalla explícitamente en las páginas proporcionadas para este tema, la capacidad de reproducirse es una función vital inherente a todas las células [15](#page=15). * * * # Procesos celulares: metabolismo y reproducción Los procesos celulares fundamentales de metabolismo y reproducción permiten a los organismos obtener y transformar energía y materia, así como perpetuar su especie a través de la división celular [21](#page=21). ### 4.1 Nutrición celular La nutrición es el proceso mediante el cual los seres vivos obtienen materia y energía del medio para sintetizar sus propias moléculas, construir y reparar estructuras, y realizar las funciones vitales. Se divide en la entrada de nutrientes y el metabolismo celular [21](#page=21). #### 4.1.1 Entrada de nutrientes Según la fuente de materia, los organismos se clasifican en: * **Autótrofos:** Utilizan biomoléculas inorgánicas sencillas como el dióxido de carbono (CO2) y el agua [21](#page=21). * **Heterótrofos:** Requieren moléculas orgánicas y también pueden utilizar inorgánicas [21](#page=21). Según la fuente de energía, se clasifican en: * **Fotótrofos:** Utilizan la luz solar como fuente de energía (fotosíntesis) [21](#page=21). * **Quimiótrofos:** Obtienen energía de la degradación química de moléculas [21](#page=21). Combinando ambas clasificaciones, se obtienen cuatro tipos: fotoautótrofos, quimioautótrofos, fotoorganótrofos y quimiorganótrofos [21](#page=21). #### 4.1.2 Metabolismo celular El metabolismo celular es el conjunto de procesos químicos que ocurren dentro de la célula para transformar los nutrientes y obtener la energía necesaria para las funciones vitales. Incluye procesos catabólicos y anabólicos [21](#page=21). ##### 4.1.2.1 Procesos catabólicos Son procesos de degradación de biomoléculas orgánicas para obtener energía. Pueden ocurrir en presencia o ausencia de oxígeno [22](#page=22). * **Respiración celular (aerobio):** Ocurre en presencia de oxígeno y en las mitocondrias. Implica la degradación total de moléculas orgánicas a CO2 y agua, liberando energía [22](#page=22). * **Glucólisis:** Ocurre en el citoplasma, donde una molécula de glucosa (6 carbonos) se descompone en dos moléculas de ácido pirúvico (3 carbonos cada una) y se producen 2 ATP [22](#page=22). * **Obtención de Acetil-CoA:** Mediante descarboxilación oxidativa del ácido pirúvico, se produce Acetil-CoA y se libera CO2 [22](#page=22). * **Ciclo de Krebs:** Se lleva a cabo en la matriz mitocondrial. El Acetil-CoA se degrada completamente a CO2, generando GTP (que se convierte en ATP), NADH+ y FADH2 [22](#page=22). * **Cadena respiratoria (cadena transportadora de electrones):** Tiene lugar en la membrana mitocondrial interna. El NADH+ y el FADH2 ceden sus hidrógenos, que reaccionan con el oxígeno (O2) para formar agua (H2O). Durante este transporte de electrones, se libera energía utilizada para sintetizar ATP. La ecuación general simplificada es [22](#page=22): $$C\_6H\_{12}O\_6 + 6O\_2 \\rightarrow 6CO\_2 + 6H\_2O + \\text{energía (aprox. 38 ATP)}$$ * **Fermentación (anaerobio):** Proceso catabólico que ocurre en el hialoplasma en ausencia de oxígeno. Las moléculas orgánicas se degradan a otras más sencillas, obteniendo menos energía que en la respiración celular [23](#page=23). * **Fermentación láctica:** El ácido pirúvico se reduce a ácido láctico, regenerando NAD+ a partir de NADH [23](#page=23). * **Fermentación alcohólica:** El ácido pirúvico se transforma en acetaldehído, liberando CO2. Posteriormente, el NADH pasa a NAD+, obteniéndose etanol [23](#page=23). ##### 4.1.2.2 Procesos anabólicos Son procesos metabólicos donde se sintetizan moléculas complejas a partir de otras más simples, utilizando ATP [23](#page=23). * **Anabolismo autótrofo:** Utiliza CO2 como fuente de carbono. La energía lumínica permite la síntesis de moléculas orgánicas, como la glucosa [23](#page=23). * **Fotosíntesis:** Proceso anabólico que ocurre en los cloroplastos de las células eucariotas vegetales. Transforma moléculas inorgánicas sencillas en materia orgánica simple, utilizando la luz solar. La ecuación general es [23](#page=23): $$6CO\_2 + 6H\_2O \\xrightarrow{\\text{luz solar}} C\_6H\_{12}O\_6 + 6O\_2$$ * **Fase luminosa:** Depende de la luz solar y ocurre en la membrana de los tilacoides. La clorofila capta la energía lumínica, produciendo ATP y poder reductor en forma de NADPH. La fotólisis del agua libera O2 y permite la producción de NADPH [24](#page=24). * **Fase oscura (Ciclo de Calvin):** No depende directamente de la luz, pero requiere los productos de la fase luminosa (ATP y NADPH). Ocurre en el estroma del cloroplasto y permite la fijación del CO2 atmosférico (mediante la enzima RubisCO) para sintetizar materia orgánica sencilla como la glucosa [24](#page=24). > **Tip:** La fotosíntesis es vital para la vida en la Tierra, ya que produce el oxígeno que respiramos y la base de la cadena alimentaria al generar materia orgánica. **Factores que afectan a la fotosíntesis:** * **Intensidad luminosa:** Aumenta el rendimiento hasta un punto óptimo, tras el cual puede disminuir o dañar el sistema fotosintético [24](#page=24). * **CO2:** A mayor concentración, mayor rendimiento hasta que se saturan las enzimas de fijación (RubisCO) [24](#page=24). * **Agua:** Esencial como reactivo y para mantener abiertos los estomas para el intercambio gaseoso. Una escasez o exceso puede ser perjudicial [24](#page=24). * **O2:** Una mayor concentración de oxígeno tiende a disminuir el rendimiento fotosintético [25](#page=25). * **Temperatura:** El rendimiento aumenta con la temperatura hasta un máximo, después del cual las enzimas pueden desnaturalizarse, reduciendo la actividad fotosintética [25](#page=25). #### 4.1.3 Respuesta a estímulos Las células utilizan la membrana para interactuar con el exterior, detectando estímulos térmicos, químicos, lumínicos y mecánicos. La respuesta a estos estímulos puede ser el movimiento, como el tactismo (fototactismo, quimiotactismo), que puede ser positivo (hacia el estímulo) o negativo (alejándose del estímulo) [25](#page=25). ### 4.2 Reproducción celular: Meiosis La meiosis es un mecanismo de división celular exclusivo de los organismos con reproducción sexual, destinado a la formación de gametos. Su objetivo es obtener cuatro células haploides (con la mitad de la dotación genética) a partir de una célula diploide, garantizando así que la unión de gametos (fecundación) restablezca la dotación genética diploide sin duplicarla. Este proceso es esencial para la variabilidad genética [26](#page=26). > **Tip:** A diferencia de la mitosis, que puede ser realizada por células haploides y diploides para crecimiento y reparación, la meiosis solo ocurre en células diploides con fines reproductivos. El proceso de meiosis consta de dos divisiones sucesivas sin replicación del material genético entre ellas [26](#page=26). #### 4.2.1 Meiosis I (Meiosis reduccional) Esta división reduce la dotación cromosómica de diploide ($2n$) a haploide ($n$) [27](#page=27). * **Profase 1:** Los cromosomas se hacen visibles. Ocurre la **recombinación genética**, donde los cromosomas homólogos se aparean y cruzan, intercambiando fragmentos de material genético en puntos llamados quiasmas. Desaparece la envoltura nuclear y se forma el huso acromático [26](#page=26). * **Metafase 1:** Los pares de cromosomas homólogos se alinean en la placa ecuatorial [26](#page=26). * **Anafase 1:** El huso acromático separa los cromosomas homólogos, desplazando cada uno hacia polos opuestos de la célula. Las cromátidas hermanas permanecen unidas. En este punto, las cromátidas hermanas ya no son idénticas debido a la recombinación [26](#page=26). * **Telofase 1:** Los cromosomas se descondensan ligeramente y se forman nuevas envolturas nucleares. Al final, ocurre la citocinesis [26](#page=26). #### 4.2.2 Meiosis II Esta división es similar a una mitosis y separa las cromátidas hermanas. * **Profase 2:** Desaparece la envoltura nuclear, los centrosomas se duplican y se desplazan, y se forma el huso acromático [27](#page=27). * **Metafase 2:** Los cromosomas (cada uno con dos cromátidas) se alinean en la placa ecuatorial, con las cromátidas orientadas hacia polos opuestos [27](#page=27). * **Anafase 2:** Las cromátidas hermanas se separan y son arrastradas hacia polos opuestos de la célula por los microtúbulos [27](#page=27). * **Telofase 2:** Se forman las envolturas nucleares, los cromosomas se descondensan y ocurre la citocinesis [27](#page=27). El resultado final de la meiosis son cuatro células haploides, distintas entre sí y diferentes de la célula madre diploide [27](#page=27). #### 4.2.3 Salida de productos de desecho celular Este punto se menciona brevemente como la tercera etapa de la nutrición, refiriéndose a la eliminación de los subproductos del metabolismo celular [27](#page=27). * * * ## Errores comunes a evitar * Revise todos los temas a fondo antes de los exámenes * Preste atención a las fórmulas y definiciones clave * Practique con los ejemplos proporcionados en cada sección * No memorice sin entender los conceptos subyacentes

| Term | Definition | |---|---| | Bioelementos | Elementos químicos que constituyen la materia viva, clasificados en primarios (C, O, H, N), secundarios (Mg, Ca, K, Na) y oligoelementos (Fe, Zn). | | Biomoléculas | Moléculas que forman la materia viva, pudiendo ser inorgánicas (agua, sales minerales) u orgánicas (glúcidos, lípidos, proteínas, ácidos nucleicos). | | Célula | La unidad estructural, funcional y genética fundamental de todos los seres vivos, capaz de realizar las tres funciones vitales. | | Homeostasis | Capacidad de los seres vivos para mantener constantes las características de su medio interno, como la temperatura o el pH, a pesar de las fluctuaciones externas. | | Niveles de organización | Jerarquía de estructuras que componen a los seres vivos, desde el nivel atómico hasta la biosfera, cada uno con propiedades emergentes. | | Agua | Molécula inorgánica esencial para la vida, compuesta por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno, que posee propiedades fisicoquímicas únicas gracias a los puentes de hidrógeno. | | Sales minerales | Compuestos inorgánicos que se encuentran precipitados o disueltos en los seres vivos, desempeñando funciones estructurales y reguladoras, como el mantenimiento del pH y la presión osmótica. | | Glúcidos | Biomoléculas orgánicas compuestas principalmente por carbono, hidrógeno y oxígeno, que sirven como fuente de energía y elementos estructurales. Se clasifican en monosacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. | | Proteínas | Biomoléculas orgánicas formadas por cadenas de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos, que desempeñan una vasta gama de funciones vitales en las células. | | Aminoácido | Molécula orgánica que contiene un grupo amino y un grupo carboxilo, siendo la unidad monomérica de las proteínas. | | Enlace peptídico | Enlace covalente que une los aminoácidos para formar péptidos y proteínas, liberando una molécula de agua en el proceso. | | Estructura primaria de una proteína | La secuencia lineal de aminoácidos en una cadena polipeptídica, determinada por los enlaces peptídicos. | | Estructura secundaria de una proteína | La disposición espacial local de la cadena polipeptídica, estabilizada por puentes de hidrógeno, formando estructuras como la alfa hélice y la lámina beta. | | Estructura terciaria de una proteína | La conformación tridimensional global de una cadena polipeptídica, resultado de interacciones entre cadenas laterales de aminoácidos, que confiere la funcionalidad a la proteína. | | Estructura cuaternaria de una proteína | La asociación de múltiples cadenas polipeptídicas (protómeros) para formar una proteína funcional (oligómero). | | Ácidos nucleicos | Biomoléculas orgánicas, como el ADN y el ARN, compuestas por nucleótidos, encargadas del almacenamiento, transmisión y expresión de la información genética. | | Nucleótido | Unidad monomérica de los ácidos nucleicos, formada por una pentosa (ribosa o desoxirribosa), una base nitrogenada y un grupo fosfato. | | ADN (Ácido desoxirribonucleico) | Ácido nucleico de doble hélice que contiene la información genética en forma de secuencia de bases nitrogenadas. | | ARN (Ácido ribonucleico) | Ácido nucleico monocatenario o bicatenario, involucrado en la síntesis de proteínas y en la expresión génica. | | Transcripción | Proceso por el cual la información genética del ADN se copia a una molécula de ARN. | | Traducción | Proceso por el cual la información genética del ARN se utiliza para sintetizar una secuencia de aminoácidos, formando una proteína. | | Código genético | El conjunto de reglas que determina la correspondencia entre los codones (triletes de bases nitrogenadas en el ARN) y los aminoácidos de las proteínas. | | Mutación | Un cambio permanente en la secuencia de bases del ADN, que puede alterar la función de una proteína y ser fuente de variabilidad genética. | | Célula procariota | Tipo de célula sin núcleo definido ni orgánulos membranosos, característica de bacterias y arqueas. | | Célula eucariota | Tipo de célula con núcleo definido y orgánulos membranosos, presente en animales, plantas, hongos y protoctistas. | | Membrana plasmática | Bicapa lipídica que rodea la célula, regulando el paso de sustancias y participando en el reconocimiento celular. | | Citoplasma | El contenido celular dentro de la membrana plasmática, excluyendo el núcleo, donde se encuentran el citosol y los orgánulos. | | Orgánulos | Estructuras especializadas dentro del citoplasma de las células eucariotas que realizan funciones específicas. | | Mitocondria | Orgánulo energético de las células eucariotas responsable de la respiración celular y la producción de ATP. | | Cloroplasto | Orgánulo de las células vegetales donde se lleva a cabo la fotosíntesis. | | Metabolismo celular | Conjunto de procesos químicos (catabolismo y anabolismo) que ocurren dentro de la célula para obtener y utilizar energía y materia. | | Catabolismo | Procesos metabólicos de degradación de moléculas complejas en moléculas más simples, liberando energía. | | Anabolismo | Procesos metabólicos de síntesis de moléculas complejas a partir de moléculas más simples, requiriendo energía. | | Respiración celular | Proceso catabólico aeróbico que ocurre en las mitocondrias, mediante el cual las moléculas orgánicas se degradan para obtener ATP. | | Fermentación | Proceso catabólico anaeróbico que ocurre en el citoplasma, mediante el cual las moléculas orgánicas se degradan parcialmente, obteniendo menos ATP que en la respiración celular. | | Fotosíntesis | Proceso anabólico que realizan plantas, algas y algunas bacterias, mediante el cual se transforma la energía luminosa en energía química almacenada en moléculas orgánicas. | | Meiosis | Proceso de división celular que da lugar a cuatro células haploides a partir de una célula diploide, esencial para la reproducción sexual y la variabilidad genética. | | Mitosis | Proceso de división celular que produce dos células hijas idénticas a la célula madre, fundamental para el crecimiento y la reparación de tejidos. | | Gameto | Célula sexual (óvulo o espermatozoide) haploide, producida por meiosis, que se une a otro gameto durante la fecundación. | | Cromosoma | Estructura que contiene el material genético (ADN) organizado en las células eucariotas. | | Recombinación genética | Proceso que ocurre durante la meiosis, donde los cromosomas homólogos intercambian fragmentos de ADN, aumentando la variabilidad genética. |

# Basisprincipes van metabolisme en energiedragers Het metabolisme omvat alle chemische reacties in een organisme, verdeeld in katabolisme (afbraak) en anabolisme (opbouw), met ATP als centrale energiedrager [1](#page=1). ## 1. Basisprincipes van metabolisme en energiedragers ### 1.1 Algemene beschouwing van metabolisme Het metabolisme is de totaliteit van chemische reacties binnen een organisme die energie produceren of verbruiken. Deze reacties zijn georganiseerd in metabolische routes, die lineair, cyclisch of vertakt kunnen zijn. Het metabolisme wordt opgedeeld in twee hoofdcomponenten [1](#page=1): * **Anabolisme:** Het proces van synthese van complexere moleculen uit eenvoudigere precursoren, zoals de biosynthese van eiwitten, lipiden en nucleïnezuren. Anabolisme is een endergonisch proces, wat betekent dat het energie verbruikt [1](#page=1). * **Katabolisme:** Het netwerk van reacties waarbij complexe moleculen worden afgebroken tot kleinere eenheden (zoals CO2 en H2O), vaak gepaard gaande met zuurstofverbruik bij zoogdieren. Katabolisme is een exergonisch proces dat energie vrijmaakt, voornamelijk in de vorm van ATP, en genereert reducerende equivalenten (NADH, NADPH). De vrijgekomen energie is essentieel voor anabole processen en voor het verrichten van arbeid zoals transport, spierbeweging en signaaltransductie [1](#page=1). De belangrijkste brandstofmoleculen voor katabolisme zijn koolhydraten, vetzuren en aminozuren. De afbraakproducten van katabolisme kunnen tevens dienen als precursors voor biosynthese [1](#page=1). #### 1.1.1 Brandstofselectie in verschillende weefsels en toestanden De keuze van brandstofmoleculen is afhankelijk van het orgaan, de voedingstoestand en de hormonale status [2](#page=2). * **Voorbeelden:** * Rode bloedcellen en zenuwweefsel gebruiken voornamelijk koolhydraten [2](#page=2). * De lever van een diabetische of ondervoede persoon zal voornamelijk lipiden metaboliseren door een tekort aan koolhydraten [2](#page=2). * Lever en pancreas zijn voornamelijk betrokken bij biosynthetische en secretorische functies [2](#page=2). * Hart- en skeletspieren zetten energie uit katabole processen om in mechanische energie tijdens contractie [2](#page=2). #### 1.1.2 Het "samsara" van metabolisme Figuur 1.1 illustreert de cyclus van metabolisme: katabolisme produceert ATP en reducerende equivalenten uit brandstofmoleculen, terwijl anabolisme deze gebruikt voor biosynthese en het regenereren van geoxideerde co-enzymen. Afvalstoffen zijn koolstofdioxide, water en ammoniak [2](#page=2). > **Tip:** Begrijp de wisselwerking tussen katabolisme en anabolisme; de ene levert de energie en bouwstenen voor de andere. ### 1.2 Adenosinetrifosfaat (ATP) als energiedrager Levende organismen hebben continu energie nodig voor mechanische arbeid, transport van moleculen en de biosynthese van macromoleculen. ATP is de universele energiedrager voor de meeste van deze processen [2](#page=2). #### 1.2.1 Structuur van ATP ATP bestaat uit: * **Adenine:** Een purinebase [3](#page=3). * **Ribose:** Een suikereenheid [3](#page=3). * **Trifosfaat-eenheid:** Drie fosfaatgroepen verbonden via fosfoanhydrische bindingen aan de 5'-positie van de ribose. De bèta- en gamma-fosfaatgroepen worden beschouwd als energierijke bindingen [4](#page=4). De actieve vorm van ATP is een complex met Mg2+ [3](#page=3). #### 1.2.2 Energierijke bindingen en hydrolyse "Energierijke binding" betekent dat de hydrolyse van deze binding aanzienlijke vrije energie vrijgeeft, omdat de producten stabieler zijn dan de oorspronkelijke verbinding. De negatieve standaardvrije energieverandering (∆G0’) bij hydrolyse van energierijke bindingen is aanzienlijk groter (5-15 kcal/mol) dan die van simpele fosfaatesters (1-3 kcal/mol) [4](#page=4). * **Hydrolyse van ATP:** * ATP → ADP + Pi (orthofosfaat): ∆G0’ ≈ -7,3 kcal/mol [7](#page=7). * ATP → AMP + PPi (pyrofosfaat): PPi wordt verder gehydrolyseerd tot 2 Pi, wat nog eens ~7,5 kcal/mol vrijgeeft [4](#page=4). #### 1.2.3 Thermodynamische principes * **Eerste wet van de thermodynamica:** Energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd, alleen worden omgezet. Chemische energie in glucose wordt omgezet in chemische energie in ATP, en in spieren in mechanische energie [4](#page=4). * **Tweede wet van de thermodynamica:** Processen evolueren naar een toestand van maximale entropie (wanorde) [4](#page=4). * **Vrije energie (G):** Het deel van de totale energie in een systeem dat beschikbaar is voor nuttige arbeid. Veranderingen in vrije energie (∆G) worden gebruikt om de spontaniteit van reacties te bepalen [5](#page=5). #### 1.2.4 Definitie van ΔG en ΔG0 * **ΔG (verandering van vrije energie):** De maximale hoeveelheid energie die vrijkomt bij een reactie van toestand A naar toestand B [5](#page=5). * **Exergonisch:** ∆G < 0; spontaan proces, energie wordt vrijgesteld [5](#page=5). * **Endergonisch:** ∆G > 0; niet-spontaan proces, energie wordt geabsorbeerd [5](#page=5). * **Equilibrium:** ∆G = 0 [5](#page=5). * **ΔG0 (standaardvrije energieverandering):** De ∆G onder standaardcondities (1 molair concentratie, 1 atm druk, pH=0) [5](#page=5). De relatie tussen ∆G, ∆G0 en concentraties wordt gegeven door: $$ \Delta G = \Delta G^0 + RT \ln \frac{[B]}{[A]} $$ Waarbij: * $R$ de gasconstante is ($8,31 \, \text{J} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}$) [5](#page=5). * $T$ de absolute temperatuur in Kelvin is [5](#page=5). * $\ln$ de natuurlijke logaritme is [5](#page=5). #### 1.2.5 Definitie van ΔG0' * **ΔG0’ (gewijzigde standaardvrije energieverandering):** Wordt gebruikt voor biochemische reacties en houdt rekening met een pH van 7 (10^-7 M H⁺) in plaats van pH 0 [6](#page=6). De hydrolyse van ATP naar ADP en Pi bij pH 7 resulteert in: $$ \text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{ADP} + \text{Pi} + \text{H}^+ $$ Experimenteel wordt gevonden: $$ \Delta G^{0'} \approx -7.3 \, \text{kcal} \cdot \text{mol}^{-1} \approx -31 \, \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1} $$ Dit geldt bij 1 M concentraties van reagentia en producten [7](#page=7). #### 1.2.6 Fysiologische ΔG In de levende cel zijn de concentraties van ATP, ADP en Pi veel lager dan 1 M (meestal in het millimolaire gebied). Dit leidt tot een fysiologische ∆G die significant kan afwijken van de ∆G0’. Bijvoorbeeld, in spiercellen kan de fysiologische ∆G voor ATP-hydrolyse significant negatiever zijn dan de standaardwaarde, mede door de relatief hoge ATP/ADP ratio [7](#page=7). * **Voorbeeld in spiercel:** [ATP ≈ 8,50 mM, [ADP ≈ 0,25 mM, [Pi ≈ 2,60 mM [7](#page=7). De fysiologische vrije energieverandering wordt dan berekend met de formule: $$ \Delta G = \Delta G^{0'} + RT \ln \frac{[\text{ADP}][\text{Pi}]}{[\text{ATP}]} $$ Dit resulteert in een hogere negatieve ∆G dan de standaardwaarde [7](#page=7). #### 1.2.7 Activeringsenergie De snelheid van een reactie wordt niet bepaald door de ∆G, maar door de activeringsenergie, die kan worden verlaagd door katalysatoren zoals enzymen [8](#page=8). #### 1.2.8 Koppeling van reacties Energiereacties in cellulaire systemen zijn additief. Een endergonische reactie (∆G > 0) kan spontaan verlopen als deze wordt gekoppeld aan een sterk exergonische reactie (∆G < 0), zodat de totale ∆G negatief is. ATP-hydrolyse wordt vaak gekoppeld aan energie-vereisende reacties om deze aan te drijven [8](#page=8). * **Mechanisme van koppeling:** Een energie-vereisende reactie (bv. A + B → AB, ∆G0’ > 0) kan worden gekoppeld aan ATP-hydrolyse. Vaak wordt een intermediair gevormd, zoals een fosforyleerd product (A~P), dat vervolgens reageert met de andere reactant (B) om het eindproduct (AB) te vormen. De totale reactie kan dan zijn [9](#page=9): $$ \text{A} + \text{B} + \text{ATP} \rightarrow \text{AB} + \text{Pi} + \text{ADP} $$ De totale ∆G0’ is de som van de individuele reacties, wat resulteert in een netto negatieve ∆G0’ [9](#page=9). > **Tip:** ATP-hydrolyse kan op twee manieren energie leveren: directe hydrolyse naar ADP + Pi, of hydrolyse naar AMP + PPi, waarbij de verdere hydrolyse van PPi additionele energie levert. Dit is cruciaal voor reacties die veel energie vereisen, zoals de synthese van nucleïnezuren [10](#page=10). #### 1.2.9 Calorische waarde van voedingssubstanties De volledige oxidatie van glucose levert een aanzienlijke hoeveelheid vrije energie op (∆G0’ = –686.000 cal mol^–1). Een deel hiervan wordt gekapt in de vorm van ATP [10](#page=10). * **Calorische waarden (bij benadering):** * Koolhydraten en eiwitten: 3-4 kcal/g [10](#page=10). * Lipiden: Ongeveer 3 keer zo hoog als koolhydraten/eiwitten. Dit komt door de meer gereduceerde staat van koolstofatomen in lipiden, wat leidt tot meer reducerende equivalenten bij afbraak [10](#page=10). #### 1.2.10 ATP als energiedrager, niet als opslag ATP is een energiedrager die voortdurend wordt gerecycled; het wordt gesynthetiseerd en direct daarna weer verbruikt. Een rustend persoon verbruikt ongeveer 40 kg ATP per dag, en bij zware inspanning kan dit oplopen tot 0,5 kg/min. Elke ATP-molecule wordt duizenden keren per dag gerecycled [11](#page=11) [12](#page=12). * **ATP-synthese:** * ADP + ADP ⇌ ATP + AMP (gekatalyseerd door adenylaatkinase) [12](#page=12). * ATP wordt voornamelijk gevormd via oxidatieve fosforylatie (bij chemotrofen) of fotofosforylatie (bij fototrofen) [12](#page=12). #### 1.2.11 Stabiliteit van ATP en de redenen voor de actieve rol De stabiliteit van ATP en de energierijke aard van zijn bindingen zijn te wijten aan: 1. **Elektrostatische afstoting:** De sterk negatief geladen fosfaatgroepen stoten elkaar af. Het splitsen van deze binding verlicht deze afstoting, wat energie vrijgeeft [12](#page=12). 2. **Resonantie-stabilisatie:** De reactieproducten (ADP en Pi) hebben meer resonantiestructuren dan ATP zelf, wat resulteert in een stabielere toestand na hydrolyse [13](#page=13). 3. **Wegnemen van H+:** De vrijgekomen H+ wordt opgenomen in het neutrale cellulaire milieu, wat de reactie verder naar rechts drijft [13](#page=13). ### 1.3 Andere energierijke verbindingen Verschillende moleculen hebben een hogere fosforylgroep-transferpotentiaal dan ATP en kunnen ATP genereren uit ADP. #### 1.3.1 Enolfosfaten * **Fosfo-enolpyruvaat (PEP):** De hoge energie-inhoud wordt mede bepaald door de tautomerisatie van de instabiele enolvorm naar de stabielere ketovorm van pyruvaat. $$ \Delta G^{0'} \approx -11 \, \text{kcal/mol} $$ waarbij de tautomerisatie voor ongeveer -8 kcal/mol verantwoordelijk is [14](#page=14). #### 1.3.2 Fosfocarbonzuuranhydriden * **Acetylfosfaat:** Een voorbeeld van een fosfocarbonzuuranhydride met een hoge fosforylgroep-transferpotentiaal. $$ \Delta G^{0'} \approx -10.1 \, \text{kcal/mol} $$ #### 1.3.3 Fosfoguanidinen * **Creatinefosfaat:** Heeft een zeer hoge fosforylgroep-transferpotentiaal. $$ \Delta G^{0'} \approx -10.3 \, \text{kcal/mol} $$ Creatinefosfaat kan ATP genereren uit ADP: $$ \text{Creatinefosfaat} + \text{ADP} \rightleftharpoons \text{Creatine} + \text{ATP} $$ Dit is belangrijk voor kortstondige energievoorziening in spierweefsel [15](#page=15). > **Tip:** Moleculen zoals fosfo-enolpyruvaat, acetylfosfaat en creatinefosfaat hebben een hogere fosforylgroep-transferpotentiaal dan ATP en kunnen dus ATP synthetiseren uit ADP. ### 1.4 De energiestatus van de cel De energiestatus van de cel wordt vaak uitgedrukt als de **energielading**. Deze is proportioneel aan de mol-fractie van ATP plus de helft van de mol-fractie van ADP, omdat ATP twee anhydride bindingen heeft en ADP één [17](#page=17). $$ \text{Energielading} = \frac{[\text{ATP}] + 0.5 \cdot [\text{ADP}]}{[\text{ATP}] + [\text{ADP}] + [\text{AMP}]} $$ --- # Glycolyse en de citroenzuurcyclus Dit deel van het document beschrijft de glycolyse, de afbraak van glucose tot pyruvaat, inclusief de energetische opbrengst en regulatie. Vervolgens wordt de citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus) geïntroduceerd als de route voor verdere oxidatie van pyruvaat en de productie van reducerende equivalenten [29](#page=29). ### 2.1 Inleiding tot de glycolyse Glucose is de primaire vorm van koolhydraatreabsorptie en de belangrijkste energiebron voor de hersenen. Deficiënt glucosemetabolisme is gerelateerd aan obesitas en diabetes. De glycolyse wordt door alle lichaamscellen gebruikt om energie te extraheren uit glucose, en deze route is evolutionair oud, resulterend in anaerobe afbraak van glucose tot lactaat. Het is een voorbeeld van anaerobe fermentatie, waarbij chemische energie wordt verkregen in afwezigheid van zuurstof. Voor veel weefsels is de glycolyse een 'emergency' pathway die netto 2 mol ATP per mol glucose genereert. Dit mechanisme is cruciaal voor energievoorziening wanneer zuurstoftoevoer beperkt is, bijvoorbeeld tijdens de bevalling, waarbij hersenen gespaard blijven [30](#page=30) [31](#page=31). #### 2.1.1 Glycolyse in aerobe en anaerobe omstandigheden Indien cellen over mitochondriën beschikken en zuurstof aanwezig is, zal pyruvaat, het eindproduct van glycolyse, de mitochondriën binnengaan voor volledige oxidatie tot CO2 en H2O via de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen. Glycolyse kan dan beschouwd worden als een voorbereiding op aerobe koolhydraatoxidatie. Er wordt significant meer ATP gevormd bij volledige glucoseoxidatie dan bij omzetting naar lactaat. Cellen zonder mitochondriën, zoals erytrocyten, de cornea, lens en delen van de retina, en weefsels met weinig mitochondriën zoals de nier medulla, testis en leukocyten, zijn vrijwel volledig afhankelijk van glycolyse voor ATP-productie [32](#page=32). #### 2.1.2 Locatie en algemene principes van glycolyse Alle reacties van de glycolyse vinden plaats in het cytosol en worden gekatalyseerd door wateroplosbare enzymen. De intermediairen bevatten 6 of 3 koolstofatomen en zijn gefosforyleerd om diffusie uit het cytosol te voorkomen [33](#page=33). #### 2.1.3 Reactietypes in de glycolyse De glycolyse omvat verschillende soorten chemische reacties: * **Fosforyltransfer:** Overdracht van een fosfaatgroep van ATP naar een acceptor, gekatalyseerd door kinases [33](#page=33). * **Fosforyl-shift:** Verplaatsing van een fosfaatgroep [33](#page=33). * **Isomerisatie:** Omzetting van een ketose naar een aldose, of vice versa [33](#page=33). * **Dehydratatie:** Verlies van een watermolecule [34](#page=34). * **Aldolsplitsing:** De omgekeerde reactie van een aldolcondensatie, waarbij een grotere molecule in twee kleinere wordt gesplitst [34](#page=34). ### 2.2 Stappen van de glycolyse #### 2.2.1 Van glucose naar fructose 1,6-bisfosfaat (de investeringsfase) 1. **Fosforylering van glucose:** Glucose wordt bij binnenkomst in de cel onmiddellijk gefosforyleerd door hexokinase, wat het glucose ‘vangt’ binnen de cel en voorkomt dat het terugvloeit. Deze reactie vereist Mg$^{2+}$ als cofactor [34](#page=34). $ \text{Glucose} + \text{ATP} \xrightarrow{\text{hexokinase}} \text{Glucose 6-fosfaat} + \text{ADP} + \text{H}^+ $ [34](#page=34). 2. **Isomerisatie van glucose 6-fosfaat:** Glucose 6-fosfaat wordt omgezet in fructose 6-fosfaat door het enzym fosfoglucose-isomerase [35](#page=35). $ \text{Glucose 6-fosfaat} \xrightarrow{\text{fosfoglucose-isomerase}} \text{Fructose 6-fosfaat} $ [35](#page=35). 3. **Tweede fosforylering:** Fructose 6-fosfaat ondergaat een tweede fosforylering met ATP, gekatalyseerd door fosfofructokinase (PFK), wat leidt tot de vorming van fructose 1,6-bisfosfaat. Deze stap is **irreversibel** en wordt beschouwd als de **‘committed step’** van de glycolyse, omdat het de beslissing markeert om de glycolytische pathway te volgen [35](#page=35) [36](#page=36). $ \text{Fructose 6-fosfaat} + \text{ATP} \xrightarrow{\text{fosfofructokinase}} \text{Fructose 1,6-bisfosfaat} + \text{ADP} $ [35](#page=35). * **Regulatie van fosfofructokinase (PFK):** PFK is het belangrijkste controle-enzym in de glycolytische pathway. Het wordt **allosterisch geïnhibeerd** door hoge concentraties ATP en NADH, en door citraat. Een hoge ATP-concentratie vermindert de affiniteit van PFK voor fructose 6-fosfaat. De **inhibitie wordt opgeheven door AMP**, wat aangeeft dat de enzymactiviteit gereguleerd wordt door de energielading van de cel. Citraat linkt de activiteit van PFK aan die van de Krebs-cyclus en het begin van vetzuursynthese [35](#page=35) [36](#page=36). * **Glucokinase in de lever:** In de lever fosforyleert glucokinase glucose naar glucose 6-fosfaat. Glucokinase heeft een hoge $K_M$ voor glucose, wat betekent dat het effectiever is bij hoge glucoseconcentraties. Dit geeft voorrang aan spier- en hersencellen voor glucoseopname. Hexokinase wordt geïnhibeerd door glucose 6-P, terwijl glucokinase in de lever niet door het product wordt geïnhibeerd [36](#page=36). #### 2.2.2 Van de 6C- naar de 3C-eenheid (de opbrengstfase) 4. **Aldolsplitsing:** Fructose 1,6-bisfosfaat wordt gesplitst in dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde 3-fosfaat door het enzym aldolase [37](#page=37). $ \text{Fructose 1,6-bisfosfaat} \xrightarrow{\text{aldolase}} \text{Dihydroxyacetonfosfaat} + \text{Glyceraldehyde 3-fosfaat} $ [37](#page=37). 5. **Isomerisatie van dihydroxyacetonfosfaat:** Dihydroxyacetonfosfaat wordt omgezet in glyceraldehyde 3-fosfaat door triosefosfaatisomerase. Hierdoor worden er netto twee moleculen glyceraldehyde 3-fosfaat gevormd uit één molecuul fructose 1,6-bisfosfaat. Tot dit punt zijn er 2 ATP-moleculen geïnvesteerd zonder energieopbrengst [37](#page=37). 6. **Oxidatie en fosforylering:** Glyceraldehyde 3-fosfaat wordt geoxideerd tot 1,3-bisfosfoglyceraat door glyceraldehyde 3-fosfaatdehydrogenase (GPD). Hierbij wordt NAD$^+$ gereduceerd tot NADH en wordt een hoogenergetische fosfaatbinding gevormd [37](#page=37) [38](#page=38). $ \text{Glyceraldehyde 3-fosfaat} + \text{NAD}^+ + \text{Pi} \xrightarrow{\text{GPD}} \text{1,3-bisfosfoglyceraat} + \text{NADH} + \text{H}^+ $ [38](#page=38). 7. **Substraatspecifieke fosforylering:** De hoogenergetische fosfaatbinding van 1,3-bisfosfoglyceraat wordt overgedragen aan ADP, wat leidt tot de vorming van ATP. Dit proces wordt gekatalyseerd door fosfoglyceraatkinase [38](#page=38). $ \text{1,3-bisfosfoglyceraat} + \text{ADP} \xrightarrow{\text{fosfoglyceraatkinase}} \text{3-fosfoglyceraat} + \text{ATP} $ [38](#page=38). 8. **Fosforylgroep-verplaatsing:** De fosforylgroep wordt van positie 3 naar positie 2 verplaatst, gekatalyseerd door fosfoglyceromutase [38](#page=38). $ \text{3-fosfoglyceraat} \xrightarrow{\text{fosfoglyceromutase}} \text{2-fosfoglyceraat} $ [38](#page=38). 9. **Dehydratatie:** 2-fosfoglyceraat ondergaat een dehydratatiereactie, gekatalyseerd door enolase, waarbij fosfo-enolpyruvaat wordt gevormd. Dit verhoogt het groeptransferpotentiaal van de fosforylgroep [39](#page=39). $ \text{2-fosfoglyceraat} \xrightarrow{\text{enolase}} \text{Fosfo-enolpyruvaat} + \text{H}_2\text{O} $ [39](#page=39). 10. **Vorming van pyruvaat:** Fosfo-enolpyruvaat doneert zijn hoogenergetische fosfaatgroep aan ADP, wat resulteert in de vorming van ATP en pyruvaat. Deze reactie wordt gekatalyseerd door pyruvaatkinase (PK) [39](#page=39). $ \text{Fosfo-enolpyruvaat} + \text{ADP} \xrightarrow{\text{pyruvaatkinase}} \text{Pyruvaat} + \text{ATP} $ [39](#page=39). * **Regulatie van pyruvaatkinase (PK):** PK is een sleutelenzym dat de glycolyse controleert. Het wordt allosterisch geïnhibeerd door ATP en alanine, en geactiveerd door fructose 1,6-bisfosfaat. De activiteit van de L-vorm (lever) wordt gereguleerd door fosforylering: glucose ↑ → glucagon ↓ → geen fosforylering → actief PK; glucose ↓ → glucagon ↑ → fosforylering → inactief PK [39](#page=39) [40](#page=40). #### 2.2.3 Netto resultaat van de glycolyse De netto reactie voor de omzetting van glucose naar pyruvaat is: $ \text{Glucose} + 2\text{NAD}^+ + 2\text{Pi} + 2\text{ADP} \rightarrow 2\text{NADH} + 2\text{H}^+ + 2\text{H}_2\text{O} + 2\text{ATP} + 2 \text{ Pyruvaat} $ [40](#page=40). Er is dus een nettowinst van 2 moleculen ATP en 2 moleculen NADH [40](#page=40). #### 2.2.4 Klinische correlatie: 18FDG en kankertracering 2-deoxy-2-(18F)fluoro-D-glucose (FDG) is een glucoseanaloog die gebruikt wordt in PET-scans. Omdat FDG niet gemetaboliseerd kan worden via de normale glycolyse, hoopt het zich op in cellen met een hoge glucoseopname, zoals kankercellen. Dit maakt het mogelijk om kankermetastasen te visualiseren [43](#page=43). ### 2.3 De centrale positie van pyruvaat Pyruvaat is een cruciaal intermediair in het metabolisme en kan verschillende metabolische wegen volgen, afhankelijk van de metabole status van de cel [43](#page=43) [44](#page=44). #### 2.3.1 Lot van pyruvaat: ethanol, lactaat of acetyl-CoA * **Naar ethanol (alcoholische fermentatie):** In gist en andere micro-organismen wordt pyruvaat omgezet in ethanol en CO2. Dit proces regeneert NAD$^+$ voor de glycolyse onder anaerobe omstandigheden [44](#page=44). $ \text{Glucose} + 2\text{Pi} + 2\text{ADP} + 2\text{H}^+ \rightarrow 2\text{CO}_2 + 2 \text{ Ethanol} + 2\text{ATP} + 2\text{H}_2\text{O} $ [44](#page=44). * **Lactaatvorming (anaerobe omstandigheden):** In organismen met beperkte zuurstoftoevoer, zoals spierweefsel tijdens intense activiteit, wordt pyruvaat omgezet in lactaat. Dit regenereert ook NAD$^+$ voor de glycolyse [44](#page=44). $ \text{Glucose} + 2\text{Pi} + 2\text{ADP} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} + 2\text{ATP} + 2 \text{ Lactaat} $ [44](#page=44). Dit is een tijdelijke oplossing om ATP-productie te handhaven totdat oxidatieve condities herstellen (zie Cori-cyclus) [44](#page=44). * **Naar acetyl-CoA:** Onder aerobe omstandigheden wordt pyruvaat omgezet in acetyl-CoA, wat toegang geeft tot de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen voor maximale energieproductie. Dit proces vindt plaats in de mitochondriën [45](#page=45). #### 2.3.2 2,3-Bisfosfoglyceraat (BPG) 2,3-bisfosfoglyceraat is een allostere effector van hemoglobine en ontstaat uit 1,3-bisfosfoglyceraat. Het keert terug naar de glycolysestroom via 3-fosfoglyceraat zonder ATP-productie [45](#page=45). ### 2.4 Gebruik van andere suikers in de glycolyse #### 2.4.1 Fructose Fructose, aanwezig in groenten en fruit, wordt in de lever gemetaboliseerd via de fructose 1-fosfaat pathway. Fructose 1-fosfaat wordt gesplitst in dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde, waarna glyceraldehyde wordt gefosforyleerd tot glyceraldehyde 3-fosfaat en de glycolyse ingaat. Hexokinase kan fructose ook fosforyleren tot fructose 6-fosfaat, maar met lagere affiniteit dan voor glucose [45](#page=45) [46](#page=46). * **Klinische correlatie: Fructose-intolerantie:** Een genetisch defect in de fructose 1-fosfaat pathway kan leiden tot fructose-intolerantie [45](#page=45). * **Intermezzo: Alcoholkater en honing:** De omzetting van ethanol in de lever verbruikt NAD$^+$, wat de glycolyse kan belemmeren en bijdraagt aan een alcoholkater. Honing, rijk aan fructose, kan glyceraldehyde vormen die wordt gereduceerd tot glycerol, waarbij NAD$^+$ wordt gegenereerd, wat mogelijk een alcoholkater kan tegengaan [46](#page=46). #### 2.4.2 Galactose Galactose, afkomstig van lactose (melksuiker), wordt in vier stappen omgezet in glucose 6-fosfaat [47](#page=47) [48](#page=48). 1. Fosforylering van galactose tot galactose 1-P [47](#page=47). 2. Koppeling van galactose 1-P aan UDP (afkomstig van UDP-glucose) [47](#page=47). 3. Epimerisatie van UDP-galactose naar UDP-glucose [47](#page=47). 4. Isomerisatie van glucose 1-P naar glucose 6-P [48](#page=48). * **Klinische correlatie: Galactosemie:** Deficiëntie van het enzym UDP-glucose: galactose 1-fosfaat-uridyltransferase leidt tot galactosemie, waarbij toxische galactosederivaten zich ophopen en hersenbeschadiging, cataract en mentale retardatie veroorzaken [48](#page=48). ### 3. De Krebs-cyclus of citroenzuurcyclus #### 3.1 Inleiding tot de Krebs-cyclus De Krebs-cyclus volgt op de glycolyse en is een reeks cyclische reacties die voornamelijk reducerende equivalenten (NADH en FADH$_2$) produceren. De cyclus vindt plaats in de mitochondriële matrix [49](#page=49) [50](#page=50). #### 3.1.1 De stappen van de citroenzuurcyclus De cyclus begint met de omzetting van pyruvaat tot acetyl-CoA: 1. **Oxidatieve decarboxylering van pyruvaat:** Pyruvaat wordt omgezet in acetyl-CoA, waarbij CO$_2$ en NADH vrijkomen. Dit is een **irreversibele** stap, gekatalyseerd door het pyruvaatdehydrogenase-complex, en wordt beschouwd als een **‘committed step’** voor de cyclus [50](#page=50). $ \text{Pyruvaat} + \text{HS-CoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $ [50](#page=50). 2. **Vorming van citraat:** Acetyl-CoA (2 C-atomen) condenseert met oxaalacetaat (4 C-atomen) om citraat (6 C-atomen) te vormen. Deze reactie wordt gekatalyseerd door citraatsynthase en is **irreversibel** [50](#page=50) [51](#page=51). $ \text{Acetyl-CoA} + \text{Oxaalacetaat} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{citraatsynthase}} \text{Citraat} + \text{HS-CoA} $ [51](#page=51). 3. **Isomerisatie van citraat:** Citraat wordt omgezet in isocitraat via dehydratatie en hydratatie, gekatalyseerd door aconitase [51](#page=51) [52](#page=52). $ \text{Citraat} \xrightarrow{\text{aconitase}} \text{Isocitraat} $ [52](#page=52). 4. **Oxidatieve decarboxylering van isocitraat:** Isocitraat wordt geoxideerd tot $\alpha$-ketoglutaraat, waarbij CO$_2$ en NADH worden geproduceerd. Gekatalyseerd door isocitraatdehydrogenase [52](#page=52). $ \text{Isocitraat} + \text{NAD}^+ \rightarrow \alpha\text{-Ketoglutaraat} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $ [52](#page=52). 5. **Oxidatieve decarboxylering van $\alpha$-ketoglutaraat:** $\alpha$-ketoglutaraat wordt omgezet in succinyl-CoA, met productie van CO$_2$ en NADH. Gekatalyseerd door het $\alpha$-ketoglutaraatdehydrogenase-complex [52](#page=52) [53](#page=53). $ \alpha\text{-Ketoglutaraat} + \text{NAD}^+ + \text{HS-CoA} \rightarrow \text{Succinyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $ [53](#page=53). 6. **Vorming van GTP:** De hoogenergetische thio-esterbinding van succinyl-CoA wordt gebruikt om GTP te vormen uit GDP. Gekatalyseerd door succinyl-CoA-synthetase. Dit is de enige stap in de cyclus waarin een hoogenergetische fosfaatbinding wordt gegenereerd [53](#page=53). $ \text{Succinyl-CoA} + \text{GDP} + \text{Pi} \rightarrow \text{Succinaat} + \text{GTP} + \text{HS-CoA} $ [53](#page=53). 7. **Vorming van fumaraat:** Succinaat wordt geoxideerd tot fumaraat, met reductie van FAD tot FADH$_2$. Gekatalyseerd door succinaatdehydrogenase, dat deel uitmaakt van het binnenste mitochondriale membraan [54](#page=54). $ \text{Succinaat} + \text{FAD} \rightarrow \text{Fumaraat} + \text{FADH}_2 $ [54](#page=54). 8. **Hydratatie van fumaraat:** Fumaraat wordt gehydrateerd tot malaat, gekatalyseerd door fumarase [54](#page=54). $ \text{Fumaraat} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{fumarase}} \text{Malaat} $ [54](#page=54). 9. **Oxidatie van malaat:** Malaat wordt geoxideerd tot oxaalacetaat, met productie van NADH. Gekatalyseerd door malaatdehydrogenase [54](#page=54). $ \text{Malaat} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Oxaalacetaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ $ [54](#page=54). #### 3.1.2 De balans van de citroenzuurcyclus Voor één cyclus (uitgaande van één acetyl-CoA, dus een halve glucosemolecule): * **Verbruikt:** 1 Acetyl-CoA, 3 NAD$^+$, 1 FAD, 1 GDP, 1 Pi, 2 H$_2$O [55](#page=55). * **Geproduceerd:** 2 CO$_2$, 3 NADH, 1 FADH$_2$, 1 GTP, 2 H$^+$ [55](#page=55). Rekening houdend met de omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA (voor 1 glucosemolecule): * **Totaal per glucose (via 2 pyruvaten):** 6 CO$_2$, 8 NADH, 2 FADH$_2$, 2 GTP [55](#page=55). $ \text{Pyruvaat} + 4 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ H}_2\text{O} + \text{GDP} + \text{Pi} + \text{FAD} \rightarrow 3 \text{ CO}_2 + 2 \text{ H}^+ + 4 \text{ NADH} + \text{FADH}_2 + \text{GTP} $ [55](#page=55). De NADH en FADH$_2$ worden verder geoxideerd in de elektronentransportketen, wat leidt tot de productie van ATP (ongeveer 3 ATP per NADH, 2 ATP per FADH$_2$). Hoewel O$_2$ niet direct deelneemt, is de cyclus afhankelijk van aerobe condities voor de regeneratie van NAD$^+$ en FAD [57](#page=57). #### 3.1.3 De citroenzuurcyclus als bron voor biosynthetische precursoren De cyclus levert intermediairen voor biosynthese, zoals $\alpha$-ketoglutaraat en oxaalacetaat (voor aminozuren) en succinyl-CoA (voor porfyrinen) [57](#page=57). * **Anaplerotische reacties (opvulreacties):** Om het stilvallen van de cyclus door het verwijderen van intermediairen te voorkomen, worden deze aangevuld door anaplerotische reacties: 1. Oxaalacetaat uit aspartaat door transaminering [57](#page=57). 2. Oxaalacetaat uit pyruvaat door carboxylering met biotine en ATP (gecatalliseerd door pyruvaatcarboxylase) [58](#page=58). 3. Oxaalacetaat uit een carboxyleringsreactie (biotine-afhankelijk) en NADPH-afhankelijke reductie tot malaat (gecatalliseerd door het malaatenzym) [59](#page=59). #### 3.1.4 Controle in de Krebs-cyclus De regulatie vindt plaats op verschillende sleutelpunten: 1. **Pyruvaatdehydrogenase-complex:** Geïnhibeerd door producten acetyl-CoA en NADH; versterkt door ATP [59](#page=59). 2. **Citraatsynthase:** Geïnhibeerd door ATP (verhoogt $K_M$ voor acetyl-CoA); stimulatie door beschikbaarheid van NAD$^+$ en FAD signaleert lage cel-energielading [59](#page=59). 3. **Isocitraatdehydrogenase:** Allosterisch geïnhibeerd door ATP; gestimuleerd door ADP (verhoogt affiniteit voor substraten); NADH inhibeert [59](#page=59). 4. **$\alpha$-Ketoglutaraatdehydrogenase-complex:** Lijkt op pyruvaatdehydrogenase-complex; geïnhibeerd door reactieproducten succinyl-CoA en NADH, en door GTP [60](#page=60). #### 3.1.5 De glyoxylaatcyclus Bij planten en bacteriën omzeilt de glyoxylaatcyclus de twee oxidatieve decarboxyleringsstappen van de Krebs-cyclus, waardoor succinaat wordt geproduceerd. Het succinaat verlaat de cyclus, en een tweede acetyl-CoA wordt in de cyclus gebracht. Dit maakt het mogelijk voor planten om vetzuren om te zetten in glucose. De glyoxylaatcyclus vindt plaats in glyoxysomen [60](#page=60) [61](#page=61). #### 3.1.6 Lokalisatie van de Krebs-cyclus De meeste enzymen en moleculen van de citroenzuurcyclus zijn wateroplosbaar en bevinden zich in de matrix van de mitochondriën. Het succinaatdehydrogenase-complex is echter gelokaliseerd in het binnenste mitochondriale membraan [61](#page=61) [62](#page=62). --- # Oxidatieve fosforylering en elektronentransport Oxidatieve fosforylering is het proces waarbij de energie die vrijkomt bij de elektronenoverdracht langs de elektronentransportketen wordt gebruikt om ATP te synthetiseren [65](#page=65) [88](#page=88). ### 3.1 Inleiding tot redoxreacties en reductiepotentialen Oxidatie-reductiereacties (redoxreacties) omvatten de overdracht van elektronen van een elektronendonor (reductans) naar een elektronenacceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt de reductiepotentiaal genoemd, gemeten in volt (E). De standaard reductiepotentiaal ($E_0$) wordt bepaald bij pH 0, terwijl de standaard biologische reductiepotentiaal ($E_0'$) wordt bepaald bij pH 7 (oftewel een $[H^+]$ van $10^{-7}$ M). De $E_0'$ waarde van de reactie $H^+ + e^- \rightarrow H$ is -0,42 V bij pH 7. Een hogere (minder negatieve) $E_0'$ waarde duidt op een grotere affiniteit voor elektronen, terwijl een lagere (meer negatieve) $E_0'$ waarde duidt op een grotere neiging om elektronen af te staan. Elektronen stromen spontaan van een lagere naar een hogere reductiepotentiaal [63](#page=63) [64](#page=64) [85](#page=85) [86](#page=86). De totale potentiaalverandering ($\Delta E_0'$) van een redoxreactie is de som van de reductiepotentialen van de individuele oxidatie- en reductiestappen. Deze $\Delta E_0'$ is direct gerelateerd aan de standaard vrije-energieverandering ($\Delta G_0'$) via de formule [64](#page=64) [86](#page=86): $$ \Delta G_0' = -n \cdot F \cdot \Delta E_0' $$ waarbij $n$ het aantal getransfereerde elektronen is en $F$ de Faraday-constante (23,06 kcal·mol⁻¹·V⁻¹). Een positieve $\Delta E_0'$ resulteert in een negatieve $\Delta G_0'$, wat duidt op een spontane reactie [65](#page=65) [87](#page=87). **Voorbeeld:** De oxidatie van NADH door $O_2$ heeft een $\Delta E_0'$ van 1,14 V, wat overeenkomt met een $\Delta G_0'$ van -52,58 kcal/mol [65](#page=65) [87](#page=87). ### 3.2 Definitie en situering van oxidatieve fosforylering Oxidatieve fosforylering is het proces waarbij energierijke elektronen, afkomstig van NADH en FADH$_2$ (gevormd tijdens glycolyse, citroenzuurcyclus en vetzuuroxidatie), via de elektronentransportketen (ETK) worden overgedragen op zuurstof ($O_2$). De vrijkomende energie wordt gebruikt om ADP te fosforyleren tot ATP. Dit is de voornaamste energiebron voor aerobe organismen. De oxidatieve fosforylering vindt plaats op het binnenste membraan van de mitochondriën [65](#page=65) [66](#page=66) [88](#page=88). Bij de elektrontransfer van NADH of FADH$_2$ naar $O_2$ worden protonen ($H^+$) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte gepompt. Dit creëert een elektrochemische gradiënt die de energie levert voor ATP-synthese. De typische stoichiometrie is [66](#page=66) [88](#page=88): * 1 NADH-oxidatie $\rightarrow$ 3 ATP * 1 FADH$_2$-oxidatie $\rightarrow$ 2 ATP ### 3.3 De respiratorische keten De respiratorische keten (ETK) is een reeks eiwitcomplexen ingebed in het binnenste mitochondriale membraan, die verantwoordelijk zijn voor de stapsgewijze overdracht van elektronen. De belangrijkste componenten zijn [66](#page=66) [88](#page=88): 1. **Flavine-gekoppelde dehydrogenasen:** Deze bevatten flavine-nucleotiden (zoals FMN of FAD) als prosthetische groepen [67](#page=67) [89](#page=89). 2. **IJzer-zwavel (Fe-S) eiwitten:** Deze bevatten ijzer-zwavel clusters die wisselen tussen Fe$^{3+}$ en Fe$^{2+}$ toestanden [67](#page=67) [89](#page=89). 3. **Cytochromen:** Deze eiwitten bevatten een heemgroep met een ijzeratoom dat tussen Fe$^{2+}$ en Fe$^{3+}$ kan wisselen [70](#page=70) [92](#page=92). De ETK bestaat uit drie hoofdcomplexen die de elektronen doorgeven en protonen over het membraan pompen [66](#page=66) [88](#page=88). #### 3.3.1 Het NADH-dehydrogenase complex (Complex I) Dit is het grootste complex en transporteert twee elektronen en twee protonen van NADH naar FMN. Het FMN draagt de elektronen één voor één over aan de Fe-S centra. FMN kan als stabiel semiquinon voorkomen. De reactie is [67](#page=67) [68](#page=68) [89](#page=89) [90](#page=90): $$ NADH + H^+ + FMN \rightarrow NAD^+ + FMNH_2 $$ $$ FMNH_2 + \text{Fe-S} \rightarrow FMN + 2H^+ + \text{Fe-S} $$ #### 3.3.2 Ubichinon (Co-enzym Q) Ubichinon (CoQ) is een kleine, lipofiele molecule die fungeert als een mobiele elektronendrager tussen complex I, complex II (niet expliciet beschreven in deze sectie, maar is de locatie van succinaatdehydrogenase) en complex III. Het ontvangt elektronen van complex I (NADH dehydrogenase) en van FADH$_2$ gegenereerd door andere enzymen zoals succinaatdehydrogenase, acyl-CoA dehydrogenase en glycerol-3-fosfaat dehydrogenase. CoQ wordt gereduceerd tot CoQH$_2$ [68](#page=68) [90](#page=90). #### 3.3.3 Het cytochroom reductase complex (Complex III) Dit complex, ook wel het b-c1-complex genoemd, neemt elektronen op van CoQH$_2$ en draagt ze over aan cytochroom c. Het bevat drie heemgroepen en een Fe-S eiwit. Protonen worden hierbij ook getransloceerd. De reacties omvatten [68](#page=68) [69](#page=69) [90](#page=90) [91](#page=91): $$ CoQH_2 + 2 \text{cyt b} (Fe^{3+}) \rightarrow CoQ + 2H^+ + 2 \text{cyt b} (Fe^{2+}) $$ $$ 2 \text{cyt b} (Fe^{2+}) + 2 \text{cyt c}_1 (Fe^{3+}) \rightarrow 2 \text{cyt b} (Fe^{3+}) + 2 \text{cyt c}_1 (Fe^{2+}) $$ #### 3.3.4 Cytochroom c Cytochroom c is een klein, wateroplosbaar perifeer membraaneiwit dat elektronen transporteert van complex III naar complex IV. Het bevat een covalent gebonden heemgroep. De reactie is [69](#page=69) [91](#page=91): $$ 2 \text{cyt c}_1 (Fe^{2+}) + 2 \text{cyt c} (Fe^{3+}) \rightarrow 2 \text{cyt c}_1 (Fe^{3+}) + 2 \text{cyt c} (Fe^{2+}) $$ #### 3.3.5 Het cytochroom oxidase complex (Complex IV) Dit complex, ook wel cytochroom a-a3 genoemd, is het laatste complex in de keten. Het accepteert elektronen van cytochroom c en brengt ze over aan zuurstof ($O_2$), waarbij water wordt gevormd. Dit complex is verantwoordelijk voor ongeveer 90% van de $O_2$-opname in de cel. Cyaniden en aziden remmen dit complex sterk [69](#page=69) [91](#page=91). $$ 2 \text{cyt c} (Fe^{2+}) + 2 \text{cyt a} (Fe^{3+}) \rightarrow 2 \text{cyt c} (Fe^{3+}) + 2 \text{cyt a} (Fe^{2+}) $$ $$ 2 \text{cyt a}_3 (Fe^{2+}) + \frac{1}{2} O_2 + 2H^+ \rightarrow 2 \text{cyt a}_3 (Fe^{3+}) + H_2O $$ **Samenvatting van de elektronenstroom:** NADH $\rightarrow$ FMN $\rightarrow$ Fe-S centra $\rightarrow$ Ubichinon (CoQ) $\rightarrow$ Cytochroom b-c1 complex $\rightarrow$ Cytochroom c $\rightarrow$ Cytochroom a-a3 complex $\rightarrow$ $O_2$ [70](#page=70) [92](#page=92). De totale reactie is: $$ NADH + H^+ + \frac{1}{2} O_2 \rightarrow NAD^+ + H_2O $$ **Inhibitie van de respiratorische keten:** * Rotenon en amytal blokkeren de elektronenoverdracht naar CoQ (Complex I) [71](#page=71) [93](#page=93). * Antimycine A blokkeert de transfer naar cytochroom c (tussen Complex III en cytochroom c) [71](#page=71) [93](#page=93). * Cyanide, azide en CO blokkeren het cytochroomoxidase complex (Complex IV) [71](#page=71) [93](#page=93). #### 3.3.6 Vorming van reactieve zuurstofspecies Tijdens de elektrontransfer kunnen partieel gereduceerde zuurstofspecies ontstaan, zoals superoxide-anion ($O_2^-$), peroxide-anion ($O_2^{2-}$), waterstofperoxide ($H_2O_2$) en hydroxylradicalen ($OH\cdot$). Het cytochroom oxidase complex verzamelt elektronen in groepen van vier om direct $H_2O$ te vormen, wat de vorming van deze schadelijke intermediairen minimaliseert [70](#page=70) [92](#page=92). De reactie voor superoxide vorming is: $$ O_2 + e^- \rightarrow O_2^- $$ Superoxide wordt geneutraliseerd door superoxidedismutase. Waterstofperoxide wordt verder afgebroken door katalase of peroxidases [72](#page=72) [73](#page=73) [94](#page=94) [95](#page=95). ### 3.4 Elektrontransport en protonendislocatie De passage van elektronen door de ETK gaat gepaard met het pompen van protonen ($H^+$) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte. Ongeveer zes protonen worden getransloceerd per NADH-molecule (twee elektronen). Dit gebeurt bij [73](#page=73) [95](#page=95): 1. Het NADH-dehydrogenase complex (Complex I) [73](#page=73) [95](#page=95). 2. Het CoQ-cyclus binnen Complex III [73](#page=73) [95](#page=95). 3. Het cytochroom c-oxidase complex (Complex IV) [73](#page=73) [95](#page=95). Naast de protonen die in de reactie met zuurstof worden opgenomen om water te vormen, worden ook protonen getransloceerd. Per geoxideerde NADH worden ongeveer 4 protonen uit de matrix verwijderd [73](#page=73) [95](#page=95). Deze protonenverplaatsing creëert een **elektrochemische protonengradiënt** over het binnenste mitochondriale membraan, bestaande uit: * **pH-gradiënt:** De matrix heeft een hogere pH (minder $H^+$) dan de intermembranaire ruimte (hogere pH) [74](#page=74) [96](#page=96). * **Membraanpotentiaal ($\Delta V$):** De intermembranaire ruimte is positief geladen ten opzichte van de matrix [74](#page=74) [96](#page=96). De totale protonendrijvende kracht ($\Delta p$) is de som van deze twee gradiënten. Deze energie wordt gebruikt voor ATP-synthese en transport van metabolieten en ionen [74](#page=74) [75](#page=75) [96](#page=96) [97](#page=97). ### 3.5 ATP-synthese door een protonenstroom (Chemiosmotische Theorie) Het enzym **ATP-synthase** katalyseert de synthese van ATP uit ADP en anorganisch fosfaat (Pi). Het complex bestaat uit twee hoofdcomponenten [75](#page=75) [97](#page=97): * **F$_0$:** Het integraal membraan-deel, dat fungeert als een protonenkanaal [75](#page=75) [97](#page=97). * **F$_1$:** Het perifere membraan-deel, dat de katalytische activiteit voor ATP-synthese bevat [75](#page=75) [97](#page=97). Het ATP-synthase complex is opgebouwd uit meerdere subeenheden (F$_1$: $\alpha_3\beta_3\gamma\delta\epsilon$; F$_0$: $a_1b_2c_{9-12}$). De kern van het enzym bevat een roterende eenheid (c-ring, $\gamma$, $\epsilon$) en een stationaire eenheid (stator: $\alpha_3, \beta_3$, b$_2$, $\delta$, a) [76](#page=76) [98](#page=98). Volgens het **Boyer-model** drijft de protonenstroom door F$_0$ de rotatie van de c-ring en de daaraan gekoppelde $\gamma$-keten. De asymmetrische $\gamma$-keten interageert met de $\alpha/\beta$-subeenheden van F$_1$, waardoor de actieve centra cyclisch veranderen tussen drie conformaties: Open (O), Loose (L) en Tight (T) [77](#page=77) [99](#page=99). * **L-vorm:** Bindt ADP en Pi met lage affiniteit. * **T-vorm:** Bindt ADP en Pi met hoge affiniteit en faciliteert de vorming van ATP. * **O-vorm:** Houdt geen substraat vast en faciliteert de afgifte van ATP. De energie van de protonenstroom wordt gebruikt om deze conformatieveranderingen te bewerkstelligen, wat leidt tot de vorming en afgifte van ATP [77](#page=77) [99](#page=99). ### 3.6 Ontkoppeling van oxidatie en protonengradiënt Ontkoppelaars, zoals 2,4-dinitrofenol (DNP), zijn hydrofobe zwakke zuren die de protonengradiënt over het binnenste membraan doorbreken. Ze kunnen protonen opnemen aan de ene zijde van het membraan en ze aan de andere zijde weer afstaan, waardoor de protonenstroom direct door het membraan plaatsvindt in plaats van via ATP-synthase [77](#page=77) [99](#page=99). * **Effect:** Elektronentransport blijft doorgaan, maar ATP-synthese stopt. De zuurstofconsumptie stijgt. De vrijkomende energie wordt omgezet in warmte [100](#page=100) [78](#page=78). * **Thermogenine:** Dit is een ontkoppelingseiwit in bruin vetweefsel dat speciaal is ontworpen voor warmteproductie (thermogenese). Het creëert een "kortsluiting" van de mitochondriale batterij. UCP-1, UCP-2 en UCP-3 zijn bekende ontkoppelingseiwitten [100](#page=100) [78](#page=78). ### 3.7 Controle van de respiratoire keten De snelheid van het elektronentransport wordt beïnvloed door de grootte van de elektrochemische protonengradiënt. Een hogere gradiënt vertraagt het transport, terwijl een lagere gradiënt het versnelt. De controle op de oxidatieve fosforylering is direct gekoppeld aan de vraag naar ATP. Een hoge concentratie van ADP stimuleert de ATP-synthese, wat leidt tot meer protonenflux door ATP-synthase, sneller elektronentransport en verhoogde oxidatie in de citroenzuurcyclus. Dit fenomeen wordt **respiratoire controle** genoemd. De belangrijkste controlemoleculen zijn NADH, $O_2$, ADP en Pi [100](#page=100) [78](#page=78) [79](#page=79). ### 3.8 Binnenkomen van NADH- en FADH$_2$-elektronen in de respiratorische keten * **Mitochondriaal NADH:** Elektronen van mitochondrieel NADH (afkomstig van pyruvaat, citraat, $\alpha$-ketoglutaraat, malaat, $\beta$-hydroxybutyraat) komen binnen via het NADH-dehydrogenase complex (Complex I) [79](#page=79). * **FADH$_2$:** Elektronen van FADH$_2$ (afkomstig van succinaat, acyl-CoA, glycerol-3-fosfaat) treden de keten binnen via het succinaatdehydrogenase (Complex II) en dragen bij aan het ubiquinon (CoQ). Dit resulteert in de vorming van 2 ATP in plaats van 3 ATP, omdat een protonenpomp (Complex I) wordt overgeslagen [79](#page=79). **Cytoplasmatisch NADH:** Het binnenste mitochondriale membraan is ondoorlaatbaar voor NADH en NAD$^+$. Elektronen van cytoplasmatisch NADH moeten via pendelsystemen de mitochondriën binnendringen: * **Glycerol-3-fosfaat shuttle:** Cytoplasmatisch NADH reduceert dihydroxyacetonfosfaat tot glycerol-3-fosfaat. Het mitochondriale glycerol-3-fosfaat dehydrogenase oxideert glycerol-3-fosfaat, waarbij de elektronen op FAD worden overgedragen en vervolgens naar CoQ gaan. Dit leidt tot de vorming van 2 ATP per cytoplasmatisch NADH [80](#page=80). * **Malaat-aspartaat shuttle:** In hart en lever. Cytoplasmatisch NADH reduceert oxaalacetaat tot malaat. Malaat transporteert de elektronen naar de matrix, waar het weer wordt geoxideerd tot oxaalacetaat. Oxaalacetaat wordt vervolgens omgezet in aspartaat via transaminatie, wat terug naar het cytosol wordt getransporteerd. Dit systeem reconverteert cytoplasmatisch NADH naar mitochondrieel NADH, wat de vorming van 3 ATP per NADH mogelijk maakt (mits de NADH/NAD$^+$-verhouding gunstig is) [80](#page=80). ### 3.9 De eindbalans van glucose-oxidatie De volledige oxidatie van glucose levert een $\Delta G_0'$ van -686 kcal/mol. Met een opbrengst van circa 36 ATP-moleculen (circa 38 in hart en lever) en een energie per ATP van ongeveer 7,3 kcal/mol, bedraagt het thermodynamische rendement van ATP-vorming uit glucose ongeveer 38% [81](#page=81). ### 3.10 Het ATP/ADP-translocase ATP en ADP kunnen niet vrij door het binnenste mitochondriale membraan diffunderen. Het **ATP/ADP-translocase** (adenine-nucleotide translocator) faciliteert de uitwisseling: $$ ADP_c^{3-} + ATP_m^{4-} \rightleftharpoons ATP_c^{4-} + ADP_m^{3-} $$ Deze uitwisseling wordt gedreven door de membraanpotentiaal. De hogere negatieve lading van ATP (4-) ten opzichte van ADP (3-) zorgt ervoor dat ATP met een hogere efficiëntie naar de meer positief geladen cytosolsche zijde wordt getransporteerd. Ongeveer 25% van de energie uit de respiratoire keten wordt gebruikt voor dit transport. Voor elke 4 protonen die naar buiten worden gepompt, worden 3 gebruikt voor ATP-synthese en 1 voor ATP-export [81](#page=81) [82](#page=82). ### 3.11 Transportsystemen voor ionen en metabolieten Het binnenste mitochondriale membraan bevat specifieke carriers/transporters voor substraten, intermediairen en nucleotiden, waaronder het ATP/ADP-translocase. Een fosfaat-transporter brengt fosfaat naar de matrix in ruil voor OH$^-$-ionen. Mitochondriën kunnen ook calciumionen ($Ca^{2+}$) accumuleren ten koste van de elektrochemische gradiënt [82](#page=82) [84](#page=84). ### 3.12 Cytochroom P450 Cytochroom P450, aanwezig in mitochondriën en microsomen, maakt geen ATP aan. Het is betrokken bij hydroxylatiereacties die substraten meer wateroplosbaar maken voor uitscheiding, zoals bij de metabolisering van steroïden, medicijnen en vetzuren. NADPH fungeert als elektronenbron voor deze keten [84](#page=84). --- # Metabolisme van andere biomoleculen Hier is een gedetailleerde studiehandleiding voor het metabolisme van andere biomoleculen, gebaseerd op de verstrekte documentatie. ## 4 Metabolisme van andere biomoleculen Dit hoofdstuk bespreekt de metabolisme van pentosefosfaten, aminozuren, nucleotiden en lipiden, inclusief hun synthese, afbraak, regulatie en klinische correlaties . ### 4.1 De pentosefosfaatroute (fosfogluconaatweg) De pentosefosfaatroute loopt parallel met glycolyse en de Krebs-cyclus en is de primaire route voor de generatie van NADPH, dat essentieel is voor reductieve biosynthetische reacties. NADPH verschilt van NADH door een extra fosfaatgroep op C-2 van de adenosylgroep, terwijl het chemisch actieve deel identiek is. De enzymen zijn gelokaliseerd in het cytosol . #### 4.1.1 Reacties van de pentosefosfaatroute De route start met de dehydrogenatie van glucose 6-fosfaat op C-1, gekatalyseerd door glucose 6-fosfaatdehydrogenase, wat leidt tot een δ-lacton. Dit hydrolyseert tot 6-fosfogluconaat, dat vervolgens oxidatief wordt gedecarboxyleerd tot ribulose 5-fosfaat . * **Oxidatieve tak:** * Glucose 6-fosfaat + NADP$^+$ $\rightarrow$ 6-fosfogluconolacton + NADPH + H$^+$ . * 6-fosfogluconolacton + H$_2$O $\rightarrow$ 6-fosfogluconaat + H$^+$ . * 6-fosfogluconaat + NADP$^+$ $\rightarrow$ Ribulose 5-fosfaat + CO$_2$ + NADPH + H$^+$ . * Ribulose 5-fosfaat $\rightleftharpoons$ Ribose 5-fosfaat (isomerisatie) . * Ribulose 5-fosfaat $\rightleftharpoons$ Xylulose 5-fosfaat (epimerisatie) . Deze reacties genereren 2 moleculen NADPH per omgezet glucose 6-fosfaat . * **Niet-oxidatieve tak:** Deze tak omvat suikerherrangschikkingen via transketolase- en transaldolasekatalyse, die ribose 5-fosfaat omzetten in glyceraldehyde 3-fosfaat en fructose 6-fosfaat. Dit creëert een link met glycolyse via gemeenschappelijke intermediairen . * Transketolase: Ketonen kunnen C2-eenheden overdragen . * Transaldolase: Aldehyden kunnen C3-eenheden overdragen . De som van deze reacties kan zijn: Ribose 5-P + 2 Xylulose 5-P $\rightarrow$ 2 Fructose 6-P + Glyceraldehyde 3-P . #### 4.1.2 Controle van de pentosefosfaatroute De controle vindt plaats bij de quasi-irreversibele eerste reactie, glucose 6-P $\rightarrow$ 6-P gluconolacton, gekatalyseerd door glucose 6-fosfaatdehydrogenase. NADP$^+$ concurreert met NADPH voor binding op het dehydrogenase. De stroom van glucose 6-fosfaat is afhankelijk van de behoefte aan NADPH, ribose 5-fosfaat en ATP . * **Meer ribose 5-fosfaat nodig dan NADPH:** Glucose 6-fosfaat wordt via glycolyse omgezet in fructose 6-fosfaat en glyceraldehyde 3-fosfaat. Transaldolase en transketolase zetten dit om in ribose 5-fosfaat . * **Vraag naar ribose 5-fosfaat en NADPH is gelijk:** Glucose 6-P + 2NADP$^+$ + H$_2$O $\rightarrow$ Ribose 5-P + 2NADPH + CO$_2$ . * **Vraag naar NADPH is veel hoger dan naar ribose 5-fosfaat:** Dit verloopt via de oxidatieve tak met daaropvolgende omzetting van ribose 5-P via glycolyse . De route is laag actief in spiercellen, maar hoog in adiposecellen (voor vetzuursynthese) en erytrocyten (voor NADPH-productie voor gereduceerd glutathion). Ook actief in lever, melkklieren, testes en bijniercortex . #### 4.1.3 Glucose 6-fosfaatdehydrogenase-deficiëntie Dit is een veelvoorkomende genetische afwijking, met name bij de erytrocyt-isovorm. NADPH is nodig voor de reductie van gereduceerd glutathion, wat erytrocyten beschermt tegen oxidatieve stress en vrije radicalen . * **Klinische correlatie:** G6PDH-deficiëntie kan leiden tot massieve hemolytische anemie, vooral bij blootstelling aan antimalariamiddelen die het gereduceerd glutathion verminderen. Erytrocyten kunnen het enzym niet opnieuw synthetiseren en zijn hierdoor zeer gevoelig voor oxidatieve stress. Peroxide accumuleert, leidt tot hemoglobinedenaturatie (Heinz-lichaampjes) en hemolyse wanneer de cellen door de milt passeren . > **Tip:** G6PDH-deficiëntie beschermt dragers tegen malaria, vergelijkbaar met sikkelcelanemie . ### 4.2 Gluconeogenese (glucose-nieuwsynthese) Gluconeogenese is de novo synthese van glucose uit niet-koolhydraatprecursoren zoals aminozuren, lactaat en pyruvaat. De lever en niercortex zijn de belangrijkste plaatsen voor gluconeogenese. Het is niet het omgekeerde van glycolyse, hoewel omkeerbare reacties uit glycolyse worden gebruikt . #### 4.2.1 Reacties van de gluconeogenese De drie irreversibele stappen van glycolyse worden omzeild . 1. **Pyruvaat $\rightarrow$ fosfo-enolpyruvaat:** Pyruvaat wordt eerst omgezet in oxaalacetaat door pyruvaatcarboxylase (mitochondriaal). Oxaalacetaat wordt gereduceerd tot malaat en getransporteerd naar het cytosol, waar het weer tot oxaalacetaat wordt geoxideerd door cytosolisch NAD$^+$-malaatdehydrogenase. Dit wordt vervolgens door fosfo-enolpyruvaatcarboxykinase gedecarboxyleerd en gefosforyleerd tot fosfo-enolpyruvaat . 2. **Fructose 1,6-bisfosfaat $\rightarrow$ fructose 6-fosfaat:** Gekatalyseerd door fructose 1,6-bisfosfatase . $$ \text{fructose } 1,6\text{-bisfosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{fructose } 6\text{-fosfaat} + \text{Pi} $$ 3. **Glucose 6-fosfaat $\rightarrow$ glucose:** Gekatalyseerd door glucose 6-fosfatase, in het lumen van het ER . Gluconeogenese vereist vier nieuwe enzymen: pyruvaatcarboxylase, fosfo-enolpyruvaatcarboxykinase, fructose 1,6-bisfosfatase, en glucose 6-fosfatase. De netto reactie is : $$ 2 \text{ pyruvaat} + 4 \text{ ATP} + 2 \text{ GTP} + 2 \text{ NADH} + 6 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{glucose} + 4 \text{ ADP} + 2 \text{ GDP} + 6 \text{ Pi} + 2 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ H}^+ $$ Dit kost zes hoogenergetische fosfaatbindingen . #### 4.2.2 Regeling van glycolyse en gluconeogenese Deze twee wegen zijn zodanig geregeld dat ze niet gelijktijdig actief zijn om energieverspilling te voorkomen. Het controlepunt ligt bij de fructose 6-fosfaat $\leftrightarrow$ fructose 1,6-bisfosfaat conversie, gecontroleerd door fosfofructokinase (PFK) en fructose 1,6-bisfosfatase (FBPase). De hommel kan vliegen bij lage buitentemperaturen door gelijktijdige activiteit van PFK en FBPase, wat warmte genereert, iets wat de gewone bij niet kan . De regulatie bij het kruispunt pyruvaatkinase / fosfo-enolpyruvaatcarboxykinase en pyruvaatcarboxylase is vergelijkbaar. Pyruvaatcarboxylase activiteit hangt af van acetyl-CoA (allosterische activatie). Hoge ATP concentraties sturen oxaalacetaat naar gluconeogenese, terwijl lage ATP concentraties het de citroenzuurcyclus laten binnentreden . #### 4.2.3 De Cori-cyclus Bij zware spierbelasting wordt pyruvaat omgezet in lactaat om NAD$^+$ te regenereren. Lactaat wordt door de lever opgenomen, omgezet in pyruvaat en via gluconeogenese tot glucose. Deze cyclus van lactaatafgifte door de spier en glucosegeneratie door de lever wordt de Cori-cyclus genoemd . ### 4.3 Glycogeenmetabolisme en de regulering ervan Glycogeen is een reservevorm van glucose, een polymeer van glucose met $\alpha$-1,4-glycosidische bindingen en $\alpha$-1,6-vertakkingen. De belangrijkste opslagplaatsen zijn lever en spier . #### 4.3.1 Glycogeenafbraak (glycogenolyse) Glycogeen wordt gesplitst door orthofosfaat tot glucose 1-fosfaat, gekatalyseerd door glycogeen fosforylase . $$ (\text{Glycogeen})_n \text{ resten} + \text{Pi} \rightarrow \text{glucose-1P} + (\text{glycogeen})_{n-1} \text{ resten} $$ Dit proces is energetisch voordelig omdat het gefosforyleerde suiker niet uit de cel kan migreren en geen verdere ATP-consumptie vereist. De afbraak stopt vier suikers voor de $\alpha$-1,6-vertakking. Een transferase verplaatst drie glycosylresten, waarna een $\alpha$-1,6-glucosidase de $\alpha$-1,6-binding hydrolyseert tot vrije glucose. Glucose 1-fosfaat wordt omgezet in glucose 6-fosfaat door fosfoglucomutase. In de lever wordt glucose 6-fosfaat gedefosforyleerd tot glucose en vrijgegeven aan het bloed . #### 4.3.2 GlycogeenSynthese (glycogenese) Glycogeen synthese gebruikt uridinedifosfaat-glucose (UDP-glucose) als glycosyldonor. UDP-glucose wordt gevormd uit glucose 1-fosfaat en UTP, gedreven door UDP-glucosepyrofosforylase en PPi hydrolyse. Glycogeen synthese vereist een primer van minstens vier glycosidische resten. Glycogeen synthase vormt $\alpha$-1,4-bindingen, en het branching-enzym vormt $\alpha$-1,6-bindingen . #### 4.3.3 Controle op glycogeenmetabolisme * **Hormonale regulatie:** Insuline, adrenaline en glucagon reguleren de activiteit van glycogeen synthase en fosforylase . * **Glucagon en Adrenaline:** Stimuleren de fosforylering van synthasefosforylasekinase (SPK) door cAMP-afhankelijk proteïnekinase (PKA). Gefosforyleerd SPK activeert fosforylase en inactiveert glycogeen synthase . * **Insuline:** Activeert fosfatase-1, dat fosforylase inactiveert en glycogeen synthase activeert . * **Fosforyleringscascade:** Glucagon en adrenaline activeren adenylaatcyclase $\rightarrow$ cAMP $\rightarrow$ PKA $\rightarrow$ SPK $\rightarrow$ fosforylase-a (actief) en inactief glycogeen synthase . * **Regulatie van fosforylase:** * **Leverfosforylase:** Gereguleerd door de fosforylatietoestand (a-vorm is actief). Glucose bindt allosterisch aan de T-vorm, waardoor fosfatase 1 kan binden en het fosforylase b wordt . * **Spierfosforylase:** Gereguleerd door allosterie (AMP activeert b-vorm) en fosforylatie (a-vorm is altijd actief) . * **Omkering van fosforylase-activiteit:** Fosfatase-1 deactiveert fosforylase-a en activeert glycogeen synthase . #### 4.3.4 Glycogeenmetabolisme in de lever en bloedglucosespiegel De lever 'voelt' de glucoseconcentratie; fosforylase-a is de sensor. Glucose bindt aan fosforylase-a en verschuift het naar de T-configuratie, waardoor fosfatase 1 het kan defosforyleren. Glucokinase bepaalt de glucosedrempel voor glycogeen synthese, fosforylase b bepaalt de drempel voor glycogeenafbraak . #### 4.3.5 Glycogeenstapelingsziekten Genetische deficiënties in glycogeenmetabolisme-enzymen zijn vaak letaal . ### 4.4 Metabolisme van aminozuren Aminozuren bevatten stikstof, wat een dagelijkse behoefte van 30-40 g stikstof vereist. Ze worden verkregen uit voedingseiwitten, lichaamseigen eiwitten en endogene synthese. Aminozuren die niet worden opgeslagen, worden in de lever gekataboliseerd tot glucose en vetten, waarbij ureum ontstaat als afvalproduct van de stikstofwisseling . #### 4.4.1 Stikstofbalans en essentiële aminozuren Een negatieve stikstofbalans leidt tot afbraak van spieren en vetweefsel. Zoogdieren kunnen niet alle aminozuren zelf aanmaken; er zijn essentiële (moeten uit voeding komen, 9) en niet-essentiële (kunnen zelf gemaakt worden, 11) aminozuren. De keuze kan afhankelijk zijn van de leeftijd of fysiologische status (bv. arginine bij groeiende kinderen) . #### 4.4.2 Biosynthese van aminozuren * **Stikstoffixatie:** N$_2$ wordt door micro-organismen omgezet in NH$_4^+$ . $$ \text{N}_2 + 6 \, \text{e}^- + 12 \, \text{ATP} + 12 \, \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2 \, \text{NH}_4^+ + 12 \, \text{ADP} + 12 \, \text{Pi} + 4 \, \text{H}^+ $$ * **NH$_4^+$ fixatie:** NH$_4^+$ reageert met $\alpha$-ketoglutaraat tot glutamaat, gekatalyseerd door glutamaatdehydrogenase. Glutamine en glutamaat zijn belangrijke N-donoren voor aminozuursynthese . * **Koolstofskeletten:** Intermediairen uit glycolyse, pentosefosfaatroute, citroenzuurcyclus en andere aminozuren dienen als precursors . * **Enkelvoudige reacties:** Alanine en aspartaat worden gevormd door transaminering van pyruvaat en oxaalacetaat met glutamaat. Glutamine en asparagine worden gevormd door amidatie van glutamaat en aspartaat. Tyrosine ontstaat door hydroxylering van fenylalanine . * **Glutamaat als precursor:** Glutamaat is precursor voor proline en arginine . * **Serine synthese:** Uit 3-fosfoglyceraat (glycolyse) via fosfoglyceraatdehydrogenase en fosfoserine-aminotransferase. Serine is precursor voor glycine en cysteïne . #### 4.4.3 Dragers van één-koolstofeenheden * **Tetrahydrofolinezuur (THF):** Vitamine B9, betrokken bij overdracht van C1-eenheden. Serine is de hoofdbron voor methyleen-THF. THF-derivaten zijn donors voor purine- en pyrimidinesynthese. Folinezuurdeficiëntie kan leiden tot bloedarmoede en geboorteafwijkingen. Sulfonamiden blokkeren bacteriële folinezuursynthese . * **S-adenosylmethionine (SAM):** Geactiveerde methylgroep donor, gevormd uit ATP en methionine . #### 4.4.4 Katabolisme van aminozuren De $\alpha$-aminogroep wordt verwijderd (desaminering) en het koolstofskelet wordt omgezet in intermediairen van de citroenzuurcyclus, acetyl-CoA, of acetoacetyl-CoA . * **Omzetting $\alpha$-aminogroep $\rightarrow$ NH$_4^+$:** * **Transaminering:** Aminogroep wordt overgedragen op $\alpha$-ketoglutaraat $\rightarrow$ glutamaat. Gekatalyseerd door transaminasen met pyridoxaalfosfaat (PLP) als cofactor . * **Oxidatieve desaminering van glutamaat:** Vorming van NH$_4^+$ door glutamaatdehydrogenase met NAD$^+$ of NADP$^+$ . * **Desaminering van serine en threonine:** Directe vorming van NH$_4^+$ door dehydratasen . * **Ureumcyclus:** Ammoniak wordt in de lever omgezet in ureum. Vereist 4 ~P bindingen . * **Stappen:** Vorming van carbamoylfosfaat, citrulline, argininosuccinaat, arginine en ureum. Fumaraat verbindt de ureumcyclus met de citroenzuurcyclus . * **Regulatie:** Glutamine dient als veilige ammoniadrager naar de lever . * **Erfelijke aandoeningen:** Deficiënties in ureumcyclus-enzymen leiden tot hyperammoniëmie . * **Afbraak $\alpha$-ketozuren:** Komen terecht in pyruvaat, acetyl-CoA, acetoacetyl-CoA, succinyl-CoA, $\alpha$-ketoglutaraat, fumaraat en oxaalacetaat. Amino's worden geclassificeerd als glucogeen (omzetbaar in glucose) of ketogeen (omzetbaar in ketonlichamen/vetten) . * **C-3 familie:** Ala, Ser, Cys, Gly, Trp (deels) $\rightarrow$ pyruvaat . * **C-4 familie:** Asp, Asn $\rightarrow$ oxaalacetaat/fumaraat. Thr kan $\rightarrow$ propionyl-CoA of acetyl-CoA en Gly . * **C-5 familie:** Gln, Glu, Pro, Arg, His $\rightarrow$ $\alpha$-ketoglutaraat . * **Vertakte ketens:** Val, Leu, Ile $\rightarrow$ propionyl-CoA, acetyl-CoA, succinyl-CoA . * **Aromatische aminozuren:** Phe en Tyr $\rightarrow$ fumaraat en acetoacetaat. Tryptofaan katabolisme is complex, C$\alpha$ en C$\beta$ komen in alanine terecht. Lysine katabolisme leidt tot acetoacetyl-CoA en acetyl-CoA. Methionine leidt tot propionyl-CoA en succinyl-CoA . * **Stofwisselingsziekten:** Hyperaminozuururemieën (bv. fenylketonurie, tyrosinemie, alkaptonurie) en zuururemieën van vertakte ketozuren (bv. maple sirup urine disease) . #### 4.4.4 Aminozuren als precursors van biomoleculen Aminozuren zijn precursors voor purines, pyrimidines, creatine, choline, histamine, thyroxine, dopamine, adrenaline, serotonine, NAD$^+$ en heem . ### 4.5 Metabolisme van nucleotiden Nucleotiden bestaan uit een gefosforyleerde pentosesuiker en een base (purine of pyrimidine). Ze zijn cruciaal voor DNA/RNA, energieoverdracht (ATP, GTP), signaaltransductie (cAMP, cGMP) en als geactiveerde intermediairen (UDP-glucose, SAM) . #### 4.5.1 Nomenclatuur * **Basen:** Adenine (A), Guanine (G), Cytosine (C), Thymine (T, in DNA), Uracil (U, in RNA). Purines (A, G) hebben twee ringen; pyrimidines (C, T, U) hebben één ring . * **Nucleosiden:** Base + pentose (ribose in RNA, deoxyribose in DNA) . * **Nucleotiden:** Nucleoside + fosfaatgroep (mono-, di-, trifosfaten) . #### 4.5.2 Biosynthese van de purine ring Synthese start met ribose 5-fosfaat $\rightarrow$ 5-fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP). In 11 stappen wordt inosine-monofosfaat (IMP) gevormd, dat verder omgezet wordt tot AMP of GMP. Vereist veel energie (ATP/GTP) . * **Salvage-systeem:** Recyclage van bestaande purinebasen op PRPP, minder energie-intensief. Deficiëntie in HGPRT (hypoxanthine-guanine-fosforibosyltransferase) leidt tot Lesch-Nyhan syndroom . #### 4.5.3 Biosynthese van de pyrimidine ring De pyrimidine ring wordt eerst gesynthetiseerd en dan verbonden met ribosefosfaat. Start met carbamoylfosfaat (cytosolisch, van glutamine) $\rightarrow$ N-carbamoylaspartaat $\rightarrow$ orotaat $\rightarrow$ orotidylaat (OMP) $\rightarrow$ uridylaat (UMP). Vereist minder energie dan purinesynthese. Salvage pathways bestaan ook voor pyrimidines . #### 4.5.4 Vorming van nucleosidedifosfaten en trifosfaten Nucleosidemonofosfaten worden gefosforyleerd tot di- en trifosfaten met ATP als fosforyldonor, gekatalyseerd door specifieke kinasen. CTP wordt gevormd door amiminering van UTP . #### 4.5.5 Deoxyribonucleotiden Ontstaan door reductie van ribonucleosidedifosfaten met ribonucleotide-reductase. Deoxythymidylaat (dTMP) ontstaat door methylering van dUMP met methyleen-THF . #### 4.5.6 Antitumorgeneesmiddelen Veel middelen richten zich op de remming van dTMP-vorming . * **5-Fluorodeoxyuridylaat (FdUMP):** Remt thymidylaatsynthase (zelfmoordinhibitie) . * **Methotrexaat:** Remt dihydrofolaatreductase, noodzakelijk voor THF-regeneratie . * **Azidothymidine (AZT):** HIV-remmer, remt reverse transcriptase door incorporatie in DNA . #### 4.5.7 Regulatied van nucleosynthese Regulatie gebeurt via allosterische feedback, met ATP-concentratie als belangrijke factor. Purinesynthese wordt gereguleerd op meerdere niveaus, met PRPP als activator en nucleotiden zelf als feedbackremmers. Pyrimidinesynthese wordt gereguleerd bij carbamoylfosfaatsynthetase II . #### 4.5.8 Degradatie van nucleotiden * **Purines:** Nucleotiden worden gehydrolyseerd tot nucleosiden en fosfaat. Basen (hypoxanthine, xanthine, guanine) worden door purinenucleoside-fosforylase gesplitst. Xanthine-oxidase oxideert hypoxanthine en xanthine tot urinezuur, het eindproduct bij mensen . * **Jicht:** Veroorzaakt door urinezuur kristallisatie, vaak gerelateerd aan HGPRT-deficiëntie. Allopurinol remt xanthine-oxidase . * **Pyrimidines:** Degradatie leidt tot NH$_4^+$, CO$_2$, $\beta$-alanine (naar malonyl-CoA) of $\beta$-amino isobutyraat en succinyl-CoA . #### 4.5.9 Biosynthese van NAD$^+$, FAD en CoA Deze co-enzymen bevatten een nucleotide-gedeelte en worden gesynthetiseerd uit vitaminen. * **NAD$^+$/NADP$^+$:** Van vitamine B3 (nicotinaat/nicotinamide) . * **FAD:** Van vitamine B2 (riboflavine) . * **CoA:** Van vitamine B5 (pantotheenzuur) en cysteïne . #### 4.5.10 Secundaire boodschappermoleculen: cAMP en cGMP Gesynthetiseerd uit ATP (cAMP) en GTP (cGMP) door cyclases . ### 4.6 Metabolisme van lipiden Lipiden zijn apolaire, hydrofobe moleculen, voornamelijk bestaande uit vetzuren of afgeleiden daarvan. Ze dienen als energieopslag, celmembraancomponenten, signaalmoleculen en bescherming/isolatie . #### 4.6.1 Chemische structuur en eigenschappen van vetzuren en acylglycerolen * **Vetzuren:** Alkylketens eindigend op een carboxylgroep (R-COOH). Amfipatisch, vormen micellen . * **Verzadigde vetzuren:** Alleen enkele bindingen (bv. palmitinezuur, stearinezuur) . * **Onverzadigde vetzuren:** Bevatten één of meer cis-dubbele bindingen, wat een knik in de keten veroorzaakt en membraanvloeibaarheid verhoogt. Essentiële vetzuren (linolzuur, $\alpha$-linoleenzuur) kunnen niet door het lichaam gesynthetiseerd worden . * **Naamgeving:** C-nummering (start bij COOH), Griekse letters ($\alpha, \beta, \dots, \omega$), en omega-nummering (start bij methyl-uiteinde) . * **Acylglycerolen:** Esters van vetzuren en glycerol. Triacylglycerolen (TAGs) zijn de belangrijkste opslagvorm van vetzuren. TAGs zijn energetisch efficiënt voor opslag vanwege hun gereduceerde vorm en hydrofobe aard . #### 4.6.2 Biosynthese van vetzuren * **Bronnen:** Voeding en endogene synthese, voornamelijk palmitinezuur (16C, verzadigd) in cytosol door het vetzuursynthase-complex. Acetyl-CoA is de bouwsteen . * **Toelevering acetyl-CoA:** Via de citraat-bypass: acetyl-CoA (mitochondriaal) $\rightarrow$ citraat $\rightarrow$ acetyl-CoA (cytosolisch). Malonaat vorming door acetyl-CoA-carboxylase (snelheidsbepalend) . * **Reacties op vetzuursynthase-complex:** Ketenverlenging met acetyl-CoA en malonyl-CoA, met reductieve stappen die NADPH vereisen . * **Stoichiometrie:** Palmitinezuursynthese vereist 8 acetyl-CoA, 7 ATP, 7 NADPH en 14 NADPH-equivalenten, met een netto energieverlies van 2 ATP-equivalenten . * **Regulatie:** Acetyl-CoA-carboxylase wordt allosterisch geactiveerd door citraat en gereguleerd door hormonen (insuline stimuleert, glucagon remt via PKA) . * **Verdere opbouw:** Synthese van langere verzadigde vetzuren (elongatie) en onverzadigde vetzuren (desaturatie) in ER . #### 4.6.3 Opslag van vetzuren als TAG's TAGs worden gesynthetiseerd in lever, vetweefsel en darmmucosa . * **TAG-synthese:** Glycerol 3-fosfaat + 3 vetzuur-CoA $\rightarrow$ TAG + 3 CoA + 3 PPi/AMP. Kost 7 ATP-equivalenten . * **Mobilisatie (Lipolyse):** Hydrolyse van TAGs door lipasen (ATGL, HSL). Vrije vetzuren worden aan albumine gebonden en getransporteerd. Glycerol gaat naar de lever . * **Regulatie van lipolyse:** Geactiveerd door glucagon, adrenaline (via cAMP/PKA cascade op HSL en perilipine) en geremd door insuline . #### 4.6.4 Gebruik van vetzuren voor energieproductie ($\beta$-oxidatie) Gebeurt in mitochondriën, parallel aan de vetzuursynthese maar met andere cofactoren (NAD$^+$, FAD) . * **Voorbereidende stappen:** Vetzuuractivering tot acyl-CoA en transport via carnitine-shuttle (CPT I en II) . * **$\beta$-oxidatie reactiecyclus:** 1. Dehydrogenatie (FAD $\rightarrow$ FADH$_2$), 2. Hydratatie, 3. Dehydrogenatie (NAD$^+$ $\rightarrow$ NADH), 4. Thiolyse (vormt acetyl-CoA en verkort vetzuur) . * **Regulatie:** Malonyl-CoA remt carnitine-palmitoyltransferase I (CPT I), waardoor synthese en oxidatie van elkaar gescheiden worden. Glucagon bevordert $\beta$-oxidatie in lever via CREB . * **Bestemming acetyl-CoA:** Krebs-cyclus, vetzuursynthese, ketogenese, cholesterolsynthese . * **Energierendement:** Palmitinezuur levert 129 ATP op (na aftrek van activering) . #### 4.6.5 Ketonlichamen Acetoacetaat, $\beta$-OH-butyraat en aceton gevormd in de lever uit acetyl-CoA wanneer vetzuuroxidatie hoog is. Primaire brandstof voor perifere weefsels bij vasten of insulinedeficiëntie . * **Ketogenese:** 3 acetyl-CoA $\rightarrow$ HMG-CoA $\rightarrow$ acetoacetaat + acetyl-CoA. Acetoacetaat kan $\rightarrow$ $\beta$-OH-butyraat of aceton . * **Metabolisme in perifere weefsels:** Acetoacetaat $\rightarrow$ acetoacetyl-CoA (via succinyl-CoA of thiokinase) $\rightarrow$ 2 acetyl-CoA . * **Regulatie:** Verhoogd bij hoge vetzuurconcentraties en lage glucose/insuline (via glucagon) . #### 4.6.6 Cholesterol en cholesterolderivaten * **Structuur en functies:** Polycyclisch sterol, essentieel membraancomponent, precursor van galzuren, steroïdehormonen en vitamine D . * **Biosynthese:** Van acetyl-CoA in cytosol en ER, via mevalonaat (snelheidsbepalend, gereguleerd door HMG-CoA-reductase) en isopentenylpyrofosfaat . * **Galzuren:** Afgeleid van cholesterol in de lever, geconjugeerd met glycine of taurine, essentieel voor vetvertering en uitscheiding van cholesterol. Recycleren via enterohepatische circulatie. Primaire galzuren (cholaat, chenodeoxycholaat) worden in de darm omgezet tot secundaire galzuren (deoxycholaat, lithocholaat) . --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |---|---| | Metabolisme | Het geheel van chemische reacties die in een organisme plaatsvinden om energie te produceren of te verbruiken, inclusief de synthese en afbraak van moleculen. | | Katabolisme | Het proces waarbij complexe moleculen worden afgebroken tot eenvoudigere moleculen, waarbij energie vrijkomt, vaak in de vorm van ATP. | | Anabolisme | Het proces waarbij eenvoudigere moleculen worden gesynthetiseerd tot complexere moleculen, waarbij energie wordt verbruikt, vaak uit ATP. | | ATP (Adenosinetrifosfaat) | Een nucleotidetrifosfaat dat dient als de primaire energiedrager in levende organismen, door de afsplitsing van fosfaatgroepen waarbij energie vrijkomt. | | NADH en NADPH | Gereduceerde vormen van nicotinamide-adeninedinucleotide en zijn fosfaatderivaat, die fungeren als elektronendragers in redoxreacties en essentieel zijn voor ATP-productie en biosynthese. | | Vrije Energie (∆G) | Een thermodynamische grootheid die de hoeveelheid energie aangeeft die beschikbaar is om nuttig werk te verrichten in een proces bij constante temperatuur en druk. Een negatieve ∆G duidt op een spontaan, exergonisch proces. | | Exergonisch | Een proces waarbij vrije energie vrijkomt (∆G < 0), wat spontane voortgang mogelijk maakt. | | Endergonisch | Een proces dat energie vereist om voort te gaan (∆G > 0), en dus niet spontaan is zonder energietoevoer. | | Vetzuren | Alifatische ketens die eindigen op een carboxylgroep, gebruikt als energiebron en bouwstenen voor lipiden. Ze zijn amfipatisch door hun hydrofobe staart en hydrofiele kop. | | Triacylglycerolen (TAGs) | Esters van glycerol met drie vetzuren, de belangrijkste vorm van energieopslag in het menselijk lichaam vanwege hun hoge energiedichtheid en hydrofobe aard. | | Glycolyse | Het metabole pad waarbij glucose wordt afgebroken tot pyruvaat, met netto winst van ATP en NADH, en dat plaatsvindt in het cytosol. | | Citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus) | Een reeks cyclische reacties in de mitochondriale matrix die acetyl-CoA volledig oxideert tot CO2, waarbij NADH, FADH2 en GTP worden geproduceerd. | | Oxidatieve fosforylering | Het proces waarbij de energie, vrijgegeven door elektrontransport langs de elektronentransportketen, wordt gebruikt om ATP te synthetiseren uit ADP en Pi. | | Elektronentransportketen (ETK) | Een reeks eiwitcomplexen in het binnenste mitochondriale membraan die elektronen overdragen van NADH en FADH2 naar zuurstof, waarbij protonen worden getransloceerd en een protonengradiënt wordt opgebouwd. | | ATP-synthase | Een enzymcomplex in het binnenste mitochondriale membraan dat de energie van de protonengradiënt benut om ATP te synthetiseren uit ADP en Pi. | | Pentosefosfaatroute | Een metabool pad dat parallel loopt met de glycolyse, waarbij NADPH wordt gegenereerd voor reductieve biosynthese en pentosen voor nucleotidenmetabolisme. | | Aminozuren | Organische moleculen die een aminogroep en een carboxylgroep bevatten, de bouwstenen van eiwitten en precursors voor vele andere biomoleculen. | | Ureumcyclus | Een biochemische cyclus in de lever die ammoniumionen omzet in ureum, het belangrijkste stikstofhoudende afvalproduct dat via de urine wordt uitgescheiden. | | Nucleotiden | Moleculen bestaande uit een pentosesuiker, een stikstofbase en een of meer fosfaatgroepen, essentieel voor DNA, RNA, energietransport en signaaltransductie. | | Vetzuren | Alifatische ketens die eindigen op een carboxylgroep, gebruikt als energiebron en bouwstenen voor lipiden. Ze zijn amfipatisch door hun hydrofobe staart en hydrofiele kop. | | Ketonlichamen | Energiebronnen, voornamelijk acetoacetaat en β-hydroxybutyraat, geproduceerd uit vetzuurafbraak in de lever tijdens periodes van laag glucose-aanbod, gebruikt door perifere weefsels als alternatief voor glucose. | | Cholesterol | Een polycyclisch lipide dat essentieel is voor celmembranen, de synthese van galzuren, steroïdhormonen en vitamine D, en waarvan de biosynthese in de lever plaatsvindt. | | Galzuren | Afgeleiden van cholesterol, gesynthetiseerd in de lever, die fungeren als emulgatoren voor vetten in de darm en essentieel zijn voor de opname van vetoplosbare vitaminen. | | Bèta-oxidatie | Het metabole pad waarbij vetzuren in de mitochondriën worden afgebroken tot acetyl-CoA, waarbij tegelijkertijd NADH en FADH2 worden geproduceerd die bijdragen aan ATP-synthese. | | Acetyl-CoA | Een centraal molecuul in het metabolisme, gevormd door de afbraak van koolhydraten, vetten en aminozuren, dat kan worden gebruikt in de citroenzuurcyclus, vetzuursynthese of ketogenese. | | Vitamine B12 (Cobalamine) | Een cofactor die nodig is voor de omzetting van L-methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA en voor de methylering van homocysteïne tot methionine, met een centrale rol in het metabolisme van C1-eenheden. | | Tetrahydrofolaat (THF) | Een co-enzym afgeleid van foliumzuur (vitamine B9), dat fungeert als drager van C1-eenheden in verschillende biosynthetische reacties, waaronder purine- en pyrimidinesynthese. | | S-adenosylmethionine (SAM) | Een molecule die fungeert als een belangrijke methyldonor in talrijke biosynthetische en metabole reacties, waaronder DNA- en histonmethylatie. | | Guanine | Een purinebase die een essentieel onderdeel vormt van DNA en RNA, en ook voorkomt in de energie-drager GTP. | | Cytosine | Een pyrimidinebase die een onderdeel is van DNA en RNA, en ook voorkomt in de energie-drager CTP. | | Thymine | Een pyrimidinebase die specifiek voorkomt in DNA, in plaats van uracil dat in RNA wordt aangetroffen. | | Uracil | Een pyrimidinebase die specifiek voorkomt in RNA, in plaats van thymine dat in DNA wordt aangetroffen. | | Fenylketonurie (PKU) | Een erfelijke stofwisselingsziekte veroorzaakt door een defect in het fenylalaninehydroxylase-enzym, wat leidt tot accumulatie van fenylalanine en hersenbeschadiging indien onbehandeld. | | Jicht | Een metabolische aandoening veroorzaakt door een teveel aan urinezuur in het bloed, wat kan leiden tot kristallisatie in gewrichten en nierstenen. | | Lipiden | Een diverse groep van polaire en apolaire moleculen, waaronder vetzuren, triacylglycerolen, fosfolipiden en cholesterol, die essentieel zijn voor energieopslag, celmembranen, signalering en bescherming. |

# Eiwit-eiwit- en eiwit-ligandinteracties Dit hoofdstuk behandelt de eigenschappen, sterkte en mechanismen van eiwit-eiwit- en eiwit-ligandinteracties, waaronder de rol van moleculaire herkenning en conformationele veranderingen. ### 1.1 Eigenschappen van eiwit-eiwit- en eiwit-ligandcomplexen Eiwitcomplexen worden gevormd door de niet-covalente associatie van twee tot honderden eiwitten, die gelijk of verschillend kunnen zijn. De tijdsduur van deze complexvorming kan variëren van stabiel tot tijdelijk (transient) en dynamisch. De sterkte van de associatie wordt bepaald door de grootte van het contactoppervlak tussen de partners en de aard en het aantal niet-covalente bindingen. Dit proces wordt gedreven door moleculaire herkenning [10](#page=10) [17](#page=17) [8](#page=8). > **Tip:** Het concept van het "humaan interactoom" verwijst naar de complete set van eiwit-eiwitinteracties in een cel of organisme [12](#page=12). ### 1.2 Induced fit en allosterie Induced fit en allosterie zijn twee concepten die nauw verbonden zijn met eiwitcomplexvorming en draaien om conformationele veranderingen. Dit houdt in dat de vorm van een eiwit of eiwitcomplex kan veranderen als reactie op de binding van een ander molecuul. Deze conformationele veranderingen zijn vooral belangrijk bij de regulatie van multi-eiwitcomplexen en multimeren enzymen met meerdere subeenheden (quaternaire structuren). Dit kan leiden tot veranderingen in de bindingsaffiniteit voor andere moleculen, bijvoorbeeld door de aanwezigheid van zowel katalytische (K) als regulatorische (R) sites op een eiwit. Hemoglobine en biochemische metabolische routes zijn voorbeelden waar deze mechanismen een rol spelen [13](#page=13) [14](#page=14). > **Tip:** Het is belangrijk te onthouden dat eiwitten geen starre structuren zijn, maar dynamische moleculen die van vorm kunnen veranderen [13](#page=13). ### 1.3 Sterkte van eiwit-eiwit- en eiwit-ligandcomplexen De sterkte van de binding, ook wel affiniteit genoemd, is een cruciale eigenschap van eiwitcomplexen en wordt bepaald door verschillende factoren. Deze factoren omvatten de grootte van het contactoppervlak (de "interface") tussen de interagerende moleculen, de complementariteit van hun geometrie en fysisch-chemische eigenschappen, en het aantal en type niet-covalente bindingen. Een sterkere binding resulteert in een hogere affiniteit en een permanenter karakter van het complex [17](#page=17) [18](#page=18). #### 1.3.1 Associatie- en dissociatiesnelheden De vorming en het uiteenvallen van eiwitcomplexen worden beschreven door associatie- en dissociatiesnelheden. Voor een interactie tussen eiwit A en eiwit B, waarbij een complex AB wordt gevormd [19](#page=19): * Snelheid van complexvorming: $v_{cass} = k_{ass}[A][B]$ [19](#page=19). * Snelheid van dissociatie van het complex: $v_{cdis} = k_{dis}[AB]$ [19](#page=19). Hierbij staan $[A]$ en $[B]$ voor de concentraties van eiwit A en B, en $[AB]$ voor de concentratie van het eiwit-eiwitcomplex [19](#page=19). #### 1.3.2 Evenwichtsdissociatieconstante ($K_D$) Op het niveau van een dynamisch evenwicht, waarbij de snelheid van associatie gelijk is aan de snelheid van dissociatie ($k_{ass}[A][B = k_{dis}[AB]$), wordt de sterkte van de binding gekwantificeerd door de evenwichtsdissociatieconstante ($K_D$). De $K_D$ is een inverse maat voor de sterkte van de binding: een lagere $K_D$ waarde indiceert een hogere affiniteit tussen de partners [19](#page=19) [20](#page=20). #### 1.3.3 Fractionele bezetting ($Y$) De fractionele bezetting ($Y$) van een eiwit A met partner B wordt gedefinieerd als de verhouding van de concentratie van het complex AB tot de totale concentratie van A (vrij en gebonden) [22](#page=22) [23](#page=23). $$Y = \frac{[AB]}{[A]_{totaal}}$$ [22](#page=22) [23](#page=23). De fractionele bezetting varieert van 0 (geen bezetting) tot 1 (volledige bezetting). De formule kan worden herschreven om de $K_D$ te relateren aan de fractionele bezetting [22](#page=22): $$Y = \frac{[B]}{K_D + [B]}$$ [23](#page=23) [24](#page=24). Uit deze formule volgt dat de $K_D$ de concentratie van ligand B is waarbij 50% van de bindingsplaatsen op eiwit A bezet is (dus $Y = 0.5$) [25](#page=25). > **Toepassing:** De $K_D$ waarde is van groot belang in de farmacologie. Het stelt ons in staat om de mate van complexvorming tussen een toegediend medicijn (ligand B) en een doeleiwit (eiwit A) in het lichaam te voorspellen, zonder dat de concentratie van het doeleiwit zelf bekend hoeft te zijn [26](#page=26). ### 1.4 Showcase: skelet- en hartspiercontractie Skelet- en hartspiercontractie dienen als een uitstekend voorbeeld van eiwit-eiwitcomplexen, ligand-geïnduceerde conformatieveranderingen, coöperatieve werking en competitie [28](#page=28) [32](#page=32). #### 1.4.1 Myosine en ATP interactie Tijdens spiercontractie interageert het eiwit myosine met liganden zoals ATP of ADP-Pi. Deze interacties, die plaatsvinden via niet-covalente bindingen tussen het ligand en aminozuurzijketens in de bindingspocket van myosine, leiden tot "powerstrokes" [30](#page=30). * De hydrolyse van ATP tot ADP en fosfaat (Pi) veroorzaakt lokale structurele veranderingen in de bindingspocket en nabijgelegen secundaire structuurelementen [30](#page=30). * Deze lokale effecten leiden vervolgens tot grotere reorganisaties in het myosine-eiwit, wat resulteert in de trekkracht op het actinefilament en uiteindelijk spiercontractie [30](#page=30). > **Tip:** Bestudeer de mechanismen van spiercontractie om te zien hoe ligandbinding direct leidt tot conformationele veranderingen die functionele output genereren [28](#page=28) [30](#page=30). --- # Eigenschappen en rol van myoglobine en hemoglobine Myoglobine en hemoglobine zijn essentiële eiwitten die betrokken zijn bij het transport en de opslag van zuurstof in het lichaam, waarbij hun specifieke structuren en bindingsmechanismen cruciaal zijn voor hun functie [34](#page=34). ### 2.1 Structuur van myoglobine en hemoglobine #### 2.1.1 De heemgroep: het centrum van zuurstofbinding Zowel myoglobine als hemoglobine binden zuurstof via een heemgroep. De heemgroep, ook wel bekend als Fe(II)-protoporfyrine IX, is een prothetische groep. Deze groep bestaat uit protoporfyrine IX en een ijzer-ion in de Fe(II) oxidatietoestand (#page=38,page=39). Protoporfyrine IX is een vlakke structuur opgebouwd uit pyrroolringen die met methyleenbruggen aan elkaar zijn verbonden, met diverse substituenten zoals propionaat-, vinyl- en methylgroepen. Het ijzer-kation in de heemgroep heeft zes bindingsplaatsen. Vier van deze plaatsen zijn gebonden aan de stikstofatomen van de pyrroolringen in een tetra-pyrroolstructuur (#page=39,page=42). De overige twee bindingsplaatsen zijn beschikbaar voor interactie met andere moleculen. De heemgroep is ingebed in een hydrofobe bindingspocket binnen de eiwitstructuur, wat de stabiliteit en specifieke interactie met zuurstof bevordert [38](#page=38) [39](#page=39) [40](#page=40) [42](#page=42). #### 2.1.2 Myoglobine: structuur en rol Myoglobine (Myob) is een eiwit dat voornamelijk voorkomt in hart- en skeletspiercellen. Het bestaat uit 153 aminozuren en wordt gekenmerkt door acht alfa-helices (a-helices), aangeduid als A tot H. De holte voor de heemgroep bevindt zich tussen de E- en F-helix [41](#page=41) [45](#page=45). De primaire rol van myoglobine is het opslaan en overdragen van zuurstof naar de mitochondriën binnen spiercellen (#page=45,page=50). Dit wordt weergegeven door de reactie [45](#page=45) [50](#page=50): $Myob + O_2 \leftrightarrow Myob-O_2$ [45](#page=45). De affiniteit van myoglobine voor zuurstof wordt uitgedrukt met de dissociatieconstante $K_D$, waarbij $K_D = \frac{[Myob][O_2]}{[Myob-O_2]}$. De zuurstofconcentratie wordt weergegeven door de partiële druk van zuurstof ($pO_2$) (#page=45,page=46). De $K_D$ van het myoglobine-O2 complex is relatief laag, rond $10^{-14}$ molair wat duidt op een hoge affiniteit. Dit maakt myoglobine geschikt om zuurstof te binden en op te slaan, zelfs bij lage partiële zuurstofdrukken die in spieren voorkomen [41](#page=41) [45](#page=45) [46](#page=46) [50](#page=50). #### 2.1.3 Hemoglobine: structuur en rol Hemoglobine (Hb) is een transportmolecule voor zuurstofgas in rode bloedcellen. In tegenstelling tot myoglobine heeft hemoglobine een meer complexe tetramere structuur (#page=2,page=27,page=33,page=51,page=54,page=83). Het bestaat uit vier polypeptideketens die vergelijkbaar zijn met myoglobine. Deze ketens omvatten doorgaans twee alfa-ketens ($\alpha_1, \alpha_2$) en twee bèta-ketens ($\beta_1, \beta_2$), wat resulteert in een tetrameer met quaternaire structuur. Elke subeenheid van hemoglobine bevat een heemgroep en kan daardoor zuurstof binden [27](#page=27) [2](#page=2) [33](#page=33) [51](#page=51) [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55) [83](#page=83). De interactie tussen de subeenheden is sterk, met name tussen $\alpha_1-\beta_1$ en $\alpha_2-\beta_2$. Deze samenwerking tussen de subeenheden leidt tot coöperativiteit in de zuurstofbinding. Hemoglobine bindt zuurstof in de longen, waar de $pO_2$ hoog is (ongeveer 100 torr), en geeft zuurstof vrij in de perifere weefsels, waar de $pO_2$ lager is (ongeveer 20 torr) (#page=46,page=56) [46](#page=46) [55](#page=55) [56](#page=56). ### 2.2 Zuurstofbindings- en afgifte-eigenschappen #### 2.2.1 Zuurstofbindingscurve van myoglobine De fractionele saturatie (Y) van myoglobine met zuurstof kan worden weergegeven als een functie van de $pO_2$: $Y = \frac{pO_2}{pO_2 + K_D}$ [48](#page=48). Hierbij is $Y$ de fractie van myoglobine gebonden aan zuurstof, en $K_D$ de dissociatieconstante. Wanneer $Y = 0.5$ (50% complexvorming), is $K_D$ gelijk aan de $pO_2$, dit punt wordt de $P_{50}$ genoemd. Voor myoglobine is de $P_{50}$ ongeveer 2,8 torr. De grafische weergave van de zuurstofbinding van myoglobine resulteert in een hyperbolische curve, wat wijst op een hoge affiniteit voor zuurstof, ongeacht de partiële zuurstofdruk (#page=49,page=50) [48](#page=48) [49](#page=49) [50](#page=50) [58](#page=58). #### 2.2.2 Coöperativiteit van zuurstofbinding aan hemoglobine De zuurstofbinding aan hemoglobine is coöperatief, wat betekent dat de binding van één zuurstofmolecuul de affiniteit voor volgende zuurstofmoleculen beïnvloedt (#page=55,page=65). Dit proces kan worden beschreven met sequentiële bindingsstappen [55](#page=55) [65](#page=65): $Hb + O_2 \leftrightarrow Hb-(O_2)$ ($K_{D1}$) [56](#page=56). $Hb-(O_2) + O_2 \leftrightarrow Hb-(O_2)_2$ ($K_{D2}$) [56](#page=56). $Hb-(O_2)_2 + O_2 \leftrightarrow Hb-(O_2)_3$ ($K_{D3}$) [56](#page=56). $Hb-(O_2)_3 + O_2 \leftrightarrow Hb-(O_2)_4$ ($K_{D4}$) [56](#page=56). De coöperatieve binding leidt tot een sigmoïdale zuurstofdissociatiecurve voor hemoglobine (#page=56,page=65). In de longen, bij een hoge $pO_2$ (ca. 100 torr), bindt hemoglobine zuurstof maximaal. In de perifere weefsels, bij een lage $pO_2$ (ca. 20 torr), wordt het gebonden zuurstof efficiënt vrijgegeven (#page=56,page=57,page=60). De $P_{50}$ voor hemoglobine is aanzienlijk hoger dan die van myoglobine, ongeveer 26 torr [56](#page=56) [57](#page=57) [58](#page=58) [60](#page=60) [65](#page=65). #### 2.2.3 Structurele basis van coöperativiteit De coöperatieve binding van zuurstof aan hemoglobine is gebaseerd op structurele veranderingen binnen het tetrameer (#page=61,page=63,page=64). Wanneer zuurstof bindt aan de heemgroep in een subeenheid, ondergaat het ijzer-ion een beweging. Deze beweging beïnvloedt de proximale histidine (His-93) en de F-helix, wat op zijn beurt het contactoppervlak tussen de subeenheden verandert. Deze structurele verschuivingen propageren door het hele tetrameer en veranderen de affiniteit van de andere subeenheden voor zuurstof (#page=63,page=65). Er zijn twee conformationele toestanden: de deoxyvorm (lage affiniteit) en de oxyvorm (hoge affiniteit) [61](#page=61) [63](#page=63) [64](#page=64) [65](#page=65) [66](#page=66). #### 2.2.4 Additionele effectoren: 2,3-bifosfoglyceraat (2,3-BPG) 2,3-bifosfoglyceraat (2,3-BPG) is een belangrijke allosterische effector die de zuurstofaffiniteit van hemoglobine beïnvloedt (#page=67,page=69). Het wordt geproduceerd als een bijproduct van glycolyse in rode bloedcellen en komt daar in hoge concentratie voor, vergelijkbaar met hemoglobine. 2,3-BPG bindt sterk aan de deoxyvorm van hemoglobine, met name via de bèta-ketens, en stabiliseert deze toestand (#page=67,page=68,page=69). Hierdoor verlaagt 2,3-BPG de affiniteit van hemoglobine voor zuurstof, wat de zuurstofafgifte aan de weefsels bevordert. Een verhoogde concentratie van 2,3-BPG wordt bijvoorbeeld waargenomen bij mensen die op grote hoogte verblijven, wat adaptatie aan de lagere zuurstofconcentraties mogelijk maakt [67](#page=67) [68](#page=68) [69](#page=69) [86](#page=86). #### 2.2.5 Foetaal hemoglobine (HbF) Foetaal hemoglobine (HbF) verschilt van volwassen hemoglobine (HbA) in zijn subeenheidssamenstelling. HbF bestaat uit twee alfa-ketens en twee gamma-ketens ($\alpha_1\alpha_2\gamma_1\gamma_2$), terwijl HbA twee alfa- en twee bèta-ketens heeft ($\alpha_1\alpha_2\beta_1\beta_2$). Een belangrijke verandering in de gamma-ketens is de substitutie van histidine op positie 143 door serine. Deze structurele aanpassing vermindert de affiniteit van HbF voor 2,3-BPG, waardoor de affiniteit van foetaal hemoglobine voor zuurstof hoger is dan die van materieel hemoglobine (#page=71,page=72). Dit zorgt voor een optimaal zuurstoftransport van de moeder naar de foetus [70](#page=70) [71](#page=71) [72](#page=72). ### 2.3 Fysiologische betekenis Myoglobine functioneert als een zuurstofreservoir in spiercellen, wat essentieel is voor langdurige inspanning en het voorzien van mitochondriën van zuurstof (#page=45,page=50). Hemoglobine daarentegen is cruciaal voor het efficiënte transport van zuurstof van de longen naar de weefsels, waarbij de sigmoïdale dissociatiecurve en de invloed van effectoren zoals 2,3-BPG zorgen voor een gereguleerde zuurstoftoevoer (#page=53,page=60,page=65,page=69). Deze mechanismen zijn van vitaal belang voor het behoud van aerobisch metabolisme en de algehele zuurstofcapaciteit van het lichaam. Adaptaties zoals verhoogde myoglobine- en hemoglobineconcentraties, meer capillaire dichtheid en hogere 2,3-BPG niveaus spelen een rol bij duurtraining en acclimatiseren aan grote hoogte [37](#page=37) [45](#page=45) [50](#page=50) [53](#page=53) [60](#page=60) [65](#page=65) [69](#page=69) [86](#page=86). --- # Factoren die zuurstoftransport beïnvloeden Dit onderwerp onderzoekt de invloed van diverse effectoren, zoals 2,3-bifosfoglyceraat (2,3-BPG), waterstofionen (H+) en koolstofdioxide (CO2), op de zuurstofbinding en -afgifte door hemoglobine, en bespreekt tevens ziektebeelden gerelateerd aan hemoglobine. ### 3.1 Coöperativiteit van de zuurstofbinding aan hemoglobine De zuurstofbindingscurve van hemoglobine vertoont een sigmoïdale vorm. Dit komt door coöperativiteit, wat betekent dat de binding van het ene zuurstofmolecuul de binding van volgende zuurstofmoleculen vergemakkelijkt [56](#page=56). #### 3.1.1 De sigmoïdale O2-dissociatiecurve van hemoglobine Hemoglobine (Hb) bindt zuurstof (O2) in een reeks stappen: * Hb + O2 $\rightleftharpoons$ Hb-(O2) met dissociatieconstante $K_{D1}$ [56](#page=56). * Hb-(O2) + O2 $\rightleftharpoons$ Hb-(O2)₂ met dissociatieconstante $K_{D2}$ [56](#page=56). * Hb-(O2)₂ + O2 $\rightleftharpoons$ Hb-(O2)₃ met dissociatieconstante $K_{D3}$ [56](#page=56). * Hb-(O2)₃ + O2 $\rightleftharpoons$ Hb-(O2)₄ met dissociatieconstante $K_{D4}$ [56](#page=56). Het doel van hemoglobine is om in de longblaasjes, waar de partiële zuurstofdruk ($p\text{O}_2$) hoog is (~100 torr), zuurstof maximaal te binden. In de perifere weefsels, waar de $p\text{O}_2$ lager is (~20 torr), moet het gebonden zuurstof zo efficiënt mogelijk worden vrijgesteld. De sigmoïdale curve visualiseert dit efficiënte transport; bij hoge $p\text{O}_2$ wordt veel zuurstof gebonden, en bij lage $p\text{O}_2$ wordt gemakkelijk zuurstof afgegeven. In de longen is de $p\text{O}_2$ hoog, wat leidt tot het binden van zuurstof aan deoxyhemoglobine, waarbij elke opeenvolgende binding de affiniteit verhoogt. In de weefsels, bij lage $p\text{O}_2$, wordt de vrijgave van zuurstof gefaciliteerd; het loslaten van het eerste zuurstofmolecuul maakt het loslaten van de volgende gunstiger. De Hb-curve zoals getoond, geldt in rode bloedcellen (RBC's) waar specifieke factoren op Hb gebonden zijn [56](#page=56) [57](#page=57) [59](#page=59) [65](#page=65) [66](#page=66). > **Tip:** De sigmoïdale vorm van de zuurstofdissociatiecurve van hemoglobine is cruciaal voor de efficiënte opname van zuurstof in de longen en de effectieve afgifte ervan in de weefsels. #### 3.1.2 Fysiologische betekenis van coöperatieve zuurstofbinding De coöperatieve binding van zuurstof door hemoglobine zorgt voor een zeer efficiënte zuurstoftransport. In de longen, bij een hoge $p\text{O}_2$, wordt hemoglobine volledig verzadigd. In de weefsels, waar de $p\text{O}_2$ lager is, zorgt de coöperatieve aard ervoor dat een aanzienlijk percentage van het gebonden zuurstof wordt vrijgegeven (ongeveer 66% bij de overgang van long naar weefsel $p\text{O}_2$). Dit mechanisme is essentieel om aan de metabole eisen van de weefsels te voldoen, zelfs bij schommelingen in de zuurstoftoevoer [57](#page=57) [60](#page=60). ### 3.2 Additionele effectoren die zuurstoftransport bevorderen Naast de partiële zuurstofdruk zijn er specifieke moleculen die de affiniteit van hemoglobine voor zuurstof beïnvloeden, waardoor het zuurstoftransport naar de weefsels wordt geoptimaliseerd. #### 3.2.1 2,3-Bifosfoglyceraat (2,3-BPG) 2,3-Bifosfoglyceraat (2,3-BPG) is een bijproduct van de glycolyse dat in hoge concentraties voorkomt in rode bloedcellen (RBC's), vergelijkbaar met de concentratie van hemoglobine (tot 4 mM) [67](#page=67). * **Binding:** 2,3-BPG bindt sterk aan de deoxyvorm van hemoglobine, waarbij één molecuul 2,3-BPG per tetrameer bindt aan de beta-ketens. Deze binding vindt plaats via elektrostatische interacties tussen de negatief geladen fosfaatgroepen van 2,3-BPG en positief geladen residuen in het hemoglobine-eiwit [67](#page=67) [68](#page=68). * **Effect op affiniteit:** 2,3-BPG verlaagt de affiniteit van hemoglobine voor zuurstof. Door de deoxyvorm van hemoglobine te stabiliseren, bevordert 2,3-BPG de afgifte van zuurstof in de weefsels. Dit allosterische effect is van vitaal belang voor de zuurstoftoevoer naar de weefsels waar de zuurstofconcentratie lager is [67](#page=67) [69](#page=69). #### 3.2.2 Foetaal hemoglobine (HbF) Foetaal hemoglobine (HbF) verschilt van volwassen hemoglobine (HbA). HbF bestaat uit twee $\alpha$-ketens en twee $\gamma$-ketens, terwijl HbA twee $\alpha$-ketens en twee $\beta$-ketens heeft. De $\gamma$-ketens van HbF hebben een Ser143 in plaats van His143 zoals in de $\beta$-ketens van HbA. Deze structurele aanpassing leidt tot een lagere affiniteit voor 2,3-BPG [70](#page=70) [71](#page=71). * **Effect op O2-affiniteit:** Door de verminderde interactie met 2,3-BPG heeft foetaal hemoglobine een hogere affiniteit voor zuurstof dan volwassen hemoglobine. Dit hogere affiniteit is cruciaal voor een optimaal zuurstoftransport van de moeder naar de foetus [71](#page=71) [72](#page=72). #### 3.2.3 Het Bohr-effect: H+ ionen en CO2 Het Bohr-effect beschrijft hoe veranderingen in de pH en de concentratie van koolstofdioxide (CO2) de zuurstofafgifte door hemoglobine beïnvloeden. Bij verhoogde activiteit in weefsels, zoals spierwerking, is er een hoog zuurstofverbruik, wat leidt tot een zuurstoftekort, een daling van de pH en een toename van CO2 [73](#page=73) [76](#page=76). * **Effect van H+ ionen:** Een toename van waterstofionen ([H+]) en dus een daling van de pH (van ongeveer 7.4 naar 7.2) leidt tot een verhoging van de P50-waarde van hemoglobine. De P50 is de partiële zuurstofdruk waarbij hemoglobine 50% verzadigd is. Een hogere P50 betekent een lagere affiniteit voor zuurstof en dus een grotere neiging tot afgifte. De stabilisatie van de deoxyvorm van hemoglobine door de zoutbrug tussen Asp94 en His146 bij lagere pH draagt hieraan bij [74](#page=74) [75](#page=75). * **Effect van CO2:** 1. **pH-daling:** CO2 diffundeert vanuit de weefsels naar de RBC's, waar het door het enzym koolzuuranhydrase wordt omgezet in bicarbonaationen en waterstofionen. Dit verlaagt de pH binnen de RBC's, wat leidt tot verhoogde zuurstofafgifte [77](#page=77). 2. **Directe binding aan Hb:** CO2 kan ook rechtstreeks binden aan de amino-termini van hemoglobine, wat een negatieve lading introduceert [78](#page=78). Samenvattend leidt een lagere pH en een hogere CO2-concentratie tot een hogere P50 en dus tot een verhoogde zuurstofafgifte. Dit is effectief in de weefsels waar deze omstandigheden heersen. In de longen zijn de omstandigheden omgekeerd (hogere pH, lagere CO2), wat de zuurstofbinding bevordert [79](#page=79) [80](#page=80) [81](#page=81). > **Tip:** Het Bohr-effect is een adaptief mechanisme dat ervoor zorgt dat de zuurstoftoevoer naar weefsels wordt verhoogd wanneer de metabole activiteit toeneemt en de zuurstofbehoefte stijgt. #### 3.2.4 Zuurstof-saturatiemeters (Pulse Oximeter) Apparaten zoals de 'Pulse Oximeter' meten de zuurstofsaturatie door gebruik te maken van de verschillende absorptie-eigenschappen van deoxyhemoglobine en oxyhemoglobine voor verschillende golflengtes licht (bijvoorbeeld 650 nm en 950 nm). Het verschil in structuur tussen deoxy- en oxyhemoglobine zorgt ervoor dat rood licht (650 nm) anders wordt tegengehouden. Deze technologie is ook relevant voor het begrijpen van de effecten van hoogte op zuurstofregulatie [84](#page=84) [85](#page=85). ### 3.3 Ziektebeelden gekoppeld aan hemoglobinewerking #### 3.3.1 Koolstofmonoxidevergiftiging Koolstofmonoxide (CO) is bijzonder giftig, zelfs bij lage concentraties, omdat het concurreert met zuurstof voor dezelfde bindingsplaats op hemoglobine en myoglobine. CO en O2 zijn vergelijkbaar van grootte en vorm [87](#page=87) [88](#page=88). * **Affiniteit:** De affiniteit van CO voor hemoglobine is ongeveer 200 keer groter dan die van O2 voor hemoglobine. Dit wordt weerspiegeld in de dissociatieconstantes: $K_D(\text{CO}) \ll K_D(\text{O}_2)$ [89](#page=89). * **Effect:** Dit betekent dat zelfs bij lage CO-concentraties, een significant deel van het hemoglobine verzadigd zal raken met CO, waardoor de zuurstoftransportcapaciteit van het bloed drastisch afneemt. Het gevormde carboxyhemoglobine (COHb) verschuift de zuurstofdissociatiecurve naar links, wat de afgifte van reeds gebonden zuurstof aan de weefsels verder belemmert [89](#page=89). #### 3.3.2 Sikkelcelanemie en Thalassemië * **Sikkelcelanemie:** Dit is een erfelijke bloedaandoening die wordt veroorzaakt door een mutatie in de $\beta$-keten van hemoglobine, waarbij glutaminezuur (Glu) op positie 6 wordt vervangen door valine (Val). Deze verandering leidt tot de vorming van abnormaal hemoglobine (HbS) dat onder zuurstofarme omstandigheden aggregeert en sikkelvormige rode bloedcellen veroorzaakt [90](#page=90). * **Thalassemië:** Dit zijn een groep genetische aandoeningen die worden gekenmerkt door een verminderde of afwezige synthese van de $\alpha$- of $\beta$-ketens van hemoglobine. Dit resulteert in een tekort aan functioneel hemoglobine en anemische symptomen. Gentherapie wordt onderzocht als mogelijke behandeling [90](#page=90). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Eiwit-eiwitinteractie | De interactie tussen twee of meer eiwitmoleculen, die kan leiden tot de vorming van stabiele of tijdelijke eiwitcomplexen met specifieke functies. Deze interacties zijn essentieel voor bijna alle cellulaire processen. | | Eiwit-ligandinteractie | De interactie tussen een eiwit en een kleiner molecuul, een ligand genaamd, zoals een metaboliet, ion, medicijn of gas. Deze interactie resulteert vaak in een functionele verandering van het eiwit, zoals activatie, inhibitie of transport. | | Tetramerestructuur | Een structuur die is opgebouwd uit vier afzonderlijke subeenheden of moleculen. Hemoglobine is een voorbeeld van een eiwit met een tetramere structuur, bestaande uit vier polypeptideketens. | | Heemgroep | Een prosthetische groep bestaande uit een protoporfyrine IX-ring en een centraal ijzerion (Fe). De heemgroep is cruciaal voor de zuurstofbinding in eiwitten zoals myoglobine en hemoglobine. | | KD (Evenwichtsdissociatieconstante) | Een maat voor de sterkte van de binding tussen twee moleculen, zoals een eiwit en een ligand. Een lagere KD-waarde duidt op een hogere affiniteit of sterkere binding. | | Fractionele bezetting (Y) | Het deel van de bindingsplaatsen op een eiwitmolecuul dat bezet is door een ligand. Y varieert van 0 (geen bezetting) tot 1 (volledige bezetting). | | Induced fit | Een model van enzym-substraatbinding waarbij het actieve centrum van het enzym enigszins van vorm verandert om beter aan te sluiten bij het substraat na binding. Dit impliceert een dynamische interactie waarbij zowel het eiwit als het substraat kunnen vervormen. | | Allosterie | Een proces waarbij de binding van een molecuul op één plaats van een eiwit de affiniteit of activiteit van een andere plaats op hetzelfde eiwit beïnvloedt. Dit is cruciaal voor de regulatie van enzymen en eiwitcomplexen. | | Conformationele verandering | Een verandering in de driedimensionale structuur van een eiwit. Dit kan worden veroorzaakt door de binding van liganden, veranderingen in de omgeving, of andere factoren en is vaak essentieel voor de functie van het eiwit. | | Coöperativiteit | Een fenomeen waarbij de binding van het eerste ligand aan een multimeer eiwit de affiniteit voor volgende liganden beïnvloedt. Bij hemoglobine leidt de binding van zuurstof tot een verhoogde affiniteit voor verdere zuurstofmoleculen. | | Sigmoïdale curve | Een S-vormige curve, vaak gebruikt om de coöperatieve binding van liganden aan eiwitten zoals hemoglobine te beschrijven. Deze curve weerspiegelt de geleidelijke toename van de bezetting bij stijgende ligandconcentratie. | | Additionele effectoren | Moleculen die, door interactie met een eiwitcomplex, de affiniteit voor een primair ligand (zoals zuurstof bij hemoglobine) beïnvloeden zonder zelf direct aan de bindingsplaats te binden. | | Bohr-effect | Het fenomeen waarbij de zuurstofaffiniteit van hemoglobine wordt beïnvloed door de pH en de concentratie van koolstofdioxide (CO2). Een lagere pH en hogere CO2-concentratie leiden tot een verminderde zuurstofaffiniteit, wat de zuurstofafgifte aan weefsels bevordert. | | 2,3-Bifosfoglyceraat (2,3-BPG) | Een metaboliet in rode bloedcellen die bindt aan deoxyhemoglobine en de zuurstofaffiniteit van hemoglobine verlaagt, waardoor zuurstof efficiënter aan weefsels kan worden afgegeven. | | Koolzuuranhydrase | Een enzym dat de snelle reversibele omzetting van kooldioxide (CO2) en water (H2O) naar koolzuur (H2CO3) katalyseert, wat essentieel is voor de CO2-transport en het Bohr-effect in rode bloedcellen. | | Sikkelcelanemie | Een genetische bloedaandoening veroorzaakt door een mutatie in het gen voor de bètaketen van hemoglobine, wat leidt tot de vorming van abnormaal hemoglobine (HbS) dat de rode bloedcellen een sikkelvorm geeft. |

# Introdução às dislipidemias e lipoproteínas Este tópico introduz o conceito de dislipidemia e o papel central das lipoproteínas na homeostase lipídica e no risco cardiovascular. ### 1.1 Definição de dislipidemia Uma dislipidemia é definida como uma alteração quantitativa e/ou qualitativa das lipoproteínas plasmáticas, detectável por análises laboratoriais, que está associada a um aumento do risco cardiovascular e/ou pancreático [3](#page=3) [5](#page=5). ### 1.2 Classificação das dislipidemias As dislipidemias podem ser classificadas em dois tipos principais: * **Primárias**: A maioria destas dislipidemias resulta da presença de polimorfismos genéticos que aumentam a susceptibilidade para o desenvolvimento de doença aterosclerótica quando expostas a fatores ambientais propícios [3](#page=3) [5](#page=5). * **Secundárias**: Estas são adquiridas e podem ser causadas por uma variedade de condições [4](#page=4). > **Tip:** É importante distinguir entre polimorfismos e mutações genéticas no contexto das dislipidemias primárias. #### 1.2.1 Alterações quantitativas e qualitativas As dislipidemias podem manifestar-se através de várias alterações detetáveis laboratorialmente [3](#page=3) [5](#page=5): * Aumento do colesterol total * Aumento do LDL-colesterol (colesterol de lipoproteína de baixa densidade) * Diminuição do HDL-colesterol (colesterol de lipoproteína de alta densidade) * Aumento dos triglicerídeos * Alterações qualitativas das lipoproteínas, como a presença de LDL pequenas e densas. > **Tip:** O risco aterosclerótico e de eventos cardiovasculares (CDV) major está diretamente relacionado com estas alterações. #### 1.2.2 Principais causas de dislipidemias secundárias As dislipidemias secundárias podem surgir de diversas etiologias, conforme detalhado na tabela seguinte [4](#page=4): | Tipo de patologia | Causa | | :---------------------------- | :------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | Exógena | Fármacos (corticóides, isotretinoína, tiazidas, anticonvulsivantes, $\beta$-bloqueantes, alguns contraceptivos orais); álcool; obesidade. | | Endócrina e metabólica | Diabetes, hipopituitarismo, hipotiroidismo, lipodistrofia, gravidez. | | Doenças do armazenamento | Doença de Gaucher, Tay-Sachs, Niemann-Pick, doença de armazenamento do glicogénio. | | Renal | Doença renal crónica, síndrome nefrótico, síndrome hemolítico-urémico. | | Hepática | Colestase intra-hepática recorrente benigna; atresia biliar congénita. | | Agudas e transitórias | Queimaduras extensas, hepatite, trauma (cirurgia), enfarte do miocárdio, infeções virais e bacterianas. | | Outras | Anorexia nervosa, hipercalcémia idiopática, síndrome de Klinefelter, progeria, Lúpus, síndrome de Werner. | > **Example:** Um paciente em tratamento com corticóides pode desenvolver uma dislipidemia secundária de origem exógena devido à interferência do fármaco no metabolismo lipídico. ### 1.3 Lipoproteínas: introdução, classificação e funções biológicas (Conteúdo referente a esta secção não disponível nas páginas fornecidas, mas essencial para a compreensão do tópico.) ### 1.4 Metabolismo das lipoproteínas (Conteúdo referente a esta secção não disponível nas páginas fornecidas, mas essencial para a compreensão do tópico.) ### 1.5 Alterações genéticas do metabolismo das lipoproteínas (Conteúdo referente a esta secção não disponível nas páginas fornecidas, mas essencial para a compreensão do tópico.) --- # Classificação de Fredrickson/OMS das Hiperlipidemias A classificação de Fredrickson/OMS é um sistema utilizado para categorizar as hiperlipidemias com base no aspecto do soro, nas lipoproteínas aumentadas, nas condições clínicas associadas e nos níveis de colesterol e triglicerídeos. Esta classificação, originalmente proposta em 1970, é fundamental para o diagnóstico e manejo destas desordens metabólicas [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). ### 2.1 Tipos de Hiperlipidemias segundo Fredrickson/OMS A seguir, detalha-se cada tipo de hiperlipidemia conforme a classificação: #### 2.1.1 Tipo I * **Aspecto do soro:** Camada superficial de aspecto "cremoso" [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Partícula aumentada:** Quilomicrons [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Condição clínica associada:** Deficiência em lipase lipoproteica (LPL) e deficiência em apolipoproteína CII (apoCII) [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Níveis de Colesterol (Col) e Triglicerídeos (TG):** Colesterol normal, Triglicerídeos aumentados (++) [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). > **Tip:** O aspecto cremoso do soro no Tipo I é devido à grande quantidade de quilomicrons, que são as maiores lipoproteínas e carregam triglicerídeos exógenos [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). #### 2.1.2 Tipo IIa * **Aspecto do soro:** Límpido [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Partícula aumentada:** Lipoproteína de baixa densidade (LDL) [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Condição clínica associada:** Hipercolesterolemia familiar, hipercolesterolemia poligénica, hipotiroidismo e hiperlipidemia familiar combinada [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Níveis de Colesterol (Col) e Triglicerídeos (TG):** Colesterol aumentado (++), Triglicerídeos normais [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). > **Tip:** O Tipo IIa é a hiperlipidemia mais comum e é caracterizada por um aumento primário do LDL, levando a um risco aumentado de doença cardiovascular aterosclerótica [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). #### 2.1.3 Tipo IIb * **Aspecto do soro:** Límpido [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Partícula aumentada:** Lipoproteína de baixa densidade (LDL) e lipoproteína de muito baixa densidade (VLDL) [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Condição clínica associada:** Hiperlipidemia familiar combinada [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Níveis de Colesterol (Col) e Triglicerídeos (TG):** Colesterol aumentado (++), Triglicerídeos aumentados (+) [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). #### 2.1.4 Tipo III * **Aspecto do soro:** Turvo [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Partícula aumentada:** Lipoproteína de densidade intermédia (IDL) [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Condição clínica associada:** Disbetalipoproteinémia [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Níveis de Colesterol (Col) e Triglicerídeos (TG):** Colesterol aumentado (+), Triglicerídeos aumentados (+) [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). #### 2.1.5 Tipo IV * **Aspecto do soro:** Turvo [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Partícula aumentada:** Lipoproteína de muito baixa densidade (VLDL) [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Condição clínica associada:** Hiperlipidemia familiar combinada, hipertrigliceridemia familiar, hipertrigliceridemia esporádica e diabetes [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Níveis de Colesterol (Col) e Triglicerídeos (TG):** Colesterol normal ou aumentado (+), Triglicerídeos aumentados (++) [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). > **Tip:** O Tipo IV é caracterizado por hipertrigliceridemia endógena, com VLDL aumentada devido a uma produção hepática excessiva ou a uma depuração diminuída [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). #### 2.1.6 Tipo V * **Aspecto do soro:** Camada superficial de aspecto "cremoso" e fundo turvo [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Partícula aumentada:** Quilomicrons e VLDL [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Condição clínica associada:** Diabetes [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). * **Níveis de Colesterol (Col) e Triglicerídeos (TG):** Colesterol aumentado (+), Triglicerídeos aumentados (++) [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). > **Exemplo:** Um paciente apresenta soro com uma camada cremosa na superfície e o restante turvo. A análise laboratorial revela aumento de quilomicrons e VLDL, com níveis de colesterol moderadamente elevados e triglicerídeos significativamente elevados. O paciente também tem diabetes. Estes achados são consistentes com uma hiperlipidemia Tipo V [10](#page=10) [14](#page=14) [16](#page=16) [19](#page=19) [21](#page=21) [6](#page=6). --- # Dislipidemias primárias específicas e suas características Este tópico detalha várias dislipidemias primárias, explorando suas causas genéticas, mecanismos patofisiológicos, métodos de diagnóstico e manifestações clínicas. ### 3.1 Deficiência em lipoproteína lipase (LPL) A deficiência em lipoproteína lipase (LPL) é uma doença autossómica recessiva rara, afetando aproximadamente 1 em 1.000.000 de pessoas. É causada por mutações no gene que codifica a LPL, uma enzima crucial na hidrólise dos triglicerídeos em quilomícrons (Qm) e lipoproteínas de muito baixa densidade (VLDL) [7](#page=7). #### 3.1.1 Patofisiologia, diagnóstico e semiologia A patofisiologia envolve a diminuição da atividade da LPL, levando ao acúmulo de quilomícrons no plasma. O diagnóstico é feito pela observação de plasma em jejum com aspecto leitoso, aumento acentuado dos quilomícrons e hipertrigliceridemia severa, podendo atingir 10.000 mg/dL. Testes genéticos para mutações no gene LPL ou APOCII podem confirmar o diagnóstico. Clinicamente, a doença manifesta-se na infância com dor abdominal severa, frequentemente evoluindo para pancreatite aguda, além de xantelasmas e lipemia retinalis. Apesar da hipertrigliceridemia extrema, a predisposição para aterosclerose é baixa [7](#page=7) [8](#page=8). #### 3.1.2 Tratamento O tratamento visa reduzir a ingestão de lipídios, limitando-a a um máximo de 20 gramas por dia. O uso de fibratos, suplementação vitamínica (A, E, K) e, em casos experimentais, terapia génica, são abordagens terapêuticas [9](#page=9). ### 3.2 Hipercolesterolemia familiar (HF) A hipercolesterolemia familiar (HF) é uma dislipidemia autossómica dominante, embora formas autossómicas recessivas também existam. A prevalência em heterozigotos é de cerca de 1 em 500, enquanto homozigotos são extremamente raros (1 em 1.000.000). A causa primária são mutações nos genes que codificam o receptor de LDL (LDL-R), PCSK9 ou RHOA [11](#page=11). #### 3.2.1 Patofisiologia A patofisiologia da HF, especialmente em heterozigotos, está relacionada a um defeito na via de transporte intracelular do colesterol, resultando na deficiente internalização das partículas de LDL. Isso leva à acumulação de LDL-C na circulação sanguínea e em tecidos periféricos, como pele e tendões, promovendo aterogênese prematura [11](#page=11). #### 3.2.2 Diagnóstico e semiologia O diagnóstico é sugerido por plasma em jejum com aspecto límpido e níveis elevados de colesterol total e LDL-C. Em heterozigotos, o colesterol total pode variar entre 350-550 mg/dL, e em homozigotos, pode atingir 650-1000 mg/dL. Os triglicerídeos são normais ou ligeiramente elevados, e o HDL-C é normal ou ligeiramente diminuído. Testes genéticos identificando mutações no gene LDL-R (presentes em 80% dos casos) auxiliam no diagnóstico. A semiologia inclui xantelasmas e xantomas, sendo os xantomas tendinosos patognomônicos. A doença cardiovascular, incluindo aterosclerose, manifesta-se precocemente, geralmente entre a segunda e terceira década de vida [12](#page=12) [13](#page=13). ### 3.3 Hiperlipidemia familiar combinada (HFC) A hiperlipidemia familiar combinada (HFC) é uma condição autossómica dominante que representa 10-15% das patologias cardiovasculares prematuras. Sua etiologia exata permanece desconhecida, mas está associada a alterações na razão lípidos:proteína nas partículas de VLDL e LDL, tornando-as mais densas e pequenas [15](#page=15). #### 3.3.1 Diagnóstico O diagnóstico da HFC é caracterizado por hipercolesterolemia (principalmente LDL-C) moderada, tipicamente entre 190-200 mg/dL, e hipertrigliceridemia moderada a severa, variando de 200-400 mg/dL ou superior [15](#page=15). ### 3.4 Disbetalipoproteinemia A disbetalipoproteinemia, também conhecida como dislipidemia tipo III, tem uma transmissão autossómica recessiva e é causada por mutações no gene APOE, afetando cerca de 1 em 1000 indivíduos [17](#page=17). #### 3.4.1 Patofisiologia A patofisiologia envolve a acumulação de remanescentes de quilomícrons (Qm) e VLDL em circulação, devido a defeitos na clivagem dessas partículas ou na ligação aos receptores hepáticos. Isso resulta na presença de VLDL remanescentes (também chamadas de ß-VLDL ou ß-lipoproteína flutuante) no sangue, que possuem um maior conteúdo de colesterol e densidade inferior a 1.006 mg/dL [17](#page=17). #### 3.4.2 Semiologia e diagnóstico Clinicamente, a disbetalipoproteinemia pode manifestar-se com xantomas palmares e tuberosos ou tuberoeruptivos, além de aterosclerose prematura, especialmente nos membros inferiores, levando à claudicação intermitente. O diagnóstico é feito pela presença de hipertrigliceridemia, aumento de Qm e VLDL, e pode ser confirmado por teste genético para mutações no gene APOE [18](#page=18). ### 3.5 Hipertrigliceridemia familiar A hipertrigliceridemia familiar é uma condição autossómica dominante com uma incidência de aproximadamente 1 em 500 indivíduos, sendo frequentemente de etiologia poligênica [20](#page=20). #### 3.5.1 Patofisiologia e diagnóstico A patofisiologia primária é a produção excessiva de VLDL, caracterizadas por serem grandes e possuírem um teor anormalmente elevado de triglicerídeos. O diagnóstico inclui a observação de soro com aspecto turvo e um aumento significativo nos níveis de triglicerídeos, que podem variar de 50 a 2000 mg/dL. Observa-se também uma diminuição nos níveis de HDL-C [20](#page=20). #### 3.5.2 Semiologia A semiologia pode incluir o quadro de ventre agudo, caracterizado por pancreatite aguda, especialmente quando os níveis de TG excedem 500 mg/dL, além da presença de xantomas [20](#page=20). ### 3.6 Hiperlipoproteinemia tipo V A hiperlipoproteinemia tipo V é uma dislipidemia autossómica dominante, com incidência de cerca de 1 em 500 indivíduos, e frequentemente de etiologia poligênica [22](#page=22). #### 3.6.1 Patofisiologia A patofisiologia desta condição envolve uma atividade da LPL normal ou diminuída, associada a uma concentração plasmática normal de apoCII. Isso resulta em um aumento da síntese e/ou diminuição da clearance de VLDL e Qm [22](#page=22). #### 3.6.2 Diagnóstico e semiologia O diagnóstico é caracterizado por um aumento acentuado nos níveis de triglicerídeos, tipicamente entre 1000 e 2000 mg/dL, e um aumento do colesterol total. Os níveis de LDL são normais ou diminuídos. Clinicamente, a doença frequentemente se apresenta como pancreatite aguda. Embora o risco de doença cardiovascular esteja apenas moderadamente aumentado, sintomas como xantomas e lipemia retinalis podem estar presentes [22](#page=22). > **Tip:** Ao estudar as dislipidemias primárias, é fundamental correlacionar a etiologia genética com as alterações bioquímicas (níveis de lípidos e lipoproteínas) e as manifestações clínicas (semiologia), pois essa interligação é chave para o raciocínio diagnóstico e terapêutico. Lembre-se dos padrões de herança (autossómica recessiva vs. dominante) e das lipoproteínas específicas que se acumulam em cada condição. --- # Outras alterações lipoproteicas e sua relevância clínica Este tópico aborda alterações lipoproteicas específicas, como a Lp(X), hipoalfalipoproteinemia e Lp(a), detalhando suas origens, características e implicações clínicas. ### 4.1 Lipoproteína X (Lp(X)) A Lp(X) é uma lipoproteína anormal que se forma em situações de colestase. Nestas condições, a deficiência de colesterol para formar um núcleo lipídico leva a um refluxo anómalo de lípidos para o plasma, resultando na produção de partículas anómalas. Estas partículas caracterizam-se pela ausência de ApoB, serem ricas em colesterol livre e fosfolípidos (PPL), e conterem pequenas quantidades de albumina. Em eletroforese de proteínas séricas, observa-se um aumento da fração alfa, particularmente na região alfa-2, que engloba proteínas de fase aguda e lipoproteínas que migram nessa área [23](#page=23). > **Tip:** A Lp(X) é um marcador específico de estados colestáticos, indicando uma perturbação significativa no metabolismo lipídico hepático [23](#page=23). ### 4.2 Hipoalfalipoproteinemia A hipoalfalipoproteinemia refere-se a uma diminuição na fração alfa do proteinograma, especificamente na subfração alfa-1, que corresponde a uma redução de proteínas alfa ou de HDL [24](#page=24). #### 4.2.1 Doença de Tangier A Doença de Tangier é um exemplo de hipoalfalipoproteinemia, sendo uma doença genética autossómica recessiva. É causada por mutações no gene ABCA1, as quais comprometem a formação normal de HDL e o efluxo de colesterol das células, resultando em níveis de HDL plasmático muito baixos ou indetectáveis [24](#page=24). **Semiologia da Doença de Tangier:** * Esplenomegalia [24](#page=24). * Neuropatia periférica [24](#page=24). * Amígdalas hiperplásicas e de coloração alaranjada [24](#page=24). > **Tip:** A avaliação do perfil lipídico, incluindo os níveis de HDL, é fundamental para o diagnóstico de hipoalfalipoproteinemia e para a identificação de condições como a Doença de Tangier [24](#page=24). ### 4.3 Lipoproteína(a) (Lp(a)) A Lp(a) é uma lipoproteína com semelhança estrutural à LDL, distinguindo-se pela presença de uma apoproteína específica, a apoproteína(a). Esta apoproteína está ligada covalentemente à ApoB. A origem do gene LPA deriva de uma duplicação do gene que codifica o plasminogénio, o que explica a notável semelhança estrutural entre o plasminogénio e a apo(a) [25](#page=25). #### 4.3.1 Mecanismo e Significado Clínico A apo(a) exerce a sua ação ao competir com o plasminogénio pelos locais de ligação à fibrina, o que leva a um défice na fibrinólise e, consequentemente, a um aumento da trombogénese [25](#page=25). **Significado clínico da Lp(a) elevada:** * Aterosclerose [25](#page=25). * Enfarte Agudo do Miocárdio (EAM) [25](#page=25). * Acidente Vascular Cerebral (AVC) [25](#page=25). * Calcificações aórticas [25](#page=25). > **Example:** Níveis elevados de Lp(a) são considerados um fator de risco independente para eventos cardiovasculares aterotrombóticos, independentemente de outros fatores de risco tradicionais como o colesterol LDL [25](#page=25). --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Termo | Definição | |------|------------| | Dislipidemia | Alteração quantitativa e/ou qualitativa das lipoproteínas plasmáticas, detetada por análises laboratoriais, associada a um aumento do risco cardiovascular e/ou pancreático. | | Lipoproteínas | Partículas complexas presentes no plasma sanguíneo, compostas por lípidos (colesterol, triglicerídeos) e proteínas (apolipoproteínas), responsáveis pelo transporte desses lípidos no organismo. | | Via exógena | Via metabólica das lipoproteínas que se inicia com a absorção de lípidos da dieta no intestino delgado, formando quilomícrons que são transportados para a circulação sistémica. | | Via endógena | Via metabólica das lipoproteínas que envolve a síntese e secreção de lipoproteínas de muito baixa densidade (VLDL) pelo fígado, transportando triglicerídeos endógenos para os tecidos. | | Transporte reverso de colesterol | Processo pelo qual o colesterol em excesso nas células e na parede arterial é transportado de volta para o fígado para excreção, mediado principalmente pelas HDL. | | Quilomicrons | Grandes lipoproteínas formadas no intestino após a ingestão de gorduras, responsáveis pelo transporte de triglicerídeos dietéticos para os tecidos periféricos. | | VLDL (Very Low-Density Lipoprotein) | Lipoproteína de muito baixa densidade, produzida pelo fígado, que transporta triglicerídeos endógenos para os tecidos. | | LDL (Low-Density Lipoprotein) | Lipoproteína de baixa densidade, derivada do VLDL, rica em colesterol, considerada aterogénica por transportar colesterol para as artérias. | | HDL (High-Density Lipoprotein) | Lipoproteína de alta densidade, conhecida como colesterol \"bom\", que remove o excesso de colesterol dos tecidos e o transporta de volta para o fígado. | | Triglicerídeos | Ésteres de glicerol com três ácidos gordos, a principal forma de armazenamento de energia nos tecidos adiposos e a forma de transporte de lípidos no plasma. | | Hipercolesterolemia | Condição caracterizada por níveis elevados de colesterol no sangue, especialmente do colesterol LDL. | | Hipertrigliceridemia | Condição caracterizada por níveis elevados de triglicerídeos no sangue. | | Fredrickson/OMS Classification | Sistema de classificação das hiperlipidemias baseado no padrão eletroforético das lipoproteínas, no aspecto do soro e nos níveis de colesterol e triglicerídeos. | | Deficiência em Lipoproteína Lipase (LPL) | Doença genética rara autossómica recessiva que resulta na deficiência da enzima lipoproteína lipase, levando a um acúmulo severo de quilomícrons no plasma e hipertrigliceridemia acentuada. | | Hipercolesterolemia Familiar (HF) | Distúrbio genético autossómico dominante caracterizado por níveis muito elevados de colesterol LDL no sangue desde o nascimento, aumentando significativamente o risco de doença cardiovascular precoce. | | Xantomas | Depósitos de lípidos na pele e tendões, que podem surgir em várias dislipidemias, sendo os tendinosos patognomónicos da Hipercolesterolemia Familiar. | | Pancreatite aguda | Inflamação súbita do pâncreas, que pode ser desencadeada por níveis muito elevados de triglicerídeos no sangue (hipertrigliceridemia severa). | | Disbetalipoproteinemia | Dislipidemia caracterizada pela acumulação de remanescentes de quilomícrons e VLDL (IDL), frequentemente associada a mutações no gene APOE, levando a xantomas palmares e aterosclerose prematura. | | Hiperlipidemia Familiar Combinada (HFC) | Uma das dislipidemias primárias mais comuns, caracterizada por um padrão misto de elevação de LDL e/ou VLDL, com transmissão autossómica dominante e etiologia poligénica. | | Lp(X) | Lipoproteína anormal produzida em situações de colestase, sem ApoB, rica em colesterol livre, fosfolipídeos e albumina, podendo ser detetada em doenças hepáticas colestáticas. | | Hipoalfalipoproteinemia | Condição caracterizada por níveis baixos de colesterol HDL no sangue, associada a um aumento do risco de doença cardiovascular. | | Doença de Tangier | Doença genética autossómica recessiva rara causada por mutações no gene ABCA1, que resulta em deficiência severa ou ausência de HDL e acúmulo de ésteres de colesterol nas células. | | Lp(a) | Lipoproteína semelhante à LDL, com uma apoproteína adicional (apoproteína a), que está associada a um aumento do risco de aterosclerose, eventos cardiovasculares e trombogénese. |

# Introdução às enzimas e suas propriedades As enzimas são catalisadores biológicos essenciais que aceleram drasticamente as reações químicas dentro das células, operando sob condições suaves e com alta especificidade [1](#page=1) [2](#page=2). ## 1. Introdução às enzimas e suas propriedades As enzimas são biomoléculas, predominantemente proteínas globulares, mas também podem ser moléculas de RNA (riboenzimas), que atuam como catalisadores biológicos. Sua função primária é aumentar significativamente as taxas de reações químicas sem serem consumidas no processo. Elas exibem um poder catalítico extraordinário e um alto grau de especificidade, operando eficientemente em soluções aquosas sob condições moderadas de temperatura e pH [1](#page=1) [2](#page=2). ### 1.1 Composição e Requisitos Enzimáticos A maioria das enzimas são proteínas. No entanto, algumas enzimas requerem a presença de outros grupos químicos para sua atividade catalítica completa [1](#page=1): * **Cofatores:** Íons inorgânicos que auxiliam na atividade enzimática [1](#page=1). * **Coenzimas:** Moléculas orgânicas complexas ou metalo-orgânicas que participam da catálise [1](#page=1). * **Grupo prostético:** Uma coenzima ou cofator que está firmemente ligado, por vezes covalentemente, a uma enzima [1](#page=1). Uma **holoenzima** refere-se à enzima ativa completa, incluindo seu cofator ou coenzima ligada. A parte proteica de uma holoenzima, sem o cofator ou coenzima, é denominada **apoproteína** [1](#page=1). ### 1.2 Nomenclatura e Classificação O nome formal de uma enzima geralmente reflete a reação que ela catalisa e os substratos envolvidos. Por exemplo, a enzima que catalisa a reação ATP + D-glicose $\rightarrow$ ADP + D-glicose 6-fosfato tem o nome formal de ATP:glicose fosfotransferase e o nome comum de hexoquinase [2](#page=2). As enzimas são classificadas em um sistema numerado pela Enzyme Commission (E.C.), onde o número E.C. 2.7.1.1, por exemplo, indica: * Classe 2: Transferases [2](#page=2). * Subclasse 7: Fosfotransferases [2](#page=2). * Sub-subclasse 1: Fosfotransferases com um grupo hidroxila (-OH) como aceitador [2](#page=2). * Sub-sub-subclasse 1: D-glicose como o aceitador do grupo fosforilo [2](#page=2). ### 1.3 Biocatálise versus Catálise Inorgânica A biocatálise, realizada por enzimas, oferece várias vantagens sobre a catálise inorgânica: * **Maior especificidade de reação:** Enzimas minimizam a formação de produtos colaterais indesejados, direcionando a reação para um resultado específico [2](#page=2). * **Condições de reação mais brandas:** Enzimas operam em condições fisiológicas de temperatura e pH, que são propícias à sobrevivência celular [1](#page=1) [2](#page=2). * **Taxas de reação mais altas:** As enzimas aumentam a velocidade das reações a níveis biologicamente úteis, permitindo que processos metabólicos ocorram em tempos razoáveis [2](#page=2). * **Capacidade de regulação:** A atividade enzimática pode ser finamente controlada, permitindo a regulação das vias biológicas [2](#page=2). > **Tip:** Enzimas garantem que, dentre as muitas vias potenciais de decomposição de metabolitos, a via "desejada" seja cataliticamente favorecida. ### 1.4 Mecanismo de Ação Enzimática O funcionamento das enzimas ocorre em uma região específica da molécula enzimática denominada **sítio ativo** [2](#page=2). * **Substrato:** A molécula que se liga ao sítio ativo e sobre a qual a enzima exerce sua ação catalítica [2](#page=2). * **Sítio Ativo:** A conformação tridimensional do sítio ativo é determinada por resíduos de aminoácidos cujas cadeias laterais interagem com o substrato, facilitando sua transformação química [2](#page=2). É fundamental notar que as enzimas alteram a **velocidade** de uma reação, mas **não afetam o equilíbrio** da mesma. Elas tornam as reações mais rápidas ao diminuir a energia de ativação necessária para que a reação ocorra [2](#page=2). --- # Mecanismos de ação enzimática e teoria do estado de transição Este tópico explora como as enzimas aceleram reações químicas através da formação de um sítio ativo e da alteração da energia de ativação, detalhando a teoria do estado de transição e como as interações enzimáticas otimizam essa barreira. ### 2.1 Introdução à biocatálise enzimática As enzimas são catalisadores biológicos que funcionam dentro de um sítio ativo, uma "bolsa" na sua estrutura tridimensional. Este sítio ativo é delimitado por resíduos de aminoácidos cujos grupos de cadeias laterais interagem com o substrato, a molécula sobre a qual a enzima atua, para catalisar a sua transformação química. As enzimas são preferíveis à catálise inorgânica devido à sua maior especificidade de reação, evitando produtos colaterais indesejados, e à sua capacidade de operar em condições de reação mais brandas e a taxas mais elevadas, tornando a biocatálise propícia às condições celulares e a períodos de tempo biologicamente úteis. Além disso, as enzimas oferecem capacidade de regulação, permitindo o controlo de vias biológicas, e tornam a via química "desejada" mais favorável em meio a muitas vias potenciais de decomposição de metabolitos [2](#page=2). É crucial notar que as enzimas aumentam a velocidade de uma reação, mas não alteram o seu equilíbrio [2](#page=2). ### 2.2 Diagrama de coordenadas da reação e energia de ativação O progresso de uma reação química pode ser representado por um diagrama de coordenadas da reação, que ilustra a variação de energia livre do sistema em função do progresso da reação. Uma constante de equilíbrio favorável, indicada por um grande valor negativo de $\Delta G^{°}$ não garante que a conversão de substrato (S) em produto (P) ocorra a uma velocidade detetável. A velocidade de uma reação é fundamentalmente determinada por uma barreira energética, conhecida como energia de ativação ($\Delta G$). Quanto maior a energia de ativação, mais lenta será a reação [3](#page=3). A velocidade de uma reação pode ser aumentada através de vários métodos, incluindo o aumento da temperatura, o aumento da pressão ou a adição de um catalisador. Para reações catalisadas por enzimas, a velocidade de reação ($V$) é expressa por uma equação de velocidade. Para uma reação unimolecular S $\rightarrow$ P, a equação é [3](#page=3): $$V = k[S]$$ onde $k$ é a constante de velocidade com unidades de s$^{-1}$. Para uma reação de segunda ordem envolvendo dois reagentes, S1 e S2 [3](#page=3): $$V = k[S_1][S_2]$$ onde $k$ tem unidades de M$^{-1}$s$^{-1}$ [3](#page=3). ### 2.3 Teoria do estado de transição A teoria do estado de transição é particularmente relevante para a catálise enzimática, explicando como as reações lentas, que enfrentam barreiras de ativação significativas, são aceleradas. Esta teoria postula que as constantes de taxa e as energias livres estão interligadas. As enzimas, ao diminuírem a energia de ativação ($\Delta G$), aumentam as taxas de reação ($k$) [3](#page=3). O "estado de transição" representa um ponto a partir do qual a molécula tem a mesma probabilidade de decair para o estado de substrato ou para o estado de produto; é um momento molecular transitório onde a quebra e formação de ligações, bem como o desenvolvimento de carga, ocorrem com probabilidade igual de seguir em qualquer direção. A energia de ativação é a diferença energética entre o estado basal (substrato ou produto) e este estado de transição. Em reações com múltiplas etapas, a etapa com a maior energia de ativação é a etapa limitante da velocidade [4](#page=4). ### 2.4 Como as enzimas reduzem a energia de ativação As enzimas facilitam a redução da energia de ativação através de vários mecanismos que organizam grupos reativos em proximidade e orientação adequada [4](#page=4). * **Reações bimoleculares não catalisadas:** Dois reagentes livres formam um único estado de transição restrito, o que é entropicamente desfavorável [4](#page=4). * **Reações unimoleculares não catalisadas:** Um reagente flexível pode formar um estado de transição fixo, o que também é entropicamente desfavorável para reagentes flexíveis [4](#page=4). * **Reações catalisadas por enzimas:** As enzimas utilizam a energia de ligação dos substratos para organizar os reagentes num complexo ES (Enzima-Substrato) rígido. O "custo" entrópico é pago durante o processo de ligação, permitindo que a conversão do estado de transição seja entropicamente mais favorável [4](#page=4). Um princípio fundamental é que as enzimas ligam preferencialmente os estados de transição. Os sítios ativos das enzimas são complementares ao estado de transição da reação, resultando em interações mais fortes com este estado em comparação com o estado fundamental do substrato. Estas interações mais fortes com o estado de transição reduzem a barreira de ativação [4](#page=4). A ideia de que as interações fracas são otimizadas no estado de transição contrasta com o modelo "chave e fechadura" tradicional. Embora o modelo "chave e fechadura" sugira que o substrato encaixa perfeitamente na enzima, uma enzima que fosse completamente complementar ao seu substrato no estado fundamental seria, na verdade, uma enzima fraca. A afinidade otimizada para o estado de transição é o que confere a alta eficiência catalítica às enzimas [4](#page=4). --- # Tipos de catálise enzimática e cinética Este tópico aborda os diversos mecanismos pelos quais as enzimas realizam a catálise, explorando também os princípios fundamentais da cinética enzimática. ### 3.1 Mecanismos catalíticos enzimáticos As enzimas empregam vários mecanismos catalíticos para acelerar reações, auxiliando na quebra e formação de ligações químicas no sítio ativo [5](#page=5). #### 3.1.1 Catálise ácido-base A catálise ácido-base envolve a transferência de prótons. Em soluções aquosas não catalisadas, ácidos ou bases fortes podem acelerar reações, mas em sítios ativos de enzimas, onde moléculas de água podem não estar prontamente disponíveis, aminoácidos específicos podem atuar como doadores ou aceitadores de prótons. A água é um nucleófilo fraco e o metanol um grupo de saída fraco. As enzimas podem catalisar reações ácidas e básicas simultaneamente [5](#page=5). #### 3.1.2 Catálise covalente Este mecanismo envolve a formação de uma ligação covalente transitória entre a enzima e o substrato. Para que a catálise ocorra, é necessário um grupo nucleofílico na enzima, e o novo caminho reacional deve apresentar uma energia de ativação menor do que a da reação não catalisada. Ambas as novas etapas devem ser mais rápidas do que a reação original [6](#page=6). #### 3.1.3 Catálise por íons metálicos Cerca de um terço das enzimas conhecidas requer íons metálicos para a catálise. Estes íons participam em reações redox, alterando reversivelmente seu estado de oxidação, e interagem fracamente com o substrato, de forma semelhante à ligação do substrato à enzima [6](#page=6). #### 3.1.4 Catálise eletrostática Este tipo de catálise envolve interações preferenciais com o estado de transição da reação [5](#page=5). > **Tip:** A maioria das enzimas utiliza uma combinação de várias estratégias catalíticas para maximizar o aumento da velocidade das reações [6](#page=6). ### 3.2 Cinética enzimática A cinética enzimática foca na determinação da velocidade das reações e como esta é influenciada por parâmetros experimentais. A velocidade da reação é afetada por fatores como a própria enzima, a concentração de substrato, a presença de efetores e a temperatura [6](#page=6). #### 3.2.1 Efeito da concentração de substrato na velocidade da reação A relação entre a concentração de substrato ([S]) e a velocidade inicial da reação ($V_0$) geralmente segue uma curva hiperbólica retangular para a maioria das enzimas [7](#page=7). * Em concentrações baixas de substrato, $V_0$ aumenta quase linearmente com o aumento de [S [7](#page=7). * Em concentrações elevadas de substrato, o aumento em $V_0$ torna-se insignificante, aproximando-se da velocidade máxima ($V_{max}$) [7](#page=7). > **Tip:** A análise da velocidade inicial da reação é conhecida como cinética do estado estacionário [8](#page=8). A equação de Michaelis-Menten descreve matematicamente essa relação. Desvios dessa equação podem ocorrer devido a limitações nas medições, inibição por substrato, ou a presença de inibidores nas preparações de substrato ou enzima [7](#page=7). #### 3.2.2 Estado estacionário e velocidade inicial Após a mistura da enzima com um excesso de substrato, ocorre um curto período inicial (estado pré-estacionário), onde a concentração do complexo enzima-substrato ([ES]) aumenta. Rapidamente, a reação atinge um estado estacionário, onde as concentrações de intermediários permanecem constantes. A análise da velocidade inicial é feita assumindo este estado estacionário [7](#page=7) [8](#page=8). #### 3.2.3 Determinação dos parâmetros cinéticos Os parâmetros cinéticos chave, $K_m$ e $V_{max}$, podem ser calculados a partir do gráfico não linear de Michaelis-Menten. Gráficos lineares, como o de Lineweaver-Burk, são úteis para a análise de dados com múltiplos substratos ou inibição [8](#page=8). #### 3.2.4 Derivação das equações cinéticas enzimáticas Considerando um mecanismo simples com um reagente e um produto, sem inibidores, e concentração total de enzima constante ($E_t = [E + [ES]$), a taxa observada é a taxa de formação do produto [8](#page=8). > **Tip:** É implícito que a concentração total de substrato ($S_t$) é aproximadamente igual à concentração de substrato livre [S ($S_t = [S + [ES \approx [S]$) [8](#page=8). #### 3.2.5 Constante de Michaelis ($K_m$) e Velocidade Máxima ($V_{max}$) A constante de Michaelis ($K_m$) é definida como $(k_{-1} + k_2)/k_1$ para uma reação de dois passos. A velocidade máxima ($V_{max}$) ocorre quando a enzima está totalmente saturada com substrato ($E_t = [ES]$), sendo $V_{max} = k_2[E_t]$. Tanto $K_m$ quanto $V_{max}$ dependem do mecanismo reacional [9](#page=9). #### 3.2.6 Constante de turnover ($k_{cat}$) e eficiência enzimática A constante de turnover, ou número de renovação ($k_{cat}$), descreve a etapa limitante da reação e representa o número de moléculas de substrato convertidas a produto por unidade de tempo por uma enzima saturada. A eficiência cinética de uma enzima é avaliada pela combinação de $K_m$ e $k_{cat}$ [9](#page=9). A constante de especificidade, dada por $k_{cat}/K_m$, é usada para comparar a eficiência catalítica de diferentes enzimas ou a eficiência de uma enzima com diferentes substratos. A eficiência enzimática ($k_{cat}/K_m$) é limitada pela difusão e pode aumentar com a velocidade da reação ou a afinidade ao substrato [9](#page=9). > **Tip:** A $K_m$ de uma enzima geralmente se assemelha à concentração celular de seu substrato [9](#page=9). Quando $[S \ll K_m$, a velocidade inicial ($V_0$) depende tanto de $[E_t]$ quanto de [S, caracterizando uma equação de velocidade de segunda ordem, e a constante $k_{cat}/K_m$ torna-se uma constante de velocidade de segunda ordem com unidades de M$^{-1}$s$^{-1}$. Existe um limite superior para $k_{cat}/K_m$, imposto pela velocidade de difusão de E e S em soluções aquosas [9](#page=9). #### 3.2.7 Reações com dois substratos Reações com dois substratos também podem ser descritas por uma equação semelhante à de Michaelis-Menten, onde a enzima possui uma $K_m$ para cada substrato. A cinética enzimática permite distinguir entre diferentes mecanismos cinéticos [10](#page=10): * **Mecanismo sequencial:** Envolve a formação de um complexo ternário entre a enzima e ambos os substratos. A ordem de ligação pode ser ordenada (um substrato deve se ligar antes do outro) ou aleatória (substratos podem se ligar em qualquer ordem). Em gráficos de Lineweaver-Burk, as linhas se intersectam neste mecanismo [10](#page=10). * **Mecanismo ping-pong (deslocamento duplo):** A formação de um complexo enzima-substrato, liberação do produto, modificação da enzima, formação de um segundo complexo com outro substrato, e liberação do segundo produto. Um grupo funcional pode ser transferido para a enzima, formando uma enzima covalentemente modificada (E'), que depois transfere o grupo para o segundo substrato. Em gráficos de Lineweaver-Burk, as linhas são paralelas neste mecanismo [10](#page=10). --- # Inibição e regulação enzimática A inibição e regulação enzimática são mecanismos cruciais que controlam a atividade das enzimas em sistemas biológicos, ajustando as taxas de reações metabólicas conforme as necessidades celulares [11](#page=11). ### 4.1 Inibição enzimática Inibidores de enzimas são moléculas que interferem com a catálise, diminuindo ou interrompendo as reações enzimáticas. Podem "desligar" permanentemente uma enzima ou ligar-se reversivelmente a ela [11](#page=11). #### 4.1.1 Inibidores reversíveis Inibidores reversíveis ligam-se à enzima e podem dissociar-se dela. Geralmente são análogos estruturais de substratos ou produtos e são frequentemente usados como drogas para retardar enzimas específicas. Estes inibidores podem ligar-se a uma enzima livre, prevenindo a ligação do substrato, ou ao complexo enzima-substrato, prevenindo a catálise [11](#page=11). ##### 4.1.1.1 Inibidor competitivo O inibidor competitivo compete com o substrato pela ligação ao sítio ativo da enzima. Não afeta a catálise, mas diminui a velocidade da reação pela diminuição da afinidade aparente da enzima pelo substrato (aumento aparente de $K_m$). A $V_{max}$ permanece inalterada [11](#page=11). * **Lineweaver-Burk:** As linhas intersetam-se no eixo do y em $-1/V_{max}$. O $K_m$ aparente ($K_m^{app}$) é o $K_m$ medido na presença do inibidor [11](#page=11). > **Tip:** Inibidores competitivos são frequentemente semelhantes em estrutura ao substrato. ##### 4.1.1.2 Inibidor incompetitivo O inibidor incompetitivo liga-se *apenas* ao complexo ES (enzima-substrato). Não afeta a ligação do substrato, mas inibe a função catalítica. Resulta na diminuição de $V_{max}$ e também de $K_m$ (diminuição aparente de $K_m$) [12](#page=12). * **Lineweaver-Burk:** As linhas são paralelas [12](#page=12). * A elevada concentração de substrato ($[S]$) leva a $V_0 \rightarrow V_{max}/a'$ [12](#page=12). * O $K_m$ também diminui porque a $[S]$ necessária para atingir $1/2 V_{max}$ é reduzida pelo fator $a'$ [12](#page=12). > **Tip:** A inibição incompetitiva ocorre frequentemente em reações com dois ou mais substratos ou produtos [13](#page=13). ##### 4.1.1.3 Inibidor misto O inibidor misto liga-se à enzima tanto na ausência quanto na presença do substrato, tipicamente em um sítio regulador. Inibe tanto a ligação do substrato quanto a catálise. Resulta na diminuição de $V_{max}$ e uma mudança aparente de $K_m$ [12](#page=12). * **Lineweaver-Burk:** As linhas intersetam-se à esquerda do eixo do y [12](#page=12). * O $K_m$ pode aumentar ou diminuir dependendo da afinidade do inibidor pela forma livre da enzima vs. o complexo ES [13](#page=13). * A interseção no eixo x é $-1/K_m$, indicando que não há efeito no $K_m$ com o aumento de $[I]$ em certas condições [13](#page=13). > **Tip:** Inibidores não competitivos são um caso especial de inibidores mistos onde a e a' (fatores de afinidade do inibidor para as formas E e ES) são iguais, resultando em nenhuma mudança aparente em $K_m$. A inibição não-competitiva pode ocorrer com ou sem o substrato presente, enquanto a inibição incompetitiva necessita que o complexo ES seja formado [12](#page=12) [13](#page=13). ### 4.2 Regulação enzimática Enzimas regulatórias são cruciais para o controle de vias metabólicas, atuando como "interruptores" que aumentam ou diminuem a atividade em resposta a sinais. Geralmente, a primeira enzima de uma via é uma enzima reguladora. Existem vários tipos de enzimas reguladoras [14](#page=14): * Enzimas alostéricas: afetas pela ligação não covalente reversível de moduladores alostéricos [14](#page=14). * Enzimas não alostéricas/covalentes: afetas por modificação covalente reversível [14](#page=14). * Enzimas reguladoras de ligação de proteínas: estimuladas ou inibidas pela ligação de proteínas regulatórias [14](#page=14). * Enzimas ativadas proteoliticamente: ativadas pela clivagem de segmentos polipeptídicos [14](#page=14). #### 4.2.1 Enzimas alostéricas Enzimas alostéricas funcionam através da ligação reversível e não covalente de compostos reguladores (moduladores ou efetores alostéricos). Estes moduladores podem ser ativadores ou inibidores. O local regulatório e o local catalítico podem estar em subunidades diferentes. A ligação do modulador induz uma mudança conformacional entre um estado T (tenso, inativo) e um estado R (relaxado, ativo) [14](#page=14). ##### 4.2.1.1 Tipos de modulação alostérica * **Homotrópica:** O ligante normal (substrato) e o modulador são a mesma molécula. Nestes casos, as subunidades catalíticas funcionam cooperativamente [14](#page=14) [15](#page=15). * **Heterotrópica:** O modulador é uma molécula diferente do ligante normal [14](#page=14). > **Tip:** Enzimas alostéricas são geralmente maiores e mais complexas, com múltiplas subunidades. Um exemplo é o aspartato transcarbamoilase (ATCase), que catalisa uma etapa inicial na síntese de pirimidinas e é composta por subunidades catalíticas e regulatórias [15](#page=15). * Exemplos de moduladores: * No ATCase, as subunidades reguladoras possuem locais de ligação para ATP (regulador positivo) e CTP (regulador negativo). O CTP é um produto final da via, atuando por feedback negativo. O ATP indica abundância de energia, sinalizando a necessidade de crescimento e síntese de nucleótidos [15](#page=15). ##### 4.2.1.2 Inibição de feedback As etapas reguladas em vias metabólicas são frequentemente catalisadas por enzimas alostéricas. A inibição de feedback ocorre quando o produto final da via inibe especificamente a enzima reguladora, prevenindo o acúmulo excessivo do produto. Um exemplo é a treonina desidratase, que é inibida alostericamente pela L-isoleucina (produto final), a qual se liga a um local regulatório e não ao sítio ativo. A ligação é reversível, e se a concentração de L-isoleucina diminuir, a atividade da enzima aumenta [15](#page=15) [16](#page=16). ##### 4.2.1.3 Cinética das enzimas alostéricas As enzimas alostéricas divergem do comportamento de Michaelis-Menten. Os gráficos de $V_0$ vs. $[S]$ podem apresentar curvas sigmóideas em vez de hiperbólicas. Numa curva sigmóidea, a concentração de substrato que dá $1/2 V_{max}$ é denotada como $K_{0.5}$ [16](#page=16). * **Enzimas alostéricas homotrópicas:** Apresentam curvas sigmóideas. Uma pequena mudança na concentração de substrato pode levar a uma grande mudança na atividade [16](#page=16). * **Enzimas alostéricas heterotrópicas:** * Um ativador torna a curva mais hiperbólica, diminuindo $K_{0.5}$ sem alterar $V_{max}$ [16](#page=16). * Um inibidor torna a curva mais sigmóidea, aumentando $K_{0.5}$ sem alterar $V_{max}$ [16](#page=16). > **Tip:** A cinética dos reguladores alostéricos difere da cinética de Michaelis-Menten. Pode ocorrer modulação onde $V_{max}$ muda e $K_{0.5}$ é constante [17](#page=17). #### 4.2.2 Modificações covalentes Mais de 500 tipos de modificações covalentes são encontradas em proteínas. Estas modificações envolvem a formação reversível de ligações covalentes entre moléculas reguladoras e resíduos de aminoácidos na enzima. A modificação de um resíduo de aminoácido introduz um novo aminoácido com propriedades conformacionais e funcionais alteradas [17](#page=17). ##### 4.2.2.1 Fosforilação proteica A fosforilação é uma modificação covalente comum. Envolve a adição de grupos fosfato a resíduos específicos de aminoácidos por proteínas quinases, e a remoção desses grupos por proteínas fosfatases [18](#page=18). * **Exemplo da fosforilase:** * A forma menos ativa da enzima glicogénio fosforilase é a fosforilase b, na qual os resíduos de serina não são fosforilados [18](#page=18). * A forma mais ativa é a fosforilase a, onde os resíduos de serina são fosforilados [18](#page=18). * A fosforilase b pode ser convertida (ativada) a fosforilase a pela fosforilase quinase [18](#page=18). * A fosforilase a é convertida de volta a fosforilase b pela perda de grupos fosforilo, catalisada pela fosfoproteína fosfatase 1 (PP1) [18](#page=18). * A atividade de ambas as formas é alostericamente regulada por AMP (ativador) e por inibidores como glicose 6-fosfato e ATP [18](#page=18). * A atividade da fosforilase quinase e da PP1 é também regulada por uma via de sinalização hormonal curta que responde ao glucagon e à epinefrina [18](#page=18). > **Tip:** Quando os níveis de açúcar no sangue estão baixos, o pâncreas e as glândulas suprarrenais secretam glucagon e epinefrina. A epinefrina liga-se a receptores, ativando a adenilato ciclase, o que leva à síntese de cAMP e ativação da PKA. A PKA fosforila a fosforilase quinase (ativando-a) e a fosfoproteína fosfatase inibidora 1 (PPI-1), além de inibir a PP1. Este mecanismo complexo desloca o equilíbrio para a forma mais ativa da glicogénio fosforilase [18](#page=18) [19](#page=19). --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Termo | Definição | |------|------------| | Enzima | Biomolécula, geralmente uma proteína ou RNA, que atua como catalisador biológico, acelerando significativamente as taxas de reações químicas sem ser consumida no processo. Possuem alto poder catalítico e especificidade. | | Cofator | Um componente não proteico que pode ser necessário para a atividade catalítica de uma enzima. Pode ser um íon inorgânico ou uma molécula orgânica complexa (coenzima). | | Coenzima | Um tipo de cofator que é uma molécula orgânica ou metalo-orgânica complexa, essencial para a função de certas enzimas, frequentemente atuando como transportadora de grupos químicos em reações. | | Holoenzima | Uma enzima completa e ativa, que consiste na sua parte proteica (apoproteína) ligada a um cofator ou coenzima. | | Apoproteína | A porção proteica de uma holoenzima, que por si só não possui atividade catalítica completa sem o cofator ou coenzima associado. | | Sítio ativo | Região específica de uma enzima, geralmente uma cavidade ou fenda na sua estrutura tridimensional, onde o substrato se liga e ocorre a catálise da reação química. | | Substrato | A molécula sobre a qual uma enzima atua, ligando-se ao seu sítio ativo para ser transformada em produto. | | Energia de ativação ($\Delta G^\ddagger$) | A energia mínima necessária para que as moléculas reagentes atinjam um estado de transição de alta energia, a partir do qual a reação pode prosseguir para formar produtos. As enzimas diminuem essa barreira energética. | | Estado de transição | Um arranjo molecular transiente e de alta energia que ocorre durante uma reação química, onde as ligações estão em processo de quebra e formação, e que representa o ponto de transição entre reagentes e produtos. | | Constante de equilíbrio ($K_{eq}$) | A relação entre as concentrações de produtos e reagentes em um estado de equilíbrio para uma reação reversível, indicando a extensão em que a reação ocorre. | | Velocidade da reação ($V$) | A taxa na qual os reagentes são consumidos ou os produtos são formados em uma reação química, geralmente expressa em termos de concentração por unidade de tempo. | | Constante de velocidade ($k$) | Um fator de proporcionalidade na equação de velocidade que relaciona a velocidade de uma reação às concentrações dos reagentes. Reflete a reatividade intrínseca dos reagentes. | | Catálise ácido-base | Um mecanismo catalítico em que a enzima facilita a transferência de prótons (H+) de ou para o substrato, alterando sua reatividade. | | Catálise covalente | Um mecanismo catalítico em que a enzima forma uma ligação covalente transitória com o substrato, criando um intermediário reativo que altera o caminho da reação. | | Catálise por íons metálicos | Um mecanismo que utiliza íons metálicos como cofatores para auxiliar na catálise, frequentemente envolvidos em reações de oxidação-redução ou na estabilização de cargas. | | Equação de Michaelis-Menten | Uma equação fundamental na cinética enzimática que descreve a relação entre a velocidade inicial da reação ($V_0$) e a concentração do substrato ($[S]$), assumindo um estado estacionário. | | Velocidade máxima ($V_{max}$) | A velocidade máxima teórica de uma reação enzimática que ocorre quando a enzima está completamente saturada com substrato. | | Constante de Michaelis ($K_m$) | Uma medida da afinidade de uma enzima pelo seu substrato; representa a concentração de substrato na qual a velocidade da reação é metade da $V_{max}$. Um $K_m$ menor indica maior afinidade. | | Estado estacionário | Um estado em uma reação enzimática onde a concentração dos intermediários (como o complexo enzima-substrato, $[ES]$) permanece constante ao longo do tempo, permitindo a análise cinética. | | Inibidor enzimático | Uma molécula que se liga a uma enzima e diminui ou interrompe sua atividade catalítica, afetando a velocidade da reação. | | Inibição competitiva | Um tipo de inibição onde o inibidor compete com o substrato pelo sítio ativo da enzima, aumentando a $K_m$ aparente sem alterar a $V_{max}$. | | Inibição incompetitiva | Um tipo de inibição onde o inibidor se liga apenas ao complexo enzima-substrato ($ES$), diminuindo a $V_{max}$ e a $K_m$ aparente de forma proporcional. | | Inibição mista | Um tipo de inibição onde o inibidor pode se ligar tanto à enzima livre quanto ao complexo enzima-substrato, afetando tanto a $V_{max}$ quanto a $K_m$ aparente. | | Enzima alostérica | Uma enzima que é regulada pela ligação de moléculas (moduladores alostéricos) a um sítio regulatório distinto do sítio ativo, o que altera sua conformação e atividade catalítica. | | Modulador alostérico | Uma molécula que se liga a uma enzima alostérica em um sítio regulatório, podendo aumentar (ativador) ou diminuir (inibidor) sua atividade catalítica. | | Inibição de feedback (ou retroalimentação) | Um mecanismo regulatório onde o produto final de uma via metabólica inibe a atividade da primeira enzima da via, prevenindo o acúmulo excessivo de produtos. | | Curva sigmoidea | Um tipo de gráfico (frequentemente $V_0$ vs $[S]$) que exibe uma forma de "S", característica de enzimas alostéricas homotrópicas, indicando cooperação entre subunidades. | | Fosforilação | A adição reversível de um grupo fosfato a uma proteína, geralmente em resíduos de serina, treonina ou tirosina, que pode alterar significativamente sua atividade, conformação ou interações. |

# Formule van fractionele bezetting en toepassingen Dit deel van de studiehandleiding bespreekt de formule voor fractionele bezetting en illustreert de toepassing ervan met een concreet rekenvoorbeeld. ### 1.1 De formule van fractionele bezetting De fractionele bezetting, vaak aangeduid met een parameter zoals 'Q' of 'f', beschrijft het aandeel van de totale capaciteit van een receptor of enzym dat gebonden is aan een ligand of substraat. De formule die hiervoor gebruikt wordt, is als volgt: $$ \text{Fractionele bezetting} = \frac{\text{[S]}}{\text{[S]} + K_m} $$ Hierin staat: * `[S]` voor de concentratie van het substraat of ligand. * `K_m` voor de Michaelis-Menten constante, die de affiniteit van het enzym of de receptor voor het substraat of ligand aangeeft. Een lagere `K_m` duidt op een hogere affiniteit. Deze formule is een vereenvoudigde weergave die veel gebruikt wordt in de biochemie en enzymkinetiek, met name wanneer men de bezettingsgraad van een enzym bij een bepaalde substraatconcentratie wil kwantificeren. > **Tip:** Begrijp de betekenis van `K_m` in relatie tot de substraatconcentratie `[S]`. Als `[S] = K_m`, is de fractionele bezetting 0,5 (of 50%), wat betekent dat de helft van de enzymen bezet is. ### 1.2 Toepassing en berekening Om de toepassing van de formule te verduidelijken, wordt een voorbeeld gegeven van de berekening van de fractionele bezetting. Stel dat de concentratie van het substraat `[S]` gelijk is aan `4Km`. Om de fractionele bezetting te berekenen, substitueren we deze waarde in de formule: $$ \text{Fractionele bezetting} = \frac{4K_m}{4K_m + K_m} $$ Vervolgens vereenvoudigen we de noemer: $$ \text{Fractionele bezetting} = \frac{4K_m}{5K_m} $$ De `K_m` termen heffen elkaar op, wat resulteert in: $$ \text{Fractionele bezetting} = \frac{4}{5} $$ Om dit als een decimaal getal uit te drukken, voeren we de deling uit: $$ \text{Fractionele bezetting} = 0,8 $$ Dit betekent dat bij een substraatconcentratie die vier maal hoger is dan de `K_m`, 80% van de enzymen of receptoren bezet is. > **Voorbeeld:** Als een enzym een `K_m` heeft van 10 micromolaire (µM) en de substraatconcentratie is 40 µM, dan is de fractionele bezetting: > > $$ \text{Fractionele bezetting} = \frac{40 \, \mu M}{40 \, \mu M + 10 \, \mu M} = \frac{40 \, \mu M}{50 \, \mu M} = \frac{4}{5} = 0,8 $$ > > Dus, 80% van het enzym is bezet. --- # Aminozuren en hun eigenschappen Deze sectie behandelt de basale eigenschappen van aminozuren, met specifieke aandacht voor hun rol als zuren en basen, en vergelijkingen tussen verschillende aminozuren zoals glutamaat, glutamine en histidine. ### 2.1 Algemene structuur en eigenschappen van aminozuren Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten en bezitten een gemeenschappelijke structuur: een centraal α-koolstofatoom gebonden aan een carboxylgroep (–COOH), een aminogroep (–NH₂), een waterstofatoom (–H) en een variabele zijketen (R-groep). De aard van de R-groep bepaalt de specifieke eigenschappen van elk aminozuur. ### 2.2 Zuur-base eigenschappen van aminozuren De carboxylgroep en de aminogroep van aminozuren kunnen protonen (H⁺) opnemen of afstaan, wat resulteert in hun amfoteer karakter (zowel zuur als base). Dit leidt tot de vorming van zwitterionen, waarbij de carboxylgroep gedeprotoneerd is (–COO⁻) en de aminogroep geprotoneerd is (–NH₃⁺) bij neutrale pH. De pKa-waarden van de carboxyl- en aminogroepen bepalen bij welke pH de protoneringsstaat verandert. * De carboxylgroep heeft een pKa rond 3-4. * De aminogroep heeft een pKa rond 9-10. De netto lading van een aminozuur is afhankelijk van de omgevingspH en de pKa-waarden van de functionele groepen. #### 2.2.1 Zijketen eigenschappen De R-groep kan ook zuur-base eigenschappen hebben, wat de totale zuur-base eigenschappen van het aminozuur verder beïnvloedt. Aminozuren worden ingedeeld op basis van de eigenschappen van hun zijketens: * **Niet-polair alifatisch:** Glycine, alanine, valine, leucine, isoleucine, methionine, proline. * **Polair neutraal:** Serine, threonine, cysteïne, tyrosine, asparagine, glutamine. * **Zuur geladen:** Aspartaat, glutamaat. * **Basisch geladen:** Lysine, arginine, histidine. #### 2.2.2 Specifieke aminozuren: glutamaat, glutamine en histidine * **Glutamaat (E):** Dit is een zuur aminozuur vanwege de extra carboxylgroep in de zijketen. De zijketen carboxylgroep heeft een pKa rond 4. Bij biologische pH (ongeveer 7.4) is deze zijketen dus gedeprotoneerd en negatief geladen. Glutamaat draagt bij aan de negatieve lading van eiwitten. * **Glutamine (Q):** Glutamine is het amide van glutamaat. De zijketen bevat een amidegroep (–CONH₂) in plaats van een carboxylgroep. Hierdoor is de zijketen van glutamine polair maar neutraal geladen bij biologische pH. Dit onderscheidt glutamine van glutamaat, dat negatief geladen is. * **Histidine (H):** Histidine is een uniek aminozuur omdat de pKa van zijn zijketen (rond 6.0) dicht bij de fysiologische pH ligt. Dit betekent dat histidine bij pH 7.4 gedeeltelijk geprotoneerd en gedeeltelijk gedeprotoneerd kan zijn, wat het een flexibele rol geeft in enzymatische reacties waar het als zowel een zuur als een base kan functioneren. In sommige contexten kan histidine dus basisch reageren, afhankelijk van de exacte pH. > **Tip:** Bij examenvragen over de zuur-base eigenschappen van aminozuren is het cruciaal om te letten op de zijketens en hun pKa-waarden in relatie tot de omgevingspH. ### 2.3 Vergelijking van zuur-base eigenschappen | Aminozuur | Zijketen | pKa zijketen (ongeveer) | Lading bij pH 7.4 | | :-------- | :--------------- | :---------------------- | :---------------- | | Glutamaat | Carboxylgroep | 4.0 | Negatief | | Glutamine | Amidegroep | - | Neutraal | | Histidine | Imidazolring | 6.0 | Variabel/zwak positief | Het verschil tussen glutamaat en glutamine is dus significant: glutamaat is geladen (zuur), terwijl glutamine neutraal is (via de zijketen). Histidine's potentieel om zowel zuur als base te zijn maakt het een belangrijk aminozuur in katalytische centra van enzymen. ### 2.4 Fractionele bezetting De fractionele bezetting, vaak gerelateerd aan enzymkinetiek, kan worden uitgedrukt met de formule: $$ \text{Fractionele bezetting} = \frac{[S]}{[S] + K_m} $$ waarbij $[S]$ de concentratie van het substraat is en $K_m$ de Michaelis-constante. Deze formule geeft aan welk deel van de enzymen bezet is door substraat bij een gegeven substraatconcentratie. > **Voorbeeld:** Als de substraatconcentratie gelijk is aan $4K_m$, dan is de fractionele bezetting: > > $$ \frac{4K_m}{4K_m + K_m} = \frac{4K_m}{5K_m} = \frac{4}{5} = 0.8 $$ > > Dit betekent dat 80% van de enzymen bezet is met substraat. --- # Specifieke biochemische processen en aandoeningen Dit gedeelte behandelt specifieke biochemische processen, waaronder de rol van glutaminezuur, lysosomale opslagziekten zoals Tay-Sachs, de functie van gamma-crystallines en post-translationele modificaties zoals myristoylering. ### 3.1 Glutaminezuur en de omzetting naar dihydrofolaat Glutaminezuur speelt een rol in de synthese van dihydrofolaat, een belangrijke precursor voor vitamines. Bij dit proces wordt glutaminezuur, in combinatie met ATP, gebruikt om een tweede molecule om te zetten in dihydrofolaat. ### 3.2 Tay-Sachs ziekte Tay-Sachs ziekte is een lysosomale opslagziekte die wordt veroorzaakt door een deficiëntie van het enzym hexosaminidase A. Dit leidt tot de accumulatie van glycosphingolipiden, met name GM2-gangliosiden, in de lysosomen van neuronen. De ziekte resulteert in ernstige neurologische schade, waaronder intellectuele achteruitgang, blindheid, doofheid en spasticiteit, en is meestal fataal in de vroege kinderjaren. ### 3.3 Gamma-crystallines Gamma-crystallines zijn eiwitten die betrokken zijn bij verschillende cellulaire processen, waaronder de stabilisatie van membraanstructuren en het fungeren als chaperonne-eiwitten. Ze worden geassocieerd met cataractvorming in de lens van het oog, maar ook met andere celtypen waar ze mogelijk een rol spelen in het behoud van cellulaire integriteit en de respons op stress. ### 3.4 Post-translationele modificaties (PTM's) met myristylaat Post-translationele modificaties (PTM's) zijn chemische veranderingen aan eiwitten na hun synthese. Een specifieke PTM is myristoylering, waarbij een myristylaat-groep (een vetzuur met 14 koolstofatomen) covalent wordt gebonden aan een eiwit. Dit gebeurt meestal aan een N-terminaal glycine residu. Myristoylering kan de eiwitlokalisatie, interacties en activiteit beïnvloeden. Src, een tyrosinekinase, is een voorbeeld van een eiwit dat myristoylering kan ondergaan, wat cruciaal is voor zijn correcte functioneren en membraangebonden lokalisatie. ### 3.5 Enzymkinetiek en fractionele bezetting De fractionele bezetting van een enzym met zijn substraat kan worden berekend met de volgende formule: $$ \text{Fractionele bezetting} = \frac{[S]}{[S] + K_m} $$ waarbij $[S]$ de substraatconcentratie is en $K_m$ de Michaelis-Menten constante. **Voorbeeld:** Stel dat de substraatconcentratie $[S]$ gelijk is aan $4K_m$. De fractionele bezetting wordt dan: $$ \text{Fractionele bezetting} = \frac{4K_m}{4K_m + K_m} = \frac{4K_m}{5K_m} = \frac{4}{5} = 0.8 $$ Dit betekent dat bij een substraatconcentratie van $4K_m$, het enzym voor 80% bezet is met substraat. > **Tip:** De $K_m$ vertegenwoordigt de substraatconcentratie waarbij het enzym half verzadigd is. Een lagere $K_m$ duidt op een hogere affiniteit van het enzym voor het substraat. ### 3.6 Aminozuren en hun eigenschappen Bij de beoordeling van aminozuren is het belangrijk om hun chemische eigenschappen, zoals oplosbaarheid en reactiviteit, te overwegen. Bijvoorbeeld, de aanwezigheid van hydroxylgroepen ($\text{OH}$-groepen) kan bepaalde reacties beïnvloeden. Wanneer wordt gevraagd naar de meest basische aminozuren, moet rekening worden gehouden met de pH-afhankelijke ionisatie van de zijketens. Glutaminezuur (glutamaat) is een zuur aminozuur, terwijl glutamine een neutraal amide is. Histidine kan onder bepaalde omstandigheden basisch reageren vanwege de pKa van zijn imidazole ring. > **Tip:** Wees alert op vragen die vragen naar wat *fout* is, omdat dit vaak draait om subtiele verschillen in aminozuurchemie of eiwitmodificaties. --- # Belangrijke examenonderwerpen Dit document geeft een overzicht van terugkerende examenonderwerpen zoals fractionele bezetting, chymotrypsine, aminozuren en Tay-Sachs/gamma-crystallines. ### 4.1 Fractionele bezetting Fractionele bezetting beschrijft in de biochemie de mate waarin enzymen of receptoren bezet zijn door hun substraat of ligand. Het is een cruciale parameter bij het analyseren van enzymkinetiek en signaaltransductie. De formule voor fractionele bezetting is als volgt: $$ \text{Fractionele bezetting} = \frac{(S)}{(S) + K_m} $$ Hierbij staat $(S)$ voor de concentratie van het substraat of ligand, en $K_m$ voor de Michaelis-Menten constante. De $K_m$ vertegenwoordigt de substraatconcentratie waarbij de reactiesnelheid van een enzym de helft is van de maximale reactiesnelheid ($V_{max}$). Het geeft tevens een indicatie van de affiniteit van het enzym voor zijn substraat; een lagere $K_m$ duidt op een hogere affiniteit. **Voorbeeld:** Als de substraatconcentratie $(S)$ gelijk is aan vier keer de $K_m$, dan wordt de fractionele bezetting als volgt berekend: $$ \text{Fractionele bezetting} = \frac{4K_m}{4K_m + K_m} = \frac{4K_m}{5K_m} = \frac{4}{5} = 0,8 $$ Dit betekent dat het enzym voor 80% bezet is bij deze substraatconcentratie. > **Tip:** Begrijp de relatie tussen substraatconcentratie, $K_m$ en fractionele bezetting. Een hogere substraatconcentratie leidt tot een hogere bezetting, maar de $K_m$ bepaalt bij welke concentratie dit effect significant wordt. ### 4.2 Chymotrypsine Chymotrypsine is een belangrijk spijsverteringsenzym dat behoort tot de familie van serineproteasen. Het speelt een cruciale rol bij de afbraak van eiwitten in de dunne darm. * **Functie:** Chymotrypsine hydrolyseert peptidenbindingen, bij voorkeur na aromatische aminozuren zoals fenylalanine, tryptofaan en tyrosine. Dit wordt mogelijk gemaakt door een specifieke katalytische triade en een hydrofoob "zakje" in het actieve centrum dat deze aromatische residuen herkent. * **Actief centrum:** De specificiteit van chymotrypsine wordt bepaald door de aminozuursequentie rond het actieve centrum. Het beschikt over een "holletje" (pocket) dat specifiek is voor de zijketens van aromatische aminozuren. * **Activatie:** Chymotrypsine wordt gesynthetiseerd in de pancreas als een inactieve precursor, chymotrypsinogeen. Dit wordt door trypsine geactiveerd tot $\pi$-chymotrypsine, dat vervolgens zichzelf verder activeert tot het actieve $\alpha$-chymotrypsine. ### 4.3 Aminozuren Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten en bezitten unieke chemische eigenschappen die hun functie en interacties bepalen. Belangrijke aspecten die vaak terugkomen in examenvragen zijn: * **Polariteit en lading:** Aminozuren kunnen apolair, polair neutraal, polair positief geladen (basisch) of polair negatief geladen (zuur) zijn. Deze eigenschappen beïnvloeden de oplosbaarheid van eiwitten en hun interacties. * **Basische aminozuren:** Lysine (K), Arginine (R) en Histidine (H) zijn de belangrijkste basische aminozuren. Histidine is bijzonder omdat zijn pKa nabij de fysiologische pH ligt, waardoor het zowel als zuur als base kan functioneren en een rol speelt in enzymatische reacties. Glutamine (Q) en Glutaminezuur (E) zijn daarentegen niet basisch; Glutaminezuur is zuur. * **Similariteit:** In de context van eiwitstructuur en evolutie kan de similariteit tussen aminozuursequenties worden geanalyseerd om verwantschap tussen eiwitten te bepalen. * **Post-translationele modificaties (PTM):** Aminozuren kunnen na translatie worden gemodificeerd, wat de functie van het eiwit aanzienlijk kan veranderen. Een voorbeeld is myristylering, een vetzuurconjugatie die kan plaatsvinden bij eiwitten zoals Src. ### 4.4 Tay-Sachs en gamma-crystallines * **Tay-Sachs ziekte:** Dit is een zeldzame, ernstige genetische neurologische aandoening die wordt veroorzaakt door een tekort aan het enzym hexosaminidase A. Dit enzym is essentieel voor de afbraak van vetten genaamd ganglioside GM2 in de hersenen. Een ophoping van deze vetten leidt tot progressieve schade aan zenuwcellen. * **Gamma-crystallines:** Deze eiwitten zijn normaal gesproken structurele componenten van de lens van het oog en dragen bij aan de transparantie en refractie van licht. Recent onderzoek heeft echter aangetoond dat gamma-crystallines ook een rol kunnen spelen bij celbescherming en stressrespons, en mogelijk betrokken zijn bij bepaalde pathologische processen, waaronder neurodegeneratieve aandoeningen. De relatie met Tay-Sachs is minder direct gedocumenteerd in de verstrekte tekst, maar de vermelding suggereert een mogelijke connectie in de context van cellulaire pathologie of beschermingsmechanismen. > **Tip:** Wanneer gevraagd wordt naar foutieve uitspraken, lees de opties dan zorgvuldig en vergelijk ze met de bekende eigenschappen van de betrokken moleculen. Let op specifieke details zoals de lading van aminozuren of de functie van enzymen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Fractionele bezetting | Een maat voor de mate waarin enzymen of receptoren bezet zijn door hun substraten of liganden. Het wordt berekend met de formule `(S) / (S)+Km`, waarbij `(S)` de concentratie van het substraat is en `Km` de Michaelis-constante. | | Michaelis-constante (Km) | De substraatconcentratie waarbij de reactiesnelheid van een enzymreactie de helft is van de maximale reactiesnelheid ($V_{max}$). Een lagere Km geeft een hogere affiniteit van het enzym voor het substraat aan. | | Glutaminezuur | Een van de twintig standaard aminozuren, aangeduid met de eenletterige code E. Het is een zure aminozuur met een carboxylgroep in zijn zijketen, maar kan onder bepaalde omstandigheden als base fungeren door protonacceptatie. | | Glutamine | Een van de twintig standaard aminozuren, aangeduid met de eenletterige code Q. Het is een polair, neutraal aminozuur dat niet typisch als base wordt beschouwd in biologische systemen, hoewel het wel in staat is protonen op te nemen. | | Histidine | Een van de twintig standaard aminozuren, aangeduid met de eenletterige code H. De zijketen van histidine bevat een imidazoolring, die kan fungeren als zowel een protonendonor als een protonacceptor bij fysiologische pH, waardoor het een uniek buffereffect heeft en als basisch kan reageren. | | Dihydrofolaat | Een gereduceerde vorm van foliumzuur (vitamine B11), essentieel voor de synthese van DNA en RNA. Het wordt gevormd uit dihydrofoliumzuur en speelt een cruciale rol in diverse cellulaire processen, waaronder celdeling en groei. | | Post-translationele modificatie (PTM) | Een chemische modificatie van een eiwit na de synthese ervan door ribosomen. Deze modificaties, zoals acylering, fosforylering of myristylering, kunnen de functie, lokalisatie of stabiliteit van het eiwit aanzienlijk beïnvloeden. | | Myristylaat | Het anion van myristinezuur, een verzadigd vetzuur met veertien koolstofatomen ($C_{14}H_{28}O_2$). Myristylering is een type post-translationele modificatie waarbij een myristylgroep aan een eiwit wordt gehecht, vaak aan het N-terminus. | | Tay-Sachs ziekte | Een zeldzame, erfelijke genetische aandoening die wordt veroorzaakt door een tekort aan het enzym hexosaminidase A (Hex-A). Dit leidt tot de ophoping van bepaalde vetachtige stoffen (GM2-gangliosiden) in de hersenen en zenuwcellen, wat ernstige neurologische schade veroorzaakt. | | Gamma-crystallines | Een familie van eiwitten die oorspronkelijk werden geïdentificeerd in de lens van het oog, waar ze bijdragen aan de transparantie en refractieve eigenschappen. Buiten de lens hebben gamma-crystallines diverse andere functies, waaronder mogelijk een rol bij de opslag van biomoleculen en als stress-gerelateerde eiwitten. | | Chymotrypsine | Een type protease, een enzym dat eiwitten afbreekt door peptidebindingen te splitsen. Chymotrypsine speelt een belangrijke rol in de spijsvertering door de afbraak van eiwitten in het dunne darmkanaal. |

# Insuline en glucagon regulatie van metabolisme Dit onderwerp beschrijft hoe insuline en glucagon het metabolisme, inclusief anabole en katabole processen, reguleren en hun specifieke effecten op lever, spier en vetweefsel. ### 1.1 Overzicht van metabole staten Het menselijk metabolisme kent verschillende staten die worden gekenmerkt door de beschikbaarheid van nutriënten en de activiteit van hormonen zoals insuline en glucagon. Deze staten zijn [2](#page=2): * **Fed state (postprandiaal metabolisme):** De periode na een maaltijd wanneer nutriënten worden opgenomen [2](#page=2). * **Overnight fast (post-absorptie metabolisme):** De periode na een nacht vasten, wanneer het lichaam op reserves begint te teren [2](#page=2). * **Starvation (langdurig vasten):** Langdurige periodes zonder voedselinname [2](#page=2). * **Fight or flight (stress/injury):** Het metabolisme tijdens periodes van stress of letsel, waarbij hormonen zoals catecholamines een rol spelen [2](#page=2) [6](#page=6). ### 1.2 Insuline Insuline is een anabool hormoon dat zowel anabole paden stimuleert als katabole paden inhibeert. De belangrijkste anabole functies zijn de stimulatie van glycolyse, glycogeen synthese, eiwitsynthese, en de synthese van vetzuren en triacylglycerolen. Insuline werkt in de lever, het spierweefsel en het vetweefsel [4](#page=4). #### 1.2.1 Insuline-afhankelijke glucoseopname De opname van glucose door cellen is afhankelijk van specifieke transporters. In spier- en vetweefsel is de glucose-opname gereguleerd door de **GLUT-4 transporter**, die insuline-afhankelijk is. Dit betekent dat insuline de expressie en translocatie van GLUT-4 naar het celmembraan stimuleert, waardoor glucose efficiënter de cellen kan binnenkomen [4](#page=4). #### 1.2.2 Insuline-onafhankelijke glucoseopname in de lever In de lever vindt glucose-opname plaats via de **GLUT-2 transporter**, die insuline-onafhankelijk is. Deze transporter heeft een hoge capaciteit, wat fungeert als een "overloopcapaciteit" of "ontsnappingsroute" voor glucose, waardoor de lever flexibel kan reageren op wisselende bloedglucosespiegels [4](#page=4). #### 1.2.3 Metabole effecten van insuline * **Lever:** Insuline stimuleert glycogeensynthese en glycolyse, en remt gluconeogenese en glycogenolyse [4](#page=4). * **Spierweefsel:** Insuline stimuleert glucoseopname (via GLUT-4) en glycogeen synthese [4](#page=4). * **Vetweefsel:** Insuline stimuleert glucoseopname (via GLUT-4) en de synthese van triacylglycerolen, terwijl het lipolyse remt [4](#page=4). ### 1.3 Glucagon Glucagon is een katabool hormoon met als primaire rol het verhogen van de plasmaglucoseconcentratie. Het werkt in samenwerking met andere "counter-regulatorische" hormonen zoals groeihormoon, cortisol en catecholamines [6](#page=6). #### 1.3.1 Metabole effecten van glucagon Glucagon stimuleert verschillende katabole processen die leiden tot een hogere bloedglucosespiegel: * **Glycogenolyse:** Afbraak van glycogeen tot glucose in de lever [6](#page=6). * **Gluconeogenese:** Synthese van glucose uit niet-koolhydraatbronnen in de lever [6](#page=6). * **Ketogenese:** Vorming van ketonen in de lever [6](#page=6). * **Vetzurenoxidatie:** Afbraak van vetzuren voor energieproductie in de lever [6](#page=6). Tegelijkertijd inhibeert glucagon anabole processen: * **Glycolyse:** Afbraak van glucose [6](#page=6). * **Glycogeensynthese:** Vorming van glycogeen [6](#page=6). * **Triacylglycerolensynthese:** Vorming van vetten [6](#page=6). #### 1.3.2 Specifieke rol van glucagon Glucagon heeft voornamelijk effect op de **lever**. Belangrijk is dat glycogenolyse in het spierweefsel en lipolyse in het vetweefsel niet primair door glucagon, maar door **epinefrine** worden gestimuleerd [6](#page=6). > **Tip:** Begrijpen welke hormonen in welke weefsels actief zijn, is cruciaal voor het duiden van de specifieke metabole reacties. Insuline werkt breed, terwijl glucagon primair de lever aanstuurt voor glucoseproductie. --- # Fosfofructokinase-1 (PFK-1) regulatie Dit deel behandelt de specifieke regulatie van het enzym fosfofructokinase-1, inclusief de invloed van verschillende moleculen zoals ATP, AMP, citraat en fructose-2,6-bifosfaat [9](#page=9). ### 2.1 Overzicht van PFK-1 regulatie Fosfofructokinase-1 (PFK-1) is een cruciaal enzym in de glycolyse, dat de omzetting van fructose-6-fosfaat (F-6-P) naar fructose-1,6-bifosfaat (F-1,6-BP) katalyseert. De activiteit van PFK-1 wordt streng gereguleerd door de energietoestand van de cel en door signalen die de beschikbaarheid van substraten aangeven. Dit zorgt ervoor dat de glycolyse efficiënt wordt aangepast aan de behoeften van de cel [9](#page=9). ### 2.2 Allosterische regulatie van PFK-1 PFK-1 ondergaat allosterische regulatie door verschillende moleculen, waaronder ATP, AMP en citraat [9](#page=9). #### 2.2.1 Regulatie door ATP ATP is zowel een substraat voor de reactie als een allosterische modulator van PFK-1 [9](#page=9). * **Activiteit:** ATP bindt aan het actieve centrum van PFK-1, waar het reageert met fructose-6-fosfaat [9](#page=9). * **Remming:** Bij hoge intracellulaire ATP-concentraties, wat duidt op een hoge energietoestand van de cel, bindt ATP ook aan een apart allosterisch bindingsplaats op PFK-1. Deze binding vermindert de affiniteit van het enzym voor zijn substraat fructose-6-fosfaat, wat leidt tot een remming van de glycolyse. Dit is een belangrijk mechanisme om te voorkomen dat glucose wordt afgebroken wanneer de cel voldoende energie heeft [9](#page=9). #### 2.2.2 Activatie door AMP AMP (adenosine monofosfaat) heeft een tegengesteld effect aan ATP [9](#page=9). * **Activatie:** Wanneer de ATP-concentratie laag is en de AMP-concentratie hoog (wat duidt op een lage energietoestand van de cel), bindt AMP aan een allosterisch bindingsplaats op PFK-1. Dit verhoogt de affiniteit van het enzym voor fructose-6-fosfaat en versoepelt de remming door ATP, waardoor de glycolyse wordt gestimuleerd [9](#page=9). #### 2.2.3 Remming door citraat Citraat is een tussenproduct in de citroenzuurcyclus en een indicator van de beschikbaarheid van substraten voor de oxidatieve fosforylering [9](#page=9). * **Remming:** Hoge concentraties citraat in het cytoplasma remmen PFK-1 allosterisch. Dit signaleert dat de citroenzuurcyclus al goed draait en dat er voldoende energie wordt geproduceerd, waardoor de glycolyse verder wordt vertraagd [9](#page=9). ### 2.3 Rol van fructose-2,6-bifosfaat (F-2,6-BP) Fructose-2,6-bifosfaat (F-2,6-BP) is een krachtige allosterische activator van PFK-1, vooral in de lever [9](#page=9). * **Activatie:** F-2,6-BP bindt aan een specifieke allosterische bindingsplaats op PFK-1 en verhoogt de affiniteit van het enzym voor fructose-6-fosfaat aanzienlijk. Bovendien vermindert het de remmende werking van ATP op PFK-1. Dit betekent dat zelfs bij hoge ATP-concentraties, de aanwezigheid van F-2,6-BP de glycolyse kan laten doorgaan [9](#page=9). * **Productie en afbraak:** De concentratie van F-2,6-BP wordt gereguleerd door een "tandem enzym" dat bestaat uit twee functionele eenheden [9](#page=9). * PFK-2 (fosfofructokinase-2) katalyseert de synthese van F-2,6-BP. De activiteit van PFK-2 daalt bij hoge glucoseconcentraties [9](#page=9). * Fructose-2,6-bifosfatase katalyseert de afbraak van F-2,6-BP. De activiteit van fructose-2,6-bifosfatase stijgt bij hoge glucoseconcentraties [9](#page=9). * **Signaalmolecule:** F-2,6-BP fungeert als een signaalmolecule die de glycolyse koppelt aan de glucosemetabolisme [9](#page=9). ### 2.4 Regulatie in de lever In de lever speelt de regulatie van PFK-1 een belangrijke rol bij het handhaven van de bloedglucosewaarden [9](#page=9). * **Glucokinase en de "ontsnappingsroute":** Glucokinase (in tegenstelling tot hexokinase) heeft een lagere affiniteit voor glucose en wordt niet geremd door zijn product glucose-6-fosfaat. Dit stelt de lever in staat om bij hoge glucoseconcentraties (na een maaltijd) veel glucose op te nemen en te verwerken, zelfs als de ATP-spiegels hoog zijn [9](#page=9). * **Gevoeligheid voor ATP:** Het tandem enzym verliest zijn gevoeligheid voor ATP wanneer het wordt geactiveerd door F-2,6-BP. Dit is cruciaal voor het mechanisme waarbij de lever glucose opneemt en opslaat of omzet, ongeacht de directe energietoestand van de cel [9](#page=9). > **Tip:** Begrijpen hoe de verschillende regulatoren (ATP, AMP, citraat, F-2,6-BP) interageren met PFK-1 is essentieel voor het beoordelen van de flux door de glycolyse onder verschillende fysiologische omstandigheden. Let op het onderscheid tussen de allosterische effecten en de substraatbinding van ATP. > **Tip:** De lever heeft unieke mechanismen, zoals de rol van glucokinase en de regulatie van F-2,6-BP, die ervoor zorgen dat het efficiënt kan reageren op variaties in bloedglucose. --- **Overzicht van Regulatie op PFK-1:** * **Activatie:** * AMP [9](#page=9). * Fructose-2,6-bifosfaat (F-2,6-BP) [9](#page=9). * **Remming:** * ATP (allosterisch) [9](#page=9). * Citraat [9](#page=9). --- # Postprandiaal en post-absorptief metabolisme Dit onderwerp onderzoekt de metabole aanpassingen in het lichaam tijdens periodes van voeding (postprandiaal) en vasten (post-absorptief), met de focus op nutriëntentransfer en de rol van diverse organen [10](#page=10). ### 3.1 Postprandiaal metabolisme (fed state) Het postprandiale metabolisme, ook wel de "fed state" genoemd, treedt op na een maaltijd en wordt gekenmerkt door een verhoogde insulinespiegel en een onderdrukte glucagonspiegel. Dit hormonaal signaal stuurt nutriënten naar opslag en faciliteert energieproductie [11](#page=11). #### 3.1.1 Rol van organen in de fed state * **Lever:** De lever schakelt van glucoseverbruik naar glucoseproductie. Na een maaltijd wordt glucose omgezet in glucose-6-fosfaat ($G6P$). Dit glucose-6-fosfaat kan worden gebruikt voor glycogeen synthese, de pentose monofosfaat pathway voor de aanmaak van NADPH+ en H+ (essentieel voor vetzuur-, cholesterol- en nucleïnezuren synthese), of voor glycolyse, waarbij pyruvaat en acetyl-CoA worden gevormd voor verdere vetzuursynthese. De glycogeen synthese wordt gestimuleerd, terwijl de glycogenolyse wordt geïnhibeerd. Ook de glycolyse wordt gestimuleerd, en de neoglucogenese wordt geremd [11](#page=11) [15](#page=15). * > **Tip:** In de fed state produceert de lever geen glucose meer voor het bloed, maar slaat het juist glucose op in de vorm van glycogeen. * **Spiermassa:** Spierweefsel neemt glucose op uit het bloed, vooral onder invloed van insuline. De glycogeen synthese wordt gestimuleerd, waardoor energie reserves worden aangelegd. Daarnaast worden aminozuren opgenomen ten behoeve van eiwitsynthese [11](#page=11) [12](#page=12). * **Vetweefsel:** Vetweefsel neemt vetzuren op uit de bloedbaan en synthetiseert triacylglycerolen, wat leidt tot vetopslag. De lipolyse (afbraak van vetten) wordt geremd [11](#page=11) [12](#page=12). #### 3.1.2 Overzicht nutriëntentransfer in de fed state Het volgende diagram illustreert de belangrijkste nutriëntentransfers en metabole routes in de lever, hersenen, spieren en vetweefsel tijdens de postprandiale fase:  *Afbeelding: Schematische weergave van nutriëntentransfer en metabole routes in de "fed state" * [13](#page=13). ### 3.2 Post-absorptief metabolisme (overnight fast) Het post-absorptieve metabolisme, of de "overnight fast", is de metabole staat die optreedt na een periode van vasten, bijvoorbeeld 12 uur na de laatste maaltijd. Gedurende deze periode schakelt het lichaam over op de mobilisatie van opgeslagen energie [17](#page=17). #### 3.2.1 Rol van organen in de post-absorptieve staat * **Lever:** De lever wordt een glucose-producerend orgaan om de bloedglucosewaarden stabiel te houden voor organen die afhankelijk zijn van glucose, zoals de hersenen. De glycogeen synthese daalt, terwijl de glycogenolyse (afbraak van glycogeen) toeneemt. Ook de glycolyse daalt en de neoglucogenese (aanmaak van glucose uit niet-koolhydraat bronnen) stijgt. De lever induceert glucose-6-fosfatase, wat nodig is voor glycogenolyse, en inhibeert glucokinase, wat de glycolyse remt. Aanvankelijk wordt glycogeen als energiebron gebruikt, maar na verloop van tijd wordt neoglucogenese steeds belangrijker [15](#page=15). * **Spiermassa:** In de post-absorptieve staat kan spierweefsel bijdragen aan de beschikbaarheid van substraten voor neoglucogenese, met name via de glucose-alanine cyclus. Aminozuren worden afgebroken, waarbij alanine wordt gevormd en naar de lever wordt getransporteerd voor neoglucogenese [18](#page=18). * **Vetweefsel:** Het vetweefsel mobiliseert opgeslagen energie door middel van lipolyse, waarbij triacylglycerolen worden gehydrolyseerd tot vetzuren en glycerol. Deze vetzuren kunnen door andere weefsels worden gebruikt als energiebron, terwijl glycerol naar de lever wordt getransporteerd voor neoglucogenese [18](#page=18). #### 3.2.2 Substraten voor neoglucogenese De belangrijkste substraten voor neoglucogenese in de post-absorptieve staat zijn: * Lactaat: afkomstig uit anaerobe glycolyse in o.a. rode bloedcellen en spieren (Cori cyclus) [18](#page=18). * Alanine: afkomstig uit spierweefsel (glucose-alanine cyclus) [18](#page=18). * Glycerol: afkomstig uit de hydrolyse van triacylglycerolen in vetweefsel (lipolyse) [18](#page=18). #### 3.2.3 Overzicht nutriëntentransfer in de post-absorptieve staat Het volgende diagram illustreert de belangrijkste nutriëntentransfers en metabole routes in de lever, hersenen, spieren en vetweefsel tijdens de post-absorptieve fase, ongeveer 12 uur na de laatste maaltijd:  *Afbeelding: Schematische weergave van nutriëntentransfer en metabole routes in de "post-absorptieve state" * [16](#page=16). --- # Langdurig vasten en metabolisme bij stress Dit onderwerp beschrijft de metabole consequenties van langdurig vasten en de reactie van het lichaam op acute stressvolle situaties. ### 4.1 Langdurig vasten (starvation) Langdurig vasten, ook wel 'starvation' genoemd, wordt gekenmerkt door een chronisch lage insulinespiegel en een hoge glucagonstatus. Het lichaam schakelt over op vrije vetzuren als belangrijkste energiebron. Vetzuren worden in de lever omgezet tot acetyl-CoA. Vanwege een tekort aan oxaloacetaat, veroorzaakt door gluconeogenese, kan acetyl-CoA niet volledig de citroenzuurcyclus (Krebs) ingaan. Dit leidt tot ketogenese, waarbij de lever ketonen produceert. Deze ketonen dienen als brandstof voor spieren en uiteindelijk ook voor de hersenen. Om het lichaam te beschermen, wordt het verbruik van eiwitten als substraten voor gluconeogenese geminimaliseerd. De Cori-cyclus speelt een rol bij het in stand houden van de glucoseconcentratie. Bovendien daalt de concentratie van schildklierhormoon, wat resulteert in een lager metabolisme [19](#page=19). > **Tip:** Het lichaam probeert dus zo efficiënt mogelijk om te gaan met de beperkte energievoorziening tijdens langdurig vasten door vetten en ketonen te prioriteren en eiwitafbraak te minimaliseren. Het volgende diagram illustreert de weefselbetrokkenheid en metabole stromen tijdens langdurig vasten, ongeveer een week na de laatste maaltijd [20](#page=20): > **Example:** > ```mermaid > graph LR > Lever -->|ketolichamen| Hersenen > Lever -->|ketolichamen| Spier > Vetweefsel -->|vetzuren| Lever > Spier -->|aminozuren| Lever > Spier -->|pyruvaat| Lever > Dundarm -->|glucose| Spier > Dundarm -->|aminozuren| Spier > Triglyceriden -->|vetzuren| Vetweefsel > Proteïnen -->|aminozuren| Spier > Vetzuren --> AcetylCoA > AcetylCoA --> ketolichamen > AcetylCoA --> Krebs > ``` ### 4.2 Metabolisme bij stress (fight or flight) De "fight or flight" respons is de metabole reactie van het lichaam op acute stress, zoals trauma, chirurgie, infecties of brandwonden. Deze respons wordt getriggerd door verhoogde activiteit van het orthosympathische zenuwstelsel, wat leidt tot vasoconstrictie, tachycardie en tachypnee. De reactie wordt gedreven door counter-regulerende hormonen zoals catecholamines (epinefrine), cortisol en glucagon, en gaat gepaard met insulineresistentie [22](#page=22) [23](#page=23). Tijdens deze stressrespons worden anabole pathways (zoals glycogeen synthese en lipogenese) onderdrukt. Tegelijkertijd worden katabole pathways gestimuleerd, waaronder glycogenolyse, lipolyse en proteolyse. De prioriteit van het lichaam ligt bij het voorzien van de hersenen van suiker. Daarna volgen vetzuren, die worden omgezet in ketonen als energiebron. Aminozuren worden vanuit spieren gebruikt voor gluconeogenese, wat leidt tot een negatieve stikstofbalans, meestal 2 tot 3 dagen na het trauma. Dit proces resulteert in stress-geïnduceerde hyperglycemie, wat een tijdelijk fenomeen is [23](#page=23). > **Tip:** Begrijpen van de "fight or flight" respons is cruciaal, omdat het verklaart waarom het lichaam in acute situaties prioriteit geeft aan glucose en hoe dit kan leiden tot een verhoogde bloedsuikerspiegel, zelfs bij patiënten die normaal geen diabetes hebben. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Metabolisme | Het geheel van chemische processen die plaatsvinden in levende organismen om leven te onderhouden. Dit omvat zowel anabole (opbouwende) als katabole (afbrekende) reacties. | | Insuline | Een hormoon geproduceerd door de bètacellen van de pancreas dat een sleutelrol speelt bij het reguleren van de bloedsuikerspiegel door glucoseopname in cellen te bevorderen en glycogeen-, vet- en eiwitsynthese te stimuleren. | | Glucagon | Een hormoon geproduceerd door de alfacellen van de pancreas dat tegengesteld werkt aan insuline door de bloedsuikerspiegel te verhogen via glycogenolyse en gluconeogenese, voornamelijk in de lever. | | Glycolyse | Het metabole pad dat glucose omzet in pyruvaat, wat een belangrijke bron van energie is. Dit proces vindt plaats in het cytoplasma van de cel. | | Glycogenese | Het proces waarbij glucose wordt omgezet in glycogeen voor opslag, voornamelijk in de lever en spieren. Dit wordt gestimuleerd door insuline. | | Glycogenolyse | Het afbreken van glycogeen tot glucose, voornamelijk in de lever en spieren, om de bloedsuikerspiegel te verhogen of energie te leveren. Dit wordt gestimuleerd door glucagon en adrenaline. | | Gluconeogenese | Het biochemische proces waarbij glucose wordt gesynthetiseerd uit niet-koolhydraatprecursoren zoals lactaat, glycerol en aminozuren. Dit vindt voornamelijk plaats in de lever en nieren. | | Ketogenese | De aanmaak van ketonlichamen (acetoacetaat, bètahydroxybutyraat, aceton) uit acetyl-CoA, voornamelijk in de lever tijdens perioden van vasten of laag koolhydraatgebruik. Ketonen dienen als alternatieve brandstof voor het lichaam, met name voor de hersenen. | | PFK-1 (Fosfofructokinase-1) | Een cruciaal enzym in de glycolyse dat fructose-6-fosfaat omzet in fructose-1,6-bisfosfaat. De activiteit van PFK-1 wordt nauwkeurig gereguleerd door metabole signalen zoals ATP, AMP en citraat. | | GLUT-4 transporter | Een glucose transporter die voornamelijk voorkomt in spier- en vetweefsel. De activiteit en translokatie naar het celmembraan van GLUT-4 zijn afhankelijk van insuline. | | GLUT-2 transporter | Een glucose transporter die voornamelijk voorkomt in de lever, alvleesklier en darmwand. De activiteit van GLUT-2 is grotendeels onafhankelijk van insuline, wat een hogere glucoseopnamecapaciteit mogelijk maakt. | | Fed state (postprandiaal metabolisme) | De metabole toestand van het lichaam na het nuttigen van een maaltijd, gekenmerkt door een verhoogde bloedsuikerspiegel en de activering van anabole processen zoals glycogeen- en vetopslag, gestimuleerd door insuline. | | Overnight fast (post-absorptief metabolisme) | De metabole toestand van het lichaam gedurende de nacht na de laatste maaltijd, waarbij de bloedsuikerspiegel wordt gehandhaafd door glycogenolyse en gluconeogenese in de lever, en vet wordt gemobiliseerd. | | Starvation (langdurig vasten) | Een metabole toestand die optreedt na langdurige onthouding van voedsel, gekenmerkt door het gebruik van vetzuren en ketonlichamen als primaire energiebronnen en een geminimaliseerd eiwitverbruik voor energieproductie. | | Fight or flight reactie | Een fysiologische reactie op stress, geactiveerd door het sympathische zenuwstelsel en hormonen zoals adrenaline en cortisol. Deze reactie bereidt het lichaam voor op actie door de energiestofwisseling te mobiliseren, met prioriteit voor glucose voor de hersenen en vetzuren als energiebron. |

# Energie homeostase en glucose regulatie Dit onderwerp gaat over de mechanismen die de energiebalans en de bloedglucosespiegels in het lichaam reguleren, met speciale aandacht voor de rol van insuline. ### 1.1 Energie homeostase Het doel van energie homeostase is het continu leveren van energie aan het lichaam. Dit wordt bereikt door het aanleggen en aanspreken van energie reserves. Vet is de meest efficiënte energieopslag met 9 kilocalorieën per gram (ongeveer 37 kilojoule per gram). Eiwitten en koolhydraten leveren 4 kilocalorieën per gram (ongeveer 17 kilojoule per gram). De belangrijkste energievormen die worden opgeslagen zijn suikers en vetten [2](#page=2). #### 1.1.1 De rol van glucose als energiebron Onder normale omstandigheden is glucose de enige energiebron voor de hersenen. In extreme omstandigheden kunnen ketonen deze rol overnemen. De glycogeen reserves bevinden zich voornamelijk in de lever (ongeveer 75 gram) en de spieren (ongeveer 400 gram), wat neerkomt op circa 1900 kilocalorieën aan energie [2](#page=2). #### 1.1.2 Gluconeogenese Gluconeogenese is het proces waarbij glucose wordt aangemaakt uit niet-koolhydraat substraten, voornamelijk in de lever en in mindere mate in de nier. Substraten voor gluconeogenese zijn onder andere [2](#page=2): * Lactaat, afkomstig van anaerobe glycolyse [2](#page=2). * Alanine, afkomstig van eiwitafbraak [2](#page=2). * Glycerol, afkomstig van de afbraak van triglyceriden (TG) [2](#page=2). ### 1.2 Glucose homeostase Glucose homeostase verwijst naar de regulatie van de bloedglucosespiegels. #### 1.2.1 Insuline Insuline is een anabool hormoon dat de bloedsuikerwaarden verlaagt [3](#page=3). #### 1.2.2 Katabole en stresshormonen Naast insuline zijn er ook katabole en stresshormonen die de bloedsuikerwaarden verhogen. Deze hormonen contrageren het effect van insuline en spelen een rol in de stressrespons en energie mobilisatie [3](#page=3). #### 1.2.3 Stimulatie van insuline secretie De secretie van insuline wordt gestimuleerd door de release van klaarzittende granules. Dit mechanisme is cruciaal voor het handhaven van een optimale bloedglucosespiegel na een maaltijd [4](#page=4). > **Tip:** Begrijpen hoe insuline werkt en hoe de balans met andere hormonen behouden wordt, is essentieel voor het begrijpen van metabole aandoeningen zoals diabetes. --- # Diabetes: prevalentie en diagnostische criteria Dit onderdeel behandelt de wereldwijde prevalentie van diabetes en de diagnostische criteria, inclusief verschillende bloedglucosemetingen en HbA1c. ### 2.1 Wereldwijde prevalentie van diabetes De prevalentie van diabetes wereldwijd werd in 2021 geschat door de International Diabetes Federation (IDF). Diabetes kent verschillende typen met variërende prevalentie [5](#page=5): * **Type 1 diabetes:** Vertegenwoordigt ongeveer 5-10% van alle gevallen [7](#page=7). * **Type 2 diabetes:** Is het meest voorkomende type, met ongeveer 90-95% van de gevallen, en kent een significante wereldwijde toename [7](#page=7). * **Andere types:** Omvatten zeldzamere vormen zoals erfelijke en secundaire diabetes, en maken ongeveer 2% uit [7](#page=7). * **Zwangerschapsdiabetes:** Komt voor bij 1-15% van de populatie [7](#page=7). ### 2.2 Diagnostische criteria voor diabetes Het algemene kenmerk van diabetes is hyperglycemie, oftewel verhoogde bloedglucosewaarden. De diagnose kan gesteld worden aan de hand van verschillende metingen, waaronder nuchtere glycemie, willekeurige glycemie, orale glucosetolerantietest (OGTT) en HbA1c-waarde. De volgende tabel geeft de diagnostische criteria weer [6](#page=6): | Criterium | Normaal (mg/dl) | Prediabetes (mg/dl) | Diabetes (mg/dl) | | :--------------------- | :-------------------- | :------------------ | :-------------------- | | Glycemie nuchter | <110 | 110-125 | >125 | | Glycemie random | <140 | 140-199 | ±200 | | OGTT 2 u | <140 | 140-200 | >200 | | HbA1c | 4-6 % | 6.1-6.4 % | ≥6.5 % | > **Tip:** Het is belangrijk om te onthouden dat de diagnostische criteria kunnen variëren afhankelijk van de specifieke richtlijnen die worden gehanteerd. Deze tabel geeft een algemeen overzicht [6](#page=6). #### 2.2.1 Nuchtere glycemie De nuchtere bloedglucosemeting wordt bepaald na een periode van minimaal 8 uur zonder calorie-inname. Waarden van 110-125 mg/dl wijzen op prediabetes, terwijl waarden boven 125 mg/dl duiden op diabetes [6](#page=6). #### 2.2.2 Willekeurige glycemie Een willekeurige bloedglucosemeting kan op elk moment van de dag worden uitgevoerd. Een waarde van ongeveer 200 mg/dl of hoger, in combinatie met symptomen van hyperglycemie, kan wijzen op diabetes [6](#page=6). #### 2.2.3 Orale glucosetolerantietest (OGTT) De OGTT meet hoe het lichaam glucose verwerkt. Na een nuchtere meting wordt een standaard hoeveelheid glucose ingenomen, waarna de bloedglucose na 2 uur opnieuw wordt gemeten. Waarden van 140-200 mg/dl na 2 uur duiden op prediabetes, en waarden boven 200 mg/dl wijzen op diabetes [6](#page=6). #### 2.2.4 HbA1c HbA1c (hemoglobine A1c) geeft een gemiddelde bloedglucosewaarde weer over de afgelopen 2-3 maanden, omdat glucose zich bindt aan hemoglobine. Een HbA1c-waarde van 6.1-6.4% valt onder prediabetes, terwijl een waarde van 6.5% of hoger een indicatie is voor diabetes [6](#page=6). > **Voorbeeld:** Een patiënt met een nuchtere glycemie van 130 mg/dl en een HbA1c van 6.8% voldoet aan de criteria voor een diabetesdiagnose [6](#page=6). --- # Pathogenese van diabetes types De pathogenese van diabetes mellitus omvat de onderliggende oorzaken en mechanismen die leiden tot verstoringen in de glucosehuishouding, met name type 1 en type 2 diabetes. ### 3.1 Type 1 diabetes Type 1 diabetes kenmerkt zich door de auto-immune destructie van de bètacellen in de pancreas, wat resulteert in een verminderde insulineproductie. De ziekte is geassocieerd met genetische voorbeschiktheid, met name specifieke HLA-genen (human leucocyte antigen) binnen het major histocompatibility complex (MHC). Er zijn ongeveer 50 genen bekend die een rol spelen, en er is overlap met andere auto-immune ziekten. Type 1 diabetes treedt meestal op op jongere leeftijd, vaker onder de 30 jaar en kent meestal een snel verloop [8](#page=8). #### 3.1.1 Metabole ontregeling bij type 1 diabetes De metabole ontregeling bij insulinedeficiëntie, zoals gezien bij type 1 diabetes, leidt tot een drastische verlaging van de insuline/glucagon ratio. Dit resulteert in aanzienlijke metabole veranderingen [10](#page=10) [9](#page=9). > **Tip:** De metabole gevolgen van insulinedeficiëntie zijn cruciaal om te begrijpen, omdat ze leiden tot acute en potentieel levensbedreigende complicaties [10](#page=10). #### 3.1.2 Symptomen van acute insulinedeficiëntie Acute insulinedeficiëntie kan leiden tot medische urgentie met symptomen zoals krachtverlies, vermoeidheid en spierzwakte. Daarnaast treden polyurie (veel plassen), polydipsie (veel drinken), versnelde ademhaling en een typische appelgeur van de adem op [11](#page=11). ### 3.2 Type 2 diabetes De pathogenese van type 2 diabetes is complexer dan die van type 1 [12](#page=12). #### 3.2.1 Vereenvoudigd model van insulineresistentie Insulineresistentie is een centraal mechanisme in de pathogenese van type 2 diabetes. Dit vereenvoudigde model betrekt de insuline receptor species (IRS) en fosfatidylinositol 3-kinasen (PI3K) pathways. Deze pathways beïnvloeden onder andere de glycogeen synthase kinase 3 (GSK3) activiteit. Insulineresistentie is geassocieerd met de ontwikkeling van leversteatose en dyslipidemie [14](#page=14). > **Tip:** Hoewel specifieke enzymen en intermediairen niet memorisatie vereisen, is het cruciaal om de algemene principes en betrokken pathways van insulineresistentie te kennen [14](#page=14). #### 3.2.2 Hypercholesterolemie bij diabetes Hypercholesterolemie wordt bij diabetes door verschillende mechanismen verklaard. Hierbij spelen onder andere cholesterol ester transfer protein (CETP) en diverse andere pathways een rol [14](#page=14) [15](#page=15). > **Tip:** Net als bij insulineresistentie, zijn de algemene principes en betrokken pathways van belang, niet de specifieke namen van alle enzymen of intermediairen [15](#page=15). ### 3.3 Monogenetische vormen van diabetes Monogenetische vormen van diabetes worden veroorzaakt door mutaties in specifieke genen die de insulineproductie of -werking beïnvloeden. #### 3.3.1 Glucokinase (GK) gerelateerde diabetes Glucokinase speelt een sleutelrol als de "rate limiting step" voor glucosemetabolisme in de bètacel [16](#page=16). * **MODY 2 (Maturity-Onset Diabetes of the Young type 2):** Een loss-of-function (LOF) mutatie in het glucokinase-gen (GK) leidt tot een hogere drempel voor insulinesecretie [16](#page=16). * **Gain-of-function (GOF) GK mutaties:** Deze mutaties leiden tot een daling van de Km van glucokinase, wat resulteert in congenitaal hyperinsulinisme [16](#page=16). #### 3.3.2 Kir6.2 en Sur1 gerelateerde neonatale diabetes GOF mutaties in Kir6.2 of Sur1 leiden tot inhibitie van het kaliumkanaal. Dit mechanisme veroorzaakt neonatale diabetes [16](#page=16). --- # Complicaties en gevolgen van diabetes Dit onderdeel bespreekt de pathofysiologische mechanismen achter diabetescomplicaties, waaronder glycatie, de vorming van reactieve zuurstofspecies (ROS), de polyol pathway en macrovasculaire veranderingen. ### 4.1 Pathogenese van betaceldysfunctie en diabetesgerelateerde complicaties Hyperglycemie leidt tot diverse biochemische processen die bijdragen aan betaceldysfunctie en het ontstaan van complicaties [17](#page=17) [20](#page=20). #### 4.1.1 Glycatie en vorming van reactieve zuurstofspecies (ROS) * **Glycatie:** Dit is een niet-enzymatische reactie waarbij glucose zich bindt aan aminozuren in eiwitten, voornamelijk lysine en arginine. Dit proces, ook wel bekend als gemodificeerde glycosylatie, is onderscheiden van enzymatische glycosylatie. Een bekend voorbeeld is de vorming van Hemoglobine A1c (HbA1c), dat een indicatie geeft van de gemiddelde bloedglucosewaarden over de afgelopen drie maanden. Ook andere eiwitten zoals albumine, collageen en Apolipoproteïne B (ApoB) kunnen geglyceerd worden. Glycatie kan de functie van eiwitten veranderen, bijvoorbeeld door de interactie met receptoren te beïnvloeden, zoals de binding van geglyceerd ApoB aan de LDL-receptor [18](#page=18) [19](#page=19). * **Vorming van Advanced Glycation End Products (AGEs):** In een hyperglycemisch milieu worden geglyceerde eiwitten versneld gevormd en geoxideerd, wat leidt tot de productie van reactieve zuurstofspecies (ROS). Sommige metabolieten, zoals 3-deoxyglucosone, zijn bijzonder reactieve carbonylgroepen. Deze processen resulteren in de vorming van complexere moleculen, de zogenaamde AGEs, waaronder N-carboxymethyl lysine. Hoewel AGEs een normaal onderdeel zijn van het verouderingsproces, wordt hun vorming significant versneld door hyperglycemie [20](#page=20). * **Effecten van AGEs:** AGEs induceren ontstekingsreacties, onder andere door de productie van Interleukine-1 (IL-1). Ze stimuleren ook de productie van lokale groeifactoren zoals IGF-1 en PDGF door macrofagen. Deze processen zijn betrokken bij de pathogenese van vaatziekten en mogelijk ook bij aandoeningen zoals Alzheimer [20](#page=20). * **Rol van Mitochondriën:** In de mitochondriën leidt hyperglycemie tot een verhoogde protonendonatie, wat resulteert in een groter elektrochemisch potentiaalverschil over het interne mitochondriale membraan. Dit verhoogt de productie van ROS in de elektronentransportketen. Verder kan hyperglycemie deactivatie van stikstofoxide (NO) veroorzaken, wat leidt tot verminderde vasodilatatie. Het kan ook interfereren met signaalfuncties, zoals de activatie van proteïne kinase C (PKC), wat een rol speelt bij celproliferatie en genexpressie, en een pathologisch mechanisme vormt bij betaceldysfunctie [21](#page=21). > **Tip:** Onthoud de algemene principes van glycatie en ROS-vorming, focus niet te veel op specifieke enzymnamen of intermediairen [20](#page=20). #### 4.1.2 De polyol pathway De polyol pathway is een alternatieve route voor glucosemetabolisme die significant wordt geactiveerd bij hyperglycemie. In deze pathway wordt glucose omgezet in sorbitol door het enzym aldose reductase. Vervolgens wordt sorbitol verder gemetaboliseerd tot fructose [22](#page=22) [23](#page=23). * **Mechanisme:** Een gevolg van de verhoogde activiteit van de polyol pathway is de accumulatie van sorbitol binnen cellen. Sorbitol kan niet gemakkelijk de celmembraan passeren, wat leidt tot osmotische stress. Bovendien kan de omzetting van glucose tot sorbitol de intracellulaire niveaus van NADPH verlagen, wat belangrijk is voor de bescherming tegen oxidatieve stress door de regeneratie van glutathion. Dit kan indirect bijdragen aan de oxidatieve stress die wordt veroorzaakt door de vorming van ROS [21](#page=21) [22](#page=22) [24](#page=24). > **Example:** De osmotische effecten van sorbitolaccumulatie kunnen bijdragen aan weefselschade, met name in zenuwcellen en de lens van het oog, wat kan leiden tot neuropathie en cataract [22](#page=22) [23](#page=23) [24](#page=24). #### 4.1.3 Macrovasculaire veranderingen Macrovasculaire complicaties, zoals atherosclerose, zijn een ernstig gevolg van diabetes [17](#page=17). * **Dyslipidemie:** Hyperglycemie en insulineresistentie dragen bij aan dyslipidemie, gekenmerkt door afwijkende lipideniveaus in het bloed, waaronder verhoogde triglyceriden, verlaagd HDL-cholesterol en verhoogd klein, dense LDL-cholesterol. Deze dyslipidemie bevordert de vorming van atherosclerotische plaques [24](#page=24). * **Inflammatie:** De hierboven beschreven processen, zoals de vorming van AGEs en ROS, induceren een chronische ontstekingsreactie in de vaatwand. Deze ontsteking draagt bij aan de progressie van atherosclerose en verhoogt het risico op cardiovasculaire events zoals hartaanvallen en beroertes [20](#page=20) [24](#page=24). ### 4.2 Diagnostiek en monitoring van diabetes De diagnose en monitoring van diabetes zijn cruciaal voor het tijdig ingrijpen en voorkomen van complicaties. * **HbA1c als chronische marker:** Hemoglobine A1c (HbA1c) is een belangrijke diagnostische en monitoringstool voor diabetes. Het weerspiegelt de gemiddelde bloedglucosewaarden over de afgelopen 2-3 maanden, omdat glucose zich op niet-enzymatische wijze aan hemoglobine bindt. Een verhoogde HbA1c-waarde duidt op chronische hyperglycemie [18](#page=18) [19](#page=19). ### 4.3 Samenvatting van pathogenese en complicaties | Type diabetes | Afwijking | Biopathologisch gevolg | |---|---|---| | Type 1 | ↓ insuline secretie | Afname anabole pathways, activatie van katabole pathways | | Type 2 | Insuline resistentie | Deels activatie van anabole pathways, betaceldysfunctie via glycatie en vorming ROS | | MODY (sommige vormen) | Stoornis in glucose sensing of excretie insuline | - | | Verwikkelingen | Glycatie | AGE- en ROS-producten, pro-inflammatoir en beschadigen vaatwand | | | Polyol pathway | Osmotische reactie van sorbitol en oxidatieve stress | | | Insuline resistentie | Dyslipidemie, inflammatie vaatwand | --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Energie homeostase | Het vermogen van het lichaam om een constante energiestroom te leveren door het aanleggen en aanspreken van energie reserves, voornamelijk in de vorm van vet. | | Glycogeen | Een opgeslagen vorm van glucose in de lever en spieren, die kan worden aangesproken om de bloedsuikerspiegel te handhaven of energie te leveren tijdens fysieke inspanning. | | Gluconeogenese | Het biochemische proces waarbij niet-koolhydraat substraten zoals lactaat, alanine en glycerol worden omgezet in glucose, voornamelijk in de lever. | | Insuline | Een anabool hormoon dat wordt geproduceerd door de beta-cellen van de pancreas, met als primaire functie het verlagen van de bloedsuikerspiegel door bevordering van glucoseopname en opslag. | | Katabole hormonen | Hormonen, zoals stresshormonen, die bloedsuikerwaarden verhogen door de afbraak van glycogeen en vetten te stimuleren en de glucoseproductie te bevorderen. | | OGTT | Orale glucosetolerantietest, een diagnostische test waarbij de reactie van het lichaam op een gestandaardiseerde hoeveelheid glucose wordt geëvalueerd door de bloedsuikerspiegel op specifieke tijdstippen te meten. | | HbA1c | Hemoglobine A1c, een maat voor de gemiddelde bloedsuikerspiegel over de afgelopen 2-3 maanden, gevormd door de niet-enzymatische glycatie van hemoglobine. | | Type 1 diabetes | Een chronische auto-immuunziekte die wordt gekenmerkt door de destructie van de insuline-producerende beta-cellen in de pancreas, resulterend in een ernstig tekort aan insuline. | | Type 2 diabetes | Een metabole aandoening die voornamelijk wordt gekenmerkt door insulineresistentie en een relatief tekort aan insuline, wat leidt tot chronische hyperglycemie. | | Autoimmune destructie | Het proces waarbij het immuunsysteem van het lichaam eigen cellen of weefsels aanvalt en vernietigt, zoals bij type 1 diabetes waar de beta-cellen van de pancreas worden vernietigd. | | Insuline resistentie | Een toestand waarbij lichaamscellen minder goed reageren op de signalen van insuline, wat leidt tot een verminderde glucoseopname uit het bloed en een verhoogde bloedsuikerspiegel. | | Leversteatose | Een aandoening waarbij te veel vet zich ophoopt in de levercellen, vaak geassocieerd met insulineresistentie en metabole syndroom. | | Dyslipidemie | Een abnormale concentratie van lipiden (vetten), zoals cholesterol en triglyceriden, in het bloed, wat een risicofactor is voor hart- en vaatziekten. | | Monogenetische vormen van diabetes | Zeldzame vormen van diabetes die veroorzaakt worden door een defect in een enkel gen, zoals MODY (Maturity-Onset Diabetes of the Young). | | Glucokinase | Een enzym dat een cruciale rol speelt bij de regulatie van glucosemetabolisme in de beta-cellen van de pancreas, door de eerste stap van glucosefosforylering te katalyseren. | | Glycatie | Een niet-enzymatische reactie waarbij een suiker molecuul, zoals glucose, zich bindt aan een eiwit of lipide, wat kan leiden tot functionele veranderingen van deze moleculen. | | ROS | Reactive Oxygen Species (reactieve zuurstofverbindingen), moleculen die sterk oxiderend werken en cellulaire schade kunnen veroorzaken, vaak gevormd onder omstandigheden van hyperglycemie. | | Polyol pathway | Een metabole route die glucose omzet in sorbitol en vervolgens in fructose, voornamelijk geactiveerd bij hyperglycemie, wat kan leiden tot osmotische effecten en oxidatieve stress. | | AGE | Advanced Glycation End products, complexe moleculen die ontstaan door langdurige glycatie van eiwitten, vaak versneld bij hyperglycemie, en die bijdragen aan weefselschade en ontstekingen. | | Betaceldysfunctie | Een verminderde functie van de beta-cellen van de pancreas, die kan leiden tot een ontoereikende insulineproductie en -afgifte, een kenmerk van zowel type 1 als type 2 diabetes. |

# Overview of gluconeogenesis and its necessity Gluconeogenesis is the vital metabolic pathway responsible for synthesizing glucose from non-carbohydrate precursors, particularly crucial when dietary intake or glycogen stores are insufficient to meet the body's energy demands [7](#page=7) [8](#page=8). ### 1.1 The critical need for glucose The human body requires approximately 160 grams of glucose per day. While glycogen reserves can supply around 190 grams, and body fluids contribute about 20 grams, these stores are not always sufficient. Certain organs, including the brain, central nervous system, red blood cells, and kidney medulla, rely on glucose as their primary energy source, with the brain alone needing about 120 grams daily. This dependence makes maintaining blood glucose levels paramount [4](#page=4) [5](#page=5) [7](#page=7). ### 1.2 When glucose production is essential Gluconeogenesis becomes indispensable during periods when carbohydrate availability is low, such as: * **Strenuous exercise:** Glycogen stores are significantly depleted during intense physical activity [5](#page=5). * **Fasting:** After more than one day of fasting, all available glycogen stores are typically exhausted, necessitating the synthesis of new glucose [5](#page=5). In these critical situations, gluconeogenesis ensures a continuous supply of glucose to these essential organs, preventing severe consequences, including death, that would result from a failure of this pathway. The process serves to restore depleted glycogen reserves and sustain normal bodily functions [5](#page=5) [7](#page=7). ### 1.3 The mechanism of gluconeogenesis Gluconeogenesis is defined as the process of producing glucose or glycogen from non-carbohydrate precursors. It essentially allows the body to "create new glucose from the products of its breakdown". While gluconeogenesis utilizes many of the same enzymes as glycolysis, it is not a simple reversal of the glycolytic pathway due to significant energy barriers [7](#page=7) [8](#page=8). --- # Substrates and enzymatic pathways of gluconeogenesis Gluconeogenesis is a metabolic pathway that synthesizes glucose from non-carbohydrate precursors, occurring primarily in the liver and kidney [9](#page=9). ### 2.1 Occurrence and location of gluconeogenesis Gluconeogenesis primarily takes place in the liver, accounting for about 90% of the process, with the kidney contributing approximately 10%. Both the liver and kidney possess the enzyme glucose-6-phosphatase, which is crucial for releasing free glucose into the bloodstream. While very little gluconeogenesis occurs in the brain and muscle, the glucose produced by the liver and kidney is essential for these tissues to maintain their metabolic demands. The enzymatic machinery for gluconeogenesis is located in both the cytoplasm and the mitochondria [9](#page=9). ### 2.2 Substrates for gluconeogenesis Various non-carbohydrate molecules can serve as substrates for gluconeogenesis. These include [10](#page=10): * **Glucogenic amino acids:** These amino acids can be converted into intermediates of the TCA cycle or pyruvate, which can then be used for glucose synthesis [10](#page=10) [13](#page=13). * **Glycerol:** Derived from the breakdown of triglycerides, glycerol can enter the gluconeogenic pathway [10](#page=10) [12](#page=12). * **Odd-chain fatty acids:** Specifically, propionate, a three-carbon fatty acid, can be converted into succinyl CoA, an intermediate of the TCA cycle, and subsequently used for gluconeogenesis [10](#page=10). * **Lactate:** Produced during anaerobic glycolysis, especially in red blood cells and exercising skeletal muscle, lactate can be converted to pyruvate, a key gluconeogenic precursor [10](#page=10) [11](#page=11). * **Pyruvate:** The end product of glycolysis, pyruvate, is a direct substrate for gluconeogenesis [10](#page=10). It is important to note that fats, except for the glycerol backbone and odd-chain fatty acid fragments like propionate, cannot be used for gluconeogenesis as they are converted to acetyl-CoA, which cannot be replenished from oxaloacetate in mammals [15](#page=15). #### 2.2.1 Lactate as a substrate Lactate produced during anaerobic glycolysis in exercising muscles diffuses into the bloodstream and is transported to the liver. In the liver, lactate dehydrogenase converts lactate to pyruvate, a process that also produces NADH in the cytoplasm, which is important for the subsequent steps of gluconeogenesis [11](#page=11). #### 2.2.2 Glycerol as a substrate Glycerol, released from the hydrolysis of triglycerides, can be phosphorylated by glycerol kinase to glycerol-3-phosphate. This intermediate is then oxidized to dihydroxyacetone phosphate (DHAP), a molecule that can directly enter the gluconeogenic pathway [12](#page=12). #### 2.2.3 Amino acids as substrates Amino acids serve as gluconeogenic substrates through transamination reactions, where their amino group is transferred to $\alpha$-ketoglutarate, forming glutamate. The carbon skeletons of these amino acids are then converted into either pyruvate or intermediates of the TCA cycle. Different amino acids yield different products [13](#page=13): * Alanine, cysteine, glycine, serine, threonine yield pyruvate [15](#page=15). * Aspartate and asparagine yield oxaloacetate [15](#page=15). * Phenylalanine and tyrosine yield fumarate [15](#page=15). * Isoleucine, valine, and methionine yield succinyl CoA [15](#page=15). * Arginine, glutamate, glutamine, and histidine yield $\alpha$-ketoglutarate [15](#page=15). * Leucine, lysine, phenylalanine, tryptophan, and tyrosine yield acetoacetate and acetyl-CoA [15](#page=15). ### 2.3 Gluconeogenesis is not a simple reversal of glycolysis While gluconeogenesis converts pyruvate to glucose, it is not a direct reversal of glycolysis, which converts glucose to pyruvate. The overall free energy change ($\Delta G$) for glycolysis is highly negative (approximately -74 kJ/mol) indicating a strongly favorable process in the direction of glucose breakdown. The reverse reaction would have a positive $\Delta G$ (+74 kJ/mol), making it energetically unfavorable. To achieve a favorable $\Delta G$ for glucose synthesis, gluconeogenesis utilizes alternative enzymatic reactions to bypass three essentially irreversible steps of glycolysis [17](#page=17) [18](#page=18). These irreversible steps in glycolysis are: * Step 1: Glucose $\rightarrow$ Glucose-6-phosphate (catalyzed by hexokinase) * Step 3: Fructose-6-phosphate $\rightarrow$ Fructose-1,6-bisphosphate (catalyzed by phosphofructokinase) * Step 10: Phosphoenolpyruvate $\rightarrow$ Pyruvate (catalyzed by pyruvate kinase) Gluconeogenesis retains seven steps of glycolysis, specifically steps 2 and 4-9 [18](#page=18). ### 2.4 Bypass reactions in gluconeogenesis Gluconeogenesis circumvents the three irreversible steps of glycolysis by employing a distinct set of enzymes [19](#page=19) [20](#page=20). #### 2.4.1 Bypass of the pyruvate kinase step This bypass involves two sequential reactions: 1. **Pyruvate to oxaloacetate:** Pyruvate is first carboxylated to oxaloacetate. This reaction is catalyzed by **pyruvate carboxylase**, a mitochondrial enzyme that requires biotin as a cofactor [21](#page=21). $$ \text{pyruvate} + \text{ATP} + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{oxaloacetate} + \text{ADP} + \text{Pi} + 2\text{H}^+ $$ Since oxaloacetate cannot be directly transported out of the mitochondria, it is reduced to malate by mitochondrial malate dehydrogenase, using NADH. Malate is then transported to the cytosol via the malate-aspartate shuttle, where it is re-oxidized to oxaloacetate by cytosolic NAD$^+$-linked malate dehydrogenase [22](#page=22). 2. **Oxaloacetate to phosphoenolpyruvate (PEP):** Oxaloacetate is then converted to PEP by **phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK)**. This reaction requires GTP (which is energetically equivalent to ATP) and involves decarboxylation, which helps to drive the reaction forward [28](#page=28). $$ \text{oxaloacetate} + \text{GTP} \rightarrow \text{Phosphoenolpyruvate} + \text{GDP} + \text{CO}_2 $$ #### 2.4.2 Bypass of the phosphofructokinase step The conversion of fructose-1,6-bisphosphate to fructose-6-phosphate is achieved through a simple hydrolytic reaction catalyzed by **fructose-1,6-bisphosphatase**. This enzyme is allosterically regulated, with citrate and ATP acting as activators, and fructose-2,6-bisphosphate and AMP as inhibitors [31](#page=31) [32](#page=32). $$ \text{fructose-1,6-bisP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{fructose-6-P} + \text{Pi} $$ #### 2.4.3 Bypass of the hexokinase step The final bypass involves the dephosphorylation of glucose-6-phosphate to glucose, catalyzed by **glucose-6-phosphatase**. This enzyme requires Mg$^{2+}$ as a cofactor [33](#page=33). $$ \text{Glucose-6-P} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{glucose} + \text{Pi} $$ Glucose-6-phosphatase is primarily located in the endoplasmic reticulum (ER) of hepatocytes and kidney cells. This localization is crucial for the liver to release free glucose into the bloodstream. The system involves the transport of glucose-6-phosphate into the ER by transporter T1, its hydrolysis into glucose by the phosphatase, and the export of glucose and Pi to the cytosol by transporters T2 and T3, respectively. Glucose is then exported into circulation via GLUT2 transporters. Muscle cells, lacking glucose-6-phosphatase, direct glucose-6-phosphate towards glycogen synthesis [34](#page=34) [35](#page=35) [36](#page=36). > **Tip:** The reciprocal regulation of glycolysis and gluconeogenesis is essential for maintaining blood glucose homeostasis. When one pathway is active, the other is suppressed. --- # Metabolic cycles involving gluconeogenesis and its regulation This section explores the interconnectedness of gluconeogenesis with other metabolic pathways, specifically the Cori and Alanine cycles, and details the intricate regulatory mechanisms that govern its activity, emphasizing its reciprocal control with glycolysis. ### 3.1 Metabolic cycles involving gluconeogenesis Integrated metabolic pathways play a crucial role in maintaining glucose homeostasis, especially during periods of high energy demand or fasting. These cycles often involve the interconversion of glucose and its derivatives between different tissues, with the liver serving as a central hub for glucose production and recycling. #### 3.1.1 The Cori cycle The Cori cycle, also known as the lactate cycle, describes the metabolic pathway where lactate produced by anaerobic glycolysis in muscles is transported to the liver and converted back into glucose. This newly synthesized glucose is then released into the bloodstream to be utilized by the muscles and red blood cells [38](#page=38). * **Process:** * During vigorous exercise, muscles can experience oxygen shortage, leading to increased glycolysis and the subsequent production of lactate and NADH [37](#page=37). * NADH is re-oxidized by reducing pyruvate to lactate [37](#page=37). * Lactate is then transported from the muscles to the liver [37](#page=37). * In the liver, lactate is re-oxidized to pyruvate by lactate dehydrogenase (LDH) [37](#page=37). * This pyruvate then enters the gluconeogenic pathway in the liver to form glucose [37](#page=37) [38](#page=38). * The liver then supplies this glucose back to the muscles for continued energy production [37](#page=37). * **Significance:** The Cori cycle allows for the recycling of lactate, preventing its accumulation in muscles and ensuring a continuous supply of glucose for active tissues. It highlights the liver's role in supporting muscle function during exercise [37](#page=37) [38](#page=38). #### 3.1.2 The Alanine cycle (Cahill cycle) The Alanine cycle, also referred to as the Cahill cycle or the glucose-alanine cycle, involves the transport of amino groups and carbon skeletons from muscles to the liver. This cycle is less energetically efficient than the Cori cycle due to the involvement of urea synthesis [39](#page=39). * **Process:** * In muscles, amino groups are transferred from amino acids to pyruvate, forming L-alanine, catalyzed by alanine transaminase (ALT) [39](#page=39). * L-alanine is then transported to the liver [39](#page=39). * In the liver, the amino group of alanine enters the urea cycle for excretion [39](#page=39). * The remaining carbon skeleton is converted back to pyruvate, which can then be used for gluconeogenesis to produce glucose [39](#page=39). * **Significance:** The Alanine cycle provides a mechanism for the liver to obtain carbon skeletons for glucose synthesis from amino acids, particularly during fasting or starvation when protein breakdown in muscles increases. However, the energy cost associated with urea removal makes it less productive than the Cori cycle in terms of net ATP production [39](#page=39). ### 3.2 Regulation of gluconeogenesis The regulation of gluconeogenesis is critically important to maintain blood glucose levels and ensure a continuous supply of glucose for essential tissues like the brain and red blood cells. Its regulation is tightly coupled with glycolysis, ensuring that these opposing pathways are not active simultaneously, preventing a futile cycle of glucose synthesis and breakdown [38](#page=38) [41](#page=41). #### 3.2.1 Reciprocal control with glycolysis A fundamental principle of metabolic regulation is the reciprocal control between glycolysis and gluconeogenesis. This means that when glycolysis is stimulated, gluconeogenesis should be inhibited, and vice versa. This prevents the wasteful consumption of ATP and other high-energy molecules. The key regulated enzymes in glycolysis are often the same enzymes that are regulated in the reverse direction by gluconeogenesis [41](#page=41). * **High energy status:** When the cell's energy charge is high, indicated by high ATP and citrate levels, glycolysis is turned off, and intermediates are directed towards synthesis and storage, favoring gluconeogenesis [48](#page=48). * **Low energy status:** Conversely, when the energy charge is low, signaled by high AMP levels, glucose is rapidly degraded through glycolysis to generate ATP [48](#page=48). #### 3.2.2 Regulatory mechanisms The regulation of gluconeogenesis occurs through several interconnected mechanisms: ##### 3.2.2.1 Hormonal control Hormones play a pivotal role in regulating gluconeogenesis in response to the body's metabolic needs, particularly blood glucose levels [53](#page=53). * **Insulin:** Insulin levels rise after a meal when blood glucose is high. It promotes glucose uptake and utilization, and generally inhibits gluconeogenesis by suppressing the expression of key gluconeogenic enzymes. It also stimulates the expression of enzymes involved in glycolysis, such as phosphofructokinase [45](#page=45). * **Glucagon:** Glucagon levels rise during fasting or starvation when blood glucose is low. It stimulates gluconeogenesis in the liver by inhibiting the expression of glycolytic enzymes and promoting the synthesis of key gluconeogenic enzymes like phosphoenolpyruvate carboxykinase and fructose 1,6-bisphosphatase. Glucagon also increases the concentration of cyclic AMP (cAMP) [45](#page=45) [46](#page=46). * **Epinephrine:** Epinephrine, like glucagon, is released in response to low blood glucose. It also inhibits glycolysis and stimulates gluconeogenesis in the liver, partly by increasing cAMP levels [46](#page=46). ##### 3.2.2.2 Transcriptional control (Induction & Repression) This is a slower regulatory mechanism, taking hours to days, and involves altering the synthesis rates of key enzymes [45](#page=45). * **Insulin:** Stimulates the expression of enzymes like phosphofructokinase and pyruvate kinase [45](#page=45). * **Glucagon:** Inhibits the expression of glycolytic enzymes and stimulates the production of gluconeogenic enzymes such as phosphoenolpyruvate carboxykinase and fructose 1,6-bisphosphatase [45](#page=45). ##### 3.2.2.3 Covalent modification by reversible phosphorylation This is a rapid regulatory process that allows for quick adjustments in enzyme activity [46](#page=46). * **Mechanism:** Hormones like glucagon and epinephrine, acting through cAMP, activate cAMP-dependent protein kinase. This kinase phosphorylates and can inactivate enzymes like pyruvate kinase. It also influences the concentration of fructose 2,6-bisphosphate, thereby regulating both glycolysis and gluconeogenesis [46](#page=46). ##### 3.2.2.4 Allosteric modification This is an instantaneous process where regulatory molecules bind to enzymes at sites other than the active site, altering their conformation and activity [47](#page=47). * **Role of Acetyl-CoA:** Acetyl-CoA acts as an allosteric activator of pyruvate carboxylase, a key enzyme in gluconeogenesis. This ensures that when acetyl-CoA is abundant (e.g., from fatty acid oxidation), oxaloacetate is readily produced, facilitating gluconeogenesis. The activation of pyruvate carboxylase and reciprocal inhibition of pyruvate dehydrogenase by acetyl-CoA also explains how fatty acid oxidation spares pyruvate oxidation and stimulates gluconeogenesis [47](#page=47). * **Role of ATP and AMP:** * **Phosphofructokinase-1 (PFK-1):** This enzyme, a key regulator of glycolysis, is allosterically activated by AMP and inhibited by ATP and citrate. AMP signals low energy charge, promoting glycolysis, while high ATP and citrate indicate abundant energy, inhibiting glycolysis [48](#page=48). * **Fructose 1,6-bisphosphatase:** This enzyme, key to gluconeogenesis, is inhibited by AMP and activated by citrate. High AMP inhibits gluconeogenesis, while high ATP and citrate promote it [48](#page=48). * **Pyruvate kinase:** High levels of ATP and alanine, signaling high energy charge, inhibit pyruvate kinase in the liver. ADP also inhibits phosphoenolpyruvate carboxykinase [49](#page=49). * **Overall:** Gluconeogenesis is favored when the cell is rich in biosynthetic precursors and ATP [49](#page=49). * **Role of Fructose 2,6-Bisphosphate (F2,6BP):** This molecule is a potent allosteric regulator that plays a central role in coordinating glycolysis and gluconeogenesis in the liver [50](#page=50). * **Activation:** F2,6BP is the most potent positive allosteric activator of phosphofructokinase-1 (PFK-1) and a strong inhibitor of fructose 1,6-bisphosphatase. It relieves ATP inhibition of PFK-1 and increases its affinity for fructose 6-phosphate. It inhibits fructose 1,6-bisphosphatase by increasing its $K_m$ for fructose 1,6-bisphosphate [50](#page=50). * **Synthesis and Breakdown:** F2,6BP is formed from fructose 6-phosphate by phosphofructokinase-2 (PFK-2) and degraded by fructose 2,6-bisphosphatase activity; both activities reside on the same bifunctional enzyme. Fructose 6-phosphate allosterically stimulates the kinase and inhibits the phosphatase [51](#page=51). * **Hormonal Regulation of F2,6BP:** * When glucose is abundant, F2,6BP concentration increases, stimulating glycolysis via PFK-1 and inhibiting fructose 1,6-bisphosphatase [52](#page=52). * During fasting, glucagon stimulates cAMP production, activating cAMP-dependent protein kinase. This kinase phosphorylates and inactivates PFK-2 while activating fructose 2,6-bisphosphatase [52](#page=52). * Consequently, F2,6BP levels decrease, which inactivates PFK-1 and relieves the inhibition of fructose 1,6-bisphosphatase, thus stimulating gluconeogenesis [52](#page=52). #### 3.2.3 The energetic cost of gluconeogenesis Gluconeogenesis is an energetically expensive process compared to glycolysis. While glycolysis generates 2 ATP and 2 NADH per glucose molecule, gluconeogenesis requires the consumption of 6 ATP (4 ATP + 2 GTP) and 2 NADH to synthesize one glucose molecule from two pyruvate molecules. This significant energy investment is necessary to ensure the overall thermodynamic favorability and irreversibility of the gluconeogenic pathway. This cost is primarily borne by hepatocytes [54](#page=54) [55](#page=55). ### 3.3 Glucogenic precursors It is a common misconception that fats cannot be converted to glucose. While even-chain fatty acids are not glucogenic, as their carbons are lost as CO2 during the TCA cycle and acetyl-CoA cannot be converted back to pyruvate, other components of fats can be converted to glucose [43](#page=43). * **Odd-chain fatty acids:** Oxidation of odd-chain fatty acids produces propionyl-CoA, which can be converted to succinyl-CoA, a substrate for gluconeogenesis [44](#page=44). * **Glycerol:** The glycerol component of triglycerides, upon hydrolysis, can be converted to dihydroxyacetone phosphate, a direct intermediate in gluconeogenesis [44](#page=44). Therefore, the statement "It is incorrect to say that fats can not be converted to glucose" is justified, as glycerol and odd-chain fatty acids are indeed glucogenic. Even-chain fatty acids, however, cannot be used for net glucose synthesis [43](#page=43) [44](#page=44). --- # Summary and key takeaways of gluconeogenesis This section summarizes the gluconeogenesis pathway, outlining its key enzymes, regulatory mechanisms, precursor molecules, and its critical relationship with glycolysis, particularly emphasizing the energetic considerations and the role of the liver. ### 4.1 Overview of the gluconeogenesis pathway Gluconeogenesis (GNG) is the metabolic pathway that results in the generation of glucose from non-carbohydrate carbon substrates. It is an anabolic process that is distinct from, but shares some enzymes with, glycolysis. While glycolysis breaks down glucose, gluconeogenesis synthesizes it [58](#page=58). ### 4.2 Key enzymes and reactions in gluconeogenesis Gluconeogenesis involves a series of enzymatic reactions, with specific enzymes bypassing the irreversible steps of glycolysis. The following are some of the key enzymes and reactions involved [58](#page=58): * **Pyruvate Carboxylase:** Catalyzes the carboxylation of pyruvate to oxaloacetate, using bicarbonate and ATP. This reaction occurs in the mitochondria [56](#page=56). * The reaction is: Pyruvate + HCOUSD_{3}USDUSD^{-}$ + ATP $\rightarrowUSD Oxaloacetate + ADP + Pi [56](#page=56). * **PEP Carboxykinase (PEPCK):** Converts oxaloacetate to phosphoenolpyruvate (PEP). This step can occur in the mitochondria or cytosol, depending on the shuttle system used [56](#page=56). * The reaction in the mitochondria often uses GTP: Oxaloacetate + GTP $\rightarrow$ PEP + CO$_{2}$ + GDP [56](#page=56). * **Fructose-1,6-bisphosphatase:** Catalyzes the hydrolysis of fructose-1,6-bisphosphate to fructose-6-phosphate, releasing inorganic phosphate. This is a key regulatory step [57](#page=57). * **Glucose-6-phosphatase:** Converts glucose-6-phosphate to glucose, a reaction that primarily occurs in the liver and kidney, allowing for the release of free glucose into the bloodstream [57](#page=57). ### 4.3 Mitochondrial shuttle systems Some steps of gluconeogenesis require transport of intermediates from the mitochondria to the cytosol, necessitating mitochondrial shuttle systems. The malate shuttle is a common system employed for this purpose. In this shuttle, oxaloacetate is reduced to malate in the mitochondria, transported to the cytosol, and then re-oxidized to oxaloacetate, generating NADH in the cytosol [56](#page=56) [58](#page=58). ### 4.4 Precursors for gluconeogenesis Various non-carbohydrate precursors can be utilized for glucose synthesis through gluconeogenesis. These include [58](#page=58): * Lactate [58](#page=58). * Glycerol [58](#page=58). * Amino acids (specifically glucogenic amino acids) [58](#page=58). * Pyruvate [58](#page=58). ### 4.5 Relationship with glycolysis Gluconeogenesis and glycolysis are interconnected pathways that regulate glucose homeostasis. While they share several enzymes, the irreversible steps of glycolysis are bypassed by unique enzymes in gluconeogenesis [58](#page=58). * **Shared enzymes:** Phosphoglycerate kinase, enolase, phosphoglyceromutase, and triosephosphate isomerase are involved in both pathways [56](#page=56) [57](#page=57). * **Irreversible steps bypassed:** The reactions catalyzed by hexokinase/glucokinase, phosphofructokinase-1, and pyruvate kinase in glycolysis are overcome by glucose-6-phosphatase, fructose-1,6-bisphosphatase, and pyruvate carboxylase/PEP carboxykinase, respectively, in gluconeogenesis [56](#page=56) [57](#page=57). > **Tip:** Understanding which enzymes are shared and which are unique to each pathway is crucial for comprehending the regulation of glucose metabolism. The unique enzymes are the primary targets for regulation. ### 4.6 Energetic cost of gluconeogenesis Gluconeogenesis is an energetically expensive process, requiring the input of ATP and GTP. For example, the synthesis of one molecule of glucose from two molecules of pyruvate requires a net input of approximately six high-energy phosphate bonds (four ATP and two GTP). This highlights that gluconeogenesis is a pathway of synthesis, consuming energy, whereas glycolysis is a catabolic pathway that produces energy [56](#page=56) [58](#page=58). ### 4.7 Role of the liver and associated metabolic cycles The liver is the primary organ responsible for gluconeogenesis in mammals, playing a central role in maintaining blood glucose levels. The liver's capacity for gluconeogenesis is essential during fasting or periods of low glucose availability [58](#page=58). * **Cori Cycle:** This cycle involves the conversion of lactate produced by muscles and red blood cells during anaerobic glycolysis into glucose in the liver. The glucose is then returned to the muscles and red blood cells for energy [58](#page=58). * **Alanine Cycle:** Similar to the Cori cycle, the Alanine cycle facilitates the transport of amino groups from muscles to the liver. Alanine, derived from pyruvate, carries amino groups to the liver, where it is converted back to pyruvate and used for gluconeogenesis [58](#page=58). --- ## Common mistakes to avoid - Review all topics thoroughly before exams - Pay attention to formulas and key definitions - Practice with examples provided in each section - Don't memorize without understanding the underlying concepts

| Term | Definition | |------|------------| | Gluconeogenesis (GNG) | The metabolic process by which glucose or glycogen is synthesized from non-carbohydrate precursors, playing a vital role in maintaining blood glucose levels. | | Glycolysis | A metabolic pathway that converts glucose into pyruvate, releasing energy in the form of ATP and NADH. | | Glucogenic amino acids | Amino acids that can be converted into glucose or glycogen through metabolic pathways, serving as precursors for gluconeogenesis. | | Lactate | A byproduct of anaerobic glycolysis, which can be transported to the liver and converted back into glucose through gluconeogenesis. | | Glycerol | A component of triglycerides that can be utilized as a substrate for gluconeogenesis after the breakdown of fats. | | Pyruvate | A key intermediate in glucose metabolism that can be converted to lactate or acetyl-CoA, and also serves as a precursor for gluconeogenesis. | | Oxaloacetate | An intermediate in the citric acid cycle and a crucial molecule in gluconeogenesis, formed from pyruvate and converted to phosphoenolpyruvate. | | Phosphoenolpyruvate (PEP) | A high-energy intermediate in both glycolysis and gluconeogenesis, formed from oxaloacetate during the bypass reactions. | | Cori Cycle | A metabolic pathway involving the interconversion of lactate and glucose between muscles and the liver, allowing for the recycling of lactate into glucose. | | Alanine Cycle (Cahill Cycle) | A metabolic pathway where amino groups and carbons from muscle are transported to the liver as alanine, which is then converted to pyruvate for glucose synthesis and enters the urea cycle. | | Bicarbonate (HCO3−) | An inorganic ion that acts as a substrate in the carboxylation reaction catalyzed by pyruvate carboxylase during gluconeogenesis. | | Biotin | A coenzyme required by pyruvate carboxylase, essential for the carboxylation reaction that converts pyruvate to oxaloacetate. | | GTP (Guanosine triphosphate) | An energy-carrying molecule used in the conversion of oxaloacetate to phosphoenolpyruvate during gluconeogenesis, equivalent to ATP in energy terms. | | GDP (Guanosine diphosphate) | The molecule formed after GTP is hydrolyzed to provide energy for the conversion of oxaloacetate to phosphoenolpyruvate. | | Malate Dehydrogenase | An enzyme involved in the malate transport system, which converts oxaloacetate to malate within the mitochondrion and malate back to oxaloacetate in the cytosol. | | Cytosol | The aqueous component of the cytoplasm of a cell, within which various organelles and particles are suspended. | | Mitochondrion | An organelle found in large numbers in most cells, in which the biochemical processes of respiration and energy production occur. | | ER (Endoplasmic Reticulum) | A network of membranes found throughout the cytoplasm of eukaryotic cells, involved in protein and lipid synthesis and transport. | | G-6-Pase (Glucose-6-phosphatase) | An enzyme located in the ER of liver and kidney cells that catalyzes the final step of gluconeogenesis, releasing free glucose into the bloodstream. | | Phosphofructokinase-1 (PFK-1) | A key regulatory enzyme in glycolysis that catalyzes the phosphorylation of fructose-6-phosphate to fructose-1,6-bisphosphate. | | Fructose-1,6-bisphosphatase | A key regulatory enzyme in gluconeogenesis that catalyzes the dephosphorylation of fructose-1,6-bisphosphate to fructose-6-phosphate, bypassing the PFK-1 step. | | Pyruvate Kinase | A key regulatory enzyme in glycolysis that catalyzes the final step, converting phosphoenolpyruvate to pyruvate. | | Pyruvate Carboxylase | A mitochondrial enzyme that catalyzes the carboxylation of pyruvate to oxaloacetate, the first bypass reaction in gluconeogenesis. | | Phosphoenolpyruvate carboxykinase (PEPCK) | An enzyme that catalyzes the conversion of oxaloacetate to phosphoenolpyruvate, a key step in the gluconeogenesis bypass pathway. | | Allosteric regulation | A type of enzyme regulation where the binding of an effector molecule at a site other than the active site alters the enzyme's activity. | | Covalent modification | A rapid process of enzyme regulation involving the addition or removal of chemical groups, such as phosphate groups, to or from the enzyme. | | Induction & Repression | Processes where hormones influence the synthesis (induction) or degradation (repression) of key metabolic enzymes, affecting pathway activity over longer time scales. |

# Energieproductie en metabolisme in cellen Dit onderwerp behandelt de fundamentele noodzaak van energieproductie door cellen, de verschillende metabole routes en de twee hoofdtypen stofwisseling: katabolisme en anabolisme, inclusief de rol van ATP. ## 1. De noodzaak van energieproductie in cellen Cellen hebben energie nodig voor diverse essentiële processen. Deze processen, zoals hersenactiviteit, spiercontractie, celgroei en celdeling, vinden niet spontaan plaats en vereisen een continue aanvoer van energie. Deze energie wordt geleverd door metabole reacties. ## 2. Metabolisme: chemische reacties en routes Metabolisme, of stofwisseling, omvat alle chemische reacties die plaatsvinden in een cel of organisme waarbij energie wordt geproduceerd of verbruikt. Metabole reacties kunnen georganiseerd zijn in verschillende soorten routes: * **Lineaire routes**: een reeks opeenvolgende reacties. * **Cyclische routes**: een reeks reacties waarbij het eindproduct weer een reactant wordt voor de eerste stap. * **Vertakte routes**: een route die zich opsplitst of samenkomt. ## 3. Katabolisme en anabolisme Metabolisme is onder te verdelen in twee hoofdtypen stofwisseling: ### 3.1 Katabolisme Katabolisme is het proces van het afbreken van complexe moleculen tot eenvoudigere componenten, zoals kooldioxide ($CO_2$) en water ($H_2O$). * Dit proces maakt chemische energie vrij, die gebruikt kan worden voor anabolisme en voor cellulaire arbeid (zoals spierbeweging, hersenactiviteit, celgroei en -deling). * Bij katabolisme worden intermediairen gevormd die nodig zijn voor biosynthese. * Katabole reacties zijn **exergonisch**, wat betekent dat ze energie vrijgeven, vaak in de vorm van ATP. * Ze leiden ook tot de transfer van reducerende equivalenten naar $NAD^+$ en $NADP^+$, wat resulteert in de vorming van $NADH$ en $NADPH$ ($+ H^+$). > **Tip:** Denk aan katabolisme als het 'afbreken' of 'verbranden' van brandstof om energie te verkrijgen. ### 3.2 Anabolisme Anabolisme is het proces van de synthese van complexe moleculen (zoals eiwitten, lipiden en nucleïnezuren) uit eenvoudigere precursors. * Anabole reacties zijn **endergonisch**, wat betekent dat ze energie vereisen. * Deze energie wordt geleverd door ATP en/of reducerende equivalenten, voornamelijk in de vorm van $NADPH$. > **Tip:** Anabolisme is het 'opbouwen' of 'synthetiseren' van moleculen, wat energie kost. ## 4. Adenosinetrifosfaat (ATP) als energiedrager Adenosinetrifosfaat (ATP) is de universele energiedrager in de cel. Het slaat chemische energie op en maakt deze beschikbaar voor energie-vereisende processen. ### 4.1 Structuur en energie-inhoud van ATP ATP bestaat uit een adenosine-eenheid (adenine en ribose) en drie fosfaatgroepen. De bindingen tussen de fosfaatgroepen, met name de terminale twee fosfo-anhydridische bindingen, worden als 'hoogenergetische bindingen' beschouwd. * De hydrolyse van een fosfo-anhydridische binding levert een aanzienlijke hoeveelheid vrije energie op (doorgaans tussen de 5 en 15 kcal per mol onder standaardomstandigheden $ \Delta G^{\circ'} $). * In vergelijking hiermee levert de hydrolyse van een fosfaat-ester binding, zoals in glucose 6-fosfaat, aanzienlijk minder energie op (ongeveer 1 tot 3 kcal per mol $ \Delta G^{\circ'} $). ### 4.2 Vrije energieverandering ($ \Delta G $) De vrije energieverandering ($ \Delta G $) van een reactie bepaalt of deze spontaan verloopt: * $ \Delta G < 0 $: De reactie is **exergonisch** en kan spontaan verlopen. * $ \Delta G > 0 $: De reactie is **endergonisch** en vereist energie om te verlopen. * $ \Delta G = 0 $: De reactie bevindt zich in **evenwicht**. > **Tip:** $ \Delta G $ voorspelt de spontaniteit van een reactie, niet de snelheid. Die wordt bepaald door enzymen. #### 4.2.1 Standaard vrije energieverandering ($ \Delta G^{\circ'} $) $ \Delta G^{\circ'} $ vertegenwoordigt de vrije energieverandering onder aangepaste standaardomstandigheden (pH 7, 25 $^\circ$C, 1 M concentraties van reactanten en producten). #### 4.2.2 Fysiologische $ \Delta G $ De werkelijke $ \Delta G $ in de cel houdt rekening met de actuele, fysiologische concentraties van substraten en producten, die vaak sterk afwijken van 1 M. Dit kan leiden tot significant andere vrije energieveranderingen dan onder standaardomstandigheden. ### 4.3 Koppeling van reacties Metabolische cascades, waarbij meerdere reacties na elkaar plaatsvinden, hebben een totale vrije energieverandering die de som is van de individuele $ \Delta G^{\circ'} $ waarden. * Als de som van de $ \Delta G^{\circ'} $ negatief is, zal de algehele reactie aflopend zijn. * Enderegonische reacties (met $ \Delta G > 0 $) kunnen toch plaatsvinden door ze te koppelen aan exergonische reacties (zoals ATP-hydrolyse) met een voldoende negatieve $ \Delta G $. Dit zorgt ervoor dat de totale $ \Delta G $ van het gekoppelde proces negatief wordt. > **Voorbeeld:** Een reactie A + B $ \rightleftharpoons $ A-B met $ \Delta G^{\circ'} = +4 $ kcal/mol is endergonisch. Als deze gekoppeld wordt aan de hydrolyse van ATP (ATP + H$_2$O $ \rightarrow $ ADP + Pi met $ \Delta G^{\circ'} \approx -7.3 $ kcal/mol), wordt de totale reactie A + B + ATP $ \rightarrow $ A-B + ADP + Pi met een totale $ \Delta G^{\circ'} = +4 - 7.3 = -3.3 $ kcal/mol, wat exergonisch is. ### 4.4 ATP als energiedrager: enkele cijfers ATP wordt niet opgeslagen in de cel, maar continu gerecycled. * Een rustend persoon verbruikt en produceert ongeveer 40 kg ATP per dag. * Dagelijks wordt 100-150 mol ATP gehydrolyseerd en opnieuw gesynthetiseerd, wat betekent dat elke ATP-molecule ongeveer 1000 tot 1500 keer per dag wordt gerecycled. * De recyclage kan ook plaatsvinden via de reactie ADP + ADP $ \rightleftharpoons $ ATP + AMP, gekatalyseerd door adenylaat kinase. ### 4.5 Waarom is ATP zo reactief? De reactiviteit van ATP, met name de hydrolyse, wordt verklaard door: 1. **Ionizatie van fosfaatgroepen**: De fosfaatresten zijn bij fysiologische pH geïoniseerd en dragen negatieve ladingen, wat leidt tot elektrostatische afstoting. 2. **Resonantie stabilisatie**: De producten van ATP-hydrolyse, ADP en anorganisch fosfaat (Pi), zijn stabieler dan ATP door grotere resonantievormen. 3. **Wegvangen van protonen**: De vrijkomende protonen ($H^+$) worden uit de reactie verwijderd, wat het evenwicht verder naar rechts (richting ADP en Pi) verschuift volgens het principe van Le Chatelier. ## 5. Andere energierijke verbindingen Naast ATP zijn er andere moleculen die een fosfaatgroep kunnen overdragen aan ADP om ATP te vormen. Deze moleculen hebben een hogere fosforyl-groep transferpotentiaal dan ATP. ### 5.1 Enolfosfaten Voorbeelden zijn fosfo-enolpyruvaat (PEP). De hydrolyse van PEP levert een aanzienlijke hoeveelheid energie op, meer dan de hydrolyse van ATP. ### 5.2 Acylfosfaten Moleculen met een acylfosfaatbinding. ### 5.3 Fosfoguanidinen Creatinefosfaat is een bekend voorbeeld, dat fungeert als een snelle energiebuffer in spiercellen. De transfer van een fosfaatgroep van creatinefosfaat naar ADP is exergonisch. > **Voorbeeld:** Creatinefosfaat + ADP + $H^+$ $ \rightleftharpoons $ Creatine + ATP met $ \Delta G^{\circ'} \approx -4 $ kcal/mol. ## 6. De energiestatus van de cel De energiestatus van een cel kan worden gekwantificeerd door de energielading. ### 6.1 Energielading De energielading wordt gedefinieerd als: $$ \text{Energielading} = \frac{[ATP] + \frac{1}{2}[ADP]}{[ATP] + [ADP] + [AMP]} $$ * Een energielading van 0 betekent dat alle nucleotiden als AMP aanwezig zijn, terwijl een waarde van 1 betekent dat alles ATP is. * In de meeste cellen ligt de energielading doorgaans tussen 0.8 en 0.95. * Een lage energielading kan leiden tot cellulaire processen zoals apoptose (geprogrammeerde celdood). > **Tip:** De energielading is een belangrijke regulator van metabole routes. Hoge energielading remt ATP-genererende wegen en stimuleert ATP-consumerende wegen, en vice versa. ## 7. Biochemische oxidatie en reductie Biochemische reacties zijn vaak redoxreacties, waarbij elektronen worden uitgewisseld. ### 7.1 Inleiding tot redoxreacties * **Oxidatie**: Het afgeven van elektronen. * **Reductie**: Het opnemen van elektronen. * Redoxreacties zijn altijd gekoppeld: één molecuul wordt geoxideerd terwijl een ander wordt gereduceerd. * In biologische systemen worden vaak waterstofatomen (proton + elektron) overgedragen in plaats van pure elektronen. > **Voorbeeld:** De oxidatie van succinaat tot fumaraat brengt twee waterstofatomen (2 $H^+ + 2e^-$) met zich mee. ### 7.2 Biochemische elektronendragers Verschillende moleculen fungeren als centrale dragers van elektronen in metabole reacties. #### 7.2.1 Nicotinamide adenine dinucleotide ($NAD^+$) en zijn fosfaat ($NADP^+$) * $NAD^+$ en $NADP^+$ zijn co-enzymen afgeleid van vitamine B3. * Ze zijn betrokken bij dehydrogenatiereacties. * **$NAD^+$**: Wordt voornamelijk gebruikt in katabole reacties voor de generatie van ATP. Wordt gereduceerd tot $NADH$. * **$NADP^+$**: Wordt voornamelijk gebruikt in anabole (reductieve biosynthese) reacties. Wordt gereduceerd tot $NADPH$. Dit scheidt de katabole en anabole processen. > **Voorbeeld:** In een oxidatie waarbij een alcohol wordt omgezet in een carbonylgroep, neemt $NAD^+$ een waterstofatoom (hydride-ion, $H^-$) op en wordt $NADH$. #### 7.2.2 Flavine adenine dinucleotide (FAD) * FAD is een co-enzym afgeleid van vitamine B2. * Het bevat een reactieve isoalloxaanring die waterstofatomen kan opnemen. * FAD wordt gereduceerd tot $FADH_2$. * $FAD$ is vaak betrokken bij reacties die minder energie leveren dan die waarbij $NAD^+$ betrokken is, zoals de oxidatie van verzadigde tot onverzadigde koolstofketens. > **Voorbeeld:** $R-CH_2-CH_2-R' \rightleftharpoons R-CH=CH-R' + 2H^+ + 2e^-$ (met FAD als acceptor). #### 7.2.3 Oxidatie-reductie potentiaal De reductiepotentiaal ($E^{\circ'}$) van een co-enzym bepaalt tot welke mate het elektronen kan accepteren. Het is belangrijk voor het bepalen van de thermodynamische haalbaarheid van elektronentransfer tussen moleculen. ### 7.3 Co-enzym A als universele drager van acylgroepen Co-enzym A (CoA) is een essentieel co-enzym dat afkomstig is van pantotheenzuur (vitamine B5). * Het bevat een thiol-groep ($HS-$) die gemakkelijk bindingen kan vormen met acylgroepen. * De thio-ester binding in acyl-CoA-verbindingen is 'metastabiel' en levert bij hydrolyse een aanzienlijke hoeveelheid vrije energie op (ongeveer -7.5 kcal/mol). Dit maakt acylgroepen gemakkelijk overdraagbaar. * CoA is cruciaal in het metabolisme van lipiden, koolhydraten en aminozuren, met name in de vorm van acetyl-CoA (een 2-koolstofeenheid). ### 7.4 Componenten betrokken in groep-transferreacties Verschillende geactiveerde moleculen kunnen groepen overdragen in metabole reacties. UDP-glucose is bijvoorbeeld de geactiveerde vorm van glucose die glucose kan overdragen. ### 7.5 Wateroplosbare vitaminen als co-enzymen Veel wateroplosbare vitaminen (zoals vitamine B-complex) zijn precursors van co-enzymen die essentieel zijn voor metabole reacties, waaronder de al genoemde $NAD^+$, $NADP^+$, FAD en CoA. ### 7.6 Vetoplosbare vitaminen (A, D, E, K) Deze vitaminen spelen ook cruciale rollen in cellulaire processen, hoewel niet direct als elektronendragers in de klassieke zin: * **Vitamine K**: Essentieel voor de carboxylering van glutamaat, wat belangrijk is voor bloedstolling. * **Vitamine A**: Precursor voor retinol en retinale, betrokken bij visuele processen. * **Vitamine D**: Belangrijk voor het metabolisme van fosfor en calcium, en botvorming. * **Vitamine E**: Fungeert als een antioxidant en beschermt membraanlipiden tegen oxidatie. --- # Energetische veranderingen en de rol van ATP Dit deel van de cursus behandelt de thermodynamica van biochemische reacties, de centrale rol van adenosinetrifosfaat (ATP) als energiedrager, en hoe reacties energetisch worden gekoppeld. ### 2.1 Vrije energieverandering (ΔG) Biochemische reacties vereisen energie of produceren energie. De vrije energieverandering, aangeduid als $\Delta G$, is een maat voor de spontaniteit van een reactie. * **Exergonische reacties**: Reacties waarbij energie vrijkomt. Deze hebben een negatieve $\Delta G$ ($\Delta G < 0$). Deze reacties verlopen spontaan. * **Endergonische reacties**: Reacties die energie vereisen. Deze hebben een positieve $\Delta G$ ($\Delta G > 0$). Deze reacties verlopen niet spontaan en vereisen energie-input. De $\Delta G$ bepaalt het evenwicht van een reactie, niet de snelheid. De relatie tussen $\Delta G$, de standaard vrije energieverandering ($\Delta G^\circ$), en de evenwichtsconstante ($K_{eq}$) wordt beschreven door de volgende formules: $$ \Delta G = \Delta G^\circ + 2.303 \cdot RT \cdot \log(Q) $$ Hierin is: * $R$ de universele gasconstante. * $T$ de absolute temperatuur. * $Q$ het reactiequotiënt, dat de verhouding van producten tot reagentia op een bepaald moment weergeeft. Bij evenwicht is $\Delta G = 0$ en $Q = K_{eq}$: $$ \Delta G^\circ = -2.303 \cdot RT \cdot \log(K_{eq}) $$ * Als $K_{eq} < 1$, is $\Delta G^\circ$ positief en de reactie endergonisch onder standaardomstandigheden. * Als $K_{eq} > 1$, is $\Delta G^\circ$ negatief en de reactie exergonisch onder standaardomstandigheden. #### 2.1.1 Standaard vrije energieverandering ($\Delta G^\circ$) $\Delta G^\circ$ verwijst naar de vrije energieverandering onder gestandaardiseerde omstandigheden (1 M concentratie van alle reagentia en producten, 25 °C, pH 7). #### 2.1.2 Gewijzigde standaardomstandigheden ($\Delta G^{\circ\prime}$) In biologische systemen is de pH meestal 7, wat overeenkomt met een protonenconcentratie van $10^{-7}$ M. Daarom wordt vaak gebruik gemaakt van de gewijzigde standaardomstandigheden ($\Delta G^{\circ\prime}$), waarbij de protonenconcentratie $10^{-7}$ M is. Een belangrijke reactie is de hydrolyse van ATP: $$ \text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{ADP} + \text{P}_i + \text{H}^+ $$ Voor deze reactie onder gewijzigde standaardomstandigheden is de $\Delta G^{\circ\prime}$ ongeveer $-31$ kJ/mol of $-7.5$ kcal/mol. Dit is een exergonische reactie. #### 2.1.3 Fysiologische $\Delta G$ De werkelijke $\Delta G$ in de cel (fysiologische $\Delta G$) houdt rekening met de actuele, vaak zeer lage, concentraties van substraten en producten in de cel. Deze kunnen significant afwijken van de standaardomstandigheden en variëren per weefsel. De fysiologische $\Delta G$ voor de ATP-hydrolyse kan $-54.5$ kJ/mol of $-12.5$ kcal/mol zijn, wat aanzienlijk negatiever is dan de $\Delta G^{\circ\prime}$. ### 2.2 Koppeling van reacties Metabole reacties vinden vaak plaats in cascades waarbij meerdere reacties achter elkaar plaatsvinden. De totale vrije energieverandering van een cascade is de som van de individuele $\Delta G^{\circ\prime}$ waarden. $$ \Delta G^\circ (\text{A} \rightarrow \text{D}) = \Delta G^\circ (\text{A} \rightarrow \text{B}) + \Delta G^\circ (\text{B} \rightarrow \text{C}) + \Delta G^\circ (\text{C} \rightarrow \text{D}) $$ Als de totale $\Delta G^{\circ\prime}$ negatief is, is de gehele reactieserie aflopend. Endergonische reacties ($\Delta G^{\circ\prime} > 0$) kunnen worden aangedreven door ze te koppelen aan een sterk exergonische reactie, zoals de hydrolyse van ATP. > **Voorbeeld:** Een endergonische reactie A + B ⇌ A-B met $\Delta G^{\circ\prime} = +4$ kcal/mol kan worden gekoppeld aan de hydrolyse van ATP. > 1. ATP + A ⇌ A~P + ADP ($\Delta G^{\circ\prime} \approx -7.3$ kcal/mol) > 2. A~P + B ⇌ AB + P ($\Delta G^{\circ\prime}$ waarde die de koppeling mogelijk maakt) > De totale reactie wordt: A + B + ATP ⇌ AB + P + ADP. De gecombineerde $\Delta G^{\circ\prime}$ is dan ongeveer $-3.3$ kcal/mol, wat de vorming van AB spontaan maakt. ### 2.3 ATP als energiedrager Adenosinetrifosfaat (ATP) is de universele energiedrager in cellen. Het levert energie voor talloze cellulaire processen, waaronder spiercontractie, celgroei, celdeling, en actief transport. * **Functie**: ATP is een drager van vrije energie, geen opslagmolecuul. De energie wordt opgeslagen in de hoogenergetische fosfoanhydridische bindingen tussen de fosfaatgroepen. * **Hydrolyse**: De energie komt vrij bij de hydrolyse van de terminale fosfaatgroep(en). * **Synthese**: ATP wordt continu gerecycleerd uit ADP (adenosinedifosfaat) en Pi (anorganisch fosfaat) via processen zoals oxidatieve fosforylatie en fotofosforylatie. * **Hoeveelheid**: Een rustend persoon verbruikt en genereert ongeveer 40 kg ATP per dag. Elke ATP-molecuul wordt duizenden keren per dag gerecycleerd. #### 2.3.1 Stabiliteit en reactiviteit van ATP De hoge reactiviteit van ATP is te danken aan: 1. De geladen fosfaatgroepen die elkaar elektrostatisch afstoten bij pH 7. 2. De resonantiestabiliteit van de reactieproducten (ADP en Pi) die groter is dan die van ATP. De producten zijn dus stabieler, wat de hydrolyse naar rechts drijft. 3. De verwijdering van vrijkomende protonen ($\text{H}^+$) uit de reactie in de waterige oplossing, wat volgens het principe van Le Chatelier het evenwicht verder naar rechts verplaatst. #### 2.3.2 Andere nucleotiden Naast ATP zijn ook GTP, UTP en CTP belangrijke energierijke nucleotiden. Hun gehydrolyseerde vormen (GDP, UDP, CDP) kunnen ook worden gebruikt in specifieke metabole reacties, zoals de fosforylering van eiwitten om hun activiteit of locatie te reguleren. ### 2.4 Andere energierijke verbindingen Naast ATP zijn er andere moleculen die een fosfaatgroep kunnen afstaan aan ADP om ATP te vormen. Deze moleculen hebben een hogere fosforyl-groep transfer potentiaal dan ATP. * **Enolfosfaten**: Bijvoorbeeld fosfo-enolpyruvaat. De hydrolyse ervan genereert meer energie dan de hydrolyse van ATP. * **Acylfosfaten**: Dergelijke verbindingen kunnen ook energie leveren voor ATP-synthese. * **Fosfoguanidinen**: Creatinefosfaat is een voorbeeld. Het dient als een snelle energiereserve, met name in spierweefsel. De energie die vrijkomt bij de hydrolyse van creatinefosfaat is voldoende om ATP te regenereren. De Gibbs vrije energieschaal toont de relatieve energierijke fosfaatverbindingen, wat aangeeft welke moleculen hun fosfaatgroep aan ATP kunnen doneren en vice versa. > **Tip:** De bedoeling van het metabolisme is om stabiele, energierijke intermediairen te maken die gebruikt kunnen worden om ATP te vormen of om andere moleculen te synthetiseren. ### 2.5 De energiestatus van de cel De energiestatus van een cel kan worden uitgedrukt met behulp van de energielading: $$ \text{Energielading} = \frac{[\text{ATP}] + \frac{1}{2}[\text{ADP}]}{[\text{ATP}] + [\text{ADP}] + [\text{AMP}]} $$ * Een energielading van 0 betekent dat alle adenosinemonofosfaat (AMP) is. * Een energielading van 1 betekent dat alle ATP is. Cellen houden hun energielading doorgaans tussen 0.8 en 0.95. Een te lage energielading kan leiden tot cellulaire processen zoals apoptose. Hoge energielading remt ATP-genererende routes en stimuleert ATP-consumerende routes. ### 2.6 Biochemische oxidatie-reductie (redoxreacties) Metabole reacties omvatten vaak de overdracht van elektronen, bekend als redoxreacties. * **Oxidatie**: Het afgeven van elektronen. * **Reductie**: Het opnemen van elektronen. Oxidatie en reductie vinden altijd gekoppeld plaats. In biologische systemen gaat dit vaak gepaard met de overdracht van waterstofatomen (een proton en een elektron). #### 2.6.1 Biochemische elektronendragers Centrale elektronendragers in metabolisme zijn onder meer NAD$^+$, NADP$^+$, en FAD. * **Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD$^+$ en NADH)**: * NAD$^+$ is betrokken bij katabole reacties (energieproductie). Het accepteert twee elektronen en één proton om NADH te vormen: $\text{NAD}^+ + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow \text{NADH} + \text{H}^+$. * De reactie wordt vaak gekatalyseerd door dehydrogenases. Specifieke aminozuurresidu's in het enzym (zoals arginine en aspartaat) spelen een rol bij de stabilisatie van het substraat en de overdracht van protonen. * **Nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat (NADP$^+$ en NADPH)**: * NADP$^+$ wordt voornamelijk gebruikt in anabole reacties voor reductieve biosynthese. NADPH is een elektronendonor in deze reacties. * Enzymen die NADP$^+$ gebruiken, hebben doorgaans geen geconserveerd aspartaatresidu, wat interfereert met de werking van NAD$^+$. Dit zorgt voor een scheiding tussen katabole en anabole processen. * **Flavine adenine dinucleotide (FAD en FADH$_2$)**: * FAD is gebonden aan enzymen en werkt als elektronendrager. Het accepteert twee waterstofatomen (protonen en elektronen) om FADH$_2$ te vormen: $\text{FAD} + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow \text{FADH}_2$. * De isoalloxaanring in FAD is het reactieve deel dat elektronen kan opnemen. * FAD wordt gebruikt in reacties waarbij elektronenoverdracht plaatsvindt, zoals de oxidatie van succinaat tot fumaraat. De standaard redoxpotentiaal van de FAD/FADH$_2$-koppelingsreactie is geschikt voor deze specifieke transformaties, waar NAD$^+$ minder efficiënt zou zijn. #### 2.6.2 Coënzym A (CoA) Coënzym A is een universele drager van acylgroepen, met name de acetylgroep. Het bevat een $\beta$-mercapto-ethylamine eenheid met een zeer reactieve thiolgroep (HS-). * **Thio-ester binding**: De binding tussen de acylgroep en CoA is een thio-esterbinding. Deze binding is metastabiel en thermodynamisch gunstiger te hydrolyseren dan een zuurstofesterbinding. * **Overdracht van groepen**: De metastabiele aard van de thio-esterbinding maakt het mogelijk om acylgroepen gemakkelijk over te dragen op andere moleculen, wat cruciaal is voor zowel de synthese als de afbraak van lipiden en andere moleculen. * **Acetyl-CoA**: Een veelvoorkomend derivaat is acetyl-CoA, bestaande uit twee koolstofatomen die gemakkelijk kunnen worden overgedragen. #### 2.6.3 Componenten betrokken in groep-transfer reacties Verschillende geactiveerde vormen van suikers, zoals UDP-glucose, fungeren als dragers voor specifieke groepen die overdraagbaar zijn op andere moleculen. #### 2.6.4 Water-oplosbare vitaminen als co-enzymen Veel water-oplosbare vitaminen zijn essentiële componenten van co-enzymen die betrokken zijn bij metabole reacties. Voorbeelden zijn: * Riboflavine (vitamine B2), een component van FAD. * Pantotheenzuur (vitamine B5), een component van Coënzym A. * Nicotinezuur, een component van NAD$^+$ en NADP$^+$. * Foliumzuur (folaat), betrokken bij de overdracht van enkele koolstofatomen. * Biotine, betrokken bij carboxylatiereacties. #### 2.6.5 Vet-oplosbare vitaminen Vitaminen A, D, E en K spelen ook belangrijke rollen in metabole processen, hoewel ze niet direct als co-enzymen in redoxreacties fungeren: * Vitamine K is essentieel voor de carboxylatie van glutamaatresidu's, wat belangrijk is voor bloedstolling. * Vitamine A is een precursor voor visuele pigmenten en betrokken bij celgroei. * Vitamine D is cruciaal voor het metabolisme van fosfor en calcium, en voor de botvorming. * Vitamine E (tocoferol) werkt als een antioxidant en beschermt membraanlipiden tegen oxidatie. --- # Biochemische oxidatie-reductiereacties en elektronendragers Hier is de samenvatting voor het onderwerp "Biochemische oxidatie-reductiereacties en elektronendragers", opgesteld als een examen-gereed studiehandleiding. ## 3. Biochemische oxidatie-reductiereacties en elektronendragers Dit onderwerp behandelt de fundamentele principes van oxidatie-reductiereacties in de biochemie, de cruciale rol van co-enzymen als elektronendragers, en hun integratie in energiemetabolisme en biosynthetische processen. ### 3.1 Algemene principes van metabolisme en energietransfer Metabolisme omvat alle chemische reacties die plaatsvinden in levende organismen om energie te produceren of te verbruiken. Het wordt onderverdeeld in twee hoofdtakken: * **Katabolisme:** Afbraak van complexe moleculen naar eenvoudigere stoffen (zoals CO₂ en H₂O), waarbij chemische energie vrijkomt. Dit proces is exergonisch en leidt tot de vorming van ATP en het transfereren van reducerende equivalenten naar elektronendragers zoals NAD⁺ en NADP⁺. * **Anabolisme:** Synthese van complexe moleculen uit eenvoudigere precursor-moleculen. Dit proces is endergonisch en vereist energie uit ATP of uit reducerende equivalenten (zoals NADPH). Energie is essentieel voor diverse cellulaire processen, waaronder spiercontractie, hersenactiviteit, celgroei en celdeling. Deze processen verlopen niet vanzelf, maar vereisen een continue input van energie. ### 3.2 Energiedragers: Adenosinetrifosfaat (ATP) ATP is de primaire energiedrager in cellen. De energie die vrijkomt bij de hydrolyse van de terminale fosfaatgroep(en) van ATP is significant en wordt gebruikt om endergonische reacties aan te drijven. * **Energierijke bindingen:** De fosfoanhydridische bindingen in ATP worden als energierijk beschouwd, met een standaard vrije energieverandering ($\Delta G^\circ'$) van ongeveer -31 kJ/mol (-7,5 kcal/mol) bij hydrolyse. Fosfaat-esterbindingen, zoals in glucose-6-fosfaat, bevatten minder energie ( $\Delta G^\circ'$ van -1 tot -3 kcal/mol). * **Fysiologische $\Delta G$:** De werkelijke vrije energieverandering ($\Delta G$) in de cel is afhankelijk van de actuele concentraties van substraten en producten en kan aanzienlijk verschillen van de standaardwaarden. In spiercellen kan de fysiologische $\Delta G$ voor de hydrolyse van ATP bijvoorbeeld rond de -54,5 kJ/mol (-12,5 kcal/mol) liggen. * **Koppeling van reacties:** Reacties met een positieve $\Delta G$ kunnen niet spontaan verlopen, tenzij ze gekoppeld worden aan een reactie met een sterk negatieve $\Delta G$, zoals de hydrolyse van ATP. Deze koppeling zorgt ervoor dat de totale reactie exergonisch wordt. $$ \text{A} + \text{B} \rightleftharpoons \text{A-B} \quad (\Delta G^\circ' > 0) $$ Wordt gekoppeld aan: $$ \text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{ADP} + \text{P}_i + \text{H}^+ \quad (\Delta G^\circ' \approx -31 \text{ kJ/mol}) $$ De totale reactie wordt dan: $$ \text{A} + \text{B} + \text{ATP} \rightleftharpoons \text{A-B} + \text{ADP} + \text{P}_i $$ Met een totale $\Delta G^\circ'$ die negatief is. * **ATP-recycling:** ATP wordt voortdurend gehydrolyseerd en geregenereerd. Een rustend persoon verbruikt ongeveer 40 kg ATP per dag, wat neerkomt op 100-150 mol ATP per dag die gerecycled wordt. De adenylaatkinase reactie is hierin belangrijk: $$ \text{ADP} + \text{ADP} \rightleftharpoons \text{ATP} + \text{AMP} $$ * **Stabiliteit en reactiviteit van ATP:** ATP is relatief instabiel vanwege de elektrostatische afstoting tussen de negatief geladen fosfaatgroepen en de resonantie-stabiliteit van de reactieproducten (ADP en Pᵢ), die stabieler zijn dan ATP. Vrijgekomen protonen worden uit de reactie verwijderd, wat volgens het principe van Le Chatelier het evenwicht naar rechts verplaatst, richting ATP-hydrolyse. #### 3.2.1 Andere energierijke verbindingen Naast ATP zijn er andere moleculen met een hoge fosforyl-groep transfer potentiaal, die fosfaatgroepen aan ADP kunnen afstaan: * **Enolfosfaten:** Fosfo-enolpyruvaat heeft een $\Delta G^\circ'$ van ongeveer -62 kJ/mol (-14,8 kcal/mol) bij hydrolyse. * **Acylfosfaten:** Diverse acylfosfaten kunnen een fosfaatgroep overdragen. * **Fosfoguanidinen:** Creatinefosfaat is een voorbeeld, met een $\Delta G^\circ'$ van ongeveer -43 kJ/mol (-10,3 kcal/mol) bij de transfer van een fosfaatgroep naar ADP. #### 3.2.2 Energiestatus van de cel De energiestatus van een cel wordt uitgedrukt door de "energielading", een maat voor de verhouding van ATP, ADP en AMP: $$ \text{Energielading} = \frac{[\text{ATP}] + \frac{1}{2}[\text{ADP}]}{[\text{ATP}] + [\text{ADP}] + [\text{AMP}]} $$ Een energielading nabij 1 betekent een hoge ATP-concentratie, terwijl een lading nabij 0 een hoge AMP-concentratie impliceert. Cellen handhaven doorgaans een energielading tussen 0,8 en 0,95. Een lage energielading kan leiden tot het initiëren van processen zoals apoptose. Hoge energielading remt ATP-genererende wegen en stimuleert ATP-consumerende wegen. ### 3.3 Biochemische oxidatie-reductiereacties Oxidatie-reductiereacties (redoxreacties) zijn fundamenteel voor het metabolisme. * **Definities:** * **Oxidatie:** Het afstaan van elektronen. * **Reductie:** Het opnemen van elektronen. * Redoxreacties vinden altijd in gekoppelde paren plaats. * **Waterstof-atomen en elektronen:** In biochemische reacties worden vaak waterstofatomen (een proton en een elektron) uitgewisseld. Bijvoorbeeld, de oxidatie van succinaat tot fumaraat omvat het verlies van twee protonen en twee elektronen. * **Centrale elektronendragers:** Moleculen zoals NAD⁺, NADP⁺ en FAD fungeren als centrale elektronendragers die waterstofatomen of elektronen opnemen en afstaan. #### 3.3.1 Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD⁺) en Nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat (NADP⁺) Deze twee co-enzymen zijn afgeleid van niacine (vitamine B₃) en spelen een cruciale rol in redoxreacties. * **Structuur:** Beide moleculen bestaan uit een nicotinamide-ring, een ribose-eenheid, een fosfaatgroep en een adenine-eenheid met een tweede ribose en fosfaatgroep (difosfaat voor NAD⁺). * **Reactie:** NAD⁺ en NADP⁺ accepteren twee elektronen en één proton om gereduceerd te worden tot NADH en NADPH, respectievelijk. $$ \text{NAD}^+ + 2e^- + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{NADH} $$ $$ \text{NADP}^+ + 2e^- + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{NADPH} $$ * **Rol:** * **NAD⁺:** Wordt voornamelijk gebruikt bij de generatie van ATP in katabole reacties (oxidatieprocessen), zoals bij dehydrogenasen. De reacties waarbij NAD⁺ betrokken is, worden vaak gekatalyseerd door enzymen met een geconserveerd aspartaat-residu dat de negatief geladen carboxylgroep van het substraat stabiliseert. * **NADP⁺:** Wordt voornamelijk gebruikt bij reductieve biosynthese (anabole reacties). Enzymen die NADP⁺ gebruiken, hebben doorgaans geen geconserveerd aspartaat-residu. Dit onderscheid helpt om interferentie tussen katabole en anabole wegen te voorkomen. #### 3.3.2 Flavine adenine dinucleotide (FAD) FAD, afgeleid van riboflavine (vitamine B₂), is een andere belangrijke elektronendrager. * **Structuur:** FAD bevat een isoalloxaanring, die het reactieve deel is voor het opnemen en afstaan van elektronen. * **Reactie:** FAD kan twee elektronen en twee protonen opnemen om gereduceerd te worden tot FADH₂. $$ \text{FAD} + 2e^- + 2\text{H}^+ \rightleftharpoons \text{FADH}_2 $$ FAD kan ook één elektron opnemen en een semichinonradicaal vormen. * **Rol:** De isoalloxaanring is bij uitstek geschikt voor het 'parkeren' van waterstofatomen. FAD wordt vaak gebruikt in reacties die een dubbele binding vormen uit een verzadigde verbinding, zoals de oxidatie van succinaat tot fumaraat. De redoxpotentiaal van het FAD/FADH₂-paar is geschikter voor deze reactie dan die van het NAD⁺/NADH-paar. > **Tip:** Hoewel de gedetailleerde structuren van NAD⁺, NADP⁺ en FAD niet gememoriseerd hoeven te worden voor elk examen, is het belangrijk om hun algemene opbouw te begrijpen en te weten welke delen van de moleculen de elektronen accepteren of doneren. ### 3.4 Andere belangrijke moleculen in groepstransfer reacties #### 3.4.1 Co-enzym A Co-enzym A (CoA) is een belangrijke drager van acylgroepen. Het bevat een pantotheenzuur-eenheid (vitamine B₅), een fosforylated adenosinedifosfaat deel en een terminale thiol (-SH) groep. * **Thioësterbinding:** De thioësterbinding in acyl-CoA-derivaten (zoals acetyl-CoA) is metastabiel en thermodynamisch gunstiger voor hydrolyse dan zuurstofesters. Dit maakt de overdracht van acylgroepen op andere moleculen gemakkelijk. $$ \text{R-C}(=\text{O})\text{S-CoA} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{R-COOH} + \text{HS-CoA} \quad (\Delta G^\circ' \approx -7,5 \text{ kcal/mol}) $$ * **Rol:** CoA is essentieel voor de metabolisering van lipiden, koolhydraten en aminozuren, en fungeert als een universele drager van twee-koolstofeenheden (via acetyl-CoA). #### 3.4.2 Geactiveerde nucleotiden Geactiveerde nucleotiden, zoals UDP-glucose, dienen als dragers van moleculaire eenheden die overdraagbaar zijn op andere moleculen, waardoor biosynthetische reacties mogelijk worden. UDP-glucose is bijvoorbeeld de geactiveerde vorm van glucose voor de synthese van glycogeen of andere polysacchariden. ### 3.5 Vitaminen en co-enzymen Veel co-enzymen zijn afgeleid van wateroplosbare vitaminen (zoals B-vitaminen). Deze vitaminen kunnen niet door het lichaam zelf worden gesynthetiseerd en moeten via de voeding worden verkregen. Voorbeelden zijn: * **Riboflavine (vitamine B₂):** Voorloper van FAD. * **Niacine (vitamine B₃):** Voorloper van NAD⁺ en NADP⁺. * **Pantotheenzuur (vitamine B₅):** Onderdeel van Co-enzym A. * **Foliumzuur (folaat):** Belangrijk voor het transport van één-koolstofeenheden. * **Biotine:** Belangrijk voor carboxylatie reacties. Vet-oplosbare vitaminen (A, D, E, K) hebben ook specifieke biochemische functies, zoals lichtabsorptie (vitamine A), calciummetabolisme (vitamine D), antioxiderende werking (vitamine E) en carboxylatie van glutamaat (vitamine K). > **Belangrijk:** In de context van examens zullen de vragen over vitaminen en co-enzymen zich doorgaans beperken tot de identificatie van de belangrijkste vitaminen die als precursor voor de hierboven genoemde co-enzymen dienen. --- # Co-enzymen en vitaminen in metabole processen Dit gedeelte bespreekt de essentiële rol van co-enzymen, met name co-enzym A, en diverse vitaminen (zowel water- als vetoplosbaar) als cruciale componenten voor een breed scala aan metabole reacties en processen. ### 4.1 Vitaminen als essentiële metabole componenten Vitaminen zijn organische micronutriënten die het lichaam niet zelf kan synthetiseren en die essentieel zijn voor tal van metabole processen. Ze fungeren vaak als precursors voor co-enzymen, de actieve moleculen die enzymen assisteren bij hun katalytische functie. Vitaminen worden onderverdeeld in wateroplosbare en vetoplosbare vitaminen. #### 4.1.1 Wateroplosbare vitaminen en hun rol als co-enzymen Wateroplosbare vitaminen worden opgenomen in het lichaam en functioneren vaak als co-enzymen in diverse metabole routes. * **Nicotinezuur (Vitamine B3)**: * Is een precursor van **nicotinamide adenine dinucleotide (NAD$^+$)** en **nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat (NADP$^+$)**. * **NAD$^+$**: Speelt een centrale rol in katabole reacties, met name bij de generatie van ATP via oxidatieve fosforylatie. Het accepteert waterstofatomen (protonen en elektronen) tijdens dehydrogenatiereacties, waarbij het gereduceerd wordt tot NADH. * Algemene reactie: $R-CH(OH)-R' + NAD^+ \rightleftharpoons R-C(=O)-R' + NADH + H^+$ * **NADP$^+$**: Wordt voornamelijk gebruikt in reductieve biosynthetische reacties, zoals in de anabole wegen. Het wordt gereduceerd tot NADPH, dat als elektronendonor fungeert. Dit helpt interferentie tussen katabole en anabole processen te voorkomen. * **Riboflavine (Vitamine B2)**: * Is de precursor van **flavine adenine dinucleotide (FAD)**. * **FAD**: Fungeert als elektronendrager, met name in reacties waarbij twee waterstofatomen worden verwijderd. Het wordt gereduceerd tot FADH$_2$. De isoalloxaanring in FAD is het reactieve deel dat waterstofatomen kan accepteren en doneren. FAD is betrokken bij reacties die niet efficiënt gekoppeld kunnen worden aan NAD$^+$/NADH-systemen vanwege de standaard redoxpotentiaal. * Reactietype: $R-CH_2-CH_2-R' \rightleftharpoons R-CH=CH-R' + 2H^+ + 2e^-$ * FAD kan ook één elektron opnemen om een semichinon te vormen: $FAD + H^+ + e^- \rightleftharpoons FADH^{\bullet}$ * **Pantotheenzuur (Vitamine B5)**: * Is een essentiële component van **co-enzym A (CoA)**. * **Co-enzym A**: Speelt een cruciale universele rol als drager van acylgroepen, met name de acetylgroep. Het bevat een $\beta$-mercapto-ethylamine eenheid met een sulfhydryl (HS-) groep. De thioesterbinding in acyl-CoA is metastabiel, waardoor de acylgroep gemakkelijk kan worden overgedragen op andere moleculen. Dit is essentieel voor metabole processen zoals vetzuurmetabolisme en de citroenzuurcyclus. * Thioesterbinding: $R-C(=O)-S-CoA$ (bv. acetyl-CoA: $CH_3-C(=O)-S-CoA$) * Hydrolyse van een thioesterbinding is thermodynamisch gunstiger dan die van een zuurstofester. * $R-C(=O)-S-CoA + H_2O \rightleftharpoons R-COOH + HS-CoA$ * $\Delta G^{\circ'} \approx -7.5 \text{ kcal/mol}$ * **Foliumzuur (Folaat)**: * Is betrokken bij de overdracht van één-koolstofeenheden in metabole reacties. Het is essentieel voor de synthese van nucleïnezuren. * **Biotine**: * Fungeert als co-enzym in carboxylatiereacties, waarbij CO$_2$ wordt overgedragen. #### 4.1.2 Vetoplosbare vitaminen Vetoplosbare vitaminen (A, D, E en K) hebben andere functies dan wateroplosbare vitaminen en fungeren niet primair als co-enzymen in de meeste metabole reacties, maar hebben wel belangrijke rollen: * **Vitamine K**: Cruciaal voor de carboxylatie van glutamaat tot $\gamma$-carboxyglutamaat, een proces dat essentieel is voor bloedstolling. * **Vitamine A (retinol)**: Essentieel als precursor voor retinale, een lichtabsorberende groep in visuele pigmenten, en speelt een rol in celgroei en -differentiatie. * **Vitamine D**: Belangrijk voor het metabolisme van fosfor en calcium, en essentieel voor een goede beendervorming. * **Vitamine E ($\alpha$-tocopherol)**: Fungeert als een krachtig antioxidant dat de oxidatie van onverzadigde vetzuren in celmembranen voorkomt. ### 4.2 Co-enzym A als universele drager van acylgroepen Co-enzym A (CoA) is een complex molecuul dat een centrale rol speelt in het metabolisme door de efficiënte overdracht van acylgroepen. * **Structuur**: CoA bestaat uit pantotheenzuur (vitamine B5), $\beta$-mercapto-ethylamine en een adenosine-nucleotide. De sleutel tot zijn functie is de terminale sulfhydryl (-SH) groep. * **Functie**: CoA vormt thioesterbindingen met verschillende acylgroepen, zoals de acetylgroep, wat leidt tot acyl-CoA (bv. acetyl-CoA). De thioesterbinding is energetisch gunstig om te hydrolyseren, waardoor de overgedragen acylgroep beschikbaar wordt voor verdere reacties. * **Betrokkenheid**: CoA is cruciaal in: * Vorming van acetyl-CoA uit pyruvaat, wat de instap is voor de citroenzuurcyclus. * Vetzurenmetabolisme ( $\beta$-oxidatie en vetzuursynthese). * Synthese van cholesterol en steroïdhormonen. ### 4.3 Gibbs vrije energie en reactiekoppeling Metabole reacties worden gedreven door veranderingen in Gibbs vrije energie ($\Delta G$). * **$\Delta G^{\circ'}$**: Representeert de standaard vrije energie verandering onder specifieke (gewijzigde) standaardomstandigheden (pH 7.0, 25 °C, 1 M concentratie van reagentia en producten). De hydrolyse van ATP levert significant negatieve $\Delta G^{\circ'}$ waarden. * $ATP + H_2O \rightleftharpoons ADP + P_i$ * $\Delta G^{\circ'} \approx -31 \text{ kJ/mol}$ (of ca. $-7.5 \text{ kcal/mol}$) * **Fysiologische $\Delta G$**: Houdt rekening met de werkelijke concentraties van substraten en producten in de cel. Deze waarden kunnen aanzienlijk verschillen van $\Delta G^{\circ'}$ en zijn vaak meer negatief, wat de spontaniteit van de reactie aangeeft. * Fysiologische $\Delta G$ voor ATP-hydrolyse kan oplopen tot ca. $-54.5 \text{ kJ/mol}$ (ca. $-12.5 \text{ kcal/mol}$). * **Reactiekoppeling**: Reacties met een positieve $\Delta G$ (endergonisch, niet-spontaan) kunnen toch verlopen door ze te koppelen aan reacties met een sterk negatieve $\Delta G$ (exergonisch, spontaan), zoals de hydrolyse van ATP. De totale vrije energie verandering van de gekoppelde reacties moet negatief zijn om de gehele route af te laten lopen. * Voorbeeld: Een reactie $A + B \rightleftharpoons A-B$ met $\Delta G^{\circ'} > 0$ kan gekoppeld worden aan ATP-hydrolyse: $A + ATP \rightleftharpoons A \sim P + ADP$ ($\Delta G^{\circ'} < 0$) $A \sim P + B \rightleftharpoons A-B + P_i$ ($\Delta G^{\circ'} < 0$) Totale reactie: $A + B + ATP \rightleftharpoons A-B + P_i + ADP$ De som van de $\Delta G^{\circ'}$ waarden bepaalt of de totale reactie afloopt. ### 4.4 Energiestatus van de cel De energiestatus van een cel wordt weergegeven door de energielading, die de relatieve hoeveelheden ATP, ADP en AMP weerspiegelt: * **Energielading**: $EL = \frac{[ATP] + \frac{1}{2}[ADP]}{[ATP] + [ADP] + [AMP]}$ * De energielading varieert tussen 0 (alles AMP) en 1 (alles ATP). * Gezonde cellen handhaven meestal een energielading tussen 0.8 en 0.95. * **Regulatie**: Hoge energielading remt ATP-genererende processen en stimuleert ATP-consumerende processen, terwijl een lage energielading het omgekeerde effect heeft. > **Tip:** Begrijpen hoe vitaminen omgezet worden in actieve co-enzymen is cruciaal, omdat een tekort aan deze vitaminen kan leiden tot specifieke metabole deficiënties en ziekten. De $\Delta G$ is bepalend voor de spontaniteit van een reactie, niet voor de snelheid ervan; hiervoor zijn enzymen nodig. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Metabolisme | Het geheel van chemische processen die plaatsvinden in levende organismen om leven te onderhouden, waarbij energie wordt geproduceerd of verbruikt. | | Katabolisme | Een proces waarbij complexe moleculen worden afgebroken tot eenvoudigere stoffen, waarbij energie vrijkomt die gebruikt kan worden voor anabolisme of arbeid. | | Anabolisme | Een proces waarbij eenvoudige moleculen worden gesynthetiseerd tot complexere moleculen, wat energie vereist vanuit ATP of reducerende equivalenten. | | ATP (Adenosinetrifosfaat) | Een molecuul dat dient als de primaire energiedrager in cellen, door de opslag en afgifte van vrije energie via de hydrolyse van zijn fosfaatbindingen. | | Exergonisch proces | Een chemische reactie waarbij energie wordt vrijgegeven; de verandering in vrije energie (ΔG) is negatief. | | Endergonisch proces | Een chemische reactie die energie vereist om te verlopen; de verandering in vrije energie (ΔG) is positief. | | ΔG (Verandering in vrije energie) | Een thermodynamische grootheid die aangeeft of een reactie spontaan kan verlopen. Een negatieve ΔG duidt op een exergonisch proces, een positieve ΔG op een endergonisch proces. | | ΔG°' (Gewijzigde standaard vrije energieverandering) | De verandering in vrije energie onder gewijzigde standaardomstandigheden, met specifieke concentraties van waterstofionen (pH=7) en andere reagentia. | | Fysiologische ΔG | De daadwerkelijke verandering in vrije energie in een cel, rekening houdend met de actuele concentraties van substraten en producten onder fysiologische omstandigheden. | | Oxidatie | Het proces waarbij een molecuul, atoom of ion elektronen verliest. In biologische systemen vaak gekoppeld aan het verlies van waterstofatomen. | | Reductie | Het proces waarbij een molecuul, atoom of ion elektronen opneemt. In biologische systemen vaak gekoppeld aan het opnemen van waterstofatomen. | | Redoxreactie | Een chemische reactie waarbij zowel oxidatie als reductie plaatsvindt, wat altijd in koppels gebeurt. | | NAD+ (Nicotinamide-adenine-dinucleotide) | Een co-enzym dat fungeert als een belangrijke elektronendrager in veel redoxreacties, voornamelijk betrokken bij katabole processen en ATP-generatie. | | NADH | De gereduceerde vorm van NAD+, die de elektronen en protonen heeft opgenomen die vrijkwamen bij oxidatiereacties. | | NADP+ (Nicotinamide-adenine-dinucleotide fosfaat) | Een co-enzym dat lijkt op NAD+ maar voornamelijk wordt gebruikt bij reductieve biosynthetische reacties, zoals de aanmaak van vetzuren en nucleïden. | | NADPH | De gereduceerde vorm van NADP+, die elektronen levert voor anabole processen. | | FAD (Flavine-adenine-dinucleotide) | Een co-enzym dat elektronen en protonen kan accepteren, afgeleid van vitamine B2, en betrokken is bij diverse redoxreacties, waaronder de citroenzuurcyclus. | | FADH2 | De gereduceerde vorm van FAD, die elektronen en protonen heeft opgenomen na een oxidatiereactie, en deze kan doorgeven in de elektronentransportketen. | | Co-enzym A | Een co-enzym dat een universele drager is van acylgroepen, cruciaal voor de metabole integratie van koolhydraten, vetten en eiwitten, en met name voor de acetyl-CoA-vorming. | | Thioësterbinding | Een chemische binding tussen een carbonylgroep en een zwavelatoom, die relatief instabiel is en gemakkelijke overdracht van acylgroepen mogelijk maakt, zoals in acetyl-CoA. | | Energetische lading | Een maat die de verhouding van ATP, ADP en AMP in een cel weergeeft, indicatief voor de energievoorraad van de cel en regulerend voor metabole processen. | | Fosfoanhydridische binding | Een energierijke binding in ATP en andere nucleotidtrifosfaten, die bij hydrolyse veel vrije energie vrijgeeft. | | Fosfodiësterbinding | Een binding die voorkomt in nucleïnezuren en lipiden, en minder energierijk is dan een fosfoanhydridische binding. |

# Metabolisme van basen en nucleotiden Dit hoofdstuk behandelt de centrale rol van nucleotiden in het metabolisme, inclusief hun bouwstenen en functies, de synthese van purines en pyrimidines (zowel de novo als via salvage pathways), de regulatie van deze processen en medische toepassingen van antimetabolieten. ## 1.1 Nomenclatuur van basen, nucleosiden en nucleotiden Nucleotiden zijn fundamentele bouwstenen van nucleïnezuren en spelen diverse rollen in het metabolisme, zoals het zijn van dragers van nuttige groepen, geactiveerde bouwstenen, regulatoren van metabole flux en lokale hormonen (bv. cAMP). * **Nucleotiden:** Bestaan uit een stikstofbase (purine of pyrimidine), een pentose (ribose of deoxyribose) en één of meer fosfaatgroepen. * **Nucleosiden:** Bestaan uit een stikstofbase en een pentose. * **Basen:** Purines (adenine, guanine) en pyrimidines (cytosine, thymine, uracil). ## 1.2 Synthese van purines en pyrimidines Er zijn twee hoofdroutes voor de synthese van nucleotiden: de novo synthese en de salvage pathway. ### 1.2.1 De novo synthese van purines De purinesynthese vindt plaats door de atoom-voor-atoom opbouw van het purineskelet op ribose-5-fosfaat. Dit proces verloopt in het cytoplasma en maakt gebruik van een geactiveerde bouwsteen, 5’-fosforibosyl-1’-pyrofosfaat (PRPP). * **Bouwstenen:** Glycine en serine leveren koolstofatomen, terwijl glutamine en aspartaat stikstofgroepen leveren. CO$_2$ draagt ook bij aan het skelet. * **Geactiveerde bouwsteen:** PRPP wordt gevormd uit ribose-5-fosfaat (afkomstig uit de pentosefosfaatweg) en ATP. * **Reacties:** De synthese begint met de vorming van 5-fosforibosyl-1-amine (PRA) uit PRPP en glutamine. Vervolgens worden stappen uitgevoerd die leiden tot inosine monofosfaat (IMP). * **Regulatie:** De de novo purinesynthese wordt gereguleerd door negatieve feedback. IMP, AMP en GMP remmen de eerdere stappen in de synthese. Ook de flux naar AMP en GMP vanuit IMP wordt gereguleerd. * **Metabolonen (Purinosoom):** De enzymen betrokken bij de purinesynthese zijn vaak geassembleerd in een supramoleculair complex, het purinosoom. Dit verhoogt de efficiëntie, voorkomt verlies van instabiele intermediairen en beschermt tegen competitie van andere pathways. Het purinosoom kan zich ontbinden en opnieuw vormen, afhankelijk van de purineconcentratie in de cel. ### 1.2.2 De novo synthese van pyrimidines De pyrimidinesynthese begint met de vorming van de pyrimidinebase, waarna deze aan ribose-5-fosfaat wordt gekoppeld. * **Eerste fase:** Carbamoüülfosfaat (gevormd uit CO$_2$, glutamine en ATP via carbamoüülfosfaatsynthase II) reageert met aspartaat om carbamoüülaspartaat te vormen. Dit wordt vervolgens gedehydrateerd tot dihydro-orotaat. Dihydro-orotaat wordt geoxideerd tot orotaat, gekatalyseerd door dihydro-orotaat dehydrogenase. * **Tweede fase:** Orotate wordt gekoppeld aan PRPP om orotidylaat te vormen. Orotidylaat wordt vervolgens omgezet in uridylaat (UMP). UMP kan worden gefosforyleerd tot UDP en UTP, wat de voorloper is van CTP. UDP kan ook gereduceerd worden tot dUDP, dat de weg inslaat naar dTMP en dTTP, essentieel voor DNA-synthese. * **Multifunctionele enzymen:** Een trifunctioneel enzym (CAD-enzym bij de mens), dat carbamoüülfosfaatsynthase II, aspartaattranscarbamoylase en dihydro-orotase activiteit bevat, katalyseert de eerste drie stappen van de de novo pyrimidinebiosynthese. ### 1.2.3 Salvage pathways Salvage pathways maken gebruik van reeds bestaande vrije basen om nucleotiden te regenereren. Dit is een efficiënte methode die afval bespaart. * **Principe:** Vrije basen (afkomstig uit de afbraak van nucleïnezuren of uit de voeding) worden door specifieke enzymen teruggekoppeld aan PRPP om het corresponderende nucleotide te vormen. * **Voordeel:** De salvage pathway is een zeer korte route (vaak één transferstap) en is daarom energie-efficiënter dan de novo synthese. > **Tip:** De novo synthese is een energie-intensieve, lange route die cruciaal is voor snelgroeiende cellen die grote hoeveelheden nucleotiden nodig hebben. Salvage pathways zijn essentieel voor cellen die minder snel groeien of in een omgeving met voldoende vrije basen. ## 1.3 Regulatie van metabolisme van basen en nucleotiden Regulatie van de nucleotiden- en basenhuishouding is essentieel om aan de cellulaire behoeften te voldoen zonder overmatige productie. * **De novo purinesynthese:** Gereguleerd door allosterische feedbackremming door de eindproducten (AMP, GMP) op de vroege enzymen. * **Ribonucleotidereductase (RNR):** Dit enzym is cruciaal voor de synthese van deoxyribonucleotiden, de bouwstenen van DNA. De activiteit van RNR wordt nauwkeurig gereguleerd om een balans te bewaren tussen de verschillende deoxyribonucleotiden. Base-specifieke regulatie is cruciaal om overproductie te voorkomen en flexibiliteit in DNA-synthese te garanderen. * **Thyminesynthese:** De omzetting van dUDP naar dTMP (via dUMP) is een complex proces dat essentieel is voor DNA-synthese. Dit proces omvat methylering en vereist foliumzuurderivaten. > **Tip:** Een optimale balans van deoxyribonucleotiden is van vitaal belang voor de stabiliteit en integriteit van het DNA. Onevenwichtigheden kunnen leiden tot mutaties. ## 1.4 Van ribose naar desoxyribose en van uracil naar thymine Deze omzettingen zijn cruciaal voor DNA-synthese. * **Ribonucleotidereductase:** Katalyseert de reductie van ribonucleosidedifosfaten (NDP's) tot deoxyribonucleosidedifosfaten (dNDP's). Dit proces is een belangrijk aangrijpingspunt voor antimetabolieten in chemotherapie. * **Thyminesynthese:** De synthese van thymine (dTMP) uit dUMP is een sleutelstap voor DNA. Dit proces omvat de methylering van dUMP, waarbij een C1-eenheid (vaak afkomstig van N5,N10-methylenetetrahydrofolaat) wordt overgedragen. Thymine wordt in DNA gebruikt in plaats van uracil om spontane deaminatie van cytosine te compenseren. Deaminatie van cytosine leidt tot uracil; indien dit in het DNA zou worden ingebouwd, zou dit niet herkend worden als een fout, leidend tot mutaties. Thymine wordt wel herkend als een afwijkende base. ## 1.5 Antimetabolieten en hun medische toepassingen Antimetabolieten zijn moleculen die lijken op natuurlijke metabolieten en de metabole processen kunnen verstoren, waardoor ze waardevolle geneesmiddelen zijn. ### 1.5.1 Purineanalogen als antimetabolieten * **Antivirale geneesmiddelen:** Sommige purineanalogen worden gebruikt om virale infecties te behandelen. Ze kunnen de virale replicatie remmen door in te werken op virale enzymen. * **Transplantatie (immunosuppressie):** Azathioprine is een purine-analoog dat wordt gebruikt als immunosuppressivum na orgaantransplantaties om afstoting te voorkomen. Het remt de proliferatie van immuuncellen. * **Jicht (secundaire preventie):** Allopurinol is een purine-analoog dat de werking van xanthinedehydrogenase remt. Dit leidt tot een verminderde productie van urinezuur, wat nuttig is bij de behandeling van jicht. ### 1.5.2 Pyrimidineanalogen als antimetabolieten * **Chemotherapie bij kanker:** Pyrimidineanalogen, zoals 5-fluorouracil (5-FU) en methotrexaat, zijn belangrijke middelen in de kankerbehandeling. * **Methotrexaat:** Is een foliumzuur-analoog en een competitieve remmer van dihydrofolaatreductase (DHFR). DHFR is essentieel voor de regeneratie van tetrahydrofolaat, een cofactor die nodig is voor de synthese van thymine en purines. Door DHFR te remmen, wordt de DNA-synthese en dus de celdeling van kankercellen verstoord. * **5-Fluorouracil (5-FU):** Is een "zelfmoordinhibitor" van thymidylaatsynthase. Het interfereert covalent met het enzym, waardoor de aanmaak van thymine wordt geblokkeerd. Dit leidt tot een tekort aan thymidinetrifosfaat (dTTP) en remt de DNA-synthese. Zelfmoordinhibitoren zijn vaak krachtiger dan competitieve inhibitoren omdat ze het enzym permanent uitschakelen. * **Behandeling van herpes labialis:** Acyclovir is een guanosine-analoog die wordt gebruikt voor de behandeling van herpesvirussen. > **Tip:** De toxiciteit van veel antimetabolieten, zoals methotrexaat en 5-FU, is niet volledig selectief voor kankercellen. Ze beïnvloeden ook andere snel delende cellen in het lichaam, zoals beenmergcellen, haarzakjes en epitheelcellen van het maagdarmkanaal, wat leidt tot bijwerkingen zoals bloedarmoede, leukopenie, haaruitval en diarree. ### 1.5.3 Mechanisme van resistentie tegen antimetabolieten Tumoren kunnen resistentie ontwikkelen tegen antimetabolieten via verschillende mechanismen: * **Genamplificatie:** Verhoogde productie van het doelwitenzym (bv. DHFR) door amplificatie van het corresponderende gen. Hierdoor is er meer enzym beschikbaar dat door de inhibitor kan worden geremd, waardoor de effectiviteit van het medicijn afneemt. * **Veranderde enzymkinetiek:** Mutaties in het doelwitenzym kunnen de affiniteit voor de inhibitor verminderen. * **Verhoogde activiteit van salvage pathways:** De cel kan efficiënter gebruik maken van salvage pathways om nucleotiden aan te maken. ## 1.6 Samenvatting Het metabolisme van basen en nucleotiden is een complex maar essentieel proces. De cel beschik over efficiënte mechanismen voor de novo synthese en salvage van deze moleculen. De regulatie van deze pathways is cruciaal voor cellulaire homeostase. Antimetabolieten, die de normale metabole processen verstoren, hebben talrijke medische toepassingen, met name in de behandeling van kanker, virale infecties en auto-immuunziekten. Onderzoek naar deze gebieden blijft cruciaal voor de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde therapieën. --- # De novo synthese van purines en pyrimidines Dit gedeelte behandelt de stapsgewijze opbouw van purine- en pyrimidinebasen, inclusief de betrokken enzymen, intermediairen en regulatiemechanismen, met specifieke aandacht voor het purinosoom en multi-functionele enzymen bij pyrimidinesynthese. ### 2.1 Purinesynthese De de novo synthese van purines is een complex proces waarbij atomen één voor één aan een bestaande ribose-5-fosfaat molecule worden toegevoegd om het purine skelet op te bouwen. Dit gebeurt voornamelijk in het cytoplasma en is mogelijk gemaakt door de vorming van een metabolon, het zogenaamde purinosoom. #### 2.1.1 Bouwstenen en de geactiveerde bouwsteen De essentiële bouwstenen voor de opbouw van het purine skelet zijn: * **Glycine en serine:** Leveren koolstofatomen, met name vanuit het C1-metabolisme. * **Glutamine en aspartaat:** Fungeren als stikstofdonoren. * **Ribose-5-fosfaat:** Afkomstig uit de pentosefosfaatweg, dient als skelet voor de nucleobase. * **ATP:** Levert energie voor de reacties. De cruciale geactiveerde bouwsteen voor de nucleotidensynthese is **5'-fosforibosyl-1'-pyrofosfaat (PRPP)**. PRPP wordt gevormd uit ribose-5-fosfaat en ATP, en is essentieel voor zowel de de novo synthese als de salvage pathway. #### 2.1.2 Het purinosoom: een metabolon De de novo purinesynthese wordt gefaciliteerd door een "purinosoom", een complex van meerdere enzymen die samenwerken als een metabolon. **Voordelen van het purinosoom:** * **Verhoogde efficiëntie:** Enzyme-complexen reduceren de diffusieafstanden tussen intermediairen. * **Voorkomen van verlies:** Instabiele intermediairen worden direct doorgegeven aan het volgende enzym, wat verlies door diffusie voorkomt. * **Bescherming:** Voorkomt competitie met andere metabole routes. * **Regulatie:** De assemblage en disassembly van het purinosoom kan de flux door de pathway reguleren. Bij purine-depletie kunnen purinosomen uiteenvallen, terwijl ze weer hervormen in een purine-rijk medium. Dit toont een dynamisch regulatiemechanisme aan op het niveau van enzymassemblage. #### 2.1.3 Regulatie van purinesynthese De metabole flux van de purinesynthese wordt op meerdere niveaus gereguleerd: * **Productinhibitie:** De uiteindelijke producten, IMP (inosine monofosfaat), AMP (adenosine monofosfaat) en GMP (guanosine monofosfaat), remmen negatief-feedback de eigen synthese. * **Gen-niveau:** De expressie van de genen die coderen voor de enzymen in de purinesynthese kan worden gereguleerd. Dit kan bijvoorbeeld via een bifunctionele promoter die leidt tot een bifunctioneel eiwit, of via een gen dat codeert voor een trifunctioneel enzym. De synthese van de purine nucleotiden IMP, AMP en GMP vanuit PRPP verloopt via meerdere stappen, waaronder de vorming van 5-fosforibosyl-1-amine (PRA). #### 2.1.4 De salvage pathway Naast de de novo synthese bestaat er ook een salvage pathway. Deze pathway maakt gebruik van reeds bestaande vrije purinebasen en koppelt deze aan PRPP om nucleotiden te vormen. Dit is een zeer korte en energie-efficiënte route, die essentieel is om te voorkomen dat vrije basen zich ophopen en toxisch worden. > **Tip:** De salvage pathway is cruciaal voor het hergebruik van purines. Bij aandoeningen zoals jicht, waar de afbraak van purines tot urinezuur verhoogd is, kan een ineffectieve salvage pathway bijdragen aan het probleem omdat er meer nieuwe purines de novo gesynthetiseerd moeten worden om aan de celbehoeften te voldoen. ### 2.2 Pyrimidinesynthese De de novo synthese van pyrimidines verschilt fundamenteel van die van purines. Hierbij wordt eerst de pyrimidinebase opgebouwd en vervolgens aan ribose-5-fosfaat gekoppeld. Dit proces maakt gebruik van multi-functionele enzymen, wat de efficiëntie verhoogt. #### 2.2.1 De eerste fase: vorming van orotaat De initiële stappen van de pyrimidinesynthese worden gekatalyseerd door het trifunctionele enzym carbamoyl fosfaat synthase II (CPS II), aspartaat transcarbamoylase (ATCase) en dihydro-orotase. Dit enzymcomplex wordt bij mensen aangeduid als CAD (Carbamoyl-phosphate synthase, Aspartate transcarbamoylase, Dihydro-orotase). 1. **Vorming van carbamoylfosfaat:** CO$_{2}$ wordt met behulp van glutamine en ATP omgezet in carbamoylfosfaat. * $CO_2 + Glutamine + 2 \, ATP \rightarrow Carbamoylfosfaat + Glutamaat + 2 \, ADP + Pi$ 2. **Vorming van carbamoylaspartaat:** Carbamoylfosfaat reageert met aspartaat. 3. **Vorming van dihydro-orotaat:** Carbamoylaspartaat cycliseert tot dihydro-orotaat. Het product van deze eerste fase, **dihydro-orotaat**, wordt vervolgens door dihydro-orotaat dehydrogenase geoxideerd tot **orotaat**. Deze stap kan gekoppeld zijn aan de oxidatieve fosforylering. #### 2.2.2 De tweede fase: van orotaat tot UMP en verder Orotaat wordt vervolgens door het bifunctionele enzym **UMP-synthase** omgezet in orotidylaat en daarna in **uridine monofosfaat (UMP)**. Dit enzym katalyseert twee cruciale stappen: de reactie van orotaat met PRPP tot orotidylaat, en de decarboxylering van orotidylaat tot UMP. * $Orotaat + PRPP \rightarrow Orotidylaat + PPi$ * $Orotidylaat \rightarrow UMP + CO_2$ UMP is de directe precursor voor de andere pyrimidine nucleotiden: UDP (uridine difosfaat), UTP (uridine trifosfaat), en na deaminering ook CTP (cytidine trifosfaat). #### 2.2.3 Vorming van deoxyribonucleotiden en thymine Voor DNA-synthese zijn deoxyribonucleotiden nodig. Deze worden gevormd door de reductie van ribonucleotidendifosfaten door het enzym **ribonucleotidoreductase**. Dit enzym is essentieel voor de balans tussen de verschillende deoxyribonucleotiden. Een specifieke en ingewikkelde stap is de synthese van thymine, noodzakelijk voor DNA. Dit gebeurt via de methylering van **deoxyuridine monofosfaat (dUMP)** tot **deoxythymidine monofosfaat (dTMP)**. * $dUMP \xrightarrow{Thymidylat Synthase} dTMP$ > **Tip:** Thymine is specifiek voor DNA en onderscheidt het van RNA. De methylering van dUMP naar dTMP is een belangrijk aangrijpingspunt voor chemotherapie, aangezien het de DNA-synthese remt. #### 2.2.4 Antimetabolieten en chemotherapie Verschillende antimetabolieten, die lijken op natuurlijke metabolieten, worden ingezet als medicijnen, met name in chemotherapie. * **Methotrexaat:** Dit is een analoog van foliumzuur en een competitieve remmer van dihydrofolaatreductase (DHFR). DHFR is essentieel voor de regeneratie van tetrahydrofolaat, een cruciale cofactor voor de synthese van dTMP vanuit dUMP. Door DHFR te remmen, wordt de dTMP-synthese verstoord, wat DNA-synthese belemmert. * De verhouding tussen de inhibitor en het substraat bepaalt de mate van competitie. Een hogere concentratie dihydrofolaat kan de competitie met methotrexaat verminderen. * **5-Fluorouracil (5-FU):** Dit is een "zelfmoordinhibitor" van thymidylat synthase. Het interfereert covalent met het enzym, waardoor het permanent wordt uitgeschakeld. Dit leidt tot een directe blokkade van dTMP-synthese. * Zelfmoordinhibitoren zijn vaak krachtiger dan competitieve inhibitoren omdat elk enzym dat met de inhibitor reageert, permanent verloren is voor de cel. Dit kan echter ook leiden tot meer toxiciteit en resistentieproblemen. #### 2.2.5 Regulatie van ribonucleotidoreductase (RNR) De base-specifieke regulatie van ribonucleotidoreductase is cruciaal voor een gebalanceerde DNA-synthese. Het voorkomt overproductie van specifieke deoxyribonucleotiden en zorgt voor flexibiliteit om de benodigde bouwstenen te produceren. #### 2.2.6 Genamplificatie als resistentiemechanisme Kankercellen kunnen resistentie ontwikkelen tegen antimetabolieten zoals methotrexaat. Een veelvoorkomend mechanisme is genamplificatie, waarbij het gen dat codeert voor het doelwit-enzym (bijvoorbeeld DHFR) in aantal toeneemt. Dit resulteert in een hogere productie van het enzym, waardoor de remming door de antimetaboliet minder effectief wordt. ### 2.3 Medicinale toepassingen van purine- en pyrimidineanalogen De synthese en het metabolisme van purines en pyrimidines zijn belangrijke doelwitten voor medicatie: * **Purineanalogen:** * **Antivirale middelen:** Bijvoorbeeld acyclovir voor herpesvirussen. * **Immunosuppressiva:** Bijvoorbeeld azathioprine, gebruikt na orgaantransplantaties om afstoting te voorkomen. * **Jichtbehandeling:** Allopurinol remt xanthinedehydrogenase, wat de productie van urinezuur vermindert. * **Pyrimidineanalogen:** * **Chemotherapie bij kanker:** Remming van DNA-synthese, bijvoorbeeld met 5-FU. * **Antivirale middelen (HIV):** Nucleoside reverse transcriptase remmers (NRTIs). ### 2.4 Case study: Jicht en de novo versus salvage pathway Bij een patiënt met jicht, veroorzaakt door herhaalde urinezuurcrystallisatie, en een dieet rijk aan purines, kan de salvage pathway onvoldoende zijn om het urinezuurprobleem te voorkomen. * **Waarom salvage pathway onvoldoende kan zijn:** Als de salvage pathway inefficiënt is of wanneer de purine-inname hoog is, moet de cel meer purines de novo synthetiseren om aan zijn behoeften te voldoen. Dit verhoogt de algehele purine-turnover en potentieel de productie van urinezuur als afbraakproduct. * **Rol van de novo synthese bij prolifererende cellen versus rustige cellen:** Prolifererende cellen (zoals kankercellen) hebben een veel hogere behoefte aan nucleotiden voor DNA- en RNA-synthese en dus een actievere de novo synthese pathway dan rustige cellen. Dit maakt de novo synthese een belangrijk aangrijpingspunt voor chemotherapie. De de novo synthese is een ingewikkeld pad met geactiveerde bouwstenen en multifunctionele enzymen, terwijl de salvage weg een eenvoudige route is voor hergebruik. Antimetabolieten spelen een cruciale rol in diverse medische toepassingen. --- # Salvage pathway versus de novo synthese Dit hoofdstuk vergelijkt de twee primaire methoden die cellen gebruiken om nucleotiden te synthetiseren: de de novo synthese, een complex en energie-intensief proces, en de salvage pathway, een efficiëntere route die gebruikmaakt van bestaande componenten. ### 3.1 Overzicht van nucleotiden- en basenhuishouding Nucleotiden zijn essentieel voor diverse cellulaire functies, waaronder het opslaan en tot expressie brengen van genetische informatie, als bouwstenen voor nucleïnezuren, dragers van nuttige groepen (zoals NADH, NADPH, FADH2, co-enzym A, ATP), en als regulatoren van metabole flux (zoals cAMP). Er zijn twee fundamentele strategieën voor de aanmaak van nucleotiden: * **De novo synthese**: Deze route bouwt purines atoom per atoom op, vaak georganiseerd in een "purinosoom" in het cytoplasma. Bij pyrimidines wordt eerst de vrije base gesynthetiseerd, waarna deze aan een suiker wordt gekoppeld. Deze route is lang, vereist veel energie (in de vorm van ATP), en maakt gebruik van aminozuren en koolstofbronnen. * **Salvage pathway**: Deze route hergebruikt reeds bestaande vrije basen of nucleosiden die vrijkomen bij de afbraak van nucleïnezuren. Het is een veel kortere en energiezuinigere route die één transfer-stap vereist. ### 3.2 De novo synthese van purines en pyrimidines #### 3.2.1 De novo purinesynthese De de novo synthese van purines begint met ribose-5-fosfaat, afkomstig uit de pentosefosfaatweg. Dit wordt geactiveerd tot 5'-fosforibosyl-1'-pyrofosfaat (PRPP). Vervolgens worden glycine en glutamine als stikstofbronnen gebruikt, en C1-metabolisme levert koolstofatomen. De aanmaak van purines verloopt via een reeks reacties die leiden tot inosine monofosfaat (IMP). IMP is een centraal intermediair waarvandaan zowel adenyl-succinaat (voor AMP) als xanthylaat (voor GMP) kunnen worden gevormd. $$ \text{Ribose-5-fosfaat} \xrightarrow{\text{PRPP synthase}} \text{PRPP} $$ De synthese wordt gereguleerd door negatieve feedback, waarbij de eindproducten (IMP, AMP, GMP) de enzymen verderop in het pad remmen. **Het purinosoom:** De efficiëntie van de de novo purinesynthese wordt verhoogd door het vormen van een metabolon, het "purinosoom". Dit is een complex van enzymen dat de verschillende reactiestappen van de purinesynthese organiseert. De voordelen hiervan zijn: * Verhoogde efficiëntie van de reacties. * Voorkomen van verlies van instabiele intermediairen. * Bescherming tegen competitie met andere metabole paden. * Regulatie door assemblage en disassemblage van het purinosoom, afhankelijk van de beschikbaarheid van purines. In een purine-rijk medium valt het purinosoom uiteen, terwijl het hervormt bij purine-depletie. #### 3.2.2 De novo pyrimidinesynthese De de novo synthese van pyrimidines kent twee belangrijke fasen: * **Eerste fase:** Begint met carbamoyl fosfaat en aspartaat. Carbamoyl fosfaat wordt gevormd uit CO2, ammoniak (uit glutamine) en ATP. Dit reageert met aspartaat tot carbamoylaspartaat. Vervolgens vindt cyclisatie plaats tot dihydro-orotaat, dat door dihydro-orotaat dehydrogenase wordt geoxideerd tot orotaat. Orotate wordt vervolgens omgezet in orotidine-5'-monofosfaat (orotidylaat) door koppeling aan PRPP. Dit wordt gedecarboxyleerd tot uracil-5'-monofosfaat (UMP). $$ \text{CO}_2 + \text{NH}_3 + 2 \text{ATP} + \text{Aspartaat} \rightarrow \text{Orotaat} $$ $$ \text{Orotaat} + \text{PRPP} \rightarrow \text{Orotidylaat} \rightarrow \text{UMP} $$ * **Tweede fase:** UMP wordt verder gemetaboliseerd tot UDP en vervolgens UTP. Vanuit UTP kunnen CTP worden gevormd. Voor DNA-synthese is de omzetting van UDP naar dUDP, gevolgd door dUMP en uiteindelijk dTMP (thymine), cruciaal. $$ \text{UMP} \rightarrow \text{UDP} \rightarrow \text{UTP} \rightarrow \text{CTP} $$ $$ \text{UDP} \rightarrow \text{dUDP} \rightarrow \text{dUMP} \rightarrow \text{dTMP} \rightarrow \text{dTDP} \rightarrow \text{dTTP} $$ ### 3.3 De salvage pathway De salvage pathway biedt een alternatieve en veel efficiëntere route voor de aanmaak van nucleotiden. In plaats van de gehele base de novo op te bouwen, maakt deze pathway gebruik van reeds bestaande vrije basen of nucleosiden die vrijkomen bij de afbraak van nucleïnezuren. Deze componenten worden direct gekoppeld aan PRPP om een nucleotide te vormen. $$ \text{Vrije base} + \text{PRPP} \rightarrow \text{Nucleotide} + \text{PP}_i $$ Dit is een zeer korte route met slechts één transferstap. Het is afvalbesparend omdat het geen energie-intensieve stappen vereist voor de aanmaak van de basestructuur. ### 3.4 Vergelijking en rol in verschillende celtypen | Kenmerk | De novo synthese | Salvage pathway | | :----------------- | :--------------------------------------------- | :-------------------------------------------- | | **Route** | Lange, energie-intensieve anabole route | Zeer korte route (één transfer-stap) | | **Startmateriaal** | Aminozuren, koolstofbronnen, PRPP, energie | Herbruikbare vrije basen, PRPP | | **Complexiteit** | Ingewikkeld, met multifunctionele enzymen | Eenvoudig | | **Efficiëntie** | Laag (qua energie en stappen) | Hoog (qua energie en stappen), afvalbesparend | | **Rol prolifererende cellen** | Zeer belangrijk, gezien de hoge vraag naar bouwstenen voor DNA-replicatie en celgroei. Cellen die snel delen (zoals kankercellen of immuuncellen) zijn sterk afhankelijk van zowel de novo synthese als de salvage pathway. | Speelt een belangrijke rol in het aanvullen van de nucleotidenvoorraad, vooral wanneer de de novo synthese niet snel genoeg kan voldoen aan de vraag of wanneer er voldoende vrije basen beschikbaar zijn. | | **Rol rustige cellen** | Minder prominent, de behoefte aan nieuwe nucleotiden is lager. | Belangrijk voor het onderhoud van nucleotidenvoorraden en het recyclen van afbraakproducten. Kan voldoende zijn om aan de basale behoeften te voldoen. | **Tip:** Hoewel de de novo synthese uitgebreid is, is de salvage pathway cruciaal voor de overleving van cellen, vooral in situaties waar de de novo synthese is geremd of te langzaam is. #### 3.4.1 Rol bij prolifererende en rustige cellen Prolifererende cellen, die zich snel delen, hebben een aanzienlijk grotere behoefte aan nucleotiden voor de synthese van DNA en RNA. Zowel de de novo synthese als de salvage pathway zijn essentieel om aan deze vraag te voldoen. De de novo synthese levert de grondstoffen voor de basis van de nucleotiden, terwijl de salvage pathway bestaande componenten efficiënt hergebruikt. Rustige cellen daarentegen hebben een lagere nucleotidenbehoefte. Hier kan de salvage pathway vaak volstaan om de cel van de benodigde bouwstenen te voorzien, vooral voor onderhoud en reparatieprocessen. ### 3.5 Medische toepassingen De kennis van de nucleotiden- en basenmetabolisme, met name de verschillen tussen de de novo en salvage pathways, heeft geleid tot belangrijke medische toepassingen: * **Antivirale geneesmiddelen:** Purine- en pyrimidineanalogen kunnen de virale replicatie remmen door de enzymen van de nucleotiden- en basenhuishouding van het virus te verstoren. Voorbeelden zijn nucleoside-reverse transcriptaseremmers (NRTI's) die worden gebruikt bij de behandeling van HIV. Acyclovir, een antiviraal middel tegen herpes, is ook gebaseerd op de manipulatie van de nucleotidenhuishouding. * **Anti-inflammatoire en immunosuppressieve geneesmiddelen:** Purineanalogen kunnen worden gebruikt om het immuunsysteem te onderdrukken, bijvoorbeeld bij orgaantransplantaties (zoals Azathioprine) of auto-immuunziekten. Ze remmen de proliferatie van immuuncellen. * **Secundaire preventie van chronische jicht:** Jicht wordt veroorzaakt door een ophoping van urinezuur, een afbraakproduct van purines. Remmers van de purinesynthese of de omzetting van purines naar urinezuur, zoals Allopurinol, worden gebruikt om jichtaanvallen te voorkomen. Allopurinol remt het enzym xanthinedehydrogenase, wat leidt tot minder urinezuurproductie. **Antimetabolieten:** Deze geneesmiddelen bootsen natuurlijke metabolieten na en interfereren met metabole paden. Ze worden vaak gebruikt in chemotherapie en bij de behandeling van infectieziekten. * **Methotrexaat:** Een foliumzuur-analoog dat de enzym dihydrofolaat reductase (DHFR) remt. DHFR is essentieel voor de aanmaak van tetrahydrofolaat, dat nodig is voor de synthese van purines en pyrimidines. Methotrexaat is een competitieve remmer. * **5-Fluorouracil (5-FU):** Een pyrimidine-antimetaboliet die het enzym thymidylaat synthase irreversibel remt. Dit enzym is cruciaal voor de synthese van thymidine monofosfaat (dTMP), een essentieel onderdeel van DNA. 5-FU is een "zelfmoordinhibitor" omdat het enzym covalent bindt en daardoor permanent inactief maakt. > **Tip:** Zelfmoordinhibitoren zoals 5-FU kunnen krachtiger zijn dan competitieve inhibitoren zoals methotrexaat omdat ze elk enzym dat met de inhibitor reageert, permanent uitschakelen. Dit kan echter ook leiden tot meer toxiciteit en resistentieproblemen. ### 3.6 Case study: Jicht en purinehuishouding Een patiënt met jicht, gekenmerkt door urinezuurcrystallisatie in de gewrichten, een dieet rijk aan purines en een laag energieverbruik, presenteert een interessante casus. #### 3.6.1 Waarom kan salvage pathway in deze patiënt onvoldoende zijn om het urinezuurprobleem te voorkomen? In een patiënt met jicht kan de salvage pathway onvoldoende zijn omdat: 1. **Overmatige purine-inname:** Een dieet rijk aan purines levert veel basismateriaal. Als de salvage pathway en de regulatiemechanismen van de de novo synthese (zoals feedbackremming) niet effectief zijn, kan dit leiden tot een overmaat aan purines en dus ook aan afbraakproducten zoals urinezuur. 2. **Inefficiënte uitscheiding van urinezuur:** Jicht is niet alleen gerelateerd aan overproductie, maar ook aan een verminderde uitscheiding van urinezuur door de nieren. 3. **Rol van de novo synthese:** Hoewel de patiënt een dieet rijk aan purines heeft, kan de de novo synthese nog steeds bijdragen aan de totale purinepool, vooral als er een genetische predispositie is voor overproductie. Als de salvage pathway primair de aanmaak van nucleotiden verzorgt, en er nog steeds endogene aanmaak via de novo synthese is, kan een combinatie van beide leiden tot een verhoogde totale purinepool en daarmee verhoogde urinezuurproductie. De medicatie zou gericht moeten zijn op het remmen van de *productie* van purines, zowel via de novo synthese als via de salvage pathway, en het bevorderen van de uitscheiding. #### 3.6.2 Welke rol speelt de novo purinesynthese bij prolifererende cellen versus rustige cellen? Zoals eerder besproken, speelt de de novo purinesynthese een cruciale rol bij prolifererende cellen vanwege hun hoge behoefte aan nucleotiden voor DNA- en RNA-synthese. In rustige cellen is de behoefte lager, en kan de salvage pathway vaak volstaan voor onderhoud. Echter, zelfs in rustige cellen kan de de novo synthese een rol spelen bij het aanvullen van de nucleotidenpool, zij het op een lager niveau. Wanneer de purinebeschikbaarheid laag is, worden beide paden geactiveerd om de cel van voldoende bouwstenen te voorzien. In de context van jicht kan overmatige activiteit van de de novo synthese, zelfs in schijnbaar rustige cellen die toch prolifereren (bv. in het beenmerg), bijdragen aan de purineoverload. --- # Medische toepassingen van antimetabolieten Antimetabolieten zijn geneesmiddelen die het nucleotidenmetabolisme verstoren, voornamelijk door zich te gedragen als analogen van purine- en pyrimidinebasen, en vinden diverse medische toepassingen, waaronder als antivirale middelen, immunosuppressiva, medicatie tegen jicht en chemotherapie bij kanker. ### 4.1 Verstoord nucleotidenmetabolisme als therapeutisch principe Het principe achter antimetabolieten berust op het verstoren van essentiële cellulaire processen die afhankelijk zijn van nucleotiden, zoals DNA- en RNA-synthese. Door de natuurlijke nucleotiden na te bootsen, kunnen antimetabolieten enzymen in deze routes remmen of verkeerde bouwstenen inbouwen, wat leidt tot celdood of disfunctie. #### 4.1.1 Purineanalogen als antimetabolieten Purineanalogen worden ingezet voor verschillende medische doeleinden: * **Antivirale geneesmiddelen:** Sommige antivirale middelen zijn purineanalogen die de virale replicatie remmen. Een bekend voorbeeld zijn nucleoside-reverse transcriptase remmers (NRTI's) die worden gebruikt bij de behandeling van HIV. * **Immunosuppressiva:** Purineanalogen kunnen het immuunsysteem onderdrukken, wat essentieel is bij orgaantransplantaties om afstoting te voorkomen. Een voorbeeld hiervan is azathioprine. * **Medicatie tegen jicht:** Medicijnen zoals allopurinol werken als purineanalogen door xanthinedehydrogenase te remmen, wat de purineafbraak beperkt en de urinezuurproductie vermindert. Dit is cruciaal voor de secundaire preventie van chronische jicht. ##### 4.1.1.1 Mechanisme bij antivirale middelen (HIV) Bij HIV-infectie worden nucleoside-RT remmers ingezet. Deze middelen worden door virale enzymen (reverse transcriptase) in het virale DNA ingebouwd, wat leidt tot de terminatie van de DNA-keten en zo de virale replicatie stopt. ##### 4.1.1.2 Immunosuppressie met Azathioprine Azathioprine is een prodrug die in het lichaam wordt omgezet in mercaptopurine. Mercaptopurine interfereert met de de novo synthese van purinen, wat essentieel is voor de proliferatie van lymfocyten. Door de DNA-synthese van deze cellen te remmen, wordt de immuunrespons onderdrukt. ##### 4.1.1.3 Behandeling van jicht met Allopurinol Allopurinol is een isomeer van hypoxanthine en een krachtige remmer van xanthinedehydrogenase (ook bekend als aldehydeoxidase). Dit enzym is cruciaal voor de omzetting van hypoxanthine naar xanthine en vervolgens naar urinezuur. Door dit enzym te remmen, verlaagt allopurinol de productie van urinezuur, wat de vorming van urinezuurkristallen in de gewrichten voorkomt. > **Tip:** De de novo purinesynthese is vooral actief in snel delende cellen, zoals kankercellen en immuuncellen. Dit maakt antimetabolieten die hierop aangrijpen, effectief in de behandeling van kanker en auto-immuunziekten, maar verklaart ook bijwerkingen zoals beenmergdepressie. ### 4.2 Pyrimidineantimetabolieten in de kankerchemotherapie Pyrimidineanalogen zijn belangrijke instrumenten in de chemotherapie van kanker, omdat ze interfereren met de DNA-synthese, een proces dat in snel delende kankercellen sterk verhoogd is. #### 4.2.1 Interferentie met DNA-synthese De synthese van deoxyribonucleotiden, de bouwstenen van DNA, is een belangrijk aangrijpingspunt voor pyrimidineantimetabolieten. * **Ribonucleotidereductase:** Dit enzym is essentieel voor de omzetting van ribonucleotiden naar deoxyribonucleotiden. Antimetabolieten kunnen dit enzym remmen of de balans van deoxyribonucleotiden verstoren. * **Thymidylaatsynthese:** De omzetting van dUMP naar dTMP (thymidylaten) is een cruciale stap in de DNA-synthese en een belangrijk doelwit voor antimetabolieten. ##### 4.2.1.1 Methotrexaat en het foliumzuurmetabolisme Methotrexaat is een foliumzuuranaloog die competitief dihydrofolaatreductase (DHFR) remt. DHFR is noodzakelijk voor de regeneratie van tetrahydrofolaat, een essentiële cofactor voor de synthese van purinen en thymidylaten. Door DHFR te remmen, vermindert methotrexaat de beschikbaarheid van tetrahydrofolaat, wat de DNA- en RNA-synthese stagneert. * **Enzymkinetiek van methotrexaat:** Methotrexaat is een competitieve remmer. Dit betekent dat het concurreert met het natuurlijke substraat (dihydrofolaat) voor binding aan het actieve centrum van DHFR. Een hogere concentratie van dihydrofolaat kan de competitie met methotrexaat deels overwinnen. $$ \text{DHFR} + \text{Dihydrofolaat} \rightleftharpoons \text{Enzym-substraatcomplex} \rightarrow \text{Tetrahydrofolaat} $$ $$ \text{DHFR} + \text{Methotrexaat} \rightleftharpoons \text{Enzym-inhibitorcomplex} $$ De verhouding tussen de concentratie van de inhibitor ($[I]$) en het substraat ($[S]$) is cruciaal voor de mate van remming. ##### 4.2.1.2 5-Fluorouracil (5-FU) en thymidylaatsynthese 5-Fluorouracil (5-FU) is een pyrimidineantimetaboliet die als een "zelfmoordinhibitor" werkt op thymidylaat synthase. Na activatie in de cel vormt het een covalente binding met het enzym, waardoor dit irreversibel wordt geïnactiveerd. * **Mechanisme van 5-FU:** 5-FU interfereert met de omzetting van dUMP naar dTMP, met behulp van een tetrahydrofolaat-afgeleide als cofactor. Omdat het enzym covalent gebonden is aan 5-FU, is elk enzymmolecuul dat met 5-FU reageert, permanent uitgeschakeld. Dit maakt 5-FU vaak krachtiger dan competitieve remmers. > **Tip:** Zelfmoordinhibitoren zoals 5-FU zijn potentieel krachtiger maar kunnen ook leiden tot meer toxiciteit en resistentieproblemen vergeleken met competitieve inhibitoren zoals methotrexaat. #### 4.2.2 Resistentie tegen antimetabolieten Resistentie tegen antimetabolieten kan op verschillende manieren ontstaan: * **Genamplificatie:** Kankercellen kunnen het gen dat codeert voor het doelwitenzym (bijvoorbeeld DHFR) amplificeren. Hierdoor produceert de cel meer van het enzym, waardoor hogere concentraties van de inhibitor nodig zijn om effectief te remmen. * **Veranderde enzymkinetiek:** Mutaties in het doelwitenzym kunnen de affiniteit voor de antimetaboliet verminderen of de affiniteit voor het natuurlijke substraat vergroten. * **Verminderde activatie of verhoogde afbraak:** Cellen kunnen de mechanismen ontwikkelen om de actieve vorm van de antimetaboliet minder efficiënt te produceren of deze juist sneller af te breken. > **Example:** Kankercellen die resistent zijn tegen methotrexaat, kunnen een verhoogd aantal kopieën van het DHFR-gen hebben (genamplificatie). Dit leidt tot een hogere productie van DHFR, waardoor de remming door methotrexaat minder effectief wordt. #### 4.2.3 Bijwerkingen en toxiciteit Antimetabolieten grijpen in op processen die ook essentieel zijn voor gezonde, snel delende cellen, zoals beenmerg, haarzakjes en darmepitheel. Dit leidt tot bijwerkingen zoals: * Bloedarmoede (leukopenie) * Verhoogde gevoeligheid voor infecties (neutropenie) * Bloedingsneigingen (trombocytopenie) * Haaruitval (alopecia) * Maag-darmklachten Deze bijwerkingen worden vaak aangeduid als beenmergdepressie en zijn een indicatie van de ongefocuste aard van chemotherapie. ### 4.3 De rol van de salvage pathway Naast de de novo synthese van nucleotiden bestaat ook de salvage pathway, die reeds gevormde basen en nucleosiden hergebruikt. * **Voordelen van salvage:** De salvage pathway is efficiënter en vereist minder energie dan de de novo synthese. Het is daarom een belangrijke methode om de cel te voorzien van nucleotiden. * **Betekenis in ziekte:** In bepaalde situaties, zoals bij jicht, kan een verhoogde purineafbraak en de novo synthese leiden tot een overmaat aan urinezuur. Hoewel de salvage pathway efficiënt is, kan deze bij een sterk verhoogde metabole activiteit onvoldoende zijn om de accumulatie van urinezuur te voorkomen. De de novo synthese speelt een grotere rol bij prolifererende cellen vergeleken met rustige cellen. ##### 4.3.1 Case study: Jichtpatiënt Een patiënt met jicht en een dieet rijk aan purines kan een verhoogde urinezuurproductie hebben. In zo'n geval kan de activiteit van de de novo purinesynthese verhoogd zijn. De salvage pathway kan mogelijk niet voldoende zijn om de overproductie van urinezuur te compenseren, waardoor medicatie die de de novo synthese beïnvloedt, noodzakelijk kan zijn. ### 4.4 Samenvatting van antimetabolieten in de geneeskunde Antimetabolieten vertegenwoordigen een breed scala aan geneesmiddelen met diverse medische toepassingen. * **Purineanalogen:** Gebruikt als antivirale middelen (bv. HIV-remmers), immunosuppressiva (bv. azathioprine) en bij de behandeling van jicht (bv. allopurinol). * **Pyrimidineanalogen:** Cruciaal in de kankerchemotherapie door interferentie met DNA-synthese (bv. methotrexaat, 5-FU). Er is continu onderzoek gaande naar de ontwikkeling van nieuwe antimetabolieten en strategieën om resistentie te overwinnen en toxiciteit te verminderen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Nucleotiden | Nucleotiden zijn de bouwstenen van nucleïnezuren zoals DNA en RNA. Ze spelen een cruciale rol in het celmetabolisme als energiedragers, signaalmoleculen en co-enzymen. | | Basen | Basen zijn een component van nucleotiden en nucleïnezuren. Er zijn purinebasen (adenine, guanine) en pyrimidinebasen (cytosine, thymine, uracil). | | Purinesynthese | Het biologische proces waarbij purinebasen en hun nucleotiden worden gevormd, hetzij via de de novo synthese, hetzij via de salvage pathway. | | Pyrimidinesynthese | Het biologische proces waarbij pyrimidinebasen en hun nucleotiden worden gevormd, hetzij via de de novo synthese, hetzij via de salvage pathway. | | De novo synthese | Een biologisch proces waarbij complexe moleculen worden opgebouwd uit eenvoudigere precursors, zonder gebruik te maken van reeds bestaande bouwstenen uit de voeding of afbraakproducten. | | Salvage pathway | Een route in het celmetabolisme die bestaande nucleotiden of basen hergebruikt om nieuwe nucleotiden te vormen, wat efficiënter is dan de de novo synthese. | | Purinosoom | Een metabolon, een geassembleerd complex van enzymen, dat betrokken is bij de de novo synthese van purines. Dit verhoogt de efficiëntie en voorkomt verlies van intermediairen. | | PRPP (5’-fosforibosyl-1’-pyrofosfaat) | Een geactiveerde bouwsteen die essentieel is voor de synthese van nucleotiden, zowel purines als pyrimidines. Het wordt gevormd uit ribose-5-fosfaat. | | IMP (Inosine-monofosfaat) | Een cruciaal intermediair in de purinesynthese, waarvanuit zowel AMP als GMP gevormd kunnen worden. Het wordt gereguleerd door negatieve feedback. | | Antimetabolieten | Stoffen die de normale stofwisselingsprocessen in de cel verstoren door structureel te lijken op metabolieten en zo enzymen te remmen of te worden ingebouwd in nucleïnezuren. | | Ribonucleotidereductase | Een enzym dat de hydroxylgroep op de 2'-koolstof van een ribonucleotide omzet in een waterstofatoom, waardoor deoxyribonucleotiden worden gevormd die nodig zijn voor DNA-synthese. | | Dihydrofolaatreductase (DHFR) | Een enzym dat een cruciale rol speelt in het metabolisme van folaat, door dihydrofolaat om te zetten in tetrahydrofolaat. Dit is een belangrijk aangrijpingspunt voor chemotherapie (bv. methotrexaat). | | Thymidylaatsynthase | Een enzym dat betrokken is bij de synthese van thymidylate, een essentieel component voor DNA. Remming van dit enzym, bijvoorbeeld door 5-FU, leidt tot DNA-syntheseproblemen. | | Genamplificatie | Een proces waarbij een specifiek gen meerdere keren wordt gekopieerd, wat kan leiden tot resistentie tegen medicijnen zoals DHFR-remmers in kankercellen. |

# Glycolyse als anaeroob metabolisme van glucose Glycolyse is een fundamenteel anaeroob metabolisme dat chemische energie uit glucose extraheert en is essentieel voor celtypen, vooral onder zuurstofarme omstandigheden, waarbij het leidt tot de vorming van lactaat of pyruvaat. ## 1. Glycolyse als anaeroob metabolisme van glucose ### 1.1 Inleiding tot de glycolyse De glycolyse, ook bekend als het Emden-Meyerhof-Pad, is een universeel metabolisch pad dat in alle levende cellen voorkomt. Het primaire doel is het extraheren van chemische energie uit glucose. Dit proces is essentieel voor het produceren van adenosinetrifosfaat (ATP), de energievaluta van de cel. De glycolyse kan plaatsvinden in de afwezigheid van zuurstof, wat het een cruciale rol geeft onder anaërobe of hypoxische omstandigheden. Het fungeert als een "noodroute" om de ATP-productie op peil te houden wanneer de zuurstoftoevoer beperkt is, zoals tijdens de geboorte. Cellen met functionerende mitochondriën zetten het eindproduct van de glycolyse, pyruvaat, verder om via aerobe routes. #### 1.1.1 Rol en voorkomen van glycolyse * **Universeel:** Glycolyse vindt plaats in vrijwel alle organismen en celtypen, omdat glucose een veelvoorkomende energiebron is. * **Anaeroob:** Het proces vereist geen zuurstof. * **Noodzaak bij zuurstofgebrek:** Cruciaal voor het handhaven van ATP-niveaus tijdens perioden van hypoxie. * **Verschillende eindproducten:** Afhankelijk van de aanwezigheid van zuurstof varieert het eindproduct van glycolyse (pyruvaat) naar lactaat (anaeroob) of verder gemetaboliseerd via aerobe routes (aerobisch). * **Specifieke celtypen:** * **Hersenen:** Grote verbruikers van glucose, grotendeels afhankelijk van glycolyse voor energie. * **Erytrocyten (rode bloedcellen):** Hebben geen mitochondriën en zijn volledig afhankelijk van glycolyse voor ATP-productie, wat leidt tot de vorming van lactaat. * **Cornea en lens:** Beperkte bloedtoevoer en het ontbreken van mitochondriën maken glycolyse essentieel. * **Nier medulla, testes, leukocyten:** Hebben weinig mitochondriën en zijn significant afhankelijk van glycolyse. #### 1.1.2 Overzicht van de sleutelmoleculen en reactietypen De glycolyse omvat de omzetting van glucose (een zes-koolstofmolecuul) in twee moleculen pyruvaat (een drie-koolstofmolecuul). Alle intermediaire componenten in dit pad zijn gefosforyleerd. De belangrijkste reactietypen die in de glycolyse voorkomen zijn: 1. **Fosforyltransfer:** Overdracht van een fosfaatgroep van ATP naar een substraat, of vice versa. * Formule: `$R – OH + ATP \rightleftharpoons R – O – PO_3^{2-} + ADP + H^+$` 2. **Fosforyl-shift:** Verplaatsing van een fosfaatgroep binnen een molecuul. 3. **Isomerisatie:** Omzetting van een ketose naar een aldose of andersom. 4. **Dehydratatie:** Verwijdering van een watermolecuul. 5. **Aldolsplitsing:** Splitsing van een zes-koolstofmolecuul in twee drie-koolstofmoleculen. Alle reacties van de glycolyse vinden plaats in het cytoplasma (cytosol) van de cel. ### 1.2 De stappen van de glycolyse De glycolyse kan worden onderverdeeld in twee hoofdfasen: de energievase en de oogstfase. #### 1.2.1 Energievase (investeringsfase) In deze fase wordt energie verbruikt in de vorm van ATP om glucose te activeren en voor te bereiden op de splitsing. 1. **Fosforylering van glucose:** Glucose wordt omgezet in glucose 6-fosfaat door het enzym hexokinase (in de meeste weefsels) of glucokinase (in de lever). Dit is een irreversibele stap die de glucose binnen de cel vasthoudt en activeert. * Reactie: `$\alpha D\text{-}glucose + ATP \rightarrow \text{glucose 6-fosfaat} + ADP + H^+$` * Enzym: Hexokinase (hoge affiniteit voor glucose, lage $K_M$). Glucokinase heeft een lage affiniteit (hoge $K_M$), wat de lever prioriteit geeft aan glucosegebruik door andere weefsels wanneer de bloedsuikerspiegel hoog is. 2. **Isomerisatie van glucose 6-fosfaat:** Glucose 6-fosfaat wordt omgezet in fructose 6-fosfaat door het enzym fosfogluco-isomerase. Dit is een reversibele stap. * Reactie: `$\text{glucose 6-fosfaat} \rightleftharpoons \text{fructose 6-fosfaat}$` 3. **Tweede fosforylering:** Fructose 6-fosfaat wordt omgezet in fructose 1,6-bisfosfaat door het enzym fosfofructokinase-1 (PFK-1). Dit is de belangrijkste regulatiestap en een irreversibele "committed step" in de glycolyse. * Reactie: `$\text{fructose 6-fosfaat} + ATP \rightarrow \text{fructose 1,6-bisfosfaat} + ADP + H^+$` * Regulatie van PFK-1: * Allostere inhibitie door ATP (signaal van hoge energielading). * Allostere activatie door AMP en fructose 2,6-bisfosfaat (signaal van lage energielading). * Inhibitie door citraat en NADH (koppeling met andere metabole routes). #### 1.2.2 Oogstfase (verdienfase) In deze fase wordt ATP geproduceerd en worden elektronen overgedragen. 4. **Aldolsplitsing:** Fructose 1,6-bisfosfaat wordt gesplitst in twee triosefosfaten: dihydroxyacetonfosfaat (DHAP) en glyceraldehyde 3-fosfaat (G3P). * Reactie: `$\text{fructose 1,6-bisfosfaat} \rightleftharpoons \text{dihydroxyacetonfosfaat} + \text{glyceraldehyde 3-fosfaat}$` * Enzym: Aldolase. 5. **Isomerisatie van triosefosfaten:** Dihydroxyacetonfosfaat wordt omgezet in glyceraldehyde 3-fosfaat door het enzym triosefosfaat-isomerase. Dit zorgt ervoor dat beide drie-koolstofmoleculen de volgende reacties kunnen ondergaan. * Reactie: `$\text{dihydroxyacetonfosfaat} \rightleftharpoons \text{glyceraldehyde 3-fosfaat}$` 6. **Oxidatie en fosforylering van glyceraldehyde 3-fosfaat:** Glyceraldehyde 3-fosfaat wordt geoxideerd en gefosforyleerd tot 1,3-bisfosfoglyceraat. Hierbij wordt NAD$^+$ gereduceerd tot NADH + H$^+$. Deze stap levert zowel ATP (via de energierijke acylfosfaatbinding) als reductie-equivalenten op. * Reactie: `$\text{glyceraldehyde 3-fosfaat} + NAD^+ + P_i \rightarrow 1,3\text{-bisfosfoglyceraat} + NADH + H^+$` * Enzym: Glyceraldehyde 3-fosfaat dehydrogenase (GPD). 7. **Substraatsforylering (ATP-productie):** 1,3-bisfosfoglyceraat doneert een fosfaatgroep aan ADP, wat leidt tot de vorming van ATP en 3-fosfoglyceraat. Dit is de eerste ATP-producerende stap. * Reactie: `$1,3\text{-bisfosfoglyceraat} + ADP \rightleftharpoons 3\text{-fosfoglyceraat} + ATP$` * Enzym: Fosfoglyceraatkinase. 8. **Verschuiving van de fosfaatgroep:** 3-fosfoglyceraat wordt omgezet in 2-fosfoglyceraat door fosfoglycero-mutase. De fosfaatgroep wordt verplaatst van koolstof 3 naar koolstof 2. * Reactie: `$3\text{-fosfoglyceraat} \rightleftharpoons 2\text{-fosfoglyceraat}$` 9. **Dehydratatie:** 2-fosfoglyceraat ondergaat dehydratatie om fosfoënolpyruvaat (PEP) te vormen. Deze stap creëert een hoog-energetische fosfaatbinding. * Reactie: `$2\text{-fosfoglyceraat} \rightleftharpoons \text{fosfoënolpyruvaat} + H_2O$` * Enzym: Enolase. 10. **Tweede substraatsforylering (ATP-productie):** Fosfoënolpyruvaat doneert zijn fosfaatgroep aan ADP, wat leidt tot de vorming van ATP en pyruvaat. Dit is de tweede ATP-producerende stap en een gereguleerde stap. * Reactie: `$\text{fosfoënolpyruvaat} + ADP + H^+ \rightarrow \text{pyruvaat} + ATP$` * Enzym: Pyruvaatkinase. * Regulatie van Pyruvaatkinase: * Allostere inhibitie door ATP en alanine. * Allostere activatie door fructose 1,6-bisfosfaat. * Hormonale regulatie (bv. glucagon beïnvloedt de fosforylering van pyruvaatkinase, wat de activiteit moduleert). #### 1.2.3 Nettoresultaat van de glycolyse Het nettoresultaat van de glycolyse voor elke glucosemolecuul is de productie van: * 2 moleculen pyruvaat * 2 moleculen ATP (4 geproduceerd, 2 verbruikt in de energievase) * 2 moleculen NADH + H$^+$ De netto reactie is: `$$ \text{Glucose} + 2 NAD^+ + 2 P_i + 2 ADP \rightarrow 2 \text{NADH} + 2 H^+ + 2 H_2O + 2 ATP + 2 \text{pyruvaat} $$` ### 1.3 Anaerobe afronding van glycolyse: Lactaatvorming Wanneer zuurstof ontoereikend is voor aerobe metabolisme, moet de glycolyse doorgaan om ATP te produceren. Dit vereist de regeneratie van NAD$^+$ uit NADH. De meest voorkomende manier om dit te bereiken in dierlijke cellen is door pyruvaat te reduceren tot lactaat. * **Doel:** Regeneratie van NAD$^+$ uit NADH + H$^+$ om de oxidatie van glyceraldehyde 3-fosfaat (stap 6) te laten doorgaan. * **Reactie:** Pyruvaat wordt door lactaat dehydrogenase gereduceerd tot lactaat, waarbij NADH wordt geoxideerd tot NAD$^+$. * Reactie: `$\text{pyruvaat} + NADH + H^+ \rightleftharpoons \text{lactaat} + NAD^+$` * **Voordeel:** Deze "tijdswinst" bij zuurstofgebrek zorgt voor snelle ATP-productie. * **Lactaat als eindproduct:** Lactaat kan worden getransporteerd naar de lever en daar via de Cori-cyclus weer worden omgezet in glucose. #### 1.3.1 Alcoholische fermentatie (in gist en micro-organismen) In sommige micro-organismen, zoals gist, wordt pyruvaat onder anaërobe omstandigheden omgezet in ethanol via een tweestaps proces: 1. **Decarboxylering van pyruvaat:** Pyruvaat wordt gedecarboxyleerd tot acetaldehyde, waarbij CO$_2$ vrijkomt. * Enzym: Pyruvaat decarboxylase. 2. **Reductie van acetaldehyde:** Acetaldehyde wordt gereduceerd tot ethanol met behulp van NADH, waardoor NAD$^+$ wordt geregenereerd. * Enzym: Alcohol dehydrogenase. ### 1.4 Klinische correlaties en toepassingen #### 1.4.1 (18F) FDG in PET-scans Fluorodeoxyglucose ((18F) FDG) is een glucose-analoog die wordt gebruikt als tracer in positronemissietomografie (PET). * **Mechanisme:** FDG wordt door cellen opgenomen via glucose transporters. Omdat de 2'-hydroxylgroep van glucose is vervangen door fluor-18, kan FDG niet verder gemetaboliseerd worden na de glycolyse. Het hoopt zich op in cellen die veel glucose verbruiken. * **Toepassingen:** * **Diagnostiek:** Identificatie van kankerweefsels, die vaak een verhoogd glucosemetabolisme hebben. * **Neurologie:** Beeldvorming van hersenactiviteit (hersenen verbruiken veel glucose). * **Verval:** De isotoop fluor-18 heeft een halveringstijd van ongeveer 110 minuten en vervalt uiteindelijk naar zuurstof-18, waarna het verder gemetaboliseerd kan worden. #### 1.4.2 Pyruvaatkinase (PK) deficiëntie Pyruvaatkinase is essentieel voor de laatste stap van de glycolyse. Een deficiëntie in dit enzym, met name in rode bloedcellen, kan ernstige gevolgen hebben. * **Gevolg:** Verminderde ATP-productie in rode bloedcellen, die volledig afhankelijk zijn van glycolyse. * **Symptomen:** Hemolytische anemie (abnormale afbraak van rode bloedcellen) doordat de ionenpompen die de celvorm handhaven niet meer functioneren, leidend tot zwelling en lysering van de cellen. * **Klinische indicatie:** Lage ATP-niveaus in rode bloedcellen. #### 1.4.3 Pyruvaatdehydrogenase (PDH) complex deficiëntie Dit enzymcomplex katalyseert de overgang van pyruvaat naar acetyl-CoA, wat de toegang tot de citroenzuurcyclus (Krebs cyclus) mogelijk maakt. * **Oorzaken:** Gebreken in katalytische of regulatoire subeenheden van het PDH-complex. * **Indicatoren:** Verhoogde serumconcentraties van lactaat, pyruvaat en alanine, wat leidt tot chronische melkzuuracidose. * **Symptomen:** Neurologische afwijkingen, omdat de hersenen sterk afhankelijk zijn van de aerobe oxidatie van pyruvaat. * **Behandeling:** Een ketogeen dieet kan soms helpen, waarbij ketonlichamen de hersenen van energie voorzien. #### 1.4.4 Gebruik van andere suikers in de glycolyse * **Fructose:** Fructose wordt gesplitst in dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde, die beide intermediairen van de glycolyse zijn. Lever aldolase is cruciaal voor deze splitsing. * **Fructose-intolerantie:** Deficiëntie in lever aldolase leidt tot accumulatie van fructose-1-fosfaat, ATP-depletie in de lever en verstoring van de leverfuncties. * **Galactose:** Galactose wordt via een reeks reacties (waaronder fosforylering, UDP-koppeling en epimerisatie) omgezet in glucose-6-fosfaat, een intermediair van de glycolyse. * **Galactosemie:** Deficiëntie in het enzym uridyltransferase blokkeert de omzetting van galactose-1-fosfaat, wat leidt tot ernstige gezondheidsproblemen, waaronder hersenbeschadiging en leverfalen. #### 1.4.5 Alcoholkater en honing * **Alcoholkater:** De afbraak van ethanol in de lever vereist NAD$^+$, wat concurreert met de NAD$^+$-behoefte van de glycolyse. Een tekort aan NAD$^+$ kan de glycolyse belemmeren. * **Honing:** De hoge fructoseconcentratie in honing kan de lever helpen NAD$^+$ aan te vullen via de omzetting van fructose in glyceraldehyde en glycerol, wat indirect de glycolyse kan ondersteunen. > **Tip:** Begrip van de regulatiemechanismen van sleutelenzymen zoals PFK-1 en pyruvaatkinase is cruciaal voor het begrijpen van de controle van de glycolyse. > **Voorbeeld:** In een situatie van intense inspanning (zoals sprinten) is de zuurstoftoevoer naar de spieren beperkt. Spiercellen schakelen over op anaërobe glycolyse om snel ATP te produceren. Pyruvaat wordt daarbij omgezet in lactaat, wat leidt tot de bekende "verbranding" en spierpijn na de inspanning. Dit lactaat wordt later in de lever weer omgezet in glucose. --- # Mechanismen en regulatie van glycolytische reacties Glycolyse is een fundamenteel metabool pad dat de anaerobe afbraak van glucose tot pyruvaat faciliteert, wat essentieel is voor energieproductie in alle lichaamscellen. ## 2.1 Overzicht van de glycolytische reacties De glycolyse is een reeks van tien enzymatische reacties die plaatsvinden in het cytoplasma en glucose, een zes-koolstof suiker, omzetten in twee moleculen pyruvaat, een drie-koolstof verbinding. Tijdens dit proces wordt netto twee moleculen ATP en twee moleculen NADH geproduceerd. ### 2.1.1 De tien stappen van de glycolyse De glycolyse kan worden onderverdeeld in twee hoofdfasen: de energie-investeringsfase en de energie-opbrengstfase. **Fase 1: Energie-investeringsfase** In deze fase worden twee ATP-moleculen verbruikt om glucose voor te bereiden op verdere afbraak. 1. **Fosforylering van glucose:** Glucose wordt gefosforyleerd tot glucose 6-fosfaat door hexokinase (of glucokinase in de lever), met verbruik van ATP. Dit is een irreversibele reactie die glucose binnen de cel houdt. * Reactie: $\alpha D\text{-}glucose + ATP \rightarrow \text{glucose 6-fosfaat} + ADP + H^+$ 2. **Isomerisatie van glucose 6-fosfaat:** Glucose 6-fosfaat, een aldose, wordt omgezet in fructose 6-fosfaat, een ketose, door fosfogluco-isomerase. Deze reactie is reversibel. * Reactie: $\text{glucose 6-fosfaat} \rightleftharpoons \text{fructose 6-fosfaat}$ 3. **Fosforylering van fructose 6-fosfaat:** Fructose 6-fosfaat wordt gefosforyleerd tot fructose 1,6-bisfosfaat door fosfofructokinase (PFK), wat een sleutelregulerend en grotendeels irreversibel enzym is. Dit is de "committed step" van de glycolyse. * Reactie: $\text{fructose 6-fosfaat} + ATP \rightarrow \text{fructose 1,6-bisfosfaat} + ADP + H^+$ 4. **Aldolsplitsing:** Fructose 1,6-bisfosfaat wordt gesplitst door aldolase in twee drie-koolstof moleculen: dihydroxyacetonfosfaat (DHAP) en glyceraldehyde 3-fosfaat (G3P). * Reactie: $\text{fructose 1,6-bisfosfaat} \rightleftharpoons \text{dihydroxyacetonfosfaat} + \text{glyceraldehyde 3-fosfaat}$ 5. **Isomerisatie van dihydroxyacetonfosfaat:** Dihydroxyacetonfosfaat wordt omgezet in glyceraldehyde 3-fosfaat door triosefosfaat isomerase, zodat beide moleculen kunnen doorgaan naar de volgende fase. * Reactie: $\text{dihydroxyacetonfosfaat} \rightleftharpoons \text{glyceraldehyde 3-fosfaat}$ **Fase 2: Energie-opbrengstfase** In deze fase worden de twee moleculen glyceraldehyde 3-fosfaat omgezet in pyruvaat, waarbij netto twee ATP-moleculen per glyceraldehyde 3-fosfaat molecuul worden geproduceerd. 6. **Oxidatie en fosforylering van glyceraldehyde 3-fosfaat:** Glyceraldehyde 3-fosfaat wordt geoxideerd en gefosforyleerd tot 1,3-bisfosfoglycerinaat, met reductie van NAD$^+$ tot NADH en de incorporatie van anorganisch fosfaat (Pi). * Reactie: $\text{glyceraldehyde 3-fosfaat} + NAD^+ + Pi \rightarrow 1,3\text{-bisfosfoglycerinaat} + NADH + H^+$ 7. **Substraatniveau fosforylering:** De fosfaatgroep van 1,3-bisfosfoglycerinaat wordt overgedragen aan ADP om ATP te vormen, resulterend in 3-fosfoglycerinaat. Dit is de eerste ATP-genererende stap. * Reactie: $1,3\text{-bisfosfoglycerinaat} + ADP \rightarrow 3\text{-fosfoglycerinaat} + ATP + H^+$ 8. **Verschuiving van de fosfaatgroep:** De fosfaatgroep van 3-fosfoglycerinaat wordt door fosfoglyceromutase verplaatst van koolstof 3 naar koolstof 2, wat 2-fosfoglycerinaat oplevert. * Reactie: $3\text{-fosfoglycerinaat} \rightleftharpoons 2\text{-fosfoglycerinaat}$ 9. **Dehydratatie:** 2-fosfoglycerinaat ondergaat dehydratatie door enolase om fosfoënolpyruvaat (PEP) te vormen, een molecuul met een hoge-energie fosfaatbinding. * Reactie: $2\text{-fosfoglycerinaat} \rightleftharpoons \text{fosfoënolpyruvaat} + H_2O$ 10. **Substraatniveau fosforylering:** De fosfaatgroep van fosfoënolpyruvaat wordt overgedragen aan ADP, wat pyruvaat en ATP genereert. Dit is de tweede ATP-genererende stap, gekatalyseerd door pyruvaatkinase. * Reactie: $\text{fosfoënolpyruvaat} + ADP + H^+ \rightarrow \text{pyruvaat} + ATP$ **Netto resultaat van de glycolyse:** $$ \text{Glucose} + 2 NAD^+ + 2 ADP + 2 Pi \rightarrow 2 \text{Pyruvaat} + 2 NADH + 2 H^+ + 2 H_2O + 2 ATP $$ > **Tip:** Alle intermediaire metabolieten in de glycolyse zijn gefosforyleerd, wat hun negatieve lading vergroot en voorkomt dat ze door de celmembraan diffunderen. ### 2.1.2 Gebruik van andere suikers in de glycolyse Andere suikers kunnen ook worden opgenomen in het glycolytische pad. * **Fructose:** Fructose wordt in de lever gefosforyleerd tot fructose-1-fosfaat door fructokinase, en vervolgens gesplitst tot dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde. Glyceraldehyde wordt omgezet in glyceraldehyde-3-fosfaat, een glycolytisch intermediair. Patiënten met fructose-intolerantie missen de lever aldolase, wat leidt tot accumulatie van fructose-1-fosfaat en ATP-depletie. * **Galactose:** Galactose wordt omgezet tot glucose-6-fosfaat. Eerst wordt galactose gefosforyleerd tot galactose-1-fosfaat door galactokinase. Vervolgens wordt het omgezet in UDP-galactose, dat wordt geëpimeriseerd tot UDP-glucose. UDP-glucose kan glucose-1-fosfaat regenereren, dat door fosfoglucomutase wordt omgezet in glucose-6-fosfaat. Klinische correlatie: galactosemie, veroorzaakt door mutaties in uridyltransferase, blokkeert de omzetting van galactose-1-fosfaat, wat leidt tot ernstige gezondheidsproblemen. ## 2.2 Regulatie van glycolytische reacties De glycolyse wordt strak gereguleerd op sleutelpunten om te voldoen aan de energiebehoeften van de cel en om de flux door het pad te coördineren met andere metabole routes. ### 2.2.1 Controle-enzymen in de glycolyse Drie enzymen fungeren als de belangrijkste regulatiepunten in de glycolyse: hexokinase, fosfofructokinase (PFK) en pyruvaatkinase (PK). #### 2.2.1.1 Hexokinase * Hexokinase katalyseert de eerste stap, de fosforylering van glucose. Het wordt geremd door zijn product, glucose-6-fosfaat. * **Glucokinase:** In de lever en pancreas is hexokinase vervangen door glucokinase, dat een hogere K$_M$ heeft voor glucose, wat betekent dat het minder affiniteit heeft voor glucose. Dit zorgt ervoor dat cellen met een hogere glucosebehoefte, zoals hersenen en spieren, voorrang krijgen bij glucoseopname wanneer de bloedglucosespiegels hoog zijn. #### 2.2.1.2 Fosfofructokinase (PFK) * PFK is het belangrijkste regulatoire enzym van de glycolyse. Het katalyseert de irreversibele omzetting van fructose-6-fosfaat naar fructose-1,6-bisfosfaat. * **Allostere regulatie:** * **Remmers:** * **ATP:** Hoge niveaus van ATP signaleren een hoge energielading en remmen PFK allostere, waardoor de glycolytische flux wordt verminderd. * **Citraat:** Verhoogde concentraties citraat, een intermediair van de citroenzuurcyclus, duiden op een overvloed aan energie en remmen PFK. Dit koppelt de glycolyse aan de aerobe ademhaling. * **NADH:** NADH is een reductiemiddel dat wordt gegenereerd door oxidatieve processen. Hoge NADH-niveaus kunnen PFK remmen. * **Activators:** * **AMP en ADP:** Hoge niveaus van AMP en ADP signaleren een lage energielading en activeren PFK allostere, waardoor de glycolytische flux wordt verhoogd. * **Fructose-2,6-bisfosfaat:** Dit is een krachtige activator van PFK, die een cruciale rol speelt in de hormonale regulatie van de glycolyse. #### 2.2.1.3 Pyruvaatkinase (PK) * Pyruvaatkinase katalyseert de laatste stap van de glycolyse, de omzetting van fosfoënolpyruvaat naar pyruvaat, wat een substraatniveau fosforylering inhoudt en ATP genereert. * **Allostere regulatie:** * **Remmers:** * **ATP:** Net als bij PFK, remt ATP pyruvaatkinase, wat aangeeft dat er voldoende energie aanwezig is. * **Alanine:** Alanine is een aminozuur dat kan worden gevormd uit pyruvaat. Hoge alanineconcentraties remmen pyruvaatkinase. * **Activator:** * **Fructose-1,6-bisfosfaat:** De aanwezigheid van fructose-1,6-bisfosfaat, een product van de "committed step" van de glycolyse, activeert pyruvaatkinase. Dit zorgt voor een feed-forward activatie, waardoor de flux door het pad wordt bevorderd wanneer de upstream stappen actief zijn. * **Hormonale regulatie (lever):** In de lever wordt pyruvaatkinase gereguleerd door fosforylering, gemedieerd door glucagon en insuline. * **Glucagon (lage bloedglucose):** Glucagon leidt tot fosforylering van pyruvaatkinase, waardoor het enzym minder actief wordt en de glycolyse wordt vertraagd om glucose te sparen. * **Insuline (hoge bloedglucose):** Insuline leidt tot defosforylering van pyruvaatkinase, waardoor het actiever wordt en de glycolyse wordt bevorderd. > **Tip:** De regulatie van PFK en pyruvaatkinase zorgt ervoor dat de glycolyse wordt afgestemd op de energietoestand van de cel en de beschikbaarheid van substraten. Een hoge energielading (hoge ATP/ADP-ratio) remt de flux, terwijl een lage energielading (hoge AMP/ADP-ratio) de flux stimuleert. ### 2.2.2 Rol van NAD$^+$ regeneratie De oxidatie van glyceraldehyde-3-fosfaat vereist NAD$^+$ als oxidator. Om de glycolyse voort te zetten, moet NADH dat wordt geproduceerd, worden geregenereerd tot NAD$^+$. Dit gebeurt via verschillende mechanismen, afhankelijk van de aanwezigheid van zuurstof: * **Aerobe omstandigheden:** NADH wordt geoxideerd tot NAD$^+$ in de elektronentransportketen in de mitochondriën, wat leidt tot de productie van ATP via oxidatieve fosforylering. * **Anaerobe omstandigheden (fermentatie):** * **Lactaatfermentatie:** In dierlijke cellen en sommige micro-organismen wordt pyruvaat gereduceerd tot lactaat door lactaatdehydrogenase, waarbij NADH wordt geoxideerd tot NAD$^+$. Dit is een snelle methode om NAD$^+$ te regenereren wanneer zuurstof beperkt is. * **Alcoholische fermentatie:** In gisten wordt pyruvaat gedecarboxyleerd tot acetaldehyde, dat vervolgens wordt gereduceerd tot ethanol door alcoholdehydrogenase, waarbij NADH wordt omgezet in NAD$^+$. > **Voorbeeld:** Tijdens intensieve lichaamsbeweging wanneer de zuurstoftoevoer naar de spieren beperkt is, treedt lactaatfermentatie op. Dit stelt de spieren in staat om ATP te blijven produceren via glycolyse, ondanks de anaerobe omstandigheden. ### 2.2.3 Klinische correlaties * **Pyruvaatkinase deficiëntie:** Dit leidt tot een tekort aan ATP in rode bloedcellen (RBC's), aangezien RBC's volledig afhankelijk zijn van glycolyse voor hun energie. Het gebrek aan ATP verstoort de ionenpompen, wat resulteert in een verlies van de biconcave vorm van RBC's, zwelling en lysering (hemolyse), leidend tot hemolytische anemie. * **Pyruvaatdehydrogenase complex deficiëntie:** Een deficiëntie in dit enzymcomplex, dat pyruvaat omzet in acetyl-CoA, veroorzaakt accumulatie van pyruvaat en lactaat, wat leidt tot chronische melkzuuracidose en neurologische afwijkingen. Een ketogeen dieet kan helpen de hersenen van alternatieve brandstof te voorzien. * **(18F) FDG in PET-scans:** Fluorodeoxyglucose (FDG) is een glucoseanaloog die wordt gebruikt in PET-scans. Omdat de 2'-hydroxylgroep is vervangen door fluor, kan FDG na de glycolyse niet verder worden gemetaboliseerd, waardoor het zich ophoopt in cellen met een hoge glycolytische activiteit, zoals kankercellen en hersenweefsel. Dit maakt het een waardevol diagnostisch hulpmiddel. ## 2.3 De centrale positie van pyruvaat Pyruvaat, het eindproduct van de glycolyse, is een cruciaal intermediair met verschillende bestemmingen, afhankelijk van de aanwezigheid van zuurstof en de specifieke behoeften van de cel: * **Oxidatie tot acetyl-CoA:** Onder aerobe omstandigheden wordt pyruvaat door het pyruvaatdehydrogenase complex omgezet in acetyl-CoA, dat de citroenzuurcyclus binnenkomt voor verdere oxidatie. * **Reductie tot lactaat:** Onder anaerobe omstandigheden wordt pyruvaat gereduceerd tot lactaat (lactaatfermentatie). * **Reductie tot ethanol:** In gist en sommige micro-organismen wordt pyruvaat omgezet in acetaldehyde en vervolgens tot ethanol (alcoholische fermentatie). * **Carboxylatie tot oxaalacetaat:** In de lever kan pyruvaat worden gecarboxyleerd tot oxaalacetaat, een intermediair van de gluconeogenese. * **Transaminering tot alanine:** Pyruvaat kan ook worden omgezet in het aminozuur alanine. --- # Klinische correlaties en pathologieën gerelateerd aan glycolyse Deze sectie onderzoekt de klinische implicaties van verstoringen in het glycolytische metabolisme, met specifieke aandacht voor Pyruvaat Kinase Deficiëntie en Hemolytische Anemie, evenals de diagnostische toepassingen van (18F) FDG in PET-scans. ### 3.1 De rol van glycolyse in de cel Glycolyse is de anaerobe afbraak van glucose tot lactaat, die de primaire route is voor het extraheren van chemische energie uit glucose in alle lichaamscellen. Het is een "emergency pathway" die essentieel is voor het handhaven van ATP-niveaus, met name wanneer de zuurstoftoevoer beperkt is. Cellen met functionerende mitochondriën kunnen pyruvaat verder oxideren tot CO2 en H2O, terwijl andere cellen, zoals erytrocyten, altijd lactaat produceren. #### 3.1.1 Cellulaire afhankelijkheid van glycolyse Verschillende weefsels en celtypen zijn sterk afhankelijk van glycolyse, waaronder: * **Hersenen**: Verbruiken een aanzienlijke hoeveelheid glucose, ongeveer 50-60 gram per dag. * **Erytrocyten**: Hebben geen mitochondriën en zijn daarom volledig afhankelijk van glycolyse. * **Cornea en lens**: Hebben beperkte bloedtoevoer en geen mitochondriën om lichtverstrooiing te voorkomen. * **Nier medulla, testes en leukocyten**: Hebben weinig mitochondriën en vertrouwen deels op glycolyse. #### 3.1.2 Sleutelmoleculen en reactietypen in de glycolyse De intermediaire componenten van glycolyse bestaan uit 6-koolstof- of 3-koolstofmoleculen, die allen gefosforyleerd zijn. De belangrijkste reactietypen zijn: 1. **Fosforyltransfer**: Overdracht van een fosfaatgroep, vaak van ATP. `$R – OH + ATP ⇄ R – O – PO_3^{2-} + ADP + H^+$` 2. **Fosforyl-shift**: Verplaatsing van een fosfaatgroep binnen een molecuul. 3. **Isomerisatie**: Omzetting van een ketose naar een aldose, of vice versa. 4. **Dehydratatie**: Verwijdering van een watermolecuul. 5. **Aldolsplitsing**: Splitsing van een groter molecuul in twee kleinere moleculen. Alle glycolytische reacties vinden plaats in het cytosol. ### 3.2 Regulatie van de glycolyse De glycolyse wordt op verschillende punten gereguleerd, met name door de enzymen hexokinase en fosfofructokinase (PFK). #### 3.2.1 Hexokinase en Glucokinase Hexokinase is het enzym dat glucose fosforyleert tot glucose-6-fosfaat. In de lever speelt glucokinase ook een rol. Glucokinase heeft een lage affiniteit voor glucose ($K_M$ hoog), waardoor glucose-6-fosfaatprioriteit krijgt voor spier- en hersencellen wanneer bloedglucose stijgt. #### 3.2.2 Fosfofructokinase (PFK) PFK is een cruciaal controle-enzym en de "committed step" van de glycolyse. Het is allosterisch geïnhibeerd door ATP en NADH, en geactiveerd door AMP. Citraat kan ook de activiteit van PFK remmen, wat een koppeling met andere metabole routes aangeeft. #### 3.2.3 Pyruvaat Kinase Pyruvaat Kinase (PK) is het laatste enzym van de glycolyse en katalyseert de omzetting van fosfo-enolpyruvaat naar pyruvaat, waarbij ATP wordt gevormd. Er zijn vier isovormen van PK, met verschillende regulatiemechanismen. ATP en alanine zijn allosterische inhibitoren, terwijl fructose-1,6-bisfosfaat een activator is. Hormonale controle vindt plaats via fosforylering; verhoogde glucagon leidt tot fosforylering en inactivatie van PK in de lever, wat de glycolyse remt. > **Tip:** De nettolading van de glycolyse is: > `$Glucose + 2NAD^+ + 2Pi + 2ADP ⇌ 2NADH + 2H^+ + 2H_2O + 2ATP + 2 Pyruvaat$` ### 3.3 Klinische correlaties en pathologieën Verstoringen in de glycolyse kunnen leiden tot diverse klinische aandoeningen. #### 3.3.1 Pyruvaat Kinase Deficiëntie en Hemolytische Anemie Pyruvaat Kinase Deficiëntie (PKD) is een zeldzame aandoening die gekenmerkt wordt door een sterk verminderde activiteit van het pyruvaat kinase enzym, met name in rode bloedcellen (RBC). RBC's zijn volledig afhankelijk van glycolyse voor hun energieproductie, aangezien zij geen mitochondriën bezitten. * **Rol van ATP in RBC's**: ATP is essentieel voor de werking van ionenpompen, zoals de Na+/K+-ATPase, die de biconcave vorm van RBC's handhaaft. Deze vorm is cruciaal voor de flexibiliteit en weerstand tegen shear stress in bloedvaten. * **Gevolgen van ATP-tekort**: Bij een tekort aan ATP zwellen RBC's op en lyseren (hemolyse). * **Ernst van de deficiëntie**: Patiënten met PKD hebben slechts 5-25% van de normale PK-activiteit in RBC's, wat leidt tot onvoldoende ATP-productie en chronische hemolytische anemie. * **Reticulocyten versus RBC's**: Reticulocyten, de voorlopers van RBC's, bezitten nog wel mitochondriën en kunnen ATP produceren via oxidatieve fosforylering. Naarmate ze rijpen tot RBC's en hun mitochondriën verliezen, worden ze volledig afhankelijk van glycolyse. #### 3.3.2 (18F) FDG en PET-scans (18F) FDG (fluorodeoxyglucose) is een glucoseanaloog die gebruikt wordt als radiofarmaceutische tracer in Positron Emissie Tomografie (PET)-scans. * **Werkingsmechanisme**: FDG lijkt sterk op glucose, maar de hydroxylgroep op de 2'-positie is vervangen door fluor-18. Deze modificatie verhindert dat FDG verder gemetaboliseerd wordt na opname in de cel. * **Diagnostische toepassing**: Omdat organen en weefsels met een hoge glucoseconsumptie, zoals hersenen, lever en kankercellen, FDG snel opnemen, kunnen PET-scans worden gebruikt om deze gebieden te visualiseren. Tumorcellen hebben vaak een verhoogde glucoseopname en een versnelde glycolyse, waardoor ze goed detecteerbaar zijn met FDG-PET. * **Verval en detectie**: Fluor-18 is een isotoop met een halveringstijd van ongeveer 110 minuten. Het vervalt tot zuurstof-18, dat een hydroxylgroep vormt en wel gemetaboliseerd kan worden. De detectie van de positronen die vrijkomen bij het verval van fluor-18 maakt de beeldvorming mogelijk. * **Beperkingen**: De productie van fluor-18 vereist een cyclotron en moet dicht bij het ziekenhuis gebeuren vanwege de relatief korte halveringstijd. #### 3.3.3 Pyruvaat Dehydrogenase Deficiëntie Pyruvaat dehydrogenase deficiëntie is een groep syndromen die ontstaan door defecten in het pyruvaat dehydrogenase complex, een multienzymcomplex dat pyruvaat omzet in acetyl-CoA in de mitochondriën. * **Indicatoren**: Verhoogde serumconcentraties van lactaat, pyruvaat en alanine duiden op een chronische melkzuuracidose. * **Klinische verschijnselen**: Patiënten vertonen neurologische afwijkingen. * **Behandeling**: Een ketogeen dieet, dat de koolhydraatinname beperkt, kan soms positief uitpakken omdat ketonlichamen koolhydraten kunnen vervangen als energiebron voor de hersenen. ### 3.4 Alternatieve bestemmingen van pyruvaat Pyruvaat kan, afhankelijk van de omstandigheden, naar verschillende metabolieten worden omgezet. #### 3.4.1 Alcoholische fermentatie In gisten en andere micro-organismen wordt pyruvaat onder anaerobe omstandigheden omgezet in ethanol via alcoholische fermentatie. Dit proces regenereert NAD+ dat essentieel is voor de voortgang van de glycolyse. #### 3.4.2 Lactaatvorming In menselijke cellen bij zuurstofgebrek wordt pyruvaat gereduceerd tot lactaat door lactaat dehydrogenase. Dit is een "tijdswinst" strategie om NAD+ te regenereren en de glycolyse gaande te houden. Lactaat kan worden teruggevoerd naar de lever en omgezet worden in glucose via gluconeogenese. #### 3.4.3 Vorming van Acetyl-CoA In de mitochondriën wordt pyruvaat door het pyruvaat dehydrogenase complex omgezet in acetyl-CoA, een sleutelmolecuul voor de citroenzuurcyclus. Dit is een oxidatieve decarboxyleringsreactie waarbij NADH wordt geproduceerd. ### 3.5 Gebruik van andere suikers in de glycolyse #### 3.5.1 Fructosemetabolisme Fructose wordt, na omzetting in fructose-1-fosfaat, gesplitst in dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde. Dit gebeurt via de fructose-1-fosfaat pathway. Bij fructose-intolerantie, een deficiëntie van leveraldolase, kan fructose-1-fosfaat niet goed gesplitst worden, wat leidt tot ATP-depletie en leverdisfunctie. #### 3.5.2 Galactosemetabolisme Galactose, afkomstig van lactose (melksuiker), wordt via een reeks reacties omgezet tot glucose-6-fosfaat, een intermediair van de glycolyse. Bij galactosemie, een genetische aandoening waarbij uridyltransferase deficiënt is, treedt accumulatie van galactose-1-fosfaat op, wat kan leiden tot hersenbeschadiging en leverfalen. --- # Omzetting van pyruvaat en gebruik van andere suikers Dit onderwerp behandelt de verschillende metabole bestemmingen van pyruvaat en hoe fructose en galactose kunnen worden geïntegreerd in de glycolytische route. ### 4.1 De centrale rol van pyruvaat Pyruvaat, het eindproduct van de glycolyse, is een cruciaal intermediair met meerdere mogelijke bestemmingen, afhankelijk van de cellulaire omstandigheden en de organismetypen. In aerobe omstandigheden wordt pyruvaat verder gemetaboliseerd via de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering om een aanzienlijke hoeveelheid ATP te genereren. Echter, onder anaerobe omstandigheden of wanneer de toevoer van zuurstof beperkt is, ondergaan cellen fermentatie om NAD+ te regenereren, wat essentieel is voor het voortzetten van de glycolyse en daarmee de ATP-productie. #### 4.1.1 Alcoholische fermentatie In organismen zoals gist wordt pyruvaat onder anaerobe omstandigheden omgezet in ethanol en koolstofdioxide via een proces dat alcoholische fermentatie wordt genoemd. Deze route is essentieel voor de regeneratie van NAD+, wat nodig is om de glycolyse in stand te houden. De stappen omvatten: 1. **Decarboxylering van pyruvaat:** Pyruvaat wordt gedecarboxyleerd tot acetaldehyde, waarbij koolstofdioxide wordt vrijgegeven. $$ \text{Pyruvaat} \rightarrow \text{Acetaldehyde} + \text{CO}_2 $$ Dit wordt gekatalyseerd door het enzym pyruvaat decarboxylase. 2. **Reductie van acetaldehyde:** Acetaldehyde wordt vervolgens gereduceerd tot ethanol door NADH. Deze stap regenereert NAD+. $$ \text{Acetaldehyde} + \text{NADH} + \text{H}^+ \rightarrow \text{Ethanol} + \text{NAD}^+ $$ Dit wordt gekatalyseerd door het enzym alcohol dehydrogenase. De netto reactie voor glucose omzetting naar ethanol is: $$ \text{Glucose} + 2\text{Pi} + 2\text{ADP} + 2\text{H}^+ \rightleftharpoons 2\text{CO}_2 + 2\text{Ethanol} + 2\text{ATP} + 2\text{H}_2\text{O} $$ > **Tip:** Hoewel ethanol een eindproduct is in gist, is de primaire functie van deze fermentatieroute de regeneratie van NAD+ om de glycolyse te ondersteunen, wat cruciaal is voor de energievoorziening van de cel. #### 4.1.2 Lactaatvorming In menselijke cellen, met name onder omstandigheden van zuurstofgebrek (anaerobe inspanning) of in cellen zonder mitochondriën (zoals rode bloedcellen), wordt pyruvaat omgezet in lactaat. Deze reactie is een vorm van lactaatfermentatie en dient ook voor de regeneratie van NAD+. De omzetting van pyruvaat naar lactaat wordt gekatalyseerd door lactaat dehydrogenase: $$ \text{Pyruvaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{Lactaat} + \text{NAD}^+ $$ > **Tip:** Lactaatvorming wordt vaak geassocieerd met intensieve fysieke inspanning wanneer de zuurstoftoevoer de vraag van de spieren niet kan bijbenen. Het lactaat kan vervolgens naar de lever worden getransporteerd en daar opnieuw worden omgezet in pyruvaat (via de Cori-cyclus) om verder gemetaboliseerd te worden wanneer zuurstof weer beschikbaar is. Lactaat is tevens een bouwsteen voor biologisch afbreekbare polymeren zoals polymelkzuur, wat toepassingen vindt in medische hechtdraden en als substituut voor traditionele plastics. #### 4.1.3 Vorming van acetylco-enzym A In aerobe omstandigheden wordt pyruvaat de mitochondriën binnengebracht en omgezet in acetylco-enzym A (acetyl-CoA). Dit is een sleutelmolecuul dat de glycolyse verbindt met de citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus). De reactie wordt gekatalyseerd door het pyruvaatdehydrogenase complex en omvat de volgende stappen: 1. **Decarboxylering van pyruvaat:** Een carboxylgroep wordt verwijderd als CO2. 2. **Oxidatie van de resterende groep:** De tweecarbonsgroep wordt geoxideerd en bindt aan co-enzym A (CoA) om acetyl-CoA te vormen. Tegelijkertijd wordt NAD+ gereduceerd tot NADH. $$ \text{Pyruvaat} + \text{CoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ > **Tip:** Deficiënties in het pyruvaatdehydrogenase complex kunnen leiden tot ernstige neurologische problemen en chronische melkzuuracidose, omdat pyruvaat zich ophoopt en alternatieve metabole routes inslaat, zoals omzetting naar lactaat of alanine. Een ketogeen dieet kan soms helpen, omdat ketonlichamen dan de energiebehoefte van de hersenen kunnen dekken. ### 4.2 Integratie van andere suikers in de glycolyse Naast glucose kunnen ook andere suikers, zoals fructose en galactose, in de glycolytische route worden geïntegreerd om energie te leveren. Dit gebeurt door deze suikers om te zetten in intermediairen van de glycolyse. #### 4.2.1 Fructose metabolisme Fructose, vaak verkregen uit voeding zoals sucrose (wat glucose en fructose is) of honing, kan op verschillende manieren in de glycolyse worden geïntegreerd. In de lever wordt fructose vaak omgezet via het **fructose-1-fosfaat (F-1-P) pathway**: 1. **Fosforylering:** Fructose wordt door fructokinase gefosforyleerd tot fructose-1-fosfaat. $$ \text{Fructose} + \text{ATP} \rightarrow \text{Fructose-1-fosfaat} + \text{ADP} $$ 2. **Splitsing:** Fructose-1-fosfaat wordt vervolgens door aldolase gesplitst in glyceraldehyde en dihydroxyacetonfosfaat (DHAP). $$ \text{Fructose-1-fosfaat} \rightarrow \text{Glyceraldehyde} + \text{Dihydroxyacetonfosfaat (DHAP)} $$ 3. **Verdere metabolisering:** Glyceraldehyde kan worden gefosforyleerd tot glyceraldehyde-3-fosfaat, een direct glycolytisch intermediair. DHAP is ook een glycolytisch intermediair dat gemakkelijk kan worden omgezet in glyceraldehyde-3-fosfaat. > **Let op bij Fructose Intolerantie:** Patiënten met fructose-intolerantie hebben een deficiëntie van de lever aldolase, wat de splitsing van fructose-1-fosfaat blokkeert. Dit leidt tot een ophoping van fructose-1-fosfaat en een depletie van ATP in de lever, wat ernstige metabole gevolgen heeft, waaronder leverdisfunctie en celzwelling door osmolyse. Een alternatieve route in de lever is de omzetting via fructose-6-fosfaat, een intermediair van de glycolyse, door middel van hexokinase. Echter, bij hoge fructoseconcentraties is de F-1-P pathway dominanter. #### 4.2.2 Galactose metabolisme Galactose, een component van lactose (melksuiker), wordt omgezet in glucose-6-fosfaat, een van de eerste gefosforyleerde intermediairen in de glycolyse. De omzetting van galactose volgt een specifieke route: 1. **Fosforylering:** Galactose wordt door galactokinase gefosforyleerd tot galactose-1-fosfaat. $$ \text{Galactose} + \text{ATP} \rightarrow \text{Galactose-1-fosfaat} + \text{ADP} $$ 2. **UDP-koppeling:** Galactose-1-fosfaat wordt omgezet in UDP-galactose en glucose-1-fosfaat door middel van uridinetrifosfaat (UTP) en het enzym galactose-1-fosfaat uridyltransferase. $$ \text{Galactose-1-fosfaat} + \text{UTP} \rightarrow \text{UDP-galactose} + \text{Glucose-1-fosfaat} + \text{PPi} $$ 3. **Epimerisatie:** UDP-galactose kan worden omgezet in UDP-glucose door een epimerisatiereactie. 4. **Isomerisatie tot glucose-6-fosfaat:** Glucose-1-fosfaat wordt vervolgens door het enzym fosfoglucomutase omgezet in glucose-6-fosfaat, een direct glycolytisch intermediair. $$ \text{Glucose-1-fosfaat} \rightleftharpoons \text{Glucose-6-fosfaat} $$ > **Clinische Correlatie (Galactosemie):** Galactosemie is een erfelijke metabole stoornis die ontstaat door mutaties in het gen voor galactose-1-fosfaat uridyltransferase. Dit blokkeert de omzetting van galactose-1-fosfaat, wat leidt tot de accumulatie van galactose-1-fosfaat en galactose. De gevolgen kunnen ernstig zijn, waaronder hersenbeschadiging, cataract, mentale retardatie en leverfalen. Samengevat, de diversiteit aan metabole routes vanuit pyruvaat en de integratie van andere suikers tonen de flexibiliteit en het belang van koolhydraatmetabolisme voor de energiehuishouding van de cel. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Glycolyse | Een fundamenteel biochemisch proces dat plaatsvindt in het cytoplasma van cellen, waarbij glucose anaeroob wordt afgebroken tot pyruvaat, waarbij een netto-opbrengst van ATP en NADH wordt verkregen. Dit proces is essentieel voor energieproductie, vooral onder omstandigheden van beperkte zuurstoftoevoer. | | ATP | Adenosinetrifosfaat, de belangrijkste energiedrager in biologische systemen. ATP wordt gesynthetiseerd tijdens cellulaire processen zoals glycolyse en oxidatieve fosforylering en levert energie voor diverse cellulaire functies, zoals spiercontractie en actief transport. | | NADH | Nicotinamide adenine dinucleotide (gereduceerde vorm), een belangrijke elektronendrager die wordt geproduceerd tijdens katabole reacties zoals glycolyse. NADH transporteert elektronen naar de elektronentransportketen waar hun energie wordt gebruikt om ATP te genereren. | | Pyruvaat | Een driekoolstofverbinding die het eindproduct is van de glycolyse. Pyruvaat kan verder worden gemetaboliseerd in de mitochondriën via aerobe ademhaling (omgezet tot acetyl-CoA) of anaeroob worden omgezet in lactaat of ethanol, afhankelijk van de cellulaire omstandigheden. | | Lactaat | Een organisch zuur dat wordt gevormd uit pyruvaat tijdens anaërobe metabolisme, met name onder omstandigheden van zuurstofgebrek. De omzetting van pyruvaat naar lactaat zorgt voor de regeneratie van NAD+, wat essentieel is voor het voortbestaan van de glycolyse. | | Aerobe oxidatie | Een reeks biochemische reacties, voornamelijk plaatsvindend in de mitochondriën, die glucose en andere brandstoffen volledig afbreken tot kooldioxide en water in aanwezigheid van zuurstof, waarbij een grote hoeveelheid ATP wordt geproduceerd. Dit omvat de citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus) en oxidatieve fosforylering. | | Anaërobe degradatie | Het afbreken van organische moleculen, zoals glucose, in afwezigheid van zuurstof. Glycolyse is een voorbeeld van anaërobe degradatie die leidt tot de vorming van pyruvaat. Verdere anaërobe paden kunnen leiden tot de vorming van lactaat of ethanol. | | Mit mitochondriën | Celorganellen die verantwoordelijk zijn voor cellulaire ademhaling en de productie van de meeste ATP-voorraden van de cel. Ze spelen een cruciale rol in de aerobe oxidatie van pyruvaat. | | Fructose | Een monosacharide die als zoetstof wordt gebruikt en ook in vruchten en honing voorkomt. Fructose kan via specifieke enzymatische stappen in de glycolyse worden geïntegreerd, wat kan leiden tot ATP-depletie in de lever bij bepaalde intoleranties. | | Galactose | Een monosacharide die een bestanddeel is van lactose (melksuiker). Galactose wordt in de cel omgezet tot glucose-6-fosfaat, een intermediair van de glycolyse, na een reeks enzymatische reacties. | | Hexokinase | Een enzym dat de eerste stap van de glycolyse katalyseert, namelijk de fosforylering van glucose tot glucose-6-fosfaat door gebruik te maken van ATP. Dit proces is energie-investerend en maakt glucose stabieler voor verdere reacties. | | Fosfofructokinase (PFK) | Een cruciaal enzym in de glycolyse dat fructose-6-fosfaat omzet in fructose-1,6-bisfosfaat. PFK is een belangrijk controlepunt en wordt allosterisch gereguleerd door moleculen zoals ATP en AMP, wat de snelheid van de glycolyse aanpast aan de energiebehoefte van de cel. | | Pyruvaatkinase (PK) | Een enzym dat de laatste stap van de glycolyse katalyseert, waarbij fosfoënolpyruvaat wordt omgezet in pyruvaat, met de productie van ATP. PK is een ander belangrijk regulatie-enzym en deficiënties kunnen leiden tot ernstige bloedaandoeningen zoals hemolytische anemie. | | (18F) FDG | Fluorodeoxyglucose, een radiofarmaceutische tracer gebruikt in Positron Emissie Tomografie (PET)-scans. Het is een analoog van glucose die snel wordt opgenomen door cellen met een hoge glycolytische activiteit, zoals kankercellen en hersenen, wat medische beeldvorming mogelijk maakt. | | Hemolytische anemie | Een aandoening waarbij rode bloedcellen sneller worden afgebroken dan ze kunnen worden geproduceerd. Dit kan worden veroorzaakt door deficiënties in enzymen van de glycolyse, zoals pyruvaatkinase, wat leidt tot een tekort aan ATP in rode bloedcellen en hun premature lysis. | | Acetylcoënzyme A (Acetyl-CoA) | Een molecuul dat wordt gevormd door de decarboxylering en koppeling van pyruvaat met coënzyme A. Acetyl-CoA is een belangrijke intermediair die de glycolyse verbindt met de citroenzuurcyclus, waar het wordt geoxideerd om aanzienlijke hoeveelheden ATP te genereren. |

# De citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus) en zijn reacties De citroenzuurcyclus, ook wel de Krebs-cyclus of de tri-carbonzuurcyclus genoemd, is een reeks chemische reacties die essentieel zijn voor de cellulaire ademhaling en plaatsvinden in de mitochondriale matrix. Het omvat de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat en de daaropvolgende cyclische omzetting van moleculen om energie te genereren [2](#page=2). ### 1.1 De plaats van de citroenzuurcyclus in de energiemetabolisme De citroenzuurcyclus volgt op de glycolyse, waarbij glucose wordt omgezet in pyruvaat. Pyruvaat wordt vervolgens getransporteerd naar de mitochondriën voor verdere metabolisering binnen de cyclus [2](#page=2). ### 1.2 De belangrijkste reacties van de citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus bestaat uit een reeks enzymatisch gekatalyseerde stappen die beginnen met de vorming van citraat en eindigen met de regeneratie van oxaalacetaat [10](#page=10) [3](#page=3). #### 1.2.1 Oxidatieve decarboxylering van pyruvaat tot acetyl-CoA De eerste belangrijke stap is de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat, gekatalyseerd door het pyruvaatdehydrogenase complex. Dit wordt beschouwd als de "committed step" van de cyclus. Hierbij wordt pyruvaat (een 3-koolstofmolecuul) omgezet in acetyl-CoA (een 2-koolstofmolecuul) met afsplitsing van een koolstofdioxide molecuul en reductie van NAD+ tot NADH. De reactie kan als volgt worden weergegeven [2](#page=2): $$ \text{Pyruvaat} + \text{CoA-SH} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ [2](#page=2). #### 1.2.2 Vorming van citraat Acetyl-CoA condenseert vervolgens met oxaalacetaat (een 4-koolstofmolecuul) om citraat (een 6-koolstofmolecuul) te vormen. Deze reactie wordt gekatalyseerd door citraatsynthase en is een aldolcondensatie, gevolgd door hydrolyse. De reactie is [3](#page=3): $$ \text{Acetyl-CoA} + \text{Oxaalacetaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Citraat} + \text{CoA-SH} $$ [3](#page=3). #### 1.2.3 Omzetting van citraat naar isocitraat Citraat wordt door het enzym aconitase omgezet in isocitraat via het intermediair cis-aconitaat. Dit proces omvat de dehydratatie van citraat en vervolgens rehydratatie om isocitraat te vormen [4](#page=4). $$ \text{Citraat} \leftrightarrow \text{cis-Aconitaat} + \text{H}_2\text{O} $$ [4](#page=4). $$ \text{cis-Aconitaat} + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{Isocitraat} $$ [4](#page=4). #### 1.2.4 Oxidatieve decarboxylering van isocitraat tot α-ketoglutaraat Isocitraat ondergaat een oxidatieve decarboxylering, gekatalyseerd door isocitraatdehydrogenase, waarbij het wordt omgezet in α-ketoglutaraat (een 5-koolstofmolecuul). Hierbij wordt opnieuw een CO2 molecuul afgesplitst en NAD+ gereduceerd tot NADH. De reactie is [5](#page=5): $$ \text{Isocitraat} + \text{NAD}^+ \rightarrow \alpha\text{-Ketoglutaraat} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ [5](#page=5). #### 1.2.5 Oxidatieve decarboxylering van α-ketoglutaraat tot succinyl-CoA α-ketoglutaraat wordt vervolgens, door het α-ketoglutaraat dehydrogenase complex, geoxideerd en gedecarboxyleerd tot succinyl-CoA (een 4-koolstofmolecuul). Ook hierbij komt CO2 vrij en wordt NAD+ gereduceerd tot NADH, terwijl CoA wordt gebonden. De reactie is [6](#page=6): $$ \alpha\text{-Ketoglutaraat} + \text{CoA-SH} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Succinyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ [6](#page=6). #### 1.2.6 Fosforylering van GDP tot GTP Succinyl-CoA wordt door het enzym succinyl-CoA synthetase omgezet in succinaat (een 4-koolstofmolecuul). Hierbij wordt de energierijke thioesterbinding van succinyl-CoA gebruikt om guanosinedifosfaat (GDP) te fosforyleren tot guanosinetrifosfaat (GTP), wat in wezen ATP-equivalent is. Er komt ook CoA-SH vrij en water. De reactie is [7](#page=7): $$ \text{Succinyl-CoA} + \text{GDP} + \text{Pi} \rightarrow \text{Succinaat} + \text{GTP} + \text{CoA-SH} $$ [7](#page=7). #### 1.2.7 Regeneratie van oxaalacetaat vanuit succinaat De laatste reeks reacties dient om oxaalacetaat te regenereren, zodat de cyclus opnieuw kan beginnen [10](#page=10). 1. **Succinaat naar fumaraat:** Succinaat wordt door succinaatdehydrogenase geoxideerd tot fumaraat (een 4-koolstofmolecuul). In tegenstelling tot de eerdere dehydrogenatiestappen, gebruikt dit enzym flavine-adenine-dinucleotide (FAD) als co-enzym in plaats van NAD+, omdat de standaard reductiepotentiaal (Eo') van NAD+ onvoldoende is voor deze reactie. Het succinaatdehydrogenase is direct gekoppeld aan de elektronentransportketen. De reactie is [10](#page=10) [9](#page=9): $$ \text{Succinaat} + \text{FAD} \rightarrow \text{Fumaraat} + \text{FADH}_2 $$ [10](#page=10). 2. **Fumaraat naar malaat:** Fumaraat wordt door fumarase gehydrateerd (water wordt toegevoegd) tot malaat (een 4-koolstofmolecuul). De reactie is [10](#page=10): $$ \text{Fumaraat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Malaat} $$ [10](#page=10). 3. **Malaat naar oxaalacetaat:** Malaat wordt door malaatdehydrogenase geoxideerd tot oxaalacetaat, waarbij NAD+ wordt gereduceerd tot NADH en H+. Hiermee is de cyclus voltooid en is oxaalacetaat weer beschikbaar voor de volgende ronde. De reactie is [10](#page=10): $$ \text{Malaat} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Oxaalacetaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ [10](#page=10). ### 1.3 Producten van de citroenzuurcyclus Per molecuul acetyl-CoA dat de cyclus binnenkomt, worden de volgende producten gevormd: * 2 moleculen CO2 [2](#page=2) [5](#page=5) [6](#page=6). * 3 moleculen NADH [10](#page=10) [2](#page=2) [5](#page=5) [6](#page=6). * 1 molecuul FADH2 [10](#page=10). * 1 molecuul GTP (equivalent aan ATP) [7](#page=7). De gevormde NADH en FADH2 zijn energierijke elektrondragers die hun elektronen afstaan aan de elektronentransportketen voor de productie van ATP via oxidatieve fosforylering [9](#page=9). --- # Balans en ATP-productie van de citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus resulteert netto in de productie van ATP, waarbij geoxideerde energiedragers (NADH en FADH2) essentieel zijn voor verdere ATP-synthese via de elektronentransportketen. ### 2.1 Netto balans van de citroenzuurcyclus De cyclus neemt twee koolstofatomen op in de vorm van acetyl-CoA en geeft twee koolstofatomen af als kooldioxide. Het is belangrijk op te merken dat de twee koolstofatomen die de cyclus binnenkomen niet noodzakelijkerwijs dezelfde zijn die eruit gaan [13](#page=13). Gedurende één volledige cyclus worden de volgende veranderingen waargenomen: * **Verbruikt:** * 2 watermoleculen [13](#page=13). * **Geproduceerd:** * 2 koolstofdioxidemoleculen (CO2) [13](#page=13). * 3 moleculen NAD+ worden gereduceerd tot NADH. Dit gebeurt in vier oxidatiereacties die waterstofatomen vrijgeven [13](#page=13). * 1 molecuul FAD wordt gereduceerd tot FADH2 [13](#page=13). * 1 molecuul GTP wordt gegenereerd [13](#page=13). #### 2.1.1 Rol van waterstof en oxidaties De H-atomen verlaten de cyclus via vier specifieke oxidatiereacties. De efficiëntie van de cyclus wordt mede bepaald door het aantal stappen, aangezien dit een betere oxidatie en daarmee meer ATP-rendement mogelijk maakt. De methylgroep is stabiel en moeilijk te oxideren, wat de noodzaak van meerdere stappen onderstreept [11](#page=11) [13](#page=13). ### 2.2 ATP-productie via NADH en FADH2 Hoewel zuurstof (O2) niet direct deelneemt aan de reacties van de citroenzuurcyclus zelf, is het cruciaal voor het regenereren van NAD+ en FAD. De NADH en FADH2 die in de cyclus worden geproduceerd, spelen een sleutelrol in de daaropvolgende ATP-productie [13](#page=13). Wanneer NADH en FADH2 worden geoxideerd, leveren zij elektronen aan de elektronentransportketen. Dit proces leidt uiteindelijk tot de synthese van ongeveer 11 ATP-moleculen per cyclus. Het maximaliseren van NADH-vorming, bijvoorbeeld door het efficiënt benutten van het aconitase-enzym, vertaalt zich direct in een hoger ATP-rendement [11](#page=11) [13](#page=13). > **Tip:** Onthoud dat de citroenzuurcyclus een centrale rol speelt in de metabole processen van de cel, niet alleen door de productie van reductie-equivalanten voor ATP-synthese, maar ook door het leveren van intermediairen voor biosynthetische routes. --- # Relatie van de citroenzuurcyclus met biosynthese en anaplerotische reacties Dit onderwerp verkent de rol van intermediairen uit de citroenzuurcyclus als precursors voor biosynthetische routes en de noodzaak van anaplerotische reacties om de cyclus aan te vullen. ### 3.1 De citroenzuurcyclus als bron voor biosynthese De citroenzuurcyclus is niet louter een afbraakroute, maar dient ook als een centrale hub voor de aanmaak van belangrijke biomoleculen. Verschillende intermediairen uit de cyclus worden onttrokken om te worden gebruikt in biosynthetische processen [21](#page=21). #### 3.1.1 Gebruik van specifieke intermediairen * **Oxaalacetaat:** Dit intermediair is cruciaal voor gluconeogenese, de synthese van glucose. Bovendien kan oxaalacetaat, via transaminatie met glutamaat, worden omgezet in aspartaat, een aminozuur [21](#page=21) [22](#page=22). * **$\alpha$-ketoglutaraat:** Vergelijkbaar met oxaalacetaat kan $\alpha$-ketoglutaraat door middel van transaminatie met glutamaat worden omgezet in glutamaat, een belangrijk aminozuur [22](#page=22). * **Succinyl-CoA:** Dit intermediair is een precursor voor de synthese van porfyrinen, essentiële componenten van onder andere hemoglobine en cytochromen [21](#page=21). #### 3.1.2 Transaminatiereacties Transaminatie is een sleutelreactie die de omzetting van keto-zuren uit de citroenzuurcyclus naar aminozuren mogelijk maakt. Hierbij wordt een aminozuur (vaak glutamaat) getransamineerd met een $\alpha$-ketozuur, waarbij het $\alpha$-ketozuur wordt omgezet in een aminozuur en het oorspronkelijke aminozuur wordt omgezet in een $\alpha$-ketozuur. > **Voorbeeld:** De reactie van oxaalacetaat met glutamaat levert aspartaat en $\alpha$-ketoglutaraat op: > > $oxaalacetaat + glutamaat \rightleftharpoons aspartaat + \alpha-ketoglutaraat$ [22](#page=22). ### 3.2 Anaplerotische reacties: het aanvullen van de cyclus Wanneer intermediairen van de citroenzuurcyclus in grote hoeveelheden worden onttrokken voor biosynthetische doeleinden, kan de concentratie van deze intermediairen afnemen, wat de voortgang van de cyclus kan belemmeren. Anaplerotische reacties (opvulreacties) zijn essentieel om deze intermediairen aan te vullen en de integriteit van de citroenzuurcyclus te handhaven [21](#page=21). #### 3.2.1 Belangrijke anaplerotische reacties Er zijn verschillende belangrijke anaplerotische reacties, waaronder: 1. **Omzetting van oxaalacetaat naar aspartaat (en omgekeerd):** Zoals reeds vermeld, kan oxaalacetaat worden omgezet in aspartaat. De omgekeerde reactie, de transaminatie van aspartaat met $\alpha$-ketoglutaraat, levert weer oxaalacetaat op [22](#page=22). > **Voorbeeld:** > > $aspartaat + \alpha-ketoglutaraat \rightleftharpoons oxaalacetaat + glutamaat$ [22](#page=22). 2. **Carboxylering van pyruvaat tot oxaalacetaat:** Dit is een cruciale reactie die pyruvaat, het eindproduct van de glycolyse, omzet in oxaalacetaat, een intermediair van de citroenzuurcyclus. Deze reactie vereist ATP en wordt gekatalyseerd door het enzym pyruvaatcarboxylase [23](#page=23). $$pyruvaat + CO_2 + ATP \xrightarrow{pyruvaatcarboxylase} oxaalacetaat + ADP + P_i$$ [23](#page=23). Deze reactie is energetisch ongunstig en wordt gedreven door de hydrolyse van ATP [23](#page=23). > **Tip:** Pyruvaatcarboxylase is een belangrijk enzym voor anaplerose, met name in de lever en nieren, waar het de gluconeogenese ondersteunt. 3. **Carboxylering van pyruvaat tot malaat, gevolgd door oxidatie tot oxaalacetaat:** Deze tweestapsreactie is ook een belangrijke anaplerotische route. Eerst wordt pyruvaat gecarboxyleerd met behulp van NADPH tot malaat. Vervolgens wordt malaat door het enzym malaatdehydrogenase geoxideerd tot oxaalacetaat, waarbij NAD+ wordt gereduceerd tot NADH [24](#page=24). $$pyruvaat + CO_2 + NADPH + H^+ \xrightarrow{malaat-analoog} malaat$$ [24](#page=24). $$malaat + NAD^+ \xrightarrow{malaatdehydrogenase} oxaalacetaat + NADH + H^+$$ [24](#page=24). Deze route is ook bekend als de malaat-route voor anaplerose [24](#page=24). --- # Controlemechanismen en de glyoxylaatcyclus Dit gedeelte behandelt de regulatie van de citroenzuurcyclus via enzymatische inhibitie en activatie, en introduceert de glyoxylaatcyclus die voorkomt in planten en bacteriën voor anabolische processen. ### 4.1 Regulatie van de citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus wordt nauwkeurig gereguleerd door een combinatie van allosterische activatie en inhibitie, vaak op basis van de energietoestand van de cel en de beschikbaarheid van substraten en producten [25](#page=25). #### 4.1.1 Enzymatische controlepunten Verschillende sleutelenzymen in de citroenzuurcyclus zijn onderworpen aan feedbackregulatie: * **Pyruvaatdehydrogenase (PDH):** Dit enzym, dat de omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA katalyseert, wordt geïnhibeerd door de producten van de cyclus: acetyl-CoA en NADH. Dit is een typisch voorbeeld van productinhibitie, waarbij hoge concentraties van eindproducten de snelheid van de reactie vertragen [25](#page=25). * **Citraatsynthase (CS):** Dit enzym wordt geremd door een hoge ATP-concentratie, wat aangeeft dat de cel voldoende energie heeft. Een hoge ATP-concentratie verhoogt de $K_M$ voor acetyl-CoA, waardoor het enzym minder efficiënt werkt. Daarentegen zijn lage $NAD^+$/$FAD$-verhoudingen (een signaal van een lage energielading in de cel) geen directe remmers, maar eerder indicatoren voor de celstatus [25](#page=25). * **Isocitraatdehydrogenase (ISDH):** Dit enzym is gevoelig voor de energietoestand van de cel. ATP fungeert als een allosterische inhibitor. Omgekeerd stimuleert ADP allosterisch isocitraatdehydrogenase, wat de substraataffiniteit verhoogt en de cyclus versnelt wanneer de cel meer energie nodig heeft. NADH is ook een inhibitor van dit enzym [25](#page=25). * **$\alpha$-ketoglutaraatdehydrogenase (KGDH):** Dit enzym vertoont gelijkenissen met pyruvaatdehydrogenase, inclusief de afhankelijkheid van dezelfde cofactoren, omdat het deel uitmaakt van een vergelijkbare enzymfamilie. Het wordt geremd door de reactieproducten, zoals succinyl-CoA en NADH, en ook door GTP [25](#page=25). > **Tip:** Onthoud dat veel van deze regulatiemechanismen gericht zijn op het balanceren van de energieproductie met de energiebehoefte van de cel. Hoge ATP-niveaus remmen de cyclus, terwijl lage ATP- of hoge ADP-niveaus de cyclus stimuleren. #### 4.1.2 Samenvatting van regulatiepunten De belangrijkste enzymen die de snelheid van de citroenzuurcyclus reguleren zijn: * Pyruvaatdehydrogenase [25](#page=25). * Citraatsynthase [25](#page=25). * Isocitraatdehydrogenase [25](#page=25). * $\alpha$-ketoglutaraatdehydrogenase [25](#page=25). ### 4.2 De glyoxylaatcyclus De glyoxylaatcyclus is een belangrijke metabolische route die voorkomt in planten, bacteriën en schimmels. Deze cyclus maakt het mogelijk om acetyl-CoA anabolisch te gebruiken voor de synthese van biomoleculen, met name koolhydraten. Het onderscheidt zich van de citroenzuurcyclus door het vermijden van de decarboxylatiestappen [27](#page=27) [28](#page=28). #### 4.2.1 Belangrijkste kenmerken en locatie * **Voorkomen:** Planten en bacteriën [27](#page=27). * **Functie:** Omzetting van acetyl-CoA in koolhydraten via intermediairen zoals succinaat en oxaalacetaat [28](#page=28) [30](#page=30). * **Locatie:** De glyoxylaatcyclus vindt plaats in de glyoxysomen gespecialiseerde peroxisomen [28](#page=28) [30](#page=30). #### 4.2.2 Reacties en verloop In de glyoxylaatcyclus wordt isocitraat niet verder gemetaboliseerd zoals in de citroenzuurcyclus. In plaats daarvan wordt het gesplitst door het enzym isocitraatlyase in succinaat en glyoxylaat [27](#page=27). 1. **Isocitraat splitsing:** Isocitraat wordt door isocitraatlyase omgezet in glyoxylaat en succinaat [27](#page=27). 2. **Glyoxylaat condensatie:** Glyoxylaat condenseert vervolgens met acetyl-CoA, gekatalyseerd door malaatsynthase, om malaat te vormen [27](#page=27). 3. **Malaat naar oxaalacetaat:** Malaat wordt tenslotte door malaatdehydrogenase geoxideerd tot oxaalacetaat [27](#page=27). > **Tip:** De sleutel tot de glyoxylaatcyclus is het enzym isocitraatlyase, dat de splitsing van isocitraat in tweeën mogelijk maakt en zo de citroenzuurcyclus omzeilt. Dit voorkomt het verlies van koolstofatomen als CO$_2$. #### 4.2.3 Energieproductie versus biosynthese Het isocitraat heeft twee mogelijke bestemmingen, afhankelijk van de energiebehoefte van de cel: * **Energie nodig (catabolisme):** Als de cel veel energie nodig heeft, ondergaat isocitraat de normale decarboxylatie- en NADH-producerende stappen van de citroenzuurcyclus [28](#page=28). * **Voldoende energie (anabolisme):** Als de cel voldoende energie heeft, wordt isocitraat gesplitst in succinaat en glyoxylaat via de glyoxylaatcyclus. Hierdoor kan acetyl-CoA worden omgezet in koolhydraten [28](#page=28) [30](#page=30). > **Example:** Een belangrijk gevolg van de glyoxylaatcyclus is dat planten vetzuren kunnen omzetten in glucose. Vetzuren worden afgebroken tot acetyl-CoA, dat vervolgens via de glyoxylaatcyclus wordt omgezet in koolhydraten. Dit is een proces dat niet plaatsvindt bij zoogdieren, die deze omzetting niet kunnen uitvoeren [28](#page=28) [30](#page=30). #### 4.2.4 Omzetting naar gluconeogenese Het gevormde malaat en oxaalacetaat kunnen worden omgezet in fosfoenolpyruvaat (PEP). PEP is een substraat voor PEPCK (fosfoenolpyruvaatcarboxykinase), een enzym dat betrokken is bij gluconeogenese, het proces van glucoseproductie vanuit niet-koolhydraatprecursoren. Dit faciliteert de effectieve omzetting van vetzuren in glucose in planten [30](#page=30). --- # Lokalisatie van de citroenzuurcyclus in de mitochondriën Dit onderwerp behandelt de specifieke locaties binnen de mitochondriën waar de enzymen van de citroenzuurcyclus zich bevinden, inclusief de matrix en de binnenste en buitenste membranen [31](#page=31). ### 5.1 De mitochondriën als compartimenten Mitochondriën bestaan uit verschillende compartimenten die elk een specifieke rol spelen in cellulaire processen, waaronder de citroenzuurcyclus. Deze compartimenten zijn de matrix, het binnenste membraan, het buitenste membraan en de intermembranaire ruimte [31](#page=31). #### 5.1.1 De mitochondriale matrix De meerderheid van de enzymen die betrokken zijn bij de citroenzuurcyclus is gelokaliseerd in de mitochondriale matrix. De matrix is de binnenste ruimte van het mitochondrion, omgeven door het binnenste membraan [31](#page=31). #### 5.1.2 De mitochondriale membranen * **Buitenste membraan:** Het buitenste membraan van het mitochondrion is relatief permeabel voor kleine moleculen en ionen. Dit komt door de aanwezigheid van porine-eiwitten [31](#page=31). * **Binnenste membraan:** In tegenstelling tot het buitenste membraan, is het binnenste membraan nagenoeg ondoordringbaar voor de meeste moleculen en ionen. Transport van specifieke moleculen over dit membraan vindt plaats via speciale "carrier"-eiwitten [31](#page=31). #### 5.1.3 De intermembranaire ruimte De intermembranaire ruimte bevindt zich tussen het binnenste en buitenste membraan van het mitochondrion. De samenstelling van de stoffen in deze ruimte kan verschillen van die in het cytosol en de matrix, afhankelijk van de permeabiliteit van de membranen [31](#page=31). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Citraatsyntase | Een enzym dat de condensatiereactie tussen acetyl-CoA en oxaalacetaat katalyseert om citraat te vormen, wat de eerste stap in de citroenzuurcyclus is. | | Oxidatieve decarboxylering | Een biochemisch proces waarbij een carbonylgroep (C=O) wordt verwijderd in de vorm van kooldioxide (CO2) en tegelijkertijd een oxidatie plaatsvindt, vaak leidend tot de vorming van NADH of FADH2. | | Pyruvaatdehydrogenase complex | Een multienzymcomplex dat de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat naar acetyl-CoA katalyseert, een cruciale overgangsreactie tussen glycolyse en de citroenzuurcyclus. | | Acetyl-CoA | Een molecuul dat een centrale rol speelt in het metabolisme, met name in de citroenzuurcyclus, door de twee koolstofatomen van de acetylgroep te leveren. | | Krebs-cyclus | Een andere naam voor de citroenzuurcyclus, een reeks chemische reacties die plaatsvinden in de mitochondriale matrix en essentieel is voor de cellulaire ademhaling en energieproductie. | | Anaplerotische reacties | Reacties die intermediairen van metabolische cycli, zoals de citroenzuurcyclus, aanvullen of vervangen die zijn verwijderd voor biosynthetische doeleinden. | | GTP (guanosinetrifosfaat) | Een hoogenergetisch molecuul dat vergelijkbaar is met ATP en wordt geproduceerd in de citroenzuurcyclus door substraatfosforylering, en dat kan worden omgezet naar ATP. | | FADH2 (gereduceerd flavine-adenine-dinucleotide) | Een elektronendrager die wordt geproduceerd tijdens de citroenzuurcyclus bij de oxidatie van succinaat tot fumaraten, en die elektronen levert aan de elektronentransportketen. | | NADH (gereduceerd nicotinamide-adenine-dinucleotide) | Een belangrijke elektronendrager die wordt gevormd bij meerdere oxidatiestappen in de citroenzuurcyclus en die cruciaal is voor ATP-productie via oxidatieve fosforylering. | | Glyoxylaatcyclus | Een metabolische route die voorkomt in planten, bacteriën en sommige schimmels, waarmee acetyl-CoA kan worden omgezet in koolhydraten zonder de decarboxylatiestappen van de citroenzuurcyclus. |

# Inleiding tot redoxreacties en reductiepotentialen Dit gedeelte introduceert de basisconcepten van redoxreacties, waarbij de rol van reductiepotentialen (E en Eo') en de beweging van elektronen wordt uitgelegd, met specifieke aandacht voor biologische contexten. ### 1.1 Basisconcepten van redoxreacties Redoxreacties omvatten de overdracht van elektronen, en soms ook protonen, van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt uitgedrukt in de reductiepotentiaal (E) [2](#page=2). #### 1.1.1 De standaard waterstofelektrode als referentie Het nulpunt voor reductiepotentialen wordt gedefinieerd door de halfreactie H⁺ + e⁻ ⇌ H, onder standaardomstandigheden (25°C, 1 atm druk, 1 M concentratie van H⁺) [2](#page=2). * Een negatieve reductiepotentiaal geeft aan dat de substantie een lagere affiniteit voor elektronen heeft dan H⁺ onder standaardomstandigheden [2](#page=2). * Een positieve reductiepotentiaal duidt op een hogere affiniteit voor elektronen dan H⁺ [2](#page=2). In een redoxreactie bewegen elektronen spontaan van een stof met een lagere reductiepotentiaal naar een stof met een hogere reductiepotentiaal [2](#page=2). #### 1.1.2 Biologische context: gestandaardiseerde reductiepotentialen (Eo') In biologische systemen wordt vaak gewerkt met gestandaardiseerde reductiepotentialen (Eo') in plaats van de standaard reductiepotentialen (Eo). Het belangrijkste verschil is dat de concentratie van H⁺ bij biologische metingen is ingesteld op $10^{-7}$ M, wat overeenkomt met een pH van 7 [3](#page=3). De Eo'-waarde voor de reactie H⁺ + e⁻ → H bij pH 7 is -0,42 V. Dit betekent dat de Eo'-waarde van reacties waarbij protonen betrokken zijn, 0,42 V lager is dan de overeenkomstige Eo-waarde [3](#page=3). > **Voorbeeld:** De reductie van ½O₂ tot H₂O heeft bij pH 0 een Eo van +1,23 V. Bij pH 7 wordt dit Eo' = +1,23 V - 0,42 V ≈ +0,82 V [3](#page=3). #### 1.1.3 Chlorofyl en fotosynthese Chlorofyl heeft een reductiepotentiaal van +0,9 V, wat aangeeft dat het een hogere affiniteit voor elektronen heeft dan water. Fotosynthese gebruikt water als bron van elektronen voor de synthese van koolhydraten via de Calvin-cyclus. De reactie waarbij water wordt geoxideerd tot zuurstof, protonen en elektronen is [4](#page=4): $$2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{H}^+ + 4\text{e}^- + \text{O}_2$$ De elektronen worden vervolgens gebruikt in de Calvin-cyclus: $$4\text{H}^+ + 4\text{e}^- + \text{CO}_2 \rightarrow \text{CH}_2\text{O} + \text{H}_2\text{O}$$ Fotosynthese produceert jaarlijks een aanzienlijke hoeveelheid biomassa [4](#page=4). ### 1.2 Energieopbrengst van redoxreacties #### 1.2.1 Berekening van potentiaalverschillen in redoxreacties Het totale verschil in gestandaardiseerde reductiepotentiaal (ΔEo') voor een redoxreactie wordt berekend als de som van de individuele reductiepotentialen van de betrokken halfreacties. Elektronen zullen altijd bewegen van de halfreactie met de lagere reductiepotentiaal naar die met de hogere reductiepotentiaal [5](#page=5). > **Voorbeeld:** De reductie van pyruvaat tot lactaat door NADH. > * NAD⁺ + 2H⁺ + 2e⁻ → NADH + H⁺ (Eo' = -0,32 V) > * Pyruvaat + 2H⁺ + 2e⁻ → Lactaat (Eo' = -0,19 V) > > Elektronen vloeien van het NAD⁺/NADH-paar naar het pyruvaat/lactaat-paar. De netto reactie is: > Pyruvaat + H⁺ + NADH → Lactaat + NAD⁺ > Het potentiaalverschil is: > $$ \Delta E_{o'} = E_{o'(\text{acceptor})} - E_{o'(\text{donor})} $$ > $$ \Delta E_{o'} = -0,19 \text{ V} - (-0,32 \text{ V}) = +0,13 \text{ V} $$ > Een positieve ΔEo' geeft aan dat de reactie spontaan in de aangegeven richting verloopt [5](#page=5). #### 1.2.2 Vrijgestelde energie (ΔG°') Het redoxpotentiaalverschil drijft het elektronentransport aan. De vrijgestelde energie die geassocieerd is met een redoxreactie kan worden berekend met de volgende formule [19](#page=19): $$ \Delta G^\circ' = -n \cdot F \cdot \Delta E_{o'} $$ Hierin is: * $ \Delta G^\circ' $ de verandering in gestandaardiseerde vrije energie. * $ n $ het aantal overgedragen elektronen. * $ F $ de Faraday constante (23,06 kcal mol⁻¹ V⁻¹) [6](#page=6). Een positieve ΔEo' resulteert in een negatieve ΔG°', wat wijst op een spontane reactie die energie vrijgeeft [6](#page=6). > **Voorbeeld:** De oxidatie van NADH door O₂. > * Halfreactie: NAD⁺ + 2H⁺ + 2e⁻ → NADH + H⁺ (Eo' = -0,32 V) [1](#page=1). > * Halfreactie: ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O (Eo' = +0,82 V) [2](#page=2). > > De netto reactie is: NADH + H⁺ + ½O₂ → NAD⁺ + H₂O > Het potentiaalverschil is: > $$ \Delta E_{o'} = +0,82 \text{ V} - (-0,32 \text{ V}) = 1,14 \text{ V} $$ > De vrijgekomen energie is: > $$ \Delta G^\circ' = -2 \cdot 23,06 \text{ kcal mol}^{-1} \text{ V}^{-1} \cdot 1,14 \text{ V} = -52,58 \text{ kcal mol}^{-1} $$ > Dit illustreert dat de oxidatie van NADH door zuurstof een aanzienlijke hoeveelheid energie vrijgeeft [6](#page=6). --- # Oxidatieve fosforylatie en de elektronentransportketen Oxidatieve fosforylatie is het proces waarbij energie uit de elektronentransportketen wordt gebruikt om ATP te synthetiseren, met de mitochondriale elektronentransportketen als centraal onderdeel [7](#page=7). ### 2.1 Het proces van oxidatieve fosforylatie Oxidatieve fosforylatie maakt gebruik van de energie die vrijkomt bij de beweging van elektronen langs een elektronentransportketen (ETK) om ATP te produceren. Deze elektronen worden oorspronkelijk geleverd door moleculen zoals NADH en FADH2, die ontstaan tijdens processen als glycolyse, de citroenzuurcyclus en vetzuuroxidatie. De uiteindelijke acceptor van de elektronen in deze keten is zuurstof (O2), waarbij de overdracht van elektronen naar O2 een aanzienlijke hoeveelheid energie vrijmaakt die de regeneratie van NADH mogelijk maakt. Dit gehele proces vindt plaats in het binnenste membraan van het mitochondrion [7](#page=7). ### 2.2 De mitochondriale elektronentransportketen (ETK) De ETK bestaat uit een reeks complexe eiwitten en moleculen die in het binnenste mitochondriale membraan zijn ingebed. De belangrijkste componenten zijn flavine-gekoppelde dehydrogenasen, ijzer-zwavel-eiwitten en cytochromen. De keten omvat de volgende complexe structuren [7](#page=7): * **Complex I: NADH-dehydrogenase-complex** [8](#page=8) [9](#page=9). * **Ubichinon (CoQ)**: Een mobiele elektronendrager [10](#page=10) [8](#page=8). * **Complex II: b-c1-cytochroomreductase-complex** [11](#page=11) [8](#page=8). * **Cytochroom c**: Een mobiele elektronendrager [12](#page=12) [8](#page=8). * **Complex III: a-a3-cytochroomoxidase-complex** [12](#page=12) [8](#page=8). #### 2.2.1 Functionering van de complexen 1. **Het NADH-dehydrogenase-complex (Complex I)** Dit complex, met een massa van ongeveer 1 MDa, is samengesteld uit ongeveer 40 polypeptideketens. Het ontvangt twee elektronen en twee protonen van NADH en FMN (flavine mononucleotide). De elektronen worden vervolgens doorgegeven aan ijzer-zwavel (Fe-S) centra, waarbij ijzer in de Fe3+ vorm wordt gereduceerd tot Fe2+. De reactie kan als volgt worden weergegeven [9](#page=9): `NADH + FMN + H+ ⇌ FMNH2 + NAD+` [9](#page=9). `FMNH2 + 2e– Fe3+–S ⇌ 2 H+ + FMN + 2e– Fe2+–S` [9](#page=9). FMN geeft de elektronen één voor één af aan de FeS-centra [9](#page=9). 2. **Ubichinon (Coënzym Q of CoQ)** Ubichinon is een lipofiel molecuul dat vrij kan diffunderen binnen het binnenste membraan. Het fungeert als de terminale elektronacceptor voor Complex I en ontvangt twee elektronen van de Fe-S centra. Ubichinon is ook de elektronacceptor voor elektronen afkomstig van FADH2, dat wordt gegenereerd door succinaatdehydrogenase. De reductie van ubichinon tot ubichinol (CoQH2) omvat de opname van elektronen en protonen [10](#page=10) [11](#page=11): `2e– Fe2+ + CoQ + 2 H+ ⇌ 2 CoQH2 + 2e– Fe3+` [10](#page=10). De structuur van ubichinon bestaat uit een kinonring met twee methylgroepen, twee methoxygroepen en een hydrofobe koolwaterstofketen, meestal bestaande uit 10 isopreen-eenheden (de R-groep) [10](#page=10). > **Tip:** Ubichinon wordt ook wel coënzym Q genoemd en speelt een cruciale rol als mobiele shuttle voor elektronen en protonen binnen het membraan [10](#page=10). 3. **Cytochroomreductase-complex (b-c1-complex)** Dit complex bestaat uit 11 polypeptideketens en vormt een dimeer met een massa van ongeveer 500.000 Da. Elk monomeer bevat drie cytochroom-gebonden haemgroepen en één ijzer-zwavel-eiwit. Het neemt elektronen over van CoQH2 en geeft deze door aan cytochroom c. Cytochroom b bevat dezelfde haemgroep als hemoglobine. De reacties omvatten [11](#page=11): `CoQH2 + 2 cyt b Fe3+ ⇌ CoQ + 2H+ + 2 cyt b Fe2+` [11](#page=11). `2 cyt b Fe2+ + 2 cyt c1 Fe3+ ⇌ 2 cyt b Fe3+ + 2 cyt c1 Fe2+` [11](#page=11). 4. **Cytochroom c** Cytochroom c is een mobiele drager met een covalente haem-groep. Het transporteert elektronen van het b-c1-complex naar het cytochroomoxidase-complex [12](#page=12). `2 cyt c1 Fe2+ + 2 cyt c Fe3+ ⇌ 2 cyt c1 Fe3+ + 2 cyt c Fe2+` [12](#page=12). 5. **Cytochroomoxidase-complex (a-a3-cytochroomoxidase)** Dit complex, ook wel cytochroom a-a3 genoemd, bestaat uit 13 polypeptideketens en vormt een dimeer met een massa van 400.000 Da. Elk monomeer bevat twee cytochromen (a en a3) en twee koperatomen. Het complex neemt elektronen van cytochroom c en draagt ze over aan zuurstof (O2), de uiteindelijke elektronacceptor. De reacties zijn [12](#page=12): `2 cyt c Fe2+ + 2 cyt a Fe3+ ⇌ 2 cyt c Fe3+ + 2 cyt a Fe2+` [12](#page=12). `2 cyt a3 Fe3+ + 2 cyt a Fe2+ ⇌ 2 cyt a3 Fe2+ + 2 cyt a Fe3+` [12](#page=12). `2 cyt a3 Fe2+ + ½ O2 + 2H+ ⇌ 2 cyt a3 Fe3+ + H2O` [12](#page=12). > **Tip:** Zuurstof wordt gereduceerd tot water in het laatste stadium van de elektronentransportketen. Dit proces is essentieel voor de aerobe dissimilatie [12](#page=12). ### 2.3 Energievrijgave en protonentranslocatie De passage van elektronen door de elektronentransportketen is gekoppeld aan de translocatie van protonen (H+) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte. Deze protonenpompen vinden plaats bij specifieke complexen in de keten [21](#page=21) [7](#page=7): 1. **NADH-dehydrogenase-complex (Complex I)**: Pompt protonen [21](#page=21) [7](#page=7). `FMNH2 + 2e– Fe3+ ⇌ FMN + 2H+ + 2e– Fe2+` [21](#page=21). 2. **Ubichinon (CoQ)**: De reductie van CoQ door cytochroom b-achtige componenten leidt ook tot protonenpumping [10](#page=10) [21](#page=21). `CoQH2 + 2 cyt b Fe3+ ⇌ 2H+ + CoQ + 2 cyt b Fe2+` [21](#page=21). 3. **Cytochroom-c-oxidase (Complex III)**: Dit complex is eveneens betrokken bij protonentranslocatie [21](#page=21) [7](#page=7). De opbouw van een protonengradiënt (transmembraanpotentiaal) over het binnenste mitochondriale membraan is een direct gevolg van deze protonentranslocatie. De terugvloei van deze protonen van de intermembranaire ruimte naar de mitochondriale matrix via ATP-synthase is de drijvende kracht achter de ATP-synthese [7](#page=7). ### 2.4 De rol van zuurstof en de vorming van reactieve zuurstofsoorten Zuurstof is de ultieme acceptor van elektronen in de elektronentransportketen. Bij de reactie `O2 + 4 e- ⇌ 2 O2-` kan het superoxide-anion worden gevormd. Hoewel dit product niet per se gevaarlijk is kan de vorming van het giftige superoxide-anion (O2⁻), het peroxide-anion (O2²⁻), waterstofperoxide (H2O2) of hydroxylradicalen (OH•) optreden. Deze reactieve intermediairen blijven doorgaans gebonden op de cytochromen [12](#page=12) [16](#page=16) [7](#page=7). > **Example:** Cyaniden en aziden zijn bekende inhibitoren van de elektronentransportketen, specifiek door interactie met cytochroom c-oxidase [12](#page=12). ### 2.5 Energiebalans De totale energie die vrijkomt bij de oxidatie van NADH tot NAD+ en H2O bedraagt ongeveer -52,6 kilocalorieën per mol (-52,6 kcal/mol). Deze energie wordt efficiënt omgezet in een elektrochemische gradiënt, die vervolgens wordt gebruikt voor de synthese van ATP [7](#page=7). --- # Protonengradiënt en ATP-synthese De passage van elektronen door de elektronentransportketen leidt tot de vorming van een protonengradiënt over het mitochondriale membraan, welke vervolgens door ATP-synthase wordt benut om ATP te produceren [23](#page=23). ### 3.1 De vorming van de protonengradiënt De elektronentransportketen pompt protonen (H+) van de mitochondriale matrix naar de intermembraanruimte. Dit proces genereert een elektrochemische gradiënt over het binnenste mitochondriale membraan. Deze gradiënt heeft twee componenten [23](#page=23) [24](#page=24): 1. **pH-gradiënt:** De concentratie van protonen is hoger in de intermembraanruimte dan in de matrix, wat resulteert in een lagere pH (zuurdere omgeving) in de intermembraanruimte [23](#page=23). 2. **Membraanpotentiaal:** Het binnenste mitochondriale membraan wordt geladen, met een positieve lading aan de buitenkant (intermembraanruimte) en een negatieve lading aan de binnenkant (matrix) [23](#page=23). Deze gecombineerde gradiënt, de elektrochemische protonengradiënt, vertegenwoordigt opgeslagen potentiële energie, ook wel de protonendrijvende kracht genoemd. Deze energie wordt niet alleen gebruikt voor ATP-synthese, maar ook voor het transport van metabolieten over het membraan [24](#page=24). ### 3.2 ATP-synthase: het enzym voor ATP-productie ATP-synthase is een complex enzym dat verantwoordelijk is voor de synthese van ATP, gebruikmakend van de energie van de protonengradiënt. Het enzym, ook bekend als F0F1 ATPase of H+-ATPase, bestaat uit twee hoofdcomponenten [25](#page=25): * **F1-component:** Dit is het sferische, op de matrix gerichte deel van het complex en bevat de katalytische sites voor ATP-synthese. De F1-component bestaat uit subeenheden: 3 $\alpha$-eenheden, 3 $\beta$-eenheden, en een centrale $\gamma$-eenheid, samen met $\delta$- en $\epsilon$-eenheden [25](#page=25) [26](#page=26). * **F0-component:** Dit is een hydrofobe membraancomponent die verankerd is in het binnenste mitochondriale membraan en dienst doet als kanaal voor protonen. De F0-component is opgebouwd uit een $\alpha$-eenheid, twee $\beta$-eenheden, en 9 tot 12 $\textit{c}$-eenheden, en is gevoelig voor het antibioticum oligomycine [25](#page=25) [26](#page=26). ### 3.3 Het werkingsmechanisme van ATP-synthase ATP-synthase werkt als een moleculaire machine waarbij de stroom van protonen door de F0-component rotatie in gang zet, wat leidt tot ATP-synthese in de F1-component [27](#page=27). * **Rotor:** De roterende delen van het enzym zijn de $\textit{c}$-ring (9-12 eenheden) in de F0-component, en de centrale $\gamma$-eenheid en de $\epsilon$-eenheid die daaraan vastzitten [27](#page=27). * **Stator:** De stationaire delen omvatten de $\alpha$- en $\beta$-eenheden in de F1-component, de $\alpha$-eenheid en $\beta$-eenheden in de F0-component, en de $\delta$-eenheid [27](#page=27). Het mechanisme verloopt als volgt [27](#page=27): 1. **Protonenstroom:** Protonen stromen vanuit de intermembraanruimte door een kanaal tussen de $\alpha$-eenheid van F0 en de $\textit{c}$-ring van F0 [27](#page=27). 2. **Rotatie:** De protonenstroom zorgt ervoor dat de $\textit{c}$-ring roteert ten opzichte van de stationaire $\alpha$-eenheid van F0 [27](#page=27). 3. **Overdracht van rotatie:** De $\gamma$-eenheid, die als een as door het centrum van de F1-component steekt en verbonden is met de $\textit{c}$-ring, roteert mee [27](#page=27). 4. **Conformatieverandering:** De asymmetrische $\gamma$-eenheid oefent druk uit op de 3 $\alpha$/$\beta$-subeenheden van de F1-component, waardoor deze subeenheden van conformatie veranderen [27](#page=27). 5. **ATP-synthese:** Elke $\alpha$/$\beta$-eenheid kan drie verschillende conformationele toestanden aannemen: * **Open (O):** Lage affiniteit voor substraten, laat gevormd ATP los. * **Half gesloten (L = ‘loose’):** Bindt ADP en $\text{P}_\text{i}$ losjes. * **Gesloten (T = ‘tight’):** Bindt ADP en $\text{P}_\text{i}$ stevig, katalyseert de vorming van ATP. De continue rotatie van de $\gamma$-eenheid zorgt voor cyclische veranderingen van de conformationele toestanden van de $\alpha$/$\beta$-subeenheden, waardoor ADP en $\text{P}_\text{i}$ herhaaldelijk worden gebonden, omgezet in ATP, en het gevormde ATP wordt vrijgegeven (#page=27, 28). De energie van de protonenstroom drijft deze cycli van binding, katalyse en vrijgave aan. De totale reactie is: ADP + $\text{P}_\text{i}$ $\xrightarrow{\text{ATP synthase}}$ ATP + $\text{H}_2\text{O}$ [27](#page=27) [28](#page=28). --- # Ontkoppeling en controle van oxidatieve fosforylatie Dit hoofdstuk behandelt de ontkoppeling van oxidatie en fosforylatie, de rol van specifieke eiwitten zoals thermogenine, en de controlemechanismen die de oxidatieve fosforylatie reguleren, inclusief de invloed van ADP en O2. ### 4.1 Ontkoppeling van oxidatie en fosforylatie Oxidatieve fosforylatie is normaal gesproken een gekoppeld proces waarbij de energiestroom van elektronentransport wordt gebruikt om ATP te synthetiseren. Ontkoppeling treedt op wanneer deze koppeling verbroken wordt [32](#page=32). #### 4.1.1 Chemische ontkoppeling Chemische ontkoppeling kan worden geïnduceerd door stoffen die de protonengradiënt over het binnenmembraan van de mitochondriën tenietdoen [32](#page=32). * **2,4-dinitrofenol (DNP)**: Dit is een zwak zuur en lipofiele stof die protonen kan transporteren over het membraan. Hierdoor wordt de H+-gradiënt verlaagd, wat leidt tot een verminderde stroom van protonen door ATP-synthase en dus geen ATP-synthese. Het elektronentransport zelf verloopt echter normaal [32](#page=32). #### 4.1.2 Thermische ontkoppeling Ontkoppeling kan ook leiden tot warmteproductie. * **Thermogenine**: Dit is een specifiek ontkoppelingseiwit dat voorkomt in bruin vetweefsel. Thermogenine maakt de membraan permeabeler voor protonen, waardoor ze terugstromen naar de matrix zonder via ATP-synthase te gaan. Dit proces genereert warmte in plaats van ATP [33](#page=33). * Activatie van thermogenine geschiedt door stijgende vetzuurconcentraties en noradrenaline [33](#page=33). * UCP-1, UCP-2 en UCP-3 zijn de namen van deze ontkoppelende eiwitten. Ze worden gestimuleerd door vrije vetzuren en geïnhibeerd door ATP en ADP [33](#page=33). * **Therapie voor obesitas**: Het potentieel van ontkoppelingseiwitten als therapie voor obesitas wordt onderzocht [33](#page=33). ### 4.2 Controle op de respiratoire keten De snelheid van het elektronentransport, en daarmee de oxidatieve fosforylatie, wordt gereguleerd door verschillende factoren. #### 4.2.1 Verschil in ATP-opbrengst door elektronendonoren De hoeveelheid ATP die wordt geproduceerd, hangt af van de elektronendonor die de respiratoire keten binnenkomt [34](#page=34). * **Mitochondriaal NADH**: Elektronen afkomstig van NADH dat in de mitochondriën wordt gevormd (bijvoorbeeld uit pyruvaat, isocitraat, $\alpha$-ketoglutaraat, malaat, $\beta$-hydroxybutyraat, of $\beta$-hydroxy-CoA) treden de respiratoire keten binnen via het NADH-dehydrogenase complex. Dit leidt tot de vorming van ongeveer 3 ATP-moleculen per NADH [34](#page=34). * **FADH2-elektronen**: Elektronen van FADH2, acyl-CoA en glycerol 3-fosfaat kunnen niet dezelfde route nemen als die van mitochondriaal NADH. Succinaat-dehydrogenase, dat deel uitmaakt van het succinaat-Q-reductase complex, is de toegangspoort voor FADH2-elektronen. Omdat dit complex één "H+-pomp" minder activeert, leidt de oxidatie van FADH2 tot de vorming van slechts 2 ATP-moleculen in plaats van 3 [34](#page=34). #### 4.2.2 Cytoplasmatisch NADH en pendelsystemen Cytoplasmatisch NADH kan het mitochondriale membraan niet direct passeren en heeft daarom pendelsystemen nodig om zijn elektronen af te geven [35](#page=35). * **Glycerol-3-fosfaat shuttle**: Dit systeem maakt gebruik van een "carrier" eiwit [35](#page=35). 1. Cytoplasmatisch NADH reduceert dihydroxyacetonfosfaat (DHAP) tot glycerol-3-fosfaat. 2. Glycerol-3-fosfaat geeft zijn elektronen af aan FAD-gebonden enzymen (EFC-FAD) in het binnenmembraan van de mitochondriën, die de elektronen vervolgens doorgeven aan ubiquinon [35](#page=35). * Als gevolg hiervan worden er slechts 2 ATP-moleculen gevormd uit cytosolisch NADH via dit systeem. Dit systeem kan echter werken tegen een NADH-concentratiegradiënt in [35](#page=35). * **Malaat-aspartaat shuttle**: Dit systeem wordt aangetroffen in het hart en de lever. Het zet cytosolisch NADH om in mitochondriaal NADH via een cyclus die malaat en aspartaat gebruikt, waarbij oxaalacetaat als tussenproduct fungeert. Het overbruggen van het probleem van de niet-bestaande transporter voor oxaalacetaat gebeurt via transaminatie. Dit systeem zet cytosolisch NADH om in mitochondriaal NADH zonder tegen de concentratiegradiënt in te werken [36](#page=36). #### 4.2.3 Eindbalans van ATP-productie De totale energiestroom bij de volledige oxidatie van glucose is aanzienlijk. * De standaard Gibbs vrije energie verandering ($\Delta G^{\circ \prime}$) voor de volledige oxidatie van glucose is ongeveer -686 kcal/mol [37](#page=37). * De synthese van 36 ATP-moleculen vereist ongeveer -7,3 kcal/mol per ATP, wat neerkomt op -263 kcal/mol (-7,3 \times 36) [37](#page=37). * Dit resulteert in een rendement van ongeveer 38% (circa -263 / -686) [37](#page=37). * In het hart en de lever, waar het malaat-aspartaat shuttle systeem actief is, worden 38 moleculen ATP gevormd [37](#page=37). #### 4.2.4 Het ATP-ADP translocase Het transport van ATP en ADP over het binnenste mitochondriale membraan is cruciaal voor de energiestofwisseling [38](#page=38). * ATP en ADP kunnen niet vrij door het mitochondriale membraan diffunderen [38](#page=38). * Het ATP/ADP-translocase eiwit faciliteert de uitwisseling van ADP uit het cytoplasma (ADP$_{c}^{3-}$) voor ATP uit de mitochondriale matrix (ATP$_{m}^{4-}$). De reactie is als volgt: ADP$_{c}^{3-}$ + ATP$_{m}^{4-}$ $\rightleftharpoons$ ATP$_{c}^{4-}$ + ADP$_{m}^{3-}$ [38](#page=38). #### 4.2.5 Transport van ionen en metabolieten Naast nucleotiden worden ook andere ionen en metabolieten via specifieke transporters over het binnenste mitochondriale membraan getransporteerd [39](#page=39). * Op het binnenste membraan bevinden zich diverse carriers of transporters [39](#page=39). * Ook voor calciumtransport zijn specifieke systemen aanwezig [39](#page=39). ### 4.3 Controle van de oxidatieve fosforylatie De koppeling tussen elektronentransport en oxidatieve fosforylatie biedt belangrijke controlepunten. * **Regulerende factoren**: De oxidatieve fosforylatie wordt gecontroleerd door de beschikbaarheid van NADH, O2, ADP en Pi [41](#page=41). * **Respiratoire controle**: De concentratie van ADP speelt een sleutelrol in de regulatie van de oxidatieve fosforylatie. Een hogere concentratie ADP leidt tot een snellere elektronentransport en daardoor tot een hogere ATP-productie [41](#page=41). * **Allostere regulatie**: De ADP/ATP-ratio fungeert als allostere regulator voor verschillende enzymen in de glycolyse, de Krebs-cyclus en de $\beta$-oxidatie. Dit zorgt ervoor dat de elektronentransportketen nauw verbonden is met de energietoestand van de cel [41](#page=41). ### 4.4 Cytochroom P450 Cytochroom P450-enzymen zijn betrokken bij elektronentransportketens in de lever, zowel in mitochondriën als in microsomen [42](#page=42). * **Functie**: Deze enzymen produceren geen ATP, maar zijn betrokken bij hydroxylatiereacties. Ze spelen een rol bij de omzetting van steroïden, prostaglandinen, leukotriënen, en xenobiotische stoffen zoals medicijnen en toxische chemicaliën [42](#page=42). * **Mono-oxygenasen**: Cytochroom P450-enzymen zijn mono-oxygenasen die substraten wateroplosbaarder maken [42](#page=42). * **Elektronenbron**: NADPH dient als de elektronendonor voor deze reacties [42](#page=42). ### 4.5 Bacterieel elektronentransport Bacteriën vertonen diverse vormen van elektronentransport, met name onder anaërobe omstandigheden [43](#page=43). * **Alternatieve acceptoren**: In plaats van zuurstof als eindacceptor, gebruiken bacteriën diverse andere verbindingen, zoals zwavel (S/H2S), nitraat (NO3-/NO2-), sulfaat (SO42-/H2S) en andere anaërobe substraten [43](#page=43). * **Aerobe vs. anaërobe processen**: Wanneer zuurstof als finale elektronenacceptor fungeert (aerobe omstandigheden), is de energieopbrengst doorgaans hoger dan onder anaërobe omstandigheden [43](#page=43). * **Extreme omstandigheden**: Bacterieel elektronentransport kan zelfs plaatsvinden onder extreme omstandigheden, zoals in de aanwezigheid van arseen [43](#page=43). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Redoxreactie | Een chemische reactie waarbij elektronen worden overgedragen tussen moleculen, wat resulteert in een verandering in oxidatietoestanden. Deze reacties omvatten zowel oxidatie (verlies van elektronen) als reductie (winst van elektronen). | | Reductiepotentiaal (E) | Een maat voor de neiging van een chemische soort om elektronen op te nemen en te worden gereduceerd. Een hogere (meer positieve) reductiepotentiaal geeft aan dat een stof een grotere affiniteit voor elektronen heeft dan een stof met een lagere (meer negatieve) potentiaal. | | Eo' | De standaard reductiepotentiaal onder biologische omstandigheden, waarbij de concentratie van H+ is ingesteld op $10^{-7}$ M (pH 7) en de concentratie van alle andere opgeloste stoffen 1 M is. Dit is relevant voor biochemische reacties in levende organismen. | | Oxidatieve fosforylatie | Het metabole proces waarbij ATP wordt gesynthetiseerd door de energie die vrijkomt bij de oxidatie van voedingsstoffen, met name via de elektronentransportketen in de mitochondriën. Dit proces vereist zuurstof als terminale elektronenacceptor. | | Elektronentransportketen (ETK) | Een reeks eiwitcomplexen in het binnenste mitochondriale membraan die opeenvolgend elektronen accepteren en afgeven. De energie die vrijkomt bij deze elektronentransfer wordt gebruikt om protonen (H+) naar de intermembranaire ruimte te pompen. | | NADH | Nicotinamide adenine dinucleotide, een belangrijke elektronendrager in de cel. Het wordt gevormd tijdens glycolyse en de citroenzuurcyclus en draagt elektronen naar de elektronentransportketen. | | FADH2 | Flavin adenine dinucleotide, een andere belangrijke elektronendrager die elektronen levert aan de elektronentransportketen, voornamelijk vanuit de succinaatdehydrogenase-reactie. | | Ubichinon (CoQ) | Een kleine, lipofiele molecule die fungeert als een mobiele elektronendrager in de elektronentransportketen. Het accepteert elektronen van complex I en II en transporteert ze naar complex III. | | Cytochromen | Een groep eiwitten die een heemgroep bevatten en betrokken zijn bij elektronentransport. Ze variëren in hun reductiepotentialen en zijn essentieel voor de geleidelijke energie-extractie in de ETK. | | Protonengradiënt | Een verschil in concentratie en elektrisch potentiaal van protonen (H+) over een membraan, in het bijzonder het binnenste mitochondriale membraan. Dit wordt opgebouwd door protonenpompen tijdens elektronentransport. | | ATP-synthase | Een enzymcomplex dat zich in het binnenste mitochondriale membraan bevindt en verantwoordelijk is voor de synthese van ATP. Het maakt gebruik van de energie van de protonengradiënt om ADP en Pi te fosforyleren tot ATP. | | Ontkoppeling | Een proces waarbij de koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese wordt verbroken. Ontkoppelingseiwitten, zoals thermogenine, maken de protonengradiënt direct toegankelijk, waardoor warmte wordt gegenereerd in plaats van ATP. | | Respiratoire controle | Het fenomeen waarbij de snelheid van elektronentransport en oxidatieve fosforylatie wordt gereguleerd door de beschikbaarheid van substraten en de energievraag van de cel, voornamelijk beïnvloed door de concentraties van ADP, Pi en O2. | | Thermogenine | Een ontkoppelingseiwit dat voorkomt in bruin vetweefsel en de protonengradiënt over het mitochondriale membraan doorlaat, wat resulteert in warmteproductie. Dit is een belangrijke functie voor thermoregulatie bij zoogdieren. |

# De pentosefosfaatroute: algemene functies en intermediairen De pentosefosfaatroute (PFR), ook bekend als de fosfogluconaatweg of de hexosemonofosfaattak, speelt een cruciale rol in het metabolisme door de productie van NADPH voor reductieve biosynthetische processen en ribose-5-fosfaat voor de synthese van nucleotiden en nucleïnezuren. ### 1.1 Algemene functies van de pentosefosfaatroute De PFR is een metabole route die enzymen bevat die voornamelijk in het cytosol van cellen gelokaliseerd zijn. De route heeft twee hoofddoelen: * **Productie van NADPH:** NADPH is een essentiële cofactor voor veel reductieve biosynthetische reacties, zoals de synthese van vetzuren, cholesterol en steroïden. Het speelt ook een belangrijke rol bij het handhaven van de redoxbalans en het beschermen van cellen tegen oxidatieve schade. * **Productie van ribose-5-fosfaat:** Dit pentosefosfaat is een directe precursor voor de synthese van nucleotiden en nucleïnezuren (RNA en DNA). Het is ook een component van belangrijke co-enzymen zoals ATP, CoA, NAD en FAD. Daarnaast faciliteert de PFR de interconversie van suikers met drie, vier, zes en zeven koolstofatomen (C3, C4, C6 en C7). Sommige van deze intermediairen kunnen vervolgens de glycolyse binnentreden, wat de PFR koppelt aan andere koolhydraatmetabolische routes. ### 1.2 De oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute De oxidatieve tak van de PFR is verantwoordelijk voor de productie van NADPH en omvat een reeks irreversibele reacties die beginnen met glucose-6-fosfaat. #### 1.2.1 Glucose-6-fosfaat dehydrogenase De eerste en snelheidsbepalende stap is de oxidatie van glucose-6-fosfaat tot 6-fosfoglucono-δ-lacton. Dit enzym, glucose-6-fosfaat dehydrogenase, heeft een veel hogere affiniteit voor NADP$^{+}$ dan voor NAD. $$ \text{Glucose-6-fosfaat} + \text{NADP}^+ \longrightarrow \text{6-fosfoglucono-δ-lacton} + \text{NADPH} + \text{H}^+ $$ #### 1.2.2 6-fosfogluconaat dehydrogenase Het gevormde 6-fosfoglucono-δ-lacton wordt vervolgens gehydrolyseerd tot 6-fosfogluconaat. Vervolgens vindt een oxidatieve decarboxylering plaats, gekatalyseerd door 6-fosfogluconaat dehydrogenase, waarbij een tweede molecule NADPH en CO$_{2}$ worden geproduceerd, resulterend in ribulose-5-fosfaat. $$ \text{6-fosfogluconaat} + \text{NADP}^+ \longrightarrow \text{ribulose-5-fosfaat} + \text{NADPH} + \text{CO}_2 + \text{H}^+ $$ > **Tip:** De oxidatieve tak van de PFR genereert dus twee moleculen NADPH per molecule glucose-6-fosfaat. ### 1.3 De niet-oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute De niet-oxidatieve tak is verantwoordelijk voor de omzetting van pentosefosfaten (zoals ribulose-5-fosfaat) naar intermediairen die kunnen worden ingevoegd in de glycolyse, zoals fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Deze tak omvat ook de productie van ribose-5-fosfaat en erythrose-4-fosfaat. De sleutelenzymen in deze tak zijn transketolase en transaldolase. #### 1.3.1 Isomerisatie en epimerisatie van ribulose-5-fosfaat Ribulose-5-fosfaat kan worden omgezet in ribose-5-fosfaat door een ketose-aldose isomerisatie, gekatalyseerd door fosfopentose isomerase. $$ \text{ribulose-5-fosfaat} \rightleftharpoons \text{ribose-5-fosfaat} $$ Ribulose-5-fosfaat kan ook worden geëpimeriseerd tot xylulose-5-fosfaat door fosfopentose epimerase. $$ \text{ribulose-5-fosfaat} \rightleftharpoons \text{xylulose-5-fosfaat} $$ #### 1.3.2 Reacties gekatalyseerd door transketolase en transaldolase Deze enzymen faciliteren de overdracht van koolstofatomen tussen verschillende suikermoleculen, wat leidt tot de vorming van verschillende fosfaten van suikers met variërende ketenlengtes. * **Transketolase:** Katalyseert de overdracht van een 2-koolstofeenheid van een ketose naar een aldose. Dit enzym vereist thiaminepyrofosfaat (TPP) als co-factor en werkt door het verplaatsen van twee koolstofatomen. * Een belangrijke reactie is de omzetting van ribose-5-fosfaat en xylulose-5-fosfaat naar glyceraldehyde-3-fosfaat en sedoheptulose-7-fosfaat. * **Transaldolase:** Katalyseert de overdracht van een 3-koolstofeenheid van een ketose naar een aldose. * Een belangrijke reactie is de omzetting van sedoheptulose-7-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat naar fructose-6-fosfaat en erythrose-4-fosfaat. Een samenvatting van de netto-reacties in de niet-oxidatieve tak kan zijn: $$ \text{ribose-5-fosfaat} + 2 \text{ xylulose-5-fosfaat} \rightleftharpoons 2 \text{ fructose-6-fosfaat} + \text{glyceraldehyde-3-fosfaat} $$ Dit resulteert in de vorming van twee hexosefosfaten en één triosefosfaat uit drie pentosefosfaten. De intermediairen fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat kunnen vervolgens de glycolyse binnentreden. ### 1.4 Het lot van glucose-6-fosfaat en de regulatie van de PFR Het 'lot' van glucose-6-fosfaat, en daarmee de activiteit van de PFR, is afhankelijk van de cellulaire behoefte aan NADPH, ribose-5-fosfaat en ATP. * **Meer ribose-5-fosfaat nodig dan NADPH:** In situaties waar de vraag naar ribose-5-fosfaat groter is dan de behoefte aan NADPH, kan glucose-6-fosfaat de glycolyse binnentreden, en kunnen de intermediairen fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat via de niet-oxidatieve tak (transketolase en transaldolase) worden omgezet in ribose-5-fosfaat. De netto-reactie kan dan vereenvoudigd worden voorgesteld als: $$ \text{glucose-6-fosfaat} \longrightarrow \text{fructose-6-fosfaat} + \text{glyceraldehyde-3-fosfaat} $$ $$ 2 \times \text{fructose-6-fosfaat} + \text{glyceraldehyde-3-fosfaat} \rightleftharpoons 3 \times \text{ribose-5-fosfaat} $$ * **Gelijke vraag naar ribose-5-fosfaat en NADPH:** Als de vraag naar beide producten gelijk is, kan de PFR compleet worden doorlopen: $$ \text{glucose-6-fosfaat} + 2 \text{NADP}^+ + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{ribose-5-fosfaat} + 2 \text{NADPH} + \text{CO}_2 $$ * **Meer NADPH nodig dan ribose-5-fosfaat:** Dit scenario vereist meer dan de basale productie van NADPH en leidt tot een cyclus waarbij ribose-5-fosfaat terug wordt omgezet naar glucose-6-fosfaat via glycolyse-intermediairen en vervolgens gluconeogenese. 1. De oxidatieve tak genereert 2 NADPH en ribose-5-fosfaat. 2. Ribose-5-fosfaat wordt, via de niet-oxidatieve tak, omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. 3. Deze intermediairen kunnen via glycolyse verder worden afgebroken tot pyruvaat, waarbij ATP wordt geproduceerd. 4. Alternatief, en cruciaal voor het maximaliseren van NADPH-productie, kunnen fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat worden omgezet naar glucose-6-fosfaat via gluconeogenese, die vervolgens opnieuw de oxidatieve tak van de PFR kan ingaan. Deze recycling van pentosefosfaten naar glucose-6-fosfaat maximaliseert de NADPH-productie zonder additionele pentose-productie. ### 1.5 Belangrijke intermediairen en hun routes * **Glucose-6-fosfaat (C6):** Het startsubstraat van de PFR, afkomstig uit de glycolyse. Kan ook direct in de glycolyse verder worden gemetaboliseerd. * **6-fosfoglucono-δ-lacton (C6):** Een cyclisch ester-intermediair gevormd uit glucose-6-fosfaat. * **6-fosfogluconaat (C6):** Hydrolyseproduct van 6-fosfoglucono-δ-lacton. * **Ribulose-5-fosfaat (C5):** Een ketose, het eindproduct van de oxidatieve tak. Kan worden omgezet in ribose-5-fosfaat of xylulose-5-fosfaat. * **Ribose-5-fosfaat (C5):** Een aldose, cruciaal voor de synthese van nucleïden en nucleïnezuren. * **Xylulose-5-fosfaat (C5):** Een epimeer van ribulose-5-fosfaat, dient als acceptor of donor in de transketolase-reacties. * **Sedoheptulose-7-fosfaat (C7):** Een ketose gevormd in transketolase-reacties, fungeert als donor in transaldolase-reacties. * **Erythrose-4-fosfaat (C4):** Een aldose gevormd in transaldolase-reacties, een precursor voor de synthese van aromatische aminozuren zoals fenylalanine en tyrosine. * **Fructose-6-fosfaat (C6):** Een intermediair van de glycolyse, gevormd in de niet-oxidatieve tak. * **Glyceraldehyde-3-fosfaat (C3):** Een intermediair van de glycolyse, gevormd in de niet-oxidatieve tak. > **Tip:** De niet-oxidatieve tak laat zien hoe de PFR flexibel kan schakelen tussen de productie van pentosefosfaten voor biosynthese en de regeneratie van glycolytische intermediairen. ### 1.6 Weefselspecifieke activiteit van de pentosefosfaatroute De activiteit van de PFR varieert sterk tussen verschillende weefsels, afhankelijk van hun metabole behoeften: * **Erythrocyten (rode bloedcellen):** Hebben een hoge activiteit van de PFR. Dit is cruciaal voor de productie van NADPH, dat nodig is om gereduceerd glutathion te regenereren. Gereduceerd glutathion is een belangrijke antioxidant die de cel beschermt tegen oxidatieve schade, met name de oxidatie van hemoglobine. De deficiëntie van glucose-6-fosfaat dehydrogenase (G6PD), het enzym van de eerste stap van de oxidatieve tak, leidt tot hemolytische anemie onder oxidatieve stress. * **Lever:** De PFR is zeer actief in de lever, die een centrale rol speelt in de lipogenese (vetzuursynthese) en cholesterol- en steroïdensynthese, processen waarvoor NADPH essentieel is. * **Adipocyten (vetcellen):** Actief in vetzuursynthese, vereist NADPH geproduceerd door de PFR. * **Melkklieren, testis, bijniercortex:** Deze weefsels zijn ook actief in vetzuur- en steroïdensynthese en hebben daarom een verhoogde activiteit van de PFR. De PFR is relatief laag in spiercellen, omdat deze voornamelijk gericht zijn op energieproductie (ATP) en minder op reductieve biosynthese. ### 1.7 Controle van de pentosefosfaatroute De controle van de PFR is voornamelijk gereguleerd bij de eerste stap, de oxidatie van glucose-6-fosfaat door glucose-6-fosfaat dehydrogenase. Dit enzym wordt geremd door zijn product, NADPH. Een hoge verhouding van NADPH ten opzichte van NADP$^{+}$ zal de activiteit van het enzym verlagen. Dit zorgt ervoor dat de productie van NADPH wordt aangepast aan de cellulaire behoefte. --- # Regulatie en koppeling van de pentosefosfaatroute De regulatie en koppeling van de pentosefosfaatroute (PFR) omvat de controlemechanismen die de activiteit van de route sturen, evenals de integratie ervan met andere metabole paden zoals glycolyse en gluconeogenese, om te voldoen aan de cellulaire behoeften aan NADPH en ribose-5-fosfaat. ### 2.1 De pentosefosfaatroute: doel en belangrijkste reacties De pentosefosfaatroute, ook bekend als de fosfogluconaatweg of de hexosemonofosfaat-shunt, heeft als primair doel de productie van NADPH en de synthese van ribose-5-fosfaat. NADPH is essentieel voor reductieve biosynthetische reacties, zoals de synthese van vetzuren en steroïden. Ribose-5-fosfaat is een belangrijke precursor voor de synthese van nucleotiden en nucleïnezuren, en is ook een component van ATP, CoA, NAD en FAD. De enzymen van de PFR zijn gelokaliseerd in het cytosol. De route kent ook een niet-oxidatieve tak die interconversies van C3-, C4-, C6- en C7-suikers mogelijk maakt, waarvan sommige weer kunnen instromen in de glycolyse. #### 2.1.1 Oxidatieve tak: NADPH-productie De eerste stap van de PFR, gekatalyseerd door glucose-6-fosfaat dehydrogenase, is de snelheidsbepalende en irreversibele reactie die leidt tot de vorming van NADPH. * **Reactie:** Glucose-6-fosfaat wordt geoxideerd tot 6-fosfoglucono-δ-lacton, waarbij één molecuul NADPH wordt gevormd. Glucose-6-fosfaat dehydrogenase heeft een aanzienlijk hogere affiniteit voor NADP$^+$ dan voor NAD. $$ \text{Glucose-6-fosfaat} + \text{NADP}^+ \rightarrow \text{6-fosfoglucono-δ-lacton} + \text{NADPH} + \text{H}^+ $$ * **Vervolgstappen:** Het gevormde 6-fosfoglucono-δ-lacton wordt gehydrolyseerd tot 6-fosfogluconaat. Vervolgens vindt een decarboxyleringsreactie plaats waarbij CO$_2$ wordt afgesplitst en ribulose-5-fosfaat ontstaat, waarbij nogmaals een molecuul NADPH wordt geproduceerd. $$ \text{6-fosfogluconaat} + \text{NADP}^+ \rightarrow \text{ribulose-5-fosfaat} + \text{NADPH} + \text{CO}_2 + \text{H}^+ $$ In totaal genereert de oxidatieve tak van de PFR twee moleculen NADPH per molecuul glucose-6-fosfaat. #### 2.1.2 Niet-oxidatieve tak: suikerinterconversie en ribose-5-fosfaatproductie De niet-oxidatieve tak van de PFR is verantwoordelijk voor de omzetting van pentosefosfaten in metabolieten die kunnen worden opgenomen in de glycolyse. * **Isomerisatie:** Ribulose-5-fosfaat wordt geïsomeriseerd tot ribose-5-fosfaat door het enzym fosfopentose isomerase. Dit is een reversibele ketose-aldose isomerisatie. $$ \text{ribulose-5-fosfaat} \rightleftharpoons \text{ribose-5-fosfaat} $$ * **Epimerisatie:** Ribulose-5-fosfaat kan ook worden omgezet in xylulose-5-fosfaat door fosfopentose epimerase. Xylulose-5-fosfaat is een epimeer van ribulose-5-fosfaat. $$ \text{ribulose-5-fosfaat} \rightleftharpoons \text{xylulose-5-fosfaat} $$ * **Transketolase reacties:** Deze reacties verplaatsen een twee-koolstofeenheid (ketolgroep) van een ketose naar een aldose. Transketolase vereist thiaminepyrofosfaat (TPP) als cofactor. * Een voorbeeld is de reactie tussen ribose-5-fosfaat en xylulose-5-fosfaat om sedoheptulose-7-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat te vormen. $$ \text{ribose-5-fosfaat} + \text{xylulose-5-fosfaat} \rightarrow \text{sedoheptulose-7-fosfaat} + \text{glyceraldehyde-3-fosfaat} $$ * **Transaldolase reactie:** Deze reactie verplaatst een drie-koolstofeenheid (dihydroxyaceton) van een ketose naar een aldose. * Een voorbeeld is de reactie tussen sedoheptulose-7-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat om fructose-6-fosfaat en erythrose-4-fosfaat te vormen. $$ \text{sedoheptulose-7-fosfaat} + \text{glyceraldehyde-3-fosfaat} \rightarrow \text{fructose-6-fosfaat} + \text{erythrose-4-fosfaat} $$ Deze enzymatische reacties maken een cyclische flux mogelijk, waarbij de pentosefosfaatroute kan leiden tot de vorming van glycolytische intermediairen zoals fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. > **Tip:** De niet-oxidatieve tak is cruciaal voor de flexibiliteit van de PFR. Het stelt de cel in staat om overtollige pentoses om te zetten in glycolytische intermediairen, of om glycolytische intermediairen te gebruiken om pentoses te synthetiseren wanneer daar behoefte aan is. ### 2.2 Regulatie van de pentosefosfaatroute De activiteit van de PFR wordt voornamelijk gereguleerd door de cellulaire behoefte aan NADPH en ribose-5-fosfaat. De eerste stap van de oxidatieve tak, die door glucose-6-fosfaat dehydrogenase wordt gekatalyseerd, is de belangrijkste controlepunt omdat deze irreversibel is. * **Hoge ATP-concentraties:** Wanneer de ATP-concentratie hoog is, wat duidt op een overvloed aan cellulaire energie, zal de flux door de glycolyse en de PFR afnemen. * **Hoge NADPH-concentraties:** Een hoge intracellulaire concentratie van NADPH remt de glucose-6-fosfaat dehydrogenase activiteit. Dit is een vorm van productremming, aangezien NADPH een eindproduct van de oxidatieve tak is. * **Hoge ribose-5-fosfaat concentraties:** De behoefte aan ribose-5-fosfaat voor nucleotidensynthese stimuleert de PFR. Wanneer er voldoende ribose-5-fosfaat is, kan de PFR worden afgeremd. > **Tip:** De regulatie van de PFR is een goed voorbeeld van cellulaire adaptatie aan veranderende metabolische eisen. De cel 'kiest' welk pad glucose-6-fosfaat volgt op basis van zijn directe behoeften. ### 2.3 Koppeling met glycolyse en gluconeogenese De pentosefosfaatroute is nauw verweven met zowel de glycolyse als de gluconeogenese, wat zorgt voor een flexibele doorstroming van metabolieten. De koppeling vindt voornamelijk plaats via de niet-oxidatieve tak van de PFR. #### 2.3.1 Wanneer meer ribose-5-fosfaat nodig is dan NADPH Als de cel meer ribose-5-fosfaat nodig heeft dan NADPH, kan glucose-6-fosfaat direct de glycolyse ingaan, wat leidt tot de vorming van fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Deze glycolytische intermediairen kunnen vervolgens, via de reversibele reacties van de niet-oxidatieve tak (transketolase en transaldolase), worden omgezet in ribose-5-fosfaat. $$ \text{2 x Fructose-6-fosfaat} + \text{1 x Glyceraldehyde-3-fosfaat} \rightleftharpoons \text{3 x Ribose-5-fosfaat} $$ Deze reactie is omkeerbaar, wat betekent dat ribose-5-fosfaat ook kan worden afgebroken tot glycolytische intermediairen als er een overschot is. #### 2.3.2 Wanneer de vraag naar ribose-5-fosfaat en NADPH gelijk is Als de vraag naar ribose-5-fosfaat en NADPH gelijk is, volgt glucose-6-fosfaat de volledige PFR. $$ \text{Glucose-6-fosfaat} + \text{2 NADP}^+ + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ribose-5-fosfaat} + \text{2 NADPH} + \text{CO}_2 $$ Dit levert zowel de benodigde pentose als de reductieve kracht. #### 2.3.3 Wanneer meer NADPH nodig is dan ribose-5-fosfaat Dit is de meest complexe situatie en vereist een slimme recyclage van de gevormde pentoses. 1. **Oxidatieve tak:** De oxidatieve tak van de PFR produceert twee moleculen NADPH en ribose-5-fosfaat. $$ \text{Glucose-6-fosfaat} \rightarrow \dots \rightarrow \text{ribose-5-fosfaat} + \text{2 NADPH} $$ 2. **Niet-oxidatieve tak naar glycolyse:** Ribose-5-fosfaat wordt vervolgens omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat via de niet-oxidatieve tak. $$ \text{ribose-5-fosfaat} \rightarrow \text{fructose-6-fosfaat} + \text{glyceraldehyde-3-fosfaat} $$ 3. **Gluconeogenese:** Fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat kunnen worden omgezet naar glucose-6-fosfaat via gluconeogenese (in de lever en nieren). Dit proces genereert geen extra NADPH, maar het stelt de cel in staat om glucose-6-fosfaat opnieuw in de PFR te voeren om meer NADPH te produceren, zonder de netto productie van ribose-5-fosfaat te verhogen. De essentie hier is dat ribose-5-fosfaat wordt gerecycled naar glucose-6-fosfaat. **Alternatieve route bij verhoogde NADPH-vraag:** Een andere mogelijkheid is dat de gevormde ribose-5-fosfaat wordt omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat, die vervolgens via de glycolyse worden afgebroken tot pyruvaat. Dit pad genereert zowel NADPH (via de PFR) als ATP (via de glycolyse). > **Voorbeeld:** In adiposecellen is de PFR zeer actief omdat NADPH nodig is voor de synthese van vetzuren uit acetyl-CoA. Erytrocyten zijn ook sterk afhankelijk van de PFR voor de productie van NADPH, wat essentieel is voor het behoud van gereduceerd glutathion. Dit gereduceerde glutathion beschermt de cel tegen oxidatieve schade, wat cruciaal is voor het behoud van de biconcave structuur van de rode bloedcel en de Fe$^{2+}$ status van hemoglobine. ### 2.4 Weefselspecifieke activiteit van de PFR De activiteit van de PFR varieert afhankelijk van het celtype en de specifieke metabole behoeften: * **Lever, bijniercortex, testis, melkklieren, adiposecellen:** Hoge activiteit vanwege de behoefte aan NADPH voor de synthese van vetzuren, steroïden en andere reductieve biosynthetische processen. * **Erytrocyten (rode bloedcellen):** Essentieel voor de productie van NADPH, dat nodig is om gereduceerd glutathion te regenereren. Dit is cruciaal voor de bescherming tegen oxidatieve stress. Erytrocyten kunnen geen alternatieve routes voor NADPH-productie benutten, wat ze bijzonder kwetsbaar maakt bij een deficiëntie van glucose-6-fosfaat dehydrogenase (G6PD). * **Spiercellen:** Lage activiteit, omdat de primaire focus ligt op energieproductie (ATP) via glycolyse en oxidatieve fosforylering, en niet op biosynthese. ### 2.5 Klinische relevantie: G6PD-deficiëntie Deficiëntie van het enzym glucose-6-fosfaat dehydrogenase (G6PD) is een erfelijke aandoening, vaak gelinkt aan het X-chromosoom. Dit leidt tot een verminderde productie van NADPH in erytrocyten. * **Oxidatieve stress:** In situaties van verhoogde oxidatieve stress, zoals blootstelling aan bepaalde medicijnen (bv. antimalariamiddelen zoals pamaquine) of consumptie van fava bonen, kan de erytrocyt de geoxideerde vorm van hemoglobine niet adequaat reduceren. Gereduceerd glutathion is nodig om reactieve zuurstofspecies (ROS) te neutraliseren en hemoglobine in de gereduceerde vorm (Fe$^{2+}$) te houden. * **Hemolytische anemie:** Een tekort aan NADPH leidt tot een tekort aan gereduceerd glutathion, wat resulteert in oxidatie van hemoglobine (vorming van Heinz-lichaampjes) en schade aan de erytrocytenmembraan. Dit kan leiden tot hemolytische anemie, waarbij rode bloedcellen voortijdig worden afgebroken. * **Malariaresistentie:** De hoge incidentie van G6PD-deficiëntie in bepaalde populaties suggereert een selectief voordeel. De deficiëntie kan beschermend werken tegen infectie met *Plasmodium falciparum* (de veroorzaker van malaria), omdat de parasiet afhankelijk is van een normaal werkende pentosefosfaatroute en gereduceerd glutathion in de erytrocyt voor zijn groei. $$ \gamma\text{-Glu} + \text{NADPH} + \text{H}^+ \rightarrow \text{GSH} + \text{NADP}^+ $$ $$ \text{GSH} + \text{ROS} \rightarrow \text{GSSG} + \text{H}_2\text{O} $$ De erytrocyten met G6PD-deficiëntie zijn gevoeliger voor de door de parasiet geproduceerde H$_2$O$_2$, wat de groei van de parasiet belemmert doordat de cel sneller afsterft. --- # G6PD-deficiëntie en de gevolgen voor erytrocyten Glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD)-deficiëntie, een X-gebonden recessieve aandoening, heeft ernstige consequenties voor erytrocyten, voornamelijk door de verstoring van de NADPH-productie, wat essentieel is voor de bescherming tegen oxidatieve stress. ### 3.1 De rol van NADPH in erytrocyten De pentosefosfaatroute (PPR), ook wel bekend als de fosfogluconaatweg of hexosemonofosfaat shunt, is cruciaal voor de aanmaak van NADPH. Dit molecuul is onmisbaar voor reductieve biosynthetische processen en, in de context van erytrocyten, voor het handhaven van de gereduceerde glutathionstatus. #### 3.1.1 Vorming van NADPH in de pentosefosfaatroute De eerste stap in de PPR is de oxidatie van glucose-6-fosfaat door glucose-6-fosfaat dehydrogenase (G6PD). Dit enzym heeft een significant hogere affiniteit voor NADP$^+$ dan voor NAD. $$ \text{glucose-6-fosfaat} + \text{NADP}^+ \rightarrow \text{6-fosfoglucono-}\delta\text{-lacton} + \text{NADPH} + \text{H}^+ $$ Dit intermediair wordt vervolgens omgezet in 6-fosfogluconaat, waarbij een tweede molecuul NADPH kan worden gevormd. $$ \text{6-fosfogluconaat} + \text{NADP}^+ \rightarrow \text{ribulose-5-fosfaat} + \text{NADPH} + \text{CO}_2 $$ De totale oxidatieve tak van de PPR genereert twee moleculen NADPH per molecuul glucose-6-fosfaat. #### 3.1.2 Het belang van gereduceerd glutathion Gereduceerd glutathion (GSH) is een sulfhydrylbuffer die essentieel is in erytrocyten. Het helpt bij het handhaven van de gereduceerde toestand van cysteïneresiduen in hemoglobine en andere eiwitten, waardoor oxidatie wordt voorkomen. Bovendien houdt GSH het ijzer in de Fe$^{2+}$ vorm, wat noodzakelijk is voor de zuurstoftransportfunctie van hemoglobine. Het enzym glutathionreductase gebruikt NADPH als cofactor om geoxideerd glutathion (GSSG) te reduceren tot GSH. $$ \text{GSSG} + \text{NADPH} + \text{H}^+ \rightarrow 2\text{GSH} + \text{NADP}^+ $$ Zonder voldoende NADPH kan glutathion niet effectief worden geregenereerd, wat erytrocyten kwetsbaar maakt voor oxidatieve schade. ### 3.2 G6PD-deficiëntie G6PD-deficiëntie is een X-gebonden recessieve genetische aandoening die leidt tot een verminderde activiteit of hoeveelheid van het G6PD-enzym. Dit resulteert in onvoldoende NADPH-productie, met name onder omstandigheden van verhoogde oxidatieve stress. #### 3.2.1 Genetische achtergrond en expressie De G6PD-deficiëntie is gekoppeld aan het X-chromosoom. Dit betekent dat mannen (XY) direct de gevolgen van een defect gen ervaren. Vrouwen (XX) kunnen symptomen vertonen door X-inactivatie (lyonisatie), waarbij één van de X-chromosomen inactief wordt, waardoor cellen met het functionele gen, of cellen met het defecte gen, dominant kunnen worden. #### 3.2.2 Gevolgen voor erytrocyten Erytrocyten zijn bijzonder gevoelig voor G6PD-deficiëntie omdat ze geen kern of ribosomen hebben en dus geen nieuw enzym kunnen synthetiseren om het defecte enzym te compenseren. Ze zijn volledig afhankelijk van de NADPH-productie via de pentosefosfaatroute. * **Oxidatieve stress en hemolyse:** Wanneer erytrocyten worden blootgesteld aan oxidatieve stress, bijvoorbeeld door medicijnen (zoals antimalariamiddelen zoals pamaquine) of consumptie van bepaalde voedingsmiddelen (zoals fava bonen, die oxidanten zoals vicine en divicine bevatten), ontstaat er een tekort aan NADPH. Dit leidt tot oxidatie van hemoglobine. Geoxideerde hemoglobine kan precipiteren en denatureren, wat leidt tot de vorming van **Heinz-lichaampjes**. Deze beschadigde erytrocyten worden vervolgens in de milt herkend en afgebroken, wat resulteert in hemolytische anemie. Geelzucht en donkere urine (door hemoglobine-afbraakproducten) zijn veelvoorkomende symptomen. * **Favisme:** De term "favisme" verwijst specifiek naar de hemolytische reactie na consumptie van fava bonen bij personen met G6PD-deficiëntie. Echter, niet alle patiënten met de deficiëntie ontwikkelen een reactie op fava bonen. > **Tip:** De incidentie van G6PD-deficiëntie is hoog in bepaalde populaties, wat suggereert dat het een selectief voordeel kan bieden onder specifieke omstandigheden. #### 3.2.3 Bescherming tegen malaria Er is een hoge incidentie van G6PD-deficiëntie waargenomen bij bijvoorbeeld Afro-Amerikanen. Dit suggereert dat de deficiëntie bescherming kan bieden tegen infectie met *Plasmodium falciparum*, de veroorzaker van malaria. Malaria-parasieten hebben gereduceerd glutathion en producten van de pentosefosfaatroute nodig voor optimale groei. Een G6PD-deficiëntie creëert een omgeving in de erytrocyten die minder gunstig is voor de parasiet, mogelijk doordat de verhoogde gevoeligheid voor waterstofperoxide (H$_2$O$_2$), een bijproduct van de parasiet, de groei ervan belemmert of de erytrocyten sneller laat afsterven. ### 3.3 Locatie van de pentosefosfaatroute activiteit De pentosefosfaatroute is niet in alle weefsels even actief. De activiteit is relatief laag in spiercellen, die zich primair richten op energieproductie. Daarentegen is de route sterk actief in: * **Erytrocyten:** Essentieel voor NADPH-productie ter bescherming tegen oxidatieve stress. * **Adipocyten (vetcellen):** Cruciaal voor de reductieve biosynthese van vetzuren. * **Levercellen:** Betrokken bij de synthese van vetzuren en cholesterol. * **Melkklieren:** Belangrijk voor de synthese van vetzuren voor melkproductie. * **Testis en bijniercortex:** Noodzakelijk voor de synthese van steroïden. * **Plaatsen waar vetzuren en steroïden gesynthetiseerd worden.** Deze locaties tonen het belang van de PPR voor reductieve biosynthese en bescherming tegen oxidatieve stress in weefsels met hoge metabole activiteit op deze gebieden. --- # De rol van de pentosefosfaatroute in specifieke cellen en weefsels De pentosefosfaatroute (PFR) speelt een cruciale rol in specifieke cellen en weefsels door de productie van NADPH en pentosefosfaten, essentieel voor diverse fysiologische processen zoals reductieve biosynthese en bescherming tegen oxidatieve stress. ### 4.1 Functie van NADPH in reductieve biosynthese De PFR genereert NADPH, een reductiemiddel dat noodzakelijk is voor biosynthetische reacties. Dit is met name belangrijk in weefsels die actief zijn in de synthese van vetzuren en steroïden. #### 4.1.1 Vetzuren- en steroïdensynthese In levercellen, vetcellen (adipocyten), melkklieren, testis en bijniercortex is de PFR actief om voldoende NADPH te leveren voor de synthese van vetzuren en steroïden. Deze weefsels hebben een hogere activiteit van de PFR om te voldoen aan de vraag naar reductieve equivalenten voor deze anabolische processen. ### 4.2 De rol van de pentosefosfaatroute in erytrocyten Erytrocyten (rode bloedcellen) zijn sterk afhankelijk van de PFR voor de productie van NADPH, wat essentieel is voor hun overleving en functie. #### 4.2.1 Bescherming tegen oxidatieve stress * **Productie van gereduceerd glutathion:** NADPH is de essentiële cofactor voor glutathion reductase. Gereduceerd glutathion (GSH) fungeert als een belangrijke antioxidant in erytrocyten. Het neutraliseert reactieve zuurstofspecies (ROS) en beschermt celcomponenten, waaronder hemoglobine, tegen oxidatieve schade. $$ \text{GSH} + \text{NADPH} + \text{H}^+ \xrightarrow{\text{Glutathion reductase}} \text{GSSG} + \text{NADP}^+ $$ Hierbij wordt geoxideerd glutathion (GSSG) gereduceerd tot GSH. Gereduceerd glutathion beschermt de sulfhydrylgroepen (cysteïnes) van hemoglobine en andere eiwitten, en houdt het ijzer in hemoglobine in de gereduceerde $ \text{Fe}^{2+} $ toestand. * **Gevolgen van G6PD-deficiëntie:** Glucose-6-fosfaat dehydrogenase (G6PD) is het snelheidsbepalende enzym van de oxidatieve tak van de PFR en produceert het eerste molecuul NADPH. Een deficiëntie in G6PD leidt tot onvoldoende NADPH-productie in erytrocyten. * **Hemolytische anemie:** Bij medicijngebruik (bv. antimalariamiddelen zoals pamaquine) of consumptie van fava bonen (die oxidanten zoals vicine en divicine bevatten), neemt de oxidatieve stress in erytrocyten toe. Zonder voldoende NADPH kan GSH niet effectief worden geregenereerd, wat leidt tot oxidatie van hemoglobine (vorming van Heinz-lichaampjes) en denaturatie. Gedesatureerde hemoglobine kan neerslaan, de celmembraan beschadigen en leiden tot hemolyse (afbraak van rode bloedcellen). * **Lyonisatie:** G6PD-deficiëntie is een X-gebonden recessieve aandoening. Hoewel vrouwen dragers kunnen zijn, kunnen ze symptomen vertonen door X-inactivatie (lyonisatie). #### 4.2.2 Bescherming tegen malaria * **Selectief voordeel:** Een hoge incidentie van G6PD-deficiëntie, bijvoorbeeld bij Afro-Amerikanen, suggereert een selectief voordeel onder bepaalde omstandigheden. Deze deficiëntie lijkt beschermend te werken tegen infectie met *Plasmodium falciparum*, de veroorzaker van malaria. * **Mechanisme:** De malariaparasiet *Plasmodium falciparum* heeft gereduceerd glutathion en producten van de PFR nodig voor optimale groei binnen de erytrocyten. Bij G6PD-deficiëntie zijn de erytrocyten gevoeliger voor oxidatieve stress, ook die geïnduceerd door de parasiet. Dit kan leiden tot vroegtijdige afbraak van geïnfecteerde erytrocyten, waardoor de parasietgroei wordt beperkt. ### 4.3 De pentosefosfaatroute in andere celtypen Hoewel erytrocyten volledig afhankelijk zijn van de PFR voor hun NADPH-productie, hebben de meeste andere cellen alternatieve routes voor NADPH-synthese. * **Spiercellen:** De PFR is laag in spiercellen, omdat deze primair gericht zijn op energieverbruik in plaats van biosynthese van vetten of steroïden. * **Lever, vetcellen, melkklieren, testis, bijniercortex:** Deze weefsels hebben een hoge activiteit van de PFR, essentieel voor respectievelijk vetzuursynthese, steroïdensynthese en andere reductieve biosynthetische processen. ### 4.4 Regulatie van de pentosefosfaatroute De activiteit van de PFR wordt voornamelijk gereguleerd door de cellulaire behoefte aan NADPH en ribose-5-fosfaat. * **Het lot van glucose-6-fosfaat:** De keuze tussen glycolyse en de PFR hangt af van de cellulaire nood: * **Meer ribose-5-fosfaat nodig dan NADPH:** Glucose-6-fosfaat wordt omgezet via de glycolyse naar fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Via de niet-oxidatieve tak van de PFR (transketolase en transaldolase reacties) kunnen deze worden omgezet tot ribose-5-fosfaat. $$ 2 \times \text{Fructose-6-fosfaat} + \text{Glyceraldehyde-3-fosfaat} \rightleftharpoons 3 \times \text{Ribose-5-fosfaat} $$ * **Gelijke behoefte aan NADPH en ribose-5-fosfaat:** Glucose-6-fosfaat wordt direct gemetaboliseerd via de oxidatieve tak van de PFR, wat resulteert in de productie van ribose-5-fosfaat en NADPH. $$ \text{Glucose-6-fosfaat} + 2\text{NADP}^+ + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ribose-5-fosfaat} + 2\text{NADPH} + \text{CO}_2 $$ * **Meer NADPH nodig dan ribose-5-fosfaat:** De oxidatieve tak produceert NADPH. Het gevormde ribose-5-fosfaat wordt vervolgens via de niet-oxidatieve tak gerecycled naar fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat, die verder kunnen worden gemetaboliseerd via de glycolyse of gluconeogenese om glucose-6-fosfaat te regenereren. Dit proces zorgt voor een continue productie van NADPH zonder een overschot aan pentosefosfaten. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Pentosefosfaatroute | Een metabole route in cellen die glucose-6-fosfaat omzet in NADPH en pentosen (zoals ribose-5-fosfaat). Deze route is essentieel voor reductieve biosynthese en de productie van nucleïnezuren. | | NADPH | Nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat, een co-enzym dat als reductiemiddel fungeert in anabole processen en dient ter bescherming tegen oxidatieve stress door het reduceren van moleculen zoals glutathion. | | Ribose-5-fosfaat | Een pentose (5-koolstofsuiker) die een essentieel intermediair is in de pentosefosfaatroute. Het is een bouwsteen voor de synthese van nucleotiden, nucleïnezuren (RNA en DNA) en co-enzymen zoals ATP en NAD. | | Glycolyse | Een universele metabole route die glucose (een hexose) afbreekt tot pyruvaat, waarbij een kleine hoeveelheid ATP en NADH wordt geproduceerd. Het is een fundamenteel proces voor energieproductie in de meeste levende organismen. | | Transketolase | Een enzym dat betrokken is bij de niet-oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute. Het katalyseert de overdracht van een twee-koolstof fragment van een ketose naar een aldose, waarbij suikers van lengte worden veranderd. | | Transaldolase | Een enzym dat een rol speelt in de niet-oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute. Het katalyseert de reversibele overdracht van een drie-koolstof fragment van een ketose naar een aldose, wat resulteert in de vorming van verschillende suikerfosfaten. | | Gluconeogenese | Het metabole proces waarbij niet-koolhydraat voorlopers, zoals lactaat, glycerol en aminozuren, worden omgezet in glucose. Dit proces vindt voornamelijk plaats in de lever en nieren en is cruciaal om de bloedglucosespiegel te handhaven tijdens vasten. | | Erytrocyten | Rode bloedcellen, verantwoordelijk voor het transport van zuurstof van de longen naar de weefsels en kooldioxide van de weefsels naar de longen. Ze bevatten veel hemoglobine en zijn sterk afhankelijk van de pentosefosfaatroute voor hun bescherming tegen oxidatieve schade. | | Gereduceerd glutathion (GSH) | Een tripeptide (gamma-glutamyl-cysteïnyl-glycine) dat fungeert als een belangrijke antioxidant in cellen. Het wordt geregenereerd met behulp van NADPH en speelt een cruciale rol bij het neutraliseren van reactieve zuurstofspecies en het behouden van de gereduceerde staat van eiwitten. | | G6PD-deficiëntie | Een genetische aandoening die wordt gekenmerkt door een verminderde activiteit van het enzym glucose-6-fosfaatdehydrogenase. Dit leidt tot een ontoereikende productie van NADPH, waardoor rode bloedcellen kwetsbaar worden voor oxidatieve schade en hemolytische anemie kunnen optreden. | | Oxidatieve stress | Een onevenwicht tussen de productie van reactieve zuurstofspecies (ROS) en het vermogen van het lichaam om deze te neutraliseren met antioxidanten. Oxidatieve stress kan leiden tot schade aan celcomponenten zoals DNA, eiwitten en lipiden. |

# De rol van gluconeogenese in energiebehoud Gluconeogenese is de fundamentele biosynthese van glucose uit niet-koolhydraatprecursoren, cruciaal voor het handhaven van stabiele bloedglucosespiegels, met name voor energievoorziening aan hersenen en spieren onder specifieke fysiologische omstandigheden. ### 1.1 Het belang van gluconeogenese * **Energievoorziening onder hypofyse:** Wanneer bloedglucosewaarden dalen (hypoglycemie), is gluconeogenese essentieel om de hersenen, die primair afhankelijk zijn van glucose, van brandstof te voorzien. * **Energievoorziening bij zware inspanning:** Tijdens intense spieractiviteit kan glucose uit lactaat, geproduceerd door de spieren zelf, via de lever geregenereerd worden tot glucose. * **Energievoorziening bij langdurig voedselgebrek:** In perioden van schaarste wordt glucose ook aangemaakt uit glycerol en aminozuren. ### 1.2 Locatie en beperkingen van gluconeogenese * Gluconeogenese vindt voornamelijk plaats in de lever en de niercortex. * Hersencellen zijn niet in staat tot gluconeogenese. ### 1.3 Gluconeogenese versus glycolyse Gluconeogenese is geen simpele omkering van de glycolyse, omdat de glycolyse drie irreversibele stappen bevat die in gluconeogenese omzeild moeten worden. De netto energieverandering van de glycolyse in omgekeerde richting is sterk endergonisch ($ \Delta G^\circ = +20 $ kcal/mol), terwijl de netto energieverandering van de eigenlijke gluconeogenese $ \Delta G^\circ = -9 $ kcal/mol is. ### 1.4 Omzeilen van irreversibele stappen van de glycolyse De drie irreversibele stappen van de glycolyse die omzeild moeten worden zijn: #### 1.4.1 Van pyruvaat naar fosfoënolpyruvaat (PEP) Deze omzetting vereist twee enzymatische stappen: 1. **Pyruvaat carboxylase:** $ \text{Pyruvaat} + \text{HCO}_3^- + \text{ATP} \rightarrow \text{Oxaalacetaat} + \text{ADP} + P_i + H^+ $ Deze reactie vindt plaats in de mitochondriën en vereist biotine als cofactor. 2. **Fosfoënolpyruvaat carboxykinase (PEPCK):** $ \text{Oxaalacetaat} + \text{GTP} \rightarrow \text{Fosfoënolpyruvaat} + \text{GDP} + CO_2 $ Deze reactie vindt plaats in het cytoplasma en vereist magnesiumionen. De reactie kan ook voorkomen in de mitochondriën, afhankelijk van het organisme en de weefseltypering. * **Malaat shuttle:** Omdat oxaalacetaat niet direct vanuit de mitochondriën naar het cytoplasma kan worden getransporteerd, wordt het eerst omgezet in malaat (met NADH in de mitochondriën, en met NAD+ in het cytoplasma) wat wel getransporteerd kan worden. #### 1.4.2 Van fructose 1,6-bisfosfaat naar fructose 6-fosfaat Deze stap wordt gekatalyseerd door het enzym fructose 1,6-bisfosfatase: $ \text{Fructose 1,6-bisfosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Fructose 6-fosfaat} + P_i $ Dit is een hydrolytische defosforylering. #### 1.4.3 Van glucose 6-fosfaat naar glucose Deze stap wordt gekatalyseerd door het enzym glucose 6-fosfatase: $ \text{Glucose 6-fosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Glucose} + P_i $ Dit is eveneens een hydrolytische defosforylering. Het glucose 6-fosfaat wordt vanuit het cytoplasma naar het lumen van het endoplasmatisch reticulum getransporteerd om daar door glucose 6-fosfatase gedefosforyleerd te worden. Het resulterende glucose wordt vervolgens terug naar het cytoplasma getransporteerd voor export. * **Belangrijke opmerking:** Glucose 6-fosfatase is afwezig in hersen- en spiercellen, wat verklaart waarom deze weefsels geen eigen glucose kunnen produceren of vrijgeven. ### 1.5 Energetische balans van gluconeogenese De algehele reactie voor gluconeogenese vanuit twee moleculen pyruvaat is: $ 2 \text{ Pyruvaat} + 4 \text{ ATP} + 2 \text{ GTP} + 2 \text{ NADH} + 6 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{Glucose} + 4 \text{ ADP} + 2 \text{ GDP} + 6 P_i + 2 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ H}^+ $ Het verbruik van ATP en GTP is noodzakelijk om de energetisch ongunstige reacties te drijven. ### 1.6 Regeling van glycolyse en gluconeogenese Een nauwkeurige afstemming tussen glycolyse en gluconeogenese is essentieel om energieverspilling te voorkomen. De snelheden van beide processen worden gereguleerd om te reageren op de bloedglucoseconcentratie en de beschikbaarheid van substraten. * **Substraatcyclus:** Het belangrijkste controlepunt bevindt zich rond de omzetting van fructose 6-fosfaat naar fructose 1,6-bisfosfaat en vice versa. Dit vormt een substraatcyclus waarbij twee metabole routes rond één punt convergeren. * **Allostere regulatie:** De regulatie van de sleutelenzymen is vaak tegengesteld. * Fosfofructokinase (PFK), een enzym in de glycolyse, wordt gestimuleerd door AMP en geïnhibeerd door citraat. * Fructose 1,6-bisfosfatase, een enzym in de gluconeogenese, wordt geïnhibeerd door AMP en geactiveerd door citraat. * **Anomalieën bij anesthesie:** Dampvormige anesthetica, zoals halothaan, kunnen bij een kleine groep patiënten de tegenovergestelde allostere regulatie onderdrukken, wat leidt tot simultane werking van glycolyse en gluconeogenese. Dit kan resulteren in een gevaarlijke cyclus van ATP-vorming en -afbraak, met potentieel hyperthermie tot gevolg. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van veiligere anesthetica zoals isofluraan en desfluraan. ### 1.7 Regeling van pyruvaatmetabolisme De keuze tussen pyruvaat omzetting naar acetyl-CoA (voor de Krebs-cyclus en vetzuursynthese) of naar oxaalacetaat (voor gluconeogenese) wordt gereguleerd. * **Pyruvaatcarboxylase (PC):** Geactiveerd door acetyl-CoA, wat de gluconeogenese bevordert wanneer er voldoende energie (in de vorm van acetyl-CoA) aanwezig is. Dit enzym reguleert ook indirect de hoeveelheid Krebs-intermediairen. * **Pyruvaat dehydrogenase complex (PDC):** De activiteit van het PDC, dat pyruvaat omzet naar acetyl-CoA, wordt gereguleerd op een manier die niet gelijktijdig met maximale PC-activiteit optreedt. ### 1.8 De Cori-cyclus De Cori-cyclus beschrijft de wisselwerking tussen de spieren en de lever, met name tijdens zware of langdurige spierbelasting. * **Vorming van lactaat:** In anaerobe omstandigheden wordt pyruvaat in de spieren omgezet in lactaat door lactaat dehydrogenase (LDH). Dit is een belangrijke ontsnappingsroute om NAD+ te regenereren, wat essentieel is voor het voortzetten van de glycolyse. $ \text{COO}^- \text{CO} \text{CH}_3 + \text{NADH} + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{COO}^- \text{CH(OH)}\text{CH}_3 + \text{NAD}^+ $ * **LDH iso-enzymen:** De H-vorm in het hartspierweefsel bevordert de omzetting van lactaat naar pyruvaat voor aerobe metabolisme. De M-vorm in spierweefsel bevordert de omzetting van pyruvaat naar lactaat onder anaerobe omstandigheden. * **Transport naar de lever:** Lactaat wordt vanuit de spieren naar de lever getransporteerd. Spieren zelf herbruiken lactaat niet in significante mate. * **Regeneratie van glucose in de lever:** In de levercellen wordt lactaat opnieuw omgezet in pyruvaat en vervolgens via gluconeogenese omgezet in glucose. * **Rol van alanine:** Ook alanine kan als precursor voor gluconeogenese dienen, aangezien aminozuren uit spiereiwitten kunnen worden afgebroken. Spieren kunnen pyruvaat omzetten in alanine, dat vervolgens naar de lever wordt getransporteerd. * **Preventie van acidose:** De enzymatische activiteit van LDH wordt deels geremd door pyruvaat, wat helpt om een te sterke verzuring (lactaatacidose) in de spieren te voorkomen. > **Tip:** De Cori-cyclus is cruciaal voor het behoud van bloedglucosewaarden en de energiehuishouding van het lichaam, vooral tijdens perioden van verhoogde energiebehoefte. De lever speelt hierin een centrale rol als glucoseproducent. --- # Biochemische stappen en regulatie van gluconeogenese Gluconeogenese is de synthese van glucose *de novo* uit niet-koolhydraatprecursoren zoals aminozuren, lactaat en pyruvaat, en is essentieel om het bloedglucoseniveau op peil te houden, vooral tijdens perioden van vasten of zware fysieke inspanning. ### 2.1 De noodzaak van gluconeogenese * **Energievoorziening:** Hersenen en spierweefsel zijn sterk afhankelijk van glucose als energiebron. Bij hypoglycemie (lage bloedsuikerspiegel) neemt de gluconeogenese toe om deze weefsels te bevoorraden. * **Herstel bij inspanning:** Tijdens zware spierbelasting wordt glucose omgezet in lactaat. De lever kan dit lactaat vervolgens omzetten in glucose via gluconeogenese, wat bijdraagt aan de hersenenvoorziening. * **Vasten:** Bij langdurig voedselgebrek kan gluconeogenese uit glycerol en aminozuren bijdragen aan de glucoseproductie. Gluconeogenese vindt voornamelijk plaats in de lever en de niercortex; hersencellen zijn hier niet toe in staat. Het is belangrijk om te beseffen dat gluconeogenese geen exacte omkering van de glycolyse is, gezien de aanzienlijke negatieve Gibbs-vrij energiereactie van glycolyse (${\Delta G^{\circ}}$ van ongeveer +20 kcal/mol). De netto ${\Delta G^{\circ}}$ van gluconeogenese is ongeveer -9 kcal/mol. ### 2.2 Enzymatische stappen van gluconeogenese Gluconeogenese omzeilt de drie irreversibele stappen van de glycolyse door alternatieve enzymatische reacties. #### 2.2.1 Omzetting van pyruvaat naar fosfoënolpyruvaat (PEP) Dit is de meest complexe stap en vereist twee enzymatische reacties: 1. **Pyruvaat naar oxaalacetaat:** * Dit gebeurt in de mitochondriën en wordt gekatalyseerd door het enzym **pyruvaatcarboxylase**. * De reactie vereist biotine als cofactor, bicarbonaat (${\text{HCO}_3}^-$), ATP en magnesiumionen. * De reactie is: $$ \text{Pyruvaat} + \text{HCO}_3^- + \text{ATP} \rightarrow \text{Oxaalacetaat} + \text{ADP} + \text{P}_{\text{i}} + \text{H}^+ $$ * Oxaalacetaat kan de mitochondriële membraan niet direct passeren. Het wordt omgezet naar malaat (met NADH en H$^+$) om het cytoplasma te bereiken, waar het weer wordt omgezet tot oxaalacetaat (met NAD$^+$). 2. **Oxaalacetaat naar fosfoënolpyruvaat (PEP):** * Dit gebeurt in het cytoplasma en wordt gekatalyseerd door het enzym **fosfoënolpyruvaatcarboxykinase (PEPCK)**. * Deze reactie vereist GTP als energiebron en CO$_2$. * De reactie is: $$ \text{Oxaalacetaat} + \text{GTP} \rightarrow \text{Fosfoënolpyruvaat} + \text{GDP} + \text{CO}_2 $$ > **Tip:** De omzetting van oxaalacetaat naar fosfoënolpyruvaat is een sleutelstap die veel energie vereist (uit ATP en GTP). De reactie van pyruvaatcarboxylase wordt ook beschouwd als een anaplerotische reactie, die het Krebs-cyclus intermediair oxaalacetaat aanvult. #### 2.2.2 Defosforylering van fructose-1,6-bisfosfaat * Deze stap omzeilt de irreversibele stap van fosfofructokinase-1 in de glycolyse. * Het enzym **fructose-1,6-bisfosfatase** hydrolyseert de fosfaatgroep aan C1 van fructose-1,6-bisfosfaat. * De reactie is: $$ \text{Fructose-1,6-bisfosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Fructose-6-fosfaat} + \text{P}_{\text{i}} $$ #### 2.2.3 Defosforylering van glucose-6-fosfaat * Deze stap omzeilt de irreversibele stap van hexokinase/glucokinase in de glycolyse. * Het enzym **glucose-6-fosfatase** verwijdert de fosfaatgroep van glucose-6-fosfaat, waardoor vrije glucose ontstaat. * Deze reactie vindt plaats in het lumen van het endoplasmatisch reticulum (ER). Het glucose-6-fosfaat moet eerst naar het ER worden getransporteerd en de gevormde glucose wordt vervolgens terug naar het cytoplasma getransporteerd voor export uit de cel. * De reactie is: $$ \text{Glucose-6-fosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Glucose} + \text{P}_{\text{i}} $$ > **Tip:** Glucose-6-fosfatase is afwezig in hersen- en spiercellen, wat verklaart waarom deze weefsels glucose niet kunnen vrijgeven in de bloedbaan. Hersenen gebruiken glucose direct voor hun eigen energiebehoefte. ### 2.3 Energetische balans van gluconeogenese De netto reactie voor de synthese van glucose uit twee moleculen pyruvaat is: $$ 2 \text{ Pyruvaat} + 4 \text{ ATP} + 2 \text{ GTP} + 2 \text{ NADH} + 6 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{Glucose} + 4 \text{ ADP} + 2 \text{ GDP} + 6 \text{ P}_{\text{i}} + 2 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ H}^+ $$ Deze reactie laat zien dat er een aanzienlijke energie-investering nodig is in de vorm van ATP en GTP om de gluconeogenese energetisch gunstig te maken. De reductie van NADH is ook noodzakelijk voor bepaalde stappen. ### 2.4 Regeling van glycolyse en gluconeogenese Een cruciale aspect van de regulatie is het voorkomen van energieverspilling door de simultane activering van zowel glycolyse als gluconeogenese. Dit wordt bereikt door complementaire allostere regulatie van sleutelenzymen. * **Substraatcyclus:** De omzetting van fructose-6-fosfaat naar fructose-1,6-bisfosfaat (glycolyse) en de omgekeerde reactie (gluconeogenese) vormen een substraatcyclus. Een efficiënte regulatie van deze cyclus is essentieel. * **Allostere regulatie van PFK en FBPase:** * **Fosfofructokinase (PFK)**, het sleutelenzym van de glycolyse, wordt gestimuleerd door AMP (een indicator van lage energie) en geïnhibeerd door citraat (een indicator van voldoende energie en Krebs-cyclus activiteit). * **Fructose-1,6-bisfosfatase (FBPase)**, het sleutelenzym van de gluconeogenese, wordt geïnhibeerd door AMP en gestimuleerd door citraat. * Deze tegengestelde regulatie zorgt ervoor dat wanneer de energie laag is (veel AMP), glycolyse wordt gestimuleerd en gluconeogenese wordt geremd. Omgekeerd, wanneer de energie hoog is (weinig AMP, veel citraat), wordt gluconeogenese gestimuleerd en glycolyse geremd. > **Tip:** Het fenomeen van substraatcycli kan leiden tot aanzienlijke energieverspilling als het niet goed gereguleerd is. Een zeldzame reactie op bepaalde anesthetica, zoals halothaan, onderdrukt deze tegengestelde regulatie, wat kan leiden tot gevaarlijke hyperthermie door ongeremde ATP-conversie. #### 2.4.1 Regeling rond pyruvaat De keuze tussen pyruvaat dat de Krebs-cyclus ingaat of wordt omgezet in oxaalacetaat voor gluconeogenese wordt gereguleerd door acetyl-CoA. * **Acetyl-CoA** is een **allostere activator** van **pyruvaatcarboxylase (PC)**, het enzym dat pyruvaat omzet in oxaalacetaat. Een hoge concentratie acetyl-CoA (vaak afkomstig van vetzuuroxidatie) bevordert dus gluconeogenese. * Tegelijkertijd **remt** acetyl-CoA het **pyruvaatdehydrogenase complex (PDC)**, dat pyruvaat omzet in acetyl-CoA voor de Krebs-cyclus. * Deze differentieel regulatie zorgt ervoor dat pyruvaatcarboxylase en pyruvaatdehydrogenase niet tegelijkertijd maximaal actief zijn, wat een verspilling van pyruvaat voorkomt. #### 2.4.2 Cori-cyclus: wisselwerking lever-spieren * Bij intensieve spieractiviteit wordt glucose omgezet in lactaat (anaerobe glycolyse). * Spieren scheiden lactaat uit, dat door de lever wordt opgenomen en via gluconeogenese weer wordt omgezet in glucose. Deze glucose kan vervolgens weer door de spieren worden gebruikt. * Dit proces staat bekend als de Cori-cyclus. Het zorgt ervoor dat de hersenen continu van glucose worden voorzien, zelfs tijdens zware inspanning, en voorkomt te sterke verzuring in de spieren. * Lactaat dehydrogenase (LDH) speelt hierbij een rol, met verschillende iso-vormen in verschillende weefsels (bv. hartspier en spierweefsel) die de richting van de reactie beïnvloeden. > **Voorbeeld:** In de hartspier is de H-vorm van LDH dominant, die lactaat prefereert om te zetten in pyruvaat voor aeroob metabolisme. In de spiercellen zelf wordt eerder pyruvaat omgezet in lactaat om glycolyse te laten doorgaan onder anaerobe omstandigheden. * Om overmatige lactaatvorming in spieren te voorkomen, wordt lactaat dehydrogenase soms geïnhibeerd door pyruvaat zelf. De gevormde lactaat wordt dan grotendeels uitgescheiden en door de lever omgezet tot glucose. Spieren kunnen ook pyruvaat omzetten in alanine, dat door de lever wordt opgenomen en verder wordt verwerkt. --- # De Cori-cyclus en lactaatmetabolisme Dit onderwerp beschrijft de biochemische interactie tussen spierweefsel en de lever, waarbij lactaat gevormd tijdens anaerobe omstandigheden in de spieren door de lever wordt omgezet in glucose. ### 3.1 De Cori-cyclus: wisselwerking tussen lever en spieren De Cori-cyclus is een metabolische route die de wisselwerking tussen spierweefsel en de lever beschrijft, met name tijdens periodes van zware en langdurige spierbelasting. #### 3.1.1 Lactaatvorming tijdens anaerobe glycolyse Tijdens zware spierinspanning wanneer de zuurstoftoevoer ontoereikend is voor aerobe metabolisme, vindt anaerobe glycolyse plaats. Het eindproduct hiervan is pyruvaat. Om de glycolyse te laten doorgaan en de regeneratie van $NAD^+$ te waarborgen, wordt pyruvaat onder invloed van lactaatdehydrogenase (LDH) omgezet in lactaat. Dit proces wordt gezien als een tijdelijke oplossing en een 'ontsnappingsroute' om de glycolyse draaiende te houden. De reactie voor de omzetting van pyruvaat naar lactaat is: $$ \text{Pyruvaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{Lactaat} + \text{NAD}^+ $$ #### 3.1.2 De rol van lactaatdehydrogenase (LDH) Lactaatdehydrogenase is een enzym dat de omkeerbare reactie tussen pyruvaat en lactaat katalyseert. Er bestaan verschillende iso-enzymen van LDH, met specifieke functies in verschillende weefsels: * **H-vorm (hartspierweefsel):** De evenwichtsreactie is sterk verschoven naar de omzetting van lactaat terug naar pyruvaat. Dit weefsel functioneert primair aeroob en gebruikt het gevormde pyruvaat in de citroenzuurcyclus. * **M-vorm (spierweefsel):** In spierweefsel is de tendens om pyruvaat om te zetten in lactaat groter, wat essentieel is om de glycolyse gaande te houden onder anaerobe omstandigheden. #### 3.1.3 Lactaattransport en opname door de lever Lactaat wordt door de spiercellen gecreëerd. Om een te sterke verzuring in de spieren te voorkomen, wat zou kunnen leiden tot lactaatacidose, wordt een deel van het gevormde pyruvaat omgezet in lactaat en een deel in alanine. Lactaat en alanine worden vervolgens uit de spiercel gesecerneerd. De levercellen nemen dit lactaat en alanine op. In de lever wordt alanine omgezet tot pyruvaat. Het opgenomen lactaat wordt eveneens omgezet in pyruvaat. Vervolgens wordt dit pyruvaat, via gluconeogenese, opnieuw omgezet in glucose. #### 3.1.4 Glucoseproductie en -distributie De nieuw gesynthetiseerde glucose in de lever kan worden vrijgegeven aan de bloedbaan om andere weefsels, zoals de hersenen en de spieren, van energie te voorzien. Dit is met name cruciaal om het bloedglucoseniveau stabiel te houden, vooral tijdens periodes van hypoglycemie of verhoogde energievraag. De Cori-cyclus is dus essentieel voor de bloedglucosehomeostase en de levering van brandstof aan energie-afhankelijke weefsels. > **Tip:** Het is belangrijk te onthouden dat hersenen en spiercellen zelf nauwelijks aan gluconeogenese doen vanwege de afwezigheid van specifieke enzymen (zoals glucose-6-fosfatase) en omdat ze prioriteit geven aan directe energieproductie. De lever speelt hierin een centrale rol. ### 3.2 Gluconeogenese: de synthese van glucose Gluconeogenese is het proces waarbij glucose *de novo* wordt gesynthetiseerd uit niet-koolhydraatprecursoren zoals aminozuren, lactaat en pyruvaat. Dit proces vindt voornamelijk plaats in de lever en de niercortex. #### 3.2.1 Omzeilen van de irreversibele stappen in de glycolyse Gluconeogenese is geen exacte omkering van de glycolyse. Dit komt doordat de glycolyse drie biochemisch irreversibele stappen bevat (gekatalyseerd door hexokinase, fosfofructokinase-1 en pyruvaatkinase). Om deze stappen te omzeilen, worden alternatieve enzymatische reacties gebruikt in de gluconeogenese. 1. **Omzetting van pyruvaat naar fosfo-enolpyruvaat (PEP):** Dit is een tweestaps proces: * Pyruvaat wordt eerst door pyruvaatcarboxylase in het mitochondrion omgezet tot oxaalacetaat, met verbruik van ATP en CO₂. $$ \text{Pyruvaat} + \text{HCO}_3^- + \text{ATP} \rightarrow \text{Oxaalacetaat} + \text{ADP} + \text{P}_i $$ * Oxaalacetaat wordt vervolgens door fosfo-enolpyruvaatcarboxykinase (PEPCK), in het cytoplasma, omgezet in fosfo-enolpyruvaat (PEP), met verbruik van GTP. $$ \text{Oxaalacetaat} + \text{GTP} \rightarrow \text{PEP} + \text{GDP} + \text{CO}_2 $$ De overgang van oxaalacetaat vanuit het mitochondrion naar het cytoplasma gebeurt via omzetting naar malaat of aspartaat. 2. **Omzetting van fructose-1,6-bisfosfaat naar fructose-6-fosfaat:** Dit gebeurt door hydrolyse, gekatalyseerd door fructose-1,6-bisfosfatase. $$ \text{Fructose-1,6-bisfosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Fructose-6-fosfaat} + \text{P}_i $$ 3. **Omzetting van glucose-6-fosfaat naar glucose:** Dit gebeurt door hydrolyse van de fosfaatgroep, gekatalyseerd door glucose-6-fosfatase. Dit enzym bevindt zich in het lumen van het endoplasmatisch reticulum. $$ \text{Glucose-6-fosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Glucose} + \text{P}_i $$ #### 3.2.2 Energetische balans van gluconeogenese De totale reactie voor de omzetting van twee moleculen pyruvaat naar één molecuul glucose is energetisch zeer gunstig, maar vereist een aanzienlijke investering van ATP en GTP: $$ 2 \text{ Pyruvaat} + 4 \text{ ATP} + 2 \text{ GTP} + 2 \text{ NADH} + 6 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{Glucose} + 4 \text{ ADP} + 2 \text{ GDP} + 6 \text{ P}_i + 2 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ H}^+ $$ #### 3.2.3 Regulatie van glycolyse en gluconeogenese Glycolyse en gluconeogenese worden strikt gereguleerd om energieverspilling te voorkomen. De snelheid van deze routes wordt aangepast aan de glucoseconcentratie in het bloed en de energiebehoefte van het lichaam. * **Substraatcyclus:** Het controlepunt bij de omzetting van fructose-6-fosfaat naar fructose-1,6-bisfosfaat (glycolyse) en vice versa (gluconeogenese) vormt een substraatcyclus. Deze cycli worden tegengesteld allosterisch gereguleerd. * Fosfofructokinase (PFK, glycolyse) wordt geactiveerd door AMP en geïnhibeerd door citraat. * Fructose-1,6-bisfosfatase (gluconeogenese) wordt geïnhibeerd door AMP en geactiveerd door citraat. > **Tip:** Een verstoring van deze tegenovergestelde allostere regulatie, zoals bij bepaalde anesthesie middelen (bv. halothaan), kan leiden tot simultane activering van beide routes, wat energetisch zeer inefficiënt is en kan resulteren in hyperthermie. * **Regulatie rond pyruvaat:** De keuze tussen pyruvaat om te zetten naar oxaalacetaat (voor gluconeogenese of de citroenzuurcyclus) of naar acetyl-CoA (voor vetzuursynthese of de citroenzuurcyclus) is cruciaal. * Acetyl-CoA is een allostere activator van pyruvaatcarboxylase (PC), het enzym dat pyruvaat omzet in oxaalacetaat. Dit mechanisme remt de citroenzuurcyclus wanneer er voldoende acetyl-CoA aanwezig is. * Het pyruvaatdehydrogenase complex (PDC), dat acetyl-CoA vormt, en pyruvaatcarboxylase (PC) worden differentieel gereguleerd om te voorkomen dat ze tegelijkertijd maximaal actief zijn. #### 3.2.4 Lactaatacidose Een te hoge concentratie lactaat in het bloed kan leiden tot lactaatacidose, een gevaarlijke aandoening die de pH van het bloed verlaagt. Dit kan optreden bij extreme fysieke inspanning of bij bepaalde pathologische toestanden die de zuurstofvoorziening compromitteren. De Cori-cyclus speelt een rol bij het voorkomen van lactaatacidose door lactaat te verwijderen en om te zetten in glucose. > **Example:** Tijdens een marathonrace kan de anaerobe glycolyse in de beenspieren toenemen, wat leidt tot lactaatproductie. Dit lactaat wordt via het bloed naar de lever getransporteerd, waar het wordt omgezet in glucose. Deze glucose kan vervolgens opnieuw door de spieren worden gebruikt, waardoor de Cori-cyclus de inspanningscapaciteit verlengt en helpt bij het handhaven van de bloedglucosewaarden. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Gluconeogenese | De biochemische route waarbij glucose wordt gesynthetiseerd uit niet-koolhydraatprecursoren zoals aminozuren, lactaat en glycerol, voornamelijk in de lever en nierschors. Het is essentieel voor het handhaven van de bloedglucosespiegel, met name tijdens vasten of verhoogde energievraag. | | Glycolyse | Het metabole pad dat glucose (een zes-koolstofsuiker) afbreekt tot twee moleculen pyruvaat (een drie-koolstofverbinding). Dit proces vindt plaats in het cytoplasma van cellen en levert ATP en NADH op, maar kan ook anaerobe omstandigheden leiden tot lactaatvorming. | | Hypoglycemie | Een aandoening waarbij het glucosegehalte in het bloed abnormaal laag is. Dit kan leiden tot symptomen zoals duizeligheid, zwakte en verwardheid, en vereist de aanmaak van glucose uit andere bronnen om de hersenen te voorzien van brandstof. | | Pyruvaat | Een sleutelmetaboliet die het eindproduct is van glycolyse. Pyruvaat kan verder worden gemetaboliseerd in de mitochondriën via de citroenzuurcyclus onder aerobe omstandigheden, of worden omgezet in lactaat of ethanol onder anaerobe omstandigheden. | | Lactaat | Het eindproduct van de anaerobe reductie van pyruvaat, gevormd tijdens intense spieractiviteit of bij zuurstoftekort. Lactaat kan worden getransporteerd naar de lever en daar worden omgezet in glucose via gluconeogenese (de Cori-cyclus). | | Fosfoënolpyruvaat (PEP) | Een intermediair in zowel glycolyse als gluconeogenese. De omzetting van PEP naar pyruvaat (glycolyse) of pyruvaat naar PEP (gluconeogenese) zijn sterk gereguleerde stappen, waarbij verschillende enzymen betrokken zijn. | | Pyruvaatcarboxylase | Een enzym dat de carboxylering van pyruvaat tot oxaalacetaat katalyseert. Dit is de eerste stap in de gluconeogenese die pyruvaat omzet, en het vindt plaats in de mitochondriën. | | Fosfoënolpyruvaat carboxykinase (PEPCK) | Een enzym dat de omzetting van oxaalacetaat naar fosfoënolpyruvaat katalyseert, een cruciale stap in de gluconeogenese. Dit enzym kan zowel in de mitochondriën als in het cytoplasma voorkomen, afhankelijk van de celsoort en de specifieke reactieroute. | | Fructose-1,6-bisfosfatase | Een enzym dat fructose-1,6-bisfosfaat defosforyleert tot fructose-6-fosfaat. Dit is een van de sleutelenzymen die een irreversibele stap van de glycolyse omzeilt tijdens gluconeogenese. | | Glucose-6-fosfatase | Een enzym dat glucose-6-fosfaat defosforyleert tot glucose. Dit is de laatste stap in de gluconeogenese, die plaatsvindt in het endoplasmatisch reticulum en essentieel is voor het vrijgeven van glucose in de bloedbaan. Dit enzym is afwezig in hersen- en spiercellen. | | Allostere regulatie | Een vorm van enzymregulatie waarbij een regulatorisch molecuul (een allostere effector) bindt aan een enzym op een plaats anders dan het actieve centrum, wat leidt tot een verandering in de conformatie en activiteit van het enzym. Dit is cruciaal voor de coördinatie van metabole paden zoals glycolyse en gluconeogenese. | | Cori-cyclus | Een metabole route die de samenwerking tussen spierweefsel en lever beschrijft. Spieren produceren lactaat onder anaerobe omstandigheden, dat naar de lever wordt getransporteerd en daar wordt omgezet in glucose via gluconeogenese, waarna deze glucose weer aan de spieren beschikbaar wordt gesteld. | | Lactaatacidose | Een ernstige medische aandoening gekenmerkt door een overmatige accumulatie van lactaat in het bloed, wat leidt tot een verzuring van het bloed. Het kan worden veroorzaakt door diverse factoren, waaronder intense inspanning of bepaalde medicatie. |

# Structuur en eigenschappen van glycogeen Glycogeen is de polymere opslagvorm van glucose, voornamelijk aanwezig in het cytoplasma van lever- en spiercellen als korrelvormige structuren die enzymen voor zowel synthese als degradatie bevatten. ### 1.1 Moleculaire opbouw van glycogeen Glycogeen bestaat uit glucose-eenheden die met elkaar verbonden zijn via glycosidische bindingen. De structuur wordt gekenmerkt door lineaire ketens en vertakkingen. #### 1.1.1 Glycosidische bindingen Er worden twee hoofdtypen glycosidische bindingen onderscheiden in glycogeen: * **$\alpha$-1,4-bindingen:** Deze bindingen vormen de lineaire ketens van glycogeen. Een $\alpha$-1,4-binding treedt op wanneer het hydroxylgroep op koolstof 1 van een glucosemolecuul een covalente binding aangaat met de hydroxylgroep op koolstof 4 van een ander glucosemolecuul. * **$\alpha$-1,6-bindingen:** Deze bindingen zorgen voor de vertakkingen in de glycogeenstructuur. Een $\alpha$-1,6-binding ontstaat wanneer het hydroxylgroep op koolstof 1 van een glucosemolecuul een covalente binding aangaat met de hydroxylgroep op koolstof 6 van een glucosemolecuul in dezelfde of een andere keten. #### 1.1.2 Korrelvormige structuur Glycogeen wordt opgeslagen in de cel als compacte, korrelvormige structuren in het cytoplasma. Deze granules, met diameters variërend van 100 tot 400 Ångström, bevatten niet alleen glycogeen zelf, maar ook de enzymen die betrokken zijn bij de synthese (anabolisme) en afbraak (catabolisme) van glycogeen. Dit stelt de cel in staat om de glucoseconcentratie snel aan te passen aan de energiebehoeften. De volledige granule kan tot ongeveer 30.000 glucose-eenheden bevatten. > **Tip:** De korrelvormige structuur van glycogeen is essentieel voor efficiënt energiebeheer, doordat het de substraten en enzymen voor glucosemetabolisme dicht bij elkaar brengt. > **Voorbeeld:** De vertakking in glycogeen, ongeveer iedere 10 glucose-residuen, zorgt voor een groter oppervlak voor enzymatische activiteit, wat de afbraak en synthese versnelt. ### 1.2 Vertakkingspatroon Glycogeen heeft een sterk vertakt karakter, wat cruciaal is voor de snelheid van glucosemobilisatie. * **Vertakkingsfrequentie:** Een nieuwe vertakking wordt gevormd door een $\alpha$-1,6-glycosidische binding, die optreedt nadat een lineaire keten van ongeveer 10 $\alpha$-1,4-gebonden glucose-eenheden is gevormd. * **Functie van vertakkingen:** De vele eindpunten van de vertakte ketens bieden talrijke locaties waar enzymen zoals glycogeenfosforylase kunnen aangrijpen om glucose vrij te maken. Dit vergroot de snelheid van glycogeenafbraak aanzienlijk. ### 1.3 Globulaire aard De totale structuur van een glycogeenkorrel is globulair en compact. Een centraal eiwit, glycogenine, dient als startpunt voor de groei van de glycogeenketens. Daaromheen worden de vertakte glucoseketens gesynthetiseerd. Deze compacte structuur maakt efficiënte opslag van grote hoeveelheden glucose mogelijk. --- # Glycogeenafbraak en -synthese Dit hoofdstuk bespreekt de processen van glycogeenafbraak (glycogenolyse) en glycogeenopslag (glycogenese), inclusief de enzymatische stappen en hormonale regulatie die essentieel zijn voor het handhaven van de bloedglucosespiegel. ### 2.1 Glycogeen: structuur en opslag Glycogeen is de opslagvorm van glucose in het lichaam, voornamelijk opgeslagen in de lever en spieren in de vorm van korrelige structuren in het cytosol. Deze granules bevatten de enzymen die nodig zijn voor zowel de synthese als de afbraak van glycogeen. Glycogeen is een polymeer van glucose-eenheden die aan elkaar gekoppeld zijn via verschillende bindingen: * $\alpha$-1,4-glycosidische bindingen voor de lineaire ketens. * $\alpha$-1,6-glycosidische bindingen voor de vertakkingen, die ongeveer elke tien glucose-eenheden voorkomen. Deze structuur, met een centrale glycogenine-eiwitkern omringd door glucose-eenheden, kan tot wel 30.000 glucose-eenheden bevatten. ### 2.2 Glycogeenafbraak (Glycogenolyse) Glycogeenafbraak vindt plaats via een fosforolytische splitsing, wat betekent dat orthofosfaat ($P_i$) wordt gebruikt om glucose-eenheden af te splitsen, in plaats van hydrolytische splitsing met water. Dit proces leidt tot de vorming van glucose-1-fosfaat. #### 2.2.1 De rol van glycogeenfosforylase Het sleutelenzym in de glycogeenafbraak is **glycogeenfosforylase**. Dit enzym verwijdert sequentieel glucose-eenheden van de niet-reducerende uiteinden van de glycogeenketen via fosforolytische $\alpha$-1,4-glycosidische splitsing, waarbij glucose-1-fosfaat ontstaat. $$ \text{glycogeen}_n + P_i \rightleftharpoons \text{glycogeen}_{n-1} + \text{glucose-1-fosfaat} $$ Deze reactie heeft een $\Delta G^\circ \approx 0$. De hoge concentratie van anorganisch fosfaat ($[P_i]$) in de cel drijft de reactie echter naar rechts, wat gunstig is omdat het product, glucose-1-fosfaat, een gefosforyleerde vorm van glucose is die in de cel blijft en geen nieuwe fosforylering vereist. #### 2.2.2 Debranching enzymen Glycogeenfosforylase stopt met werken ongeveer vier glucose-eenheden voor een vertakkingspunt. Om de afbraak voort te zetten, zijn er twee additionele enzymen nodig: 1. **Transferase (debranching enzym):** Dit enzym verplaatst een blok van drie glucose-eenheden van de vertakte keten naar het einde van een lineaire keten, waardoor de keten weer toegankelijk wordt voor glycogeenfosforylase. 2. **$\alpha$-1,6-glucosidase (debranching enzym):** Dit enzym hydrolyseert de $\alpha$-1,6-glycosidische binding op het vertakkingspunt, waardoor de laatste glucose-eenheid van de vertakking vrijkomt als glucose. Deze splitsing is hydrolytisch, in tegenstelling tot de fosforolytische splitsing van de $\alpha$-1,4-bindingen. #### 2.2.3 Verdere metabolisme van glucose-1-fosfaat Glucose-1-fosfaat wordt door het enzym **fosfoglucomutase** omgezet naar glucose-6-fosfaat. Dit gebeurt via een glucose-1,6-bisfosfaat intermediair, vergelijkbaar met fosfoglyceromutase in de glycolyse. Voor de levercel geldt: * Glucose-6-fosfaat kan worden omgezet naar vrije glucose door het enzym **glucose-6-fosfatase**. Vrije glucose kan vervolgens de cel verlaten en de bloedbaan in om de bloedglucosespiegel te verhogen. Voor spiercellen geldt: * Spiercellen missen glucose-6-fosfatase. Glucose-6-fosfaat wordt in spieren geïntegreerd in de glycolyse voor energieproductie of kan worden opgeslagen als glycogeen. ### 2.3 Glycogeensynthese (Glycogenese) Glycogeensynthese is geen simpele omkering van de afbraak, voornamelijk vanwege de hoge intracellulaire concentratie van anorganisch fosfaat die de fosforolytische reactie zou tegengaan. #### 2.3.1 UDP-glucose: de glycosyl-donor De directe glycosyl-donor voor glycogeensynthese is **uridine difosfaat-glucose (UDP-glucose)**. UDP-glucose wordt gevormd uit glucose-1-fosfaat en uridine trifosfaat (UTP) in een reactie gekatalyseerd door UDP-glucosepyrofosforylase: $$ \text{glucose-1-fosfaat} + \text{UTP} \rightleftharpoons \text{UDP-glucose} + P_2O_7^{4-} $$ De pirofosfaat ($P_2O_7^{4-}$) wordt vervolgens gehydrolyseerd, wat de reactie verder naar rechts drijft: $$ P_2O_7^{4-} + H_2O \rightarrow 2 P_i $$ #### 2.3.2 De rol van glycogeen synthase Het sleutelenzym in de glycogeensynthese is **glycogeen synthase**. Dit enzym katalyseert de overdracht van glucose-eenheden van UDP-glucose naar het niet-reducerende uiteinde van een bestaande glycogeenketen, waarbij een $\alpha$-1,4-glycosidische binding wordt gevormd. $$ \text{glycogeen}_n + \text{UDP-glucose} \rightarrow \text{glycogeen}_{n+1} + \text{UDP} $$ #### 2.3.3 Vereisten voor glycogeen synthese * **Primer:** Glycogeen synthase kan geen nieuwe ketens beginnen. Er is een bestaande primer nodig, bestaande uit ten minste vier glucose-eenheden, die covalent gebonden is aan het glycogenine-eiwit. * **Branching enzym:** Om de efficiënte opslag en snelle afbraak mogelijk te maken, is de vorming van vertakkingen essentieel. Een **branching enzym** (een transferase) verplaatst een blok van ongeveer zeven glucose-eenheden van een lineaire keten naar een verder gelegen positie om een $\alpha$-1,6-glycosidische binding te vormen, waardoor een nieuw vertakkingspunt ontstaat. ### 2.4 Regulatie van glycogeen metabolisme De afbraak en synthese van glycogeen staan onder strikte hormonale controle, voornamelijk door insuline, adrenaline (epinefrine) en glucagon. Deze hormonen reguleren de activiteit van glycogeen synthase en glycogeenfosforylase via fosforylering en defosforylering. #### 2.4.1 Hormonale signalering en fosforyleringscascade * **Glucagon en Adrenaline:** Bij een lage bloedsuikerspiegel (gevoeld door de lever) of bij stress (adrenaline) wordt een fosforyleringscascade geactiveerd: 1. Glucagon (in de lever) of adrenaline (in lever en spieren) bindt aan hun respectievelijke receptoren. 2. Dit activeert adenylaatcyclase, wat leidt tot de productie van cyclisch AMP (cAMP) uit ATP. 3. cAMP activeert proteïne kinase A (PKA). 4. PKA fosforyleert meerdere enzymen, waaronder: * **Fosforylase kinase:** Dit kinase (ook wel synthase-fosforylase kinase, SPK) wordt geactiveerd. * **Glycogeen synthase:** Wordt geïnactiveerd door fosforylering. * **Inhibitor-1:** Wordt gefosforyleerd, waardoor het fosfatase-enzym dat fosforylase en glycogeen synthase defosforyleert, wordt geïnhibeerd. * **Effecten van de cascade:** * Geactiveerd fosforylase kinase fosforyleert glycogeenfosforylase b (inactief) naar fosforylase a (actief), wat leidt tot glycogeenafbraak. * Glycogeen synthase wordt geïnactiveerd, wat de synthese stopt. * Inhibitor-1 verhindert de defosforylering van fosforylase a, waardoor de afbraak langer aanhoudt. #### 2.4.2 De rol van fosfatase Wanneer de hormonale signalen afnemen of wanneer de bloedsuikerspiegel stijgt: 1. cAMP wordt afgebroken door fosfodiësterase tot AMP. 2. PKA-activiteit neemt af, waardoor fosforylering stopt. 3. De fosfatase-activiteit, die eerst geïnhibeerd was door inhibitor-1, wordt nu actief. 4. Fosfatase defosforyleert: * Fosforylase a naar fosforylase b (inactief), waardoor de afbraak stopt. * Fosforylase kinase, waardoor het inactief wordt. * Glycogeen synthase, waardoor het geactiveerd wordt en de synthese hervat. #### 2.4.3 Regulatorspecifiek voor de lever * **Leverfosforylase:** De activiteit van leverfosforylase wordt ook direct beïnvloed door de bloedglucosespiegel. Hoge glucoseconcentraties binden aan fosforylase a en verschuiven de conformatie van de actieve R-vorm naar de minder actieve T-vorm. Dit vergemakkelijkt de defosforylering door fosfatase, wat de glycogeenafbraak in de lever remt wanneer de bloedsuikerspiegel hoog is. * **Glucokinase:** Dit enzym speelt een rol bij het terug opnemen van glucose in de lever voor glycogeen synthese wanneer de bloedsuikerspiegel te hoog is. Glucokinase heeft een hoge $K_m$ (lage affiniteit) voor glucose, wat betekent dat het pas efficiënt werkt bij relatief hoge glucoseconcentraties. Dit fungeert als een drempel voor de start van glycogeen synthese. #### 2.4.4 Spierfosforylase Spierfosforylase wordt niet alleen gereguleerd door fosforylering (via adrenaline), maar ook allosterisch. Tijdens spiercontractie verhoogt AMP de activiteit van fosforylase b, terwijl glucose-6-fosfaat de activiteit remt. ### 2.5 Glycogeenstapelingsziekten Erfelijke enzymdefecten in het glycogeenmetabolisme kunnen leiden tot glycogeenstapelingsziekten, die ernstige symptomen kunnen veroorzaken. Hoewel specifieke ziektes niet diepgaand worden behandeld, wordt het belang van deze genetische aandoeningen benadrukt. ### 2.6 Integratie met cellulaire homeostase Het glycogeenmetabolisme is nauw verbonden met andere cellulaire metabole routes en de regulatie van genexpressie. Metabolieten die betrokken zijn bij glycogeenmetabolisme, zoals UDP-glucose, spelen ook een rol in post-translationele modificaties van eiwitten die genexpressie reguleren, wat de integratie van metabolisme en cellulaire signalering illustreert. Bijvoorbeeld, de concentratie van acetyl-CoA, een product van koolhydraatmetabolisme, beïnvloedt histonacetylering, wat transcriptieprocessen kan sturen naar celproliferatie of lipogenese. De lever fungeert als leverancier van glucose voor de rest van het lichaam, terwijl spieren glucose primair verbruiken voor eigen energiebehoeften. --- # Regulatie van glycogeenmetabolisme door hormonen en signalering Hormonen en cellulaire signaleringscascades spelen een cruciale rol in de dynamische regulatie van zowel de synthese als de afbraak van glycogeen, wat essentieel is voor het handhaven van de bloedglucosespiegel. ### 3.1 Inleiding tot hormoonregulatie De activiteit van sleutelenzymen in het glycogeenmetabolisme wordt nauwkeurig afgestemd door hormonen zoals insuline, adrenaline en glucagon. Deze regulatie vindt plaats via cellulaire signaleringspaden, voornamelijk gebaseerd op fosforylering en defosforylering van enzymen, die bepalen of glycogeen wordt opgeslagen of afgebroken. ### 3.2 Hormonale signalering cascades #### 3.2.1 Glucagon en adrenaline: Activering van glycogeenafbraak Zowel glucagon als adrenaline (epinefrine) initiëren een fosforyleringscascade die leidt tot de activering van glycogeenafbraak en de inactivatie van glycogeen synthese. 1. **Hormoonbinding:** Glucagon bindt aan glucagonreceptoren en adrenaline aan adrenaline- of adrenerge receptoren op het celmembraan. 2. **Adenylaatcyclase activatie:** De receptor-ligandbinding activeert het membraangebonden enzym adenylaatcyclase. 3. **cAMP-productie:** Adenylaatcyclase katalyseert de omzetting van ATP naar cyclisch AMP (cAMP), een belangrijke tweede boodschapper. 4. **PKA activatie:** cAMP bindt aan de regulatorische subeenheden van proteïne kinase A (PKA), waardoor de katalytische subeenheden vrijkomen en actief worden. 5. **Fosforylering van doelwitenzymen:** Geactiveerde PKA fosforyleert meerdere doelwitten: * **Fosforylase kinase (SPK):** PKA fosforyleert en activeert fosforylase kinase. De delta subeenheid van fosforylase kinase is calmoduline. * **Glycogeen synthase:** PKA fosforyleert en inactiveert glycogeen synthase. * **Inhibitor-1:** PKA fosforyleert Inhibitor-1. Gefosforyleerd Inhibitor-1 bindt aan en remt fosforylase fosfatase. #### 3.2.2 Rol van fosforylase kinase (SPK) Actief, gefosforyleerd fosforylase kinase (P-SPK) speelt een centrale rol in de activatie van glycogeenafbraak: * **Fosforylering van glycogeen fosforylase:** P-SPK fosforyleert glycogeen fosforylase b (inactieve vorm) op een specifiek serine residu, waardoor het wordt omgezet in glycogeen fosforylase a (actieve vorm). * **Fosforylering van glycogeen synthase:** PKA fosforyleert glycogeen synthase direct, wat leidt tot inactivatie. #### 3.2.3 Glycogeen fosforylase: Activering en regulatie Glycogeen fosforylase is het sleutelenzym voor de initiële stap van glycogeenafbraak, waarbij glucose-1-fosfaat wordt vrijgegeven. * **Leverfosforylase:** Leverfosforylase kan bestaan in verschillende conformaties: de R-vorm (relaxed, actief) en de T-vorm (tense, inactief). De fosforylatietoestand beïnvloedt de balans tussen deze vormen. Leverfosforylase a (gefosforyleerd) is voornamelijk in de R-vorm en dus actief. De leverfosforylase fungeert ook als een glucose-sensor: hoge glucoseconcentraties binden aan fosforylase a, verschuiven het evenwicht naar de T-vorm en faciliteren de defosforylering door fosfatase. * **Spierfosforylase:** Spierfosforylase wordt gereguleerd door zowel fosforylering als allosterie. In rust is de inactieve b-vorm dominant, geremd door ATP en glucose-6-fosfaat. Tijdens spiercontractie stijgt AMP, wat allosterische activatie van fosforylase b veroorzaakt. Fosforylase a, gevormd door SPK-activatie (bij adrenaline en spierstimulatie), is altijd actief, onafhankelijk van allosterische effectoren. #### 3.2.4 Glycogeen synthase: Inactivatie Glycogeen synthase wordt geïnactiveerd door fosforylering, voornamelijk door PKA en fosforylase kinase. Dit voorkomt dat glycogeen synthese plaatsvindt wanneer glycogeenafbraak wordt gestimuleerd. #### 3.2.5 De rol van fosfatase Fosforylase fosfatase (ook bekend als proteïne fosfatase 1 of PP1) is verantwoordelijk voor de defosforylering van enzymen die betrokken zijn bij het glycogeenmetabolisme. * **Inactivatie van fosfatase:** Gevosforyleerd Inhibitor-1 bindt aan fosfatase en remt de activiteit ervan, waardoor de glycogeenafbraak voortduurt zolang de cAMP-niveaus hoog zijn. * **Activatie van fosfatase:** Wanneer de signalering afneemt (bv. door afbraak van cAMP door fosfodiësterase), wordt Inhibitor-1 gedefosforyleerd, komt het los van fosfatase, en wordt de fosfatase-activiteit hersteld. * **Substraten van fosfatase:** Fosfatase defosforyleert en activeert glycogeen synthase, inactiveert fosforylase a tot fosforylase b, en defosforyleert fosforylase kinase, waardoor de hele glycogeenafbraak cascade wordt gestopt. #### 3.2.6 Insuline: Activering van glycogeen synthese Insuline, vrijgegeven door de pancreas b-cellen, bevordert de glucoseopname in gevoelige weefsels (spieren, vetweefsel) via translocatie van GLUT4-transporters naar het celmembraan. Op het niveau van het glycogeenmetabolisme bevordert insuline de synthese en remt het de afbraak. * **Indirecte effecten:** Insuline activeert eiwitfosfatase 1 (PP1) via een cascade die uiteindelijk leidt tot de defosforylering en activering van glycogeen synthase. * **Onderdrukking van gluconeogenese:** In de lever remt insuline ook gluconeogenese, wat bijdraagt aan de stabilisatie van de bloedglucosespiegel. ### 3.3 Integratie van signalering en metabolisme De regulatie van het glycogeenmetabolisme illustreert een breed principe van metabole homeostase, waarbij hormonen via intracellulaire signalering cascades de activiteit van sleutelenzymen aanpassen om te reageren op fysiologische behoeften, zoals de bloedglucosespiegel. De cascade van glucagon en adrenaline is een klassiek voorbeeld van signaaltransductie waarbij een extracellulair signaal (hormoon) wordt omgezet in een intracellulair antwoord (enzymactivatie/inactivatie). > **Tip:** Het begrijpen van de fosforyleringscascades is cruciaal. Onthoud dat hormonen de activiteit van kinases en fosfatases beïnvloeden, wat leidt tot een kettingreactie van enzymmodificaties die het metabolisme sturen. > **Voorbeeld:** Wanneer de bloedsuikerspiegel daalt, wordt glucagon vrijgegeven. Dit activeert PKA, wat leidt tot de fosforylering en activering van fosforylase kinase en fosforylase, en de inactivatie van glycogeen synthase. Hierdoor wordt glycogeen in de lever afgebroken tot glucose, wat de bloedsuikerspiegel weer verhoogt. Omgekeerd, na een maaltijd, zorgt insuline ervoor dat de glucose wordt opgenomen en opgeslagen als glycogeen. ### 3.4 Gevolgen van enzymdefecten Erfelijke enzymdefecten in het glycogeenmetabolisme kunnen leiden tot ernstige symptomen of zelfs letaal zijn, wat het belang van nauwkeurige hormonale regulatie onderstreept. ### 3.5 Omschakeling van glycogeenafbraak naar synthese De omschakeling tussen glycogeenafbraak en synthese wordt gereguleerd door de concentratie van hormonen en metabolieten: * Wanneer de bloedglucosespiegel stijgt (bv. na een maaltijd), wordt insuline afgegeven, wat de glycogeen synthese bevordert. * Wanneer de bloedglucosespiegel daalt (bv. tussen maaltijden of tijdens inspanning), worden glucagon en adrenaline afgegeven, wat de glycogeenafbraak stimuleert. #### 3.5.1 Lever als glucoseleverancier De lever speelt een unieke rol als leverancier van glucose aan de circulatie, mede dankzij het enzym glucose-6-fosfatase, dat in de lever maar niet in de spieren aanwezig is. Dit stelt de lever in staat om glucose-6-fosfaat om te zetten in glucose, dat vervolgens de cel kan verlaten om de bloedsuikerspiegel te handhaven. #### 3.5.2 Respons op overmatige glucose Bij een excessieve glucoseconcentratie, nadat glycogeenafbraak is gestopt, kan de lever via glucokinase (met een hoge $K_M$) de glucose opnemen en opnieuw inbouwen in glycogeen, wat helpt de bloedsuikerspiegel te stabiliseren. > **Voorbeeld:** De leverfosforylase is direct gevoelig voor glucoseconcentraties. Bij hoge glucose spiegels wordt de actieve R-vorm van leverfosforylase omgezet naar de inactieve T-vorm, wat de defosforylering door fosfatase faciliteert en de glycogeenafbraak stopt. Vervolgens zorgt insuline voor de activering van glycogeen synthase om glucose op te slaan als glycogeen. --- # Integratie van metabolisme en genexpressie Dit onderwerp onderzoekt de verbinding tussen metabole flux en de regulatie van genexpressie via post-translationele modificaties, en de rol van metabolieten als sensoren. ### 4.1 Metabolieten als regulatoren van genexpressie De activiteit van enzymen die post-translationele modificaties (PTM's) uitvoeren op DNA en eiwitten, zoals methylering en acetylering, wordt sterk beïnvloed door de cellulaire concentraties van cruciale metabolieten. Deze metabolieten fungeren als sensoren voor de metabole status van de cel en sturen zo de genexpressie aan. #### 4.1.1 Enzymen die PTM's uitvoeren en hun metabolische co-factoren Veel enzymen die PTM's toevoegen ('writers') of verwijderen ('erasers') gebruiken co-enzymen of substraten die centrale metabolieten zijn. Voorbeelden hiervan zijn: * **Acetyl-CoA**: Cruciaal voor histonacetylering. De concentratie ervan fluctueert met de metabole status, beïnvloed door zowel katabole (bv. glycolyse, vetzuuroxidatie) als anabole routes. * **Uridine difosfaat (UDP)-glucose**: Betrokken bij glycogeen synthese, maar ook potentieel relevant voor andere glycoproteïnen die genexpressie kunnen beïnvloeden. * **Alfa-ketoglutaraat (α-KG)**: Essentieel voor de activiteit van bepaalde histondeacetylasen en demethylasen. * **NAD+**: Een belangrijke activator voor histondeacetylasen (HDACs), met name de sirtuïnes, die geactiveerd worden bij een lage energielading van de cel. * **FAD**: Een redox-actieve co-factor die betrokken is bij tal van metabole reacties en de beschikbaarheid van andere metabolieten kan beïnvloeden. * **ATP**: De universele energievaluta, wiens concentratie de activiteit van veel cellulaire processen, inclusief genexpressie, beïnvloedt. * **S-adenosylmethionine (SAM)**: Een universele methyl-donor voor DNA en histon methylatie, afkomstig uit het folaat metabolisme. #### 4.1.2 Acetyl-CoA en histonacetylering Acetyl-CoA is een universele donor voor acetyleringsreacties, met name voor de acetylering van histonen. Dit proces is direct verbonden aan het metabolisme: * **Oorsprong van Acetyl-CoA**: Wordt gegenereerd uit koolhydraatcatabolisme (glycolyse en pyruvaatdehydrogenase complex) en vetzuuroxidatie (β-oxidatie). Een overmaat aan acetyl-CoA kan als citraat uit de mitochondriën worden geëxporteerd. * **Invloed van metabole flux**: Veranderingen in de katabole of anabole flux van metabole intermediairen leiden tot variaties in de intracellulaire concentratie van acetyl-CoA. * **Functionele implicaties**: * Wanneer acetyl-CoA afkomstig is van glucoseafbraak (wat duidt op een hoge energielading in de cel), wordt dit gebruikt voor histonacetylering. Dit leidt tot een transcriptieprogramma dat celproliferatie en lipogenese bevordert. * Omgekeerd worden sirtuïnes (een klasse van HDACs) geactiveerd door een lage energielading, waarbij NAD+ als activator fungeert. #### 4.1.3 SAM en methylering SAM is een essentiële methylgroep-donor voor DNA- en histonmethylatie. De productie van SAM is afhankelijk van het folaat metabolisme, wat aangeeft hoe vitamines en nutriënten direct kunnen ingrijpen in de regulatie van genexpressie via epigenetische mechanismen. #### 4.1.4 NAD+ en de mitochondriën-nucleus communicatie NAD+ speelt een sleutelrol in de communicatie tussen de mitochondriën en de nucleus, met name in relatie tot de oxidatieve fosforylering (OXPHOS). * **Stoichiometrie van OXPHOS**: De componenten van de OXPHOS keten worden deels door nucleaire genen en deels door het mitochondriale genoom gecodeerd. Een uit balans geraakte communicatie kan leiden tot een verstoring in de stoichiometrie en dus in de OXPHOS-efficiëntie. * **NAD+ als regulator**: Nucleaire NAD+ niveaus helpen bij de expressie van mitochondriale genen die coderen voor onderdelen van de OXPHOS keten. Het verhogen van nucleaire NAD+ kan bij proefdieren leiden tot genormaliseerde ATP-productie, verbeterde expressie van mitochondriale OXPHOS subeenheden en verbeterde skeletspierprestaties. Dit suggereert een rol van NAD+ in het voorkomen van leeftijdsgebonden achteruitgang van mitochondriale functie en cellulaire energieproductie. #### 4.1.5 Metabolieten als 'sensoren' De enzymen die PTM's aanbrengen ('writers') en verwijderen ('erasers') fungeren als metabole sensoren. Hun activiteit wordt direct beïnvloed door de beschikbaarheid van metabolieten, waardoor ze een koppeling vormen tussen de metabole toestand van de cel en de chromatine-structuur en -functie. > **Tip:** Begrijpen hoe specifieke metabolieten (zoals acetyl-CoA en NAD+) de activiteit van chromatineregulerende enzymen beïnvloeden, is cruciaal. Denk na over hoe de metabole status van de cel (bv. energierijk vs. energiekrap) direct de gentranscriptie kan sturen. #### 4.1.6 Specifieke voorbeelden van metaboliet-gestuurde PTM's * **Histonacetylering**: Gereguleerd door acetyltransferases (KATs), die afhankelijk zijn van acetyl-CoA. Histondeacetylasen (HDACs), waaronder sirtuïnes, zijn afhankelijk van NAD+. * **Histonmethylering**: Histonmethyltransferasen (HMTs) en demethylasen vereisen SAM en alfa-ketoglutaraat (α-KG). #### 4.1.7 Glucose als sensor in de lever In de lever fungeert fosforylase a, een enzym betrokken bij glycogeenafbraak, als een directe 'sensor' voor de bloedglucosespiegel. * **Mechanisme**: Bij hoge glucoseconcentraties bindt glucose aan fosforylase a, waardoor de conformatie verschuift van de actieve R-vorm naar de inactieve T-vorm. Fosfatase enzymen kunnen alleen aan de T-configuratie binden om fosforylase a te dephosphoryleren tot de inactieve fosforylase b. Dit proces helpt om de bloedglucosespiegel te reguleren door glycogeenafbraak te stoppen wanneer de glucoseconcentratie hoog is. * **Rol van glucokinase**: Glucokinase in de lever, met zijn hoge $K_M$ voor glucose, initieert glycogeen synthese wanneer de glucoseconcentratie een bepaalde drempel overschrijdt. Dit is complementair aan de functie van fosforylase, dat bepaalt wanneer de afbraak van glycogeen stopt. > **Voorbeeld:** Als de cel een hoge energielading heeft door overvloedige glucose, zal dit leiden tot een hogere concentratie acetyl-CoA. Dit acetyl-CoA kan vervolgens gebruikt worden om histonen te acetyleren, wat de transcriptie van genen die betrokken zijn bij celgroei en lipogenese bevordert. Dit toont een directe link tussen nutrientenbeschikbaarheid en celgedrag. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Glycogeen | Een vertakt polysacharide van glucose-eenheden dat dient als energieopslag in dierlijke cellen, voornamelijk in de lever en spieren. | | Glycosidische binding | Een chemische binding die ontstaat tussen twee monosachariden door de vorming van een acetal. In glycogeen zijn dit voornamelijk $\alpha$-1,4 en $\alpha$-1,6 bindingen. | | $\alpha$-1,4 binding | Een type glycosidische binding waarbij het koolstofatoom 1 van de ene glucose-eenheid is verbonden met het koolstofatoom 4 van de volgende glucose-eenheid, wat resulteert in een lineaire keten. | | $\alpha$-1,6 binding | Een type glycosidische binding waarbij het koolstofatoom 1 van een glucose-eenheid is verbonden met het koolstofatoom 6 van een andere glucose-eenheid, wat leidt tot een vertakking in de glycogeenketen. | | Glycogeenstapeling | De opslag van glucose in de vorm van glycogeen in de lever en spieren, voornamelijk in het cytosol als korrelvormige structuren. | | Glycogeenmetabolisme | Het biochemische proces dat zowel de synthese (glycogenese) als de afbraak (glycogenolyse) van glycogeen omvat, essentieel voor de regulatie van de bloedglucosespiegel. | | Glycogeenafbraak (Glycogenolyse) | Het proces waarbij glycogeen wordt afgebroken tot glucose-eenheden, voornamelijk door fosforolytische splitsing door glycogeenfosforylase, wat glucose-1-fosfaat oplevert. | | Glycogeen synthese (Glycogenese) | Het proces waarbij glucose wordt opgeslagen als glycogeen, waarbij uridine difosfaat-glucose (UDP-glucose) fungeert als glycosyldonor en glycogeen synthase de $\alpha$-1,4 bindingen vormt. | | Orthofosfaat | Een anorganisch fosfaat-ion ($\text{PO}_4^{3-}$) dat een cruciale rol speelt in de fosforolytische splitsing van glycogeen. | | Fosforolytische splitsing | Een reactie waarbij een fosfaatgroep, meestal uit orthofosfaat, wordt ingevoegd door het verbreken van een chemische binding, in plaats van hydrolyse met water. | | Hydrolytische splitsing | Een reactie waarbij water wordt gebruikt om een chemische binding te verbreken, vaak resulterend in de vorming van twee kleinere moleculen. | | Glycogeenfosforylase | Een enzym dat de fosforolytische afbraak van glycogeen katalyseert, waarbij glucose-1-fosfaat wordt gevormd. | | Glucose-1-fosfaat | Een gefosforyleerd glucosemolecuul dat het product is van de glycogeenafbraak door glycogeenfosforylase en een tussenstap is naar glucose-6-fosfaat. | | Glucose-6-fosfaat | Een gefosforyleerd glucosemolecuul dat een belangrijke intermediair is in het metabolisme, geproduceerd uit glucose-1-fosfaat door fosfoglucomutase. | | Fosfoglucomutase | Een enzym dat de fosfaatgroep van koolstof 1 naar koolstof 6 van glucose verplaatst, waarbij glucose-1-fosfaat wordt omgezet in glucose-6-fosfaat. | | Glucose-6-fosfatase | Een enzym dat glucose-6-fosfaat omzet in vrije glucose, voornamelijk aanwezig in de lever en cruciaal voor het vrijgeven van glucose in de bloedbaan. | | Uridine difosfaat-glucose (UDP-glucose) | Een geactiveerde vorm van glucose die dient als substraat voor de synthese van glycogeen en andere $\alpha$-glucanen. | | Glycogeen synthase | Het enzym dat de $\alpha$-1,4 glycosidische bindingen vormt tijdens de synthese van glycogeen. | | "Branching enzyme" (vertakkingsenzym) | Een enzym dat korte segmenten van de lineaire glycogeenketen afsplitst en ze met $\alpha$-1,6 bindingen aan de keten hecht, waardoor vertakkingen ontstaan. | | Hormonale regulatie | Het proces waarbij hormonen, zoals insuline, glucagon en adrenaline, de activiteit van enzymen en metabole routes reguleren om de homeostase te handhaven. | | cAMP (cyclisch adenosinemonofosfaat) | Een cyclisch nucleotide dat als secundaire boodschapper fungeert in veel cellulaire signaleringsroutes, en betrokken is bij de regulatie van glycogeenmetabolisme. | | Fosforylering | De toevoeging van een fosfaatgroep aan een molecuul, vaak een eiwit, wat kan leiden tot activatie of inactivatie van de functie ervan. | | Adenylaatcyclase | Een enzym dat ATP omzet in cAMP, en wordt geactiveerd door bepaalde hormonen en receptoren. | | Proteïnekinase A (PKA) | Een enzym dat een belangrijke rol speelt in de signaaltransductie; het wordt geactiveerd door cAMP en fosforyleert diverse doeleiwitten, waaronder enzymen van het glycogeenmetabolisme. | | Fosfaatgroep | Een ion ($\text{PO}_4^{3-}$) dat een belangrijke rol speelt in energieoverdracht en regulatie van eiwitfunctie via fosforylering. | | Metabolieten | Moleculen die betrokken zijn bij het metabolisme, zoals koolhydraten, vetten, eiwitten, nucleïnezuren en hun afbraak- of syntheseverbindingen. | | Genexpressie | Het proces waarbij de informatie in een gen wordt gebruikt om een functioneel product te maken, meestal een eiwit. | | Post-translationele modificaties (PTMs) | Chemische modificaties die plaatsvinden op een eiwit na de synthese ervan, zoals fosforylering, acetylering en methylering, die de functie van het eiwit kunnen beïnvloeden. | | Acetyl-CoA | Een co-enzym dat een centrale rol speelt in het metabolisme, betrokken bij de citroenzuurcyclus en vetzuurmetabolisme; het is ook een donor voor acetylgroepen in acetyleringreacties. | | Histonen | Eiwitten die rond DNA worden gewikkeld om nucleosomen te vormen, een fundamentele component van chromatine en belangrijk voor genregulatie. | | Histonacetylering | Een post-translationele modificatie van histonen waarbij een acetylgroep wordt toegevoegd, wat de transcriptie van genen kan bevorderen. | | Sirtuïnes | Een klasse van NAD+-afhankelijke deacetylasen (HDACs) die een rol spelen bij het koppelen van metabole status aan genexpressie en veroudering. | | Oxidatieve fosforylering (OXPHOS) | Het proces waarbij ATP wordt gegenereerd door een reeks enzymcomplexen in de mitochondriale binnenmembraan, gebruikmakend van de energie uit de oxidatie van voedingsstoffen. | | NAD+ | Nicotinamide-adenine-dinucleotide, een belangrijk co-enzym dat deelneemt aan redoxreacties in het metabolisme en als activator dient voor sirtuïnes. |

# Belang van aminozuurmetabolisme en stikstofbalans Het aminozuurmetabolisme is fundamenteel voor het behoud van de homeostase van het lichaam, aangezien aminozuren niet alleen de bouwstenen van eiwitten zijn, maar ook essentiële rollen spelen in de synthese van talrijke biomoleculen en in de stikstofuitscheiding. ## 1. Belang van het aminozuurmetabolisme Het aminozuurmetabolisme is van cruciaal belang voor diverse fysiologische processen. Naast hun rol in de eiwitsynthese, vormen aminozuren de basis voor de productie van belangrijke biomoleculen zoals purines, pyrimidines, porfyrines en lipiden. Ze zijn betrokken bij cel-cel communicatie en spelen een rol in cellulaire energiestofwisseling. De 'aminozuurpool' in het lichaam vertegenwoordigt een dynamisch reservoir van aminozuren, afkomstig uit de voeding, de afbraak van lichaamseigen eiwitten en de novo synthese. ### 1.1 Oorsprong van aminozuren Amino'suren kunnen op verschillende manieren verkregen worden: * **Voeding:** Eiwitten uit de voeding worden verteerd tot aminozuren. * **Afbraak lichaamseigen eiwitten:** Endogene eiwitten worden continu afgebroken en de vrijgekomen aminozuren worden gerecycled. * **De novo synthese:** Het lichaam kan zelf aminozuren synthetiseren. ### 1.2 Essentiële versus niet-essentiële aminozuren Een onderscheid wordt gemaakt tussen essentiële en niet-essentiële aminozuren: * **Essentiële aminozuren:** Deze kunnen niet door het lichaam zelf gesynthetiseerd worden en moeten dus via de voeding worden opgenomen. Een tekort aan zelfs één essentieel aminozuur kan leiden tot problemen met de eiwitsynthese. Voorbeelden zijn fenylalanine, valine, threonine, tryptofaan, methionine, leucine, isoleucine, lysine en histidine. * **Niet-essentiële aminozuren:** Deze kan het lichaam zelf synthetiseren. Voorbeelden zijn alanine, arginine, asparagine, aspartaat, cysteïne, glutamaat, glutamine, glycine, proline, serine en tyrosine. Tyrosine wordt echter een essentieel aminozuur bij patiënten met fenylketonurie (PKU) door een defect enzym. ### 1.3 Stikstofbalans De stikstofbalans verwijst naar de verhouding tussen de opname en uitscheiding van stikstof in het lichaam. Stikstof is voornamelijk aanwezig in eiwitten en aminozuren. * **Positieve stikstofbalans:** De stikstofopname is groter dan de uitscheiding. Dit treedt op tijdens groei, zwangerschap en herstelperioden, wanneer eiwitten worden opgebouwd. * **Nul stikstofbalans:** De opname en uitscheiding zijn gelijk, wat kenmerkend is voor een gezonde volwassene in evenwicht. * **Negatieve stikstofbalans:** De stikstofuitscheiding is groter dan de opname. Dit kan voorkomen bij ondervoeding, ziekte, stress of brandwonden, waarbij eiwitten worden afgebroken voor energie of als gevolg van ziekteprocessen. Een langdurige negatieve stikstofbalans leidt tot spierverlies en andere gezondheidsproblemen. Een voorbeeld van ondervoeding die leidt tot een negatieve stikstofbalans is kwashiorkor, gekenmerkt door oedeem en groeistilstand. #### 1.3.1 De rol van ammoniak Ammoniak ($NH_3$) is een giftig bijproduct van het aminozuurmetabolisme. Dieren synthetiseren ammonium ($NH_4^+$) uit voeding of uit de afbraak van lichaamseigen eiwitten. De omzetting van stikstof uit voeding naar ammonium is een essentieel proces. Micro-organismen en planten zijn in staat om atmosferische stikstof ($N_2$) te fixeren tot ammonium. In dieren wordt overtollig ammonium primair omgezet en uitgescheiden via de ureumcyclus. ## 2. Biosynthese van aminozuren De synthese van aminozuren is een complex proces dat de oorsprong van de $\alpha$-aminogroep en de vorming van het koolstofskelet omvat. ### 2.1 Oorsprong van de $\alpha$-aminogroep De $\alpha$-aminogroep van aminozuren wordt voornamelijk verkregen via transaminering, waarbij de aminogroep van een donoraminozuur (meestal glutamaat) wordt overgedragen op een $\alpha$-ketozuur. Dit wordt gekatalyseerd door aminotransferasen (transaminasen). * **Transaminering:** Dit is een éénstapsreactie die omkeerbaar is en waarbij een $\alpha$-ketozuur wordt omgezet in een aminozuur, en glutamaat wordt omgezet in $\alpha$-ketoglutaraat. $$ \text{Acceptor}\ \alpha\text{-ketozuur} + \text{Glutamaat} \rightleftharpoons \text{Donoraminozuur} + \alpha\text{-ketoglutaraat} $$ Pyridoxaal fosfaat (vitamine B6) is een essentiële cofactor voor deze reacties. * **Glutamaat dehydrogenase:** Dit enzym kan ammonium fixeren op $\alpha$-ketoglutaraat om glutamaat te vormen, waarbij $NADH$ (of $NADPH$) en $H^+$ worden gebruikt. $$ \alpha\text{-ketoglutaraat} + NH_4^+ + NADH + H^+ \rightleftharpoons \text{Glutamaat} + NAD^+ + H_2O $$ Dit proces is cruciaal voor het behouden van glutamaatniveaus en het wegvangen van overtollig ammonium. * **Glutamine synthetase:** Dit enzym synthetiseert glutamine uit glutamaat en ammonium in een $ATP$-afhankelijke reactie. Glutamine is een belangrijke drager van ammoniak in het bloed. $$ \text{Glutamaat} + NH_4^+ + ATP \rightarrow \text{Glutamine} + ADP + P_i + H_2O $$ ### 2.2 Vorming van het koolstofskelet De koolstofskeletten van aminozuren zijn afgeleid van intermediairen uit de glycolyse, de citroenzuurcyclus en de pentosefosfaatroute. * **Niet-essentiële aminozuren:** * **Glutamaat als precursor:** Glutamaat is een belangrijke precursor voor de synthese van proline en arginine. De reductie van glutamaat tot $\gamma$-glutamaat-semialdehyde, gevolgd door cyclisatie, leidt tot proline. Arginine wordt gevormd via ornithine, een intermediair in de ureumcyclus. * **Serine en glycine:** Serine wordt gesynthetiseerd vanuit 3-fosfoglyceraat, een intermediair uit de glycolyse. Serine kan vervolgens worden omgezet naar glycine door verlies van een koolstofatoom, waarbij tetrahydrofolaat betrokken is. * **Aspartaat en asparagine:** Aspartaat wordt gesynthetiseerd door transaminering van oxaalacetaat. Asparagine wordt gevormd uit aspartaat door amidatie, waarbij glutamine als aminogroepdonor dient. * **Cysteïne:** Cysteïne wordt gesynthetiseerd uit serine en homocysteïne. Homocysteïne kan worden gevormd uit methionine. ### 2.3 Dragers van één-koolstofeenheden Tetrahydrofolaat (THF) en S-adenosylmethionine (SAM) zijn essentiële co-enzymen die een-koolstofeenheden transporteren, welke nodig zijn voor de biosynthese van diverse biomoleculen, waaronder aminozuren. * **Tetrahydrofolaat (THF):** Dit afgeleide van foliumzuur (vitamine B9) fungeert als een reservoir voor één-koolstofeenheden in verschillende oxidatietoestanden (methyl, methyleen, formyl). THF is cruciaal voor de synthese van glycine uit serine, de remethylering van homocysteïne tot methionine, en de synthese van purine- en pyrimidinedelen. Foliumzuurdeficiëntie kan leiden tot bloedarmoede en geboorteafwijkingen. * **S-adenosylmethionine (SAM):** SAM is een geactiveerde vorm van methionine en fungeert als methyldonor in tal van methyleringreacties, waaronder de synthese van creatine, choline en neurotransmitters zoals adrenaline. De synthese van methionine uit homocysteïne, met hulp van vitamine B12 en THF, is essentieel voor de aanmaak van SAM. ### 2.4 Vitamine B12 (Cobalamine) Vitamine B12 is essentieel voor twee belangrijke enzymatische reacties: de remethylering van homocysteïne tot methionine (katalyse door methionine synthase) en de omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA (katalyse door methylmalonyl-CoA mutase). Beide reacties zijn cruciaal voor het metabolisme en de energiestofwisseling. ## 3. Katabolisme van aminozuren Het katabolisme van aminozuren bestaat uit twee hoofdonderdelen: de omzetting van de $\alpha$-aminogroep tot ammonium en de afbraak van het koolstofskelet. ### 3.1 Omzetting van de $\alpha$-aminogroep De $\alpha$-aminogroep wordt verwijderd via transaminering en desaminering. * **Transaminering:** Zoals eerder beschreven, brengt dit de aminogroep over naar $\alpha$-ketoglutaraat, wat leidt tot de vorming van glutamaat. Aspartaat aminotransferase (AST) en alanine aminotransferase (ALT) zijn diagnostische enzymen die bij leverbeschadiging verhoogd zijn in het bloed. * **Oxidatieve desaminering van glutamaat:** Glutamaat dehydrogenase katalyseert de oxidatieve desaminering van glutamaat tot $\alpha$-ketoglutaraat en ammonium. Dit is een belangrijke route voor de vrijmaking van ammoniak. Het evenwicht van deze reactie ligt normaal gesproken naar de vorming van glutamaat, maar wordt verschoven naar desaminering bij een overschot aan stikstof. $$ \text{Glutamaat} + NAD^+ + H_2O \rightleftharpoons \alpha\text{-ketoglutaraat} + NH_4^+ + NADH + H^+ $$ * **Andere bronnen van ammonium:** Serine en threonine kunnen via dehydratatie en daaropvolgende afsplitsing van ammonium ook bijdragen aan de ammoniumpool. ### 3.2 Afbraak van de koolstofskeletten De koolstofskeletten van aminozuren worden afgebroken tot intermediairen die in de energieproductie (glycolyse, citroenzuurcyclus) kunnen worden ingevoerd, of omgezet tot glucose (glucogeen) of ketonlichamen (ketogeen). * **Glucogene aminozuren:** De afbraakproducten kunnen worden omgezet in pyruvaat of intermediairen van de citroenzuurcyclus, die op hun beurt glucose kunnen genereren (bv. alanine, serine, aspartaat, glutamaat, $\alpha$-ketoglutaraat, succinyl-CoA, fumaraat, oxaalacetaat). * **Ketoene aminozuren:** De afbraakproducten leiden tot de vorming van acetyl-CoA of acetoacetaat, die worden gebruikt voor de synthese van ketonlichamen en vetten (bv. leucine, lysine, fenylalanine, tyrosine, tryptofaan). * **Amfibole aminozuren:** Sommige aminozuren zijn zowel glucogeen als ketogeen (bv. isoleucine, fenylalanine, tyrosine, tryptofaan, threonine). ### 3.3 De ureumcyclus De ureumcyclus, die voornamelijk in de lever plaatsvindt, is essentieel voor de ontgifting van ammonium. Ammonium wordt omgezet in ureum, dat vervolgens via de urine wordt uitgescheiden. De cyclus bestaat uit meerdere stappen: 1. **Synthese van carbamoylfosfaat:** CO2 en ammonium worden met behulp van ATP omgezet in carbamoylfosfaat. Dit gebeurt in de mitochondriale matrix en vereist carbamoylfosfaat synthetase I. $$ CO_2 + NH_4^+ + 2ATP + H_2O \rightarrow \text{Carbamoylfosfaat} + 2ADP + P_i + 2H^+ $$ 2. **Synthese van citrulline:** Carbamoylfosfaat reageert met ornithine om citrulline te vormen. Dit is een reactie in het cytoplasma, gekatalyseerd door ornithine transcarbamoylase (OTC). 3. **Vorming van argininosuccinaat:** Citrulline reageert met aspartaat (dat de tweede aminogroep levert) om argininosuccinaat te vormen, waarbij ATP wordt verbruikt. Dit wordt gekatalyseerd door argininosuccinaat synthetase. 4. **Splitsing van argininosuccinaat:** Argininosuccinaat wordt gesplitst in arginine en fumaraat door argininosuccinaat lyase. Fumaraat is een intermediair van de citroenzuurcyclus. 5. **Vorming van ureum:** Arginine wordt door arginase gehydrolyseerd tot ureum en ornithine. Ornithine wordt gerecycled naar de cyclus. De totale reactie van de ureumcyclus is: $$ CO_2 + NH_4^+ + Aspartaat + 3ATP + 3H_2O \rightarrow \text{Ureum} + Fumaraat + 2ADP + AMP + 4P_i + 6H^+ $$ ### 3.4 Stofwisselingsziekten gerelateerd aan aminozuurmetabolisme Defecten in de enzymen betrokken bij het aminozuurmetabolisme kunnen leiden tot ernstige stofwisselingsziekten. * **Fenylketonurie (PKU):** Een autosomaal recessieve aandoening veroorzaakt door een defect in fenylalaninehydroxylase, het enzym dat fenylalanine omzet in tyrosine. Ophoping van fenylalanine kan leiden tot neurologische schade. Patiënten vereisen een dieet met een beperkte hoeveelheid fenylalanine en een verhoogde inname van tyrosine. * **Ureumcyclus defecten:** Defecten in de enzymen van de ureumcyclus leiden tot hyperammoniëmie (verhoogde ammoniumconcentratie in het bloed), wat toxisch is voor de hersenen en kan resulteren in lethargie, braken, psychomotorische retardatie en coma. Volledige blokkades zijn vaak letaal. * **Aandoeningen van de afbraak van vertakte keten aminozuren:** Ziekten zoals "maple syrup urine disease" worden veroorzaakt door defecten in de afbraak van vertakte keten aminozuren (valine, leucine, isoleucine), wat leidt tot de accumulatie van deze aminozuren en hun $\alpha$-ketoanalogen. ## 4. Aminozuren als precursoren van belangrijke biomoleculen Amino'suren zijn niet alleen bouwstenen, maar ook voorlopers van een breed scala aan essentiële biomoleculen: * **Nucleotiden:** Glycine, glutamine en aspartaat leveren atomen voor de synthese van purine- en pyrimidineringen. * **Heme:** Glycine en succinyl-CoA zijn precursors voor de heemring, een cruciaal onderdeel van hemoglobine en cytochromen. * **Neurotransmitters:** * Tyrosine is de precursor van catecholamines zoals dopamine, noradrenaline en adrenaline. * Tryptofaan is de precursor van serotonine (5-hydroxytryptamine) en melatonine. * Glutamaat is een excitatoire neurotransmitter, terwijl $\gamma$-aminoboterzuur (GABA), afgeleid van glutamaat, een belangrijke inhibitoire neurotransmitter is. * **Hormonen:** Tyrosine is de precursor van schildklierhormonen (T3 en T4). * **Creatine:** Arginine, glycine en methionine zijn betrokken bij de synthese van creatine, een energiereservoir in spierweefsel. * **Pigmenten:** Tyrosine is de precursor van melanine, het pigment verantwoordelijk voor huid-, haar- en oogkleur. * **Sfingosine:** Serine is een precursor voor sfingosine, een component van sfingolipiden. * **Histamine:** Histidine wordt omgezet in histamine, een vasoactieve amine die betrokken is bij allergische reacties en immuunrespons. Het goed functioneren van het aminozuurmetabolisme en het handhaven van een adequate stikstofbalans zijn dus essentieel voor gezondheid en overleving, aangezien aminozuren betrokken zijn bij vrijwel alle aspecten van het cellulaire leven. --- # Biosynthese van aminozuren Dit gedeelte van de studiehandleiding behandelt de mechanismen en precursors die betrokken zijn bij de aanmaak van aminozuren in organismen. ### 2.1 Algemene principes van aminozuursynthese Amino's zuren kunnen verkregen worden uit de voeding via vertering van eiwitten, uit de afbraak van lichaamseigen eiwitten, of via de novo synthese. Niet-essentiële aminozuren kunnen door het lichaam zelf worden gesynthetiseerd, vaak via eenvoudige, éénstapsreacties zoals transaminering. Essentiële aminozuren daarentegen kunnen niet door het lichaam worden aangemaakt en moeten via de voeding worden opgenomen. ### 2.2 De oorsprong van de $\alpha$-aminogroep De stikstofatomen die nodig zijn voor de aanmaak van aminozuren komen oorspronkelijk uit moleculaire stikstof ($N_2$) in micro-organismen en planten, waar deze wordt gefixeerd tot ammoniak ($NH_4^+$) met behulp van ATP en reductiekracht. Dieren verkrijgen de benodigde ammoniak uit de voeding. In dieren wordt de aminogroep van aminozuren primair overgedragen via transamineringsreacties, waarbij een $\alpha$-ketozuur reageert met een aminozuur, resulterend in een nieuw $\alpha$-ketozuur en een nieuw aminozuur. Glutamaat speelt hierbij een centrale rol, omdat het door glutamaat dehydrogenase zowel ammoniak kan opnemen om zelf gevormd te worden, als zijn aminogroep kan afstaan aan andere $\alpha$-keto zuren. ### 2.3 Het koolstofskelet van aminozuren De koolstofskeletten van de meeste aminozuren zijn afkomstig van intermediairen uit de glycolyse, de pentosefosfaatroute of de citroenzuurcyclus. ### 2.4 Synthese via éénstapsreacties Veel niet-essentiële aminozuren worden gesynthetiseerd via éénstapsreacties. Een belangrijk mechanisme is transaminering, waarbij de aminogroep van een aminozuur (vaak glutamaat) wordt overgedragen op een $\alpha$-ketozuur. * **Alanine** wordt gevormd door transaminering van pyruvaat met glutamaat. * **Aspartaat** wordt gevormd door transaminering van oxaalacetaat met glutamaat. * **Asparagine** wordt gevormd door amidatie van aspartaat, waarbij glutamine als donor van de amidogroep fungeert. Dit vereist ATP en glutamaat. * **Glutamine** wordt gevormd door de amidatie van glutamaat, gekatalyseerd door glutamine synthetase. Andere éénstapsreacties zijn onder meer hydroxylering. * **Tyrosine** wordt gevormd uit fenylalanine door hydroxylering van de aromatische ring, een reactie die wordt gekatalyseerd door fenylalanine hydroxylase en tetrahydrobiopterine ($\text{BH}_4$) als cofactor vereist. ### 2.5 Glutamaat als precursor voor specifieke aminozuren Glutamaat is een belangrijke precursor voor de synthese van meerdere aminozuren: * **Proline** wordt gesynthetiseerd uit glutamaat via een reductieve cyclus. Glutamaat wordt gereduceerd tot $\gamma$-glutamaat semialdehyde, wat spontaan cycliseert tot pyrroline-5-carboxylaat. Reductie van dit intermediair levert proline op. * **Arginine** synthese is nauw verbonden met de ureumcyclus en gebruikt ornithine als intermediair, dat op zijn beurt uit glutamaat kan worden gevormd via $\gamma$-glutamaat semialdehyde. ### 2.6 De synthese van serine en glycine * **Serine** wordt gesynthetiseerd uit 3-fosfoglyceraat, een intermediair uit de glycolyse. Via fosfoglyceraat dehydrogenase wordt dit geoxideerd tot fosfohydroxypyruvaat. Transaminering van dit intermediair levert fosfoserine op, dat na defosforylering serine oplevert. * **Glycine** kan worden gevormd uit serine door het verlies van een éénkoolstofeenheid, gekatalyseerd door serine hydroxymethyltransferase, waarbij tetrahydrofolaat als acceptor van de éénkoolstofgroep fungeert. ### 2.7 Dragers van één-koolstofeenheden: Tetrahydrofolaat en S-adenosylmethionine Co-enzymen spelen een cruciale rol in de aanmaak van aminozuren door specifieke groepen te transporteren. * **Tetrahydrofolaat (THF)**, afgeleid van foliumzuur (vitamine B9), is een drager van éénkoolstofeenheden in verschillende oxidatietoestanden (methyl, methyleen, formyl). Het is essentieel voor de synthese van glycine uit serine, de methylering van homocysteïne tot methionine, en de vorming van purines en pyrimidines. Foliumzuurdeficiëntie kan leiden tot diverse gezondheidsproblemen. * **S-adenosylmethionine (SAM)** is een geactiveerde vorm van methionine en fungeert als methyldonor in tal van methyleringsreacties. De vorming van SAM is gekoppeld aan de synthese van methionine uit homocysteïne. De "geactiveerde methylcyclus" zorgt voor de recyclage van methyldonoren en homocysteïne. ### 2.8 De biosynthese van cysteïne Cysteïne wordt gesynthetiseerd uit homocysteïne en serine. Het proces verloopt via de vorming van cystathionine, met behulp van cystathionine $\beta$-synthase, gevolgd door de splitsing van cystathionine tot cysteïne en $\alpha$-ketobutyraat, gekatalyseerd door cystathionine $\beta$-lyase. ### 2.9 Overzicht van de biosynthese van niet-essentiële aminozuren Een samenvattend overzicht toont de precursors en de resulterende niet-essentiële aminozuren, met de opmerking dat sommige aminozuren, hoewel hier als niet-essentieel vermeld, onder specifieke omstandigheden (bv. bij ziekte of in de vroege levensfase) essentieel kunnen worden. | Precursor | Niet-essentiële aminozuren | | :------------------ | :-------------------------------------------------------- | | $\alpha$-ketoglutaraat | Glutamaat, Proline, Arginine | | Oxaalacetaat | Aspartaat, Asparagine | | Pyruvaat | Alanine, Serine, Glycine, Cysteïne | | 3-fosfoglyceraat | Serine, Glycine | | Overige | Glutamine, Methionine, Cysteïne, Fenylalanine, Tyrosine | **Tip:** Het is belangrijk te onthouden dat de syntheseroutes van aminozuren vaak sterk vertakt zijn en intermediairen delen met andere metabole routes zoals de glycolyse en de citroenzuurcyclus. **Tip:** Begrip van de rol van co-enzymen zoals tetrahydrofolaat en S-adenosylmethionine is cruciaal, omdat deze niet alleen betrokken zijn bij aminozuursynthese maar ook bij de synthese van belangrijke biomoleculen. --- # Katabolisme van aminozuren en de ureumcyclus Dit hoofdstuk beschrijft de afbraak van aminozuren, waarbij de aminogroep wordt omgezet naar ammonium en vervolgens wordt ontgift via de ureumcyclus. Tevens wordt de afbraak van de koolstofskeletten tot intermediairen van de citroenzuurcyclus of ketonlichamen behandeld. ## 3.1 Algemene principes van aminozuurkatabolisme Amino zuren kunnen worden verkregen uit de voeding (via vertering van eiwitten) of door de afbraak van lichaamseigen eiwitten. Daarnaast kunnen aminozuren de novo worden gesynthetiseerd. De aminozuren vormen een 'aminozuur-pool' waaruit het lichaam zowel eiwitten als niet-eiwit verbindingen (zoals porfyrines, purines, pyrimidines en lipiden) kan synthetiseren. De afbraak van aminozuren kent twee hoofdonderdelen: 1. **Verwijdering van de aminogroep**: Dit resulteert in ammoniumionen ($\text{NH}_4^+$) en een koolstofskelet. 2. **Afbraak van het koolstofskelet**: Dit leidt tot intermediairen die opgenomen kunnen worden in de citroenzuurcyclus of die kunnen worden omgezet in ketonlichamen of glucose. ### 3.1.1 Rol van de aminogroep De aminogroep ($\text{-NH}_2$) van aminozuren wordt verwijderd en uiteindelijk omgezet in ureum, dat via de urine wordt uitgescheiden. Deze omzetting is cruciaal omdat hoge concentraties ammoniumionen toxisch zijn voor het lichaam, met name voor de hersenen. #### 3.1.1.1 Transaminering Transaminering is een reactie waarbij de aminogroep van een aminozuur wordt overgedragen op een $\alpha$-ketozuur, meestal $\alpha$-ketoglutaraat. Hierbij wordt een nieuw aminozuur en een nieuw $\alpha$-ketozuur gevormd. * De reactie wordt gekatalyseerd door aminotransferasen (ook wel transaminasen genoemd). * Een belangrijk co-enzym voor deze reactie is pyridoxaal-fosfaat, een afgeleide van vitamine B6. Een voorbeeld van een transamineringsreactie is de omzetting van alanine naar pyruvaat, waarbij de aminogroep wordt overgedragen op $\alpha$-ketoglutaraat om glutamaat te vormen: $$ \text{Alanine} + \alpha\text{-ketoglutaraat} \rightleftharpoons \text{Pyruvaat} + \text{Glutamaat} $$ * **Diagnostische relevantie**: De enzymen aspartaat aminotransferase (AST) en alanine aminotransferase (ALT) zijn belangrijk voor de diagnose van leverbeschadiging, omdat hun concentraties in het bloed stijgen bij schade aan levercellen. #### 3.1.1.2 Desaminering Desaminering is het proces waarbij de aminogroep direct als ammoniumion wordt afgesplitst. * **Oxidatieve desaminering van glutamaat**: Glutamaat kan door het enzym glutamaat dehydrogenase geoxideerd worden, waarbij $\alpha$-ketoglutaraat en een ammoniumion worden gevormd. Deze reactie is reversibel, maar het evenwicht ligt normaal gezien naar de vorming van glutamaat. $$ \text{Glutamaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ \rightleftharpoons \alpha\text{-ketoglutaraat} + \text{NH}_4^+ + \text{NAD}^+ $$ * **Andere bronnen van ammonium**: Serine en threonine kunnen ook gedesamineerd worden via dehydratatiereacties gevolgd door ammoniakafsplitsing. ### 3.1.2 De ureumcyclus De ureumcyclus (ook wel de ornithinecyclus genoemd) is de belangrijkste route voor de ontgifting van ammoniumionen in zoogdieren. Deze cyclus vindt plaats in de lever en zet toxisch ammonium om in het minder toxische ureum. #### 3.1.2.1 Locatie en belang * De ureumcyclus vindt plaats in de lever, deels in de mitochondriale matrix en deels in het cytoplasma. * Het belang ligt in het voorkomen van hyperammoniëmie, een gevaarlijke ophoping van ammonium in het bloed. #### 3.1.2.2 Stappen van de ureumcyclus De ureumcyclus omvat vijf enzymatische stappen: 1. **Synthese van carbamoylfosfaat**: CO$_2$ en $\text{NH}_4^+$ worden met behulp van 2 moleculen ATP omgezet in carbamoylfosfaat. Dit gebeurt in de mitochondriale matrix en wordt gekatalyseerd door carbamoylfosfaatsynthase I (CPS I). $$ \text{CO}_2 + \text{NH}_4^+ + 2 \text{ATP} \rightarrow \text{Carbamoylfosfaat} + 2 \text{ADP} + \text{P}_i + 2 \text{H}^+ $$ 2. **Synthese van citrulline**: Carbamoylfosfaat reageert met ornithine, waarbij citrulline en anorganisch fosfaat ($\text{P}_i$) worden gevormd. Deze reactie vindt plaats in de mitochondriale matrix en wordt gekatalyseerd door ornithinetranscarbamoylase (OTC). $$ \text{Carbamoylfosfaat} + \text{Ornithine} \rightarrow \text{Citrulline} + \text{P}_i $$ 3. **Vorming van argininosuccinaat**: Citrulline wordt in het cytoplasma gecondenseerd met aspartaat onder verbruik van ATP, waarbij argininosuccinaat wordt gevormd. Deze reactie wordt gekatalyseerd door argininosuccinaatsynthase. Het aspartaat levert een tweede $\text{NH}_2$-groep voor de ureummolecuul. $$ \text{Citrulline} + \text{Aspartaat} + \text{ATP} \rightarrow \text{Argininosuccinaat} + \text{AMP} + \text{PP}_i $$ 4. **Splitsing van argininosuccinaat**: Argininosuccinaat wordt gesplitst door argininosuccinase in arginine en fumaraat. Fumaraat is een intermediair van de citroenzuurcyclus. $$ \text{Argininosuccinaat} \rightarrow \text{Arginine} + \text{Fumaraat} $$ 5. **Vorming van ureum en ornithine**: Arginine wordt door arginase gehydrolyseerd tot ureum en ornithine. Ornithine wordt teruggetransporteerd naar de mitochondriën om de cyclus opnieuw te starten. $$ \text{Arginine} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ureum} + \text{Ornithine} $$ #### 3.1.2.3 Totaalreactie van de ureumcyclus De netto-reactie van de ureumcyclus, waarbij de omzetting van $\text{NH}_4^+$, $\text{CO}_2$ en aspartaat tot ureum en fumaraat wordt weergegeven, is: $$ \text{NH}_4^+ + \text{CO}_2 + \text{Aspartaat} + 3 \text{ATP} + 2 \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ureum} + \text{Fumaraat} + 2 \text{ADP} + \text{AMP} + 4 \text{P}_i + 6 \text{H}^+ $$ #### 3.1.2.4 Transport van ammoniak Ammonium wordt vanuit perifere weefsels naar de lever getransporteerd, voornamelijk gebonden aan glutamine (via glutamine synthetase in spieren) en alanine. In de lever wordt glutamine weer omgezet tot glutamaat en ammonium door glutaminase. #### 3.1.2.5 Erfelijke aandoeningen van de ureumcyclus Defecten in de enzymen van de ureumcyclus kunnen leiden tot ernstige hyperammoniëmie en neurologische schade. Voorbeelden zijn deficiënties van carbamoylfosfaatsynthase I en ornithinetranscarbamoylase. ### 3.1.3 Afbraak van de koolstofskeletten van aminozuren De $\alpha$-koolstofskeletten van aminozuren worden na verwijdering van de aminogroep afgebroken tot verschillende intermediairen die kunnen worden ingevoerd in de centrale metabole routes. * **Glucogene aminozuren**: Deze aminozuren worden afgebroken tot intermediairen die kunnen worden gebruikt voor gluconeogenese (aanmaak van glucose). Dit zijn onder andere pyruvaat, $\alpha$-ketoglutaraat, succinyl-CoA, fumaraat en oxaalacetaat. * **KetoGene aminozuren**: Deze aminozuren worden afgebroken tot acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA, die kunnen worden gebruikt voor de aanmaak van ketonlichamen of vetzuren. * **Amphibole aminozuren**: Sommige aminozuren kunnen zowel glucogeen als ketogeen zijn. #### 3.1.3.1 Afbraak tot pyruvaat * **C-3 familie**: Alanine, serine, cysteïne, glycine en threonine worden afgebroken tot pyruvaat. * Glycine wordt omgezet naar serine en vervolgens naar pyruvaat. * Serine kan direct worden omgezet naar pyruvaat en ammonium. * Threonine kan worden omgezet naar pyruvaat of naar $\alpha$-ketobutyraat. #### 3.1.3.2 Afbraak tot intermediairen van de citroenzuurcyclus * **C-4 familie**: Aspartaat en asparagine worden afgebroken tot oxaalacetaat. * **C-5 familie**: Glutamaat, glutamine, proline, arginine en histidine worden afgebroken tot $\alpha$-ketoglutaraat. * Proline wordt omgezet via pyrroline-5-carboxylaat naar glutamaat-semialdehyde, wat verder wordt afgebroken. * Arginine wordt omgezet naar ornithine, wat een intermediair is van de ureumcyclus en ook naar glutamaat-semialdehyde kan leiden. * Histidine kan worden omgezet naar N-formiminoglutamaat, waarbij de formimino-groep wordt overgedragen op tetrahydrofolaat. #### 3.1.3.3 Afbraak tot acetyl-CoA en acetoacetyl-CoA * **KetoGene aminozuren**: Leucine wordt afgebroken tot acetyl-CoA en acetoacetaat. Lysine wordt voornamelijk afgebroken tot acetyl-CoA. * **Amphibole aminozuren**: Isoleucine wordt afgebroken tot propionyl-CoA en acetyl-CoA. Fenylalanine en tyrosine worden afgebroken tot acetoacetaat en fumaraat. Tryptofaan wordt ook afgebroken tot acetyl-CoA en alanine. #### 3.1.3.4 Afbraak van vertakte aminozuren * **Valine**: Wordt afgebroken tot propionyl-CoA. * **Isoleucine**: Wordt afgebroken tot propionyl-CoA en acetyl-CoA. * **Leucine**: Wordt afgebroken tot acetyl-CoA en acetoacetaat. Deze afbraakwegen vereisen vaak complexe reacties en co-factoren, waaronder vitamine B12. Defecten in de afbraak van vertakte aminozuren kunnen leiden tot aandoeningen zoals de 'maple syrup urine disease' (vertakte-ketozurenacidose), gekenmerkt door een ophoping van valine, leucine en isoleucine. #### 3.1.3.5 De werking van vitamine B12 Vitamine B12 (cobalamine) is een essentieel co-enzym voor twee belangrijke reacties in het metabolisme van aminozuren en vetzuren: * **Methylmalonyl-CoA mutase**: Katalyseert de omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA. Dit is cruciaal voor de afbraak van bepaalde aminozuren (valine, isoleucine, threonine, methionine) en vetzuren met een oneven aantal koolstofatomen. Een tekort aan vitamine B12 leidt tot accumulatie van methylmalonyl-CoA, wat toxisch is en kan leiden tot neurologische symptomen. * **Methionine synthase**: Katalyseert de methylering van homocysteïne tot methionine, met methyltetrahydrofolaat (een derivaat van foliumzuur) als methylgroep-donor. Dit is een belangrijke stap in de recyclage van tetrahydrofolaat en de synthese van methionine. #### 3.1.3.6 Katabolisme van aromatische aminozuren * **Fenylalanine en Tyrosine**: Fenylalanine wordt eerst gehydroxyleerd tot tyrosine. Tyrosine wordt vervolgens verder afgebroken via een reeks stappen tot acetoacetaat en fumaraat. Defecten in deze route leiden tot ziekten zoals fenylketonurie (PKU) en tyrosinemie. * **Tryptofaan**: Wordt afgebroken tot alanine en acetoacetaat. Tryptofaan is ook een precursor voor neurotransmitters zoals serotonine en melatonine. #### 3.1.3.7 Katabolisme van lysine en methionine * **Lysine**: Wordt voornamelijk afgebroken tot acetyl-CoA. * **Methionine**: Wordt afgebroken tot propionyl-CoA, wat vervolgens kan worden omgezet naar succinyl-CoA. Methionine is ook een precursor voor S-adenosylmethionine (SAM), een belangrijke methylgroep-donor. ## 3.2 Stofwisselingsziekten gerelateerd aan aminozuurkatabolisme Defecten in de enzymen betrokken bij het aminozuurkatabolisme kunnen leiden tot ernstige stofwisselingsziekten. * **Hyperaminozuururemie**: Een algemene term voor verhoogde concentraties aminozuren in bloed en urine. * **Fenylketonurie (PKU)**: Een genetische aandoening waarbij het enzym fenylalaninehydroxylase defect is. Dit leidt tot een ophoping van fenylalanine, wat toxisch is voor de hersenen. Behandeling bestaat uit een dieet arm aan fenylalanine, waarbij tyrosine een essentieel aminozuur wordt. * **Tyrosinemie**: Diverse vormen van tyrosinemie bestaan, afhankelijk van welk enzym in de afbraakroute van tyrosine defect is. * **Alkaptonurie**: Een defect in homogentisaatdioxygenase leidt tot de accumulatie van homogentisaat, wat donker verkleurt bij oxidatie en neergeslagen kan worden in bindweefsel, wat leidt tot ochronose. * **Ziekten van de ureumcyclus**: Zoals eerder genoemd, kunnen deficiënties van de enzymen van de ureumcyclus leiden tot hyperammoniëmie. * **Ziekten van de vertakte ketozuren**: Defecten in de afbraak van valine, leucine en isoleucine, zoals bij 'maple syrup urine disease', leiden tot ophoping van deze aminozuren en hun $\alpha$-ketozuren. ## 3.3 Aminozuren als precursoren van belangrijke biomoleculen Naast hun rol in eiwitsynthese en energieproductie, dienen aminozuren als bouwstenen voor diverse belangrijke biomoleculen. * **Purines en pyrimidines**: Glycine, glutamine en aspartaat leveren atomen voor de synthese van purine- en pyrimidinebasen, essentiële componenten van nucleïnezuren. * **Hemegroep en cobalamine**: Glycine is een precursor voor de hemegroep in hemoglobine en cytochromen, en ook voor vitamine B12. * **Creatine**: Arginine, glycine en methionine zijn betrokken bij de synthese van creatine, een energiereservoir in spieren. * **Neurotransmitters**: * Glutamaat is een excitatoire neurotransmitter. * Glycine en $\gamma$-aminoboterzuur (afgeleid van glutamaat) zijn inhibitoire neurotransmitters. * Tyrosine is de precursor van catecholamines zoals dopamine, noradrenaline en adrenaline. * Tryptofaan is de precursor van serotonine en melatonine. * **Hormonen**: Tyrosine is de precursor van schildklierhormonen (T3 en T4) en de catecholamines. * **Pigmenten**: Tyrosine is een precursor van melanine, het pigment dat verantwoordelijk is voor huid-, haar- en oogkleur. * **Sfingosine en choline**: Serine is een precursor voor sfingosine, een component van sfingolipiden. Choline, essentieel voor celmembranen en neurotransmissie, kan ook uit serine worden gesynthetiseerd. --- # Afbraak van specifieke aminozuurfamilies en stofwisselingsziekten Dit onderdeel behandelt de afbraakroutes van verschillende groepen aminozuren en de metabolische ziekten die voortkomen uit defecten in deze afbraakprocessen. ## 4. Afbraak van specifieke aminozuurfamilies en stofwisselingsziekten ### 4.1 Algemene principes van aminozuurafbraak De afbraak van aminozuren kent twee hoofdonderdelen: de omzetting van de α-aminogroep tot ammonium en de afbraak van het koolstofskelet. Het vrijgekomen ammonium wordt voornamelijk via de ureumcyclus ontgift tot ureum. Het koolstofskelet van aminozuren kan worden omgezet in intermediairen van het glucosemetabolisme (glucogeen aminozuren) of het vetmetabolisme (ketogeen aminozuren), of beide. #### 4.1.1 Omzetting van de α-aminogroep tot ammonium De α-aminogroep wordt verwijderd via transaminering en desaminering. * **Transaminering:** Hierbij wordt de aminogroep van een aminozuur overgedragen op een α-ketozuur, waarbij een nieuw aminozuur en een nieuw α-ketozuur ontstaan. Dit proces wordt gekatalyseerd door aminotransferasen, die pyridoxalfosfaat (vitamine B6) als co-enzym gebruiken. Enzymen zoals aspartaataminotransferase (AST) en alanineaminotransferase (ALT) zijn hierbij betrokken en hun activiteit in het bloed kan wijzen op leverbeschadiging. Transaminering is een reversibel proces. * **Desaminering:** Dit proces leidt tot de directe vrijgave van ammonium. Oxidatieve desaminering van glutamaat door glutamaat dehydrogenase is een belangrijke route. Ook de dehydratatie van serine en threonine leidt tot de vorming van ammonium. #### 4.1.2 De ureumcyclus De ureumcyclus, die plaatsvindt in de lever, ontgift het toxische ammonium door het om te zetten in ureum. De cyclus vereist energie (ATP) en verschillende enzymen: 1. **Synthese van carbamoylfosfaat:** Koolstofdioxide en ammonium worden, met verbruik van 2 ATP, omgezet tot carbamoylfosfaat door carbamoylfosfaatsynthetase I. 2. **Synthese van citrulline:** Carbamoylfosfaat reageert met ornithine tot citrulline. 3. **Vorming van argininosuccinaat:** Citrulline reageert met aspartaat, onder verbruik van ATP, tot argininosuccinaat. 4. **Splitsing van argininosuccinaat:** Argininosuccinaat wordt gesplitst in arginine en fumaraat. Fumaraat is een intermediair van de citroenzuurcyclus. 5. **Vorming van ureum:** Arginine wordt door arginase gehydrolyseerd tot ureum en ornithine. Ornithine wordt gerecycled om de cyclus te continueren. De totale reactie van de ureumcyclus is: $$ \text{NH}_4^+ + \text{CO}_2 + 3\text{ATP} + \text{aspartaat} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ureum} + \text{fumaraat} + 2\text{ADP} + \text{AMP} + 4\text{Pi} + 6\text{H}^+ $$ #### 4.1.3 Afbraak van het koolstofskelet van aminozuren De koolstofskeletten van aminozuren worden afgebroken tot intermediairen van het centrale metabolisme. Deze intermediairen bepalen of een aminozuur glucogeen (leidt tot glucose) of ketogeen (leidt tot acetyl-CoA of acetoacetaat) is, of beide. * **Glucogene aminozuren:** De afbraakproducten kunnen worden omgezet in pyruvaat, α-ketoglutaraat, succinyl-CoA, fumaraat of oxaalacetaat. * **Ketoogene aminozuren:** De afbraakproducten leiden tot acetyl-CoA of acetoacetaat. Enkele specifieke afbraakroutes: * **C-3 familie:** Alanine, serine en cysteïne worden onder andere afgebroken tot pyruvaat. Glycine wordt omgezet naar serine, wat vervolgens wordt afgebroken tot pyruvaat. * **C-4 familie:** Asparagines en aspartaat worden omgezet in oxaalacetaat. Threonine kan leiden tot propionyl-CoA en acetyl-CoA. * **C-5 familie:** Glutamine en glutamaat worden omgezet in α-ketoglutaraat. Proline, arginine en histidine leiden ook tot intermediairen die in de citroenzuurcyclus worden opgenomen. * **Vertakte keten aminozuren (Valine, Isoleucine, Leucine):** * Valine leidt tot propionyl-CoA. * Isoleucine leidt tot propionyl-CoA en acetyl-CoA. * Leucine leidt tot acetyl-CoA en acetoacetaat. Defecten in de afbraak van vertakte keten aminozuren kunnen leiden tot aandoeningen zoals Maple Syrup Urine Disease. * **Aromatische aminozuren (Fenylalanine, Tyrosine, Tryptofaan):** Fenylalanine wordt omgezet in tyrosine. De afbraak van tyrosine kan leiden tot acetoacetaat en fumaraat. * **Lysine:** De afbraak leidt tot acetyl-CoA. * **Methionine:** De afbraak leidt tot propionyl-CoA en succinyl-CoA. * **Cysteïne:** De afbraak kan via cystathionine tot pyruvaat of tot een deel van de citroenzuurcyclus leiden. #### 4.1.4 De rol van vitamine B12 (Cobalamine) Vitamine B12 is essentieel als co-enzym in twee belangrijke reacties: * **Omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA:** Dit is cruciaal voor de afbraak van bepaalde aminozuren (zoals valine en isoleucine) en vetzuren met een oneven aantal koolstofatomen. * **Omzetting van homocysteïne naar methionine:** Dit is onderdeel van de methionine-synthese en de geactiveerde methylcyclus. #### 4.1.5 S-adenosylmethionine en de geactiveerde methylcyclus S-adenosylmethionine (SAM) is een belangrijke methyldonor in vele biochemische reacties, zoals de synthese van creatine, choline en adrenaline. De recycling van homocysteïne naar methionine, waarbij methylcobalamine (een vitamine B12 co-enzym) en tetrahydrofolaat (THF) een rol spelen, is essentieel voor deze cyclus. #### 4.1.6 Tetrahydrofolaat (THF) Tetrahydrofolaat (vitamine B9) fungeert als drager van één-koolstofeenheden (zoals methyl, methyleen en formyl groepen). Het speelt een rol bij: * De omzetting van serine naar glycine. * De omzetting van homocysteïne naar methionine. * De afbraak van histidine tot glutamaat. * De synthese van purines en pyrimidines. Een tekort aan foliumzuur kan leiden tot bloedarmoede en geboorteafwijkingen (bv. spina bifida). ### 4.2 Stofwisselingsziekten door defecte aminozuurafbraak Defecten in enzymen die betrokken zijn bij de aminozuurafbraak kunnen leiden tot accumulatie van substraten of tekorten aan producten, met ernstige gezondheidsproblemen tot gevolg. Dit leidt vaak tot hyperaminozuururemie (verhoogde concentratie aminozuren in bloed en urine) en afwijkende metabolieten. #### 4.2.1 Fenylketonurie (PKU) * **Oorzaak:** Defect in het enzym fenylalaninehydroxylase, dat fenylalanine omzet in tyrosine. * **Gevolg:** Accumulatie van fenylalanine in het bloed. * **Symptomen:** Neurologische schade, intellectuele beperking indien onbehandeld. Tyrosine wordt een essentieel aminozuur omdat het niet meer uit fenylalanine kan worden aangemaakt. * **Behandeling:** Een streng dieet arm aan fenylalanine, met adequate inname van tyrosine. Een populatietest (screening bij pasgeborenen) is cruciaal voor vroege detectie. #### 4.2.2 Erfelijke tyrosinemieën Dit zijn ziekten die voortkomen uit defecten in de afbraak van tyrosine. Er zijn verschillende typen, waaronder: * **Erfelijke tyrosinemie I:** Defect in fumarylacetoacetaathydrolase, wat leidt tot accumulatie van toxische intermediairen die lever- en nierfalen veroorzaken. * **Erfelijke tyrosinemie II (Richner-Hanhart syndroom):** Defect in tyrosinetransaminase, wat leidt tot oog- en huidafwijkingen en intellectuele beperking. * **Erfelijke tyrosinemie III:** Defect in p-hydroxyfenylpyruvaatdioxygenase, met minder ernstige neurologische symptomen. #### 4.2.3 Alkaptonurie * **Oorzaak:** Defect in homogentisaatdioxygenase. * **Gevolg:** Accumulatie van homogentisaat, dat in de urine wordt uitgescheiden en donker kleurt bij blootstelling aan lucht. * **Symptomen:** Pigmentafzetting in bindweefsel (ochronose) en gewrichtsproblemen op latere leeftijd. #### 4.2.4 Maple Syrup Urine Disease (MSUD) * **Oorzaak:** Defect in het vertakte keten α-ketoacid dehydrogenase complex. * **Gevolg:** Accumulatie van de vertakte keten aminozuren valine, leucine en isoleucine, en hun corresponderende α-ketozuren in bloed en urine. De urine krijgt een kenmerkende geur van esdoornsiroop. * **Symptomen:** Neurologische achteruitgang, lethargie, braken, acidose, en in ernstige gevallen coma en overlijden. * **Behandeling:** Een strikt dieet met beperkte inname van deze aminozuren. #### 4.2.5 Zuururemieën van de vertakte ketozuren Defecten in het methylmalonyl-CoA metabolisme, die gerelateerd zijn aan vitamine B12-afhankelijkheid, kunnen leiden tot de accumulatie van methylmalonaat en organische acidose. #### 4.2.6 Homocystinurie * **Oorzaak:** Defecten in enzymen betrokken bij het methionine metabolisme, met name cystathionine β-synthase of cystathionine β-lyase. * **Gevolg:** Accumulatie van homocysteïne. * **Symptomen:** Schedelafwijkingen, lensluxatie, botafwijkingen en verhoogd risico op trombo-embolische gebeurtenissen. #### 4.2.7 Erfelijke aandoeningen van de ureumcyclus Volledige blokkades in de ureumcyclus zijn meestal letaal. Gedeeltelijke blokkades leiden tot hyperammoniëmie, met symptomen als zwakzinnigheid, lethargie, braken en hersenbeschadiging door de toxische effecten van ammonium en verhoogd glutamine in het hersenvocht. Voorbeelden zijn deficiënties in carbamoylfosfaatsynthetase I of ornithine transcarbamoylase. > **Tip:** Bij stofwisselingsziekten die aminozuurafbraak betreffen, is het essentieel om zowel de accumulatie van de "verkeerde" moleculen als het tekort aan de "juiste" moleculen te beschouwen. > **Voorbeeld:** Bij fenylketonurie leidt de ophoping van fenylalanine tot toxische effecten, terwijl de verminderde aanmaak van tyrosine tyrosine tot een essentieel aminozuur maakt dat via het dieet moet worden aangevuld. --- # Aminozuren als precursors van biomoleculen Dit thema onderzoekt hoe aminozuren dienen als fundamentele bouwstenen voor de synthese van diverse essentiële biomoleculen in het lichaam. ### 5.1 Overzicht van aminozuren als precursors Aminozuren vormen niet alleen de bouwstenen voor eiwitten, maar zijn ook cruciaal voor de aanmaak van een breed scala aan niet-eiwitgebonden verbindingen. Deze verbindingen hebben diverse functies, variërend van signaaloverdracht tot de vorming van genetisch materiaal en energieopslag. De "aminozuurpool" in de cel levert aminozuren voor zowel de eiwitsynthese als de biosynthese van deze andere belangrijke moleculen. > **Tip:** Hoewel de meeste aminozuren zelf gesynthetiseerd kunnen worden (niet-essentiële aminozuren), is een constante aanvoer van zowel essentiële als niet-essentiële aminozuren via de voeding essentieel voor het handhaven van de "aminozuurpool" en de biosynthese van afgeleide biomoleculen. ### 5.2 Biosynthese van specifieke biomoleculen uit aminozuren Verschillende aminozuren dienen als precursors voor specifieke, vitaal belangrijke biomoleculen: #### 5.2.1 Purines en pyrimidines Aminozuren leveren essentiële atomen voor de ringstructuren van purines en pyrimidines, de bouwstenen van nucleïden en nucleïnen (DNA en RNA). * **Glycine** is een precursor voor verschillende atomen in de purinering. * **Glutamine** levert stikstofatomen voor zowel purines als pyrimidines. * **Aspartaat** levert eveneens stikstofatomen, met name voor de pyrimidinering. * **Koolstofdioxide** ($CO_2$) levert een koolstofatoom voor de purinering. * **Carbamoylfosfaat**, gevormd uit glutamine, $CO_2$ en ATP, is een belangrijke precursor voor de pyrimidinering. #### 5.2.2 Creatine Creatine is een energiereservemolecuul, voornamelijk aanwezig in spierweefsel, dat essentieel is voor snelle energievoorziening. De biosynthese van creatine omvat de volgende stappen: 1. **Glycine** en **arginine** zijn de initiële aminozuurprecursors. 2. L-Arginine:glycine amidinotransferase katalyseert de vorming van **guanidinoacetaat** uit glycine en arginine. 3. **Methionine** (via S-adenosylmethionine als methylgroepdonor) levert een methylgroep aan guanidinoacetaat, wat resulteert in de vorming van **creatine**. #### 5.2.3 Neurotransmitters Neurotransmitters zijn chemische boodschappers die signalen overdragen tussen zenuwcellen. Verschillende aminozuren zijn precursors voor belangrijke neurotransmitters: * **Tyrosine** is de precursor voor catecholamines: * **Dopamine**: gevormd door decarboxylering van DOPA (dihydroxyphenylalanine), dat weer uit tyrosine wordt gevormd. * **Noradrenaline**: gevormd uit dopamine. * **Adrenaline**: gevormd door methylering van noradrenaline. * **Tryptofaan** is de precursor voor: * **Serotonine** (5-hydroxytryptamine): een belangrijke neurotransmitter die betrokken is bij stemming, slaap en eetlust. * **Melatonine**: een hormoon dat de slaap-waakcyclus reguleert. * **Glutamaat** is een belangrijke exciterende neurotransmitter. * **Gamma-aminoboterzuur** (GABA), afgeleid van glutamaat, is een belangrijke inhiberende neurotransmitter. * **Histidine** is de precursor voor **histamine**, een signaalmolecule betrokken bij immuunreacties en vasodilatatie. #### 5.2.4 Schildklierhormonen **Tyrosine** is de directe precursor voor de schildklierhormonen thyroxine ($T_4$) en tri-iodothyronine ($T_3$). Deze hormonen worden gesynthetiseerd door iodering van tyrosine en koppeling van gejodeerde tyrosine-residuen binnen het thyreoglobuline-eiwit. #### 5.2.5 Pigmenten **Tyrosine** is ook een precursor voor **melanine**, het pigment dat verantwoordelijk is voor de kleur van huid, haar en ogen. Het syntheseroute omvat de vorming van dopaquinone uit tyrosine, gevolgd door complexere reacties die uiteindelijk leiden tot de vorming van melanine en gerelateerde pigmenten zoals pheomelanine. Deficiënties in deze route kunnen leiden tot aandoeningen zoals albinisme. #### 5.2.6 Andere afgeleiden * **Serine** is een precursor voor **chiline** en **ethanolamine**, die op hun beurt weer betrokken zijn bij de synthese van fosfolipiden en neurotransmitters zoals acetylcholine. * **Cysteïne** kan betrokken zijn bij de synthese van **sfingosines**, belangrijke lipidencomponenten van celmembranen. > **Voorbeeld:** De biosynthese van catecholamines uit tyrosine illustreert de stap-voor-stap omzetting waarbij enzymen opeenvolgend specifieke reacties uitvoeren om de uiteindelijke neurotransmitter te vormen. Een defect in een van deze enzymen kan leiden tot neurologische stoornissen. > **Tip:** Het onthouden van de directe aminozuurprecursor voor elke biomolecuul is cruciaal. Probeer de functionele relatie te begrijpen, zoals hoe een neurotransmitter werkt of hoe een hormoon functioneert, om de relevantie van de aminozuurprecursor beter te plaatsen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Amino zuurmetabolisme | Het geheel van biochemische processen waarbij aminozuren worden gesynthetiseerd (anabolisme) of afgebroken (katabolisme), en waarbij hun koolstofskeletten en stikstofatomen worden omgezet. Dit metabolisme is cruciaal voor eiwitsynthese, energieproductie en de aanmaak van diverse biomoleculen. | | Aminozuurpool | Een functionele pool van vrij aminozuren in de cel of het lichaam die beschikbaar is voor diverse doeleinden, zoals eiwitsynthese, de aanmaak van andere verbindingen of als energiebron na afbraak. | | Biosynthese | Het proces waarbij levende organismen complexe organische moleculen produceren uit eenvoudigere voorlopers. In de context van aminozuren verwijst dit naar hun aanmaak door het lichaam zelf (niet-essentiële aminozuren) of door micro-organismen. | | Katabolisme | Het metabole proces waarbij complexe moleculen worden afgebroken tot eenvoudigere eenheden, waarbij energie vrijkomt. Bij aminozuren betreft dit de afbraak van hun koolstofskeletten en de verwijdering van de stikstofgroep. | | Stikstofbalans | De verhouding tussen de opname van stikstof (voornamelijk via eiwitten in voeding) en de uitscheiding ervan (voornamelijk via ureum en andere stikstofhoudende afvalproducten). Een positieve balans betekent dat er meer stikstof wordt opgenomen dan uitgescheiden, wat typisch is voor groei of herstel; een negatieve balans wijst op weefselafbraak. | | Essentiële aminozuren | Aminozuren die het menselijk lichaam niet zelf kan synthetiseren en die dus via de voeding moeten worden opgenomen. | | Niet-essentiële aminozuren | Aminozuren die het menselijk lichaam wel zelf kan synthetiseren, waardoor ze niet strikt noodzakelijk zijn om via de voeding te verkrijgen. | | Transaminering | Een biochemische reactie waarbij een aminogroep ($-\text{NH}_2$) wordt overgedragen van een aminozuur naar een alfa-ketozuur, resulterend in de vorming van een nieuw aminozuur en een nieuw alfa-ketozuur. Dit is een sleutelreactie in zowel de biosynthese als het katabolisme van aminozuren. | | Alfa-ketozuur | Een organisch zuur dat een keton-groep ($> \text{C=O}$) en een carboxylgroep ($-\text{COOH}$) bevat op het alfa-koolstofatoom (het koolstofatoom direct naast de carboxylgroep). Alfa-ketozuren zijn intermediairen in het metabolisme van aminozuren en koolhydraten. | | Tetrahydrofolaat (THF) | Een co-enzym afgeleid van foliumzuur (vitamine B9) dat een cruciale rol speelt als drager van éénkoolstofeenheden (zoals methyl-, methyleen-, formylgroepen) in diverse biochemische reacties, waaronder de synthese van purines en thymidylate. | | S-adenosylmethionine (SAM) | Een belangrijke methyl-donor in vele biochemische reacties, met name in de methylering van DNA, RNA, eiwitten en lipiden. Het wordt gevormd uit methionine en ATP en is essentieel voor tal van biosynthetische processen. | | Ureumcyclus | Een reeks enzymatische reacties die plaatsvinden in de lever, waarbij ammoniak ($ \text{NH}_4^+ $) wordt omgezet in ureum. Dit is de belangrijkste route voor de ontgifting van stikstofverbindingen in zoogdieren. | | Ammoniak ($ \text{NH}_4^+ $) | Een gasvormige verbinding die ontstaat bij de afbraak van aminozuren en andere stikstofhoudende verbindingen. Het is toxisch voor het centrale zenuwstelsel en moet worden omgezet in minder toxische verbindingen zoals ureum. | | Ketonlichaampjes | Een groep van drie wateroplosbare moleculen (acetoacetaat, bèta-hydroxybutyraat en aceton) die door de lever worden geproduceerd uit vetzuren wanneer de glucosebeschikbaarheid laag is, zoals tijdens vasten of langdurige inspanning. Ze dienen als alternatieve energiebron voor het brein en andere weefsels. | | Glucogeen aminozuur | Een aminozuur waarvan het koolstofskelet kan worden omgezet in pyruvaat of een intermediair van de citroenzuurcyclus, en dus bijdraagt aan de glucoseproductie (gluconeogenese). | | Ketogeen aminozuur | Een aminozuur waarvan het koolstofskelet kan worden omgezet in acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA, die vervolgens kunnen worden gebruikt voor de aanmaak van ketonlichaampjes of vetten. | | Stofwisselingsziekte | Een ziekte die wordt veroorzaakt door een genetisch defect in een specifiek enzym of eiwit dat betrokken is bij metabole processen, wat leidt tot de accumulatie van toxische stoffen of het tekort aan essentiële producten. | | Fenylketonurie (PKU) | Een erfelijke stofwisselingsziekte waarbij het enzym fenylalaninehydroxylase deficiënt is, wat leidt tot de ophoping van fenylalanine in het bloed en de urine. Dit kan leiden tot ernstige neurologische schade als het niet vroegtijdig wordt behandeld met een dieet arm aan fenylalanine. | | Maple syrup urine disease (MSUD) | Een zeldzame, erfelijke stofwisselingsziekte die wordt gekenmerkt door de ophoping van vertakte-keten aminozuren (leucine, isoleucine, valine) en hun overeenkomstige alfa-ketozuren in het bloed en de urine, wat een kenmerkende zoete geur geeft. | | Purines | Een klasse van heterocyclische aromatische organische verbindingen die twee stikstofhoudende ringen bevatten. Purines zijn essentiële componenten van nucleïnezuren (DNA en RNA), energiedragers zoals ATP, en signaalmoleculen zoals cAMP. | | Pyrimidines | Een klasse van heterocyclische aromatische organische verbindingen die één stikstofhoudende ring bevatten. Pyrimidines zijn essentiële componenten van nucleïnezuren (DNA en RNA), met name als basen cytosine, thymine en uracil. | | Creatine | Een stikstofhoudende organische zuur dat voornamelijk in spierweefsel wordt aangetroffen en een rol speelt bij de energievoorziening van spiercellen door de opslag van hoog-energetische fosfaatgroepen (via fosfocreatine). | | Neurotransmitter | Een chemische boodschapper die signalen overbrengt tussen zenuwcellen (neuronen) of van een neuron naar een doelcel, zoals een spiercel of kliercel. | | Schildklierhormonen (T3 en T4) | Hormonen geproduceerd door de schildklier die essentieel zijn voor de regulatie van de stofwisseling, groei en ontwikkeling in het lichaam. Thyroxine (T4) en tri-joodthyronine (T3) zijn de belangrijkste schildklierhormonen. | | Melanine | Een pigment dat verantwoordelijk is voor de kleur van huid, haar en ogen bij mensen en dieren. Het wordt gesynthetiseerd uit het aminozuur tyrosine. | | Albinisme | Een genetische aandoening die wordt gekenmerkt door een tekort aan melanine, wat resulteert in een gebrek aan pigmentatie in huid, haar en ogen. |

# Bouwstenen en structuur van nucleïnezuren Dit onderwerp beschrijft de fundamentele componenten van nucleïnezuren, waaronder nucleotiden, hun samenstelling uit stikstofhoudende basen, suikers (ribose en deoxyribose) en fosfaatgroepen, en de bijbehorende naamgeving. ### 1.1 Nucleotiden: de bouwstenen Nucleotiden zijn de monomere eenheden waaruit nucleïnezuren, zoals DNA en RNA, zijn opgebouwd. Elke nucleotide bestaat uit drie essentiële componenten: * **Een stikstofhoudende base:** Dit kan een purine (adenine, guanine) of een pyrimidine (cytosine, uracil, thymine) zijn. * **Een pentosesuiker:** Dit is ribose in RNA en deoxyribose in DNA. Het verschil zit in de hydroxylgroep op het C2-atoom van de suiker; ribose heeft hier een hydroxylgroep ($-\text{OH}$), terwijl deoxyribose een waterstofatoom ($-\text{H}$) heeft. * **Eén of meer fosfaatgroepen:** Deze groepen zijn via fosfoesterbindingen aan de 5'-hydroxylgroep van de suiker gekoppeld. #### 1.1.1 Naamgeving van basen, nucleosiden en nucleotiden De naamgeving van deze componenten volgt specifieke regels: * **Basen:** * Purines: Adenine (A), Guanine (G) * Pyrimidines: Cytosine (C), Uracil (U), Thymine (T) (alleen in deoxyribose-vormen) * **Nucleosiden:** Een nucleoside is de combinatie van een stikstofhoudende base en een suiker (ribose of deoxyribose). De naamgeving combineert de naam van de base met een specifieke suffix, afhankelijk van de suiker: * Adenine + Ribose = Adenosine * Guanine + Ribose = Guanosine * Cytosine + Ribose = Cytidine * Uracil + Ribose = Uridine * Adenine + Deoxyribose = Deoxyadenosine * Guanine + Deoxyribose = Deoxyguanosine * Cytosine + Deoxyribose = Deoxycytidine * Thymine + Deoxyribose = Deoxythymidine * **Nucleotiden:** Een nucleotide is een nucleoside waaraan één of meer fosfaatgroepen zijn gebonden. De naamgeving combineert de naam van het nucleoside met de aanduiding van het aantal fosfaatgroepen: * Nucleoside + 1 fosfaatgroep = Nucleosidemonofosfaat (bijvoorbeeld Adenosinemonofosfaat, afgekort AMP, ook wel adenylaat genoemd). * Nucleoside + 2 fosfaatgroepen = Nucleosidedifosfaat (bijvoorbeeld Adenosinedifosfaat, afgekort ADP). * Nucleoside + 3 fosfaatgroepen = Nucleosid trifosfaat (bijvoorbeeld Adenosinetrifosfaat, afgekort ATP). #### 1.1.2 De rol van nucleotiden Naast hun rol als bouwstenen voor DNA en RNA, hebben nucleotiden diverse andere cruciale functies in de cel: * **Energiedragers:** ATP is de universele energiedrager in de cel. GTP speelt een rol bij eiwitsynthese en signaaltransductie. * **Geactiveerde intermediairen:** Ze zijn betrokken bij biosyntheseprocessen. * **Onderdeel van co-enzymen:** Nucleotiden zijn essentiële componenten van co-enzymen zoals Coenzym A, NADH, FADH$_2$, en S-adenosylmethionine. * **Regulatie van processen:** Cyclisch AMP (cAMP) is een belangrijke intracellulaire signaalmolecuul die onder andere proteïne kinase A activeert. ### 1.2 Structuur van purines en pyrimidines De stikstofhoudende basen zijn onder te verdelen in twee groepen op basis van hun chemische structuur: * **Purines:** Deze basen bestaan uit een zesring (pyrimidine) die gefuseerd is met een vijfring (imidazool). Adenine en Guanine zijn purines. * **Pyrimidines:** Deze basen hebben een enkele zesring structuur. Cytosine, Uracil en Thymine zijn pyrimidines. > **Tip:** Het onderscheid tussen purines en pyrimidines is belangrijk voor het begrijpen van de structuur van DNA en RNA, en voor de biochemische reacties waarbij deze betrokken zijn. ### 1.3 Verschil tussen ribonucleotiden en deoxyribonucleotiden Het belangrijkste structurele verschil tussen ribonucleotiden (bouwstenen van RNA) en deoxyribonucleotiden (bouwstenen van DNA) ligt in de suikermolecuul: * **Ribonucleotiden:** Bevatten de suiker ribose. * **Deoxyribonucleotiden:** Bevatten de suiker deoxyribose. Zoals eerder vermeld, mist deoxyribose een zuurstofatoom op het C2-koolstofatoom van de suikerring. Dit verschil is cruciaal voor de stabiliteit en functie van DNA en RNA. DNA, dat de genetische informatie opslaat, is door de aanwezigheid van deoxyribose stabieler dan RNA, dat betrokken is bij eiwitsynthese en diverse andere cellulaire processen. ### 1.4 De rol van fosfaatgroepen De fosfaatgroepen in een nucleotide zijn via een esterbinding gebonden aan de 5'-koolstof van de suiker. Wanneer meerdere fosfaatgroepen aanwezig zijn, zijn deze aan elkaar gebonden via fosfoanhydridebindingen. Deze bindingen bevatten een hoge hoeveelheid potentiële energie, welke vrijkomt bij hydrolyse. Dit maakt nucleotiden, met name ATP, geschikt als energiedragers voor cellulaire processen. De hydrolyse van een fosfoanhydridebinding in ATP tot ADP en anorganisch fosfaat ($P_i$), of verder tot AMP en pyrofosfaat ($PP_i$), levert de benodigde energie. $ \text{ATP} \rightleftharpoons \text{ADP} + P_i \quad (\Delta G^\circ \approx -30.5 \text{ kJ/mol}) $ $ \text{ADP} \rightleftharpoons \text{AMP} + P_i \quad (\Delta G^\circ \approx -30.5 \text{ kJ/mol}) $ $ \text{ATP} \rightleftharpoons \text{AMP} + PP_i \quad (\Delta G^\circ \approx -45.6 \text{ kJ/mol}) $ --- # Biosynthese van purine- en pyrimidinucleotiden Dit gedeelte beschrijft de stapsgewijze aanmaak van zowel purine- als pyrimidinering-systemen, inclusief de precursors, enzymatische reacties en energievereisten. ## 2. Nucleotiden: Bouwstenen en Functies Nucleotiden zijn de monomeren van nucleïnezuren (DNA en RNA) en bestaan uit drie componenten: * Een stikstofhoudende base (purine of pyrimidine). * Een pentosesuiker (ribose in RNA, deoxyribose in DNA). * Eén of meer fosfaatgroepen. **Nomenclatuur:** * **Nucleoside:** Een stikstofhoudende base gebonden aan een suiker. * **Nucleotide:** Een nucleoside met één of meer fosfaatgroepen gebonden aan de 5'-hydroxylgroep van de suiker. Nucleotiden kunnen monofosfaten (AMP, GMP), difosfaten (ADP, GDP) of trifosfaten (ATP, GTP) zijn. **Belang van Nucleotiden:** * **Bouwstenen:** Voor DNA en RNA. * **Energieleveranciers:** ATP is de universele energiedrager. GTP is belangrijk voor translocatie tijdens eiwitsynthese en signaaltransductie. * **Geactiveerde intermediairen:** In diverse biosyntheseprocessen. * **Onderdeel van co-enzymen:** Zoals Coenzym A, NADH, FADH₂, en S-adenosylmethionine. * **Regulatie:** cAMP is een activator van cAMP-afhankelijke kinase en ATP is essentieel voor eiwitfosforylering. * **Therapeutisch:** Nucleotideanalogen worden gebruikt in de behandeling van kanker en virale infecties. **Basen:** * **Purines:** Adenine (A) en Guanine (G). Bestaan uit een zesring en een vijfring (imidazol). * **Pyrimidines:** Cytosine (C), Uracil (U) (in RNA), en Thymine (T) (in DNA). Bestaan uit een zesring. ## 3. Biosynthese van de Purinering De synthese van purinenucleotiden is een energie-intensief proces dat begint met de vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) en eindigt met inosinemonofosfaat (IMP), een voorloper voor AMP en GMP. ### 3.1 Vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) Dit is de eerste stap en maakt gebruik van ribose-5-fosfaat uit de pentosefosfaatweg. $$ \text{ribose-5-fosfaat} + \text{ATP} \longrightarrow \text{fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP)} + \text{AMP} $$ ### 3.2 Opbouw van de purinering (De novo synthese) De purinering wordt stap voor stap opgebouwd, waarbij diverse precursors worden gebruikt, waaronder glycine, glutamine, N¹⁰-formyltetrahydrofolaat (THF) en bicarbonaat. * **Stap 1-3: Vorming van de imidazolring (vijfring):** * Vervanging van de pyrofosfaatgroep van PRPP door een aminegroep uit glutamine. * Aanhechting van glycine. * Vorming van formylglycinamide-ribonucleotide en vervolgens formylglycinamidine-ribonucleotide. * Toevoeging van een formylgroep (afkomstig van N¹⁰-formyl-THF). * Ringsluiting om de imidazolring te vormen (aminoimidazol-ribonucleotide). * **Stap 4-6: Opbouw van de zesring en vorming van IMP:** * Incorporatie van CO₂ (als bicarbonaat) en aspartaat. * Vorming van diverse intermediairen zoals aminoimidazol-succinylcarboxamide-ribonucleotide. * Ringsluiting met de CO₂-eenheid en afsplitsing van fumaraat (afkomstig van aspartaat) om inosinemonofosfaat (IMP) te vormen. IMP bevat hypoxanthine als base. > **Tip:** De de novo synthese van purines vereist veel energie, voornamelijk geleverd door ATP en GTP. ### 3.3 Modificatie van IMP tot AMP en GMP IMP is een cruciaal intermediair dat kan worden omgezet naar AMP of GMP via verschillende enzymatische reacties. * **IMP → AMP:** * Aspartaat levert de stikstofgroep voor AMP. De reactie verloopt via de vorming van adenylosuccinaat en vereist GTP als energiebron. Fumaraat wordt afgesplitst. * **IMP → GMP:** * De omzetting verloopt via xantosinemonofosfaat (XMP). Dit vereist NAD⁺ als oxidant en glutamine als stikstofdonor. De omzetting van XMP naar GMP wordt gekatalyseerd door GMP-synthetase en gebruikt ATP als energiebron. > **Belangrijk:** Bij de omzetting van carbonylgroepen naar koolstof-stikstofbindingen in deze processen worden verschillende energie-moleculen gebruikt (ATP → ADP of GTP → GDP). In sommige gevallen wordt zelfs ATP omgezet naar AMP en pyrofosfaat (PPᵢ). ## 4. Salvage Pathway voor Purines Omdat de de novo synthese van purines energie-intensief is, bestaat er een "salvage pathway" die vrije purinebasen (afkomstig uit de afbraak van nucleotiden) hergebruikt. * **Enzymen:** * Adenine-fosforibosyltransferase (APRT): Adenine + PRPP → Adenylaat + PPᵢ * Hypoxanthine-guanine-fosforibosyltransferase (HGPRT): Hypoxanthine + PRPP → Inosinaat + PPᵢ * Guanine + PRPP → Guanylaat + PPᵢ > **Tip:** Het salvage-systeem bespaart aanzienlijk energie vergeleken met de de novo synthese. ### 4.1 HGPRT-deficiëntie: Ziekte van Lesch-Nyhan Een genetisch defect in HGPRT leidt tot verminderde purine-salvage. Dit veroorzaakt: * Accumulatie van PRPP, wat de de novo purine synthese sterk stimuleert. * Verhoogde purine nucleotide-niveaus en afbraak, wat leidt tot verhoogd urinezuur en jicht-achtige symptomen. * Ernstige neurologische problemen, zelfverminking en mentale achterstand. ## 5. Biosynthese van de Pyrimidinering De synthese van pyrimidinenucleotiden is minder energie-intensief dan die van purinen en begint met carbamoyl-fosfaat en aspartaat. ### 5.1 Vorming van carbamoyl-fosfaat Dit is de snelheidsbepalende stap en wordt gekatalyseerd door carbamoyl-fosfaat synthetase II. Het proces vereist glutamine, CO₂ en ATP. $$ \text{Glutamine} + \text{CO}_2 + \text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{Carbamoyl-fosfaat} + \text{Glutamaat} + \text{ADP} + \text{P}_\text{i} $$ > **Regulatie:** Carbamoyl-fosfaat synthetase II wordt geremd door de eindproducten van de pyrimidine synthese, zoals UDP en UTP. ### 5.2 Vorming van N-carbamoyl-aspartaat Carbamoyl-fosfaat reageert met aspartaat. $$ \text{Carbamoyl-fosfaat} + \text{Aspartaat} \longrightarrow \text{N-carbamoyl-aspartaat} + \text{P}_\text{i} $$ ### 5.3 Ringsluiting en oxidatie tot orotaat N-carbamoyl-aspartaat ondergaat ringsluiting en oxidatie om dihydroorotaat en vervolgens orotaat te vormen. ### 5.4 Koppel aan PRPP en decarboxylatie tot UMP Orotaat wordt aan PRPP gekoppeld, gevolgd door decarboxylatie om uridinemonofosfaat (UMP) te vormen. > **Salvage pathway voor pyrimidines:** Deze is minder extensief dan bij purines, omdat de afbraak van pyrimidines nuttige intermediairen oplevert (zoals succinyl-CoA) en geen toxische eindproducten zoals urinezuur. ## 6. Vorming van Nucleosidemono-, di- en trifosfaten Nucleoside monofosfaten (NMP) worden omgezet naar difosfaten (NDP) en trifosfaten (NTP) door specifieke kinasen: * **NMP → NDP:** Gekatalyseerd door nucleoside monofosfaat kinasen (bv. adenylaatkinase). * `AMP + ATP ⇌ 2 ADP` * `GMP + ATP → GDP + ADP` * `UMP + ATP → UDP + ADP` * **NDP → NTP:** Gekatalyseerd door nucleosidedifosfaat kinase. * `XDP + YTP → XTP + YDP` (YTP is meestal ATP) ### 6.1 Synthese van CTP Cytidinetrifosfaat (CTP) wordt gesynthetiseerd door aminering van UTP, waarbij glutamine de stikstofbron is. Eerst moet UTP gevormd worden uit UMP. $$ \text{UTP} + \text{Glutamine} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{CTP} + \text{Glutamaat} + \text{P}_\text{i} $$ ## 7. Synthese van Deoxyribonucleotiden Deoxyribonucleotiden (dNDP) worden gevormd uit de corresponderende ribonucleosidedifosfaten (NDP) door reductie van de 2'-hydroxylgroep van de ribosesuiker. * **Reactie:** Gekatalyseerd door ribonucleotide reductasen. $$ \text{NDP} + \text{NADPH} + \text{H}^+ \longrightarrow \text{dNDP} + \text{NADP}^+ + \text{H}_2\text{O} $$ * **Synthese van deoxythymidylaat (dTMP):** Dit is een speciale stap voor de DNA-synthese. dUMP wordt gemethyleerd tot dTMP. Deze reactie vereist N⁵,N¹⁰-methyleentetrahydrofolaat als methyl-donor. > **Belangrijk:** De omzetting van oxy- (ribo-) naar deoxy-nucleotiden vindt plaats op het niveau van de difosfaten (NDP's). ## 8. Therapeutische Toepassingen en Inhibitie van Nucleotide Synthese Vele anti-tumor medicijnen en antivirale middelen werken door de synthese van nucleotiden te inhiberen. ### 8.1 Directe inhibitie van thymidylaat synthase * **5-Fluorouracil (5-FU):** Een prodrug die in het lichaam wordt omgezet tot 5-fluoro-UMP en 5-fluoro-dUMP. 5-fluoro-dUMP is een krachtige inhibitor van thymidylaat synthase, wat de synthese van dTMP blokkeert en daarmee DNA-synthese remt. Dit proces wordt ook wel "zelfmoord"-inhibitie genoemd, omdat de inhibitor een katalytisch intermediair blokkeert. ### 8.2 Indirecte inhibitie van thymidylaat synthese * **Inhibitie van dihydrofolaat reductase:** Medicijnen zoals Methotrexaat (MTX) en Aminopterine zijn analogen van dihydrofolaat. Ze inhiberen dihydrofolaat reductase, waardoor de regeneratie van tetrahydrofolaat (THF) wordt geblokkeerd. Zonder voldoende N⁵,N¹⁰-methyleentetrahydrofolaat kan dTMP niet worden gesynthetiseerd. MTX wordt gebruikt als cytostaticum bij de behandeling van diverse kankers. ### 8.3 Nucleotide analogen als antiviraal middel * **AZT (Azidothymidine):** Een analoog van thymidine die wordt ingebouwd in het virale DNA. Omdat AZT geen 3'-hydroxylgroep heeft, stopt de ketenverlenging van het DNA. Oorspronkelijk ontwikkeld als antikankermiddel, werd het een belangrijke HIV-remmer. * **Aciclovir:** Een guanosine-analoog die selectief wordt geactiveerd door het thymidine kinase van het herpes simplex virus. Het gevormde aciclovir-trifosfaat inhibeert selectief het virale DNA-polymerase. ## 9. Afbraak van Purine- en Pyrimidine Nucleotiden ### 9.1 Afbraak van Purine Nucleotiden * Purine nucleotiden (AMP, GMP) worden eerst gedefosforyleerd tot nucleosiden (adenosine, guanosine). * Nucleosiden worden vervolgens gedesamineerd tot hypoxanthine (uit adenosine) en xanthine (uit guanosine). * Deze basen worden geoxideerd tot urinezuur, het eindproduct van de purine-afbraak. * Urinezuur wordt via de nieren uitgescheiden. > **Jicht:** Een ophoping van urinezuur in het bloed (hyperurikemie) kan leiden tot jicht, veroorzaakt door de neerslag van urinezuurkristallen in de gewrichten. #### 9.1.1 Werking van allopurinol bij jicht Allopurinol is een isomeer van hypoxanthine en een inhibitor van xanthine oxidase (het enzym dat hypoxanthine en xanthine oxideert tot urinezuur). * Allopurinol wordt door xanthine oxidase omgezet tot alloxanthine, dat het enzym irreversibel blokkeert. * Dit vermindert de vorming van urinezuur. * Bovendien accumuleren hypoxanthine en xanthine, die via het salvage-systeem worden omgezet naar nucleotiden. Dit verlaagt de PRPP-concentratie, wat de de novo purine synthese verder remt. ### 9.2 Afbraak van Pyrimidine Nucleotiden * Pyrimidine nucleotiden worden eerst gedefosforyleerd door nucleotidases. * Cytidine wordt gedesamineerd tot uridine. * De ring wordt geopend na reductie van een dubbele binding en hydrolyse. * De lineaire producten worden afgebroken tot metabolisch nuttige intermediairen zoals malonyl-CoA of succinyl-CoA. ## 10. Nucleotiden in Co-enzymen en Signaaltransductie ### 10.1 Nucleotide-bevattende Co-enzymen Veel belangrijke co-enzymen bevatten een nucleotide-deel, met name AMP: * **NAD⁺ en NADP⁺:** Belangrijk voor redoxreacties. Afgeleid van nicotinezuur (vitamine B₃). * **FAD (Flavine Adenine Dinucleotide):** Belangrijk voor redoxreacties. Bevat riboflavine (vitamine B₂). * **Coenzym A (CoA):** Essentieel voor acyltransfer en metabolische intermediairen. ### 10.2 Cyclische Nucleotiden (cAMP en cGMP) * **cAMP (Cyclisch Adenosine Monofosfaat):** Gevormd uit ATP door adenylaatcyclase. Speelt een cruciale rol in signaaltransductie (bv. hormoonactie) door proteïne kinase A te activeren. * **cGMP (Cyclisch Guanosine Monofosfaat):** Gevormd uit GTP. Belangrijk in processen zoals vaatverwijding. * **Fosfodiësterasen:** Enzymen die cAMP en cGMP afbreken. Inhibitie hiervan (bv. Sildenafil, Tadalafil bij erectiestoornissen) verhoogt de intracellulaire concentraties van deze cyclische nucleotiden en verlengt hun signaal. --- # Functies en regulatie van nucleotiden Functies en regulatie van nucleotiden Nucleotiden zijn fundamentele bouwstenen van het leven met een breed scala aan cellulaire functies, variërend van energieopslag en signaaltransductie tot hun rol als componenten van co-enzymen en genetisch materiaal. ## 3. Functies en regulatie van nucleotiden Nucleotiden zijn de monomere eenheden van nucleïnezuren (DNA en RNA). Ze bestaan uit een stikstofhoudende base (een purine of pyrimidine), een pentosesuiker (ribose of deoxyribose) en één of meer fosfaatgroepen. Afhankelijk van het aantal fosfaatgroepen worden ze aangeduid als mono-, di- of trifosfaten (bijv. AMP, ADP, ATP). De suiker kan ribose zijn (in RNA) of deoxyribose (in DNA), wat resulteert in respectievelijk ribonucleotiden en deoxyribonucleotiden. ### 3.1 De structuur van nucleotiden en nucleosiden * **Nucleoside:** Bestaat uit een stikstofhoudende base (adenine, guanine, cytosine, uracil of thymine) gebonden aan een ribose- of deoxyribose-suiker. * **Nucleotide:** Bestaat uit een nucleoside waaraan één of meer fosfaatgroepen zijn gekoppeld, meestal aan het 5'-koolstofatoom van de suiker. **Nomenclatuur:** Basen: * Purines: Adenine (A), Guanine (G) * Pyrimidines: Cytosine (C), Uracil (U), Thymine (T) (alleen in deoxyribose-nucleotiden) Nucleosiden: * Adenosine (adenine + ribose) * Guanosine (guanine + ribose) * Cytidine (cytosine + ribose) * Uridine (uracil + ribose) * Deoxyadenosine (adenine + deoxyribose) * Deoxyguanosine (guanine + deoxyribose) * Deoxycytidine (cytosine + deoxyribose) * Deoxythymidine (thymine + deoxyribose) Nucleotiden: * Adenosinemonofosfaat (AMP), Adenosinedifosfaat (ADP), Adenosinetrifosfaat (ATP) * Guanosinemonofosfaat (GMP), Guanosinedifosfaat (GDP), Guanosinetrifosfaat (GTP) * Cytidinemonofosfaat (CMP), Cytidinedifosfaat (CDP), Cytidinetrifosfaat (CTP) * Uridinemonofosfaat (UMP), Uridinedifosfaat (UDP), Uridinetrifosfaat (UTP) * Deoxyadenosinemonofosfaat (dAMP), etc. ### 3.2 Functies van nucleotiden Nucleotiden vervullen diverse essentiële rollen in de cel: 1. **Bouwstenen van nucleïnezuren:** De primaire functie van ribonucleotiden en deoxyribonucleotiden is het vormen van RNA en DNA, de dragers van genetische informatie. 2. **Energiedragers:** * **ATP (Adenosinetrifosfaat):** De universele energiedrager in de cel. De hydrolyse van de hoogenergetische fosfaatbindingen in ATP levert energie voor tal van cellulaire processen. * **GTP (Guanosinetrifosfaat):** Speelt een belangrijke rol bij energieoverdracht, met name bij eiwitsynthese (translocatie van peptidyl-tRNA op het ribosoom) en signaaltransductie. 3. **Signaaltransductie:** * **cAMP (cyclisch Adenosinemonofosfaat):** Een belangrijke secundaire boodschapper in veel signaaltransductiewegens, die bijvoorbeeld kinase-activiteit reguleert. * **cGMP (cyclisch Guanosinemonofosfaat):** Ook een secundaire boodschapper die betrokken is bij processen zoals de relaxatie van glad spierweefsel (vaatverwijding). 4. **Geactiveerde intermediairen in biosynthese:** Nucleotiden kunnen als geactiveerde intermediairen fungeren in diverse biosynthetische reacties. 5. **Onderdeel van co-enzymen:** Veel belangrijke co-enzymen bevatten een nucleotidecomponent (vaak AMP). Voorbeelden zijn: * NAD$^+$ en NADP$^+$ (Nicotinamide adenine dinucleotide en zijn fosfaatderivaat) * FAD (Flavine adenine dinucleotide) * Coenzym A (CoA) * S-adenosylmethionine (SAMe), een belangrijke methylgroep-donor. ### 3.3 Biosynthese van purine nucleotiden De *de novo* synthese van purine nucleotiden is een complex proces dat begint met de vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) uit ribose-5-fosfaat. Van daaruit wordt via een reeks enzymatische stappen de purinering opgebouwd. **Stappen in de purine synthese (vereenvoudigd):** 1. **Vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP):** Ribose-5-fosfaat wordt gefosforyleerd tot PRPP. Dit is een belangrijke precursor en acceptor in zowel de *de novo* synthese als salvage pathways. 2. **Vorming van 5-fosforibosylamine:** Glutamine levert een aminogroep die gebonden wordt aan PRPP. 3. **Aanhechting van glycine:** Glycine wordt aan de structuur toegevoegd. 4. **Vorming van de imidazolring (vijfring):** Door de toevoeging van een formylgroep (afkomstig van N$^{10}$-formyltetrahydrofolaat) en een aminogroep, en vervolgens ringsluiting, wordt de imidazolring gevormd. 5. **Vorming van de zesring:** Verdere stappen omvatten de incorporatie van CO$_{2}$ (als bicarbonaat), een aminogroep van aspartaat, en een formylgroep van N$^{10}$-formyltetrahydrofolaat, gevolgd door ringsluiting om de purinering te voltooien. 6. **Productie van Inosinemonofosfaat (IMP):** Het eerste volledige purine nucleotide is IMP, dat hypoxanthine als base bevat. **Modificatie van IMP tot AMP en GMP:** IMP is een intermediair dat kan worden omgezet in AMP (Adenosinemonofosfaat) of GMP (Guanosinemonofosfaat). * **Naar AMP:** IMP wordt eerst omgezet naar succinyl-aminoimidazolcarboxamide ribonucleotide (via reactie met aspartaat en GTP), wat vervolgens door adenylosuccinate lyase wordt gesplitst tot AMP en fumaraat. * **Naar GMP:** IMP wordt eerst geoxideerd tot xanthosinemonofosfaat (XMP) (via reactie met NAD$^+$) en vervolgens geamineerd met glutamine tot GMP. ### 3.4 Biosynthese van pyrimidine nucleotiden De synthese van pyrimidine nucleotiden verschilt van die van purines doordat de ringsluiting eerst plaatsvindt, waarna de verbinding met PRPP wordt gemaakt. **Stappen in de pyrimidine synthese (vereenvoudigd):** 1. **Vorming van carbamoyl-fosfaat:** Carbamoyl-fosfaat synthetase II (CPS-II) katalyseert de vorming van carbamoyl-fosfaat uit glutamine, CO$_{2}$ en ATP. Dit is een snelheidsbepalende en gereguleerde stap. 2. **Vorming van N-carbamoyl-aspartaat:** Carbamoyl-fosfaat reageert met aspartaat. 3. **Ringsluiting tot dihydro-orotaat:** Het gevormde N-carbamoyl-aspartaat ondergaat ringsluiting. 4. **Oxidatie tot orotaat:** Dihydro-orotaat wordt geoxideerd tot orotaat. 5. **Koppeling aan PRPP en decarboxylering tot UMP:** Orotate phosphoribosyltransferase koppelt orotaat aan PRPP, en een decarboxylering leidt tot Uridinemonofosfaat (UMP). UMP kan vervolgens worden omgezet in UDP en UTP, en via aminering worden omgezet in CTP (Cytidine trifosfaat). ### 3.5 Synthese van deoxyribonucleotiden Deoxyribonucleotiden, de bouwstenen voor DNA, worden gevormd door de reductie van de corresponderende ribonucleosidedifosfaten (NDPs) tot deoxyribonucleosidedifosfaten (dNDPs). * **Reactie:** NDP + NADPH + H$^+$ $\xrightarrow{\text{Ribonucleotide reductase}}$ dNDP + NADP$^+$ + H$_2$O * **Thymidylaat synthese:** dUMP (deoxyuridinemonofosfaat) wordt gemethyleerd tot dTMP (deoxythymidinemonofosfaat), een essentiële stap voor DNA-synthese. Dit proces vereist N$^{5}$,N$^{10}$-methyleentetrahydrofolaat als methylgroepdonor. ### 3.6 Regulatie van nucleotide synthese Nucleotide synthese wordt nauwkeurig gereguleerd om te voldoen aan de cellulaire behoeften en energieverspilling te voorkomen. * **Feedback inhibitie:** Eindproducten van de synthesepaden inhiberen vaak vroege enzymen in hun eigen syntheseroute. Bijvoorbeeld, UTP en CTP inhiberen carbamoyl-fosfaat synthetase II. * **Allosterische regulatie:** PRPP is een belangrijke allostere activator in zowel purine als pyrimidine synthese. * **Beschikbaarheid van precursors:** De concentratie van precursors zoals aminozuren, CO$_{2}$ en tetrahydrofolaat beïnvloedt de synthese. ### 3.7 Salvage pathways Omdat de *de novo* synthese van purine nucleotiden veel energie kost, bestaat er een salvage pathway om vrije purine basen (afkomstig uit de afbraak van nucleotiden) te hergebruiken. * **Enzymen:** Adenine phosphoribosyltransferase (APRT) en Hypoxanthine-Guanine phosphoribosyltransferase (HGPRT) katalyseren de herkoppeling van basen aan PRPP. * **HGPRT-deficiëntie:** Een defect in HGPRT leidt tot het Lesch-Nyhan syndroom, gekenmerkt door neurologische afwijkingen en jicht-achtige symptomen door accumulatie van PRPP en verhoogde purine-afbraak. Pyrimidine salvage pathways bestaan ook, maar zijn minder cruciaal omdat de afbraakproducten van pyrimidines nuttige intermediairen zijn voor andere metabolische routes, en de *de novo* synthese van pyrimidines minder energie-intensief is. ### 3.8 Afbraak van nucleotiden * **Purine afbraak:** Purine nucleotiden worden gedefosforyleerd tot nucleosiden (bijv. adenosine, guanosine). Deze nucleosiden worden verder gedesamineerd en geoxideerd, uiteindelijk leidend tot urinezuur als eindproduct van het purine metabolisme. Urinezuur wordt via de nieren uitgescheiden. * **Jicht:** Accumulatie van urinezuur in het bloed (hyperurikemie) kan leiden tot jicht, een ontstekingsziekte veroorzaakt door kristalvorming van natriumuraat in gewrichten. * **Allopurinol:** Een analoog van hypoxanthine dat xanthine oxidase inhibeert, waardoor de vorming van urinezuur wordt verminderd. Dit verlaagt ook de PRPP-concentratie en daarmee de *de novo* purine synthese. * **Pyrimidine afbraak:** Pyrimidine nucleotiden worden ook gedefosforyleerd. De basen ondergaan ringopening en reductie, wat leidt tot intermediairen zoals malonyl-CoA of succinyl-CoA, die kunnen worden opgenomen in andere metabolische routes (bijv. citroenzuurcyclus). ### 3.9 Nucleotide analogen en therapie Nucleotide analogen, die structureel lijken op natuurlijke nucleotiden maar functionele verschillen vertonen, worden gebruikt als medicijnen. * **Antikankermiddelen:** Veel cytostatica interfereren met de synthese van nucleotiden of de incorporatie ervan in DNA, waardoor sneldelende kankercellen worden geremd. Voorbeelden zijn: * **5-fluorouracil:** Inhibeert thymidylaat synthase, cruciaal voor de synthese van dTMP. * **Methotrexaat:** Inhibeert dihydrofolaat reductase, waardoor de beschikbaarheid van tetrahydrofolaat (nodig voor thymidylaat synthese) afneemt. * **Antivirale middelen:** * **AZT (Azidothymidine):** Een reverse transcriptase-remmer die bij HIV-infecties wordt gebruikt. Het wordt ingebouwd in viraal DNA, maar voorkomt ketenverlenging door het ontbreken van een 3'-hydroxylgroep. * **Aciclovir:** Een guanosine-analoog die selectief door virale thymidine kinase wordt gefosforyleerd en vervolgens door cellulaire kinases tot trifosfaat wordt omgezet. Het remt selectief het virale DNA-polymerase. ### 3.10 NAD$^+$, FAD en Co-enzym A Deze essentiële co-enzymen bevatten allemaal een AMP-gedeelte en spelen cruciale rollen in redoxreacties en acyltransferreacties in het metabolisme. Ze worden gesynthetiseerd uit precursors zoals nicotinezuur (vitamine B3) en riboflavine (vitamine B2). ### 3.11 Cyclische nucleotiden als secundaire boodschappers * **cAMP en cGMP:** Deze cyclische nucleotiden worden gevormd uit ATP en GTP door adenylaat cyclase en guanylaat cyclase respectievelijk. Ze spelen een sleutelrol in de signaaltransductie, waarbij ze intracellulaire signalen doorgeven en cellulaire responsen reguleren. Ze worden afgebroken door fosfodiësterasen. * **Farmaceutische toepassingen:** Remmers van fosfodiësterasen (bijv. sildenafil/Viagra) worden gebruikt om de niveaus van cGMP te verhogen, wat leidt tot vaatverwijding en behandeling van erectiestoornissen. --- # Nucleotide-analogen en therapeutische toepassingen Nucleotide-analogen vormen een belangrijke klasse van medicijnen voor de behandeling van kanker en virale infecties. Deze analogen zijn structureel vergelijkbaar met natuurlijke nucleotiden, maar verschillen zodanig dat ze specifieke cellulaire processen kunnen beïnvloeden, zoals DNA-replicatie of RNA-functie. Hun therapeutische effectiviteit berust vaak op hun vermogen om de synthese van nucleïnezuren te remmen of om fouten te introduceren in virale genomen. ## 4. Nucleotide-analogen en therapeutische toepassingen Nucleotide-analogen zijn synthetische of gemodificeerde nucleotiden die therapeutisch worden ingezet bij diverse ziektebeelden. Hun werking is gericht op het verstoren van de nucleïnezuren-stofwisseling, met name bij snel delende cellen zoals kankercellen of bij virussen. ### 4.1 Principe van nucleotide-analogen Nucleotiden zijn de bouwstenen van DNA en RNA. Ze bestaan uit een stikstofhoudende base (purine of pyrimidine), een suiker (ribose of deoxyribose) en één of meer fosfaatgroepen. Een nucleotide-analoog is een molecuul dat sterk lijkt op een natuurlijk nucleotide, maar structurele wijzigingen bevat. Deze wijzigingen kunnen optreden in de base, de suiker, of de fosfaatgroep. Wanneer een nucleotide-analoog in een cel wordt opgenomen, kan het op verschillende manieren interfereren met nucleïnezuur-metabolisme: * **Inhibitie van enzymen:** Analogen kunnen enzymen blokkeren die essentieel zijn voor de synthese van nucleotiden, zoals thymidylaat synthase. * **Incorporatie in DNA/RNA:** Analogen kunnen, na activatie binnen de cel, worden ingebouwd in DNA of RNA. Hierdoor kan de replicatie of transcriptie worden gestopt, of kunnen er fouten ontstaan in het genetisch materiaal. Dit effect is vaak sterker bij virale polymerasen die minder nauwkeurig zijn dan gastheer-polymerasen. * **Verstoring van RNA-functie:** Sommige analogen kunnen de stabiliteit of functie van RNA beïnvloeden. ### 4.2 Belangrijke voorbeelden van nucleotide-analogen en hun toepassingen #### 4.2.1 5-fluorouracil (5-FU) 5-fluorouracil is een pyrimidine-analoog dat voornamelijk wordt gebruikt in de chemotherapie voor de behandeling van verschillende soorten kanker, waaronder darmkanker, borstkanker, maagkanker en alvleesklierkanker. * **Mechanisme van actie:** * 5-FU is een prodrug. Na intracellulaire omzetting tot 5-fluorouridine monofosfaat (5-F-UMP), kan het verder worden omgezet tot 5-fluoro-deoxyuridine monofosfaat (5-F-dUMP). * **Directe inhibitie van thymidylaat synthase:** 5-F-dUMP vormt een stabiel complex met thymidylaat synthase en N5,N10-methyleentetrahydrofolaat. Dit complex blokkeert het enzym, waardoor de synthese van deoxythymidine monofosfaat (dTMP) wordt geremd. dTMP is een essentieel bouwsteen voor DNA. Het remmen van dTMP-synthese leidt tot een tekort aan dTMP, wat de DNA-synthese en -replicatie belemmert, met name in snel delende kankercellen. * **Indirecte effecten:** 5-FU kan ook worden omgezet in 5-fluoro-uridine trifosfaat (5-F-UTP) en worden ingebouwd in RNA, wat de RNA-functie kan verstoren. Daarnaast kan het, via 5-fluoro-deoxyuridine trifosfaat (5-F-dUTP), worden ingebouwd in DNA, wat leidt tot DNA-instabiliteit. #### 4.2.2 AZT (Azidothymidine, Zidovudine) Azidothymidine (AZT), ook bekend als zidovudine, was een van de eerste nucleoside-analogen die effectief werd ingezet als antiviraal middel tegen HIV (humaan immunodeficiëntievirus). * **Mechanisme van actie:** * AZT is een thymidine-analoog. Na intracellulaire fosforylering door gastheercelkinasen tot AZT-trifosfaat, wordt het door het virale reverse transcriptase ingebouwd in de virale DNA-streng. * **Ketenstop:** Het cruciale kenmerk van AZT is de afwezigheid van een 3'-hydroxylgroep op de deoxyribose-ring (vervangen door een azidegroep, $-N_3$). Wanneer AZT wordt ingebouwd aan het 3'-uiteinde van een groeiende DNA-streng, kan er geen verdere nucleotiden-aanhechting plaatsvinden, omdat de 3'-hydroxylgroep nodig is voor de vorming van de fosfodiësterbinding. Dit leidt tot ketenstop en remt de replicatie van HIV-RNA naar DNA. #### 4.2.3 Aciclovir Aciclovir is een guanosine-analoog dat voornamelijk wordt gebruikt voor de behandeling van infecties veroorzaakt door herpes simplex virus (HSV) en varicella zoster virus (VZV). * **Mechanisme van actie:** * Aciclovir is selectief voor geïnfecteerde cellen. Het wordt initieel gefosforyleerd tot aciclovir-monofosfaat door het virale thymidine kinase (TK) van HSV. Gastheercelkinasen zetten dit vervolgens om in aciclovir-trifosfaat. * **Selectieve inhibitie van viraal DNA polymerase:** Aciclovir-trifosfaat is een krachtige remmer van het virale DNA polymerase. Het kan ook worden ingebouwd in het virale DNA, waar het, net als AZT, ketenverlenging stopt vanwege het ontbreken van een 3'-hydroxylgroep op de acyclische suikerstructuur. De selectiviteit wordt verkregen doordat het virale TK veel efficiënter is in de eerste fosforyleringsstap dan gastheerenzymen. ### 4.3 Remming van nucleotide synthese als therapeutische strategie Naast directe analogen zijn er ook medicijnen die enzymen in de nucleotide synthese remmen. #### 4.3.1 Remmers van thymidylaat synthase * **5-fluorouracil (5-FU):** Zoals hierboven beschreven, remt 5-FU direct thymidylaat synthase. * **Methotrexaat:** Dit is een competitieve remmer van dihydrofolaat reductase (DHFR). DHFR is essentieel voor de regeneratie van tetrahydrofolaat (THF) uit dihydrofolaat. THF is een cruciale cofactor die een methylgroep levert voor de synthese van dTMP door thymidylaat synthase. Door DHFR te remmen, wordt de voorraad THF uitgeput, wat indirect leidt tot remming van dTMP-synthese en daarmee van DNA-synthese. Methotrexaat wordt gebruikt als cytostaticum bij de behandeling van leukemie, botkanker en borstkanker. #### 4.3.2 Remmers van ribonucleotide reductasen Ribonucleotide reductasen zijn enzymen die ribonucleoside difosfaten (NDP's) omzetten in deoxyribonucleoside difosfaten (dNDP's), de directe voorlopers van deoxyribonucleotiden die nodig zijn voor DNA-synthese. Remming van deze enzymen kan de DNA-synthese stoppen. Hoewel specifieke, veelgebruikte medicijnen die direct ribonucleotide reductasen remmen minder bekend zijn dan de eerdere voorbeelden, is dit een belangrijk aangrijpingspunt voor medicijnontwikkeling. ### 4.4 De rol van salvage pathways en ziekten gerelateerd aan nucleotide metabolisme #### 4.4.1 Salvage pathways Cellen hebben ook "salvage pathways" om bestaande nucleobases en nucleosiden te recyclen tot nucleotiden. Dit bespaart energie vergeleken met de *de novo* synthese. Enzymen zoals hypoxanthine-guanine-fosforibosyltransferase (HGPRT) en adenine-fosforibosyltransferase (APRT) zijn cruciaal voor de purine salvage. #### 4.4.2 Ziekte van Lesch-Nyhan Een ernstig aangeboren defect in het HGPRT-gen leidt tot de ziekte van Lesch-Nyhan. Dit resulteert in een verhoogde accumulatie van fosforibosylpyrofosfaat (PRPP), wat op zijn beurt de *de novo* purine nucleotide synthese stimuleert. De verhoogde purine nucleotide spiegels leiden tot verhoogde afbraak, met een accumulatie van urinezuur als gevolg. Dit veroorzaakt jicht-achtige symptomen, maar ook neurologische afwijkingen zoals zelfverminking, spasticiteit en mentale retardatie. #### 4.4.3 Jicht en allopurinol Jicht is een aandoening die wordt veroorzaakt door de accumulatie van urinezuur in het lichaam, wat leidt tot de vorming van urinezuurkristallen in gewrichten. Allopurinol is een medicijn dat xanthine oxidase remt. Xanthine oxidase is het enzym dat hypoxanthine en xanthine omzet in urinezuur. Door xanthine oxidase te remmen, verlaagt allopurinol de urinezuurproductie. Bovendien wordt allopurinol zelf door xanthine oxidase omgezet in alloxanthine, dat het enzym sterk remt. De verhoogde spiegels van hypoxanthine en xanthine worden via de salvage pathway gerecycled tot nucleotiden, wat de PRPP-concentratie verlaagt en daarmee de *de novo* purine synthese reduceert. ### 4.5 Nucleotide-analogen in diagnostiek en onderzoek Naast therapeutische toepassingen worden nucleotide-analogen ook gebruikt in moleculair-biologisch onderzoek en diagnostische tests. Gemodificeerde nucleotiden, zoals gefluoresceerde dNTP's, zijn essentieel voor technieken als DNA-sequencing (bijv. Sanger sequencing) en PCR. Ze maken het mogelijk om DNA-sequenties te bepalen of specifieke DNA-fragmenten te amplificeren en te detecteren. --- **Samenvatting van de werkingsprincipes:** * **Remming van synthese-enzymen:** * 5-fluorouracil (remt thymidylaat synthase) * Methotrexaat (remt dihydrofolaat reductase, indirect) * **Foutieve incorporatie en ketenstop:** * AZT (door gebrek aan 3'-OH groep) * Aciclovir (door gebrek aan 3'-OH groep) * **Interferentie met RNA-functie:** * Sommige 5-FU metabolieten. Deze mechanismen maken nucleotide-analogen tot krachtige tools in de strijd tegen kanker en virale infecties, evenals in fundamenteel biologisch onderzoek. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Nucleotiden | Nucleotiden zijn de monomeren (bouwstenen) van nucleïnezuren zoals DNA en RNA. Ze bestaan uit drie componenten: een stikstofhoudende base (een purine of pyrimidine), een pentosesuiker (ribose of deoxyribose) en één of meer fosfaatgroepen. | | Stikstofhoudende base | Een organische verbinding die stikstof bevat en een belangrijk bestanddeel is van nucleïnezuren. De belangrijkste basen zijn adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T) en uracil (U). | | Purine | Een type stikstofhoudende base met een dubbele ringstructuur, bestaande uit een zesring die versmolten is met een vijfring. Adenine en guanine zijn voorbeelam van purinebasen. | | Pyrimidine | Een type stikstofhoudende base met een enkele ringstructuur. Cytosine, thymine en uracil zijn voorbeelden van pyrimidinebasen. | | Ribose | Een vijf-koolstofsuiker die een essentieel bestanddeel is van RNA en bepaalde co-enzymen. Het verschilt van deoxyribose door de aanwezigheid van een hydroxylgroep op het C2-atoom. | | Deoxyribose | Een vijf-koolstofsuiker die het kenmerkende suiker is in DNA. Het is vergelijkbaar met ribose, maar mist een zuurstofatoom op het C2-atoom. | | Fosfaatgroep | Een anorganische groep die bestaat uit een centraal fosforatoom gebonden aan vier zuurstofatomen. Fosfaatgroepen vormen de ruggengraat van nucleïnezuren en spelen een cruciale rol in energietransport (bv. ATP). | | Nucleoside | Een structuur bestaande uit een stikstofhoudende base die covalent gebonden is aan een pentosesuiker (ribose of deoxyribose), zonder fosfaatgroep. | | Adenosinemonofosfaat (AMP) | Een nucleotide dat bestaat uit adenine, ribose en één fosfaatgroep. Het is een bouwsteen van RNA en speelt ook een rol in energietransport en signaaltransductie. | | Adenosinedifosfaat (ADP) | Een nucleotide dat bestaat uit adenine, ribose en twee fosfaatgroepen. Het is de geoxideerde vorm van ATP en speelt een rol in energietransport. | | Adenosinetrifosfaat (ATP) | Het belangrijkste energietransportmolecuul in cellen. Het bestaat uit adenine, ribose en drie fosfaatgroepen. De hydrolyse van de terminale fosfaatbinding levert energie voor cellulaire processen. | | De novo synthese | Het proces waarbij complexe moleculen, zoals nucleotiden, worden opgebouwd uit eenvoudigere precursors. Dit staat tegenover de salvage pathway, waarbij reeds bestaande moleculen worden hergebruikt. | | Salvage pathway | Een metabolisch proces waarbij reeds bestaande bouwstenen, zoals vrije basen of nucleosiden, worden hergebruikt om nieuwe nucleotiden te synthetiseren. Dit is een energiezuinige route vergeleken met de novo synthese. | | Fosforibosylpyrofosfaat (PRPP) | Een intermediair molecuul dat essentieel is voor zowel de de novo synthese als de salvage pathway van purines en pyrimidines. Het dient als acceptor voor de stikstofhoudende base. | | Inosinemonofosfaat (IMP) | Een cruciaal intermediair in de biosynthese van purinenucleotiden. Het kan worden omgezet in AMP of GMP. | | Guanosinemonofosfaat (GMP) | Een nucleotide dat bestaat uit guanine, ribose en één fosfaatgroep. Het is een bouwsteen van RNA en speelt een rol in energietransport en signaaltransductie. | | Uridinemonofosfaat (UMP) | Een nucleotide dat bestaat uit uracil, ribose en één fosfaatgroep. Het is een bouwsteen van RNA en een precursor voor andere pyrimidinonucleotiden. | | Cytidinemonofosfaat (CMP) | Een nucleotide dat bestaat uit cytosine, ribose en één fosfaatgroep. Het is een bouwsteen van RNA en een precursor voor andere pyrimidinonucleotiden. | | Deoxyribonucleotiden | Nucleotiden die deoxyribose als suikereenheid bevatten, in tegenstelling tot ribonucleotiden die ribose bevatten. Deoxyribonucleotiden zijn de bouwstenen van DNA. | | Dihydrofolaatreductase (DHFR) | Een enzym dat betrokken is bij de reductie van dihydrofolaat tot tetrahydrofolaat (THF). THF is een essentiële co-factor in de synthese van purines en pyrimidines, met name voor het overdragen van één-koolstofeenheden. | | Tetrahydrofolaat (THF) | Een actieve vorm van foliumzuur die dient als co-enzym in diverse één-koolstofoverdrachtsreacties, essentieel voor de synthese van purinenucleotiden, thymidylaat en bepaalde aminozuren. | | Thymidylaatsynthase | Een enzym dat de methylering van deoxyuridinemonofosfaat (dUMP) tot deoxythymidinemonofosfaat (dTMP) katalyseert. dTMP is een essentieel nucleotide voor DNA-synthese. | | 5-fluorouracil (5-FU) | Een prodrug die wordt omgezet in actieve metabolieten die de synthese van thymidylaat remmen, waardoor DNA-synthese wordt geblokkeerd. Het wordt gebruikt als chemotherapie bij kanker. | | AZT (Azidothymidine) | Een nucleoside-analoog die werd gebruikt als antiretroviraal middel tegen HIV. Het interfereert met de reverse transcriptase activiteit van HIV door ketenstop te veroorzaken tijdens de DNA-synthese. | | Aciclovir | Een antiviraal middel, met name effectief tegen herpesvirussen. Het wordt door virale en cellulaire enzymen omgezet in een trifosfaatvorm die virale DNA-polymerase remt. | | cAMP (cyclisch Adenosinemonofosfaat) | Een cyclische nucleotide die fungeert als een secundaire boodschapper in veel cellulaire signaleringsroutes, vaak geactiveerd door hormonen zoals glucagon. | | cGMP (cyclisch Guanosinemonofosfaat) | Een cyclische nucleotide die ook als secundaire boodschapper fungeert, met name in de relaxatie van glad spierweefsel, bijvoorbeeld als reactie op stikstofmonoxide (NO). | | Jicht | Een inflammatoire aandoening veroorzaakt door de accumulatie van urinezuur in het bloed (hyperurikemie), wat leidt tot de vorming van kristallen in gewrichten. | | Allopurinol | Een medicijn dat wordt gebruikt om jicht te behandelen. Het remt xanthine oxidase, een enzym dat betrokken is bij de afbraak van purines, waardoor de productie van urinezuur wordt verminderd. | | Urinezuur | Het eindproduct van de afbraak van purinenucleotiden bij mensen. Verhoogde niveaus kunnen leiden tot jicht. |

# Introductie tot biochemie en de rol ervan in geneeskunde/tandheelkunde Biochemie vormt een essentieel onderdeel van de geneeskunde en tandheelkunde door de moleculaire basis van biologische processen te verklaren, wat cruciaal is voor het begrijpen van gezondheid en ziekte [3](#page=3). ### 1.1 Het belang van biochemie in geneeskunde en tandheelkunde Biochemie is van vitaal belang in de geneeskunde en tandheelkunde om verschillende redenen [3](#page=3): * **Begrip van proteïnefunctie:** Proteïnen worden beschouwd als de "werkpaarden" van de cel, in tegenstelling tot DNA dat inactief is. Het begrijpen van hun structuur en functie is fundamenteel [3](#page=3). * **Medicijnwerking:** Veel medicijnen werken door in te grijpen op proteïnen, die dienen als doelwitten voor deze medicijnen. Soms is het proteïne zelf het medicijn [3](#page=3). * **Basis van ziektebeelden:** Biochemische processen liggen aan de oorsprong van talrijke aandoeningen en klinische syndromen [3](#page=3). ### 1.2 Voorbereiding en benodigde voorkennis Voor een succesvolle studie van biochemie is het noodzakelijk om voorkennis te hebben van organische scheikunde. Dit vormt ook een prelude op onderwerpen als enzymkinetiek en metabolisme [5](#page=5). > **Tip:** Het vermogen om internet te gebruiken om problemen op te lossen is een belangrijke vaardigheid tijdens de studie. De syllabus dient als leidraad [5](#page=5). --- # Werkingsmechanismen van medicijnen Dit onderwerp belicht de interactie van medicijnen met biomoleculen, specifiek eiwitten, met een gedetailleerde analyse van transpeptidase en de rol van lactamringen. ### 2.1 Medicijnwerking en biomoleculaire interactie Medicijnen werken door te interageren met specifieke biomoleculen in het lichaam, voornamelijk eiwitten. Deze interacties kunnen leiden tot een verandering in de functie van het eiwit, wat uiteindelijk het therapeutische effect van het medicijn veroorzaakt [4](#page=4). ### 2.2 Transpeptidase en de synthese van polysuikerketens Een cruciaal enzym in de celwand synthese van bacteriën is transpeptidase. Dit enzym is verantwoordelijk voor het aanhechten van een pentaglycinebrug aan D-alanine, wat essentieel is voor de integriteit van de celwand. De structuur van de polysuikerketen, die bestaat uit herhalende eenheden van N-acetylglucosamine (NAG) en N-acetylmuraminezuur (NAM), wordt hierdoor versterkt [4](#page=4). #### 2.2.1 De rol van de lactamring in remming De lactamring speelt een sleutelrol in het remmen van transpeptidase. Deze ringstructuur kan covalent binden aan het actieve centrum van het transpeptidase-enzym. Door deze binding wordt het enzym permanent geïnactiveerd, waardoor de vorming van de celwand wordt onderbroken. Dit principe wordt benut in de werking van bèta-lactam antibiotica, zoals penicilline [4](#page=4). > **Voorbeeld:** Een medicijn met een lactamring kan zich hechten aan het serine (Ser) residu in het actieve centrum van transpeptidase. De ring opent zich en vormt een covalente binding met het enzym, waardoor het onwerkzaam wordt. Dit proces verhindert de cross-linking van de peptidoglycaanketens, wat leidt tot een verzwakte celwand en uiteindelijk tot celdood van de bacterie [4](#page=4). #### 2.2.2 Illustratie van de interactie De interactie tussen een lactamring en transpeptidase kan als volgt worden weergegeven: * **Normale reactie:** Transpeptidase faciliteert de aanhechting van de pentaglycinebrug (Gly5NH2) aan D-alanine, wat leidt tot een stabiele polysuikerketen [4](#page=4). * **Remming door lactamring:** De lactamring van een medicijn bindt aan het actieve centrum van het enzym, waardoor de normale reactie wordt geblokkeerd. De afbeelding toont de lactamring die reageert met een enzym (enzym), wat leidt tot een covalente modificatie van het enzym en het verlies van zijn katalytische activiteit [4](#page=4). #### 2.2.3 Structuur van de polysuikerketen De basisstructuur van de polysuikerketen waarop de glycinebrug wordt aangehecht, bestaat uit herhalende eenheden van NAG en NAM, met daartussen specifieke aminozuurresiduen zoals alanine (Ala), D-alanine (D-Ala), lysine (Lys) en D-glutamine (D-Gln) [4](#page=4). * **NAGNAMNAGNAM** representeert de ruggengraat van de polysuikerketen [4](#page=4). * **Ala-D-Ala-D-Ala-Lys-D-Gln** is een voorbeeld van de zijdelingse keten die de glycinebrug zal binden [4](#page=4). * **H2NGly5** vertegenwoordigt de pentaglycinebrug [4](#page=4). > **Tip:** Begrijpen hoe specifieke chemische structuren, zoals de lactamring, interageren met enzymen is cruciaal voor het begrijpen van veel klassen van medicijnen, met name antibiotica. Bestudeer de chemische reactiviteit van deze functionele groepen. --- # Zwakke krachten en hun rol in biochemie Zwakke, niet-covalente interacties vormen de basis voor de structuur en functie van biomoleculen en zijn essentieel voor alle biochemische processen [6](#page=6). ### 3.1 Introductie tot zwakke bindingen Biochemische processen berusten op transiënte of permanente interacties, oftewel bindingen, tussen biomoleculen. Deze bindingen zijn zwakke, niet-covalente associaties die de volgende typen omvatten: waterstofbruggen, ionaire of elektrostatische bindingen, het hydrofoob effect en van der Waals interacties. De energie van deze interacties is significant lager dan die van covalente bindingen, wat essentieel is voor de dynamiek van biochemische reacties [6](#page=6) [9](#page=9). ### 3.2 Waterstofbruggen Water, dat 70 tot 80% van levende organismen uitmaakt, vormt een netwerk via waterstofbruggen. Door het hoge elektronegatieve karakter van zuurstof worden de gemeenschappelijke elektronenparen in covalente bindingen naar zich toegetrokken, wat resulteert in een polaire structuur met een dipoolmoment. Dit dipoolmoment zorgt ervoor dat watermoleculen zich oriënteren ten opzichte van elkaar, wat leidt tot zwakke interacties die bekend staan als waterstofbruggen [7](#page=7). De energie van waterstofbruggen tussen watermoleculen is ongeveer 5 kcal/mol. Dit is aanzienlijk lager dan de bindingsenergie van een covalente binding, zoals de O-H binding die ongeveer 110 kcal/mol bedraagt. De afstand tussen kernen bij een O-H binding is ongeveer 1.2 Å, terwijl deze bij een waterstofbrug ongeveer 2.7 Å is. Waterstofbruggen dragen bij aan het hoge kookpunt van water [9](#page=9). Functionele groepen in biomoleculen die atomen met een sterk elektronegatief karakter bevatten, zoals zuurstof (O) en stikstof (N), kunnen waterstofbruggen vormen. Voorbeelden hiervan zijn hydroxylgroepen (OH), aminegroepen (NH2), carbonylgroepen (C=O) en amidegroepen. Deze groepen zijn van belang voor de oplosbaarheid van moleculen in water en worden geassocieerd met hydrofiele eigenschappen. Een molecuul dat een waterstofatoom levert voor een waterstofbrug wordt een waterstofbrugdonor genoemd, terwijl een molecuul dat een elektronegatief atoom bevat dat een waterstofatoom kan accepteren, een waterstofbrugacceptor is. Waterstofbruggen kunnen lineair of niet-lineair zijn [10](#page=10). > **Tip:** Het vermogen om waterstofbruggen te vormen en te accepteren is cruciaal voor de interactie van biomoleculen met water, wat hun oplosbaarheid en functie in de cel beïnvloedt. ### 3.3 De ionaire binding Wanneer het verschil in elektronegativiteit tussen atomen groot is, kan een elektronenpaar van de donor overgaan naar de acceptor, waardoor het accepterende atoom een anion wordt. Tegelijkertijd kan een H+ geassocieerd worden met een ander atoom, wat resulteert in een kation. De aantrekkingskracht tussen deze geladen ionen wordt bepaald door de wet van Coulomb [11](#page=11). De sterkte van de ionaire binding is sterk afhankelijk van het diëlektrisch karakter van het medium, uitgedrukt door de diëlektrische constante (D). Water heeft een hoge diëlektrische constante (ongeveer 80), vergeleken met vacuüm. Hierdoor is water een uitstekend oplosmiddel voor ionen, aangezien de watermoleculen (met hun dipoolkarakter) de ionen omringen en stabiliseren via een watermantel, waarbij hydratatie-energie vrijkomt [12](#page=12) [1](#page=1). ### 3.4 Van der Waals interactie Van der Waals interacties zijn zwakke interacties die optreden tussen niet-polaire moleculen. Deze interacties ontstaan door transiënte dipolen die zich vormen als gevolg van willekeurige fluctuaties in de elektronenverdeling. De sterkte van deze interactie is sterk afhankelijk van de afstand tussen de moleculen, met een optimale interactie op een bepaalde afstand die overeenkomt met de van der Waals straal, wat ongeveer tweemaal de covalentebindingsstraal is. Hoewel de energie van een van der Waals interactie slechts ongeveer 1 kcal/mol bedraagt, zijn ze niettemin belangrijk vanwege hun collectieve effect bij grote aantallen interacties [13](#page=13). De van der Waals straal van enkele atomen die voorkomen in biomoleculen zijn als volgt: - Waterstof (H): 1.2 Å [14](#page=14). - Koolstof (C): 2.0 Å [14](#page=14). - Stikstof (N): 1.5 Å [14](#page=14). - Zuurstof (O): 1.4 Å [14](#page=14). - Zwavel (S): 1.85 Å [14](#page=14). ### 3.5 Het hydrofoob effect Het hydrofoob effect beschrijft het fenomeen waarbij hydrofobe moleculen of delen van moleculen in waterige oplossingen de neiging hebben om met elkaar te associëren. Dit staat in contrast met hydrofiele moleculen die juist goed oplossen in water. Een voorbeeld hiervan is de associatie van twee benzeenmoleculen in water. Het hydrofoob effect is een belangrijke drijvende kracht achter de opvouwing van eiwitten tot hun driedimensionale structuur [15](#page=15). ### 3.6 Synergie van zwakke krachten in biochemische processen Hoewel individueel zwak, zijn deze krachten gezamenlijk noodzakelijk voor een breed scala aan biochemische processen. Zo is de structuur van dubbelstrengig DNA gebaseerd op waterstofbrugvorming tussen de nucleotiden. De hydrofobe kracht speelt een cruciale rol bij de vorming van membraanstructuren. Verder werken verschillende van deze krachten samen om complexe structuren te vormen, zoals de secundaire structuur van eiwitten, die tot stand komt door een combinatie van waterstofbrugvorming, van der Waals interacties en hydrofobe interacties. Ook de binding van transcriptiefactoren aan DNA wordt gefaciliteerd door elektrostatische interacties en waterstofbrugvorming [19](#page=19). > **Tip:** Begrijpen hoe verschillende zwakke krachten op elkaar inwerken en elkaar versterken, is essentieel voor het verklaren van de stabiliteit en functionaliteit van biologische macromoleculen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Proteïne (eiwit) | Werkpaarden van de cel die verantwoordelijk zijn voor een breed scala aan biologische functies en vaak het doelwit zijn van medicijnen. | | DNA (Desoxyribonucleïnezuur) | Het molecuul dat genetische informatie draagt en de blauwdruk vormt voor de synthese van eiwitten. Wordt behandeld in het tweede semester. | | Transpeptidase | Een enzym dat een cruciale rol speelt bij de aanhechting van een pentaglycinebrug aan D-alanine, zoals geïllustreerd in de context van medicijnwerking. | | Lactamring | Een cyclische amide functionele groep die aanwezig kan zijn in moleculen en relevant is voor de interactie met enzymen zoals transpeptidase. | | Organische scheikunde | Een voorvereiste voor het begrijpen van biochemie, met name de structuur en reacties van koolstofverbindingen die ten grondslag liggen aan biomoleculen. | | Cel III (Enzymkinetiek, Metabolisme) | Een vervolgcursus die dieper ingaat op de snelheid van enzymatische reacties en de biochemische processen die plaatsvinden in cellen. | | Waterstofbrug | Een zwakke, niet-covalente interactie die ontstaat door de aantrekking tussen een waterstofatoom gebonden aan een elektronegatief atoom (donor) en een ander elektronegatief atoom (acceptor). | | Dipoolmoment | Een maat voor de polariteit van een molecuul, resulterend uit een ongelijke verdeling van elektrische lading, zoals bij watermoleculen. | | Ionaire binding | Een sterke, niet-covalente interactie die ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen positief en negatief geladen ionen, veroorzaakt door een groot verschil in elektronegativiteit. | | Diëlektriciteitsconstante | Een eigenschap van een materiaal die aangeeft hoe goed het een elektrisch veld kan verzwakken, wat invloed heeft op de sterkte van ionaire interacties, met water als een hoogwaardig diëlektricum. | | Van der Waals interactie | Een zwakke, kortwerkende intermoleculaire kracht die ontstaat door tijdelijke dipolen in niet-polaire moleculen, belangrijk voor de stabilisatie van moleculaire structuren. | | Hydrofoob effect | De neiging van niet-polaire moleculen om zich te aggregeren in een waterige oplossing, een drijvende kracht achter de opvouwing van eiwitten en de vorming van celmembranen. | | Biomoleculen | Complexe moleculen die essentieel zijn voor levende organismen, zoals eiwitten, nucleïnezuren (DNA, RNA) en koolhydraten. | | Nucleotiden | De bouwstenen van nucleïnezuren (DNA en RNA), bestaande uit een suiker, een fosfaatgroep en een stikstofbase. | | Transcriptiefactoren | Eiwitten die de transcriptie van genetische informatie van DNA naar RNA reguleren door te binden aan specifieke DNA-sequenties. |

# De citroenzuurcyclus: reacties en tussenproducten De citroenzuurcyclus, ook bekend als de Krebscyclus of de tricarbonzuurcyclus, is een reeks chemische reacties die in de mitochondriën plaatsvinden en essentieel is voor de aerobe celademhaling bij eukaryoten en sommige bacteriën. Het is de centrale metabolische route die acetyl-CoA oxideert tot koolstofdioxide, waarbij energie wordt vrijgemaakt in de vorm van ATP, NADH en FADH₂ [2](#page=2). ### 1.1 Oxidatieve decarboxylering van pyruvaat naar acetyl-CoA De eerste stap die leidt tot de citroenzuurcyclus is de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat, het eindproduct van de glycolyse, tot acetyl-CoA. Deze reactie wordt gekatalyseerd door het pyruvaatdehydrogenase complex en wordt beschouwd als een "committed step", omdat pyruvaat hier definitief wordt omgezet in een vorm die de cyclus kan binnengaan [2](#page=2). De reactie is als volgt: $$ \\text{Pyruvaat} + \\text{CoA-SH} + \\text{NAD}^+ \\rightarrow \\text{Acetyl-CoA} + \\text{CO}\_2 + \\text{NADH} + \\text{H}^+ $$ [2](#page=2). Hierbij wordt pyruvaat (een 3-koolstofverbinding) gedecarboxyleerd tot een 2-koolstofmolecuul gebonden aan co-enzym A (CoA), terwijl een molecuul koolstofdioxide wordt vrijgegeven en NAD⁺ wordt gereduceerd tot NADH [2](#page=2). ### 1.2 De stappen van de citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus zelf begint met de condensatie van acetyl-CoA met oxaalacetaat, een 4-koolstofverbinding, om citraat te vormen [3](#page=3). #### 1.2.1 Citraatsynthase: Vorming van citraat Citraatsynthase katalyseert de aldolcondensatie tussen acetyl-CoA en oxaalacetaat. Eerst wordt water uit oxaalacetaat verwijderd, waardoor een intermediair gevormd wordt. Vervolgens reageert de thioëstergroep van acetyl-CoA met de koolstofgroep van het geactiveerde oxaalacetaat. Uiteindelijk wordt CoA bevrijd en wordt citraat, een 6-koolstofverbinding, gevormd na hydrolyse [3](#page=3). Deze is irreversibel. De algemene reactie is: $$ \\text{Acetyl-CoA} + \\text{Oxaalacetaat} + \\text{H}\_2\\text{O} \\rightarrow \\text{Citraat} + \\text{CoA-SH} $$ [3](#page=3). #### 1.2.2 Aconitase: Isomerisatie van citraat naar isocitraat Citraat wordt vervolgens door het enzym aconitase omgezet in isocitraat via het intermediair cis-aconitaat. Deze reactie omvat de dehydratatie van citraat tot cis-aconitaat, gevolgd door rehydratatie om isocitraat te vormen. Dit is een isomeerverandering waarbij de hydroxylgroep van positie 3 naar positie 2 wordt verplaatst [4](#page=4). Deze zijn reversibel. $$ \\text{Citraat} \\rightleftharpoons \\text{cis-Aconitaat} \\rightleftharpoons \\text{Isocitraat} $$ [4](#page=4). #### 1.2.3 Isocitraatdehydrogenase: Oxidatieve decarboxylering van isocitraat Isocitraat ondergaat vervolgens een oxidatieve decarboxylering, gekatalyseerd door isocitraatdehydrogenase. Hierbij wordt isocitraat geoxideerd en gedecarboxyleerd, wat resulteert in de vorming van $\\alpha$\-ketoglutaraat (een 5-koolstofverbinding), NADH en een molecuul CO₂ [5](#page=5). $$ \\text{Isocitraat} + \\text{NAD}^+ \\rightarrow \\alpha\\text{-Ketoglutaraat} + \\text{CO}\_2 + \\text{NADH} + \\text{H}^+ $$ [5](#page=5). #### 1.2.4 $\\alpha$\-Ketoglutaraat dehydrogenase complex: Oxidatieve decarboxylering van $\\alpha$\-ketoglutaraat Het $\\alpha$\-ketoglutaraat dehydrogenase complex katalyseert de volgende oxidatieve decarboxylering, waarbij $\\alpha$\-ketoglutaraat wordt omgezet in succinyl-CoA. Net als bij de pyruvaatdehydrogenase reactie, worden hierbij CO₂ en NADH geproduceerd, en wordt co-enzym A toegevoegd. Dit complex lijkt sterk op het pyruvaatdehydrogenase complex qua structuur en mechanisme [6](#page=6). $$ \\alpha\\text{-Ketoglutaraat} + \\text{CoA-SH} + \\text{NAD}^+ \\rightarrow \\text{Succinyl-CoA} + \\text{CO}\_2 + \\text{NADH} + \\text{H}^+ $$ [6](#page=6). #### 1.2.5 Succinyl-CoA synthetase: Fosforylering van GDP Het intermediair succinyl-CoA wordt vervolgens door succinyl-CoA synthetase omgezet in succinaat. Deze reactie is een fosforylering op substraatniveau, waarbij de energie die vrijkomt uit de hydrolyse van de thioësterbinding in succinyl-CoA wordt gebruikt om guanosinedifosfaat (GDP) te fosforyleren tot guanosinetrifosfaat (GTP). GTP kan vervolgens zijn terminale fosfaatgroep overdragen aan ADP om ATP te vormen [7](#page=7). $$ \\text{Succinyl-CoA} + \\text{Pi} + \\text{GDP} \\rightarrow \\text{Succinaat} + \\text{CoA-SH} + \\text{GTP} $$ [7](#page=7). #### 1.2.6 Succinaatdehydrogenase: Oxidatie van succinaat tot fumaraat Succinaat wordt geoxideerd tot fumaraat door het enzym succinaatdehydrogenase. In tegenstelling tot de voorgaande dehydrogenatiereacties in de cyclus, gebruikt succinaatdehydrogenase FAD (flavin adenine dinucleotide) als elektronacceptor in plaats van NAD⁺. Dit komt omdat de standaard redoxpotentiaal van de reactie onvoldoende is om NAD⁺ te reduceren. Succinaatdehydrogenase is uniek omdat het geïntegreerd is in de binnenste mitochondriale membraan en direct is gekoppeld aan de elektronentransportketen. De gevormde FADH₂ zal zijn elektronen direct aan het elektronentransportsysteem afstaan [9](#page=9). $$ \\text{Succinaat} + \\text{FAD} \\rightarrow \\text{Fumaraat} + \\text{FADH}\_2 $$ [10](#page=10). #### 1.2.7 Fumarase: Hydratatie van fumaraat tot malaat Fumaraat wordt vervolgens gehydrateerd tot malaat door het enzym fumarase. Hierbij wordt een watermolecuul aan fumaraat toegevoegd, wat resulteert in de vorming van de hydroxylgroep op het tweede koolstofatoom [10](#page=10). $$ \\text{Fumaraat} + \\text{H}\_2\\text{O} \\rightarrow \\text{Malaat} $$ [10](#page=10). #### 1.2.8 Malaatdehydrogenase: Oxidatie van malaat tot oxaalacetaat De laatste stap van de citroenzuurcyclus is de oxidatie van malaat tot oxaalacetaat, gekatalyseerd door malaatdehydrogenase. Deze reactie produceert NADH en regenereert oxaalacetaat, dat vervolgens weer beschikbaar is om de cyclus te starten met een nieuw molecuul acetyl-CoA [10](#page=10). $$ \\text{Malaat} + \\text{NAD}^+ \\rightarrow \\text{Oxaalacetaat} + \\text{NADH} + \\text{H}^+ $$ [10](#page=10). ### 1.3 Overzicht van tussenproducten en energieopbrengst Gedurende de cyclus worden verschillende tussenproducten gevormd, waaronder citraat, isocitraat, $\\alpha$\-ketoglutaraat, succinyl-CoA, succinaat, fumaraat en malaat [10](#page=10) [3](#page=3) [4](#page=4) [5](#page=5) [6](#page=6) [7](#page=7). Per acetyl-CoA molecuul dat de cyclus binnenkomt, worden de volgende producten gevormd: * 2 moleculen CO₂ (vrijgekomen bij de decarboxyleringen) [2](#page=2) [5](#page=5) [6](#page=6). * 3 moleculen NADH [10](#page=10) [2](#page=2) [5](#page=5) [6](#page=6). * 1 molecuul FADH₂ (via succinaatdehydrogenase) [10](#page=10). * 1 molecuul GTP (dat ATP kan genereren) [7](#page=7). > **Tip:** Houd de koolstofbalans en de oxidatiestatus van de tussenproducten in de gaten. De cyclus begint met een 4-koolstofmolecuul (oxaalacetaat) en twee koolstofatomen worden toegevoegd via acetyl-CoA. Deze twee koolstofatomen worden vervolgens weer uitgescheiden als CO₂ waardoor de cyclus gesloten blijft [3](#page=3) [5](#page=5) [6](#page=6). > **Tip:** De energie die wordt gewonnen in de vorm van NADH en FADH₂ wordt verder benut in de elektronentransportketen om een groot deel van de ATP te genereren. GTP is een direct ATP-equivalente molecule [7](#page=7). * * * # Balans en energieopbrengst van de citroenzuurcyclus Dit deel behandelt de stoichiometrische balans van de citroenzuurcyclus, inclusief de input en output van koolstofatomen, de reductie van NAD+ en FAD, de productie van GTP, en het verbruik van watermoleculen, met een nadruk op de regeneratie van NAD+ en FAD en de uiteindelijke ATP-productie via NADH en FADH2. ### 2.1 Stoichiometrische balans van de cyclus De citroenzuurcyclus is een efficiënte metabole route waarbij de input en output zorgvuldig in balans zijn. #### 2.1.1 Koolstofbalans Voor elke volledige omloop van de cyclus komen er twee koolstofatomen binnen in de vorm van acetyl-CoA. Deze twee koolstofatomen verlaten de cyclus vervolgens ook weer als twee moleculen kooldioxide ($CO\_2$). Het is belangrijk op te merken dat dit niet noodzakelijkerwijs dezelfde koolstofatomen zijn die binnenkwamen, maar de netto-uitwisseling van koolstof is dus nul per omloop. Dit proces van koolstofverlies draagt bij aan de energieregeneratie [13](#page=13). #### 2.1.2 Elektronentransport en reductie van co-enzymen Gedurende de cyclus vinden er vier oxidatiereacties plaats waarin waterstofatomen worden afgestaan. Deze waterstofatomen worden opgevangen door de co-enzymen NAD+ en FAD, wat resulteert in hun reductie tot NADH en FADH2. Specifiek worden er drie moleculen NAD+ gereduceerd tot NADH en één molecuul FAD gereduceerd tot FADH2 per omloop. De regeneratie van NADH en FADH2 is cruciaal, aangezien deze moleculen de elektronen leveren voor de uiteindelijke ATP-productie in de oxidatieve fosforylering [13](#page=13). > **Tip:** De vele stappen in de citroenzuurcyclus, inclusief de oxidatiereacties, zorgen voor een geleidelijke en efficiënte vrijgave van energie. De methylgroep die wordt geoxideerd is relatief stabiel en moeilijk te oxideren, wat de noodzaak van meerdere stappen onderstreept [11](#page=11). #### 2.1.3 Productie van GTP en verbruik van water Per omloop van de citroenzuurcyclus wordt één molecuul guanosinetrifosfaat (GTP) gegenereerd. GTP is energetisch equivalent aan ATP en kan direct worden omgezet naar ATP. Daarnaast worden er twee watermoleculen verbruikt in de loop van de cyclus [13](#page=13). #### 2.1.4 De rol van zuurstof Directe participatie van zuurstof ($O\_2$) in de reacties van de citroenzuurcyclus zelf is er niet. Echter, zuurstof is indirect van vitaal belang omdat het noodzakelijk is voor de oxidatie van NADH en FADH2 in de oxidatieve fosforylering, waardoor NAD+ en FAD weer beschikbaar komen voor de citroenzuurcyclus [13](#page=13). ### 2.2 Energieopbrengst De uiteindelijke energieopbrengst van de citroenzuurcyclus wordt gerealiseerd via de gevormde NADH en FADH2 moleculen. #### 2.2.1 ATP-productie via NADH en FADH2 De gereduceerde co-enzymen, NADH en FADH2, zijn de belangrijkste energiedragers die de cyclus verlaat. Deze moleculen zullen in de oxidatieve fosforylering worden geoxideerd, waarbij de energie van de geëxtraheerde elektronen wordt gebruikt om een protonengradiënt op te bouwen, wat uiteindelijk leidt tot de synthese van ATP. Per molecuul NADH wordt naar schatting 3 ATP geproduceerd, en per molecuul FADH2 ongeveer 2 ATP. Aangezien er 3 NADH en 1 FADH2 per omloop worden gevormd, resulteert dit in een theoretische opbrengst van ongeveer 11 ATP moleculen, exclusief de GTP die direct wordt gevormd. De vorming van NADH wordt gemaximaliseerd gedurende de cyclus [11](#page=11) [13](#page=13). > **Tip:** Hoewel de citroenzuurcyclus zelf direct slechts één ATP (via GTP) produceert, is de maximale ATP-opbrengst cruciaal afhankelijk van de efficiënte regeneratie van NADH en FADH2, die op hun beurt deelemn aan de oxidatieve fosforylering. * * * # Citroenzuurcyclus in biosynthese en regulatie De citroenzuurcyclus dient niet enkel als een metabolische route voor energieproductie, maar levert ook essentiële intermediairen voor diverse biosynthetische processen, waarbij de activiteit van de cyclus nauwkeurig wordt gereguleerd door middel van opvulreacties en controlemechanismen [21](#page=21). ### 3.1 De citroenzuurcyclus als bron voor biosynthese De citroenzuurcyclus is een cruciaal centrum dat intermediairen levert voor de synthese van belangrijke biomoleculen [21](#page=21). #### 3.1.1 Intermediairen voor aminozuursynthese * $\\alpha$\-ketoglutaraat en oxaalacetaat kunnen, na transaminatie, omgezet worden in aminozuren [21](#page=21). * **Voorbeeld:** Oxaalacetaat kan geconverteerd worden naar aspartaat, waarbij $\\alpha$\-ketoglutaraat fungeert als aminodonor en glutamaat als product. De reactie is als volgt [22](#page=22): $$ \\text{oxaalacetaat} + \\alpha\\text{-ketoglutaraat} \\rightleftharpoons \\text{aspartaat} + \\text{glutamaat} $$ [22](#page=22). #### 3.1.2 Intermediairen voor porfyrinesynthese * Succinyl-CoA, een intermediair van de citroenzuurcyclus, is een precursor voor de synthese van porfyrinen [21](#page=21). ### 3.2 Opvulreacties (Anaplerotische reacties) Wanneer intermediairen van de citroenzuurcyclus worden onttrokken voor biosynthetische doeleinden, wordt de cyclus aangevuld door anaplerotische reacties om de continuïteit te waarborgen [21](#page=21). #### 3.2.1 Oxaalacetaat vanuit aspartaat aspartaat + alfa-ketoglutaraat **⇌** glutamaat + oxaalacetaat #### 3.2.2 Pyruvaatcarboxylase * Deze reactie zet pyruvaat om in oxaalacetaat, waarbij ATP-hydrolyse nodig is omdat de reactie energetisch ongunstig is [23](#page=23). * De reactie vereist carbamoylgroepoverdracht gevolgd door ATP-afhankelijke carboxylering: $$ \\text{pyruvaat} + \\text{CO}\_2 + \\text{ATP} \\rightarrow \\text{oxaalacetaat} + \\text{ADP} + \\text{P}\\text{i} $$ [23](#page=23). #### 3.2.3 Carboxylerende en reducerende reactie tot malaat * Oxaalacetaat kan worden gevormd uit pyruvaat via een carboxyleringsreactie, gevolgd door NADPH-afhankelijke reductie tot malaat. Hierna kan malaat geoxideerd worden tot oxaalacetaat. [24](#page=24). $$ \\text{pyruvaat} + \\text{CO}\_2 + \\text{NADPH} \\rightarrow \\text{malaat} $$$$ \\text{malaat} + \\text{NAD}^+ \\rightarrow \\text{oxaalacetaat} + \\text{NADH} + \\text{H}^+ $$ [24](#page=24). Deze reacties worden gekatalyseerd door respectievelijk pyruvaat carboxylase/malaat dehydrogenase (in sommige contexten) en malaat enzym, gevolgd door malaat dehydrogenase [24](#page=24). ### 3.3 Regulatie van de citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus wordt op verschillende punten gereguleerd om de snelheid van de cyclus aan te passen aan de energiebehoefte en biosynthetische eisen van de cel [25](#page=25). #### 3.3.1 Pyruvaatdehydrogenase complex * Dit complex, dat de overgang van pyruvaat naar acetyl-CoA katalyseert, wordt geïnhibeerd door de eindproducten acetyl-CoA en NADH [25](#page=25). #### 3.3.2 Citraatsynthase * De activiteit van citraatsynthase wordt beïnvloed door de redoxstatus van de cel, weergegeven door de NAD$^+$/FAD ratio, wat een signaal is voor de energielading van de cel [25](#page=25). * ATP werkt als een allosterische inhibitor en verhoogt de $K\_\\text{M}$ voor acetyl-CoA, wat de affiniteit van het enzym voor zijn substraat vermindert [25](#page=25). #### 3.3.3 Isocitraatdehydrogenase * ATP is een allosterische inhibitor van isocitraatdehydrogenase [25](#page=25). * ADP daarentegen is een allosterische stimulator, die de substraataffiniteit van het enzym verhoogt, wat duidt op een verhoogde behoefte aan energieproductie [25](#page=25). * NADH remt ook de activiteit van dit enzym [25](#page=25). #### 3.3.4 $\\alpha$\-ketoglutaraatdehydrogenase complex * Dit complex vertoont gelijkenissen met het pyruvaatdehydrogenase complex, onder andere door het gebruik van vergelijkbare cofactoren [25](#page=25). * Het wordt geïnhibeerd door de reactieproducten, waaronder succinyl-CoA, NADH, en GTP [25](#page=25). > **Tip:** Het begrijpen van de anaplerotische reacties is cruciaal om te zien hoe de citroenzuurcyclus een dynamisch evenwicht bewaart tussen afbraak- en opbouwprocessen. Let op de moleculen die als zowel eindproducten van de cyclus als precursors voor biosynthese kunnen dienen. * * * # De glyoxylaatcyclus en lokalisatie De glyoxylaatcyclus, een metaboolpad dat voorkomt in planten en bacteriën, maakt de omzetting van acetyl-CoA in glucose en koolhydraten mogelijk via specifieke intermediairen, terwijl de lokalisatie van de enzymen van de citroenzuurcyclus in de mitochondriën en de rol van de mitochondriale membranen worden besproken. [26-28, 30-31](#page=26) ### 4.1 De glyoxylaatcyclus: een overzicht De glyoxylaatcyclus is een variant van de citroenzuurcyclus die voorkomt in organismen zoals planten en bacteriën. Het belangrijkste kenmerk is de afwezigheid van de twee decaboxyleringstappen die in de reguliere citroenzuurcyclus plaatsvinden. In plaats daarvan wordt isocitraat gesplitst tot succinaat en glyoxylaat. Dit pad stelt deze organismen in staat om acetyl-CoA, vaak afkomstig van de afbraak van vetzuren, om te zetten in glucose en andere koolhydraten, wat cruciaal is voor biosynthetische processen [27](#page=27) [28](#page=28). #### 4.1.1 Enzymen en reacties van de glyoxylaatcyclus De cyclus begint met de condensatie van acetyl-CoA met oxaalacetaat tot citraat, gekatalyseerd door citraat-synthase. Citraat wordt vervolgens omgezet in isocitraat via aconitase. Het sleutelenzym van de glyoxylaatcyclus, isocitraat-lyase, splitst isocitraat in glyoxylaat en succinaat. Glyoxylaat kan vervolgens reageren met een tweede molecuul acetyl-CoA, gekatalyseerd door malaat-synthase, om malaat te vormen. Malaat wordt vervolgens geoxideerd tot oxaalacetaat door malaat-dehydrogenase, waarbij NADH wordt geproduceerd. Oxaalacetaat kan dan opnieuw de cyclus ingaan door te condenseren met acetyl-CoA [27](#page=27). Het is belangrijk op te merken dat in de glyoxylaatcyclus isocitraat twee mogelijke bestemmingen heeft. Als het organisme energie nodig heeft, ondergaat isocitraat decarboxylerings- en NADH-productiestappen, zoals in de reguliere citroenzuurcyclus (TCA). Als er echter voldoende energie is, wordt isocitraat gesplitst in succinaat en glyoxylaat, wat de anabolische route van de glyoxylaatcyclus opent [28](#page=28). #### 4.1.2 Rol en lokalisatie van de glyoxylaatcyclus De glyoxylaatcyclus vindt plaats in gespecialiseerde organellen genaamd glyoxysomen. Dit is cruciaal omdat glyoxysomen de enzymen bevatten die nodig zijn voor de omzetting van vetzuren in koolhydraten, een proces dat niet voorkomt bij zoogdieren [28](#page=28) [30](#page=30). Via de glyoxylaatcyclus kan acetyl-CoA worden omgezet in glucose en koolhydraten via intermediairen zoals succinaat en oxaalacetaat. Malaat en oxaalacetaat kunnen verder worden omgezet naar fosfoenolpyruvaat (PEP), dat een substraat is voor PEPCK in de gluconeogenese. Dit mechanisme stelt planten in staat om vetzuren te converteren naar glucose voor energieopslag en groei [28](#page=28) [30](#page=30). > **Tip:** Begrijp de sleutelverschillen tussen de reguliere citroenzuurcyclus en de glyoxylaatcyclus, met name de afwezigheid van decarboxyleringsstappen en de rol van isocitraat-lyase. Dit is essentieel voor het verklaren van de anabolische capaciteiten van planten en bacteriën. ### 4.2 Lokalisatie van de citroenzuurcyclus enzymen in de mitochondriën De citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus) is grotendeels gelokaliseerd binnen de mitochondriën, waarbij de meeste enzymen zich in de mitochondriale matrix bevinden. De structuur van de mitochondriale membranen speelt een cruciale rol in de regulatie van de metabolieten die de cyclus binnenkomen en verlaten [31](#page=31). #### 4.2.1 Mitochondriale membraanstructuur en transport * **Buitenste membraan:** Dit membraan is relatief permeabel voor kleine moleculen en ionen dankzij de aanwezigheid van porine-eiwitten. Dit zorgt voor een gemakkelijke uitwisseling van stoffen met het cytoplasma [31](#page=31). * **Binnenste membraan:** In tegenstelling tot het buitenste membraan, is het binnenste membraan veel minder permeabel en reguleert het strikt het transport van moleculen, mede door de betrokkenheid van de elektronentransportketen (ETK) [31](#page=31). * **Intermembranaire ruimte:** De ruimte tussen het buitenste en binnenste membraan fungeert als een bufferzone waar moleculen zich kunnen bevinden nadat ze het buitenste membraan zijn gepasseerd [31](#page=31). * **Matrix:** De mitochondriale matrix bevat de meeste enzymen van de citroenzuurcyclus [31](#page=31). Het transport van specifieke moleculen over het binnenste mitochondriale membraan wordt gefaciliteerd door "carrier"-eiwitten. Deze eiwitten zijn selectief en zorgen ervoor dat de benodigde substraten de matrix bereiken en dat producten de mitochondriën kunnen verlaten, waardoor de efficiëntie en regulatie van de citroenzuurcyclus worden geoptimaliseerd [31](#page=31). > **Tip:** Visualiseer de mitochondrie met zijn verschillende compartimenten (buitenmembraan, intermembranaire ruimte, binnenmembraan, matrix) en bedenk hoe de permeabiliteit van deze membranen de toegang van substraten tot de enzymen van de citroenzuurcyclus bepaalt. * * * ## Veelgemaakte fouten om te vermijden * Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens * Let op formules en belangrijke definities * Oefen met de voorbeelden in elke sectie * Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Citroenzuurcyclus | Een reeks chemische reacties die plaatsvindt in de mitochondriale matrix van eukaryote cellen, waarbij acetyl-CoA wordt geoxideerd tot kooldioxide, met productie van ATP, NADH en FADH2. | | Pyruvaat | Een driekoolstofverbinding die een belangrijk eindproduct is van de glycolyse en als substraat dient voor de oxidatieve decarboxylering tot acetyl-CoA in de citroenzuurcyclus. | | Acetyl-CoA | Een molecuul dat bestaat uit een acetylgroep gebonden aan Co-enzym A, gevormd uit de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat en dat de citroenzuurcyclus binnenkomt. | | Oxidatieve decarboxylering | Een biochemisch proces waarbij een molecuul wordt geoxideerd terwijl er tegelijkertijd een koolstofatoom als kooldioxide wordt afgesplitst. | | Citraat | Het eerste intermediair van de citroenzuurcyclus, gevormd door de condensatie van oxaalacetaat met acetyl-CoA. | | Isocitraat | Een isomeer van citraat die ontstaat na de omzetting van citraat door het enzym aconitase, en die verder wordt geoxideerd in de citroenzuurcyclus. | | Alfa-ketoglutaraat | Een vijf koolstofatomen bevattend molecuul dat ontstaat na de oxidatieve decarboxylering van isocitraat en dat verder reageert in de citroenzuurcyclus. | | Succinyl-CoA | Een intermediair in de citroenzuurcyclus, gevormd uit alfa-ketoglutaraat, dat de energie levert voor de fosforylering van GDP tot GTP. | | Succinaat | Een vier koolstofatomen bevattend molecuul dat ontstaat na de afsplitsing van Co-enzym A van succinyl-CoA, en dat verder wordt geoxideerd in de cyclus. | | Fumaraat | Een onverzadigde dicarbonzuurverbinding die ontstaat bij de oxidatie van succinaat door succinaatdehydrogenase, en dat verder wordt gehydrateerd tot malaat. | | Malaat | Een dicarbonzuurverbinding die ontstaat uit fumaraat door toevoeging van water, en dat vervolgens wordt geoxideerd tot oxaalacetaat. | | Oxaalacetaat | Het vierkoolstofmolecuul dat aan het einde van de citroenzuurcyclus wordt geregenereerd en dat reageert met acetyl-CoA om de cyclus te starten. | | GTP | Guanosinetrifosfaat, een energierijke nucleotidetrifosfaat die in de citroenzuurcyclus wordt geproduceerd en die kan worden gebruikt voor de synthese van ATP. | | Anaplerotische reacties | Biochemische reacties die intermediairen van de citroenzuurcyclus aanvullen en zo de continuïteit van de cyclus waarborgen wanneer deze intermediairen voor biosynthese worden gebruikt. | | Glyoxylaatcyclus | Een metabole route die voorkomt in planten en bacteriën, die de omzetting van acetyl-CoA in koolhydraten mogelijk maakt, zonder de decarboxylatiestappen van de citroenzuurcyclus. | | Citraatsynthase | Het enzym dat de eerste stap van de citroenzuurcyclus katalyseert, de condensatie van oxaalacetaat en acetyl-CoA tot citraat. | | Isocitraatdehydrogenase | Een enzym dat de oxidatieve decarboxylering van isocitraat naar alfa-ketoglutaraat katalyseert, waarbij NAD+ wordt gereduceerd tot NADH. | | Succinaatdehydrogenase | Een enzym dat de oxidatie van succinaat tot fumaraat katalyseert en dat deel uitmaakt van het binnenste mitochondriale membraan en de elektronentransportketen. |

# De citroenzuurcyclus en zijn reacties De citroenzuurcyclus, ook wel bekend als de Krebs-cyclus of de tri অ্যাসিডcyclus, is een reeks cyclische biochemische reacties die plaatsvindt in de matrix van de mitochondriën. Het hoofddoel is de oxidatie van acetyl-CoA, waarbij ATP wordt geproduceerd en gereduceerde co-enzymen zoals NADH en FADH₂ worden gevormd, die essentieel zijn voor verdere ATP-productie via oxidatieve fosforylering. De cyclus speelt ook een cruciale rol in biosynthetische paden door intermediairen te leveren voor de aanmaak van andere moleculen. ### 1.1 De oxidatieve decarboxylering van pyruvaat Voordat de citroenzuurcyclus kan beginnen, wordt pyruvaat, het eindproduct van de glycolyse, omgezet in acetyl-CoA. Deze reactie vindt plaats in de mitochondriële matrix en wordt gekatalyseerd door het pyruvaatdehydrogenase complex. Dit complex bestaat uit drie enzymen en vereist vijf cofactoren. De reactie verloopt als volgt: $$ \text{Pyruvaat} + \text{CoA-SH} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ Dit wordt beschouwd als de "committed step" in de metabole route naar de citroenzuurcyclus, omdat pyruvaat na deze omzetting niet meer kan terugkeren naar de cytosol voor glycolyse. ### 1.2 De vorming van citraat en isocitraat De cyclus begint met de reactie tussen acetyl-CoA en oxaalacetaat, gekatalyseerd door citraatsynthase. Dit vormt citryl-CoA als intermediair, dat vervolgens wordt gehydrolyseerd tot citraat en co-enzym A. $$ \text{Acetyl-CoA} + \text{Oxaalacetaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Citraat} + \text{CoA-SH} $$ Vervolgens wordt citraat door het enzym aconitase omgezet in isocitraat. Dit proces vindt plaats in twee stappen via het intermediair cis-aconitaat, waarbij water wordt toegevoegd en vervolgens wordt verwijderd. $$ \text{Citraat} \xrightarrow{\text{Aconitase}} \text{cis-Aconitaat} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Aconitase}} \text{Isocitraat} $$ ### 1.3 Omzetting naar $\alpha$-ketoglutaraat en succinyl-CoA De volgende stap is de oxidatieve decarboxylering van isocitraat door isocitraatdehydrogenase. Hierbij wordt een molecuul CO₂ afgesplitst en wordt NAD⁺ gereduceerd tot NADH. Het resultaat is $\alpha$-ketoglutaraat. $$ \text{Isocitraat} + \text{NAD}^+ \rightarrow \alpha\text{-ketoglutaraat} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ $\alpha$-ketoglutaraat ondergaat vervolgens een tweede oxidatieve decarboxylering, gekatalyseerd door het $\alpha$-ketoglutaraat dehydrogenase complex. Dit complex is vergelijkbaar met het pyruvaatdehydrogenase complex en vereist dezelfde cofactoren. Wederom wordt een molecuul CO₂ afgesplitst en NAD⁺ gereduceerd tot NADH. Hierbij wordt co-enzym A gebonden, wat leidt tot de vorming van succinyl-CoA. $$ \alpha\text{-ketoglutaraat} + \text{CoA-SH} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Succinyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ ### 1.4 Fosforylering van guanosinedifosfaat Succinyl-CoA wordt vervolgens door succinyl-CoA synthetase omgezet in succinaat. Deze reactie is een fosforylering op substraatniveau, waarbij de energie die vrijkomt bij de hydrolyse van de thio-esterbinding in succinyl-CoA wordt gebruikt om guanosinedifosfaat (GDP) te fosforyleren tot guanosinetrifosfaat (GTP). $$ \text{Succinyl-CoA} + \text{GDP} + \text{P}_i \rightarrow \text{Succinaat} + \text{GTP} + \text{CoA-SH} $$ GTP is een energierijke verbinding die kan worden omgezet in ATP door het enzym nucleoside difosfokinase: $$ \text{GTP} + \text{ADP} \rightleftharpoons \text{ATP} + \text{GDP} $$ GTP wordt gebruikt in diverse processen, waaronder gluconeogenese, eiwitsynthese en signaaltransductie. ### 1.5 Terugvorming van oxaalacetaat Na de vorming van succinaat, wordt de cyclus voltooid met drie verdere reacties die leiden tot de regeneratie van oxaalacetaat: 1. **Succinaat wordt geoxideerd tot fumaraat**: Dit gebeurt door succinaatdehydrogenase. In tegenstelling tot de eerdere oxidatiestappen in de cyclus, gebruikt dit enzym flavine-adenine-dinucleotide (FAD) in plaats van NAD⁺ als elektronacceptor, omdat de standaard redoxpotentiaal hiervoor onvoldoende is. Het gevormde FADH₂ wordt direct afgeleverd aan de elektronentransportketen. $$ \text{Succinaat} + \text{FAD} \rightarrow \text{Fumaraat} + \text{FADH}_2 $$ Het succinaatdehydrogenase complex is geïntegreerd in het binnenste mitochondriale membraan en is een integraal onderdeel van de elektronentransportketen. 2. **Fumaraat wordt gehydrateerd tot malaat**: Deze reactie wordt gekatalyseerd door fumaraat hydratase (fumarase), waarbij een watermolecuul wordt toegevoegd aan de dubbele binding van fumaraat. $$ \text{Fumaraat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Malaat} $$ 3. **Malaat wordt geoxideerd tot oxaalacetaat**: De laatste stap is de oxidatie van malaat tot oxaalacetaat, gekatalyseerd door malaatdehydrogenase. Hierbij wordt NAD⁺ gereduceerd tot NADH en H⁺. $$ \text{Malaat} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Oxaalacetaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ Deze reeks reacties leidt tot de regeneratie van oxaalacetaat, waardoor de cyclus opnieuw kan beginnen met acetyl-CoA. > **Tip:** Hoewel de citroenzuurcyclus zelf geen zuurstof verbruikt, is zuurstof essentieel voor de efficiënte werking ervan omdat het nodig is om NADH en FADH₂ te oxideren in de elektronentransportketen, wat de regeneratie van NAD⁺ en FAD mogelijk maakt. Zonder dit zouden de oxidatiereacties in de cyclus stilvallen. ### 1.6 Controlepunten van de citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus wordt op verschillende punten gereguleerd om te voldoen aan de energiebehoeften van de cel en om de aanmaak van biosynthetische precursors te reguleren. Belangrijke controlepunten zijn de enzymen: * **Pyruvaatdehydrogenase complex**: Geïnhibeerd door zijn producten, acetyl-CoA en NADH. * **Citraatsynthase**: Geïnhibeerd door ATP (wat duidt op een hoge energielading), NADH en succinyl-CoA. ADP en andere signaalmoleculen die een lage energielading aangeven, kunnen de activiteit stimuleren. * **Isocitraatdehydrogenase**: Allosterisch geïnhibeerd door ATP en NADH. ADP en calciumionen stimuleren de activiteit. * **$\alpha$-ketoglutaraat dehydrogenase complex**: Vergelijkbaar met het pyruvaatdehydrogenase complex, geïnhibeerd door zijn producten, succinyl-CoA en NADH, en ook door GTP. ### 1.7 Citruenzuurcyclus en biosynthese Naast het genereren van energie, leveren de intermediairen van de citroenzuurcyclus belangrijke precursors voor biosynthetische reacties (anabolisme). Dit wordt aangeduid als de amfibole rol van de cyclus. Enkele voorbeelden zijn: * **Oxaalacetaat**: Kan worden omgezet in aspartaat (een aminozuur) of gebruikt worden voor gluconeogenese. * **$\alpha$-ketoglutaraat**: Kan worden omgezet in glutamaat (een aminozuur). * **Succinyl-CoA**: Is een precursor voor de synthese van heemgroepen, die cruciaal zijn voor eiwitten zoals hemoglobine en cytochromen. Wanneer intermediairen van de cyclus worden verbruikt voor biosynthese, moeten deze worden aangevuld om de cyclus gaande te houden. Dit gebeurt via zogenaamde anaplerotische reacties. Voorbeelden hiervan zijn: * **Carboxylering van pyruvaat tot oxaalacetaat**: Gekatalyseerd door pyruvaatcarboxylase, wat biotine en ATP vereist. * **Transaminering van aspartaat tot oxaalacetaat**: Aspartaat draagt zijn aminogroep over aan $\alpha$-ketoglutaraat, wat resulteert in de vorming van oxaalacetaat en glutamaat. * **Carboxylering en reductie van pyruvaat tot malaat**: Gevolgd door oxidatie tot oxaalacetaat. ### 1.8 De glyoxylaatcyclus (in planten en bacteriën) Planten, bacteriën en sommige protisten bezitten de glyoxylaatcyclus, een variant van de citroenzuurcyclus die decarboxylering vermijdt en het mogelijk maakt om acetyl-CoA om te zetten in glucose en andere koolhydraten. Deze cyclus vindt plaats in glyoxysomen en splitst isocitraat in succinaat en glyoxylaat. Dit stelt deze organismen in staat om vetzuren te metaboliseren tot koolhydraten, iets wat bij zoogdieren niet mogelijk is. ### 1.9 Lokalisatie van de citroenzuurcyclus De meeste enzymen van de citroenzuurcyclus bevinden zich in de mitochondriële matrix. Het binnenste mitochondriale membraan, dat ondoorlaatbaar is voor de meeste ionen en kleine moleculen, bevat transporteiwitten (carriers) die nodig zijn voor het transporteren van substraten en producten naar en uit de matrix. Het buitenste membraan is relatief permeabel voor kleine moleculen. Deze compartimentalisatie is cruciaal voor het efficiënt functioneren van de metabole paden. --- # Functie, regulatie en verbindingen van de citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus, ook wel de Krebs-cyclus genoemd, is een centrale metabolische route die functioneert als een "furnace" voor de oxidatie van acetyl-CoA, resulterend in de productie van ATP en gereduceerde co-enzymen, en speelt een sleutelrol in biosynthetische processen. ### 2.1 De functie van de citroenzuurcyclus De primaire functie van de citroenzuurcyclus is het genereren van cellulaire energie in de vorm van ATP en gereduceerde elektronendragers, met name NADH en FADH$_{2}$. Deze cyclus is een cruciale schakel tussen de glycolyse en de oxidatieve fosforylering, waar het grootste deel van de ATP-productie plaatsvindt. Daarnaast levert de cyclus intermediairen voor diverse biosynthetische routes. #### 2.1.1 Energieproductie De cyclus begint met de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat, het eindproduct van de glycolyse, tot acetyl-CoA. Acetyl-CoA wordt vervolgens gecondenseerd met oxaalacetaat om citraat te vormen, het startmolecuul van de cyclus. Door een reeks gecontroleerde oxidaties en decarboxyleringen wordt acetyl-CoA volledig geoxideerd tot koolstofdioxide ($CO_2$). Tijdens dit proces worden elektronen overgedragen aan $NAD^+$ en $FAD$, die gereduceerd worden tot $NADH$ en $FADH_2$. Deze gereduceerde co-enzymen transporteren de elektronen naar de elektronentransportketen, waar hun energie gebruikt wordt om ATP te synthetiseren via oxidatieve fosforylering. De netto opbrengst per acetyl-CoA molecuul die de cyclus ingaat, is: * 3 moleculen $NAD^+$ gereduceerd tot $NADH$ * 1 molecuul $FAD$ gereduceerd tot $FADH_2$ * 1 molecuul $GTP$ gegenereerd (dat direct uitwisselbaar is met $ATP$) * 2 moleculen $CO_2$ geproduceerd Ondanks dat zuurstof ($O_2$) niet direct participeert in de reacties van de citroenzuurcyclus, is het essentieel voor de voortgang ervan, aangezien het nodig is om $NADH$ en $FADH_2$ te regenereren via de elektronentransportketen. #### 2.1.2 Biosynthetische rol De citroenzuurcyclus is niet louter een katabolische route. Veel van de intermediairen van de cyclus dienen als precursors voor de synthese van belangrijke biomoleculen: * **Oxaalacetaat:** Kan gebruikt worden voor gluconeogenese (aanmaak van glucose) en als precursor voor aspartaat. * **$\alpha$-ketoglutaraat:** Kan via transaminering worden omgezet in glutamaat en andere aminozuren. * **Succinyl-CoA:** Is een precursor voor de synthese van porfyrines, de bouwstenen van heemgroepen (zoals in hemoglobine) en chlorofyl. #### 2.1.3 De glyoxylaatcyclus Planten, bacteriën en schimmels beschikken over de glyoxylaatcyclus, een variant van de citroenzuurcyclus die decarboxyleringstappen vermijdt. Hierbij wordt isocitraat gesplitst in succinaat en glyoxylaat. Deze cyclus maakt het mogelijk om acetyl-CoA om te zetten in glucose en koolhydraten, zelfs wanneer deze niet uit suikers afkomstig zijn, zoals bij de omzetting van vetzuren. Dit is een belangrijk verschil met zoogdieren, die vetzuren niet direct kunnen omzetten in glucose. De glyoxylaatcyclus vindt plaats in glyoxysomen. ### 2.2 Regulatie van de citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus wordt nauwkeurig gereguleerd om te voldoen aan de energiebehoefte van de cel en om de aanmaak van biosynthetische precursors te waarborgen. De regulatie vindt plaats op sleutelenzymen, voornamelijk op de "committed steps" en punten waar energie wordt geleverd of verbruikt. #### 2.2.1 Controlepunten De belangrijkste controlepunten en hun regulatie zijn: 1. **Pyruvaatdehydrogenase complex:** * Dit enzymcomplex katalyseert de omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA, een "committed step" naar de cyclus. * **Inhibitoren:** Acetyl-CoA en $NADH$ (producten van de reactie). * **Activator:** $CoA$ en $NAD^+$ (reactanten). 2. **Citraatsynthase:** * Katalyseert de condensatie van acetyl-CoA en oxaalacetaat tot citraat. * **Signaal voor lage energielading:** $NAD^+$ en $FAD$. * **Allosterische inhibitor:** $ATP$ (verhoogt de $K_M$ voor acetyl-CoA, wat betekent dat er meer substraat nodig is om dezelfde reactiesnelheid te bereiken). * **Activator:** $ADP$. 3. **Isocitraatdehydrogenase:** * Katalyseert de eerste oxidatieve decarboxylering in de cyclus. * **Allosterische inhibitor:** $ATP$. * **Allosterische activator:** $ADP$ (verhoogt de affiniteit voor het substraat). * **Inhibitor:** $NADH$. 4. **$\alpha$-ketoglutaraatdehydrogenase complex:** * Vergelijkbaar met het pyruvaatdehydrogenase complex, met dezelfde cofactoren. * **Inhibitoren:** Succinyl-CoA en $NADH$ (producten van de reactie), en $GTP$. #### 2.2.2 Allosterische regulatie en energietoestand Over het algemeen remmen moleculen die duiden op een hoge energielading (zoals $ATP$, $NADH$, $GTP$) de cyclus, terwijl moleculen die wijzen op een lage energielading (zoals $ADP$, $NAD^+$) de cyclus stimuleren. * **Tip:** Herken de hoge energielading moleculen ($ATP$, $NADH$, $GTP$) als potentiële remmers van enzymen die energie produceren of verbruiken. * **Tip:** Herken de lage energielading moleculen ($ADP$, $NAD^+$) als potentiële activatoren van energieproducerende routes. ### 2.3 Verbindingen met andere metabolische routes De citroenzuurcyclus is een hub die sterk verbonden is met andere metabolische processen. #### 2.3.1 Oxidatieve decarboxylering van pyruvaat De omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA door het pyruvaatdehydrogenase complex is de poort naar de citroenzuurcyclus. Dit complex is een multienzymatisch systeem dat cofactoren zoals thiaminepyrofosfaat, liponamide, $CoA$, $NAD^+$ en $FAD$ gebruikt. $$ \text{Pyruvaat} + \text{CoA} + NAD^+ \rightarrow \text{Acetyl-CoA} + CO_2 + NADH + H^+ $$ #### 2.3.2 Verbindingen met NAD+ en veroudering Er wordt gesuggereerd dat $NAD^+$ een belangrijke rol speelt bij veroudering. Een daling in de cellulaire concentratie van $NAD^+$ naarmate men ouder wordt, kan leiden tot een verminderde stoichiometrie en efficiëntie van de elektronentransportketen en de ATP-synthese. Dit suggereert dat $NAD^+$ niet alleen een cruciale rol speelt in het metabolisme, maar ook in de cellulaire gezondheid en het verouderingsproces. #### 2.3.3 Verbindingen met biosynthese en anaplerotische reacties Wanneer intermediairen van de citroenzuurcyclus worden gebruikt voor biosynthese, moeten ze worden aangevuld om de cyclus te laten voortduren. Dit gebeurt via **anaplerotische reacties**. Enkele belangrijke voorbeelden zijn: * **Oxaalacetaat aanmaak:** * **Transaminering:** Aspartaat kan via transaminering met $\alpha$-ketoglutaraat oxaalacetaat en glutamaat vormen. $$ \text{Oxaalacetaat} + \text{Glutamaat} \rightleftharpoons \alpha\text{-ketoglutaraat} + \text{Aspartaat} $$ * **Carboxylering van pyruvaat:** Pyruvaat kan door het enzym pyruvaatcarboxylase met $CO_2$ en $ATP$ worden omgezet in oxaalacetaat. Dit is een energetisch ongunstige reactie die hydrolyse van $ATP$ vereist en afhankelijk is van het co-enzym biotine. $$ \text{Pyruvaat} + CO_2 + ATP + H_2O \rightarrow \text{Oxaalacetaat} + ADP + P_i $$ * **Carboxylering en reductie van pyruvaat tot malaat:** Pyruvaat kan via een carboxylering en een $NADPH$-afhankelijke reductie worden omgezet in malaat, dat vervolgens kan worden geoxideerd tot oxaalacetaat. * **Succinyl-CoA aanmaak:** De omzetting van succinyl-CoA naar succinaat door succinyl-CoA synthetase produceert $GTP$ (of $ATP$ via nucleoside difosfokinase) en $CoA$. Dit is een belangrijke stap omdat het direct energie genereert binnen de cyclus en succinaat vormt voor verdere reacties. #### 2.3.4 Lokalisatie van de citroenzuurcyclus De meeste enzymen van de citroenzuurcyclus zijn gelokaliseerd in de **matrix van de mitochondriën**. De buitenste mitochondriale membraan is permeabel voor kleine moleculen en ionen, terwijl de binnenste membraan, waar de elektronentransportketen zich bevindt, ondoordringbaar is en specifieke "carrier"-eiwitten nodig heeft voor transport. Compartimentalisatie binnen de cel is cruciaal voor het efficiënt laten verlopen van specifieke reacties. > **Tip:** Begrijp dat de citroenzuurcyclus niet geïsoleerd opereert, maar een centraal punt is in het cellulaire metabolisme, dat zowel energie genereert als bouwstenen levert voor biosynthese. De regulatie door allosterie en de beschikbaarheid van substraten en producten zijn cruciaal voor de balans. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Citroenzuurcyclus | Een reeks chemische reacties die plaatsvindt in de mitochondriale matrix en essentieel is voor de cellulaire ademhaling, waarbij acetyl-CoA wordt geoxideerd tot koolstofdioxide, waarbij ATP en gereduceerde co-enzymen worden geproduceerd. | | Krebs-cyclus | Een alternatieve naam voor de citroenzuurcyclus, vernoemd naar de ontdekker Hans Krebs. | | Mitochondriën | Celorganellen die bekend staan als de energiecentrales van de cel, waar de meeste cellulaire ademhaling en ATP-productie plaatsvinden. | | Oxidatieve decarboxylering | Een biochemisch proces waarbij een carboxylgroep wordt verwijderd in de vorm van koolstofdioxide, vaak gepaard gaand met de oxidatie van het substraat. | | Pyruvaat | Een driekoolstofverbinding die het eindproduct is van glycolyse en de directe voorloper is van acetyl-CoA in de citroenzuurcyclus. | | Acetyl-CoA | Een molecuul dat een acetylgroep combineert met co-enzym A; het is een belangrijk intermediair in de stofwisseling, met name in de citroenzuurcyclus. | | Koolstofdioxide (CO2) | Een gasvormig afvalproduct dat wordt geproduceerd tijdens de citroenzuurcyclus door de decarboxylering van intermediairen. | | Citraatsynthase | Het enzym dat de eerste stap van de citroenzuurcyclus katalyseert, waarbij acetyl-CoA condenseert met oxaalacetaat om citraat te vormen. | | Oxaalacetaat | Een vierkoolstofdicarbonzuur dat essentieel is voor de citroenzuurcyclus, waar het reageert met acetyl-CoA om citraat te vormen en wordt geregenereerd aan het einde van de cyclus. | | Citraat | Een zes-koolstofverbinding die wordt gevormd aan het begin van de citroenzuurcyclus door de reactie van oxaalacetaat en acetyl-CoA. | | Isocitraat | Een isomeer van citraat, gevormd door de omzetting van citraat door het enzym aconitase, en het eerste substraat dat wordt geoxideerd en gedecaboxyleerd in de citroenzuurcyclus. | | Alfa-ketoglutaraat | Een vijf-koolstofverbinding die ontstaat na de oxidatieve decarboxylering van isocitraat, en die verder wordt gemetaboliseerd in de citroenzuurcyclus. | | Succinyl-CoA | Een vier-koolstofverbinding die wordt gevormd uit alfa-ketoglutaraat en die betrokken is bij de synthese van heemring en de fosforylering van GDP. | | Succinaat | Een vier-koolstofdicarbonzuur dat wordt gevormd uit succinyl-CoA en dat wordt geoxideerd tot fumaraat in de citroenzuurcyclus. | | Fumaraat | Een vier-koolstofdicarbonzuur dat wordt gevormd uit succinaat en wordt omgezet in malaat door het enzym fumarase. | | Malaat | Een vier-koolstofdicarbonzuur dat wordt gevormd uit fumaraat en wordt geoxideerd tot oxaalacetaat door malaatdehydrogenase. | | Gereduceerde equivalenten | Moleculen die waterstofatomen en elektronen hebben opgenomen, zoals NADH en FADH2, die hun energie afgeven tijdens de elektronentransportketen. | | ATP (Adenosinetrifosfaat) | De primaire energiedrager in de cel, gevormd tijdens cellulaire ademhaling, inclusief de citroenzuurcyclus. | | GTP (Guanosinetrifosfaat) | Een energierijke verbinding die tijdens de citroenzuurcyclus wordt geproduceerd en kan worden omgezet in ATP. | | Elektronentransportketen (ETK) | Een reeks eiwitcomplexen in het binnenste mitochondriale membraan die elektronen transporteren om een protonengradiënt te creëren voor ATP-synthese. | | Anaplerotische reacties | Reacties die intermediairen van de citroenzuurcyclus aanvullen om de cyclus draaiende te houden, vooral wanneer intermediairen worden onttrokken voor biosynthese. | | Glyoxylaatcyclus | Een metabole route die voorkomt in planten en bacteriën, waardoor vetzuren kunnen worden omgezet in koolhydraten door het vermijden van de decarboxylatiestappen van de citroenzuurcyclus. | | Compartimentalisatie | Het proces waarbij een cel is verdeeld in verschillende functionele compartimenten, zoals organellen, die specifieke biochemische reacties mogelijk maken. | | NAD+ (Nicotinamide adenine dinucleotide) | Een co-enzym dat betrokken is bij veel redoxreacties in de cel en fungeert als een elektronacceptor. | | NADH | De gereduceerde vorm van NAD+, die elektronen en waterstofatomen draagt en gebruikt wordt in de elektronentransportketen voor ATP-productie. | | FAD (Flavine adenine dinucleotide) | Een co-enzym dat betrokken is bij redoxreacties en elektronen kan accepteren om FADH2 te vormen. | | FADH2 | De gereduceerde vorm van FAD, die elektronen en waterstofatomen draagt en gebruikt wordt in de elektronentransportketen. | | Biotine | Een vitamine (vitamine B7) die fungeert als een co-enzym voor carboxylase-enzymen, essentieel voor de carboxylering van pyruvaat tot oxaalacetaat. |

# De citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus) De citroenzuurcyclus, ook wel bekend als de Krebs-cyclus, is een centrale metabole route die plaatsvindt in de mitochondriële matrix en cruciaal is voor de oxidatie van acetyl-CoA, wat leidt tot de productie van energierijke moleculen en precursors voor biosynthese. ### 1.1 Overzicht van de citroenzuurcyclus De cyclus begint met de omzetting van pyruvaat, het eindproduct van de glycolyse, naar acetyl-CoA. Vervolgens wordt acetyl-CoA gecondenseerd met oxaalacetaat om citraat te vormen, waarna een reeks reacties plaatsvindt die uiteindelijk leiden tot de regeneratie van oxaalacetaat en de productie van kooldioxide (CO2), NADH, FADH2 en GTP. ### 1.2 Stappen van de citroenzuurcyclus De cyclus kan worden onderverdeeld in de volgende reacties: #### 1.2.1 Oxidatieve decarboxylering van pyruvaat Pyruvaat ondergaat een oxidatieve decarboxylering, gekatalyseerd door het pyruvaatdehydrogenase complex, om acetyl-CoA te vormen. Deze reactie is een "committed step" in de weg naar de citroenzuurcyclus. $$ \text{Pyruvaat} + \text{HSCoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ #### 1.2.2 Condensatie van acetyl-CoA met oxaalacetaat Acetyl-CoA condenseert met oxaalacetaat (een vierkoolstofverbinding) om citraat (een zeskoolstofverbinding) te vormen. Deze reactie wordt gekatalyseerd door citraatsynthase. $$ \text{Acetyl-CoA} + \text{Oxaalacetaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Citraat} + \text{CoA-SH} $$ #### 1.2.3 Isomerisatie van citraat tot isocitraat Citraat wordt door het enzym aconitase omgezet in isocitraat. Dit gebeurt via een intermediair, cis-aconiaat, waarbij een hydroxylgroep wordt verplaatst. $$ \text{Citraat} \leftrightarrow \text{cis-Aconitaat} + \text{H}_2\text{O} $$ $$ \text{cis-Aconitaat} + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{Isocitraat} $$ #### 1.2.4 Oxidatieve decarboxylering van isocitraat Isocitraat wordt geoxideerd en gedecaboxyleerd tot $\alpha$-ketoglutaraat. Hierbij worden CO2 en NADH geproduceerd. Dit wordt gekatalyseerd door isocitraatdehydrogenase. $$ \text{Isocitraat} + \text{NAD}^+ \rightarrow \alpha\text{-Ketoglutaraat} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ #### 1.2.5 Oxidatieve decarboxylering van $\alpha$-ketoglutaraat $\alpha$-Ketoglutaraat wordt door het $\alpha$-ketoglutaraatdehydrogenase complex geoxideerd en gedecaboxyleerd tot succinyl-CoA. Ook hierbij komen CO2 en NADH vrij. $$ \alpha\text{-Ketoglutaraat} + \text{HSCoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Succinyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ #### 1.2.6 Fosforylering van guanosinedifosfaat (GDP) Succinyl-CoA wordt omgezet in succinaat, waarbij GTP wordt gevormd door substraatniveau fosforylering, gekatalyseerd door succinyl-CoA synthetase. Dit is energetisch equivalent aan ATP-vorming. $$ \text{Succinyl-CoA} + \text{GDP} + \text{Pi} \rightarrow \text{Succinaat} + \text{GTP} + \text{HSCoA} $$ > **Tip:** GTP kan omgezet worden naar ATP door nucleoside difosfokinase: $\text{GTP} + \text{ADP} \rightleftharpoons \text{ATP} + \text{GDP}$. #### 1.2.7 Oxidatie van succinaat tot fumaraat Succinaat wordt geoxideerd tot fumaraat door succinaatdehydrogenase. Hierbij wordt FAD gereduceerd tot FADH2, omdat de redoxpotentiaal voor deze reactie onvoldoende is om NAD+ te reduceren. Dit enzym is geïntegreerd in de binnenste mitochondriële membraan en verbonden met de elektronentransportketen. $$ \text{Succinaat} + \text{FAD} \rightarrow \text{Fumaraat} + \text{FADH}_2 $$ #### 1.2.8 Hydratatie van fumaraat tot malaat Fumaraat wordt gehydrateerd tot malaat door fumarase. $$ \text{Fumaraat} + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{Malaat} $$ #### 1.2.9 Oxidatie van malaat tot oxaalacetaat Malaat wordt geoxideerd tot oxaalacetaat door malaatdehydrogenase. Hierbij wordt NAD+ gereduceerd tot NADH. $$ \text{Malaat} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Oxaalacetaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ ### 1.3 Balans van de citroenzuurcyclus Per molecuul acetyl-CoA dat de cyclus ingaat, zijn de netto resultaten: * **Twee CO2-moleculen** worden geproduceerd. * **Drie NAD+ moleculen** worden gereduceerd tot NADH. * **Eén FAD molecuul** wordt gereduceerd tot FADH2. * **Eén GTP molecuul** wordt gevormd. * **Twee watermoleculen** worden verbruikt. Het gevormde NADH en FADH2 worden verder geoxideerd in de elektronentransportketen, wat leidt tot de vorming van ATP. De totale ATP-opbrengst, inclusief de oxidatie van NADH en FADH2, is aanzienlijk. > **Tip:** O2 participeert niet direct in de citroenzuurcyclus, maar is essentieel voor de regeneratie van NAD+ en FAD via de elektronentransportketen. ### 1.4 Rol van de citroenzuurcyclus in biosynthese en anabolisme De citroenzuurcyclus is niet alleen betrokken bij afbraak (catabolisme), maar levert ook precursors voor biosynthetische reacties (anabolisme). Intermediairen zoals $\alpha$-ketoglutaraat en oxaalacetaat kunnen gebruikt worden voor de synthese van aminozuren door transaminatie. Succinyl-CoA is een precursor voor porfyrinen, de bouwstenen van heemgroepen. #### 1.4.1 Anaplerotische reacties Wanneer intermediairen van de cyclus worden onttrokken voor biosynthetische doeleinden, kunnen deze worden aangevuld door anaplerotische reacties om de cyclus draaiende te houden. Voorbeelden hiervan zijn: * Omzetting van aspartaat naar oxaalacetaat. * Omzetting van pyruvaat naar oxaalacetaat (via pyruvaatcarboxylase, een reactie die ATP vereist). * Omzetting van pyruvaat via malaat naar oxaalacetaat (inclusief carboxylerings- en reductiestappen). ### 1.5 Controle van de citroenzuurcyclus De activiteit van de citroenzuurcyclus wordt gereguleerd op verschillende punten, voornamelijk door productinhibitie en allosterische regulatie: * **Pyruvaatdehydrogenase:** Geïnhibeerd door acetyl-CoA en NADH. * **Citraatsynthase:** Geïnhibeerd door ATP en NADH (indicatoren van een hoge energielading). * **Isocitraatdehydrogenase:** Geïnhibeerd door ATP en NADH, maar gestimuleerd door ADP (indicatie van lage energielading). * **$\alpha$-Ketoglutaraatdehydrogenase:** Geïnhibeerd door succinyl-CoA, NADH en GTP. ### 1.6 Glyoxylaatcyclus Planten en bacteriën beschikken over de glyoxylaatcyclus, die lijkt op de citroenzuurcyclus maar de decarboxylatiestappen omzeilt. Hierdoor kunnen vetzuren worden omgezet in glucose en koolhydraten via acetyl-CoA en oxaalacetaat, wat bij zoogdieren niet mogelijk is. Deze cyclus vindt plaats in glyoxysomen. ### 1.7 Lokalisatie in de mitochondriën De meeste enzymen van de citroenzuurcyclus bevinden zich in de **mitochondriële matrix**. De buitenste mitochondriële membraan is relatief permeabel voor kleine moleculen, terwijl de binnenste membraan selectief permeabel is en transport van moleculen reguleert via specifieke carrier-eiwitten. Deze compartimentalisatie is cruciaal voor de efficiëntie van cellulaire processen. --- # Glyoxylaatcyclus De glyoxylaatcyclus is een metabole route die voornamelijk voorkomt in planten en bacteriën, en die verschilt van de citroenzuurcyclus door het ontbreken van decarboxylatiestappen, waardoor vetzuren kunnen worden omgezet in glucose. ### 2.1 Kenmerken en rol van de glyoxylaatcyclus De glyoxylaatcyclus is een aanpassing van de citroenzuurcyclus (ook bekend als de Krebscyclus of TCA-cyclus) die het mogelijk maakt voor organismen om acetyl-CoA, afkomstig van de afbraak van vetzuren, te gebruiken voor de synthese van koolhydraten. Dit is cruciaal voor organismen die hun energie opslaan in de vorm van vetten, maar behoefte hebben aan glucose, zoals kiemende zaden van planten of bepaalde bacteriën. #### 2.1.1 Verschillen met de citroenzuurcyclus Het fundamentele verschil tussen de glyoxylaatcyclus en de citroenzuurcyclus ligt in het ontbreken van de decarboxylatiestappen die in de citroenzuurcyclus voorkomen. In de citroenzuurcyclus worden koolstofatomen in de vorm van CO$_2$ verwijderd, wat leidt tot een nettoverlies van koolstof uit de cyclus. De glyoxylaatcyclus omzeilt deze stappen door middel van specifieke enzymen, waardoor alle koolstofatomen van acetyl-CoA binnen de cyclus blijven en kunnen worden gebruikt voor biosynthese. #### 2.1.2 Belangrijkste enzymen en reacties De glyoxylaatcyclus maakt gebruik van de meeste enzymen van de citroenzuurcyclus, maar voegt twee unieke enzymen toe: 1. **Isocitraatlyase:** Dit enzym splitst isocitraat in succinaat en glyoxylaat. Dit is de sleutelreactie die decarboxylatie voorkomt. $$ \text{Isocitraat} \rightarrow \text{Succinaat} + \text{Glyoxylaat} $$ 2. **Malaatsynthase:** Dit enzym condenseert glyoxylaat met een tweede molecuul acetyl-CoA, wat resulteert in de vorming van malaat. $$ \text{Glyoxylaat} + \text{Acetyl-CoA} \rightarrow \text{Malaat} $$ De cyclus begint typisch met de condensatie van acetyl-CoA met oxaalacetaat (net als bij de citroenzuurcyclus), wat citraat vormt. Echter, in plaats van verder te gaan met decarboxylatiestappen, wordt citraat omgezet in isocitraat. Vervolgens splitst isocitraatlyase isocitraat. Het gevormde succinaat kan de citroenzuurcyclus binnenkomen en verder geoxideerd worden, terwijl glyoxylaat via malaatsynthase opnieuw wordt omgezet in malaat. Malaat kan vervolgens worden omgezet in oxaalacetaat, dat dan weer met een nieuw molecuul acetyl-CoA kan condenseren om de cyclus te continueren of kan worden gebruikt voor de synthese van glucose. #### 2.1.3 Lokalisatie De enzymen van de glyoxylaatcyclus zijn voornamelijk gelokaliseerd in gespecialiseerde organellen genaamd **glyoxysomen**, die voornamelijk in de kiemende zaden van planten en in bepaalde bacteriën worden aangetroffen. Deze lokalisatie in glyoxysomen scheidt de cyclus af van de reguliere citroenzuurcyclus die in de mitochondriën plaatsvindt. > **Tip:** De glyoxylaatcyclus maakt het mogelijk voor planten en sommige bacteriën om vetzuren om te zetten in glucose. Dit is een essentieel proces voor energieopslag en -herstel, vooral tijdens perioden van beperkte koolhydraatbeschikbaarheid, zoals de ontkieming van zaden. ### 2.2 Conversie van vetzuren naar glucose De belangrijkste functie van de glyoxylaatcyclus is de mogelijkheid om vetzuren om te zetten in koolhydraten. Dit proces verloopt als volgt: 1. **Vetzuren worden afgebroken tot acetyl-CoA:** Via $\beta$-oxidatie worden vetzuren afgebroken tot acetyl-CoA, dat de glyoxylaatcyclus binnenkomt. 2. **Acetyl-CoA wordt omgezet in malaat via de glyoxylaatcyclus:** Zoals hierboven beschreven, wordt acetyl-CoA via isocitraat en glyoxylaat uiteindelijk omgezet in malaat. 3. **Malaat wordt omgezet naar oxaalacetaat:** Malaat wordt door het enzym malaatdehydrogenase omgezet in oxaalacetaat, waarbij NADH wordt geproduceerd. 4. **Oxaalacetaat wordt omgezet in fosfo-enolpyruvaat (PEP):** Oxaalacetaat is een intermediair in de gluconeogenese. Het kan worden omgezet in fosfo-enolpyruvaat (PEP) via het enzym fosfo-enolpyruvaatcarboxykinase (PEPCK) en de consumptie van GTP. 5. **PEP wordt omgezet in glucose:** PEP wordt vervolgens via de gluconeogenetische weg omgezet in glucose. > **Voorbeeld:** Een kiemend zaadje dat voornamelijk vetten als energieopslag heeft, kan dankzij de glyoxylaatcyclus en gluconeogenese de energie verkrijgen die nodig is voor groei en ontwikkeling door deze vetten om te zetten in glucose. Zoogdieren missen de enzymen isocitraatlyase en malaatsynthase, en kunnen vetzuren dus niet op deze manier omzetten in glucose. ### 2.3 Regulatie van de glyoxylaatcyclus De activiteit van de glyoxylaatcyclus wordt nauwkeurig gereguleerd, vaak als reactie op de energiebehoefte van de cel en de beschikbaarheid van substraten. * **Beschikbaarheid van acetyl-CoA:** De cyclus is sterk afhankelijk van de aanvoer van acetyl-CoA. * **Energieconditie van de cel:** Wanneer de cel voldoende energie heeft (bijvoorbeeld ATP), wordt de citroenzuurcyclus bevorderd voor biosynthese. Bij een lage energielading wordt de glyoxylaatcyclus geactiveerd om energie te produceren. * **Specifieke enzymregulatie:** De activiteit van isocitraatlyase en malaatsynthase kan worden gereguleerd. In planten wordt de glyoxylaatcyclus bijvoorbeeld gestimuleerd door een hoge concentratie suikers en geremd door bepaalde verbindingen die duiden op een overmaat aan energie. ### 2.4 Anaplerotische reacties Net als bij de citroenzuurcyclus zijn er ook voor de glyoxylaatcyclus anaplerotische reacties nodig om intermediairen aan te vullen die worden gebruikt voor biosynthese. Oxaalacetaat is een belangrijk intermediair dat kan worden afgeleid uit aspartaat of pyruvaat (via pyruvaatcarboxylase), of gevormd door de carboxylering en reductie van pyruvaat tot malaat. Deze reacties zorgen ervoor dat de cyclus continu kan draaien, zelfs wanneer intermediairen voor anabole processen worden onttrokken. > **Vergelijking met citroenzuurcyclus:** Terwijl de citroenzuurcyclus voornamelijk een katabolische rol speelt door acetyl-CoA te oxideren tot CO$_2$ en energie te produceren, kan de glyoxylaatcyclus, door het ontbreken van decarboxylatie, zowel katabole (productie van succinaat) als anabole (synthese van glucose uit acetyl-CoA) functies vervullen. ### 2.5 Rol in verschillende organismen * **Planten:** Cruciaal voor kiemende zaden om vetreserves om te zetten in suikers voor groei. * **Bacteriën:** Gebruikt door sommige bacteriën voor het metabolisme van vetzuren en de synthese van celcomponenten. * **Zoogdieren:** De glyoxylaatcyclus is afwezig in de meeste zoogdieren, wat verklaart waarom zij vetzuren niet direct in glucose kunnen omzetten. --- # Compartimentalisatie van de mitochondriën en regulatie De locatie van de citroenzuurcyclus binnen de mitochondriën en de regulatie ervan, inclusief de rol van producten en de energietoestand van de cel, worden hier besproken. ### 3.1 Locatie van de citroenzuurcyclus binnen de mitochondriën De mitochondriën bestaan uit meerdere compartimenten, elk met specifieke functies: * **Buitenste membraan:** Relatief permeabel voor kleine moleculen en ionen, mede dankzij de aanwezigheid van porines. * **Intermembranaire ruimte:** De ruimte tussen het buitenste en binnenste membraan. * **Binnenste membraan:** Impermeabel voor de meeste moleculen, met uitzondering van specifieke "carrier"-eiwitten die transport faciliteren. Hier bevindt zich ook de elektronentransportketen. * **Matrix:** De binnenste ruimte van de mitochondriën. De meeste enzymen die betrokken zijn bij de citroenzuurcyclus zijn gelokaliseerd in de mitochondriale matrix. De compartimentalisatie binnen de mitochondriën is cruciaal voor de efficiënte regulatie van diverse metabole processen. ### 3.2 Regulatie van de citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus wordt nauwkeurig gereguleerd om te voldoen aan de energievraag van de cel en om overbodige productie van intermediairen te voorkomen. Deze regulatie vindt plaats op verschillende niveaus, voornamelijk door productinhibitie en door de energietoestand van de cel. #### 3.2.1 Sleutelenzymen en hun regulatie Verschillende enzymen in de cyclus zijn belangrijke regulatiepunten: * **Pyruvaatdehydrogenase complex:** Dit complex katalyseert de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat naar acetyl-CoA, de stap die de glycolyse verbindt met de citroenzuurcyclus. Dit wordt beschouwd als een "committed step" voor de cyclus. * **Inhibitieve feedback:** Acetyl-CoA en NADH, de producten van deze reactie, remmen het pyruvaatdehydrogenase complex allosterisch. Dit voorkomt dat de cyclus wordt aangedreven wanneer er al voldoende tussenproducten aanwezig zijn. * **Citraatsynthase:** Katalyseert de condensatie van acetyl-CoA en oxaalacetaat tot citraat. * **Signaal van lage energielading:** Een lage verhouding van $\text{NAD}^+$ /$\text{NADH}$ en $\text{FAD}$ /$\text{FADH}_2$ (wat duidt op een lage energietoestand van de cel) stimuleert dit enzym indirect door de beschikbaarheid van substraten te beïnvloeden. * **Allosterische inhibitie:** ATP werkt als een allosterische inhibitor door de $K_M$ (Michaelis-constante) voor acetyl-CoA te verhogen, wat de affiniteit van het enzym voor zijn substraat vermindert. * **Isocitraatdehydrogenase:** Katalyseert de oxidatieve decarboxylering van isocitraat tot $\alpha$-ketoglutaraat. * **Allosterische inhibitie door ATP:** Hoge niveaus van ATP remmen dit enzym, wat aangeeft dat de cel voldoende energie heeft en de cyclus kan vertragen. * **Allosterische stimulatie door ADP:** ADP werkt als een allosterische activator, waardoor de substraataffiniteit van het enzym toeneemt. Dit signaleert een behoefte aan energieproductie. * **Inhibitie door NADH:** NADH remt ook dit enzym, wat een logisch gevolg is van productinhibitie. * **$\alpha$-Ketoglutaraatdehydrogenase complex:** Katalyseert de oxidatieve decarboxylering van $\alpha$-ketoglutaraat tot succinyl-CoA. Dit complex is homoloog aan het pyruvaatdehydrogenase complex en deelt enkele cofactoren. * **Inhibitie door producten:** Succinyl-CoA en NADH remmen dit enzym. Daarnaast remt GTP, net als ATP, dit enzym allosterisch. #### 3.2.2 Rol van de energietoestand van de cel De energietoestand van de cel, grotendeels bepaald door de concentraties van $\text{ATP}$, $\text{ADP}$, $\text{NADH}$ en $\text{FAD}$, is een cruciale factor in de regulatie van de citroenzuurcyclus. * **Hoge energielading:** Wanneer de cel een hoge concentratie $\text{ATP}$ en $\text{NADH}$ heeft, is er minder behoefte aan energieproductie via de citroenzuurcyclus. Verschillende enzymen, zoals citraatsynthase, isocitraatdehydrogenase en $\alpha$-ketoglutaraatdehydrogenase, worden geremd door deze moleculen. * **Lage energielading:** Bij een lage concentratie $\text{ATP}$ en een hoge concentratie $\text{ADP}$ en $\text{NADH}$ (omdat de elektronentransportketen langzamer draait), is er een grote behoefte aan energie. $\text{ADP}$ stimuleert isocitraatdehydrogenase, en de verhoogde beschikbaarheid van $\text{NAD}^+$ en $\text{FAD}$ (door oxidatie van $\text{NADH}$ en $\text{FADH}_2$ in de elektronentransportketen) bevordert de voorwaartse richting van de cyclus. #### 3.2.3 Post-translationele modificaties Hoewel niet direct gekoppeld aan de enzymen van de citroenzuurcyclus zelf, is er een verband met post-translationele modificaties, zoals acetylering van histonen. Acetylering, vaak gestimuleerd bij een hoge energielading in de cel (waarbij acetyl-CoA niet primair nodig is voor energieproductie), maakt DNA toegankelijker voor transcriptie. Dit illustreert hoe de energiestatus van de cel de machinerie voor genexpressie kan beïnvloeden, wat indirect de beschikbare enzymen voor metabole cycli kan beïnvloeden. ### 3.3 Anaplerotische reacties en biosynthese De citroenzuurcyclus is niet alleen een catabolische route voor energieproductie, maar intermediairen kunnen ook worden gebruikt voor biosynthetische doeleinden. * **Biosynthetische toepassingen:** * Oxaalacetaat is een precursor voor gluconeogenese. * $\alpha$-ketoglutaraat en oxaalacetaat kunnen via transaminatie worden omgezet in aminozuren. * Succinyl-CoA is een voorloper voor de synthese van porfyrinen, zoals hemengroepen. * **Anaplerotische reacties:** Wanneer intermediairen van de cyclus worden onttrokken voor biosynthese, kunnen deze cycli stilvallen. Om dit te voorkomen, zijn er anaplerotische (opvullende) reacties die de voorraad van deze intermediairen aanvullen. Enkele belangrijke voorbeelden zijn: 1. **Oxaalacetaat uit aspartaat en glutamaat:** Via transaminatiereacties kan oxaalacetaat worden gevormd. $$ \text{oxaalacetaat} + \text{aspartaat} \rightleftharpoons \alpha\text{-ketoglutaraat} + \text{aspartaat} $$ Deze reacties vereisen een $\alpha$-aminogroep donor (zoals glutamaat) en een $\alpha$-ketocarbonzuur acceptor (zoals oxaalacetaat om $\alpha$-ketoglutaraat te vormen, of $\alpha$-ketoglutaraat om oxaalacetaat te vormen). 2. **Oxaalacetaat uit pyruvaat en $\text{CO}_2$:** Het enzym pyruvaatcarboxylase katalyseert de carboxyleringsreactie van pyruvaat tot oxaalacetaat. Dit proces vereist energie in de vorm van ATP-hydrolyse en gebruikt biotine als cofactor. De reactie verbruikt $\text{CO}_2$ in de vorm van bicarbonaat ($\text{HCO}_3^-$). $$ \text{pyruvaat} + \text{HCO}_3^- + \text{ATP} \rightarrow \text{oxaalacetaat} + \text{ADP} + \text{Pi} $$ 3. **Oxaalacetaat uit pyruvaat via malaat:** Een carboxylering gevolgd door een NADPH-afhankelijke reductie van pyruvaat tot malaat, waarna malaat door malaatdehydrogenase wordt geoxideerd tot oxaalacetaat. $$ \text{pyruvaat} + \text{CO}_2 + \text{NADPH} \rightarrow \text{malaat} + \text{NADP}^+ $$ $$ \text{malaat} + \text{NAD}^+ \rightleftharpoons \text{oxaalacetaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ ### 3.4 De glyoxylaatcyclus De glyoxylaatcyclus is een variant van de citroenzuurcyclus die voorkomt in planten, bacteriën en schimmels, maar niet in zoogdieren. Deze cyclus maakt het mogelijk om acetyl-CoA om te zetten in koolhydraten, wat vooral belangrijk is bij de omzetting van vetzuren naar glucose. * **Kenmerken:** * De cyclus mist de decarboxyleringstappen van de citroenzuurcyclus, waardoor er geen verlies van koolstofatomen is als $\text{CO}_2$. * Isocitraat wordt gesplitst tot succinaat en glyoxylaat. * Glyoxylaat condenseert met een tweede molecuul acetyl-CoA om malaat te vormen. * Malaat kan vervolgens worden omgezet in oxaalacetaat, en via gluconeogenese (bijvoorbeeld via PEP carboxykinase) tot glucose. * **Locatie:** Deze cyclus vindt plaats in de glyoxysomen. * **Betekenis:** Planten kunnen via de glyoxylaatcyclus vetzuren efficiënt omzetten in glucose, een proces dat bij zoogdieren niet mogelijk is. ### 3.5 Indicatoren van de energietoestand van de cel De verhoudingen van $\text{NAD}^+$/$\text{NADH}$ en $\text{FAD}$/$\text{FADH}_2$ zijn directe indicatoren van de oxidatie-reductiestatus van de cel, en daarmee van de energietoestand. Een hoge concentratie gereduceerde cofactoren (NADH, FADH$_2$) duidt op een lagere activiteit van de elektronentransportketen en dus op een potentieel lagere energiebehoefte of een overschot aan reducerend vermogen. > **Tip:** De regulatie van de citroenzuurcyclus is een complex samenspel van enzymatische activiteit, allosterische effecten en de cellulaire energietoestand. Begrip van deze interacties is cruciaal voor het verklaren van de metabole flexibiliteit van de cel. > **Voorbeeld:** Als een cel veel $\text{ATP}$ heeft, zullen enzymen zoals isocitraatdehydrogenase worden geremd. Dit vermindert de snelheid waarmee isocitraat wordt afgebroken, wat op zijn beurt de citroenzuurcyclus vertraagt en voorkomt dat er onnodig veel intermediairen en $\text{NADH}$ worden geproduceerd. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus) | Een reeks chemische reacties die plaatsvindt in de mitochondriën van aerobe organismen, waarbij acetyl-CoA wordt geoxideerd tot kooldioxide, met de productie van ATP (via GTP), NADH en FADH2. | | Pyruvaat | Een driekoolstofverbinding die het eindproduct is van glycolyse en als startmateriaal dient voor de citroenzuurcyclus, na omzetting naar acetyl-CoA. | | Acetyl-CoA | Een molecuul dat de twee koolstofatomen van de acetylgroep transporteert naar de citroenzuurcyclus, waar het condenseert met oxaalazijnzuur. | | Oxidatieve decarboxylering | Een reactie waarbij een carboxylgroep wordt verwijderd in de vorm van kooldioxide, terwijl tegelijkertijd elektronen worden overgedragen aan een acceptor zoals NAD+. | | Mitochondriën | Celorganellen die bekend staan als de energiecentrales van de cel, waar de citroenzuurcyclus en de elektronentransportketen plaatsvinden. | | Intermediairen | Moleculen die worden gevormd tijdens tussenstappen van een metabole route, zoals de citroenzuurcyclus. | | Oxaalazijnzuur | Een vierkoolstofverbinding die reageert met acetyl-CoA om citraat te vormen, de eerste stap in de citroenzuurcyclus. | | Citraat | Een zes-koolstofverbinding, het eerste product gevormd door de condensatie van acetyl-CoA en oxaalazijnzuur in de citroenzuurcyclus. | | Isocitraat | Een isomeer van citraat, dat ontstaat na de omzetting van citraat door het enzym aconitase, en dat verder wordt geoxideerd in de citroenzuurcyclus. | | Alfa-ketoglutaraat | Een vijf-koolstofverbinding die ontstaat na de oxidatieve decarboxylering van isocitraat en een belangrijke intermediair is in de citroenzuurcyclus. | | Succinyl-CoA | Een vierkoolstofverbinding die ontstaat na de oxidatieve decarboxylering van alfa-ketoglutaraat, en die een hoge energie-inhoud heeft. | | Succinaat | Een vierkoolstofverbinding die ontstaat na de hydrolyse van succinyl-CoA, en die verder wordt geoxideerd tot fumaraat in de citroenzuurcyclus. | | Fumaraat | Een vierkoolstofverbinding die ontstaat door de dehydratatie van succinaat, en die wordt omgezet in malaat. | | Malaat | Een vierkoolstofverbinding die ontstaat door de hydratatie van fumaraat, en die wordt geoxideerd tot oxaalazijnzuur om de cyclus te voltooien. | | GTP | Guanosinetrifosfaat, een energierijke verbinding die in de citroenzuurcyclus wordt geproduceerd als energetisch equivalent van ATP. | | NAD+ / NADH | Nicotinamide adenine dinucleotide, een co-enzym dat fungeert als elektronendrager. NAD+ wordt gereduceerd tot NADH tijdens oxidatiereacties, waarbij elektronen worden opgenomen. | | FAD / FADH2 | Flavin adenine dinucleotide, een co-enzym dat ook fungeert als elektronendrager en wordt gereduceerd tot FADH2. | | Anaplerotische reacties | Reacties die intermediairen aanvullen die uit een cyclus zijn verwijderd voor biosynthetische doeleinden, om de continuïteit van de cyclus te waarborgen. | | Glyoxylaatcyclus | Een variant van de citroenzuurcyclus die voorkomt in planten en bacteriën, en die decarboxylatiestappen vermijdt, waardoor koolstofatomen niet verloren gaan en omzetting naar glucose mogelijk is. | | Glyoxysomen | Gespecialiseerde peroxisomen in plantencellen waar de glyoxylaatcyclus plaatsvindt. |

# De glycolyse: algemene introductie en de eerste stappen Dit gedeelte introduceert de glycolyse als het centrale proces voor de extractie van chemische energie uit glucose en behandelt de initiële reacties tot fructose 1,6-bisfosfaat. ### 1.1 Inleiding tot de glycolyse Glycolyse is de anaërobe afbraak van glucose tot lactaat, waarbij chemische energie wordt geëxtraheerd uit dit voornaamste koolhydraat. Dit proces vindt plaats in alle lichaamscellen. Problemen in het glucosemetabolisme, zoals obesitas en diabetes, onderstrepen het belang van de glycolyse [3](#page=3). De glycolyse fungeert ook als een "emergency pathway" om ATP-niveaus op peil te houden wanneer de zuurstoftoevoer beperkt is. In cellen met mitochondriën leidt glycolyse tot pyruvaat, dat vervolgens verder geoxideerd wordt tot CO$\_2$ en H$\_2$O. Zonder zuurstof wordt pyruvaat omgezet in lactaat [3](#page=3). > **Tip:** Beschouw glycolyse als de "aanloop" naar aerobe oxidatie [4](#page=4). #### 1.1.1 Belang van glycolyse voor specifieke cellen en weefsels Hoewel de hersenen dagelijks een aanzienlijke hoeveelheid glucose verbruiken (ongeveer 120 gram) zijn er specifieke celtypen die sterk afhankelijk zijn van glycolyse, zelfs onder aerobe omstandigheden, vanwege het ontbreken van functionele mitochondriën of beperkte bloedtoevoer [4](#page=4): * Erythrocyten (rode bloedcellen) produceren lactaat omdat ze geen mitochondriën hebben [4](#page=4). * Onderdelen van het oog zoals het hoornvlies en de lens hebben een beperkte bloedtoevoer en missen mitochondriën, waardoor ze afhankelijk zijn van glycolyse [4](#page=4). * De niermedulla, testes en leukocyten (witte bloedcellen) bevatten weinig mitochondriën en zijn daardoor afhankelijk van de glycolyse [4](#page=4). #### 1.1.2 Calorische waarde van voedingssubstanties De omzetting van glucose naar CO$\_2$ en H$\_2$O onder standaardomstandigheden levert een aanzienlijke hoeveelheid energie op: $$C\_6H{12}O\_6 + 6 O\_2 \\rightarrow 6 CO\_2 + 6 H\_2O; \\Delta G°' = - 686 \\text{ kcal mol}^{-1}$$ [2](#page=2). Dit leidt tot de vorming van ongeveer 38 moleculen ATP. De tabel hieronder toont de energetische waarde van verschillende moleculen [2](#page=2): MolecuulMoleculair gewicht (g mol$^{-1}$)$\\Delta G°'$ (kcal mol$^{-1}$)Calorische waarde (kcal g$^{-1}$)Glucose180-6863.81Lactaat90-3263.62Palmitaat256 (C16:0)-23809.3Glycine75-2343.12 ### 1.2 Overzicht van de sleutelmoleculen en de reactietypes #### 1.2.1 Intermediaire componenten en fosforylering De intermediaire moleculen in de glycolyse bestaan uit ofwel zes (C6) ofwel drie (C3) koolstofatomen. Een cruciaal kenmerk is dat alle intermediairen gefosforyleerd zijn [5](#page=5). #### 1.2.2 Fundamentele reactietypes in de glycolyse De glycolyse maakt gebruik van verschillende typen reacties om glucose af te breken: 1. **Fosforyltransfer:** Een fosfaatgroep wordt overgedragen van ATP naar een substraat. $$R–OH + ATP \\rightleftharpoons R–O–PO\_3^{2-} + ADP + H^+$$ [5](#page=5). 2. **Fosforyl-shift:** Een fosfaatgroep verplaatst zich binnen hetzelfde molecuul. 3. **Isomerisatie:** Een molecule wordt omgezet in een isomeer. Dit omvat de omzetting van een ketose naar een aldose of vice versa. * Voorbeeld (ketose ⇄ aldose): $$\\begin{CD} R-C(=O)-CH\_2OH \\ \\quad | \\ \\quad OH \\end{CD} \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\begin{CD} R-CH(OH)-CHO \\ \\quad | \\ \\quad OH \\end{CD}$$ [5](#page=5). 4. **Dehydratatie:** Verlies van een watermolecuul. $$\\begin{CD} CH(OH)-CH\_2OH \\ \\quad | \\ \\quad C=O \\end{CD} \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\begin{CD} C=O \\ \\quad | \\ \\quad CH \\end{CD} + H\_2O$$ [6](#page=6). 5. **Aldolsplitsing:** Een molecule met zes koolstofatomen wordt gesplitst in twee moleculen met drie koolstofatomen. $$\\begin{CD} R'-C(=O)-CH(OH)-CH\_2OH \\ \\quad | \\ \\quad CH\_2OH \\end{CD} \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\begin{CD} R'-C(=O)-CH\_2OH \\ \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad + \\ \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\begin{CD} CH\_2OH \\ \\quad | \\ \\quad CHOH \\end{CD} \\ \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\quad \\begin{CD} CH\_2OH \\ \\quad | \\ \\quad CHO \\end{CD} \\end{CD}$$ [6](#page=6). Alle glycolytische reacties vinden plaats in het cytosol [6](#page=6). ### 1.3 Van glucose naar fructose 1,6-bisfosfaat: de eerste reacties De glycolyse begint met de omzetting van glucose naar glucose 6-fosfaat en vervolgens naar fructose 1,6-bisfosfaat. #### 1.3.1 Glucose naar glucose 6-fosfaat De eerste stap is de fosforylering van glucose tot glucose 6-fosfaat. Dit vereist ATP en het enzym hexokinase. Deze reactie is een fosforyltransfer [7](#page=7). Deze reactie is **irreversibel.** * **Substraat:** $\\alpha$D-glucose [7](#page=7). * **Product:** Glucose 6-fosfaat [7](#page=7). * **Enzym:** Hexokinase [7](#page=7). * **Vereist:** ATP [7](#page=7). In de lever speelt ook het enzym glucokinase een rol bij de omzetting van glucose naar glucose 6-fosfaat. Glucokinase heeft een hoge K$\_M$ voor glucose, wat betekent dat het een lage affiniteit heeft. Dit mechanisme geeft prioriteit aan de glucosebehoefte van spier- en hersencellen [8](#page=8). #### 1.3.2 Glucose 6-fosfaat naar fructose 6-fosfaat Glucose 6-fosfaat wordt vervolgens omgezet in fructose 6-fosfaat door middel van isomerisatie, gekatalyseerd door het enzym fosfogluco-isomerase. Dit is een reversibele reactie [7](#page=7). * **Substraat:** Glucose 6-fosfaat [7](#page=7). * **Product:** Fructose 6-fosfaat [7](#page=7). * **Enzym:** Fosfogluco-isomerase [7](#page=7). #### 1.3.3 Fructose 6-fosfaat naar fructose 1,6-bisfosfaat De derde stap is de fosforylering van fructose 6-fosfaat tot fructose 1,6-bisfosfaat. Deze reactie wordt gekatalyseerd door fosfofructokinase (PFK) en vereist opnieuw ATP [9](#page=9). * **Substraat:** Fructose 6-fosfaat [9](#page=9). * **Product:** Fructose 1,6-bisfosfaat [9](#page=9). * **Enzym:** Fosfofructokinase (PFK) [9](#page=9). * **Vereist:** ATP [9](#page=9). Deze reactie is **irreversibel** en wordt beschouwd als de "committed step" van de glycolyse. PFK is een cruciaal controle-enzym in de glycolyse [9](#page=9). > **Tip:** De "committed step" is een punt in een metabole route waar het substraat permanent vastligt voor de verdere reacties van die route. ##### 1.3.3.1 Regulatie van fosfofructokinase (PFK) PFK is een enzym dat sterk wordt gereguleerd: * Het wordt **allosterisch geïnhibeerd** door ATP (een hoge energielading van de cel) [9](#page=9). * Het remmende effect van ATP wordt opgeheven door AMP (wat wijst op een lage energielading) [9](#page=9). * Het wordt ook **allosterisch geïnhibeerd** door NADH en citraat, wat een koppeling met andere metabole routes aangeeft [9](#page=9). Hoge concentratie NADH en citraat geeft hetzelfde signaal als hoge concentratie ATP. #### 1.3.4 Verdere metabolisme van fructose 1,6-bisfosfaat Indien de glycolyse niet verdergaat na de vorming van fructose 1,6-bisfosfaat, kunnen de intermediairen omgeleid worden naar de synthese van glycogeen of de pentosefosfaatroute [10](#page=10). * * * # Omzetting van 6C- naar 3C-eenheden en de energieopbrengst Dit deel van de glycolyse beschrijft de splitsing van een zes-koolstofmolecuul (fructose 1,6-bisfosfaat) in twee drie-koolstofmoleculen en de daaropvolgende omzetting van deze 3C-eenheden naar pyruvaat, waarbij netto ATP en NADH worden geproduceerd [11](#page=11). ### 2.1 Splitsing van fructose 1,6-bisfosfaat De eerste stap in deze fase is de splitsing van fructose 1,6-bisfosfaat (een 6C-suiker) in twee moleculen met drie koolstofatomen. Dit gebeurt door het enzym aldolase. De twee 3C-moleculen die hieruit ontstaan zijn glyceraldehyde 3-fosfaat en dihydroxyacetonfosfaat [11](#page=11). #### 2.1.1 Isomerisatie van dihydroxyacetonfosfaat Dihydroxyacetonfosfaat is geen direct substraat voor de volgende enzymatische reacties in de glycolyse. Daarom wordt het door het enzym triosefosfaat isomerase omgezet in glyceraldehyde 3-fosfaat. Dit betekent dat uit één molecuul fructose 1,6-bisfosfaat uiteindelijk twee moleculen glyceraldehyde 3-fosfaat ontstaan die de rest van de glycolyse kunnen doorlopen [11](#page=11). > **Tip:** Aangezien dihydroxyacetonfosfaat wordt omgezet in glyceraldehyde 3-fosfaat, worden alle volgende reacties in de glycolyse twee keer uitgevoerd per oorspronkelijk glucosemolecuul. ### 2.2 Oxidatie en fosforylering van glyceraldehyde 3-fosfaat Glyceraldehyde 3-fosfaat ondergaat vervolgens een reeks reacties die leiden tot de productie van ATP en NADH. #### 2.2.1 Oxidatieve fosforylering tot 1,3-bisfosfoglycerinaat Glyceraldehyde 3-fosfaat wordt geoxideerd en gefosforyleerd door glyceraldehyde-3-fosfaat dehydrogenase (GPD) in aanwezigheid van $\\text{NAD}^+$ en anorganisch fosfaat ($\\text{Pi}$). Deze reactie, die thermodynamisch ongunstig is ($\\Delta G^{\\circ'} = +1.5$ kcal/mol), wordt aangedreven door de energie die vrijkomt bij de oxidatie van het aldehyde aan het C1-atoom. Het product is 1,3-bisfosfoglycerinaat, een acylfosfaat dat een hoog-energetische fosfaatbinding bevat [12](#page=12). $$ \\text{Glyceraldehyde 3-fosfaat} + \\text{NAD}^+ + \\text{Pi} \\rightleftharpoons \\text{1,3-bisfosfoglycerinaat} + \\text{NADH} + \\text{H}^+ $$ [12](#page=12). #### 2.2.2 Substraat-level fosforylering: productie van ATP Het hoog-energetische fosfaat van 1,3-bisfosfoglycerinaat wordt overgedragen aan ADP door het enzym fosfoglycerinaatkinase, wat resulteert in de vorming van ATP. Dit proces, bekend als substraat-level fosforylering, is een directe manier om ATP te genereren zonder de elektronentransportketen. Het product van deze reactie is 3-fosfoglycerinaat [12](#page=12). $$ \\text{1,3-bisfosfoglycerinaat} + \\text{ADP} \\rightleftharpoons \\text{3-fosfoglycerinaat} + \\text{ATP} $$ [12](#page=12). > **Tip:** Dit is de eerste netto ATP-productie in de glycolyse. Omdat deze reactie twee keer plaatsvindt per glucosemolecuul (één voor elke glyceraldehyde 3-fosfaat), wordt hierdoor de eerder geïnvesteerde ATP terugverdiend. ### 2.3 Verdere omzetting naar pyruvaat De resterende stappen in de glycolyse omzetten 3-fosfoglycerinaat naar pyruvaat, waarbij de energie in het molecuul wordt geconcentreerd voor de uiteindelijke ATP-productie. #### 2.3.1 Mutatie van 3-fosfoglycerinaat naar 2-fosfoglycerinaat Het enzym fosfoglyceromutase verplaatst de fosfaatgroep van het C3-atoom naar het C2-atoom van 3-fosfoglycerinaat, waardoor 2-fosfoglycerinaat ontstaat. Deze herschikking bereidt het molecuul voor op de dehydratie stap [13](#page=13). $$ \\text{3-fosfoglycerinaat} \\rightleftharpoons \\text{2-fosfoglycerinaat} $$ [13](#page=13). #### 2.3.2 Dehydratie tot fosfoënolpyruvaat Enolase katalyseert de verwijdering van een watermolecuul uit 2-fosfoglycerinaat, wat leidt tot de vorming van fosfoënolpyruvaat (PEP). PEP is een zeer energierijk molecuul met een hoge-energetische fosfaatbinding, die essentieel is voor de laatste ATP-productie [13](#page=13). $$ \\text{2-fosfoglycerinaat} \\rightleftharpoons \\text{fosfoënolpyruvaat} + \\text{H}\_2\\text{O} $$ [13](#page=13). #### 2.3.3 Substraat-level fosforylering: tweede ATP-productie De laatste stap van de glycolyse wordt gekatalyseerd door pyruvaatkinase, dat de fosfaatgroep van fosfoënolpyruvaat overdraagt aan ADP om een tweede molecuul ATP te vormen. Het eindproduct van deze reactie is pyruvaat. Dit is een tweede substraat-level fosforylering die netto ATP oplevert [14](#page=14). Dit is de derde unidirectionele en irreversibele reactie. $$ \\text{Fosfoënolpyruvaat} + \\text{ADP} + \\text{H}^+ \\rightleftharpoons \\text{pyruvaat} + \\text{ATP} $$ [14](#page=14). > **Tip:** Pyruvaatkinase is een belangrijk regulatie-enzym in de glycolyse. De activiteit ervan wordt beïnvloed door moleculen die de energietoestand van de cel weerspiegelen, zoals ATP (remmer) en fructose 1,6-bisfosfaat (activator). Hormonale signalen, zoals glucagon, kunnen ook de activiteit van pyruvaatkinase reguleren via fosforylering. Er zijn drie reacties die de glycolyse aandrijven -> de irreversibele reacties: zij hebben ook een sterk negatieve **ΔG. Hun enzymen worden allosteer gereguleerd.** ### 2.4 Netto energieopbrengst van de glycolyse Wanneer de volledige glycolyse van glucose naar pyruvaat wordt beschouwd, is de netto-energieopbrengst significant. Per molecuul glucose worden twee moleculen pyruvaat gevormd, met productie van zowel ATP als NADH. Het nettoresultaat van de glycolyse, na het in rekening brengen van de geïnvesteerde ATP in de initiële fase, is de productie van 2 moleculen ATP en 2 moleculen NADH per molecuul glucose [15](#page=15). Het algemene nettovergelijking voor de glycolyse is: $$ \\text{Glucose} + 2\\text{NAD}^+ + 2\\text{Pi} + 2\\text{ADP} \\rightleftharpoons 2\\text{NADH} + 2\\text{H}^+ + 2\\text{H}\_2\\text{O} + 2\\text{ATP} + 2\\text{ pyruvaat} $$ [15](#page=15). * * * # Klinische correlaties en de centrale rol van pyruvaat Dit gedeelte bespreekt de klinische relevantie van pyruvaatmetabolisme, met focus op medische beeldvormingstechnieken zoals PET-scans en de rol van pyruvaat als metabolische bouwsteen, evenals specifieke enzymdeficiënties. ### 3.1 Klinische toepassingen van glucoseanalogen: (18F) FDG (18F) FDG, of fluorodeoxyglucose, is een glucoseanaloog die wordt gebruikt als radiofarmaceutische verbinding in Positron Emission Tomography (PET) scans. Het is een 2-deoxy-2-(18F)fluoro-D-glucose waarbij een 18F-isotoop de hydroxylgroep op de 2'-positie vervangt. Deze tracer wordt selectief opgenomen door weefsels en cellen die een hoge glucoseconsumptie hebben, zoals de hersenen, lever en kankercellen. Omdat de 2'-hydroxylgroep afwezig is in FDG, kan het niet verder gemetaboliseerd worden en blijft het intracellulair vastzitten. De 18F-fluoride vervalt vervolgens naar 18O, wat leidt tot verdere metabolische processen. FDG heeft een halveringstijd van 110 minuten, waardoor de radioactiviteit binnen 24 uur aanzienlijk afneemt. Dit is een enorm voordeel voor de patiënt, maar niet voor de productie. Amyloïde PET-scans met Florbetapir F-18 worden bijvoorbeeld gebruikt bij de diagnose van Alzheimerpatiënten [16](#page=16) [21](#page=21). ### 3.2 De centrale positie van pyruvaat in metabolisme Pyruvaat bekleedt een centrale positie in het cellulaire metabolisme. Het kan worden geoxideerd en dient als bouwsteen voor diverse metabolische routes. Een belangrijke transformatie is de carboxylering tot oxaalacetaat, een intermediair van de citroenzuurcyclus [22](#page=22). ### 3.3 Enzymdeficiënties gerelateerd aan pyruvaatmetabolisme #### 3.3.1 Pyruvaatkinase deficiëntie en hemolytische anemie Een zeldzame genetische aandoening is pyruvaatkinase (PK) deficiëntie, die leidt tot hemolytische anemie, een aandoening waarbij rode bloedcellen (RBC's) abnormaal worden afgebroken. RBC's zijn sterk afhankelijk van glycolyse voor hun energievoorziening, aangezien ze geen mitochondriën bevatten zodra ze volledig gematureerd zijn. ATP is essentieel voor het handhaven van de biconcave vorm van RBC's via ionenpompen zoals de Na+/K+-ATPase. Bij een tekort aan ATP zwellen de cellen op en lyseren ze. Patiënten met PK-deficiëntie hebben slechts 5-25% van de normale PK-activiteit in hun RBC's, wat resulteert in een te lage ATP-productie. Tijdens de maturatie van reticulocyten naar volwassen RBC's gaan mitochondriën verloren, waardoor de cellen volledig afhankelijk worden van glycolyse. Dit leidt tot vroegtijdige celdood en een onvermogen om de afbraak van RBC's snel genoeg te compenseren, wat resulteert in anemie [23](#page=23) [24](#page=24). #### 3.3.2 Pyruvaatdehydrogenase deficiëntie Pyruvaatdehydrogenase (PDH) deficiëntie is een groep syndromen die veroorzaakt worden door een gebrek aan katalytische of regulatorische subeenheden van het multi-enzym complex. Klinische indicatoren zijn verhoogde serumconcentraties van lactaat, pyruvaat en alanine, wat wijst op chronische melkzuuracidose. Vaak treden er neurologische afwijkingen op. In sommige gevallen kan een ketogeen dieet, rijk aan vetzuren en arm aan koolhydraten, positieve effecten hebben. Vetzuren worden afgebroken tot ketonlichamen, die als alternatieve energiebron voor de hersenen kunnen dienen ter vervanging van koolhydraten [28](#page=28). ### 3.4 Omzetting van pyruvaat naar andere metabolieten #### 3.4.1 Omzetting naar ethanol In gist en andere micro-organismen kan pyruvaat worden omgezet in ethanol via alcoholische fermentatie. Dit proces omvat twee stappen: eerst decarboxylering van pyruvaat tot acetaldehyde door pyruvaat decarboxylase, gevolgd door de reductie van acetaldehyde tot ethanol door alcohol dehydrogenase, waarbij NADH wordt geoxideerd tot NAD+ . Het doel van alcoholische fermentatie is het regenereren van NAD+. De totale reactie voor de omzetting van glucose naar ethanol, met ATP-productie, is [25](#page=25): $$ \\text{glucose} + 2\\text{Pi} + 2\\text{ADP} + 2\\text{H}^+ \\rightleftharpoons 2\\text{CO}\_2 + 2\\text{ethanol} + 2\\text{ATP} + 2\\text{H}\_2\\text{O} $$ [25](#page=25). #### 3.4.2 Lactaatvorming Lactaatvorming treedt op in micro-organismen en cellen van hogere organismen bij zuurstofgebrek. Pyruvaat wordt gereduceerd tot lactaat door lactaat dehydrogenase, waarbij NADH wordt geoxideerd tot NAD+ . De totale reactie voor de omzetting van glucose naar lactaat, met ATP-productie, is [26](#page=26): $$ \\text{glucose} + 2\\text{Pi} + 2\\text{ADP} \\rightleftharpoons 2\\text{H}\_2\\text{O} + 2\\text{ATP} + 2\\text{lactaat} $$ [26](#page=26). Lactaat is een monomeer voor biologisch afbreekbare polymeren zoals polymelkzuur, wat toepassingen vindt in de chirurgie als hechtmateriaal en als alternatief voor petroleumderivaten in plastics. Lactaatvorming biedt een "tijdwinst" bij zuurstofgebrek [26](#page=26). Als we dus niet voldoende O2 hebben om pyruvaat om te zetten naar acetyl-CoA -> omzetting naar ethanol of lactaat om NAD+ te regenereren zodat de glycolyse niet stilvalt en we blijven kunnen ATP produceren. #### 3.4.3 Omzetting naar acetylcoënzyme A Acetylcoënzyme A (acetyl-CoA) is een sleutelmolecuul dat de citroenzuurcyclus (Krebs cyclus) binnenkomt. Pyruvaat wordt in de mitochondriën door het pyruvaatdehydrogenase complex omgezet in acetyl-CoA, waarbij CO2 wordt afgesplitst en NADH wordt gevormd. De gevormde NADH kan vervolgens in de elektronentransportketen worden geoxideerd, waardoor ATP wordt gegenereerd. De reactie is [27](#page=27): $$ \\text{pyruvaat} + \\text{CoA-SH} + \\text{NAD}^+ \\rightarrow \\text{acetyl-CoA} + \\text{CO}\_2 + \\text{NADH} + \\text{H}^+ $$ [27](#page=27). ### 3.5 2,3-bisfosfoglyceraat 2,3-bisfosfoglyceraat (2,3-BPG) is een allosterische effector van hemoglobine die de zuurstofaffiniteit van hemoglobine verlaagt, waardoor de zuurstoftoevoer naar weefsels wordt verbeterd. Het keert terug naar de glycolyse-hoofdstroom via 3-fosfoglyceraat zonder dat er ATP wordt gegenereerd. Dit proces omvat de omzetting van 1,3-bisfosfoglyceraat naar 2,3-bisfosfoglyceraat door bisfosfoglyceraat mutase, en vervolgens de hydrolyse van 2,3-bisfosfoglyceraat tot 3-fosfoglyceraat door bisfosfoglyceraat fosfatase [29](#page=29). $$ \\text{1,3 BPG} \\xrightarrow{\\text{bisfosfoglyceraat mutase}} \\text{2,3 BPG} \\xrightarrow{\\text{bisfosfoglyceraat fosfatase}} \\text{3 PG} $$ [29](#page=29). * * * # Gebruik van andere suikers en specifieke metabole paden Dit gedeelte beschrijft de integratie van fructose en galactose in de glycolyse, inclusief hun metabolische routes en klinische implicaties. ### 4.1 Fructose metabolisme Fructose is een monosacharide die, vaak afkomstig van de disacharide sucrose (glucose + fructose), via specifieke paden in de glycolyse wordt geïntegreerd [30](#page=30). #### 4.1.1 De fructose-1-fosfaat (F-1-P) pathway De F-1-P pathway is de primaire route voor fructosemetabolisme in de lever [30](#page=30). 1. **Fosforylering door fructokinase:** Fructose wordt door het enzym fructokinase gefosforyleerd tot fructose-1-fosfaat (F-1-P). Dit proces vereist ATP en produceert ADP [30](#page=30). $$ \\text{Fructose} + \\text{ATP} \\xrightarrow{\\text{fructokinase}} \\text{Fructose-1-fosfaat} + \\text{ADP} + \\text{H}^+ $$ 2. **Splitsing door aldolase:** Fructose-1-fosfaat wordt vervolgens door aldolase gesplitst in dihydroxyacetonfosfaat (DHAP) en glyceraldehyde. Dihydroxyacetonfosfaat is een intermediair van de glycolyse [30](#page=30). $$ \\text{Fructose-1-fosfaat} \\xrightarrow{\\text{aldolase}} \\text{Dihydroxyacetonfosfaat} + \\text{Glyceraldehyde} $$ 3. **Verdere metabolisering van glyceraldehyde:** Glyceraldehyde kan worden gefosforyleerd door triosekinase met behulp van ATP tot glyceraldehyde-3-fosfaat, een ander glycolytisch intermediair [30](#page=30). $$ \\text{Glyceraldehyde} + \\text{ATP} \\xrightarrow{\\text{triosekinase}} \\text{Glyceraldehyde-3-fosfaat} + \\text{ADP} + \\text{H}^+ $$ #### 4.1.2 Klinische implicaties van fructose intolerantie Fructose intolerantie is een genetische aandoening die wordt veroorzaakt door een tekort aan lever aldolase [33](#page=33). * **Oorzaak:** Patiënten hebben een deficiëntie in het enzym aldolase dat fructose-1-fosfaat splitst in dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde [33](#page=33). * **Gevolgen:** * **ATP-depletie:** De ophoping van fructose-1-fosfaat (F-1-P) verhindert de mitochondriën om ATP te produceren via oxidatieve fosforylering, omdat anorganisch fosfaat (Pi) gebonden is aan F-1-P [33](#page=33). * **Verlies van leverfuncties:** Door de ATP-depletie kunnen ATP-afhankelijke ionenkanalen geblokkeerd raken [33](#page=33). * **Cellulaire zwelling (osmolyse):** De blokkering van ionenkanalen leidt tot een instroom van water en zwelling van de cellen, wat resulteert in osmolyse [33](#page=33). #### 4.1.3 Fructose en alcoholkater Honing, dat rijk is aan fructose, kan helpen bij het herstellen van de effecten van alcoholconsumptie, wat deels wordt toegeschreven aan de metabolisering van fructose [32](#page=32). * **Alcoholmetabolisme:** Alcohol (ethanol) wordt in de lever door alcoholdehydrogenasen omgezet in acetaldehyde, waarbij NAD$^+$ wordt gereduceerd tot NADH [32](#page=32). $$ \\text{Ethanol} + \\text{NAD}^+ \\xrightarrow{\\text{alcoholdehydrogenasen}} \\text{Acetaldehyde} + \\text{NADH} + \\text{H}^+ $$ * **NAD$^+$ tekort:** Dit proces verbruikt NAD$^+$, dat ook essentieel is voor de glycolyse. Een tekort aan NAD$^+$ draagt bij aan de symptomen van een alcoholkater [32](#page=32). * **Rol van fructose:** Fructose kan worden omgezet in glyceraldehyde en vervolgens in glycerol, dat kan worden gefosforyleerd tot glycerol-3-fosfaat. Dit proces kan helpen bij het regenereren van NAD$^+$ uit NADH [32](#page=32). > **Tip:** Hoewel fructose in honing kan helpen bij het metabolisme van alcohol, betekent dit niet dat alcoholconsumptie gezond is. ### 4.2 Galactose metabolisme Galactose, een component van lactose (melksuiker), wordt omgezet in een intermediair van de glycolyse, namelijk glucose-6-fosfaat. Er bestaat geen specifieke katabole pathway voor galactose; het wordt geïntegreerd in de koolhydraatstofwisseling van de cel [34](#page=34). #### 4.2.1 De galactose-integratie pathway 1. **Fosforylering:** Galactose wordt door het enzym galactokinase gefosforyleerd tot galactose-1-fosfaat, met verbruik van ATP [34](#page=34). $$ \\text{Galactose} + \\text{ATP} \\xrightarrow{\\text{galactokinase}} \\text{Galactose-1-fosfaat} + \\text{ADP} + \\text{H}^+ $$ 2. **UDP-koppeling:** Galactose-1-fosfaat reageert met UTP (uridine trifosfaat) tot UDP-galactose en pyrofosfaat (PP$\_i$) (#page=34, 37). Dit proces wordt gekatalyseerd door UDP-galactose-pyrofosforylase (niet expliciet genoemd, maar impliciet in de reactie met UTP) [34](#page=34) [37](#page=37). * Een alternatieve beschrijving, die later wordt aangevuld, specificeert de rol van uridyltransferase. De basisreactie is de omzetting van galactose-1-fosfaat naar UDP-galactose [37](#page=37). Een belangrijke stap die hier wordt beschreven is de omzetting van galactose-1-fosfaat met UTP, waarbij UDP-galactose wordt gevormd [37](#page=37). $$ \\text{Galactose-1-fosfaat} + \\text{UTP} \\rightarrow \\text{UDP-Galactose} + \\text{PP}\_i $$ De hierboven getoonde structuur op illustreert een koppeling met UDP-glucose en de vorming van glucose-1-fosfaat, wat later wordt verfijnd [34](#page=34). > **Verduidelijking:** De tekst op pagina 34 toont een schematische weergave van de omzetting naar UDP-galactose, met daarnaast de vorming van glucose-1-fosfaat uit UDP-glucose. Dit duidt op de cyclische aard van de galactose-omzetting. Echter, pagina 37 specificeert de reactie met UTP voor de vorming van UDP-galactose uit galactose-1-fosfaat [37](#page=37). 3. **Epimerisatie:** UDP-galactose is een epimeer van UDP-glucose. Het enzym UDP-glucose-4'-epimerase katalyseert de reversibele omzetting van UDP-galactose naar UDP-glucose. Dit is een cruciaal enzym omdat het de galactose-eenheid in de vorm van UDP-glucose in de glycolyse kan laten binnenkomen [35](#page=35). $$ \\text{UDP-Galactose} \\rightleftharpoons \\text{UDP-Glucose} $$ De totale reactie, samengevat, is: $$ \\text{Galactose} + \\text{ATP} \\rightarrow \\text{Glucose-1-fosfaat} + \\text{ADP} + \\text{H}^+ $$ Glucose-1-fosfaat wordt vervolgens door het enzym fosfoglucomutase omgezet in glucose-6-fosfaat [35](#page=35). $$ \\text{Glucose-1-fosfaat} \\rightleftharpoons \\text{Glucose-6-fosfaat} $$ Glucose-6-fosfaat is een direct intermediair van de glycolyse. #### 4.2.2 Klinische implicaties van galactosemie Galactosemie is een erfelijke stofwisselingsziekte die wordt veroorzaakt door mutaties in enzymen die betrokken zijn bij het galactosemetabolisme, met name uridyltransferase [37](#page=37). * **Oorzaak:** Mutaties in het gen voor uridyltransferase blokkeren de omzetting van galactose-1-fosfaat [37](#page=37). * **Gevolgen:** * **Ophoping van toxische metabolieten:** De blokkering leidt tot een ophoping van galactose-1-fosfaat en andere toxische metabolieten, wat schadelijk is voor verschillende organen [37](#page=37). * **Orgaanschade:** Dit kan leiden tot ernstige gezondheidsproblemen, waaronder hersenbeschadiging, cataract, mentale retardatie en leverfalen [37](#page=37). > **Belangrijk:** Vroege diagnose en behandeling (door het vermijden van lactose en sucrose in de voeding) zijn cruciaal om de ernstige gevolgen van galactosemie te voorkomen. * * * ## Veelgemaakte fouten om te vermijden * Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens * Let op formules en belangrijke definities * Oefen met de voorbeelden in elke sectie * Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Glycolyse | De glycolyse, ook wel het Emden-Meyerhof-pad genoemd, is een universele metabole route die plaatsvindt in het cytoplasma van alle levende cellen en chemische energie extraheert uit glucose. Het is de anaerobe afbraak van glucose tot pyruvaat of lactaat, waarbij netto ATP wordt geproduceerd. | | ATP | Adenosinetrifosfaat (ATP) is de belangrijkste energiedrager in de cel. Het wordt gesynthetiseerd door de fosforylering van ADP en levert energie voor diverse cellulaire processen wanneer de terminale fosfaatgroep wordt gehydrolyseerd. | | NADH | Nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) is een co-enzym dat betrokken is bij redoxreacties en fungeert als een elektronendrager in de cel. Het wordt gereduceerd tot NADH tijdens de glycolyse en andere katabole processen en kan zijn elektronen afgeven via de elektronentransportketen om ATP te genereren. | | Pyruvaat | Pyruvaat is een drie-koolstofverbinding die het eindproduct is van de glycolyse. Het kan verder worden gemetaboliseerd in de mitochondriën via aerobe oxidatie tot acetylcoënzyme A, of worden omgezet in lactaat of ethanol onder anaerobe omstandigheden. | | Lactaat | Lactaat is een organisch zuur dat wordt gevormd wanneer pyruvaat wordt gereduceerd in een anaerobe omgeving, vaak door het enzym lactaat dehydrogenase. Het dient als een belangrijke intermediate in de fermentatie en kan in de lever worden omgezet tot glucose via de Cori-cyclus. | | Hexokinase | Hexokinase is een enzym dat de eerste fosforyleringsstap van glucose katalyseert, waarbij glucose wordt omgezet in glucose-6-fosfaat. Dit is een belangrijke stap om glucose in de cel te "vangen" en het te activeren voor verdere metabole routes zoals glycolyse. | | Glucokinase | Glucokinase is een isovorm van hexokinase die voornamelijk in de lever en pancreas voorkomt. Het heeft een lagere affiniteit voor glucose (hoge $K_M$), wat betekent dat het glucose efficiënter opneemt bij hogere bloedglucosespiegels, wat een rol speelt bij de glucosehomeostase. | | Fosfofructokinase (PFK) | Fosfofructokinase (PFK) is een cruciaal enzym in de glycolyse dat fructose-6-fosfaat omzet in fructose-1,6-bisfosfaat. Het wordt beschouwd als een belangrijke controlepunt en wordt allosterisch gereguleerd door energielading van de cel, zoals ATP en AMP. | | Aldolase | Aldolase is een enzym dat de splitsing van fructose-1,6-bisfosfaat katalyseert, een zes-koolstofverbinding, in twee drie-koolstofmoleculen: dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Dit is een sleutelstap die de glycolyse in tweeën deelt. | | Lactaat dehydrogenase (LDH) | Lactaat dehydrogenase (LDH) is een enzym dat de reversibele omzetting van pyruvaat naar lactaat katalyseert, waarbij NADH wordt geoxideerd tot NAD+. Dit is essentieel voor het regenereren van NAD+ dat nodig is voor de voortzetting van de glycolyse onder anaerobe omstandigheden. | | Acetylcoënzyme A | Acetylcoënzyme A (acetyl-CoA) is een molecuul dat dient als de belangrijkste input voor de citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus). Het wordt gevormd uit de oxidatieve decarboxylering van pyruvaat door het pyruvaat dehydrogenase complex. | | Pyruvaatkinase | Pyruvaatkinase is een enzym dat de laatste stap van de glycolyse katalyseert, waarbij fosfoënolpyruvaat wordt omgezet in pyruvaat, waarbij een molecuul ATP wordt geproduceerd. Dit is een zeer exergone en Irreversibele reactie, wat het een belangrijk regulatiemechanisme maakt. | | (18F) FDG | (18F) FDG (2-deoxy-2-(18F)fluoro-D-glucose) is een radiofarmaceutische tracer die wordt gebruikt in Positron Emissie Tomografie (PET) beeldvorming. Omdat het een glucoseanaloog is, wordt het opgenomen door cellen die veel glucose metaboliseren, zoals kankercellen, hersenen en lever. | | Fructose intolerantie | Fructose intolerantie is een genetische aandoening waarbij patiënten een deficiëntie hebben in het leverenzym aldolase B, wat leidt tot de accumulatie van fructose-1-fosfaat na fructoseconsumptie. Dit kan ernstige metabole ontregelingen veroorzaken, waaronder ATP-depletie. | | Galactosemie | Galactosemie is een erfelijke metabole stoornis gekenmerkt door de onmogelijkheid om galactose te metaboliseren. Dit wordt veroorzaakt door mutaties in enzymen zoals uridyltransferase, wat leidt tot de accumulatie van toxische galactosemetabolieten en schade aan organen zoals de lever en hersenen. |

# Energie en metabolisme in cellen Dit onderwerp verkent de fundamentele processen van energieproductie en -verbruik binnen cellen, waarbij de centrale rol van metabolisme en de diverse metabolische routes centraal staan, en legt uit waarom energie essentieel is voor diverse cellulaire functies [4](#page=4). ### 1.1 Wat is metabolisme? Metabolisme, ook wel stofwisseling genoemd, omvat alle chemische reacties die plaatsvinden in levende organismen en die essentieel zijn voor het leven. Deze reacties kunnen energie produceren of juist verbruiken. Metabolische processen organiseren zich in verschillende routes, waaronder lineaire, cyclische en vertakte paden [3](#page=3) [5](#page=5). ### 1.2 Waarom cellen energie nodig hebben Cellulaire processen vinden niet spontaan plaats, maar vereisen een constante input van energie. Energie is cruciaal voor een breed scala aan activiteiten, zoals hersenactiviteit, spiercontractie, celgroei en celdeling [4](#page=4). ### 1.3 De twee hoofdtakken van metabolisme Metabolisme kan worden opgesplitst in twee tegengestelde, maar onderling verbonden takken: katabolisme en anabolisme [6](#page=6). #### 1.3.1 Katabolisme Katabolisme richt zich op het afbreken van moleculen, zoals koolhydraten, vetten en eiwitten, tot eenvoudigere eindproducten zoals koolstofdioxide (CO2) en water (H2O), vaak in aanwezigheid van zuurstof (O2) [6](#page=6). * **Energieproductie**: Katabole reacties maken chemische energie vrij die vervolgens kan worden gebruikt voor anabole processen of voor het verrichten van arbeid [6](#page=6). * **ATP-generatie**: De vrijgekomen energie wordt vaak opgeslagen in de vorm van adenosine trifosfaat (ATP), de universele energiedrager van de cel. Deze reacties zijn exergonisch, wat betekent dat energie vrijkomt [6](#page=6). * **Vorming van intermediairen**: Katabolisme levert ook belangrijke intermediaire moleculen die nodig zijn voor biosynthetische reacties [6](#page=6). * **Overdracht van reducerende equivalenten**: Bij katabolisme worden reducerende equivalenten overgedragen aan co-enzymen zoals NAD+ en NADP+, wat resulteert in de vorming van NADH en NADPH, naast H+ [6](#page=6). #### 1.3.2 Anabolisme Anabolisme, ook wel biosynthese genoemd, omvat het opbouwen van complexe moleculen uit eenvoudigere precursors. Voorbeelden hiervan zijn de synthese van eiwitten, lipiden en nucleïnezuren (NZ) [6](#page=6). * **Energieverbruik**: Anabole processen zijn endergonisch, wat betekent dat ze energie vereisen. Deze energie wordt geleverd door ATP en/of de reducerende equivalenten die door anabolisme zijn geproduceerd, met name NADPH [6](#page=6). ### 1.4 Brandstofbronnen voor energieproductie Verschillende celtypen en weefsels hebben specifieke voorkeuren voor brandstofbronnen, wat hun metabolisme weerspiegelt [7](#page=7). * **Rode bloedcellen en zenuwweefsel**: Deze weefsels zijn primair afhankelijk van koolhydraten als energiebron [7](#page=7). * **Lever (bij diabetes)**: In een toestand van koolhydraattekort, zoals bij diabetes, kan de lever lipiden metaboliseren om aan de energiebehoefte te voldoen [7](#page=7). * **Hart- en skeletspieren**: Deze spieren zijn efficiënt in het omzetten van de energie die vrijkomt uit katabole processen naar mechanische energie, die nodig is voor beweging [7](#page=7). > **Tip:** Het begrijpen van de wisselwerking tussen katabolisme en anabolisme is cruciaal, aangezien deze twee processen essentieel zijn voor de instandhouding van het leven en de cellulaire functie. ATP en NADPH fungeren als de belangrijkste energiekoppelaars tussen deze twee takken. > **Tip:** Let op de verschillende brandstofbehoeften van diverse celtypen. Dit verklaart waarom metabole stoornissen, zoals diabetes, zo'n breed scala aan fysiologische effecten kunnen hebben. --- # Adenosinetrifosfaat (ATP) als energiedrager Adenosinetrifosfaat (ATP) is de primaire energiedrager in cellen, waarbij energie wordt vrijgegeven door de hydrolyse van energierijke fosfoanhydrische bindingen. ### 2.1 Structuur en energie van ATP ATP bestaat uit een adenine-molecule, een ribose-suiker en drie fosfaatgroepen. De bindingen tussen de bèta- en gamma-fosfaatgroepen worden fosfoanhydrische bindingen genoemd en zijn energierijk. Bij de hydrolyse van deze bindingen komt aanzienlijke vrije energie vrij, veel meer dan bij de splitsing van fosfodiesterbindingen. De energie-inhoud van energierijke bindingen varieert doorgaans tussen 5 en 15 kcal mol⁻¹ [10](#page=10) [11](#page=11). > **Tip:** Energierijk is niet hetzelfde als stabiel; de energierijke bindingen in ATP zijn juist relatief instabiel en gemakkelijk te verbreken om energie vrij te maken [11](#page=11). ### 2.2 Vrije energieverandering (ΔG) De vrije energieverandering (ΔG) bepaalt of een reactie spontaan verloopt [12](#page=12). * Een negatieve ΔG (< 0) duidt op een spontaan, exergonisch proces [12](#page=12). * Een positieve ΔG (> 0) duidt op een niet-spontaan, endergonisch proces [12](#page=12). De ΔG is afhankelijk van de standaardvrije energieverandering (ΔG°) en de concentraties van reactanten en producten. #### 2.2.1 Standaardvrije energieverandering (ΔG°) en ΔG°’ De standaardvrije energieverandering (ΔG°) wordt berekend onder standaardcondities, waarbij alle reagentia en producten een concentratie van 1 M hebben. In biologische systemen wordt echter vaak gebruik gemaakt van de gewijzigde standaardtoestand (ΔG°’), waarbij de concentratie van waterstofionen is aangepast aan pH 7.0 (d.w.z. [H⁺] = 10⁻⁷ M) [13](#page=13). Voor de hydrolyse van ATP geldt: ATP + H₂O ⇄ ADP + Pi + H⁺ De evenwichtsconstante K'ev wordt berekend als: $$K'_\text{ev} = \frac{[\text{ADP}][\text{Pi}][\text{H}^+]}{[\text{ATP}]}$$ Bij pH 7.0 en 25°C is K'ev = 2,23 x 10⁵. De berekende ΔG°’ voor de hydrolyse van ATP is ongeveer -31 kJ/mol of -7.5 kcal/mol onder deze gewijzigde standaardcondities [13](#page=13). #### 2.2.2 Fysiologische ΔG De werkelijke ΔG in een cel (fysiologische ΔG) wijkt af van de ΔG°’ omdat de concentraties van ATP, ADP en Pi in de cel niet 1 M zijn, maar in het millimolaire (mM) bereik liggen [14](#page=14). De fysiologische ΔG wordt berekend met de formule: $$\Delta G = \Delta G^\circ' + RT \cdot 2.303 \cdot \log \frac{[\text{ADP}][\text{Pi}]}{[\text{ATP}]}$$ In een spiercel kunnen de fysiologische concentraties bijvoorbeeld zijn: [ATP ≈ 8,50 mM, [ADP ≈ 0,25 mM, en [Pi ≈ 2,60 mM. Dit resulteert in een fysiologische ΔG van ongeveer -54,5 kJ/mol of -12,5 kcal/mol, wat aanzienlijk negatiever is dan de ΔG°’. De fysiologische ΔG kan verschillen tussen verschillende weefsels [14](#page=14). ### 2.3 Koppeling van reacties Metabolische reacties in biochemische cascades zijn additief wat betreft hun vrije energieveranderingen. Als de som van de ΔG°’ van opeenvolgende reacties negatief is, zal de gehele reeks reacties aflopend zijn [15](#page=15). Reacties met een positieve ΔG°’ (niet-spontaan) kunnen toch plaatsvinden indien ze gekoppeld worden aan een exergonische reactie, zodat de totale ΔG°’ negatief wordt. In de cel gebeurt dit vaak door koppeling aan de hydrolyse van ATP [15](#page=15) [16](#page=16). **Voorbeeld van reactiekoppeling:** Een endergonische reactie A + B ⇄ AB met ΔG°’ = +4 kcal/mol kan worden gekoppeld aan de hydrolyse van ATP: 1. A + ATP ⇄ A~P + ADP (geactiveerd intermediair met hoge fosforylgroepoverdrachtspotentiaal) 2. A~P + B ⇄ AB + Pi (deze reactie is exergonisch) De totale reactie wordt dan: A + B + ATP ⇄ AB + Pi + ADP [16](#page=16). De totale ΔG°’ van deze gekoppelde reactie is de som van de afzonderlijke ΔG°’ waarden: +4 kcal/mol (voor A + B) + (-7.3 kcal/mol) (voor ATP-hydrolyse) = -3.3 kcal/mol. Dit resulteert in een netto exergonische reactie [16](#page=16). Andere nucleotiden zoals GTP, UTP en CTP kunnen vergelijkbare rollen spelen als ATP, met hun gereduceerde vormen GDP, UDP en CDP [16](#page=16). ### 2.4 ATP als energiedrager: cijfers en recycling ATP is een energiedrager, geen energieopslagmolecuul. Een rustend persoon verbruikt ongeveer 40 kg ATP per dag, waarbij 100-150 mol ATP per dag wordt gehydrolyseerd. Elke ATP-molecule wordt daardoor 1000-1500 keer per dag gerecycled [17](#page=17). De recycling van ATP vindt plaats via reacties zoals: ADP + ADP ⇄ ATP + AMP Dit wordt gekatalyseerd door het enzym adenylaat kinase (myokinase) [17](#page=17). De vorming van ATP gebeurt voornamelijk via oxidatieve fosforylatie in cellen en fotofosforylatie in planten [17](#page=17). #### 2.4.1 Redenen voor het actieve karakter van ATP Het "actieve" karakter van ATP, dat wil zeggen de hoge fosforylgroepoverdrachtspotentiaal, wordt verklaard door meerdere factoren [18](#page=18): 1. **Elektrostatische afstoting:** De fosfaatgroepen in ATP zijn bij fysiologische pH (ongeveer 7.0) geïoniseerd, wat leidt tot elektrostatische afstoting tussen de negatief geladen groepen [18](#page=18). 2. **Resonantie stabilisatie van reactieproducten:** De producten van ATP-hydrolyse, ADP en Pi, kunnen resonantievormen aannemen die stabieler zijn dan ATP zelf. Hoe meer resonantievormen, hoe stabieler de molecule [18](#page=18). * Resonantievormen voor Pi [19](#page=19). * Resonantievormen voor ADP [20](#page=20). 3. **Verwijdering van waterstofionen:** De vrijgekomen H⁺-ionen worden uit de reactie verwijderd, wat het evenwicht naar de productzijde verschuift en de reactie bevordert [18](#page=18). ### 2.5 Andere energierijke verbindingen Naast ATP kunnen ook andere moleculen een fosfaatgroep aan ADP afstaan en zo ATP genereren, mits ze een hogere fosforylgroepoverdrachtspotentiaal hebben dan ATP. Deze moleculen worden op een Gibbs-energieschaal geplaatst die hun fosforyloverdrachtspotentieel weergeeft [21](#page=21) [23](#page=23). #### 2.5.1 Enolfosfaten Enolfosfaten, zoals fosfoenolpyruvaat (PEP), hebben een zeer hoge fosforyloverdrachtspotentiaal [21](#page=21). De hydrolyse van fosfoenolpyruvaat naar pyruvaat en Pi heeft een ΔG°’ van ongeveer -8 kcal/mol [21](#page=21). #### 2.5.2 Fosfoguanidinen Een voorbeeld van een fosfoguanidine is creatinefosfaat. Creatinefosfaat kan een fosfaatgroep overdragen op ADP om ATP te vormen: Creatinefosfaat + ADP + H⁺ ⇄ Creatine + ATP Deze reactie heeft een ΔG°’ van ongeveer -4 kcal/mol [22](#page=22). #### 2.5.3 Acylfosfaten Acylfosfaten vormen een andere klasse van energierijke verbindingen, hoewel specifieke voorbeelden en ΔG°’ waarden niet gedetailleerd worden gegeven in dit gedeelte [22](#page=22). ### 2.6 De energiestatus van de cel De energiestatus van de cel, die de mate van energierijkdom aangeeft, wordt mede bepaald door de relatieve concentraties van ATP, ADP en AMP. De "energiestatus" of "energiemeting" wordt vaak uitgedrukt als de energielading [25](#page=25): $$\text{Energiestatus} = \frac{[\text{ATP}] + \frac{1}{2}[\text{ADP}]}{[\text{ATP}] + [\text{ADP}] + [\text{AMP}]}$$ Wanneer de energiestatus nul is, is de cel volledig in AMP-vorm. Bij een waarde van één is de cel volledig in ATP-vorm. Normaal gesproken ligt de energiestatus van de cel tussen 0,8 en 0,95 [25](#page=25). Hoge energieladingen remmen ATP-genererende wegen en stimuleren ATP-consumerende wegen. AXP-moleculen (adenine-nucleotiden) fungeren als allostere regulatoren die deze processen beïnvloeden [26](#page=26). --- # Biochemische oxidatie-reductie reacties en elektronendragers Dit onderwerp verkent de fundamentele principes van oxidatie-reductie (redox) reacties in de biochemie, met een focus op de rol van cruciale elektronendragers zoals NAD+, NADP+ en FAD bij energietransfer en biosynthese. ### 3.1 Principes van biochemische redoxreacties Biochemische reacties die gepaard gaan met de transfer van elektronen worden oxidatie-reductie reacties genoemd [27](#page=27). * **Oxidatie** verwijst naar het afstaan van elektronen [27](#page=27). * **Reductie** verwijst naar het opnemen van elektronen [27](#page=27). Oxidatie en reductie zijn altijd aan elkaar gekoppeld; een reactie waarbij een molecuul wordt geoxideerd, vereist dat een ander molecuul wordt gereduceerd [27](#page=27). In biologische contexten worden deze reacties vaak gekenmerkt door de verwijdering of toevoeging van waterstofatomen (een proton en een elektron). Een voorbeeld hiervan is de oxidatie van succinaat tot fumaraat, waarbij twee protonen en twee elektronen worden verloren. De vraag is waar deze H$^+$ en e$^-$ naartoe gaan [28](#page=28). #### 3.1.1 Centrale elektronendragers Centrale elektronendragers in deze processen zijn onder andere NAD$^+$, NADP$^+$, en FAD. In aerobe organismen worden de elektronen uiteindelijk overgedragen aan zuurstof (O$_2$). Deze transfer gebeurt via elektronendragers, zoals pyridine-nucleotiden of flavinen, die gereduceerde vormen zoals NADH en FADH$_2$ produceren. Deze gereduceerde vormen zijn cruciaal voor de vorming van ATP, de belangrijkste energiebron van de cel [28](#page=28) [29](#page=29). De algemene reactie voor deze elektronentransfer kan worden weergegeven als: $$ \text{Donor} \rightarrow \text{Ox} + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \quad \text{Acceptor} + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightarrow \text{Gereduceerd Acceptor} $$ Deze reacties zijn vaak enzymatisch gekatalyseerd, waarbij de zijketens van aminozuren zoals histidine (His), aspartaat (Asp) en arginine (Arg) in het katalytische centrum van het enzym een rol kunnen spelen in het reactiemechanisme, zoals bij NAD$^+$-afhankelijke oxidaties (dehydrogenaties) [31](#page=31) [32](#page=32). > **Tip:** Begrijpen welke moleculen elektronen afstaan (geduceerd worden) en welke ze opnemen (geoxideerd worden) is essentieel voor het analyseren van metabole routes. #### 3.1.2 Voorbeelden van redoxreacties Een voorbeeld van een oxidatie betreft de oxidatie van een alcohol. Bij een NAD$^+$-afhankelijke oxidatie (dehydrogenatie) kunnen zuren zoals aspartaat en histine, samen met arginine, betrokken zijn bij het faciliteren van de proton- en elektronentransfer [31](#page=31) [32](#page=32). ### 3.2 Biochemische elektronendragers #### 3.2.1 Nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD$^+$) NAD$^+$ is een sleutelmolecuul in redoxreacties. De algemene structuur toont de nicotinamide-ring die betrokken is bij de elektronoverdracht. NAD$^+$ wordt gereduceerd tot NADH [29](#page=29). #### 3.2.2 Nicotinamide-adenine-dinucleotide-fosfaat (NADP$^+$) NADP$^+$ is nauw verwant aan NAD$^+$. Enzymen die NADP$^+$ gebruiken, hebben doorgaans geen geconserveerd aspartaatresidu in hun katalytische centrum [33](#page=33). * **NAD$^+$** wordt voornamelijk gebruikt bij de generatie van ATP in katabole reacties [33](#page=33). * **NADP$^+$** wordt daarentegen voornamelijk ingezet bij reductieve biosynthese. Dit onderscheid voorkomt interferentie tussen katabole en anabole routes [33](#page=33). * **NADPH** fungeert als elektronendonor in biosynthetische reacties [33](#page=33). #### 3.2.3 Flavine-adenine-dinucleotide (FAD) FAD is afgeleid van vitamine B2. Het reactieve deel van FAD is de isoalloxaanring, die betrokken is bij de elektronoverdracht. FAD kan twee elektronen en twee protonen opnemen om FADH$_2$ te vormen. Dit gebeurt typisch in reacties waarbij een dubbele binding wordt gevormd [34](#page=34) [35](#page=35): $$ \text{R} - \text{CH}_2 - \text{CH}_2 - \text{R}' \rightleftharpoons \text{R} - \text{CH} = \text{CH} - \text{R}' + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^- $$ De isoalloxaanring kan ook één elektron opnemen, resulterend in een semichinonradicaal, in aanwezigheid van een proton [35](#page=35). ### 3.3 Redoxpotentiaal en reactiekoppeling NAD$^+$ en FAD fungeren als elektronenacceptoren. Hun standaard redoxpotentialen ($E_0'$) zijn als volgt [36](#page=36): * NAD$^+$ + 2H$^+$ + 2e$^-$ $\rightleftharpoons$ NADH $E_0'$ = -0,32 V [36](#page=36). * FAD + 2H$^+$ + 2e$^-$ $\rightleftharpoons$ FADH$_2$ $E_0'$ $\approx$ 0 V [36](#page=36). De redoxpotentiaal van het succinaat/fumaraat-koppel is $E_0'$ = 0,03 V. Deze reactie kan niet direct worden gekoppeld aan de reductie van NAD$^+$ tot NADH, omdat de vrije energieverandering onvoldoende is om NAD$^+$ te reduceren ($ \Delta G^0' = -nF \Delta E_0' $). Het FAD/FADH$_2$-koppel is daarentegen wel geschikt voor deze reactie [36](#page=36). > **Tip:** De redoxpotentiaal bepaalt de richting van elektronentransfer. Een negatieve $ \Delta E_0' $ betekent dat de reactie exergonisch is (energie wordt vrijgegeven) en dus spontaan plaatsvindt in de gegeven richting. Een positieve $ \Delta E_0' $ betekent dat de reactie endergonisch is en energie vereist om plaats te vinden. --- # Coënzymen en vitaminen in metabole processen Dit gedeelte beschrijft de essentiële rol van coënzymen, met name Coënzym A, en hun directe relatie tot zowel wateroplosbare als vetoplosbare vitaminen, en hoe zij fungeren als dragers van specifieke chemische groepen in metabole reacties. ### 4.1 Coënzym A als universele drager van acylgroepen Coënzym A (CoA) is een cruciaal coënzym dat functioneert als een universele drager van acylgroepen. Het molecuul bestaat uit drie hoofdcomponenten: een β-mercapto-ethylamine eenheid, een pantotheenzuur eenheid (vitamine B5), en een adenosinetrifosfaat (ATP) structuur. De functionele kern van CoA ligt in de sterk reactieve thiolgroep (-SH) [37](#page=37). #### 4.1.1 De thioësterbinding in Acyl-CoA Acylgroepen worden aan CoA gebonden via een thioësterbinding (R-C(=O)-S-CoA). Deze thioësterbinding is thermodynamisch aanzienlijk gunstiger te hydrolyseren dan een zuurstofesterbinding, wat de transfer van de acylgroep in metabole reacties faciliteert. De hydrolyse van acetyl-CoA, een specifiek voorbeeld van acyl-CoA, genereert een aanzienlijke negatieve vrije energieverandering van ongeveer -7.5 kcal/mol, wat de reactie thermodynamisch gunstig maakt. Een typische acyl-CoA is acetyl-CoA, waar een acetylgroep gebonden is aan de thioëstergroep [38](#page=38). #### 4.1.2 Coënzymen en hun overgedragen groepen Verschillende coënzymen zijn betrokken bij de overdracht van specifieke chemische groepen in metabole processen. Enkele belangrijke voorbeelden zijn [39](#page=39): * **ATP:** overdracht van fosfaatgroepen [39](#page=39). * **NADH, NADPH:** overdracht van waterstofatomen en elektronen [39](#page=39). * **Coënzym A:** overdracht van acetyl- of andere acylgroepen [39](#page=39). * **Biotine:** overdracht van carboxylgroepen [39](#page=39). * **S-Adenosylmethionine:** overdracht van methylgroepen [39](#page=39). * **UDP-glucose:** overdracht van glucosegroepen [39](#page=39). ### 4.2 Vitaminen en hun rol als coënzymen Vitaminen zijn essentiële organische micronutriënten die organismen niet zelf kunnen synthetiseren en die daarom via de voeding moeten worden verkregen. Veel vitaminen, met name de wateroplosbare vitaminen, dienen als precursors voor coënzymen [40](#page=40). #### 4.2.1 Wateroplosbare vitaminen die coënzymen vormen De wateroplosbare vitaminen spelen een cruciale rol in metabole processen door de vorming van verschillende coënzymen. In de onderstaande tabel worden de vitaminen, hun alternatieve benamingen en veelgebruikte farmaceutische bereidingen weergegeven [40](#page=40): | Vitamine | Alternatieve benamingen | Farmaceutische bereidingen | |----------------|-------------------------------|----------------------------| | Vitamine A | Retinol | Retinol ester | | Vitamine B1 | Thiamine | Thiamine-HCl | | Vitamine B2 | Riboflavine | Riboflavine | | Niacine | Nicotinezuur en nicotinamide | Nicotinamide | | Vitamine B6 | Pyridoxine | Pyridoxine-HCl | | Pantotheenzuur | - | Calcium panthothenaat | | Biotine | - | Biotine | | Folaat | Folacine | Folinezuur | | Vitamine B12 | Cobalamine | Cyanocobalamine | | Vitamine C | Ascorbinezuur | Ascorbinezuur | > **Tip:** Het is essentieel om de structurele relatie tussen vitaminen en hun actieve coënzymvormen te begrijpen, aangezien dit de basis vormt voor hun functioneren in enzymatische reacties [41](#page=41) [42](#page=42). #### 4.2.2 Voorbeelden van wateroplosbare vitaminen en hun coënzymstructuren Riboflavine (vitamine B2) is een precursor voor flavinadeninedinucleotide (FAD), een belangrijk coënzym in redoxreacties. Pantotheenzuur is een component van Coënzym A, zoals eerder besproken. Foliumzuur (folaat) is cruciaal voor de overdracht van een-koolstofeenheden en is opgebouwd uit een pterine ring, p-aminobenzoëzuur en glutamaat. Biotine is betrokken bij carboxylatiereacties. Nicotinezuur (niacine) is een precursor voor NAD$^+$ en NADP$^+$ [37](#page=37) [39](#page=39) [41](#page=41) [42](#page=42). ### 4.3 Vetoplosbare vitaminen en hun functies Naast de wateroplosbare vitaminen zijn er ook vetoplosbare vitaminen (A, D, E en K) die specifieke, vaak niet-co-enzymatische, functies in het metabolisme vervullen [43](#page=43). * **Vitamine A (retinol):** Is een precursor voor retinale, wat essentieel is voor de lichtabsorberende groep in visuele pigmenten [43](#page=43). * **Vitamine D:** Speelt een sleutelrol in het metabolisme van fosfor en calcium. Een tekort kan leiden tot slechte beendervorming [43](#page=43). * **Vitamine E (α-tocoferol):** Fungeert als een antioxidant die de oxidatie van onverzadigde membraanlipiden voorkomt [43](#page=43). * **Vitamine K:** Is betrokken bij de carboxylatie van glutamaat tot γ-carboxyglutamaat, wat een cruciale stap is in bloedstolling (coagulatie) [43](#page=43). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Metabolisme | Het geheel van chemische reacties die plaatsvinden in een levend organisme, waarbij energie wordt geproduceerd of verbruikt. Dit omvat zowel afbraakprocessen (katabolisme) als opbouwprocessen (anabolisme). | | Katabolisme | Het afbreken van complexe moleculen tot eenvoudigere stoffen, waarbij energie vrijkomt die gebruikt kan worden voor anabolisme en arbeid. Typische producten zijn koolstofdioxide en water. | | Anabolisme | Het opbouwen van complexe moleculen uit eenvoudigere componenten, een proces dat energie vereist, vaak geleverd door ATP of reducerende equivalenten zoals NADPH. | | Adenosinetrifosfaat (ATP) | Een nucleotidetrifosfaat dat dient als de belangrijkste energiedrager in levende cellen. Energie wordt opgeslagen in de fosfoanhydrische bindingen en komt vrij bij hydrolyse. | | Fosfoanhydrische binding | Een chemische binding tussen twee fosfaatgroepen, die veel energie bevat en bij hydrolyse vrijkomt. De terminale bindingen in ATP zijn voorbeelden hiervan. | | Exergonisch | Een chemische reactie waarbij energie vrijkomt. De verandering in vrije energie (ΔG) is negatief. | | Endergonisch | Een chemische reactie die energie vereist om te verlopen. De verandering in vrije energie (ΔG) is positief. | | Vrije energie (ΔG) | Een thermodynamische grootheid die de hoeveelheid energie aangeeft die beschikbaar is om arbeid te verrichten bij constante temperatuur en druk. De verandering in vrije energie bepaalt de spontaniteit van een reactie. | | Oxidatie | Het afstaan van elektronen door een atoom, molecuul of ion. In biologische systemen omvat dit vaak het verlies van waterstofatomen (protonen en elektronen). | | Reductie | Het opnemen van elektronen door een atoom, molecuul of ion. In biologische systemen omvat dit vaak het winnen van waterstofatomen. | | Elektronendrager | Een molecuul dat in staat is om elektronen te accepteren en af te staan tijdens redoxreacties. Voorbeelden zijn NAD+, FAD en NADPH. | | Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) | Een belangrijk coënzym dat betrokken is bij veel redoxreacties in de cel, voornamelijk bij katabole processen waarbij het gereduceerd wordt tot NADH. | | Flavine adenine dinucleotide (FAD) | Een coënzym dat afkomstig is van vitamine B2 (riboflavine). Het fungeert als elektronendrager in redoxreacties, met name bij de oxidatie van verzadigde koolwaterstoffen tot onverzadigde. | | Coënzym A | Een coënzym dat essentieel is voor de overdracht van acylgroepen, zoals de acetylgroep. Het bevat een thioësterbinding die een belangrijke rol speelt bij de vrijmaking van energie. | | Thioësterbinding | Een chemische binding tussen een carboxylgroep en een zwavelatoom, vergelijkbaar met een zuurstofesterbinding maar thermodynamisch gunstiger om te hydrolyseren. | | Energielading | Een maat voor de energetische status van een cel, berekend als de verhouding van ATP en ADP tot het totaal van ATP, ADP en AMP. Het indiceert hoe goed de cel is voorzien van direct bruikbare energie. | | Fosforyl-groep transfer potentiaal | De neiging van een molecuul om een fosfaatgroep over te dragen aan een ander molecuul. Moleculen met een hogere transfer potentiaal kunnen ATP synthetiseren uit ADP. |

# Redoxreacties en reductiepotentialen Dit studieonderdeel behandelt redoxreacties en de betekenis van reductiepotentialen in biologische systemen, met speciale aandacht voor de standaard reductiepotentiaal ($E^0$) en de aangepaste potentiaal voor biologische omstandigheden ($E^0'$). ## 1. Redoxreacties en reductiepotentialen ### 1.1 Inleiding tot redoxreacties Redoxreacties omvatten de overdracht van elektronen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt uitgedrukt in de reductiepotentiaal ($E$). ### 1.2 Het concept van reductiepotentiaal ($E$) De reductiepotentiaal ($E$) is een maat voor de affiniteit van een stof voor elektronen. Het nulpunt van deze schaal is gedefinieerd voor de reactie: $$ \text{H}^+ + \text{e}^- \rightleftharpoons \frac{1}{2}\text{H}_2 $$ onder standaardomstandigheden (25 °C, 1 atm, 1 M concentratie voor ionen). * **Negatieve reductiepotentiaal ($E < 0$):** De substantie heeft een lagere affiniteit voor elektronen dan waterstof onder standaardomstandigheden. Dit betekent dat de stof geneigd is elektronen af te geven. * **Positieve reductiepotentiaal ($E > 0$):** De substantie heeft een hogere affiniteit voor elektronen dan waterstof. Dit betekent dat de stof geneigd is elektronen op te nemen. In een redoxreactie bewegen elektronen spontaan van de component met de meest negatieve reductiepotentiaal naar de component met de meest positieve reductiepotentiaal. ### 1.3 Reductiepotentialen in biologische systemen ($E^0$ en $E^0'$) In biologische systemen wordt vaak gebruik gemaakt van de aangepaste standaard reductiepotentiaal, aangeduid met $E^0'$, in plaats van de standaard reductiepotentiaal $E^0$. * **Standaard reductiepotentiaal ($E^0$):** De reductiepotentiaal onder standaardomstandigheden (1 M concentratie voor alle opgeloste deeltjes, inclusief protonen wat overeenkomt met pH = 0). * **Aangepaste standaard reductiepotentiaal ($E^0'$):** De reductiepotentiaal onder biologisch relevante omstandigheden, waarbij de protonenconcentratie [H$^+$] wordt ingesteld op $10^{-7}$ M (wat overeenkomt met pH = 7). De relatie tussen $E^0$ en $E^0'$ voor reacties waarbij protonen betrokken zijn, kan worden samengevat: $$ E^0' = E^0 - \frac{0.059 \text{ V}}{n} \log [\text{H}^+] $$ Bij pH = 7 geldt [H$^+$] = $10^{-7}$ M. De correctieterm voor pH = 7 is ongeveer $0.42$ V. Bijvoorbeeld, de reductie van zuurstof tot water: $$ \frac{1}{2}\text{O}_2 + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^- \rightleftharpoons \text{H}_2\text{O} $$ * Bij pH = 0 is $E^0 \approx +1.23$ V. * Bij pH = 7 is $E^0' \approx +1.23 \text{ V} - 0.42 \text{ V} = +0.82$ V. De term $E^0'$ wordt gebruikt omdat de pH in de meeste biologische compartimenten rond de 7 ligt. De hogere affiniteit voor elektronen van zuurstof (hogere $E^0'$) ten opzichte van waterstof verklaart de drijvende kracht achter de ademhalingsketen. > **Tip:** Onthoud dat $E^0'$ altijd lager is dan $E^0$ voor reacties waarbij protonen worden opgenomen tijdens de reductie. ### 1.4 Bepaling van de reactierichting en energiewinst De potentiële energie die vrijkomt bij een redoxreactie wordt bepaald door het verschil in reductiepotentialen tussen de elektrondonor en de elektronenacceptor. #### 1.4.1 Berekening van het potentiaalverschil Het totale potentiaalverschil ($\Delta E^0'$) van een redoxreactie wordt berekend als het verschil tussen de reductiepotentiaal van de acceptor en die van de donor: $$ \Delta E^0' = E^0'_\text{acceptor} - E^0'_\text{donor} $$ Elektronen stromen spontaan van de component met de laagste ($E^0'$) naar de component met de hoogste ($E^0'$). **Voorbeeld:** Pyruvaat reductie tot lactaat door NADH. De halve reacties zijn: * NAD$^+$ + 2H$^+$ + 2e$^-$ $\rightleftharpoons$ NADH + H$^+$ ($E^0' = -0.32$ V) * Pyruvaat + 2H$^+$ + 2e$^-$ $\rightleftharpoons$ Lactaat ($E^0' = -0.19$ V) Aangezien NADH een lagere reductiepotentiaal heeft (-0.32 V) dan pyruvaat (-0.19 V), zal NADH elektronen afstaan aan pyruvaat. De reactie verloopt dus van NADH naar pyruvaat. De totale reactie is: Pyruvaat + H$^+$ + NADH $\rightarrow$ Lactaat + NAD$^+$ Het potentiaalverschil is: $$ \Delta E^0' = E^0'_\text{lactaat/pyruvaat} - E^0'_\text{NADH/NAD}^+ $$ $$ \Delta E^0' = (-0.19 \text{ V}) - (-0.32 \text{ V}) = +0.13 \text{ V} $$ Een positieve $\Delta E^0'$ waarde geeft aan dat de reactie spontaan in de aangegeven richting verloopt. > **Tip:** Bij het berekenen van $\Delta E^0'$ voor een redoxreactie, trek altijd de reductiepotentiaal van de meest negatieve component (de donor) af van de reductiepotentiaal van de meest positieve component (de acceptor). #### 1.4.2 Energievrijstelling De hoeveelheid vrije energie ($\Delta G^0'$) die vrijkomt bij een redoxreactie is direct gerelateerd aan het potentiaalverschil ($\Delta E^0'$). De relatie wordt gegeven door de volgende formule: $$ \Delta G^0' = -n \cdot F \cdot \Delta E^0' $$ waarbij: * $n$ het aantal overgedragen elektronen is per reactie. * $F$ de Faraday constante is (ongeveer 23.06 kcal·mol$^{-1}$·V$^{-1}$ of 96.485 kJ·mol$^{-1}$·V$^{-1}$). Een positieve $\Delta E^0'$ leidt tot een negatieve $\Delta G^0'$, wat duidt op een exergonische (energie-vrijgevende) reactie. **Voorbeeld:** Oxidatie van NADH door zuurstof. * NAD$^+$ + 2H$^+$ + 2e$^-$ $\rightleftharpoons$ NADH + H$^+$ ($E^0' = -0.32$ V) * $\frac{1}{2}\text{O}_2$ + 2H$^+$ + 2e$^-$ $\rightleftharpoons$ H$_2$O ($E^0' \approx +0.82$ V bij pH 7) De totale reactie is: NADH + H$^+$ + $\frac{1}{2}\text{O}_2$ $\rightarrow$ NAD$^+$ + H$_2$O Het potentiaalverschil is: $$ \Delta E^0' = E^0'_\text{zuurstof/water} - E^0'_\text{NADH/NAD}^+ $$ $$ \Delta E^0' = (+0.82 \text{ V}) - (-0.32 \text{ V}) = +1.14 \text{ V} $$ De vrijgekomen energie is: $$ \Delta G^0' = -2 \cdot (23.06 \text{ kcal} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{V}^{-1}) \cdot (1.14 \text{ V}) $$ $$ \Delta G^0' \approx -52.58 \text{ kcal} \cdot \text{mol}^{-1} $$ Dit grote negatieve $\Delta G^0'$ geeft aan dat er aanzienlijke energie vrijkomt bij de oxidatie van NADH door zuurstof, wat essentieel is voor de energieproductie in de cel via oxidatieve fosforylering. > **Belangrijk:** Onthoud de formule $\Delta G^0' = -n \cdot F \cdot \Delta E^0'$ voor examens. De hoeveelheid energie die vrijkomt (of wordt opgenomen) bij een redoxreactie wordt direct bepaald door het potentiaalverschil en het aantal overgedragen elektronen. ### 1.5 Energetische koppeling in de elektronentransportketen (ETK) De energie die vrijkomt bij de overdracht van elektronen langs de ETK wordt gebruikt om protonen (H$^+$) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte te pompen. Dit creëert een protonengradiënt over de binnenste mitochondriale membraan. De terugstroom van protonen door het ATP-synthase complex drijft de synthese van ATP aan. * De overdracht van elektronen van NADH naar zuurstof genereert een potentieel verschil van ongeveer $1.14$ V, wat resulteert in een energie-vrijgave van ongeveer $-52.6$ kcal/mol voor de regeneratie van NADH naar NAD$^+$. Deze energie wordt benut voor ATP-synthese. * De elektronentransportketen, bestaande uit complexen I tot en met IV en mobiele dragers zoals ubiquinon (CoQ) en cytochroom c, zorgt voor de stapsgewijze overdracht van elektronen. * Bij de doorstroming van elektronen worden protonen verplaatst van de matrix naar de intermembranaire ruimte ter hoogte van complex I (NADH-dehydrogenase), complex III (cytochroom b-c$_1$) en complex IV (cytochroom oxidase). FADH$_2$ genereert elektronen die op een lager niveau in de keten (bij ubiquinon) instromen, waardoor minder protonen worden gepompt en dus minder ATP wordt gesynthetiseerd per molecuul FADH$_2$ vergeleken met NADH. ### 1.6 Belang van redoxpotentiaal voor de richting van het elektronentransport Het verschil in redoxpotentiaal tussen de opeenvolgende componenten van de ETK is cruciaal voor het waarborgen van de correcte richting van het elektronentransport. Elke stap in de keten verloopt van een component met een lagere redoxpotentiaal naar een component met een hogere redoxpotentiaal. Dit zorgt ervoor dat elektronen spontaan worden overgedragen en de energie geleidelijk wordt vrijgegeven. * De initiële donor (bijvoorbeeld NADH) heeft een relatief negatieve redoxpotentiaal. * De uiteindelijke acceptor (zuurstof) heeft een relatief positieve redoxpotentiaal. * De tussenliggende componenten (flavoproteïnen, ijzer-zwavelcentra, ubiquinon, cytochromen) hebben toenemende redoxpotentialen langs de keten. **Voorbeeld:** FADH$_2$ heeft een hogere reductiepotentiaal dan NADH. Wanneer FADH$_2$ zijn elektronen afstaat aan ubiquinon, is dit een spontane reactie omdat de elektronen van een lagere potentiaal naar een hogere potentiaal gaan. De succinaat dehydrogenase complex (complex II), dat FADH$_2$ produceert, koppelt de elektronen direct aan ubiquinon, omzeilt zo complex I en de bijbehorende protonenpomp. Dit resulteert in een lagere ATP-opbrengst per molecuul FADH$_2$ (ongeveer 2 ATP) vergeleken met NADH (ongeveer 3 ATP). #### 1.6.1 Cytoplasmatisch NADH Elektronen afkomstig van NADH geproduceerd in het cytoplasma (bijvoorbeeld tijdens glycolyse) moeten de mitochondriale membraan passeren om de ETK te bereiken. Dit gebeurt via pendelsystemen, zoals het glycerol-3-fosfaat pendelsysteem. * **Glycerol-3-fosfaat pendelsysteem:** Cytoplasmatisch NADH reduceert dihydroxyacetonfosfaat tot glycerol-3-fosfaat. Glycerol-3-fosfaat kan de mitochondriale membraan passeren en in de intermembranaire ruimte worden geoxideerd door een flavoproteïne gebonden aan FAD. Het FADH$_2$ dat hierbij ontstaat, doneert zijn elektronen aan ubiquinon. Omdat dit systeem complex I omzeilt, leidt het tot de productie van slechts ongeveer 2 ATP per molecuul cytoplasmatisch NADH. * **Malaat-aspartaat pendelsysteem (in hart en lever):** Dit systeem brengt de reducerende equivalenten van cytoplasmatisch NADH over naar mitochondriaal NADH zonder verlies van ATP-potentieel. Het werkt door malaat en aspartaat uit te wisselen tussen het cytoplasma en de mitochondriale matrix. Hierdoor wordt cytoplasmatisch NADH omgezet in mitochondriaal NADH, wat resulteert in een hogere ATP-opbrengst (ongeveer 3 ATP per NADH). ### 1.7 Controle van de elektronentransportketen De activiteit van de ETK en de daarmee samenhangende oxidatieve fosforylering wordt gereguleerd door de energielading van de cel, voornamelijk door de concentraties van ADP en P$_i$. * **Respiratoire controle:** Een hoge concentratie ADP en P$_i$ stimuleert de ETK en ATP-synthese omdat er behoefte is aan ATP. Wanneer de ATP-concentratie hoog is en ADP laag, vertraagt de ETK. * De concentraties van NADH en zuurstof zijn ook belangrijke regulatoren. Een tekort aan zuurstof of een overmaat aan NADH kan de keten beïnvloeden. Deze koppeling zorgt ervoor dat de energieproductie wordt afgestemd op de behoeften van de cel. ### 1.8 Toxiciteit en inhibitie van de ETK Verschillende stoffen kunnen de ETK remmen of de normale werking ervan verstoren, wat ernstige gevolgen kan hebben voor de cel. * **Inhibitoren van complex I:** Rotenon (een insecticide) en amytal remmen complex I, waardoor de elektronentransfer van NADH wordt geblokkeerd. * **Inhibitoren van complex III:** Cyanide en aziden binden met hoge affiniteit aan de ijzer- en koperionen in cytochroom a-a$_3 (complex IV) en remmen de reductie van zuurstof tot water. Dit stopt de gehele ETK en ATP-productie. Ook kunnen toxische intermediairen zoals superoxidanionen (O$_2^-$) ontstaan als de overdracht van elektronen niet goed gereguleerd is (bijvoorbeeld wanneer elektronen niet in pakketjes van vier aan zuurstof worden afgegeven). Enzymen zoals superoxide dismutase (SOD) en catalase neutraliseren deze reactieve zuurstofspecies. ### 1.9 Ontkoppeling van oxidatie en fosforylering Sommige verbindingen, zoals 2,4-dinitrofenol (DNP), kunnen de koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese ontkoppelen. * DNP is een lipofiel zwak zuur dat protonen door de binnenste mitochondriale membraan kan transporteren, waardoor de protonengradiënt teniet wordt gedaan zonder dat ATP wordt gesynthetiseerd. * Deze ontkoppeling leidt tot warmteontwikkeling (thermogenese), wat verklaart waarom DNP vroeger als dieetpil werd gebruikt maar gevaarlijk is vanwege het risico op hyperthermie. * Thermogenine, een ontkoppelingseiwit in bruin vetweefsel, speelt een fysiologische rol bij warmteproductie en wordt geactiveerd door vetzuren, wat cruciaal is voor thermoregulatie bij pasgeborenen en dieren die overwinteren. ### 1.10 Bacterieel elektronentransport Hoewel de principes vergelijkbaar zijn, gebruiken bacteriën verschillende terminale elektronenacceptoren dan zuurstof. * **Aerobe bacteriën:** Gebruiken zuurstof als terminale acceptor, vergelijkbaar met eukaryoten. * **Anaerobe bacteriën:** Gebruiken alternatieve acceptoren zoals nitraat (NO$_3^-$), sulfaat (SO$_4^{2-}$), of zwavel (S). Deze anaerobe processen leveren over het algemeen minder energie op dan aerobe respiratie. Deze variatie in terminale elektronenacceptoren in bacteriën illustreert de flexibiliteit van redoxprocessen onder verschillende omstandigheden. --- # Het elektronentransportcomplex en ATP-synthese Het elektronentransportcomplex (ETK) en ATP-synthese, ook wel oxidatieve fosforylatie genoemd, beschrijven het proces waarbij energie die vrijkomt bij de overdracht van elektronen langs een reeks eiwitcomplexen in de mitochondriale binnenmembraan, wordt gebruikt om ATP te synthetiseren. ### 2.1 Redoxreacties en reductiepotentialen Redoxreacties omvatten de overdracht van elektronen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt uitgedrukt in de reductiepotentiaal ($E$). De standaard reductiepotentiaal ($E^o$) heeft waterstof als referentiepunt ($H^+ + e^- \rightleftharpoons H$, bij 25 °C, 1 atm, 1 M). Een negatieve $E$ betekent dat de substantie een lagere affiniteit voor elektronen heeft dan waterstof, terwijl een positieve $E$ duidt op een hogere affiniteit. In biologische systemen wordt vaak gewerkt met de standaard reductiepotentiaal bij pH 7 ($E^o'$), waarbij de protonenconcentratie $10^{-7}$ M is. De $E^o'$ van de reactie $H^+ + e^- \rightleftharpoons H$ is $-0,42$ V. **Tip:** Een groter verschil in reductiepotentiaal ($\Delta E^o'$) tussen een donor en acceptor leidt tot een grotere energie-vrijgave ($\Delta G^o'$). De relatie is $\Delta G^o' = -n \cdot F \cdot \Delta E^o'$, waarbij $n$ het aantal overgedragen elektronen is en $F$ de constante van Faraday. #### 2.1.1 Voorbeeld van een redoxreactie De reductie van pyruvaat tot lactaat door NADH illustreert dit: NADH + $H^+$ + pyruvaat $\rightarrow$ lactaat + NAD$^+$ Met $E^o'$ waarden van -0,32 V voor NADH/NAD$^+$ en -0,19 V voor pyruvaat/lactaat, vloeien de elektronen van NADH naar pyruvaat. $\Delta E^o' = -0,19$ V - $(-0,32$ V) = $+0,13$ V. Dit positieve verschil geeft aan dat de reactie spontaan in deze richting verloopt. #### 2.1.2 Energieopbrengst De oxidatie van NADH door zuurstof levert aanzienlijke energie op: NADH + $H^+$ + ½ $O_2$ $\rightarrow$ NAD$^+$ + $H_2O$ Met $E^o'$ van NAD$^+$/NADH = -0,32 V en $E^o'$ van ½ $O_2$/$H_2O$ = +0,82 V, is $\Delta E^o' = +0,82$ V - $(-0,32$ V) = +1,14 V. Dit resulteert in $\Delta G^o' = -2 \cdot 23,06$ kcal mol$^{-1}$ V$^{-1}$ $\cdot 1,14$ V = -52,58 kcal mol$^{-1}$, wat de energie-vrijgave aangeeft die kan worden gebruikt voor ATP-synthese. ### 2.2 Componenten van het elektronentransportcomplex Het ETK bevindt zich in de binnenste membraan van de mitochondriën en bestaat uit vier grote eiwitcomplexen en twee mobiele elektronendragers: 1. **NADH-dehydrogenase-complex (Complex I):** * Dit complex, met een grootte van ongeveer 1 MDa en bestaande uit circa 40 polypeptideketens, accepteert twee elektronen en twee protonen van NADH/$H^+$. * Het bevat flavine-mononucleotide (FMN) en ijzer-zwavelcentra (Fe-S). * De reactie: NADH + FMN + $H^+$ $\rightleftharpoons$ FMNH$_2$ + NAD$^+$ en FMNH$_2$ + 2Fe$^{3+}$–S $\rightleftharpoons$ FMN + 2$H^+$ + 2Fe$^{2+}$–S. * Tijdens de oxidatie van NADH pompt dit complex protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte. 2. **Ubichinon (Coënzym Q of CoQ):** * Een lipofiele, mobiele elektronendrager die elektronen accepteert van Complex I en Complex II. * Het wordt gereduceerd tot ubiquinol (CoQH$_2$). * Reactie: 2Fe$^{2+}$–S + CoQ + 2$H^+$ $\rightleftharpoons$ 2Fe$^{3+}$–S + CoQH$_2$. * Ubichinon fungeert ook als de directe acceptor van elektronen van FADH$_2$ (via Complex II). 3. **Cytochroomreductase-complex (Complex III of b-c1-complex):** * Dit complex bestaat uit ongeveer 11 polypeptideketens per monomeer en bevat drie cytochroom-haemgroepen en een ijzer-zwavel-eiwit. * Het accepteert elektronen van CoQH$_2$ en draagt ze over aan cytochroom c. * Reacties: CoQH$_2$ + 2cyt b Fe$^{3+}$ $\rightleftharpoons$ CoQ + 2$H^+$ + 2cyt b Fe$^{2+}$ en 2cyt b Fe$^{2+}$ + 2cyt c$_1$ Fe$^{3+}$ $\rightleftharpoons$ 2cyt b Fe$^{3+}$ + 2cyt c$_1$ Fe$^{2+}$. * Dit complex pompt eveneens protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte. 4. **Cytochroom c:** * Een klein, mobiel eiwit met een haemgroep dat elektronen overdraagt van Complex III naar Complex IV. * Reactie: 2cyt c$_1$ Fe$^{2+}$ + 2cyt c Fe$^{3+}$ $\rightleftharpoons$ 2cyt c$_1$ Fe$^{3+}$ + 2cyt c Fe$^{2+}$. 5. **Cytochroomoxidase-complex (Complex IV of a-a3-complex):** * Dit complex, bestaande uit 13 polypeptideketens per monomeer, bevat twee cytochroom-haemgroepen en twee koperatomen (Cu). * Het accepteert elektronen van cytochroom c en draagt ze over aan zuurstof, waarbij water wordt gevormd. * De finale reactie: O$_2$ + 4e$^-$ + 4$H^+$ $\rightarrow$ 2$H_2O$. * Complex IV is de laatste stap in de keten en ook hier vindt protonenpomping plaats. **Tip:** De mobiele dragers CoQ en cytochroom c zijn cruciaal omdat de grote eiwitcomplexen immobiel zijn in het membraan. #### 2.2.1 Inhibitoren van het ETK Verschillende stoffen kunnen het ETK remmen: * **Complex I inhibitoren:** Rotenon (insecticide) en amytal. * **Complex III inhibitoren:** Antimycin A. * **Complex IV inhibitoren:** Cyanide (HCN) en aziden (NAN$_3$) binden met hoge affiniteit aan de ijzer- en koperionen in dit complex, waardoor de reductie van zuurstof tot water wordt geblokkeerd. Dit stopt de ATP-productie en kan fataal zijn. ### 2.3 Protonengradiënt en ATP-synthese De passage van elektronen door de complexen I, III en IV is gekoppeld aan de translocatie van protonen ($H^+$) van de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte. Dit creëert een elektrochemische protonengradiënt, ook wel proton motive force (PMF) genoemd, over de binnenste membraan. Deze gradiënt bestaat uit een chemische component (pH-gradiënt) en een elektrische component (membraanpotentiaal). #### 2.3.1 ATP-synthase (Complex V) De energie die opgeslagen is in de protonengradiënt wordt benut door ATP-synthase, een groot enzymcomplex in de binnenste membraan. Dit complex bestaat uit twee hoofdcomponenten: * **F$_0$-deel:** Geïntegreerd in de binnenste membraan, vormt het een kanaal waar protonen doorheen kunnen stromen. Het bevat een rotor (c-ring, bestaande uit 9-12 subunits, en de $\gamma$- en $\epsilon$-subunits). * **F$_1$-deel:** Steekt uit naar de matrix en bevat de katalytische subunits ($\alpha_3\beta_3$) en regulerende subunits ($\gamma, \delta, \epsilon$). **Werkingsmechanisme:** 1. Protonen stromen vanuit de intermembranaire ruimte via het F$_0$-kanaal terug naar de matrix. 2. De protonenstroom zorgt ervoor dat de c-ring in het F$_0$-deel roteert. 3. De rotatie van de c-ring drijft de $\gamma$-subunit in het F$_1$-deel aan, die asymmetrisch in de $\alpha_3\beta_3$-hexagonale structuur van de katalytische subunits steekt. 4. De rotatie van de $\gamma$-subunit veroorzaakt conformationele veranderingen in de $\alpha$ en $\beta$ subunits van het F$_1$-deel. 5. Deze conformationele veranderingen faciliteren de synthese van ATP uit ADP en anorganisch fosfaat (P$_i$). De drie conformationele toestanden van het actieve centrum zijn: Open (O), Los (L, met lage affiniteit voor ADP en P$_i$) en Strak (T, met hoge affiniteit voor gebonden ADP en P$_i$, leidend tot ATP-synthese). **Tip:** Het proces is vergelijkbaar met een dynamo, waarbij mechanische energie (protonenstroom) wordt omgezet in chemische energie (ATP). ### 2.4 Ontkoppeling van oxidatie en fosforylatie Soms wordt de protonengradiënt "kortgesloten", waardoor energie vrijkomt als warmte in plaats van wordt gebruikt voor ATP-synthese. * **Chemische ontkoppelaars:** Stoffen zoals 2,4-dinitrofenol (DNP) zijn lipofiel en kunnen protonen door de membraan transporteren, waardoor de gradiënt wordt opgeheven zonder ATP-synthese. * **Thermogenine (UCP-1):** Dit ontkoppelingseiwit is voornamelijk aanwezig in bruin vetweefsel en is fysiologisch belangrijk voor thermogenese (warmteproductie), vooral bij pasgeborenen en dieren die overwinteren. Het wordt geactiveerd door noradrenaline en vrije vetzuren. **Tip:** Ontkoppeling kan gevaarlijk zijn omdat het leidt tot warmteproductie en een afname van ATP-productie, wat ernstige gevolgen kan hebben. ### 2.5 Verschillen in ATP-opbrengst De netto ATP-opbrengst verschilt afhankelijk van waar de elektronen de ETK binnenkomen: * **NADH (matrix):** Elektronen komen binnen via Complex I, wat leidt tot protonenpomping bij Complex I, III en IV. Dit resulteert in de productie van ongeveer 3 ATP-moleculen per NADH. * **FADH$_2$:** Elektronen komen binnen via Complex II, direct op ubiquinon (CoQ). Hierdoor worden de protonenpompen bij Complex I overgeslagen. Dit leidt tot de productie van ongeveer 2 ATP-moleculen per FADH$_2$. * **Cytoplasmatisch NADH:** Kan de mitochondriale membraan niet direct passeren. Via pendelsystemen (zoals het glycerol-3-fosfaat shuttle of het malaat-aspartaat shuttle) worden de reducerende equivalenten naar de matrix getransporteerd. * **Glycerol-3-fosfaat shuttle:** Resulteert in de vorming van FADH$_2$ in de matrix (direct op ubiquinon), wat leidt tot ongeveer 2 ATP per cytoplasmatisch NADH. Dit systeem komt voor in spieren en lever. * **Malaat-aspartaat shuttle:** Resulteert in de vorming van NADH in de matrix, wat leidt tot ongeveer 3 ATP per cytoplasmatisch NADH. Dit systeem is efficiënter en komt voor in hartspieren en levercellen. **Tip:** Het malaat-aspartaat shuttle is efficiënter omdat het direct NADH in de matrix genereert, waardoor de volledige protonenpompen van het ETK benut kunnen worden. ### 2.6 Respiratoire controle Het elektronentransport en de oxidatieve fosforylatie zijn nauw met elkaar gekoppeld en gereguleerd door de energietoestand van de cel. De snelheid van het ETK wordt voornamelijk bepaald door de beschikbaarheid van substraten (NADH, FADH$_2$, O$_2$) en de concentratie van ADP en P$_i$. * Een **hoge ADP-concentratie** (lage energielading) stimuleert het ETK en de ATP-synthese. ADP is een allostere activator voor vele enzymen in de glycolyse, Krebs-cyclus en het ETK. * Een **hoge ATP-concentratie** (hoge energielading) remt deze processen. **Tip:** Dit mechanisme, bekend als respiratoire controle, zorgt ervoor dat de energieproductie wordt afgestemd op de energiebehoefte van de cel. ### 2.7 Alternatieve elektronentransportketens Naast de ATP-producerende ETK in mitochondriën, zijn er andere elektronentransportketens: * **Cytochroom P450-systemen:** Gevonden in levermicrosomen en mitochondriën, betrokken bij hydroxylatiereacties (detoxificatie van medicijnen, steroïden, etc.). Ze gebruiken NADPH als elektronenbron en produceren geen ATP. * **Anaerobe elektronentransportketens:** Gebruikt door sommige bacteriën in afwezigheid van zuurstof. Verschillende terminale elektronenacceptoren worden gebruikt, zoals sulfaat (SO$_4^{2-}$), nitraat (NO$_3^-$) of CO$_2$. Deze systemen leveren minder energie op dan de aerobe oxidatie met zuurstof. **Tip:** Hoewel deze systemen ook elektronen transporteren, is hun primaire functie niet ATP-synthese, maar eerder metabole transformatie of detoxificatie. --- # Ontkoppeling van oxidatie en protonengradiënt De ontkoppeling van de oxidatie en de protonengradiënt beschrijft mechanismen die de normale koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese verbreken, met als gevolg warmteproductie in plaats van ATP-vorming. ### 3.1 Chemische ontkoppelaars Chemische ontkoppelaars zijn stoffen die de protonengradiënt over het binnenmembraan van de mitochondriën kunnen tenietdoen. #### 3.1.1 2,4-dinitrofenol (DNP) * **Werking:** DNP is een zwak zuur en lipofiel molecuul. Het kan protonen ($H^+$) opnemen aan de ene kant van het membraan (bv. in de intermembranaire ruimte) en ze aan de andere kant (in de matrix) weer loslaten. Hierdoor "lekt" de protonengradiënt weg zonder via het ATP-synthase te lopen. * **Gevolg:** De energiestroom die normaal gebruikt wordt voor ATP-synthese, wordt omgezet in warmte. Het elektronentransport zelf verloopt in principe normaal. * **Toepassing (historisch):** DNP werd vroeger beschouwd als een 'ideale dieetpil' omdat het de vetzuuroxidatie stimuleert en tegelijkertijd de energie die hierbij vrijkomt omzet in warmte in plaats van ATP. * **Risico's:** Het kortsluiten van de 'batterij' (protonengradiënt) leidt tot warmteontwikkeling. Dit kan leiden tot hyperthermie (verhoogde lichaamstemperatuur) en andere ernstige bijwerkingen, zelfs bij lage concentraties. Het ontkoppelingseffect is niet selectief voor ATP-vorming, maar beïnvloedt de gehele energiehuishouding van de cel. ### 3.2 Fysiologische ontkoppeling: Thermogenine Fysiologische ontkoppeling vindt plaats via specifieke eiwitten die de membraanpermeabiliteit voor protonen verhogen, wat leidt tot warmteproductie. #### 3.2.1 Thermogenine in bruin vetweefsel * **Locatie:** Dit mechanisme is voornamelijk actief in bruin vetweefsel (brown adipose tissue - BAT). De bruine kleur van dit weefsel wordt veroorzaakt door de hoge concentratie mitochondriën, rijk aan cytochromen. * **Rol van Thermogenine:** Thermogenine (ook bekend als UCP-1, Uncoupling Protein 1) is een ontkoppelingseiwit dat zich in het binnenmembraan van de mitochondriën bevindt. Het creëert een kanaal waardoor protonen terug kunnen stromen naar de matrix, onafhankelijk van het ATP-synthase. * **Activering:** De activiteit van thermogenine wordt gestimuleerd door een stijgende concentratie van vrije vetzuren, vaak als gevolg van de vrijzetting van noradrenaline (een stresshormoon). * **Functie:** De primaire functie is het genereren van warmte om de lichaamstemperatuur op peil te houden, vooral bij pasgeborenen en dieren die winterslaap houden. De energie die vrijkomt uit de elektronentransportketen wordt niet gebruikt voor ATP-synthese, maar omgezet in warmte. * **Andere UCP's:** Naast UCP-1 zijn er ook UCP-2 en UCP-3, met vergelijkbare, zij het mogelijk meer gedifferentieerde, rollen in metabole regulatie en warmteproductie. Deze worden ook gestimuleerd door vrije vetzuren en geïnhibeerd door ATP en ADP. > **Tip:** Het begrijpen van de ontkoppeling van oxidatie en protonengradiënt is cruciaal om te snappen hoe cellen hun energie kunnen omzetten in warmte, wat essentieel is voor thermoregulatie, en hoe chemische stoffen deze processen kunnen beïnvloeden met potentieel gevaarlijke gevolgen. --- # Verschillen in elektronendonatie en ATP-rendement Dit hoofdstuk bespreekt de verschillende instappunten van elektronen in de elektronentransportketen (ETK) en de impact hiervan op de efficiëntie van ATP-productie, inclusief de rol van shuttle systemen voor cytoplasmatisch NADH. ### 4.1 Elektronentransportketen en redoxreacties #### 4.1.1 Reductiepotentiaal en elektronentransport Redoxreacties omvatten de overdracht van elektronen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt uitgedrukt door de reductiepotentiaal ($E$). Het nulpunt van de reductiepotentiaal is gedefinieerd bij de reactie $H^+ + e^- \rightleftharpoons H$ onder standaardomstandigheden (1 M concentratie, 1 atm druk, 25 °C). * Een negatieve reductiepotentiaal ($E < 0$) geeft aan dat de substantie een lagere affiniteit voor elektronen heeft dan waterstof. * Een positieve reductiepotentiaal ($E > 0$) geeft aan dat de substantie een hogere affiniteit voor elektronen heeft dan waterstof. In een redoxreactie bewegen elektronen spontaan van componenten met een lagere (meer negatieve) reductiepotentiaal naar componenten met een hogere (meer positieve) reductiepotentiaal. In biologische systemen wordt de standaard reductiepotentiaal vaak aangeduid met $E_0'$, wat de potentiaal onder fysiologische omstandigheden (pH 7, [H⁺] = $10^{-7}$ M) weergeeft. De reactie $H^+ + e^- \rightarrow H$ heeft een $E_0'$ van -0,42 V. Voor reacties waarbij protonen betrokken zijn, wordt de $E_0'$ waarde met 0,42 V verminderd ten opzichte van de $E_0$ waarde. #### 4.1.2 Energieopbrengst van redoxreacties De energie die vrijkomt bij een redoxreactie is direct gerelateerd aan het verschil in standaard reductiepotentiaal ($\Delta E_0'$) tussen de donor en de acceptor. De relatie wordt gegeven door: $$ \Delta G^\circ{}' = -n \cdot F \cdot \Delta E_0' $$ waarin: * $\Delta G^\circ{}'$ de standaard vrije energieverandering is. * $n$ het aantal overgedragen elektronen is. * $F$ de Faraday constante is (ongeveer 23,06 kcal·mol⁻¹·V⁻¹). Een positieve $\Delta E_0'$ leidt tot een negatieve $\Delta G^\circ{}'$, wat betekent dat de reactie spontaan verloopt en energie vrijgeeft. De oxidatie van NADH door zuurstof is een voorbeeld van een redoxreactie met een grote positieve $\Delta E_0'$ en daarmee een aanzienlijke energieopbrengst. * **Voorbeeld:** De oxidatie van NADH door ½ O₂ tot NAD⁺ en H₂O heeft een $\Delta E_0'$ van +1,14 V, wat resulteert in een $\Delta G^\circ{}'$ van ongeveer -52,58 kcal/mol. Deze vrijgekomen energie wordt gebruikt voor de synthese van ATP. ### 4.2 De elektronentransportketen (ETK) en protonenpompen De elektronentransportketen, gesitueerd in het binnenste mitochondriale membraan, is een reeks eiwitcomplexen die elektronen geleidelijk overdragen van NADH en FADH₂ naar zuurstof. Deze elektronentransfer is gekoppeld aan het pompen van protonen (H⁺) vanuit de mitochondriale matrix naar de intramembranale ruimte. * **Complex I (NADH-dehydrogenase complex):** Accepteert elektronen van NADH, oxideert dit tot NAD⁺, en draagt de elektronen over via FMN en ijzer-zwavelcentra. Dit complex pompt protonen. * **Complex II (Succinaat-dehydrogenase complex):** Accepteert elektronen van FADH₂, gevormd tijdens de citroenzuurcyclus, en draagt deze over via ijzer-zwavelcentra naar ubiquinon. Dit complex pompt geen protonen. * **Ubiquinon (Co-enzym Q):** Een mobiele elektronendrager die elektronen accepteert van Complex I en II en deze doorgeeft aan Complex III. * **Complex III (Cytochroom bc₁ complex):** Accepteert elektronen van ubiquinon en draagt deze over aan cytochroom c. Dit complex pompt protonen. * **Cytochroom c:** Een mobiele elektronendrager die elektronen van Complex III overdraagt aan Complex IV. * **Complex IV (Cytochroom c oxidase):** Accepteert elektronen van cytochroom c en draagt deze over aan zuurstof, waarbij water wordt gevormd. Dit complex pompt protonen. De stapsgewijze overdracht van elektronen langs de ETK maximaliseert de energieconversie en minimaliseert energieverlies als warmte. De protonen die naar de intramembranale ruimte worden gepompt, creëren een elektrochemische gradiënt (protonengradiënt), die de drijvende kracht vormt voor ATP-synthese. #### 4.2.1 ATP-synthese door ATP-synthase De protonengradiënt wordt gebruikt door het ATP-synthase complex (ook wel F₀F₁ ATPase genoemd) om ATP te synthetiseren uit ADP en anorganisch fosfaat (Pᵢ). Protonen stromen terug naar de matrix via het F₀-deel van het complex, wat een rotatiebeweging in het F₁-deel veroorzaakt. Deze rotatie leidt tot conformationele veranderingen in de α- en β-subeenheden van het F₁-deel, waardoor ATP wordt gevormd. ### 4.3 Verschillen in elektronendonatie en ATP-rendement Het rendement van ATP-productie is afhankelijk van het instappunt van de elektronen in de ETK. #### 4.3.1 NADH versus FADH₂ * **NADH:** Elektronen afkomstig van cytoplasmatisch NADH die via de **malate-aspartaat shuttle** de mitochondriën binnenkomen, treden de ETK binnen bij Complex I. Dit leidt tot de pomp van protonen door Complex I, III en IV, resulterend in de productie van ongeveer **3 ATP-moleculen per NADH**. * **FADH₂:** Elektronen afkomstig van mitochondrieel FADH₂ (gevormd uit succinaat in de citroenzuurcyclus) treden de ETK binnen bij ubiquinon (via Complex II). Hierdoor wordt Complex I overgeslagen, en worden er minder protonen gepompt. Dit resulteert in de productie van ongeveer **2 ATP-moleculen per FADH₂**. #### 4.3.2 Cytoplasmatisch NADH en shuttle systemen Cytoplasmatisch NADH, gevormd tijdens glycolyse, kan niet direct de binnenste mitochondriale membraan passeren. Om de elektronen van cytoplasmatisch NADH alsnog te benutten voor ATP-productie, maken cellen gebruik van shuttle systemen: * **Glycerol-3-fosfaat shuttle:** Elektronen van cytoplasmatisch NADH worden overgedragen aan dihydroxyacetonfosfaat (DHAP), wat glycerol-3-fosfaat vormt. Glycerol-3-fosfaat kan de membraan passeren en zijn elektronen afgeven aan FAD, dat dan ubiquinon reduceert. Omdat Complex I wordt overgeslagen, levert dit systeem slechts ongeveer **2 ATP-moleculen per cytoplasmatisch NADH** op. Dit systeem komt voor in spierweefsel en andere weefsels. * **Malate-aspartaat shuttle:** Dit systeem, voornamelijk aanwezig in lever en hartspier, zet cytoplasmatisch NADH om in mitochondrieel NADH. De elektronen worden via oxaalacetaat en malaat overgedragen. Malaat wordt in de matrix weer geoxideerd tot oxaalacetaat, waarbij mitochondrieel NADH wordt gevormd. Door transaminatie wordt oxaalacetaat omgezet in aspartaat, dat de matrix verlaat. Dit systeem zorgt ervoor dat mitochondrieel NADH wordt gevormd, wat de productie van ongeveer **3 ATP-moleculen per cytoplasmatisch NADH** mogelijk maakt, wat een hoger rendement oplevert. **Tip:** Het verschil in ATP-rendement tussen NADH en FADH₂ (en tussen verschillende shuttle systemen) is cruciaal voor het begrijpen van de algehele energiebalans van de cel. Houd rekening met het instappunt in de ETK. **Voorbeeld:** Hoewel glycolyse netto 2 NADH produceert, leidt de omzetting via de glycerol-3-fosfaat shuttle tot een lagere ATP-opbrengst (2 x 2 = 4 ATP) vergeleken met de malate-aspartaat shuttle (2 x 3 = 6 ATP). ### 4.4 Ontkoppeling van oxidatie en fosforylatie Sommige stoffen, zoals 2,4-dinitrofenol (DNP), kunnen de protonengradiënt verstoren door protonen terug te laten stromen naar de matrix zonder via ATP-synthase te gaan. Dit **ontkoppelt** de oxidatie (elektronentransport) van de fosforylatie (ATP-synthese), waardoor energie voornamelijk als warmte vrijkomt. * **Thermogenine:** Een ontkoppelingseiwit, voornamelijk aanwezig in bruin vetweefsel, dat een fysiologische rol speelt bij warmteproductie (thermogenese), vooral bij pasgeborenen en dieren die in koude omgevingen leven. Dit eiwit laat protonen terugstromen naar de matrix, waardoor de energie van de gradiënt wordt omgezet in warmte in plaats van ATP. Vrije vetzuren kunnen deze eiwitten activeren. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Redoxreactie | Een chemische reactie waarbij elektronen worden overgedragen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). Dit proces omvat zowel oxidatie als reductie. | | Reductiepotentiaal | De neiging van een atoom, ion of molecule om elektronen op te nemen, weergegeven als een potentiaalverschil ten opzichte van een referentiepunt. Een hogere (meer positieve) reductiepotentiaal duidt op een grotere affiniteit voor elektronen. | | E0 | De standaard reductiepotentiaal van een halfreactie, gemeten onder standaardomstandigheden (25 °C, 1 M concentratie van reactanten, 1 atm druk). | | E0' | De standaard reductiepotentiaal onder biochemische omstandigheden, waarbij de protonconcentratie is ingesteld op een pH van 7 (een [H+] van $10^{-7}$ M). | | Donor | Een stof die elektronen (reducerende equivalenten) afstaat in een redoxreactie. | | Oxidans | Een stof die een andere stof oxideert en daarbij zelf wordt gereduceerd door elektronen op te nemen. | | Elektronentransportketen (ETK) | Een reeks eiwitcomplexen en mobiele dragers in het mitochondriale binnenmembraan die elektronen transporteren van reducerende equivalenten naar zuurstof, waarbij energie wordt vrijgemaakt. | | Protonengradiënt | Een verschil in concentratie en elektrische lading van protonen ($H^+$) over een membraan, wat leidt tot een elektrochemische gradiënt en een potentieel energieverschil. | | ATP-synthase | Een enzymcomplex dat zich bevindt in de mitochondriale binnenmembraan en de energie van de protonengradiënt gebruikt om ADP en anorganisch fosfaat te converteren naar ATP. | | Ontkoppeling | Een proces waarbij de koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese wordt verbroken, waardoor de energie van de protonengradiënt wordt omgezet in warmte in plaats van ATP. | | Thermogenine | Een ontkoppelingseiwit dat voornamelijk voorkomt in bruin vetweefsel en de protonengradiënt doorlaat zonder ATP-synthese, wat resulteert in warmteproductie ter regulatie van de lichaamstemperatuur. | | NADH | Nicotinamide-adenine-dinucleotide, een co-enzym dat reducerende equivalenten (elektronen en protonen) transporteert en een belangrijke donor is in de elektronentransportketen. | | FADH2 | Gereduceerd flavine-adenine-dinucleotide, een co-enzym dat elektronen transporteert en als donor fungeert in de elektronentransportketen, met een iets lagere energiewaarde dan NADH. | | Ubichinon (Co-enzym Q) | Een lipofiele mobiele elektronendrager in de elektronentransportketen die elektronen overdraagt van complex I en II naar complex III. | | Cytochroom c | Een mobiel eiwit dat elektronen overdraagt van complex III naar complex IV in de elektronentransportketen. | | Cytochroomoxidasen (complex IV) | Het laatste complex in de elektronentransportketen dat elektronen overdraagt aan zuurstof en tegelijkertijd protonen naar de intermembranaire ruimte pompt. | | Energetisch rendement | De verhouding van de geproduceerde nuttige energie (bv. ATP) ten opzichte van de totale beschikbare energie uit een proces. |

# Oxidatieve fosforylatie en de elektronentransportketen Oxidatieve fosforylatie is het proces waarbij de energie vrijgemaakt door de beweging van elektronen langs de elektronentransportketen wordt gebruikt om ATP te synthetiseren [7](#page=7). ### 1.1 Redoxreacties en reductiepotentialen #### 1.1.1 Principes van redoxreacties Redoxreacties omvatten de overdracht van elektronen (en soms protonen) van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt weergegeven door de reductiepotentiaal (E) [2](#page=2). #### 1.1.2 Standaard reductiepotentiaal (E) en standaard redoxpotentiaal bij pH 7 (E₀') Het nulpunt voor de reductiepotentiaal is gedefinieerd bij pH 0, waar H⁺ + e⁻ ⇌ H, met een potentiaal van 0 V [2](#page=2). * Een negatieve reductiepotentiaal betekent dat de substantie een lagere affiniteit voor elektronen heeft dan H [2](#page=2). * Een positieve reductiepotentiaal betekent een hogere affiniteit voor elektronen dan H [2](#page=2). In biologische systemen wordt de standaard redoxpotentiaal bij pH 7 (E₀') gebruikt, waarbij \[H⁺\] = 10⁻⁷ M. De E₀'-waarde voor H⁺ + e⁻ → H bij pH 7 is -0,42 V. Dit betekent dat de E₀'-waarde van reacties met protonen 0,42 V lager is dan de E₀-waarde bij pH 0. Bijvoorbeeld, voor de reactie ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O, is de E₀ = +1,23 V, maar bij pH 7 is de E₀' ≈ +0,82 V [3](#page=3). Elektronen bewegen spontaan naar substanties met een meer positieve reductiepotentiaal [2](#page=2). #### 1.1.3 Berekening van E₀' en G₀' Het verschil in reductiepotentiaal (E₀') van een redoxreactie is de som van de individuele reductiepotentialen [5](#page=5). Acceptor = oxidator. $$ \\Delta E\_0' = E\_0'(\\text{acceptor}) - E\_0'(\\text{donor}) $$ Een positieve E₀' correleert met een negatieve vrije energie verandering (G₀'). De relatie wordt gegeven door [6](#page=6): $$ \\Delta G^\\circ' = -n \\cdot F \\cdot \\Delta E\_0' $$ Hierbij is $n$ het aantal overgedragen elektronen en $F$ de Faraday constante (23,06 kcal·mol⁻¹·V⁻¹) [6](#page=6). * **Voorbeeld:** De reductie van pyruvaat tot lactaat door NADH [5](#page=5). * NAD⁺ + 2H⁺ + 2e⁻ → NADH + H⁺; E₀' = -0,32 V * Pyruvaat + 2H⁺ + 2e⁻ → Lactaat; E₀' = -0,19 V * Elektronen stromen van NADH/NAD⁺ naar pyruvaat/lactaat. * Pyruvaat + H⁺ + NADH → Lactaat + NAD⁺ * E₀' = -0,19 V - (-0,32 V) = +0,13 V [5](#page=5). * De energie die vrijkomt bij de oxidatie van NADH door O₂ is aanzienlijk: E₀' = +0,82 V - (-0,32 V) = +1,14 V [6](#page=6). * Dit resulteert in een vrije energie verandering van G' = -2 · 23,06 kcal·mol⁻¹·V⁻¹ · 1,14 V = -52,58 kcal·mol⁻¹ [6](#page=6). ### 1.2 Oxidatieve fosforylatie en de elektronentransportketen (ETK) #### 1.2.1 Rol en locatie De beweging van elektronen langs de elektronentransportketen (ETK) in het binnenste mitochondriale membraan maakt energie vrij die wordt omgezet in ATP. NADH en FADH₂ (gevormd tijdens glycolyse, Krebs-cyclus en β-oxidatie) leveren de elektronen. De netto energie die vrijkomt bij de volledige oxidatie van NADH door O₂ is ongeveer -52,6 kcal/mol [7](#page=7). #### 1.2.2 Componenten van de ETK De voornaamste componenten van de ETK zijn: * Flavine-gekoppelde dehydrogenasen [7](#page=7). * IJzer-zwavel (Fe-S) eiwitten [7](#page=7). * Cytochromen [7](#page=7). #### 1.2.3 Protonentranslocatie en ATP-synthese De overdracht van elektronen langs de ETK is gekoppeld aan de translocatie van protonen (H⁺) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte. Dit creëert een transmembraanpotentiaal en een pH-gradiënt, gezamenlijk de elektrochemische protonengradiënt of protonendrijvende kracht genoemd. De terugstroming van protonen naar de matrix via ATP-synthase leidt tot ATP-synthese [23](#page=23) [24](#page=24) [7](#page=7). ### 1.3 De respiratoire keten: complexen en componenten De respiratoire keten bestaat uit meerdere grote eiwitcomplexen, met ubiquinon (Q) en cytochroom c (c) als mobiele electronendragers [8](#page=8). #### 1.3.1 Complex I: NADH-dehydrogenase complex * Dit complex is groot (~1 MDa) en bestaat uit ongeveer 40 polypeptideketens [9](#page=9). * Het transporteert twee elektronen en twee protonen van NADH/H⁺ naar FMN (flavinemononucleotide) [9](#page=9). * Het bevat ijzer-zwavelcentra (Fe-S), die elektronen overdragen via cysteïne residuen [9](#page=9). * NADH wordt geoxideerd, FMN wordt gereduceerd. * Reacties: * NADH + FMN + H⁺ ⇌ FMNH₂ + NAD⁺ * FMNH₂ + 2Fe³⁺–S ⇌ 2H⁺ + FMN + 2Fe²⁺–S * De energie die vrijkomt bij deze stap wordt gebruikt om protonen te pompen [10](#page=10). #### 1.3.2 Ubichinon (Co-enzym Q of CoQ) * Ubichinon is een lipofiele molecule die vrij kan diffunderen in het membraan [10](#page=10). * Het fungeert als een intermediaire elektronenacceptor en neemt elektronen op van Complex I (en Complex II) [10](#page=10) [11](#page=11). * Het transporteert elektronen naar Complex III (cytochroom reductase) [10](#page=10). * Tijdens de oxidatie van NADH, wordt CoQ gereduceerd tot CoQH₂ (ubichinol), waarbij protonen uit de matrix worden opgenomen [10](#page=10). * Reactie: 2Fe²⁺–S + CoQ + 2H⁺ ⇌ 2Fe³⁺–S + CoQH₂ * CoQ is ook de acceptor voor elektronen van FADH₂ via succinaat-dehydrogenase [11](#page=11). #### 1.3.3 Complex II: succinaat-dehydrogenase complex (niet direct hier beschreven, maar wel genoemd als leverancier aan CoQ) * Succinaat-dehydrogenase is een integraal onderdeel van de binnenste mitochondriale membraan en is direct verbonden met ubiquinon [34](#page=34). * Het oxideert succinaat tot fumarate en produceert FADH₂, wiens elektronen direct aan CoQ worden overgedragen [34](#page=34). #### 1.3.4 Complex III: b-c₁ cytochroom reductase complex * Dit complex bestaat uit ongeveer 11 polypeptideketens en heeft een moleculair gewicht van circa 500.000 Da per monomeer [11](#page=11). * Elk monomeer bevat drie cytochroom-haemgroepen en een ijzer-zwavel-eiwit [11](#page=11). * Het neemt elektronen over van CoQH₂ en draagt ze over aan cytochroom c [11](#page=11). * Reacties: * CoQH₂ + 2cyt b Fe³⁺ ⇌ CoQ + 2H⁺ + 2cyt b Fe²⁺ * 2cyt b Fe²⁺ + 2cyt c₁ Fe³⁺ ⇌ 2cyt b Fe³⁺ + 2cyt c₁ Fe²⁺ * Dit complex pompt ook protonen naar de intermembranaire ruimte [21](#page=21). #### 1.3.5 Cytochroom c * Cytochroom c is een mobiele drager met een covalente haemgroep [12](#page=12). * Het transporteert elektronen van Complex III naar Complex IV (cytochroom oxidase) [12](#page=12). * Reactie: 2cyt c₁ Fe²⁺ + 2cyt c Fe³⁺ ⇌ 2cyt c₁ Fe³⁺ + 2cyt c Fe²⁺ #### 1.3.6 Complex IV: a-a₃ cytochroom oxidase complex * Dit complex, ook bekend als cytochroom oxidase, bestaat uit 13 polypeptideketens en heeft een moleculair gewicht van 400.000 Da per dimeer [12](#page=12). * Elk monomeer bevat twee cytochromen (a en a₃) en twee koper (Cu) atomen [12](#page=12). * Het neemt elektronen over van cytochroom c en draagt ze uiteindelijk over aan zuurstof (O₂) [12](#page=12). * Reacties: * 2cyt c Fe²⁺ + 2cyt a Fe³⁺ ⇌ 2cyt c Fe³⁺ + 2cyt a Fe²⁺ * 2cyt a Fe²⁺ + 2cyt a₃ Fe³⁺ ⇌ 2cyt a Fe³⁺ + 2cyt a₃ Fe²⁺ * 2cyt a₃ Fe²⁺ + ½O₂ + 2H⁺ ⇌ 2cyt a₃ Fe³⁺ + H₂O * Dit complex is de plaats waar O₂ wordt gereduceerd tot water. Cyaniden en aziden remmen dit complex [12](#page=12). * Dit complex is ook een protonenpomp [21](#page=21). **1.3.7 inhibitoren** Rotenon en amytal inhiberen complex I. Antimycine A inhibeert complex II. Koolstofmonoxide, natriumazide en kaliumcyanide inhiberen complex III. ### 1.4 Electronenbronnen en hun impact op ATP-productie #### 1.4.1 Verschil tussen NADH en FADH₂ als elektronendonoren De ATP-opbrengst verschilt afhankelijk van de elektronendonor [34](#page=34). * **Mitochondriaal NADH:** Elektronen van mitochondriale NADH (afkomstig van pyruvaat, isocitraat, α-ketoglutaraat, malaat, β-hydroxybutyraat) treden binnen via Complex I. Dit leidt tot de activatie van alle drie de protonenpompen, wat resulteert in de productie van ongeveer 3 ATP per NADH [34](#page=34). * **FADH₂:** Elektronen van FADH₂ (geproduceerd door succinaat-dehydrogenase) en acyl-CoA komen binnen via ubiquinon (CoQ). Dit omzeilt Complex I, waardoor één protonenpomp minder wordt geactiveerd. Dit resulteert in de productie van ongeveer 2 ATP per FADH₂ [34](#page=34). #### 1.4.2 Cytoplasmatisch NADH * Cytoplasmatisch NADH kan de mitochondriale membraan niet direct passeren [35](#page=35). * Het moet via 'pendelsystemen' worden getransporteerd. * **Glycerol-3-fosfaat pendel:** Cytoplasmatisch NADH reduceert DHAP tot glycerol-3-fosfaat. Glycerol-3-fosfaat wordt geoxideerd door een membraan-gebonden flavoproteïne die de elektronen aan ubiquinon overdraagt. Dit systeem kan werken tegen een NADH-concentratiegradiënt in en leidt tot de productie van ongeveer 2 ATP uit cytoplasmatisch NADH [35](#page=35). * **Malaat-aspartaat pendel (in hart en lever):** Cytoplasmatisch NADH wordt gebruikt om oxaalacetaat te reduceren tot malaat. Malaat transporteert de elektronen naar de mitochondriale matrix via een malaat-transporter, waar het oxaalacetaat weer regenereert en mitochondriale NADH vormt. Dit mitochondriale NADH kan vervolgens de volledige ETK activeren, wat resulteert in de productie van ongeveer 3 ATP per cytoplasmatisch NADH [36](#page=36). #### 1.4.3 Eindbalans ATP-productie De totale energie die vrijkomt bij de volledige oxidatie van glucose is G' = -686 kcal/mol. De synthese van 36 moleculen ATP levert -7,3 kcal/mol per ATP op, wat neerkomt op -263 kcal/mol. Dit resulteert in een rendement van ongeveer 38%. In hart en lever worden ongeveer 38 moleculen ATP per glucosemolecuul gevormd [37](#page=37). ### 1.5 Reactieve zuurstofspecies (ROS) en ontgifting #### 1.5.1 Vorming van ROS Tijdens de elektronentransportketen kunnen onbedoeld reactieve zuurstofspecies (ROS) ontstaan. Een belangrijke ROS is het superoxide-anion (O₂⁻), gevormd wanneer zuurstof een elektron opneemt: O₂ + e⁻ ⇌ O₂⁻. Deze kunnen toxisch zijn [16](#page=16) [20](#page=20). #### 1.5.2 Ontgifting van ROS * **Superoxidedismutase (SOD):** Zet superoxide-anionen om. Dit enzym komt onder andere voor in rode bloedcellen (erythrocupreïne) [20](#page=20). * SOD: 2O₂⁻ + 2H⁺ → H₂O₂ + O₂ * **Catalase:** Zet waterstofperoxide (H₂O₂) om in water en zuurstof [20](#page=20). * Peroxide-anionen (O₂²⁻), waterstofperoxide (H₂O₂), en hydroxylradicalen (OH•) kunnen ook ontstaan, maar blijven vaak gebonden aan de cytochromen [16](#page=16). ### 1.6 Regulatie van de oxidatieve fosforylatie #### 1.6.1 Gekoppelde processen Elektronentransport en oxidatieve fosforylatie zijn nauw aan elkaar gekoppeld [41](#page=41). #### 1.6.2 Regulatie door beschikbare substraten De snelheid van de oxidatieve fosforylatie wordt gereguleerd door de beschikbaarheid van: * NADH [41](#page=41). * Zuurstof (O₂) [41](#page=41). * ADP en anorganisch fosfaat (Pi) [41](#page=41). #### 1.6.3 Respiratoire controle De concentratie van ADP is een belangrijke regulator; een hoge ADP-concentratie stimuleert sneller elektronentransport en dus meer ATP-productie. De ADP/ATP-ratio beïnvloedt allosterisch ook glycolyse, de Krebs-cyclus en β-oxidatie. Hierdoor is de elektronentransportketen gelinkt aan de energielading van de cel [41](#page=41). ### 1.7 Cytochroom P450 en bacterieel elektronentransport #### 1.7.1 Cytochroom P450 * Deze systemen bevinden zich in mitochondriën en microsomen (vesikel fragmenten van het ER) [42](#page=42). * Ze maken geen ATP aan [42](#page=42). * Ze zijn betrokken bij hydroxylatiereacties van steroïden, prostaglandinen, leukotriënen en xenobiotische substanties (medicijnen, toxische chemicaliën) [42](#page=42). * Ze functioneren als mono-oxygenasen om substraten wateroplosbaarder te maken [42](#page=42). * NADPH dient als elektronenbron voor deze ketens [42](#page=42). #### 1.7.2 Bacterieel elektronentransport * Bacteriën gebruiken verschillende finale elektronenacceptoren dan O₂, vooral in anaërobe omstandigheden. Voorbeelden zijn S/H₂S, NO₃⁻/NO₂⁻, en SO₄²⁻/H₂S [43](#page=43). * Anaërobe processen leveren over het algemeen minder energie op dan aerobe respiratie. Zuurstof kan ook de finale acceptor zijn in aerobe bacteriën [43](#page=43). * Extreme omstandigheden, zoals het gebruik van arseen, kunnen ook voorkomen [43](#page=43). * * * # ATP-synthese door protonenstroom Dit gedeelte beschrijft de synthese van ATP (adenosinetrifosfaat) uit ADP (adenosinedifosfaat) en anorganisch fosfaat, aangedreven door de protonengradiënt die is opgebouwd door de elektronentransportketen (ETK) in het binnenste membraan van het mitochondrion. Deze protonen worden teruggepompt naar de mitochondriale matrix via het ATP-synthase complex, wat leidt tot de productie van ATP [7](#page=7). ### 2.1 De elektronentransportketen en protonenpompen De elektronentransportketen, gelegen in het binnenste membraan van het mitochondrion, transporteert elektronen van gereduceerde co-enzymen zoals NADH en FADH2 naar zuurstof. Dit proces is gekoppeld aan de translocatie van protonen (H+) van de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte (#page=7, 21). De belangrijkste componenten van de ETK zijn flavine-gekoppelde dehydrogenasen, ijzer-zwavel-eiwitten en cytochromen [21](#page=21) [7](#page=7). De ETK bestaat uit meerdere complexen: * **Complex I (NADH-dehydrogenase-complex):** Gebruikt elektronen van NADH om protonen te pompen (#page=8, 21). De reactie kan worden weergegeven als [21](#page=21) [8](#page=8): $FMNH\_2 + 2 e^– + 2 Fe^{3+} \\rightleftharpoons FMN + 2 H^+ + 2 e^– + 2 Fe^{2+}$ [21](#page=21). * **Complex II (b-c1cytochroomreductase-complex):** Gebruikt ubiquinon (Q) en pompt protonen. De protonenoverdracht door ubiquinon (CoQ) naar cytochroom b omvat de reactie [8](#page=8): $CoQH\_2 + 2 cyt b Fe^{3+} \\rightleftharpoons 2 H^+ + CoQ + 2 cyt b Fe^{2+}$ [21](#page=21). * **Complex III (a-a3 cytochroomoxidase-complex):** Gebruikt cytochroom c en reduceert uiteindelijk zuurstof tot water, waarbij protonen uit de matrix worden verbruikt en ook protonen naar de intermembranaire ruimte worden gepompt (#page=8, 21) [21](#page=21) [8](#page=8). ### 2.2 De protonengradiënt De protonenpompen van de ETK creëren een **elektrochemische protonengradiënt** over het binnenste mitochondriale membraan (#page=23, 24). Deze gradiënt heeft twee belangrijke componenten [23](#page=23) [24](#page=24): 1. **pH-gradiënt:** De intermembranaire ruimte wordt zuurder (hogere H+ concentratie) dan de matrix [23](#page=23). 2. **Membraanpotentiaal:** Er ontstaat een verschil in elektrische lading over het membraan, waarbij de intermembranaire ruimte positiever geladen is dan de matrix [23](#page=23). Deze gecombineerde gradiënt wordt de **protonendrijvende kracht** genoemd. De energie die hierin is opgeslagen, wordt gebruikt voor ATP-productie en het transport van metabolieten [24](#page=24). ### 2.3 ATP-synthase: het moleculaire machine voor ATP-synthese Het **ATP-synthase complex** is een groot, sferisch complex dat verantwoordelijk is voor het omzetten van de protonendrijvende kracht in chemische energie in de vorm van ATP. Het complex bestaat uit twee hoofdcomponenten: F1 en F0 [25](#page=25). * **F1-deel:** Dit is het katalytische gedeelte, gelegen aan de matrixzijde van het membraan. Het bestaat uit subuniten $\\alpha\_3\\beta\_3\\gamma\\delta\\epsilon$. De $\\alpha$ en $\\beta$ subunits bevatten de bindingsplaatsen voor ADP en Pi en katalyseren de synthese van ATP [26](#page=26) [27](#page=27). * **F0-deel:** Dit is de membraangebonden kanaal voor protonen. Het bestaat uit subuniten $a\_1, b\_2$, en een ring van c-subuniten ($c\_{9-12}$). De F0-eenheid is gevoelig voor oligomycine [26](#page=26). #### 2.3.1 Werkingsmechanisme van ATP-synthase Het werkingsmechanisme van ATP-synthase is gebaseerd op een roterend mechanisme, dat het 'chemiosmotische' model verklaart [27](#page=27). * **Rotor:** De c-ring ($c\_{9-12}$), de $\\gamma$\-subunit en de $\\epsilon$\-subunit vormen de roterende component [27](#page=27). * **Stator:** De a-subunit, b-subunit dimer ($b\_2$), $\\delta$\-subunit, en de $\\alpha\_3\\beta\_3$\-hexameer vormen de stationaire component [27](#page=27). Protonen stromen vanuit de intermembranaire ruimte door het kanaal gevormd tussen de a-subunit en de c-ring. Deze protonenstroom zorgt ervoor dat de c-ring roteert ten opzichte van de stationaire a-subunit. De $\\gamma$\-subunit, die asymmetrisch is en door het midden van de $\\alpha\_3\\beta\_3$\-hexameer loopt, roteert mee met de c-ring [27](#page=27). De rotatie van de $\\gamma$\-subunit veroorzaakt conformationele veranderingen in de $\\alpha\_3\\beta\_3$\-hexameer. Elke $\\alpha\\beta$\-eenheid doorloopt drie conformationele toestanden [27](#page=27): * **Open (O):** De bindingsplaats staat open voor de binding van ADP en Pi. * **Los/Half gesloten (L):** ADP en Pi worden losjes gebonden. * **Gesloten (T):** ADP en Pi worden strak gebonden, en de synthese van ATP vindt plaats. De protonenstroom drijft de rotatie aan, die leidt tot de opeenvolgende binding van ADP en Pi, hun omzetting naar ATP, en de afgifte van ATP (#page=27, 28) [27](#page=27) [28](#page=28). $$ \\text{ADP} + \\text{Pi} \\xrightarrow{\\text{Energie van protonenstroom}} \\text{ATP} $$ [28](#page=28). > **Tip:** De energie van de protonenstroom wordt mechanisch omgezet in rotatie, wat vervolgens leidt tot de chemische synthese van ATP. ### 2.4 Ontkoppeling van de protonengradiënt Stoffen die de protonengradiënt kunnen ondermijnen, worden ontkoppelaars genoemd. Een voorbeeld is 2,4-dinitrofenol (DNP), een zwak zuur dat lipofiel is en de protonenstroom terug naar de matrix kan faciliteren zonder via ATP-synthase te gaan [32](#page=32). > **Example:** 2,4-dinitrofenol (DNP) is een ontkoppelaar. Het is een zwak zuur dat kan desintegreren en protonen kan opnemen in de intermembranaire ruimte. Vervolgens diffundeert het door het membraan en geeft het protonen af in de matrix. Dit verzwakt de protonengradiënt, waardoor de protonenstroom door ATP-synthase vermindert en er minder ATP wordt gesynthetiseerd, terwijl de elektronentransportketen normaal blijft functioneren. > > (structurele weergave van 2,4-dinitrofenol) [32](#page=32). ### 2.5 Verschillen in ATP-opbrengst De hoeveelheid ATP die wordt geproduceerd uit NADH en FADH2 varieert, omdat ze op verschillende punten in de ETK elektronen inbrengen [34](#page=34). * **Mitochondriaal NADH:** Elektronen van mitochondriaal NADH komen binnen via Complex I en doorlopen de gehele ETK, wat leidt tot de pomp van meer protonen. Dit resulteert in de productie van ongeveer 3 ATP-moleculen per NADH [34](#page=34). * **FADH2:** Elektronen van FADH2, afkomstig van bijvoorbeeld succinaat, komen binnen via het succinaat-Q-reductase-complex (Complex II) en slaan de protonenpomp van Complex I over. Hierdoor worden minder protonen gepompt, wat resulteert in de productie van ongeveer 2 ATP-moleculen per FADH2 [34](#page=34). De levering van elektronen van cytoplasmatisch NADH is nog anders, omdat deze via pendelsystemen de mitochondriale matrix bereiken. Het glycerol-3-fosfaat shuttle-systeem leidt bijvoorbeeld tot de vorming van slechts 2 ATP-moleculen uit cytoplasmatisch NADH [35](#page=35). ### 2.6 Totale ATP-balans Hoewel theoretische berekeningen variëren, wordt de totale opbrengst van ATP uit aerobe respiratie geschat op ongeveer 36 ATP-moleculen per glucosemolecuul in hart en lever. Een aanzienlijk deel van de beschikbare energie (-686 kcal/mol) wordt omgezet in ATP (-263 kcal/mol), wat een rendement van ongeveer 38% vertegenwoordigt [37](#page=37). > **Tip:** De exacte ATP-opbrengst kan variëren afhankelijk van het type cel en de efficiëntie van de pendelsystemen. Houd rekening met deze variabiliteit bij het bestuderen van de energiedoorrekeningen. * * * # Ontkoppeling van oxidatie en protonengradiënt Dit onderwerp behandelt het fenomeen van ontkoppeling, waarbij de protonengradiënt die normaal gesproken leidt tot ATP-synthese, wordt ondermijnd, resulterend in warmteproductie. ### 3.1 Chemische ontkoppelaars Chemische stoffen kunnen de protonengradiënt effectief tenietdoen, waardoor de normale koppeling tussen elektronentransport (en daarmee zuurstofverbruik) en ATP-synthese wordt verbroken [32](#page=32). #### 3.1.1 2,4-dinitrofenol (DNP) Een klassiek voorbeeld van een chemische ontkoppelaar is 2,4-dinitrofenol (DNP). DNP is een zwak zuur en is lipofiel, wat betekent dat het gemakkelijk door membranen kan passeren. Het werkt door de protonengradiënt, die zich normaal opbouwt aan de ene kant van het binnenmembraan van de mitochondriën, te omzeilen [32](#page=32). * **Mechanisme:** DNP fungeert als een protonen-"shuttle". Het kan protonen (H+) uit de intermembraanruimte (waar de concentratie hoog is) opnemen, door het membraan naar de matrix transporteren (waar de concentratie laag is), en daar weer loslaten. Dit proces verlaagt de pH-gradiënt over het membraan [32](#page=32). * **Gevolg:** Wanneer de protonengradiënt afneemt, wordt de drijvende kracht voor ATP-synthase, het enzym dat ATP produceert door protonen terug te laten stromen via zijn kanaal, sterk verminderd of geëlimineerd. Hierdoor vindt er geen ATP-synthese meer plaats, ondanks dat het elektronentransport en zuurstofverbruik normaal doorgaan [32](#page=32). > **Tip:** De structuur van DNP, met twee nitro (-NO2) groepen en een fenolische hydroxyl (-OH) groep, draagt bij aan zijn vermogen om zowel te dissocieren als een proton (als zuur) als om lipofiel te zijn, wat essentieel is voor membraanpassage. ### 3.2 Fysiologische ontkoppeling en warmteproductie Ontkoppeling van de oxidatieve fosforylering leidt niet alleen tot een verminderde ATP-productie, maar ook tot het vrijkomen van energie in de vorm van warmte. Dit proces wordt fysiologisch benut in bepaalde weefsels [33](#page=33). #### 3.2.1 Thermogenine (UCP1) Thermogenine, ook bekend als uncoupling protein 1 (UCP1), is een specifiek eiwit dat aanwezig is in de binnenste mitochondriale membraan en dat ontkoppeling teweegbrengt, voornamelijk in bruin vetweefsel (brown adipose tissue, BAT) [33](#page=33). * **Functie:** Thermogenine is een kanaal dat protonen direct uit de intermembraanruimte naar de matrix laat stromen, buiten ATP-synthase om. Dit omzeilt de normale route van protonenstroom, waardoor de opgebouwde elektrochemische gradiënt wordt gedissipeerd als warmte in plaats van wordt gebruikt voor ATP-synthese. Dit verhoogt de membraanpermeabiliteit voor protonen [33](#page=33). * **Locatie:** Bruin vetweefsel is rijk aan mitochondriën en thermogenine, wat de primaire functie ervan is om lichaamswarmte te genereren (thermogenese). Dit is cruciaal voor bijvoorbeeld pasgeborenen en dieren die leven in koude omgevingen [33](#page=33). * **Activatie:** De activiteit van thermogenine wordt voornamelijk gestimuleerd door verhoogde concentraties vrije vetzuren, die vaak vrijkomen als reactie op signalen zoals noradrenaline tijdens koude-expositie of honger [33](#page=33). #### 3.2.2 Andere UCPs en therapeutische perspectieven Naast UCP1 zijn er ook andere eiwitten in de UCP-familie, zoals UCP-2 en UCP-3, die aanwezig zijn in verschillende weefsels en een rol spelen bij de regulatie van de stofwisseling en warmteproductie [33](#page=33). * **Regulatie:** De activiteit van deze UCP's wordt over het algemeen gestimuleerd door vrije vetzuren, maar geïnhibeerd door ATP en ADP [33](#page=33). * **Therapeutisch potentieel:** Vanwege hun rol in energieverbruik en warmteproductie, wordt het potentieel van UCP's als therapeutisch doelwit voor de behandeling van obesitas onderzocht. Door de activiteit van UCP's te verhogen, zou de calorieverbranding kunnen worden gestimuleerd, wat kan bijdragen aan gewichtsverlies [33](#page=33). * * * # Transportmechanismen in het mitochondrion Dit onderwerp behandelt de essentiële transportmechanismen voor moleculen zoals ATP en ADP over het mitochondriale membraan, evenals systemen voor het transport van ionen en metabolieten [38](#page=38) [39](#page=39). ### 4.1 Transport van ATP en ADP ATP en ADP kunnen niet zomaar door het mitochondriale membraan diffunderen. Hiervoor is een specifiek transporteiwit nodig, het ATP/ADP-translocase (ook wel ADP/ATP-antiport genoemd). Dit eiwit faciliteert de uitwisseling van ADP en ATP tussen het cytosol en de mitochondriale matrix [38](#page=38). * **Werkingsmechanisme ATP/ADP-translocase:** Het translocase fungeert als een antiport-systeem, wat betekent dat het twee verschillende moleculen in tegengestelde richtingen transporteert. Specifiek transporteert het één molecuul ADP vanuit het cytosol naar de mitochondriale matrix, terwijl het tegelijkertijd één molecuul ATP vanuit de matrix naar het cytosol transporteert. Dit proces is gebaseerd op de ladingsverschillen van de moleculen. ADP heeft een lading van -3 en ATP heeft een lading van -4. De reactie kan als volgt worden weergegeven [38](#page=38): ADP$\_{cytosol}^{-3}$ + ATP${matrix}^{-4}$ $\\rightleftharpoons$ ATP$\_{cytosol}^{-4}$ + ADP${matrix}^{-3}$ [38](#page=38). `> **Tip:** Begrijpen van de ladingen van ADP en ATP is cruciaal om het antiport-mechanisme van het translocase te doorgronden.` ### 4.2 Transportsystemen voor ionen en metabolieten Naast het ATP/ADP-translocase zijn er diverse andere transportsystemen op het binnenste mitochondriale membraan. Deze systemen maken gebruik van specifieke carriers of transporters om een breed scala aan moleculen te verplaatsen [39](#page=39). * **Transport van ionen:** Het binnenste mitochondriale membraan bevat ook specifieke transporters voor ionen. Een belangrijk voorbeeld hiervan is het transport van calciumionen (Ca$^{2+}$). Het mitochondrion speelt een rol in de calciumhomeostase van de cel, en dit transport is essentieel voor deze functie [39](#page=39). * **Transport van metabolieten:** Naast ionen worden ook diverse andere metabolieten via specifieke carriers over het binnenste membraan getransporteerd. De precieze aard van deze metabolieten en hun transporters valt buiten het bestek van de gegeven pagina's, maar het is belangrijk te erkennen dat dit een breed scala aan moleculen omvat die betrokken zijn bij de mitochondriale stofwisseling [39](#page=39). * * * ## Veelgemaakte fouten om te vermijden * Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens * Let op formules en belangrijke definities * Oefen met de voorbeelden in elke sectie * Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Redoxreactie | Een chemische reactie waarbij elektronen worden overgedragen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). Dit proces is fundamenteel voor energieomzetting in biologische systemen. | | Reductiepotentiaal (E) | Een maat voor de neiging van een atoom, ion of molecule om elektronen op te nemen. Een hogere positieve waarde duidt op een grotere affiniteit voor elektronen. | | Eo' | De standaard reductiepotentiaal aangepast voor biologische omstandigheden, waarbij de concentratie van H+ is ingesteld op $10^{-7}$ M (pH 7), in tegenstelling tot de standaard fysisch-chemische potentiaal (Eo) bij pH 0. | | NADH | Nicotinamide-adenine-dinucleotide, een co-enzym dat cruciaal is voor de energiestofwisseling door het transporteren van elektronen, voornamelijk afkomstig van de afbraak van glucose en vetten. | | FADH2 | Gereduceerde vorm van flavine-adenine-dinucleotide, een andere belangrijke elektronendrager die elektronen levert aan de elektronentransportketen, vaak afkomstig van de succinaatdehydrogenase reactie. | | Elektronentransportketen (ETK) | Een reeks eiwitcomplexen en mobiele dragers in het binnenste mitochondriale membraan die elektronen overdragen, waarbij energie wordt vrijgemaakt om een protonengradiënt op te bouwen voor ATP-synthese. | | Ubichinon (CoQ) | Een lipofiele molecule die fungeert als een mobiele elektronendrager in de elektronentransportketen, die elektronen ontvangt van Complex I en II en deze doorgeeft aan Complex III. | | Cytochroom | Een klasse van heemproteïnen die betrokken zijn bij elektronentransport. Ze bevatten een ijzeratoom dat reversibel kan wisselen tussen de geoxideerde ($Fe^{3+}$) en gereduceerde ($Fe^{2+}$) staat. | | Protonengradiënt | Een verschil in concentratie en elektrische lading van protonen ($H^+$) over een membraan, zoals het binnenste mitochondriale membraan, wat resulteert in een elektrochemische potentiaal. | | ATP-synthase | Een enzymcomplex in het binnenste mitochondriale membraan dat de energie van de protonengradiënt gebruikt om ATP te synthetiseren uit ADP en anorganisch fosfaat door middel van een roterend mechanisme. | | Ontkoppeling | Het proces waarbij de protonengradiënt over een membraan wordt ondermijnd, waardoor de normale koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese wordt verbroken, wat leidt tot warmteproductie. | | Thermogenine | Een ontkoppelingseiwit dat voornamelijk voorkomt in bruin vetweefsel. Het maakt de mitochondriale membraan permeabeler voor protonen, wat resulteert in warmteproductie in plaats van ATP-synthese. | | Respiratoire controle | Het mechanisme waarbij de snelheid van de elektronentransportketen en oxidatieve fosforylatie wordt gereguleerd door de cellulaire behoefte aan ATP, voornamelijk gemedieerd door de concentratie van ADP. | | Cyanocobalamine | De chemische vorm van vitamine B12, die een belangrijke rol speelt in cellulaire metabolische processen, en ook kan functioneren als een scavenger voor cyanide-ionen. | | Superoxide-anion ($O_2^-$) | Een reactieve zuurstofsoort die ontstaat wanneer een enkel elektron wordt toegevoegd aan een zuurstofmolecuul. Het is potentieel schadelijk en wordt geneutraliseerd door enzymen zoals superoxidedismutase. |

# Redoxreacties en reductiepotentiaal Redoxreacties zijn fundamenteel voor het begrijpen van energietransport in biologische systemen, waarbij elektronen worden overgedragen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans), wat wordt gekwantificeerd door het concept van reductiepotentiaal. ### 1.1 Redoxreacties: elektronenoverdracht * Een **redoxreactie** omvat de overdracht van elektronen, en soms ook protonen, tussen moleculen. * **Oxidans**: een molecuul dat elektronen opneemt en zelf wordt gereduceerd. * **Reductans**: een molecuul dat elektronen afstaat en zelf wordt geoxideerd. * In een spontane redoxreactie bewegen elektronen van een substantie met een lagere affiniteit voor elektronen (meer negatieve potentiaal) naar een substantie met een hogere affiniteit voor elektronen (meer positieve potentiaal). ### 1.2 Reductiepotentiaal (E) * **Definitie**: de neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen. Dit wordt uitgedrukt als de **reductiepotentiaal ($E$)**. * **Nulpunt**: De reductiepotentiaal wordt gedefinieerd ten opzichte van een standaardreferentiepunt, namelijk de reductie van protonen tot waterstofgas: $$H^+ + e^- \rightleftharpoons \frac{1}{2} H_2$$ Dit standaard nulpunt wordt gemeten bij $25\,^\circ\text{C}$, 1 atmosfeer druk, en een concentratie van 1 M voor protonen. * **Interpretatie van de potentiaalwaarde**: * **Negatieve reductiepotentiaal ($E < 0$)**: De substantie heeft een lagere affiniteit voor elektronen dan waterstof. Het zal dus gemakkelijker elektronen afstaan dan opnemen van waterstof. * **Positieve reductiepotentiaal ($E > 0$)**: De substantie heeft een hogere affiniteit voor elektronen dan waterstof. Het zal dus gemakkelijker elektronen opnemen dan afstaan aan waterstof. * **Elektronenstroom in redoxreacties**: Elektronen bewegen spontaan van een component met de meest negatieve reductiepotentiaal naar een component met de meest positieve reductiepotentiaal. ### 1.3 Biologische reductiepotentiaal (E0') * Voor biologische reacties wordt vaak gebruik gemaakt van de **gestandaardiseerde biologische reductiepotentiaal ($E^0'$)**. * Dit concept houdt rekening met de fysiologische omstandigheden in cellen, met name de pH. * De $E^0'$ waarde is gedefinieerd bij pH 7, wat overeenkomt met een $[H^+]$ van $10^{-7}$ M, in plaats van de $[H^+]$ van 1 M die bij de standaard $E^0$ wordt gebruikt. * Het verschil in potentiaal tussen $E^0$ en $E^0'$ voor reacties waarbij protonen betrokken zijn, bedraagt 0,42 V. * De waarde voor de reactie $H^+ + e^- \rightleftharpoons \frac{1}{2} H_2$ bij pH 7 is dan ook $E^0' = -0,42$ V. * Wanneer protonen in een reactie betrokken zijn, wordt de $E^0'$ waarde van de reactie met 0,42 V verminderd ten opzichte van de $E^0$ waarde. * **Voorbeeld**: De reductie van zuurstof tot water: * Bij pH 0: $\frac{1}{2} O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$, met $E^0 = +1,23$ V. * Bij pH 7: $\frac{1}{2} O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$, met $E^0' \approx +1,23 \text{ V} - 0,42 \text{ V} = +0,82$ V. > **Tip:** Het begrip $E^0'$ is cruciaal omdat biologische systemen opereren bij een fysiologische pH van 7. Het incorporeert de effecten van protonenconcentratie op de redoxpotentiaal. ### 1.4 Berekening van de potentiaalverandering in redoxreacties * Bij een redoxreactie zijn er altijd twee halfreacties betrokken: een oxidatie en een reductie. * De totale verandering in reductiepotentiaal ($ \Delta E^0' $) voor een redoxreactie wordt berekend als de som van de reductiepotentialen van de individuele halfreacties, waarbij de potentiaal van de geoxideerde component wordt afgetrokken van die van de gereduceerde component (of omgekeerd, afhankelijk van de definitie van de halfreacties in de context van de totale reactie). Een meergebruikte methode is de potentiaal van de acceptor min de potentiaal van de donor. $$ \Delta E^0' = E^0' (\text{acceptor}) - E^0' (\text{donor}) $$ * Een positieve $ \Delta E^0' $ geeft aan dat de reactie spontaan zal verlopen in de richting zoals deze is geschreven. > **Voorbeeld:** Pyruvaat reductie tot lactaat door NADH. > > * Halfreactie 1 (reductie van NADH): $NAD^+ + 2H^+ + 2e^- \rightleftharpoons NADH + H^+$, met $E^0' = -0,32$ V. > * Halfreactie 2 (reductie van pyruvaat): Pyruvaat $+ 2H^+ + 2e^- \rightleftharpoons$ Lactaat, met $E^0' = -0,19$ V. > > De elektronen zullen van NADH naar pyruvaat vloeien omdat NADH een lagere reductiepotentiaal heeft. > > De netto redoxreactie is: Pyruvaat $+$ NADH $+$ H$^+$ $\rightarrow$ Lactaat $+$ NAD$^+$ > > De $ \Delta E^0' $ voor deze reactie is: > $$ \Delta E^0' = E^0' (\text{lactaat/pyruvaat}) - E^0' (NADH/NAD^+) = (-0,19 \text{ V}) - (-0,32 \text{ V}) = +0,13 \text{ V} $$ > Een positieve $ \Delta E^0' $ bevestigt dat deze reactie spontaan verloopt. ### 1.5 Energiekoppeling en vrije energie * De verandering in standaard vrije energie ($ \Delta G^{0'} $) is direct gerelateerd aan de verandering in reductiepotentiaal ($ \Delta E^{0'} $). * De relatie wordt gegeven door de volgende formule: $$ \Delta G^{0'} = -n \cdot F \cdot \Delta E^{0'} $$ Waarbij: * $ n $ het aantal overgedragen elektronen is. * $ F $ de constante van Faraday is ($ \approx 23,06 $ kcal$\cdot$mol$^{-1}$$\cdot$V$^{-1}$). * Een positieve $ \Delta E^{0'} $ resulteert in een negatieve $ \Delta G^{0'} $, wat aangeeft dat de reactie energie vrijgeeft (exergonisch is). Deze vrijgekomen energie kan worden gebruikt voor andere processen, zoals ATP-synthese. > **Voorbeeld:** De oxidatie van NADH door zuurstof. > > * NADH oxidatie: $NADH + H^+ \rightarrow NAD^+ + 2H^+ + 2e^-$, $E^0' = -0,32$ V (dit is de oxidatiepotentiaal, dus het is de *negatie* van de reductiepotentiaal van de omgekeerde reactie). De elektronen komen van NADH. > * Zuurstofreductie: $\frac{1}{2} O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$, $E^0' = +0,82$ V. Zuurstof is de elektronenacceptor. > > De netto reactie is: $NADH + H^+ + \frac{1}{2} O_2 \rightarrow NAD^+ + H_2O$ > > De $ \Delta E^0' $ is: > $$ \Delta E^0' = E^0' (\text{zuurstof/water}) - E^0' (NADH/NAD^+) = (+0,82 \text{ V}) - (-0,32 \text{ V}) = +1,14 \text{ V} $$ > > De vrijgekomen energie: > $$ \Delta G^{0'} = -n \cdot F \cdot \Delta E^{0'} = -2 \cdot (23,06 \text{ kcal}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{V}^{-1}) \cdot (1,14 \text{ V}) \approx -52,58 \text{ kcal}\cdot\text{mol}^{-1} $$ > > Deze grote hoeveelheid vrijgekomen energie is cruciaal voor de oxidatieve fosforylering. ### 1.6 Rol in de Elektronentransportketen (ETK) * De elektronentransportketen in de mitochondriën maakt gebruik van een serie redoxreacties om de energie van elektronen, afkomstig van energiedragers zoals NADH en FADH$_2$, stapsgewijs af te geven. * De elektronen worden overgedragen aan zuurstof als finale elektronenacceptor, waarbij water wordt gevormd. * De potentiële energie die vrijkomt tijdens de elektronenoverdracht langs de ETK wordt gebruikt om protonen (H$^+$) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte te pompen. * Dit creëert een protonengradiënt over het binnenmembraan van de mitochondriën, wat een vorm van potentiële energie is. * De terugstroom van protonen door ATP-synthase, gedreven door deze gradiënt, wordt gebruikt om ATP te synthetiseren uit ADP en anorganisch fosfaat. > **Belangrijk:** De richting van de elektronenstroom in de ETK wordt volledig bepaald door de oplopende reductiepotentialen van de opeenvolgende componenten. Dit zorgt voor een efficiënte en gecontroleerde energieconversie. --- # Elektronentransportketen en protonengradiënt Dit onderwerp behandelt de structuur en functie van de elektronentransportketen (ETK) in de mitochondriën, de koppeling van elektronentransfer met protonentranslocatie, en de vorming van een protonengradiënt die cruciaal is voor ATP-synthese. ### 2.1 Redoxreacties en reductiepotentialen Redoxreacties zijn fundamenteel voor de energieoverdracht in biologische systemen. Ze omvatten de overdracht van elektronen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecule om elektronen op te nemen wordt uitgedrukt in de reductiepotentiaal, aangeduid met $E$. Het nulpunt is gedefinieerd voor de reactie $H^+ + e^- \rightleftharpoons \frac{1}{2}H_2$ bij $25 \ ^\circ C$, $1 \ atm$ en een concentratie van $1 \ M$. * Een negatieve reductiepotentiaal ($E < 0$) geeft aan dat de substantie een lagere affiniteit voor elektronen heeft dan waterstof en dus eerder elektronen zal afgeven. * Een positieve reductiepotentiaal ($E > 0$) duidt op een hogere affiniteit voor elektronen. In een spontane redoxreactie bewegen elektronen van een systeem met een meer negatieve reductiepotentiaal naar een systeem met een meer positieve reductiepotentiaal. In biologische systemen wordt vaak gewerkt met de standaardomstandigheden $E^\circ'$, die rekening houden met een pH van 7 ($[H^+] = 10^{-7} \ M$) in plaats van pH 0. De reductiepotentiaal voor de standaardwaterstofelektrode bij pH 7 is $E^\circ' = -0.42 \ V$. Dit betekent dat reacties waarbij protonen betrokken zijn, een $E^\circ'$ waarde hebben die $0.42 \ V$ lager ligt dan hun $E^\circ$ waarde. **Voorbeeld:** Voor de reductie van zuurstof tot water ($\frac{1}{2}O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$) geldt bij pH 0: $E^\circ = +1.23 \ V$. Bij pH 7 is de $E^\circ'$ waarde dus ongeveer $1.23 \ V - 0.42 \ V = +0.82 \ V$. De totale verandering in standaard reductiepotentiaal ($\Delta E^\circ'$) voor een redoxreactie wordt berekend als de som van de reductiepotentialen van de individuele halfreacties: $\Delta E^\circ' = E^\circ'_{\text{acceptor}} - E^\circ'_{\text{donor}}$. De verandering in Gibbs vrije energie ($\Delta G^\circ'$) is gerelateerd aan $\Delta E^\circ'$ via de formule: $$ \Delta G^\circ' = -n \cdot F \cdot \Delta E^\circ' $$ waarin: * $n$ het aantal overgedragen elektronen is. * $F$ de constante van Faraday is ($23.06 \ kcal \cdot mol^{-1} \cdot V^{-1}$). Een positieve $\Delta E^\circ'$ correspondeert met een negatieve $\Delta G^\circ'$, wat duidt op een spontane reactie en vrijkomende energie. ### 2.2 De elektronentransportketen (ETK) in mitochondriën De ETK, gesitueerd in het binnenste mitochondriale membraan, is een reeks redoxcentra die elektronen van energiedragers zoals NADH en FADH$_2$ overdragen aan zuurstof als finale elektronenacceptor. Deze elektronentransfer is gekoppeld aan het pompen van protonen ($H^+$) van de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte, wat leidt tot de vorming van een elektrochemische protonengradiënt. De belangrijkste componenten van de ETK zijn: * **Flavine-gekoppelde dehydrogenasen:** Zoals NADH-dehydrogenase (Complex I). * **IJzer-zwavel eiwitten (Fe-S centra):** Bevatten ijzerionen die reversibel hun oxidatietoestand kunnen veranderen (Fe$^{3+}$ $\rightleftharpoons$ Fe$^{2+}$). * **Cytochromen:** Eiwitten met heamgroepen die ijzer bevatten en in staat zijn tot elektronentransfer. * **Ubichinon (Coënzym Q of CoQ):** Een mobiele lipofiele drager die elektronen opneemt van Complex I en II en deze doorgeeft aan Complex III. * **Cytochrom c:** Een klein, mobiel eiwit dat elektronen transporteert van Complex III naar Complex IV. * **Kopercentra:** Vaak geassocieerd met heamgroepen in cytochromen (zoals in Complex IV). #### 2.2.1 De componenten van de ETK De ETK is georganiseerd in grote proteïnecomplexen, met mobiele dragers ertussen: 1. **NADH-dehydrogenase-complex (Complex I):** * Zet twee elektronen en twee protonen van NADH en H$^+$ over op flavine mononucleotide (FMN). * Bevat ijzer-zwavelcentra die de elektronen verder transporteren. * De reactie is: $NADH + H^+ + FMN \rightleftharpoons FMNH_2 + NAD^+$ en $FMNH_2 + 2e^- \rightarrow FMN + 2H^+$. * Tijdens de oxidatie van NADH worden protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte gepompt. 2. **Ubichinon (Coënzym Q):** * Een lipofiel molecuul dat elektronen van Complex I en II ontvangt en naar Complex III transporteert. * Ubichinon wordt gereduceerd tot ubichinol (CoQH$_2$). * Reactie: $2e^- + CoQ + 2H^+ \rightleftharpoons CoQH_2$. 3. **Cytochroom-b-c$_1$-complex (Complex III):** * Ontvangt elektronen van ubichinol en geeft deze door aan cytochroom c. * Bevat cytochromen b, cytochroom c$_1$ en een ijzer-zwavel-eiwit. * Protonen worden tijdens dit proces van de matrix naar de intermembranaire ruimte gepompt. 4. **Cytochroom c:** * Een klein, mobiel eiwit met een heamgroep. * Draagt elektronen over van Complex III naar Complex IV. * Reactie: $2cyt \ c_1 \ Fe^{2+} + 2cyt \ c \ Fe^{3+} \rightleftharpoons 2cyt \ c_1 \ Fe^{3+} + 2cyt \ c \ Fe^{2+}$. 5. **Cytochroom-c-oxidase (Complex IV):** * Het laatste complex dat elektronen van cytochroom c ontvangt en overdraagt aan zuurstof, wat resulteert in de vorming van water. * Bevat cytochromen a en a$_3$ en kopercentra. * De finale reactie waarbij 4 elektronen betrokken zijn: $O_2 + 4e^- + 4H^+ \rightarrow 2H_2O$. * Dit complex pompt ook protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte. #### 2.2.2 Protonentranslocatie en de protonengradiënt De overdracht van elektronen door de ETK is gekoppeld aan het pompen van protonen ($H^+$) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte. Dit gebeurt bij Complex I, III en IV. * **NADH-dehydrogenase-complex:** Pompt protonen. * **Cytochroom-b-c$_1$-complex:** Pompt protonen. * **Cytochroom-c-oxidase:** Pompt protonen. Het pompen van protonen creëert een concentratiegradiënt en een ladingsgradiënt over het binnenste mitochondriale membraan, wat resulteert in een elektrochemische protonengradiënt. Deze gradiënt, ook wel de protonendrijvende kracht genoemd, vertegenwoordigt een vorm van potentiële energie. De componenten van de ETK hebben verschillende reductiepotentialen, wat zorgt voor een gerichte stroom van elektronen van een meer negatieve naar een meer positieve potentiaal. Dit garandeert de directionele voortgang van de keten. * NADH heeft een $E^\circ'$ van $-0.32 \ V$. * Zuurstof heeft een $E^\circ'$ van $+0.82 \ V$. * Het verschil in reductiepotentiaal tussen NADH en O$_2$ is $\Delta E^\circ' = +0.82 \ V - (-0.32 \ V) = +1.14 \ V$. * De vrijgekomen energie is $\Delta G^\circ' = -2 \cdot 23.06 \ kcal \cdot mol^{-1} \cdot V^{-1} \cdot 1.14 \ V \approx -52.58 \ kcal \cdot mol^{-1}$. Deze vrijgekomen energie wordt gebruikt om de protonengradiënt op te bouwen. ### 2.3 De koppeling van protonentranslocatie en ATP-synthese (Chemiosmose) De opgebouwde protonengradiënt wordt benut door een enzymcomplex, ATP-synthase (ook wel $H^+$-ATPase genoemd), om ATP te synthetiseren uit ADP en anorganisch fosfaat ($P_i$). Dit proces staat bekend als oxidatieve fosforylatie en wordt aangedreven door de terugstroom van protonen naar de mitochondriale matrix via ATP-synthase. #### 2.3.1 ATP-synthase ATP-synthase is een complex eiwit dat uit twee belangrijke functionele eenheden bestaat: * **F$_0$-deel:** Geïntegreerd in het binnenste mitochondriale membraan. Het fungeert als een kanaal voor protonen. * **F$_1$-deel:** Steekt uit in de mitochondriale matrix en bevat de katalytische sites voor ATP-synthese. Het werkingsmechanisme is gebaseerd op rotatie: * De protonenstroom door het F$_0$-deel drijft de rotatie aan van een centrale as (de $\gamma$-subunit) die verbonden is met de F$_1$-delen. * Deze rotatie van de $\gamma$-subunit veroorzaakt conformationele veranderingen in de $\alpha_3\beta_3$-subunits van het F$_1$-deel. * Deze conformationele veranderingen (open (O), los gebonden (L), en strak gebonden (T)) leiden tot de synthese van ATP uit ADP en $P_i$ in de T-conformatie, de binding van ADP en $P_i$ in de L-conformatie, en de vrijgave van ATP in de O-conformatie. * Per 120° draai van de $\gamma$-subunit wordt één ATP-molecule gesynthetiseerd en vrijgegeven. > **Tip:** De energie die vrijkomt bij de terugstroom van protonen kan niet alleen gebruikt worden voor ATP-synthese, maar ook voor het transport van metabolieten en het handhaven van lichaamstemperatuur. ### 2.4 Ontkoppeling van de oxidatie en de protonengradiënt Onder bepaalde omstandigheden kan de koppeling tussen de ETK en ATP-synthese worden verbroken (ontkoppeld). * **Chemische ontkoppelaars:** Stoffen zoals 2,4-dinitrofenol (DNP) zijn zwakke, lipofiele zuren die protonen door het binnenste mitochondriale membraan kunnen transporteren, buiten ATP-synthase om. Hierdoor wordt de protonengradiënt tenietgedaan, neemt de elektronentransportnelheid toe om de gradiënt opnieuw op te bouwen, maar wordt er geen ATP geproduceerd. In plaats daarvan komt de energie vrij als warmte. Dit kan leiden tot gevaarlijke hyperthermie. * **Fysiologische ontkoppeling (Thermogenine):** In bruin vetweefsel bevindt zich een ontkoppelings-eiwit, thermogenine (ook wel UCP-1 genoemd). Dit eiwit maakt ook protonen door het membraan, maar op een gereguleerde manier. De energie van de protonengradiënt wordt hierbij efficiënt omgezet in warmte, wat cruciaal is voor het handhaven van de lichaamstemperatuur, met name bij pasgeborenen en dieren in winterslaap. ### 2.5 Verschillen in ATP-opbrengst (NADH versus FADH$_2$) De hoeveelheid ATP die per geoxideerde substraat wordt gevormd, hangt af van waar de elektronen de ETK binnentreden: * **NADH (cytoplasmatisch):** Elektronen van cytoplasmatisch NADH moeten via pendelsystemen (zoals het malaat-aspartaat-pendelsysteem of het glycerol-3-fosfaat-pendelsysteem) naar de mitochondriën worden getransporteerd. Het glycerol-3-fosfaat-pendelsysteem leidt tot de vorming van ongeveer 2 ATP per NADH, omdat de elektronen op ubiquinon worden overgedragen, waardoor Complex I wordt omzeild en één protonenpomp wordt overgeslagen. Het malaat-aspartaat-pendelsysteem zet cytoplasmatisch NADH effectief om in mitochondriaal NADH, wat resulteert in de vorming van ongeveer 3 ATP per NADH. * **FADH$_2$:** Elektronen van FADH$_2$ (gevormd tijdens de citroenzuurcyclus via succinaat dehydrogenase) treden de ETK binnen op ubiquinon (CoQ). Hierdoor worden Complex I en de bijbehorende protonenpomp omzeild, wat resulteert in de vorming van ongeveer 2 ATP per FADH$_2$. ### 2.6 Controle van de oxidatieve fosforylatie De activiteit van de ETK en oxidatieve fosforylatie is nauw gereguleerd en direct afhankelijk van de energievraag van de cel. * **Respiratoire controle:** De snelheid van de ETK wordt grotendeels bepaald door de concentratie van ADP. Een hogere concentratie ADP stimuleert de ETK omdat er meer substraat is voor ATP-synthese. Wanneer de ATP-concentratie hoog is en de ADP-concentratie laag, vertraagt de ETK. * **Beschikbaarheid van substraten:** NADH, FADH$_2$ en zuurstof zijn essentiële inputs voor de ETK. * **Allostere regulatie:** ADP en ATP fungeren ook als allostere regulatoren voor enzymen in glycolyse en de citroenzuurcyclus, waardoor de ETK geïntegreerd is in het algehele energiemetabolisme van de cel. ### 2.7 Overige gerelateerde processen * **Cytochroom P450:** Deze enzymen, aanwezig in de lever in de microsomen (ER-fragmenten) en ook in mitochondriën, zijn betrokken bij hydroxylatiereacties. Ze gebruiken NADPH als elektronenbron en zijn essentieel voor de detoxificatie van xenobiotica (medicijnen, toxines) en de synthese van steroïden en prostaglandines. Ze vormen geen ATP. * **Bacterieel elektronentransport:** In anaërobe omstandigheden gebruiken bacteriën alternatieve finale elektronenacceptoren zoals sulfaat ($SO_4^{2-}$), nitraat ($NO_3^-$) of zwavelverbindingen ($S$, $H_2S$) in plaats van zuurstof. Deze processen leveren over het algemeen minder energie op dan aerobe ademhaling. --- # ATP-synthese en energieregeling Dit hoofdstuk behandelt de synthese van ATP via de protonenstroom gedreven door ATP-synthase, de koppeling van oxidatieve processen aan fosforylatie, en mechanismen zoals ontkoppeling en thermogenine. ### 3.1 Redoxreacties en energieoverdracht Redoxreacties zijn fundamenteel voor energiemetabolisme en omvatten de overdracht van elektronen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt uitgedrukt door het **reductiepotentiaal** ($E$), met als nulpunt de reactie $H^+ + e^- \rightleftharpoons H$ bij 25 °C, 1 atm en 1 M concentratie. Een negatieve reductiepotentiaal betekent een lagere affiniteit voor elektronen dan waterstof, terwijl een positieve potentiaal een hogere affiniteit aangeeft. Elektronen bewegen spontaan van een stof met een lagere reductiepotentiaal naar een stof met een hogere reductiepotentiaal. In biologische systemen wordt de standaard **gemodificeerde reductiepotentiaal** ($E_o'$) gebruikt, die rekening houdt met een protonenconcentratie van $10^{-7}$ M (pH=7). De $E_o'$ voor de waterstofreactie is -0,42 V. Voor reacties die protonen betrekken, wordt de $E_o'$ waarde met 0,42 V verlaagd ten opzichte van de $E_o$ waarde. Bijvoorbeeld, voor de reactie $\frac{1}{2}O_2 + 2H^+ + 2e^- \rightarrow H_2O$ is $E_o' = +0,82$ V bij pH=7, terwijl $E_o = +1,23$ V bij pH=0. De energie die vrijkomt bij een redoxreactie kan worden berekend met de verandering in standaard gemodificeerde vrije energie ($\Delta G_o'$). Deze is gerelateerd aan het verschil in reductiepotentiaal ($\Delta E_o'$) via de formule: $$ \Delta G_o' = -n \cdot F \cdot \Delta E_o' $$ waarbij $n$ het aantal overgedragen elektronen is en $F$ de constante van Faraday (ongeveer 23,06 kcal·mol$^{-1}$·V$^{-1}$). Een positieve $\Delta E_o'$ waarde correspondeert met een negatieve $\Delta G_o'$, wat betekent dat er energie vrijkomt. > **Tip:** Onthoud dat elektronen altijd spontaan bewegen van een lagere (meer negatieve) redoxpotentiaal naar een hogere (meer positieve) redoxpotentiaal. Het verschil in redoxpotentiaal drijft de elektronentransportketen aan. #### 3.1.1 NADH en FADH$_{2}$ in de elektronentransportketen NADH en FADH$_{2}$ zijn belangrijke dragers van reducerende equivalenten (elektronen en protonen) die afkomstig zijn uit metabole processen zoals glycolyse, de Krebs-cyclus en vetzuuroxidatie. In de mitochondriën worden deze elektronen via de elektronentransportketen (ETK) overgedragen aan zuurstof, wat leidt tot de vorming van water en de vrijgave van aanzienlijke energie. De oxidatie van NADH door zuurstof genereert bijvoorbeeld ongeveer -52,6 kcal/mol, energie die gebruikt wordt voor ATP-synthese. De ETK bevindt zich in het binnenste mitochondriale membraan en bestaat uit een reeks eiwitcomplexen en mobiele dragers: 1. **NADH-dehydrogenase-complex (Complex I):** Transfereert elektronen van NADH/H$^+$ naar FMN en vervolgens via ijzer-zwavelcentra naar ubiquinon. Dit complex pompt ook protonen van de matrix naar de intermembranaire ruimte. * Reactie: $NADH + FMN + H^+ \rightleftharpoons FMNH_2 + NAD^+$ * Reactie: $FMNH_2 + 2e^- \rightarrow FMN + 2H^+$ (via FeS centra) 2. **Ubiquinon (Coënzym Q of CoQ):** Een lipofiele, mobiele drager die elektronen ontvangt van Complex I en II en deze doorgeeft aan Complex III. Ubiquinon is ook de terminale elektronacceptor voor FADH$_{2}$ afkomstig van succinaat dehydrogenase. * Reactie: $2e^- + Fe^{3+} + CoQ + 2H^+ \rightleftharpoons 2e^- + Fe^{2+} + CoQH_2$ 3. **Cytochroomreductase (Complex III of b-c$_{1}$-complex):** Ontvangt elektronen van ubiquinol (CoQH$_{2}$) en geeft deze door aan cytochroom c. Dit complex bevat haamgroepen en een ijzer-zwavel-eiwit en pompt ook protonen. * Reactie: $CoQH_2 + 2cyt b Fe^{3+} \rightleftharpoons CoQ + 2H^+ + 2cyt b Fe^{2+}$ * Reactie: $2cyt b Fe^{2+} + 2cyt c_1 Fe^{3+} \rightleftharpoons 2cyt b Fe^{3+} + 2cyt c_1 Fe^{2+}$ 4. **Cytochroom c:** Een klein, mobiel eiwit dat elektronen transporteert van Complex III naar Complex IV. * Reactie: $2cyt c_1 Fe^{2+} + 2cyt c Fe^{3+} \rightleftharpoons 2cyt c_1 Fe^{3+} + 2cyt c Fe^{2+}$ 5. **Cytochroomoxidase (Complex IV of a-a$_{3}$-complex):** Ontvangt elektronen van cytochroom c en draagt ze over aan zuurstof, waarbij water wordt gevormd. Dit complex bevat koperionen en haamgroepen en is de laatste protonenpomp in de keten. * Reactie: $O_2 + 4e^- + 4H^+ \rightarrow 2H_2O$ > **Tip:** De ETK is een gestapsgewijs proces dat hogere rendementen oplevert in vergelijking met een directe overdracht van elektronen van NADH naar zuurstof. #### 3.1.2 Protonenoverdracht en de protonengradiënt Een cruciaal aspect van de ETK is de **protonenoverdracht (translocatie)** van de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte, die plaatsvindt bij Complex I, III en IV. Deze protonenpomp creëert een elektrochemische gradiënt over het binnenste mitochondriale membraan, bestaande uit een verschil in pH (meer H$^+$ in de intermembranaire ruimte) en een membraanpotentiaal (positievere lading in de intermembranaire ruimte). Deze gradiënt vertegenwoordigt potentiële energie, bekend als de **protondrijvende kracht**. ### 3.2 ATP-synthese door ATP-synthase De protonengradiënt die door de ETK is opgebouwd, drijft de synthese van ATP aan via een enzymcomplex genaamd **ATP-synthase** (ook bekend als F$_{0}$F$_{1}$ ATPase of H$^+$-ATPase). Dit complexe eiwit bevindt zich in het binnenste mitochondriale membraan en bestaat uit twee hoofdcomponenten: * **F$_{0}$ deel:** Geïntegreerd in het membraan en vormt een kanaal voor protonen. Het bestaat uit de a-subunit en een ring van c-subunits (meestal 9-12). * **F$_{1}$ deel:** Steekt in de mitochondriale matrix en bevat de katalytische sites voor ATP-synthese. Het bestaat uit $\alpha_3\beta_3$ subunits, met een centrale $\gamma$-subunit die de rotor verbindt met de stator. Het werkingsmechanisme van ATP-synthase is gebaseerd op **chemische osmos e** en **roterende katalyse**: 1. **Protonenstroom:** Protonen stromen via het kanaal in het F$_{0}$ deel (door de interactie tussen a- en c-subunits) terug naar de matrix. Deze protonenstroom drijft de rotatie van de c-ring aan. 2. **Rotatie:** De rotatie van de c-ring wordt overgebracht op de centrale $\gamma$-subunit, die in het F$_{1}$ deel roteert. 3. **Conformatieverandering:** De roterende $\gamma$-subunit interageert met de $\alpha_3\beta_3$ subunits en veroorzaakt cyclische conformatieveranderingen in de $\beta$-subunits. 4. **ATP-synthese:** De $\beta$-subunits doorlopen drie toestanden: * **L (Loose):** Bindt ADP en P$_{i}$ losjes. * **T (Tight):** Houdt ADP en P$_{i}$ stevig vast en faciliteert de vorming van ATP. * **O (Open):** Bindt ATP zwakjes, waardoor het nieuwgevormde ATP wordt vrijgelaten. Elke 120° draai van de $\gamma$-subunit leidt tot de vorming en vrijgave van één ATP-molecule. Experimenten met geïsoleerd ATP-synthase, waarbij de rotatie van de $\gamma$-subunit zichtbaar werd gemaakt met actinefilamenten, hebben dit roterende mechanisme bevestigd. Wanneer ATP wordt toegevoegd aan geïsoleerd ATP-synthase, draait het omgekeerd en hydrolyseert het ATP. > **Voorbeeld:** Het malaat-aspartaat-pendelsysteem en het glycerol-3-fosfaat-pendelsysteem worden gebruikt om elektronen van cytoplasmatisch NADH de mitochondriën binnen te brengen, wat leidt tot de synthese van 2 ATP per NADH, in tegenstelling tot 3 ATP per mitochondrieel NADH. ### 3.3 Ontkoppeling van oxidatie en protonengradiënt Ontkoppeling is het proces waarbij de koppeling tussen de elektronentransportketen en ATP-synthese wordt verbroken. Dit gebeurt wanneer protonen terugstromen naar de matrix via kanalen die niet aan ATP-synthase gebonden zijn. * **Chemische ontkoppeling:** Stoffen zoals 2,4-dinitrofenol (DNP) zijn lipofiel en fungeren als protonenoverdragers. Ze maken het binnenste membraan permeabeler voor protonen, waardoor de protonengradiënt wordt geneutraliseerd zonder ATP-synthese. Dit leidt tot een snelle verbranding van energiereserves (glucose en vetzuren) en kan hyperthermie veroorzaken. * **Fysiologische ontkoppeling (Thermogenine):** In bruin vetweefsel speelt het ontkoppelingseiwit **thermogenine** (UCP-1) een belangrijke rol bij het genereren van warmte (thermogenese). Thermogenine maakt de binnenste membraan permeabel voor protonen, waardoor de energie van de protonengradiënt wordt omgezet in warmte in plaats van ATP. Dit proces wordt geactiveerd door vetzuren en noradrenaline en is essentieel voor het handhaven van de lichaamstemperatuur bij pasgeborenen en dieren in winterslaap. Er zijn ook UCP-2 en UCP-3, die mogelijk ook betrokken zijn bij energieregulatie. ### 3.4 Regulatie van oxidatieve fosforylatie De oxidatieve fosforylatie en het elektronentransport worden nauw gereguleerd door de energietoestand van de cel, voornamelijk door de beschikbaarheid van ADP en P$_{i}$. * **Respiratoire controle:** Een hoge concentratie ADP en P$_{i}$ stimuleert de ETK en ATP-synthese, omdat er een grotere vraag is naar ATP. Naarmate de ATP-concentratie stijgt en ADP en P$_{i}$ dalen, vertraagt de ETK. * **ADP/ATP-ratio:** De ratio van ADP tot ATP is een belangrijke indicator van de energielading van de cel en reguleert ook glycolyse, de Krebs-cyclus en $\beta$-oxidatie. Het **ATP/ADP-translocase** in het binnenste membraan faciliteert de uitwisseling van ATP en ADP tussen de matrix en het cytoplasma, wat essentieel is voor de energiestofwisseling van de cel. Voor elke molecule ATP die de mitochondrion verlaat, komt er één molecule ADP binnen. ### 3.5 Verschillen in ATP-productie De hoeveelheid ATP die wordt geproduceerd uit NADH en FADH$_{2}$ varieert: * **Mitochondrieel NADH:** Levert ongeveer 3 ATP per molecule. * **FADH$_{2}$:** Levert ongeveer 2 ATP per molecule, omdat het elektronentransport later in de keten begint (bij ubiquinon), waardoor één protonenpomp wordt overgeslagen. * **Cytoplasmatisch NADH:** Wordt via pendelsystemen (zoals malaat-aspartaat of glycerol-3-fosfaat) naar de mitochondriën getransporteerd. Het glycerol-3-fosfaat-pendelsysteem leidt tot de vorming van ongeveer 2 ATP per molecule cytoplasmatisch NADH. De totale netto-opbrengst van aerobe celademhaling is ongeveer 36-38 ATP-moleculen per glucosemolecule, wat neerkomt op een rendement van ongeveer 38%. ### 3.6 Cytochroom P450 en bacteriële elektronentransportketens * **Cytochroom P450:** Deze enzymen, voornamelijk in levermitochondriën en microsomen, zijn betrokken bij hydroxylatiereacties die xenobiotische stoffen (medicijnen, toxines) en endogene moleculen (steroïden) oplosbaarder maken voor uitscheiding. Ze gebruiken NADPH als elektronenbron en maken geen ATP aan. * **Bacteriële elektronentransportketens:** In plaats van zuurstof als finale elektronacceptor te gebruiken, kunnen bacteriën diverse andere stoffen gebruiken in anaerobe omstandigheden, zoals zwavel (S), waterstofsulfide (H$_{2}$S), nitraat (NO$_{3}^{-}$), nitriet (NO$_{2}^{-}$) of sulfaat (SO$_{4}^{2-}$). Deze anaerobe processen leveren over het algemeen minder energie op dan aerobe ademhaling. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Redoxreactie | Een chemische reactie waarbij elektronen worden overgedragen van een donor (reductans) naar een acceptor (oxidans), wat leidt tot zowel oxidatie als reductie. | | Reductiepotentiaal (E) | Een maat voor de neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen, uitgedrukt in volt (V) ten opzichte van een referentiepotentiaal. | | Oxidans | Een molecuul dat een ander molecuul oxideert en daarbij zelf wordt gereduceerd, door elektronen op te nemen. | | Reductans | Een molecuul dat een ander molecuul reduceert en daarbij zelf wordt geoxideerd, door elektronen af te geven. | | Elektronentransportketen (ETK) | Een reeks eiwitcomplexen ingebed in het binnenmembraan van mitochondriën die sequentiële overdracht van elektronen mogelijk maakt, waarbij energie vrijkomt. | | Protonengradiënt | Een verschil in concentratie en elektrische lading van protonen (H+) aan weerszijden van een membraan, wat een vorm van potentiële energie vertegenwoordigt. | | ATP-synthase | Een enzymcomplex dat de energie van een protonengradiënt gebruikt om de synthese van adenosinetrifosfaat (ATP) uit adenosinedifosfaat (ADP) en anorganisch fosfaat (Pi) te katalyseren. | | Oxidatieve fosforylatie | Het proces waarbij ATP wordt gevormd door de energie die vrijkomt bij de oxidatie van NADH en FADH2 in de elektronentransportketen, gekoppeld aan protonenpompen. | | Thermogenine | Een ontkoppelingseiwit (UCP) dat voornamelijk voorkomt in bruin vetweefsel en de energie van de protonengradiënt omzet in warmte in plaats van ATP. | | Co-enzym Q (Ubichinon) | Een lipofiele elektronendrager in de elektronentransportketen die mobiel is binnen het membraan en elektronen transporteert tussen complexen I/II en complex III. | | Cytochroom | Een klasse van hemeproteïnen die een centrale rol spelen in de elektronentransportketen door reversibele overdracht van elektronen via hun ijzeratoom. | | NADH | Nicotinamide adenine dinucleotide, een belangrijke co-enzym die reducerende equivalenten (elektronen en protonen) levert aan de elektronentransportketen. | | FADH2 | Gereduceerde vorm van flavine adenine dinucleotide, een andere co-enzym die elektronen levert aan de elektronentransportketen, typisch op een lager energieniveau dan NADH. | | Protonenstroom | De beweging van protonen (H+) door een membraan, meestal via specifieke kanalen zoals ATP-synthase, om een elektrochemische gradiënt te ontladen. | | Ontkoppeling | Een proces waarbij de normale koppeling tussen elektronentransport en ATP-synthese wordt verbroken, waardoor de energie van de protonengradiënt vrijkomt als warmte in plaats van wordt gebruikt voor ATP-productie. | | Gibbs vrije energie (ΔG) | Een thermodynamische grootheid die de maximale hoeveelheid niet-expansieve arbeid aangeeft die een systeem kan leveren bij constante temperatuur en druk; een negatieve waarde duidt op een spontane reactie. |

# Structuur en naamgeving van nucleotiden, nucleosiden en basen Nucleïnezuren bestaan uit nucleotiden, die op hun beurt zijn opgebouwd uit basen, een suiker (ribose of deoxyribose) en een of meer fosfaatgroepen. Dit gedeelte behandelt de structuur en naamgeving van deze componenten [2](#page=2) [3](#page=3). ## 1\. Structuur en naamgeving van nucleotiden, nucleosiden en basen ### 1.1 De bouwstenen van nucleïnezuren #### 1.1.1 Basen Basen vormen de stikstofhoudende componenten van nucleotiden. Ze worden ingedeeld in twee hoofdgroepen op basis van hun chemische structuur: purines en pyrimidines [13](#page=13). * **Purines:** Deze basen bestaan uit een zesring die is gefuseerd met een vijfring (imidazol). De twee belangrijkste purines die in nucleïnezuren voorkomen zijn adenine (A) en guanine (G) [13](#page=13) [14](#page=14). * Adenine (A) [14](#page=14). * Guanine (G) [14](#page=14). * **Pyrimidines:** Deze basen hebben een enkele zesringstructuur. De belangrijkste pyrimidines zijn cytosine (C), uracil (U) en thymine (T). Uracil wordt voornamelijk in RNA aangetroffen, terwijl thymine kenmerkend is voor DNA [13](#page=13) [14](#page=14). * Cytosine (C) [14](#page=14). * Uracil (U) [14](#page=14). * Thymine (T) (enkel in deoxyribose-vorm) [14](#page=14). #### 1.1.2 Suikers De suikercomponent van nucleotiden is óf ribose (in ribonucleotiden, de bouwstenen van RNA) óf deoxyribose (in deoxyribonucleotiden, de bouwstenen van DNA). Het verschil zit in de aanwezigheid van een hydroxylgroep op het 2'-koolstofatoom in ribose, terwijl dit bij deoxyribose een waterstofatoom is [10](#page=10) [8](#page=8). #### 1.1.3 Nucleosiden Een nucleoside is een verbinding die bestaat uit een base die covalent gebonden is aan een suiker (ribose of deoxyribose). De binding vindt plaats tussen het N1-atoom van de pyrimidine of het N9-atoom van de purine en het C1'-atoom van de suiker [4](#page=4). * **Ribonucleosiden:** Bevatten ribose als suiker [9](#page=9). * **Deoxyribonucleosiden:** Bevatten deoxyribose als suiker [9](#page=9). #### 1.1.4 Nucleotiden Een nucleotide is een nucleoside waaraan één of meer fosfaatgroepen zijn gekoppeld. Deze fosfaatgroepen worden gebonden aan het 5'-koolstofatoom van de suiker. Nucleotiden kunnen mon-, di- of trifosfaten zijn, wat aangeeft hoeveel fosfaatgroepen er gebonden zijn [3](#page=3) [5](#page=5). * **Ribonucleotiden:** Bevatten ribose en een of meer fosfaatgroepen. Ze zijn ingebouwd in RNA (ribonucleïnezuur) [10](#page=10) [9](#page=9). * **Deoxyribonucleotiden:** Bevatten deoxyribose en een of meer fosfaatgroepen. Ze zijn ingebouwd in DNA (deoxyribonucleïnezuur) [10](#page=10) [9](#page=9). > **Tip:** Onthoud dat een nucleoside de combinatie is van een suiker en een base, terwijl een nucleotide een nucleoside is met toegevoegde fosfaatgroep(en). ### 1.2 Naamgeving De naamgeving van basen, nucleosiden en nucleotiden volgt specifieke regels, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen ribonucleosiden/-nucleotiden en deoxyribonucleosiden/-nucleotiden [15](#page=15). #### 1.2.1 Naamgeving van basen De namen van de basen zijn specifiek: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), uracil (U) en thymine (T) [14](#page=14). #### 1.2.2 Naamgeving van ribonucleosiden en ribonucleotiden * **Ribonucleosiden:** De naam van een ribonucleoside wordt gevormd door de naam van de base te nemen en deze aan te passen met een uitgang die aangeeft dat het om een ribose-bevattend molecuul gaat. * Adenine (A) wordt Adenosine [15](#page=15). * Guanine (G) wordt Guanosine [15](#page=15). * Cytosine (C) wordt Cytidine [15](#page=15). * Uracil (U) wordt Uridine [15](#page=15). * **Ribonucleotiden (5'-monofosfaat):** De naam van een ribonucleotide (meestal de monofosfaatvorm) wordt afgeleid van de naam van het corresponderende nucleoside. De uitgang "-ine" of "-osine" verandert naar "-ylaat" [15](#page=15). * Adenosine-monofosfaat wordt Adenylaat, ook wel aangeduid als AMP [15](#page=15) [3](#page=3) [5](#page=5). * Guanosine-monofosfaat wordt Guanylaat (GMP) [15](#page=15). * Cytidine-monofosfaat wordt Cytidylaat (CMP) [15](#page=15). * Uridine-monofosfaat wordt Uridylaat (UMP) [15](#page=15). #### 1.2.3 Naamgeving van deoxyribonucleosiden en deoxyribonucleotiden * **Deoxyribonucleosiden:** De naamgeving volgt grotendeels die van ribonucleosiden, maar met de toevoeging "Deoxy-" aan het begin om aan te geven dat het deoxyribose bevat. * Adenine (A) wordt Deoxyadenosine [15](#page=15). * Guanine (G) wordt Deoxyguanosine [15](#page=15). * Cytosine (C) wordt Deoxycytidine [15](#page=15). * Thymine (T) wordt Deoxythymidine. (Let op: uracil komt niet voor als deoxyribonucleoside in DNA) [15](#page=15). * **Deoxyribonucleotiden (5'-monofosfaat):** Net als bij ribonucleotiden, wordt de naam afgeleid met de uitgang "-ylaat", en de toevoeging "Deoxy-". * Deoxyadenosine-monofosfaat wordt Deoxyadenylaat (dAMP) [15](#page=15) [8](#page=8) [9](#page=9). * Deoxyguanosine-monofosfaat wordt Deoxyguanylaat (dGMP) [15](#page=15). * Deoxycytidine-monofosfaat wordt Deoxycytidylaat (dCMP) [15](#page=15). * Deoxythymidine-monofosfaat wordt Deoxythymidylaat (dTMP) [15](#page=15). > **Tip:** De afkortingen voor nucleotiden worden vaak gebruikt, zoals AMP, ADP, ATP voor adenosine mono-, di-, en trifosfaat. Voor deoxyribonucleotiden wordt vaak een "d" voor de afkorting geplaatst, zoals dAMP, dGMP, etc. [15](#page=15) [3](#page=3) [6](#page=6) [7](#page=7). #### 1.2.4 Fosfaatgroepen De fosfaatgroepen worden benoemd op basis van het aantal: mono-, di- en trifosfaat [3](#page=3) [5](#page=5). * Adenosinemonofosfaat (AMP) [2](#page=2) [3](#page=3). * Adenosinedifosfaat (ADP) [6](#page=6). * Adenosinetrifosfaat (ATP) [7](#page=7). Voor deoxyribose-varianten geldt dezelfde naamgeving met de toevoeging "deoxy-", zoals Deoxyadenosinemonofosfaat [8](#page=8) [9](#page=9). * * * # Biosynthese en modificatie van purine- en pyrimidinenucleotiden De synthese van purine- en pyrimidinenucleotiden is een essentieel proces voor het leven, waarbij de bouwstenen voor DNA en RNA worden gevormd. ### 2.1 De novo biosynthese van purinering De \_de novo synthese van de purinering is een complex proces dat uit meerdere stappen bestaat en resulteert in de vorming van inosinemonofosfaat (IMP), de voorloper van zowel adenosine- als guanosinemonofosfaat \[17-24\](#page=17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24). Dit proces vindt plaats in de cel, waarbij de purinering stap voor stap wordt opgebouwd op een bestaand ribose-5-fosfaat molecuul [17](#page=17). #### 2.1.1 Vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) De synthese begint met de vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) uit ribose-5-fosfaat en ATP [17](#page=17). #### 2.1.2 Opbouw van de purinering op PRPP Vervolgens worden verschillende moleculen toegevoegd om de purinering op te bouwen: * **Stap 1 & 2: Vorming van 5-fosforibosylamine** De pyrofosfaatgroep van PRPP wordt vervangen door een aminegroep afkomstig van glutamine, wat leidt tot de vorming van 5-fosforibosylamine [19](#page=19). * **Stap 3: Aanhechten van glycine** Glycine wordt aan 5-fosforibosylamine gekoppeld, met behulp van ATP, om glycinamide-ribonucleotide te vormen [19](#page=19). * **Stap 4: Formylering** Een formylgroep, afkomstig van N10-formyltetrahydrofolaat (een derivaat van foliumzuur), wordt aangehecht aan glycinamide-ribonucleotide om formylglycinamide-ribonucleotide te vormen (#page=20, 21). De formylgroep fungeert als een aldehyde dat reageert met amines [20](#page=20) [21](#page=21). * **Stap 5: Vorming van formylglycinamidine-ribonucleotide** Een tweede formylgroep wordt overgedragen van N10-formyltetrahydrofolaat aan formylglycinamide-ribonucleotide, wat resulteert in de vorming van formylglycinamidine-ribonucleotide [21](#page=21). * **Stap 6: Ringsluiting tot aminoimidazol ribonucleotide** Met behulp van ATP wordt de purinering gesloten, wat leidt tot de vorming van aminoimidazol ribonucleotide (AIR) [21](#page=21). * **Stap 7: Carboxylering** Koolstofdioxide (CO2) en ATP worden gebruikt om een carboxylgroep toe te voegen aan AIR, wat resulteert in carboxyaminoimidazol ribonucleotide [22](#page=22). * **Stap 8: Vorming van amino-imidazol succinylcarboxamide ribonucleotide** Aspartaat levert een succinylgroep die wordt gekoppeld aan carboxyaminoimidazol ribonucleotide, met behulp van ATP, om amino-imidazol succinylcarboxamide ribonucleotide te vormen. Fumaraat wordt hierbij als bijproduct afgesplitst [22](#page=22). * **Stap 9: Verwijdering van fumaraat** Fumaraat wordt verwijderd uit amino-imidazol succinylcarboxamide ribonucleotide, wat leidt tot aminoimidazol-carboxamide ribonucleotide [22](#page=22). * **Stap 10: Tweede ringsluiting** Een tweede ringsluiting vindt plaats, waarbij de reeds gevormde ringen worden verbonden, resulterend in formamidoimidazolcarboxamide ribonucleotide (#page=22, 23) [22](#page=22) [23](#page=23). * **Stap 11: Vorming van IMP** Ten slotte wordt door cyclohydrolase de laatste ring gevormd en water afgesplitst, wat resulteert in inosinemonofosfaat (IMP) (#page=22, 23). IMP is de directe voorloper van AMP en GMP [22](#page=22) [23](#page=23). > **Tip:** De \_de novo purinesynthese is een energie-intensief proces dat veel ATP verbruikt. ### 2.2 Modificatie van IMP tot AMP en GMP Inosine monophosphate (IMP) dient als een centraal intermediair voor de synthese van zowel adenosine monophosphate (AMP) als guanosine monophosphate (GMP) [25](#page=25). #### 2.2.1 Synthese van AMP uit IMP De omzetting van IMP naar AMP vereist een stikstofbron en energie [25](#page=25). * **Stap 1 (AMP synthese): Koppeling met aspartaat** IMP reageert met aspartaat in een reactie die wordt gekatalyseerd door adenylosuccinaat synthetase. Dit proces vereist ATP en produceert adenylosuccinaat [25](#page=25). * **Stap 2 (AMP synthese): Afsplitsing van fumaraat** Adenylosuccinaat wordt vervolgens door adenylosuccinaatlyase gesplitst, waarbij fumaraat wordt verwijderd en AMP wordt gevormd [25](#page=25). > **Voorbeeld:** De omzetting van IMP naar AMP illustreert de flexibiliteit van de purinesynthese, waarbij de basisstructuur verder wordt gemodificeerd. #### 2.2.2 Synthese van GMP uit IMP De omzetting van IMP naar GMP verloopt via xantosinemonofosfaat [25](#page=25). * **Stap 1 (GMP synthese): Oxidatie tot xantosinemonofosfaat** IMP wordt geoxideerd door IMP-dehydrogenase, met behulp van NAD+, om xantosinemonofosfaat te vormen [25](#page=25). * **Stap 2 (GMP synthese): Aminering met glutamine** Xantosinemonofosfaat wordt vervolgens geamineerd met glutamine, met behulp van GTP als energiebron, om GMP te vormen. Dit proces wordt gekatalyseerd door GMP-synthetase [25](#page=25). > **Tip:** De productie van AMP en GMP uit IMP toont de cruciale rol van IMP als een sleutelmolecuul dat kan worden omgezet in beide belangrijke purinenucleotiden. ### 2.3 De novo biosynthese van pyrimidinering De \_de novo synthese van de pyrimidinering is een proces dat begint met de vorming van een pyrimidinering die vervolgens wordt gekoppeld aan ribose-5-fosfaat \[46-50\](#page=46, 47, 48, 49, 50). #### 2.3.1 Vorming van carbamoyl fosfaat De synthese begint met de vorming van carbamoyl fosfaat, wat de snelheidsbepalende en gereguleerde stap is. Carbamoyl fosfaat synthetase II (CPS-II) katalyseert deze reactie en wordt gereguleerd door feedbackremming door UDP en UTP [47](#page=47). #### 2.3.2 Synthese van N-carbamoyl aspartaat Carbamoyl fosfaat reageert met aspartaat, met behulp van ATP, om N-carbamoyl aspartaat te vormen [48](#page=48). #### 2.3.3 Ringsluiting tot dihydroörotate N-carbamoyl aspartaat ondergaat vervolgens ringsluiting met afsplitsing van water, wat leidt tot dihydroörotate [49](#page=49). #### 2.3.4 Oxidatie tot orotaat Dihydroörotate wordt geoxideerd door dihydroörotate dehydrogenase, waarbij FMN als cofactor fungeert, tot orotaat [49](#page=49). #### 2.3.5 Koppeling aan PRPP en decarboxylatie tot UMP Orotaat wordt vervolgens gekoppeld aan fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP), waarna decarboxylatie optreedt om uridinemonofosfaat (UMP) te vormen. UMP is het primaire pyrimidinemonofosfaat en de voorloper van andere pyrimidinenucleotiden zoals CTP en TTP [50](#page=50). > **Voorbeeld:** De synthese van de pyrimidinering laat zien hoe eenvoudige componenten zoals CO2, glutamine en aspartaat worden geassembleerd tot een complexe heterocyclische ring. * * * # Regulatie, salvage pathways en toepassingen van nucleotiden Nucleotiden spelen een cruciale rol in cellulaire processen, van hun synthese en regulatie tot hun hergebruik via salvage pathways en hun therapeutische toepassingen. Dit deel behandelt deze aspecten, inclusief de mechanismen die de nucleotide homeostase handhaven en hoe deze kennis wordt benut in de geneeskunde. ## 3 Regulatie, salvage pathways en toepassingen van nucleotiden Nucleotiden zijn essentieel voor het leven als bouwstenen van DNA en RNA, energiedragers zoals ATP en GTP, geactiveerde intermediairen in biosyntheseprocessen, en als onderdelen van co-enzymen zoals CoA, NADH+, FADH2 en S-adenosylmethionine. Daarnaast fungeren ze als signaalmoleculen, waarbij cAMP bijvoorbeeld kinaseactiviteit reguleert en ATP betrokken is bij eiwitfosforylering. De studie van nucleotide-analogen en nucleotide-synthese is van groot belang voor de behandeling van kanker en virale infecties [11](#page=11). ### 3.1 Regulatie van nucleotide synthese De regulatie van nucleotide synthese is cruciaal om te zorgen voor een adequate aanvoer zonder overmatige accumulatie, wat schadelijk kan zijn. #### 3.1.1 Regulatie van purine nucleoside- en nucleotide-synthese De \_de novo synthese van purinen is een energie-intensief proces. Een belangrijk mechanisme voor het handhaven van de purinevoorraad en het verminderen van de energiebehoefte is het salvage systeem [42](#page=42). * **Salvage pathway voor purines:** Dit systeem maakt gebruik van vrije purinebasen, die ontstaan uit de afbraak van nucleotiden, om nieuwe nucleotiden te synthetiseren. Het belangrijkste substraat voor deze reacties is fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) [42](#page=42) [43](#page=43). * **Enzymen:** * Adenine-fosforibosyl-transferase (APRT) katalyseert de reactie tussen adenine en PRPP tot adenylaat en pyrofosfaat (PPi) [43](#page=43). $ \\text{adenine} + \\text{PRPP} \\xrightarrow{\\text{APRT}} \\text{Adenylaat} + \\text{PPi} $ * Hypoxanthine-guanine-fosforibosyl-transferase (HGPRT) katalyseert de reactie tussen hypoxanthine en PRPP tot inosinaat en PPi, en tussen guanine en PRPP tot guanylaat en PPi [43](#page=43). $ \\text{hypoxanthine} + \\text{PRPP} \\xrightarrow{\\text{HGPRT}} \\text{inosinaat} + \\text{PPi} $$ \\text{guanine} + \\text{PRPP} \\xrightarrow{\\text{HGPRT}} \\text{guanylaat} + \\text{PPi} $ * **Regulatie door PRPP concentratie:** De concentratie van PRPP is een sleutelregulator. * Bij voldoende vrije basen en een actieve salvage pathway, daalt de behoefte aan \_de novo synthese, wat leidt tot een lagere concentratie van PRPP en daardoor een vermindering van de \_de novo purine synthese [45](#page=45). * In situaties met veel vrije purinebasen kan de salvage pathway deze basen efficiënt omzetten, waardoor de noodzaak voor \_de novo synthese afneemt [45](#page=45). * **Ziekte van Lesch-Nyhan:** Een ernstige aangeboren aandoening veroorzaakt door een defect in het HGPRT-gen. Dit leidt tot een verminderde salvage van hypoxanthine en guanine [44](#page=44). * **Gevolgen:** * Accumulatie van PRPP: Omdat PRPP niet efficiënt wordt gebruikt in de salvage pathway, stijgt de concentratie ervan [44](#page=44). * Stimulatie van \_de novo purine synthese: De verhoogde PRPP-concentratie stimuleert de \_de novo synthese van purinen sterk [44](#page=44). * Verhoogde purine afbraak: Dit leidt tot een verhoogde productie van urinezuur, wat jicht-achtige symptomen kan veroorzaken [44](#page=44). * Symptomen: Zelfverminking, spasticiteit, zware mentale achterstand en impulsiviteit [44](#page=44). #### 3.1.2 Regulatie van pyrimidine nucleoside- en nucleotide-synthese Pyrimidine salvage pathways bestaan ook, maar worden minder extensief gebruikt dan bij purines. Dit komt doordat de synthese van pyrimidines minder energie vereist. Bovendien leveren de afbraakproducten van pyrimidines nuttige intermediairen op, wat de noodzaak voor een uitgebreide salvage route vermindert in vergelijking met purines, waar de afbraak leidt tot urinezuur [51](#page=51). #### 3.1.3 Kinase-gemedieerde fosforylering van nucleotiden Nucleosidemonofosfaten (NMP's) kunnen worden omgezet in nucleosidedifosfaten (NDP's) en vervolgens in nucleosidetrifosfaten (NTP's) door specifieke kinases [52](#page=52). * **Nucleosidemonofosfaat kinases:** Omzetten NMP's naar NDP's [52](#page=52). * **Adenylaatkinase:** Katalyseert de reversibele reactie tussen AMP en ATP om 2 ADP te vormen [52](#page=52). $ \\text{AMP} + \\text{ATP} \\xrightarrow{\\text{adenylaatkinase}} 2\\text{ADP} $ * **Nucleosidedifosfaat kinase:** Zet NDP's om in NTP's, waarbij de fosfaatgroep meestal afkomstig is van ATP [52](#page=52). $ \\text{XDP} + \\text{YTP} \\rightleftharpoons \\text{XTP} + \\text{YDP} $ * Voorbeeld: $ \\text{GDP} + \\text{ATP} \\rightleftharpoons \\text{GTP} + \\text{ADP} $ [52](#page=52). #### 3.1.4 Synthese van deoxyribonucleotiden Deoxyribonucleotiden, essentieel voor DNA-synthese, worden gevormd uit ribonucleosidedifosfaten (NDP's) door het enzym ribonucleotide reductase [54](#page=54). $ \\text{NDP} \\xrightarrow{\\text{Ribonucleotide reductasen, NADPH}} \\text{dNDP} $ * **Synthese van deoxythymidylaat (dTMP):** Dit is een cruciale stap in de DNA-synthese en kan worden geïnhibeerd. De synthese gaat van dUMP naar dTMP [55](#page=55) [56](#page=56). ### 3.2 Het Salvage-systeem Het salvage-systeem voor nucleotiden, zowel purines als pyrimidines, is een efficiënte manier om nucleotiden te recyclen en de cellulaire energiehuishouding te ondersteunen. #### 3.2.1 Salvage van purines Zoals eerder besproken, maakt het purine salvage systeem gebruik van vrije purinebasen en PRPP om nucleotiden te regenereren, wat de energiebehoefte van \_de novo synthese vermindert (#page=42, 43). Het HGPRT-enzym speelt hierin een centrale rol [42](#page=42) [43](#page=43). #### 3.2.2 Salvage van pyrimidines Hoewel pyrimidine salvage pathways bestaan, zijn ze minder prominent dan die voor purines. Dit komt door de lagere energiekosten voor pyrimidinesynthese en het feit dat pyrimidine-afbraakproducten nuttig zijn voor andere metabole routes [51](#page=51). ### 3.3 Therapeutische toepassingen van nucleotide analogen Nucleotide analogen zijn van groot belang in de behandeling van kanker en virale infecties, omdat ze de nucleïnezuur synthese of functie kunnen verstoren. #### 3.3.1 Anti-tumor drugs Vele anti-tumor drugs werken door de nucleotiden synthese te inhiberen [57](#page=57). * **Inhibitoren van thymidylaat synthese:** * **Directe inhibitie:** * **5-fluorouracil (5-FU):** Dit is een prodrug die wordt omgezet in 5-fluoro-UMP, 5-fluoro-dUDP, 5-fluoro-dUTP en uiteindelijk 5-fluoro-dUMP (#page=58, 59). 5-fluoro-dUMP is een krachtige, covalente inhibitor van thymidylaat synthase, een enzym dat essentieel is voor de synthese van thymidylaat. Deze "zelfmoord"-inhibitie blokkeert het katalytische intermediair. Het kan ook negatieve effecten hebben op RNA functie en stabiliteit, en leiden tot DNA instabiliteit [58](#page=58) [59](#page=59) [60](#page=60). $ \\text{dUMP} + \\text{N}^5, \\text{N}^10\\text{-methyleen-tetrahydrofolaat} \\xrightarrow{\\text{thymidylaat synthase}} \\text{dTMP} + \\text{dihydrofolaat} $ 5-FU interfereert met deze reactie door de vorming van een stabiel complex met het enzym en het tetrahydrofolaat derivaat (#page=59, 60) [59](#page=59) [60](#page=60). * **Indirecte inhibitie:** Dit gebeurt door inhibitie van enzymen die nodig zijn voor de aanmaak van de cofactor N5,N10-methyleentetrahydrofolaat. * **Inhibitoren van dihydrofolaat reductase (DHFR):** Enzymen zoals methotrexaat en aminopterine zijn analogen van dihydrofolaat en remmen DHFR (#page=61, 62). DHFR is nodig om dihydrofolaat te reduceren tot tetrahydrofolaat, wat essentieel is voor de methylgroepoverdracht naar dUMP. Door DHFR te remmen, wordt de beschikbaarheid van N5,N10-methyleentetrahydrofolaat verlaagd, wat de synthese van dTMP indirect remt [61](#page=61) [62](#page=62). * **Inhibitoren van DNA polymerisatie via nucleotide analogen:** * **Azidothymidine (AZT) / Zidovudine:** Oorspronkelijk ontwikkeld als antikankermiddel, maar later succesvol als HIV-remmer. AZT is een thymidine-analoog. Na incorporatie in het virale DNA kan ketenverlenging niet meer plaatsvinden omdat de 3'-OH groep ontbreekt [63](#page=63). #### 3.3.2 Antivirale middelen Verschillende nucleotide analogen worden ingezet als antivirale middelen, waaronder AZT en aciclovir. Er bestaat een uitgebreide lijst van dergelijke analogen [63](#page=63) [64](#page=64) [65](#page=65). ### 3.4 Rol van nucleotiden in cellulaire signalering Nucleotiden, met name cyclisch AMP (cAMP) en cyclisch GMP (cGMP), spelen een cruciale rol als secundaire boodschappers in signaaltransductiepaden (#page=11, 78) [11](#page=11) [78](#page=78). * **cAMP:** Wordt gesynthetiseerd uit ATP door adenylaat cyclase. cAMP activeert Proteïne Kinase A (PKA), wat een cascade van fosforyleringsreacties initieert die verschillende cellulaire processen reguleren (#page=82, 83). Glucagon kan bijvoorbeeld de plasmamembraanreceptor activeren, wat leidt tot de synthese van cAMP [82](#page=82) [83](#page=83). * **cGMP:** Wordt gesynthetiseerd uit GTP door guanylaat cyclase. NO (stikstofmonoxide) kan de productie van cGMP stimuleren, wat leidt tot relaxatie van gladde spiercellen en vaatverwijding (#page=79, 80) [79](#page=79) [80](#page=80). * **Toepassingen:** Fosfodiësterase inhibitoren die cGMP afbraak remmen, worden gebruikt bij de behandeling van erectiestoornissen (bijv. Sildenafil, Tadalafil). Deze medicijnen verhogen de cGMP-concentratie, wat resulteert in verbeterde vaatverwijding [81](#page=81). ### 3.5 Afbraak van nucleotiden #### 3.5.1 Afbraak van purine nucleotiden De afbraak van purine nucleotiden eindigt met de vorming van urinezuur, dat door de nieren wordt uitgescheiden [66](#page=66). * **Stappen:** Purine nucleotiden worden gedemineraliseerd tot de vrije basen, die verder worden gemetaboliseerd via intermediairen zoals inosine, adenosine, guanosine, hypoxanthine en xanthine. Xanthine oxidase katalyseert de omzetting van hypoxanthine en xanthine naar urinezuur (#page=66, 67) [66](#page=66) [67](#page=67). * **Urinezuuraccumulatie (Jicht):** Overmatige productie of verminderde uitscheiding van urinezuur kan leiden tot jicht, een inflammatoire gewrichtsaandoening [67](#page=67). * **Werking van allopurinol:** Allopurinol is een inhibitor van xanthine dehydrogenase (ook bekend als xanthine oxidase) (#page=67, 68). Het wordt door xanthine dehydrogenase omgezet in alloxanthine, dat zich stevig bindt aan het enzym, waardoor de afbraak van hypoxanthine en xanthine tot urinezuur wordt geremd [67](#page=67) [68](#page=68). * **Effect op PRPP en de novo synthese:** De verminderde afbraak van hypoxanthine en xanthine leidt tot hun accumulatie. Deze worden via de salvage pathway gekoppeld aan PRPP, waardoor de PRPP-concentratie daalt. Dit resulteert op zijn beurt in een vermindering van de \_de novo purine synthese (#page=68, 69). Dit mechanisme helpt bij het verlichten van jicht (#page=68, 69) [68](#page=68) [69](#page=69). #### 3.5.2 Afbraak van pyrimidine nucleotiden De afbraak van pyrimidine nucleotiden begint met nucleotidases [71](#page=71). * **Stappen:** De pyrimidine ring wordt geopend na reductie van dubbele bindingen door hydrolyse. Het lineaire product wordt afgebroken tot intermediairen zoals malonyl-CoA of succinyl-CoA, die kunnen worden ingevoerd in andere metabole routes. Uracil kan worden afgebroken tot ribose-1-fosfaat en een pyrimidine-afbraakproduct na aminering [71](#page=71) [72](#page=72) [73](#page=73). ### 3.6 Nucleotiden als componenten van co-enzymen Nucleotiden vormen een essentieel onderdeel van belangrijke co-enzymen die betrokken zijn bij diverse metabole reacties [11](#page=11). * **NAD+ en NADP+:** Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) en zijn gefosforyleerde vorm NADP+ bevatten een adenosine-monofosfaat (AMP) eenheid. Ze zijn cruciaal voor redoxreacties. * **FAD:** Flavine adenine dinucleotide (FAD) bevat ook een AMP-eenheid en is een belangrijke cofactor in redoxreacties. * **Co-enzym A (CoA):** Bevat een AMP-gedeelte en is essentieel voor vetzuurmetabolisme en acetylgroepoverdrachten. ### 3.7 Overige toepassingen en functies * **GTP bij signaaltransductie:** GTP-hydrolyse is belangrijk bij signaaltransductieprocessen [11](#page=11). * **Cyclisch AMP (cAMP) en Cyclisch GMP (cGMP):** Deze cyclische nucleotiden fungeren als secundaire boodschappers in signaaltransductiewegen. cAMP activeert proteïne kinase A (#page=82, 83), terwijl cGMP betrokken is bij vaatverwijding en andere fysiologische processen (#page=79, 80, 81) [78](#page=78) [79](#page=79) [80](#page=80) [81](#page=81) [82](#page=82) [83](#page=83). > **Tip:** Onthoud de sleutelenzymen (APRT, HGPRT, ribonucleotide reductase, thymidylaat synthase, DHFR, xanthine oxidase) en de belangrijkste nucleotide-analogen (5-FU, AZT, aciclovir, allopurinol) en hun specifieke toepassingen en werkingsmechanismen. Begrijp de connectie tussen PRPP-niveaus en zowel \_de novo als salvage-synthese. * * * ## Veelgemaakte fouten om te vermijden * Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens * Let op formules en belangrijke definities * Oefen met de voorbeelden in elke sectie * Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Nucleotiden | Nucleotiden zijn de monomere eenheden waaruit nucleïnezuren zoals DNA en RNA zijn opgebouwd. Elke nucleotide bestaat uit drie componenten: een stikstofbase (adenine, guanine, cytosine, thymine of uracil), een pentosesuiker (deoxyribose in DNA, ribose in RNA) en één of meer fosfaatgroepen. | | Nucleosiden | Een nucleoside is een verbinding die bestaat uit een stikstofbase die covalent gebonden is aan een suiker (ribose of deoxyribose). Het is een bouwsteen voor nucleotiden, waarbij de fosfaatgroep nog ontbreekt. | | Stikstofbasen | Stikstofbasen zijn organische verbindingen die stikstofatomen bevatten en een belangrijke rol spelen in de structuur van nucleïnezuren. Ze worden onderverdeeld in purines (adenine, guanine) en pyrimidines (cytosine, thymine, uracil). | | Purines | Purines zijn een klasse van stikstofbasen bestaande uit twee met elkaar versmolten ringen (een zesring en een vijfring). De belangrijkste purines in nucleïnezuren zijn adenine (A) en guanine (G). | | Pyrimidines | Pyrimidines zijn een klasse van stikstofbasen bestaande uit een enkele zesring. De belangrijkste pyrimidines in nucleïnezuren zijn cytosine (C), thymine (T) (in DNA) en uracil (U) (in RNA). | | Deoxyribose | Deoxyribose is een vijf-koolstofsuiker die een essentieel onderdeel vormt van desoxyribonucleïnezuur (DNA). Het verschilt van ribose doordat het een zuurstofatoom mist op de 2'-koolstofpositie. | | Ribose | Ribose is een vijf-koolstofsuiker die een essentieel onderdeel vormt van ribonucleïnezuur (RNA). Het heeft een hydroxylgroep (-OH) op de 2'-koolstofpositie, in tegenstelling tot deoxyribose. | | Fosfaatgroep | Een fosfaatgroep is een chemische groep met de formule $PO_4^{3-}$. In nucleotiden is deze groep via een fosfodiësterbinding aan de 5'-koolstof van de suiker gebonden en vormt deze de ruggengraat van DNA en RNA. | | De novo synthese | De *de novo* synthese is het biologische proces waarbij complexe moleculen, zoals purine- en pyrimidinenucleotiden, *vanaf nul* worden opgebouwd uit eenvoudiger voorlopers in het lichaam. | | Salvage pathway | Een salvage pathway is een biochemische route die recyclage van moleculen mogelijk maakt. In de context van nucleotiden verwijst dit naar het hergebruiken van reeds bestaande basen of nucleosiden om nieuwe nucleotiden te vormen, wat energie bespaart ten opzichte van de *de novo* synthese. | | IMP | IMP staat voor inosinemonofosfaat. Dit is een cruciaal intermediair in de biosynthese van zowel adenine (AMP) als guanine (GMP), en fungeert als een voorloper voor de aanmaak van andere purinenucleotiden. | | PRPP | PRPP staat voor fosforibosyl-1-pyrofosfaat. Dit molecuul is een belangrijke cosubstraat in zowel de *de novo* synthese als de salvage pathways van purine- en pyrimidinenucleotiden, omdat het de ribosylfosfaatgroep levert. | | Adenine-fosforibosyl-transferase (APRT) | Adenine-fosforibosyl-transferase (APRT) is een enzym dat een sleutelrol speelt in de salvage pathway van purines. Het katalyseert de reactie tussen adenine en PRPP om adenylaat (AMP) en pyrofosfaat te vormen. | | Hypoxanthine-guanine-fosforibosyl-transferase (HGPRT) | Hypoxanthine-guanine-fosforibosyl-transferase (HGPRT) is een enzym dat essentieel is voor de salvage pathway van purines. Het katalyseert de omzetting van hypoxanthine en guanine naar inosinaat (IMP) en guanylaat (GMP) respectievelijk, door deze te koppelen aan PRPP. Een deficiëntie van dit enzym leidt tot de ziekte van Lesch-Nyhan. | | Urinezuur | Urinezuur is een eindproduct van het metabolisme van purines. Het wordt gevormd door de afbraak van hypoxanthine en xanthine. Verhoogde concentraties urinezuur in het bloed kunnen leiden tot jicht. | | Jicht | Jicht is een metabole aandoening die wordt gekenmerkt door een teveel aan urinezuur in het bloed (hyperuricemie) en de neerslag van urinezuurkristallen in gewrichten, wat leidt tot ontstekingen en pijn. | | Allopurinol | Allopurinol is een medicijn dat wordt gebruikt voor de behandeling van jicht en hyperuricemie. Het is een structuur-analoog van hypoxanthine en werkt als een inhibitor van xanthine oxidase, het enzym dat hypoxanthine en xanthine omzet in urinezuur. | | cAMP | cAMP staat voor cyclisch adenosinemonofosfaat. Dit is een cyclische nucleotidemessenger die een cruciale rol speelt in cellulaire signaaltransductie, met name in reactie op hormonen zoals glucagon en adrenaline. | | cGMP | cGMP staat voor cyclisch guanosinemonofosfaat. Dit is een cyclische nucleotidemessenger die betrokken is bij diverse cellulaire processen, waaronder de relaxatie van glad spierweefsel door stikstofmonoxide (NO) en de werking van fosfodiësterase-inhibitoren. | | Adenylaatcyclase | Adenylaatcyclase is een enzym dat de synthese van cyclisch AMP (cAMP) uit ATP katalyseert. Het is een sleutelcomponent in veel signaaltransductieroutes. | | Guanylaatcyclase | Guanylaatcyclase is een enzym dat de synthese van cyclisch GMP (cGMP) uit GTP katalyseert. Het wordt geactiveerd door stikstofmonoxide (NO) en speelt een rol bij de relaxatie van gladde spieren. | | Fosfodiësterase | Fosfodiësterase is een enzymfamilie die cyclische nucleotiden zoals cAMP en cGMP afbreekt door fosfodiësterbindingen te hydrolyseren. Inhibitoren van fosfodiësterase worden gebruikt als medicijnen, bijvoorbeeld voor erectiestoornissen. | | Thymidylaat synthase | Thymidylaat synthase is een enzym dat essentieel is voor de synthese van thymidylaat (dTMP), een van de vier basen in DNA. Het katalyseert de methylering van deoxyuridinemonofosfaat (dUMP) met behulp van N5,N10-methyleentetrahydrofolaat. Medicijnen zoals 5-fluorouracil inhiberen dit enzym. |

# Bouwstenen van nucleïnezuren: nucleotiden, nucleosiden en basen Nucleïnezuren hebben nucleotiden als fundamentele bouwstenen, die op hun beurt bestaan uit basen, suikers en fosfaatgroepen. Dit gedeelte beschrijft de structuur, nomenclatuur en het belang van deze componenten. ## 1. Bouwstenen van nucleïnezuren: nucleotiden, nucleosiden en basen Nucleotiden zijn de monomere eenheden waaruit nucleïnezuren (DNA en RNA) zijn opgebouwd. Een nucleotide bestaat uit drie componenten: * **Een stikstofhoudende base:** Dit kan een purine of een pyrimidine zijn. * **Een suiker:** In DNA is dit deoxyribose, en in RNA is dit ribose. * **Eén of meer fosfaatgroepen.** ### 1.1 Nucleosiden en nucleotiden * Een **nucleoside** is de combinatie van een stikstofhoudende base en een suiker. * Een **nucleotide** is een nucleoside waaraan één of meer fosfaatgroepen zijn gekoppeld. Afhankelijk van het aantal fosfaatgroepen spreekt men van mono-, di-, of trifosfaten (bijvoorbeeld AMP, ADP, ATP). > **Tip:** De term "nucleotidaat" is een synoniem voor een nucleotide met één fosfaatgroep, zoals adenosinemonofosfaat (AMP), ook wel "adenylaat" genoemd. ### 1.2 De stikstofhoudende basen Er zijn twee hoofdklassen van stikstofhoudende basen: purines en pyrimidines. * **Purines:** Deze basen bestaan uit een zesring en een vijfring (imidazolring). De belangrijkste purines in nucleïnezuren zijn: * Adenine (A) * Guanine (G) * **Pyrimidines:** Deze basen bestaan uit een enkele zesring. De belangrijkste pyrimidines zijn: * Cytosine (C) * Uracil (U) - Komt voor in RNA. * Thymine (T) - Komt voor in DNA. ### 1.3 Nomenclatuur van basen, nucleosiden en nucleotiden De naamgeving van nucleosiden en nucleotiden is afhankelijk van de base en de suiker. * **Bij ribose (RNA):** * De basen adenine, guanine, cytosine en uracil vormen ribo-nucleosiden. * Adenosine, Guanosine, Cytidine, Uridine. * Wanneer een fosfaatgroep wordt toegevoegd, worden de namen: Adenosinemonofosfaat (AMP), Guanosinemonofosfaat (GMP), Cytidinemonofosfaat (CMP), Uridinemonofosfaat (UMP). * De di- en trifosfaatvormen zijn ADP, ATP; GDP, GTP; CDP, CTP; UDP, UTP. * **Bij deoxyribose (DNA):** * De basen adenine, guanine, cytosine en thymine vormen deoxyribo-nucleosiden. * Deoxyadenosine, Deoxyguanosine, Deoxycytidine, Deoxythymidine. * Wanneer een fosfaatgroep wordt toegevoegd, worden de namen: Deoxyadenosinemonofosfaat (dAMP), Deoxyguanosinemonofosfaat (dGMP), Deoxycytidinemonofosfaat (dCMP), Deoxythymidinemonofosfaat (dTMP). * De di- en trifosfaatvormen zijn dADP, dATP; dGDP, dGTP; dCDP, dCTP; dTDP, dTTP. > **Tip:** De suffixen "-osine" of "-idine" worden gebruikt voor ribo-nucleosiden, terwijl "deoxy-" voorafgaat aan de naam voor deoxyribo-nucleosiden. ### 1.4 Functies van nucleotiden Nucleotiden hebben diverse essentiële functies in biologische systemen: * **Precursoren voor DNA en RNA:** Zij zijn de bouwstenen voor de synthese van genetisch materiaal. * **Energieleveranciers:** ATP is de universele energiedrager in cellen. GTP speelt een rol bij eiwitsynthese en signaaltransductie. * **Geactiveerde intermediairen:** Ze fungeren als geactiveerde intermediairen in biosynthetische processen. * **Onderdeel van co-enzymen:** Coenzym A (CoA), NADH, FADH₂ en S-adenosylmethionine bevatten nucleotiden. * **Regulatie van processen:** Cyclisch AMP (cAMP) is een belangrijke signaalmolecule die enzymactiviteit reguleert. ATP wordt gebruikt voor eiwit-fosforylering. * **Therapeutische toepassingen:** Nucleotide-analogen worden gebruikt in de behandeling van kanker en virale infecties. ### 1.5 Biosynthese van purines en pyrimidines De synthese van purines en pyrimidines is een complex proces dat energie vereist en strikt gereguleerd wordt. * **Purine biosynthese:** Begint met de vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) en bouwt vervolgens de purinering stapsgewijs op. Inosine monofosfaat (IMP) is een centraal intermediair dat verder kan worden omgezet in adenosine monofosfaat (AMP) of guanosine monofosfaat (GMP). * **Pyrimidine biosynthese:** Begint met de vorming van carbamoyl fosfaat en aspartaat, die samen N-carbamoyl aspartaat vormen. Dit leidt tot de vorming van orotaat, dat vervolgens aan PRPP wordt gekoppeld om uridine monofosfaat (UMP) te vormen. UMP kan dan worden omgezet in andere pyrimidine nucleotiden zoals CTP. > **Tip:** Het "salvage pathway" systeem recycleert vrije purinebasen, wat energie bespaart. Deficiënties in dit systeem, zoals bij de ziekte van Lesch-Nyhan (HGPRT-deficiëntie), leiden tot accumulatie van PRPP en verhoogde purinesynthese. ### 1.6 Synthese van deoxyribonucleotiden en modificaties * Deoxyribonucleotiden worden gesynthetiseerd vanuit de corresponderende ribonucleoside difosfaten door het enzym ribonucleotide reductase. Deze reactie is essentieel voor DNA-synthese. * Thymidylaat (dTMP) wordt specifiek gesynthetiseerd vanuit dUMP met behulp van thymidylaat synthase en een methylgroep afkomstig van tetrahydrofolaat. ### 1.7 Regulatie van nucleotide synthese De synthese van nucleotiden is nauwkeurig gereguleerd om de cel in balans te houden. * **Feedback-inhibitie:** Eindproducten van de syntheseroutes remmen vaak enzymen in vroegere stappen van de route. * **Salvage pathway:** Een efficiënte manier om energie te besparen door reeds bestaande basen te hergebruiken. > **Tip:** Veel anti-kanker medicijnen werken door de nucleotide synthese te inhiberen, waardoor de replicatie van snel delende kankercellen wordt gestopt. Voorbeelden zijn 5-fluorouracil (dat thymidylaat synthase remt) en methotrexaat (dat dihydrofolaat reductase remt, wat indirect thymidylaat synthese beïnvloedt). ### 1.8 Afbraak van nucleotiden * **Purine nucleotiden:** Worden afgebroken tot urinezuur, dat voornamelijk via de nieren wordt uitgescheiden. Bij een teveel aan urinezuur kan jicht ontstaan. Allopurinol is een medicijn dat de afbraak van purines remt en zo jicht behandelt. * **Pyrimidine nucleotiden:** Worden afgebroken tot intermediairen die kunnen worden opgenomen in metabole routes zoals de citroenzuurcyclus, zoals malonyl-CoA of succinyl-CoA. ### 1.9 Nucleotiden als signaalmoleculen en in co-enzymen * **Cyclische nucleotiden:** cAMP en cGMP fungeren als belangrijke secundaire boodschappers in intracellulaire signaaltransductie. * **Co-enzymen:** Veel essentiële co-enzymen, zoals NAD⁺, FAD en co-enzym A, bevatten een adenosinemonofosfaat (AMP) deel en spelen cruciale rollen in redoxreacties en biosynthese. --- # Biosynthese van purine- en pyrimidine nucleotiden Deze sectie behandelt de biochemische routes voor de synthese van purine- en pyrimidine nucleotiden, essentieel voor het leven. ### 2.1 Nucleotiden: bouwstenen en functies Nucleotiden zijn de fundamentele bouwstenen van nucleïnezuren zoals DNA en RNA. Een nucleotide bestaat uit drie componenten: * Een stikstofbase (purine of pyrimidine) * Een pentosesuiker (ribose of deoxyribose) * Eén of meer fosfaatgroepen Afhankelijk van het aantal fosfaatgroepen onderscheiden we: * **Nucleoside monofosfaten** (NMP), bijvoorbeeld Adenosinemonofosfaat (AMP) of Adenylaat. * **Nucleoside difosfaten** (NDP), bijvoorbeeld Adenosinedifosfaat (ADP). * **Nucleoside trifosfaten** (NTP), bijvoorbeeld Adenosinetrifosfaat (ATP). #### 2.1.1 Functies van nucleotiden Nucleotiden hebben diverse cruciale functies in de cel: * **Bouwstenen van nucleïnezuren**: Essentieel voor DNA-replicatie en RNA-translatie. * **Energiedragers**: ATP is de universele energiedrager. GTP is belangrijk voor translocatie bij eiwitsynthese en signaaltransductie. * **Geactiveerde intermediairen**: Voor biosynthetische processen. * **Onderdeel van co-enzymen**: Zoals Coenzym A, NADH, FADH₂, en S-adenosylmethionine. * **Regulatie van processen**: Zoals cyclisch AMP (cAMP) als activator van kinases. * **Therapeutisch belang**: Nucleotideanalogen worden gebruikt bij de behandeling van kanker en virale infecties. #### 2.1.2 Nomenclatuur * **Nucleoside**: Suiker + base * **Nucleotide**: Nucleoside + fosfaatgroep(en) De basen worden ingedeeld in purines (Adenine, Guanine) en pyrimidines (Cytosine, Uracil, Thymine). ### 2.2 Biosynthese van purine nucleotiden De synthese van de purinering vindt plaats op de ribosesuiker. Dit is een *de novo* synthese, wat betekent dat de ring stap voor stap wordt opgebouwd. #### 2.2.1 Vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) De eerste stap is de vorming van PRPP uit ribose-5-fosfaat. Dit intermediair van de pentosefosfaatroute wordt geactiveerd door de toevoeging van twee fosfaatgroepen. PRPP is een belangrijke acceptor voor de stikstofbase in zowel purine- als pyrimidinesalvage pathways. #### 2.2.2 De novo synthese van de purinering De purinering wordt opgebouwd vanaf de ribose, waarbij de volgende intermediairen worden gevormd: 1. **Vorming van 5-fosforibosylamine**: De pyrofosfaatgroep van PRPP wordt vervangen door een aminegroep afkomstig van glutamine. 2. **Aanhechting van glycine**: Glycine wordt covalent gebonden aan het 5-fosforibosylamine. 3. **Vorming van N¹⁰-formyltetrahydrofolaat**: Een formylgroep (CHO) wordt overgedragen van N¹⁰-formyltetrahydrofolaat (afkomstig van foliumzuur) om de ring te vormen. 4. **Ringsluiting en verdere modificaties**: Door middel van verschillende stappen, inclusief de toevoeging van een carboxylgroep (afkomstig van bicarbonaat) en een stikstofatoom (afkomstig van aspartaat), wordt uiteindelijk Inosinemonofosfaat (IMP) gevormd. IMP bevat de hypoxanthine base. #### 2.2.3 Omzetting van IMP naar AMP en GMP IMP is een centraal intermediair. Van hieruit kan zowel AMP (Adenosinemonofosfaat) als GMP (Guanosinemonofosfaat) worden gesynthetiseerd: * **IMP naar AMP**: Aspartaat levert de aminogroep die aan het IMP-skelet wordt gebonden, waarbij fumaraat wordt afgesplitst. Dit proces vereist ATP. * **IMP naar GMP**: Eerst wordt IMP geoxideerd tot xantosinemonofosfaat (XMP). Vervolgens wordt een aminogroep, afkomstig van glutamine, ingebouwd waarbij ATP wordt gebruikt. #### 2.2.4 Energieverbruik in purinesynthese De *de novo* synthese van purines is een energie-intensief proces, voornamelijk door het gebruik van ATP in meerdere stappen. ### 2.3 Salvage pathway voor purines Om het energieverbruik te verminderen, bestaat er een salvage pathway. Hierbij worden vrije purinebasen, die vrijkomen bij de afbraak van nucleotiden, direct gekoppeld aan PRPP om nucleotiden te vormen. Enzymen zoals adenine-fosforibosyltransferase (APRT) en hypoxanthine-guanine-fosforibosyltransferase (HGPRT) zijn hierbij cruciaal. #### 2.3.1 Lesch-Nyhan syndroom Een defect in het HGPRT-gen leidt tot het Lesch-Nyhan syndroom. Dit resulteert in een verminderde salvage pathway, accumulatie van PRPP, overmatige *de novo* purine synthese, verhoogde afbraak van purines, en uiteindelijk jicht-achtige symptomen door de accumulatie van urinezuur. ### 2.4 Biosynthese van pyrimidine nucleotiden De pyrimidinesynthese begint met de vorming van de pyrimidering, die vervolgens aan PRPP wordt gekoppeld. #### 2.4.1 Vorming van carbamoyl fosfaat De eerste stap is de synthese van carbamoyl fosfaat uit bicarbonaat, glutamine en ATP. Dit wordt gekatalyseerd door carbamoyl fosfaat synthetase II (CPS II), een snelheidsbepalende stap die gereguleerd wordt door feedback inhibitie door UDP en UTP. #### 2.4.2 Synthese van N-carbamoyl aspartaat Carbamoyl fosfaat reageert met aspartaat om N-carbamoyl aspartaat te vormen. #### 2.4.3 Vorming van orotaat N-carbamoyl aspartaat ondergaat vervolgens ringsluiting en oxidatie, waarbij uiteindelijk orotaat wordt gevormd. Dit proces verloopt via dihydroorotaat. #### 2.4.4 Koppeling aan PRPP en decarboxylatie tot UMP Orotaat wordt gekoppeld aan PRPP, gevolgd door decarboxylatie, om Uridinemonofosfaat (UMP) te vormen. #### 2.4.5 Salvage pathway voor pyrimidines Een pyrimidine salvage pathway bestaat ook, maar deze is minder extensief gebruikt dan bij purines, omdat de synthese van pyrimidines minder energie kost en de afbraak nuttige intermediairen oplevert. ### 2.5 Synthese van nucleosidedifosfaten en trifosfaten Nucleosidemonofosfaten (NMP) worden sequentieel gefosforyleerd tot nucleosidedifosfaten (NDP) en vervolgens tot nucleosidetrifosfaten (NTP). Deze reacties worden gekatalyseerd door nucleoside monofosfaat kinases en nucleosidedifosfaat kinases. * **AMP $\ce{->}$ ADP $\ce{->}$ ATP** * **GMP $\ce{->}$ GDP $\ce{->}$ GTP** * **UMP $\ce{->}$ UDP $\ce{->}$ UTP** * **CMP $\ce{->}$ CDP $\ce{->}$ CTP** Cytidinetrifosfaat (CTP) wordt gesynthetiseerd door de aminering van UTP. ### 2.6 Synthese van deoxyribonucleotiden Deoxyribonucleotiden worden gevormd door de reductie van ribonucleosidedifosfaten (NDP) tot deoxyribonucleosidedifosfaten (dNDP). Dit proces wordt gekatalyseerd door ribonucleotide reductasen en vereist NADPH. * **NDP $\ce{->}$ dNDP** De synthese van deoxythymidylaat (dTMP) uit deoxyuridylaat (dUMP) is een belangrijke stap, waarbij een methylgroep wordt toegevoegd. ### 2.7 Regulatie van nucleotiden synthese De synthese van purine- en pyrimidinenucleotiden wordt nauwkeurig gereguleerd. Dit gebeurt o.a. via feedbackremming, waarbij de eindproducten de enzymen in de syntheseroute remmen. ### 2.8 Afbraak van purine- en pyrimidine nucleotiden * **Purine nucleotiden**: De afbraak leidt uiteindelijk tot urinezuur, dat wordt uitgescheiden door de nieren. * Monofosfaten worden gedePyrimidine nucleotiden worden afgebroken tot intermediairen die kunnen worden opgenomen in de citroenzuurcyclus, zoals succinyl-CoA of malonyl-CoA. Dit proces levert geen urinezuur op en kost minder energie dan de *de novo* synthese. ### 2.9 Nucleotide-analogen en hun therapeutische toepassingen Vele anti-tumor en antivirale medicijnen zijn nucleotide-analogen die de synthese of functie van nucleotiden verstoren. * **Remming van thymidylaat synthase**: Medicijnen zoals 5-fluorouracil remmen direct de synthese van dTMP, essentieel voor DNA-synthese. * **Remming van dihydrofolaat reductase**: Medicijnen zoals methotrexaat interfereren met de aanmaak van tetrahydrofolaat, een essentiële cofactor voor thymidylaat synthese. * **AZT (Azidothymidine)**: Een reverse transcriptase remmer gebruikt bij HIV-behandeling. AZT wordt ingebouwd in viraal DNA, maar door het ontbreken van een 3'-OH groep kan de ketenverlenging niet plaatsvinden. * **Aciclovir**: Een guanosine-analoog dat selectief het virale DNA-polymerase remt bij herpes simplex virussen. ### 2.10 Co-enzymen met een nucleotide-component Verschillende belangrijke co-enzymen bevatten een nucleotide-eenheid: * **NAD⁺ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide)** en **NADP⁺**: Essentieel voor redoxreacties. * **FAD (Flavine Adenine Dinucleotide)**: Betrokken bij redoxreacties. * **Coenzym A (CoA)**: Belangrijk bij vetzuurmetabolisme en de citroenzuurcyclus. ### 2.11 Signaaltransductie met cyclische nucleotiden Cyclisch AMP (cAMP) en cyclisch GMP (cGMP) zijn belangrijke secundaire boodschappers in intracellulaire signaaltransductiecascades. Ze activeren kinases en beïnvloeden uiteenlopende cellulaire processen. * **cAMP**: Wordt gesynthetiseerd door adenylaat cyclase en afgebroken door fosfodi-esterase. Speelt een rol bij signalering van o.a. glucagon. * **cGMP**: Wordt gesynthetiseerd door guanylaat cyclase en speelt o.a. een rol bij vaatverwijding (NO-signalering). Medicijnen zoals sildenafil remmen de afbraak van cGMP en worden gebruikt bij erectiestoornissen. --- # Modificatie en omzetting van nucleotiden en hun rol in medicatie Nucleotiden ondergaan diverse modificaties en omzettingen, zoals de transformatie van inosinemonofosfaat (IMP) naar adenosinemonofosfaat (AMP) en guanosinemonofosfaat (GMP), die essentieel zijn voor zowel cellulaire processen als medische toepassingen, met name in kanker- en antivirale therapieën. ### 3.1 Biosynthese van purinenucleotiden De biosynthese van de purinering omvat een reeks stappen die leiden tot de vorming van inosinemonofosfaat (IMP), een centraal intermediair in de synthese van zowel AMP als GMP. #### 3.1.1 Vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) De eerste stap is de vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP) vanuit ribose-5-fosfaat. Dit molecuul is een geactiveerde precursor en dient als acceptor voor de aan te bouwen purine- of pyrimidinebasen. #### 3.1.2 Opbouw van de purinering De opbouw van de purinering start met de aanhechting van de base op de ribosesuiker van PRPP, gevolgd door een reeks reacties waarbij atomen uit verschillende bronnen worden toegevoegd, waaronder glutamine, glycine, N10-formyltetrahydrofolaat en bicarbonaat. * **Stap 2:** Vervanging van de pyrofosfaatgroep door een aminogroep afkomstig van glutamine. * **Stap 3:** Aanhechting van glycine. * **Stap 4-6:** Verdere stappen leiden tot de vorming van de vijfring van de purine, met de introductie van een formylgroep afkomstig van N10-formyltetrahydrofolaat. * **Stap 7-9:** Vorming van de zesring en de uiteindelijke precursor van de purinering. Hierbij worden onder andere CO2 en een stikstofatoom uit aspartaat geïntegreerd. * **Stap 10-11:** Vorming van inosinemonofosfaat (IMP), de eerste nucleotide met een complete purinering. IMP heeft hypoxanthine als base. #### 3.1.3 Modificatie van IMP tot AMP of GMP IMP is een cruciaal knooppunt voor de synthese van AMP en GMP. * **Omzetting van IMP naar AMP:** Vereist de vervanging van een carbonylgroep door een aminogroep. Aspartaat fungeert als donor van de aminogroep, waarbij fumaraat als bijproduct wordt afgesplitst. Dit proces verbruikt ATP. * **Omzetting van IMP naar GMP:** Dit verloopt via xantosinemonofosfaat (XMP). Eerst wordt een carbonylgroep in IMP vervangen door een hydroxylgroep via hydrolyse. Vervolgens wordt de hydroxylgroep in XMP vervangen door een aminogroep afkomstig van glutamine, na activatie met ATP. Dit proces verbruikt GTP. > **Tip:** De omzetting van IMP naar AMP en GMP vereist specifieke enzymen en energie in de vorm van ATP of GTP. ### 3.2 Biosynthese van pyrimidinering De biosynthese van pyrimidine nucleotiden is een ander essentieel proces dat begint met de vorming van de pyrimidine ring. #### 3.2.1 Vorming van carbamoyl fosfaat De eerste stap is de synthese van carbamoyl fosfaat, een snelheidsbepalende reactie gekatalyseerd door carbamoyl fosfaat synthetase II. Deze stap wordt gereguleerd door feedback inhibitie door UDP en UTP. #### 3.2.2 Synthese van N-carbamoyl aspartaat Carbamoyl fosfaat reageert met aspartaat om N-carbamoyl aspartaat te vormen. #### 3.2.3 Ringsluiting en oxidatie N-carbamoyl aspartaat ondergaat ringsluiting met verlies van water om dihydroorotaat te vormen, dat vervolgens wordt geoxideerd tot orotaat. #### 3.2.4 Koppeling aan PRPP en decarboxylering tot UMP Orotaat wordt vervolgens gekoppeld aan PRPP en na decarboxylering gevormd tot uridinemonofosfaat (UMP). > **Tip:** Hoewel er een pyrimidine salvage pathway bestaat, wordt deze minder extensief gebruikt dan bij purines, deels omdat de synthese van pyrimidines minder energie-intensief is en afbraakproducten nuttigere intermediairen opleveren. ### 3.3 Synthese van nucleosidemono-, di- en trifosfaten Nucleosidemonofosfaten (NMP) worden sequentieel gefosforyleerd tot nucleosidedifosfaten (NDP) en vervolgens tot nucleosidetrifosfaten (NTP) door middel van specifieke kinasen. * **Adenylaatkinase** (ook wel AMP-kinase genoemd) zet AMP en ATP om in 2 ADP. * **Nucleosidedifosfaatkinasen** zetten NDP's om in NTP's, waarbij meestal ATP als fosfaatdonor fungeert. Bijvoorbeeld: GDP + ATP $\rightarrow$ GTP + ADP. ### 3.4 Synthese van deoxyribonucleotiden De synthese van deoxyribonucleotiden vindt plaats door reductie van ribonucleoside difosfaten (NDP) naar deoxyribonucleoside difosfaten (dNDP). Dit proces wordt gekatalyseerd door ribonucleotide reductasen. De totale reactie omvat de omzetting van een ribonucleosidedifosfaat naar een deoxyribonucleosidedifosfaat onder invloed van NADPH. > **Tip:** De omzetting van ribose naar deoxyribose vindt plaats op het niveau van de difosfaten. ### 3.5 Synthese van deoxythymidylaat De synthese van deoxythymidylaat (dTMP) is cruciaal voor DNA-synthese en wordt geremd door bepaalde medicijnen. De omzetting van dUMP naar dTMP vereist een methylgroep die afkomstig is van tetrahydrofolaat. ### 3.6 Rol in medicatie: Kankertherapie Vele anti-tumormedicijnen werken door de nucleotide synthese te inhiberen, wat essentieel is voor de snelle deling van kankercellen. #### 3.6.1 Inhibitie van thymidylaat synthase * **5-fluorouracil (5-FU):** Een prodrug die in de cel wordt omgezet tot 5-fluoro-UMP en 5-fluoro-dUMP. 5-fluoro-dUMP is een krachtige inhibitor van thymidylaat synthase, het enzym dat dUMP omzet in dTMP. Dit leidt tot een tekort aan dTMP, wat DNA-synthese en -stabiliteit beïnvloedt, en ook de RNA-functie negatief kan beïnvloeden. Het werkt via een "zelfmoord"-mechanisme waarbij het katalytische intermediair geblokkeerd wordt. * **Indirecte inhibitie via foliumzuurmetabolisme:** Medicijnen die dihydrofolaat reductase (DHFR) inhiberen, zoals methotrexaat en aminopterine, verstoren de regeneratie van tetrahydrofolaat. Zonder voldoende tetrahydrofolaat kan de methylering van dUMP tot dTMP niet plaatsvinden, wat de DNA-synthese belemmert. #### 3.6.2 Inhibitie van DNA-polymerisatie via nucleotide analogen * **Azidothymidine (AZT, Zidovudine):** Oorspronkelijk ontwikkeld als antikankermiddel, maar nu primair gebruikt als HIV-remmer. AZT is een analoog van thymidine. Wanneer AZT wordt ingebouwd in viraal DNA door een reverse transcriptase, verhindert het de verdere ketenverlenging omdat het geen 3'-hydroxylgroep bevat voor de aanhechting van het volgende nucleotide. * **Aciclovir:** Een guanosine-analoog die selectief virale DNA-polymerasen remt. Het wordt door virale thymidine kinase (in herpes simplex virus geïnfecteerde cellen) omgezet tot aciclovir-fosfaat, en vervolgens door gastheercelkinasen tot aciclovir-trifosfaat. Dit trifosfaat remt vervolgens het virale DNA-polymerase. > **Tip:** Prodrugs zoals 5-fluorouracil en AZT zijn voorgangers die pas in het lichaam omgezet worden naar hun actieve medicijnvorm. ### 3.7 Salvage pathways voor purines Salvage pathways maken het mogelijk om vrije purinebasen, die vrijkomen bij de afbraak van nucleotiden, te hergebruiken voor de synthese van nieuwe nucleotiden. Dit bespaart energie in vergelijking met de *de novo* synthese. * **Adenine-fosforibosyltransferase (APRT)** katalyseert de reactie van adenine met PRPP tot adenylaat en pyrofosfaat. * **Hypoxanthine-guanine-fosforibosyltransferase (HGPRT)** katalyseert de omzetting van hypoxanthine of guanine met PRPP tot respectievelijk inosinaat of guanylaat en pyrofosfaat. #### 3.7.1 Ziekte van Lesch-Nyhan Deficiëntie in HGPRT leidt tot de ziekte van Lesch-Nyhan. Dit veroorzaakt een verminderde salvage van purines, wat leidt tot een accumulatie van PRPP. Een verhoogde PRPP-concentratie stimuleert de *de novo* purine nucleotide synthese sterk. Dit resulteert in een verhoogde afbraak van purinenucleotiden, met urinezuur als eindproduct, wat jicht-achtige symptomen veroorzaakt. Verdere symptomen zijn zelfverminking, spasticiteit en mentale achterstand. ### 3.8 Afbraak van purine nucleotiden De afbraak van purine nucleotiden leidt uiteindelijk tot urinezuur. 1. Nucleotidasen verwijderen fosfaatgroepen, waardoor nucleosiden ontstaan. 2. Deaminering van adenosine leidt tot inosine. 3. Ribose wordt verwijderd, wat hypoxanthine oplevert. 4. Hypoxanthine wordt door xanthine oxidase omgezet in xanthine. 5. Xanthine wordt eveneens door xanthine oxidase omgezet in urinezuur. #### 3.8.1 Jicht en de werking van allopurinol * **Jicht:** Ontstaat door accumulatie van urinezuur, wat kan leiden tot kristallisatie in gewrichten en nierstenen. * **Allopurinol:** Een inhibitor van xanthine oxidase. Het wordt door xanthine oxidase omgezet in alloxanthine, dat vervolgens permanent aan het enzym bindt. Hierdoor wordt de afbraak van hypoxanthine en xanthine tot urinezuur geremd. Tegelijkertijd kunnen accumulerende hypoxanthine en xanthine via de salvage pathway worden omgezet naar nucleotiden, wat de PRPP-concentratie verlaagt en indirect ook de *de novo* purine synthese vermindert. ### 3.9 Afbraak van pyrimidine nucleotiden De afbraak van pyrimidine nucleotiden leidt tot uiteindelijke producten zoals malonyl-CoA of succinyl-CoA, die kunnen worden opgenomen in de citroenzuurcyclus. Dit proces is minder toxisch dan de afbraak van purines, aangezien er geen urinezuur wordt gevormd. ### 3.10 Nucleotide analogen in antivirale therapie Naast AZT en aciclovir zijn er diverse andere nucleotide-analogen die worden ingezet als antivirale middelen. Deze middelen werken doorgaans door de virale DNA- of RNA-synthese te remmen. ### 3.11 Coënzymen en signaalmoleculen Nucleotiden, met name adenosine-derivaten, vormen essentiële onderdelen van belangrijke coënzymen: * **NAD (Nicotinamide adenine dinucleotide) en NADP (Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate):** Betrokken bij redoxreacties. * **FAD (Flavine adenine dinucleotide):** Eveneens cruciaal voor redoxreacties. * **Co-enzym A (CoA):** Essentieel voor acyltransferreacties en metabolisme van vetzuren en koolhydraten. Daarnaast spelen cyclische nucleotiden een belangrijke rol als intracellulaire signaalmoleculen: * **cAMP (Cyclisch adenosine monofosfaat):** Een belangrijke secundaire boodschapper, geactiveerd door adenylaatcyclase, die de activiteit van proteïne kinase A (PKA) reguleert. * **cGMP (Cyclisch guanosine monofosfaat):** Betrokken bij processen zoals vaatverwijding. Medicijnen zoals sildenafil (Viagra) en tadalafil zijn fosfodiësterase inhibitoren die de afbraak van cGMP remmen, wat leidt tot langdurigere vasodilatatie. --- # Afbraak van nucleotiden en de rol van co-enzymen Dit onderwerp behandelt de afbraakproducten van purine- en pyrimidine nucleotiden, de vorming van urinezuur als eindproduct, en de integratie van nucleotide-achtige structuren in belangrijke co-enzymen zoals NAD+, FAD en co-enzym A. ### 4.1 Nucleotiden: bouwstenen en functies Nucleotiden zijn de fundamentele bouwstenen van nucleïnezuren (DNA en RNA). Een nucleotide bestaat uit drie componenten: * Een stikstofbase (purine of pyrimidine) * Een pentosesuiker (ribose in RNA, deoxyribose in DNA) * Eén of meer fosfaatgroepen Naast hun rol in nucleïnezuren, hebben nucleotiden diverse andere cruciale functies in de cel: * **Energiedragers:** ATP is de universele energiedrager, terwijl GTP belangrijk is voor signaaltransductie en translocatie in de eiwitsynthese. * **Geactiveerde intermediairen:** Ze dienen als geactiveerde intermediairen in biosyntheseprocessen. * **Onderdeel van co-enzymen:** Veel belangrijke co-enzymen bevatten nucleotide-achtige structuren (zie sectie 4.5). * **Regulatie:** Cyclisch AMP (cAMP) is een belangrijk signaalmolecuul en activator van eiwitkinasen. ### 4.2 De nomenclatuur van basen, nucleosiden en nucleotiden * **Base:** Stikstofhoudende ringstructuren, waaronder purines (adenine, guanine) en pyrimidines (cytosine, uracil, thymine). * **Nucleoside:** Een base gebonden aan een suiker (ribose of deoxyribose). * **Nucleotide:** Een nucleoside met één of meer fosfaatgroepen. Ze kunnen voorkomen als mono-, di- of trifosfaten (bijv. AMP, ADP, ATP). De termen 'adenylaat' worden gebruikt als synoniem voor adenosine monofosfaat. ### 4.3 Synthese van purine nucleotiden De biosynthese van de purinering is een complex proces dat begint met ribose-5-fosfaat en de vorming van een ringstructuur door de aanhechting van diverse moleculen, waaronder aminozuren (glycine, glutamine, aspartaat) en een formylgroep afkomstig van N10-formyl tetrahydrofolaat. **Belangrijke stappen in de purine biosynthese omvatten:** 1. **Vorming van fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP):** Dit is een geactiveerd intermediair dat de basis vormt voor de nucleotide. 2. **Vorming van 5-fosforibosylamine:** De reactie van glutamine met PRPP onder vorming van 5-fosforibosylamine. 3. **Aanhechting van glycine:** Glycine wordt aan 5-fosforibosylamine gekoppeld. 4. **Inbrengen van een formylgroep:** N10-formyl tetrahydrofolaat levert een formylgroep. 5. **Ringsluiting en vorming van de purine structuur:** Verschillende stappen leiden tot de vorming van een zesring, waarbij moleculen zoals CO2 en aspartaat worden ingebouwd. Het eindproduct van de *de novo* purine synthese is inosinemonofosfaat (IMP), dat de base hypoxanthine bevat. ### 4.4 Modificatie van IMP tot AMP of GMP IMP kan worden omgezet in twee belangrijke purine nucleotiden: * **Omzetting van IMP naar AMP (adenosine monofosfaat):** Dit vereist aspartaat als stikstofbron en leidt tot de vorming van fumaraat als bijproduct. De reactie verloopt via adenylosuccinaat. * **Omzetting van IMP naar GMP (guanosine monofosfaat):** Dit proces vereist glutamine als stikstofbron en verloopt via xantosine monofosfaat (XMP). ### 4.5 Het Salvage-Systeem voor purines Het salvage-systeem maakt gebruik van vrije purinebasen, die vrijkomen bij de afbraak van nucleotiden, om opnieuw nucleotiden te vormen. Dit systeem bespaart energie ten opzichte van de *de novo* synthese. * **Adenine-fosforibosyltransferase (APRT):** Katalyseert de vorming van adenylaat uit adenine en PRPP. * **Hypoxanthine-guanine-fosforibosyltransferase (HGPRT):** Katalyseert de vorming van inosinaat uit hypoxanthine en PRPP, en guanylaat uit guanine en PRPP. **Deficiëntie van HGPRT leidt tot de Ziekte van Lesch-Nyhan**, gekenmerkt door neurologische afwijkingen en zelfverminking. Een gevolg is een accumulatie van PRPP, wat de *de novo* purine synthese stimuleert en leidt tot verhoogde urinezuurproductie. ### 4.6 Biosynthese van pyrimidine nucleotiden De synthese van pyrimidine nucleotiden begint met de vorming van een zesring uit carbamoyl-fosfaat en aspartaat. **Belangrijke stappen in de pyrimidine biosynthese:** 1. **Synthese van carbamoyl-fosfaat:** Dit is een snelheidsbepalende stap, gereguleerd door feedback-inhibitie door UDP en UTP. 2. **Synthese van N-carbamoyl-aspartaat:** Reactie tussen carbamoyl-fosfaat en aspartaat. 3. **Ringsluiting en oxidatie:** Vorming van dihydro-orotaat en vervolgens orotaat na oxidatie. 4. **Koppeling aan PRPP en decarboxylering:** Orotate wordt gekoppeld aan PRPP en gedecarboxyleerd tot uridinemonofosfaat (UMP). De pyrimidine salvage pathway is minder extensief dan die voor purines, omdat de synthese van pyrimidines minder energie vereist en de afbraak nuttige intermediairen oplevert. ### 4.7 Nucleosidemonofo-, di- en trifosfaten Nucleosidemonofosfaten (NMP's) worden sequentieel gefosforyleerd tot difosfaten (NDP's) en vervolgens tot trifosfaten (NTP's) door middel van nucleoside monofosfaat kinases en nucleoside difosfaat kinases. De omzetting van ribo- naar deoxyribonucleotiden vindt plaats ter hoogte van de difosfaten, gekatalyseerd door ribonucleotide reductasen, waarbij NADPH als reductans dient. CTP (cytidine trifosfaat) ontstaat door aminering van UTP (uridine trifosfaat). ### 4.8 Synthese van deoxyribonucleotiden De synthese van deoxyribonucleotiden (dNDP's) uit ribonucleoside difosfaten (NDP's) is cruciaal voor DNA-synthese en wordt gekatalyseerd door ribonucleotide reductasen. Dit proces vereist NADPH. De synthese van deoxythymidylaat (dTMP) vanuit deoxyuridinedifosfaat (dUMP) is een belangrijke stap en wordt geïnhibeerd door bijvoorbeeld 5-fluorouracil, een prodrug die uiteindelijk 5-fluoro-dUMP vormt. ### 4.9 Afbraak van purine nucleotiden De afbraak van purine nucleotiden verloopt via een reeks stappen: 1. **Defosforylering:** Nucleotiden worden omgezet in nucleosiden (bijv. AMP tot adenosine). 2. **Deaminering:** Adenosine wordt gedeamineerd tot inosine. 3. **Verwijdering van ribose:** Inosine wordt afgebroken tot hypoxanthine. 4. **Oxidatie tot urinezuur:** Hypoxanthine wordt via xanthine omgezet in urinezuur, het eindproduct van purine catabolisme bij de mens. Het urinezuur wordt via de nieren uitgescheiden. Een accumulatie van urinezuur kan leiden tot **jicht**, gekenmerkt door kristalvorming in de gewrichten, en nierstenen. **Allopurinol** is een inhibitor van xanthine dehydrogenase (xanthine oxidase) en wordt gebruikt om jicht te behandelen. Het remt de afbraak van hypoxanthine en xanthine, waardoor de urinezuurproductie daalt. ### 4.10 Afbraak van pyrimidine nucleotiden De afbraak van pyrimidine nucleotiden leidt tot de vorming van metabolieten zoals malonyl-CoA of succinyl-CoA, die kunnen worden geïntegreerd in andere metabole routes. Er worden geen afvalproducten gevormd die toxisch zijn of gemakkelijk accumuleren zoals urinezuur. ### 4.11 De rol van nucleotide-achtige structuren in co-enzymen Vele essentiële co-enzymen bevatten nucleotide-achtige structuren, wat hun functie mogelijk maakt in diverse biochemische reacties. * **NAD+ (Nicotinamide Adenine Dinucleotide) en NADP+:** Afgeleid van nicotinezuur (vitamine B3). Ze zijn cruciale elektronendragers in redoxreacties. NAD+ is betrokken bij katabole processen, terwijl NADP+ een rol speelt in anabole processen. * De synthese van NAD+ omvat de koppeling van nicotinamide met AMP. * **FAD (Flavine Adenine Dinucleotide):** Bevat flavine (afgeleid van riboflavine, vitamine B2) en AMP. FAD is ook een belangrijke elektronendrager in redoxreacties. * De synthese van FAD begint met de fosforylering van riboflavine tot flavine mononucleotide (FMN), gevolgd door de koppeling met AMP. * **Co-enzym A (CoA):** Essentieel voor de overdracht van acylgroepen, met name in de citroenzuurcyclus en vetzuurmetabolisme. Het bevat een pantotheenzuur-gedeelte, een cysteamine-gedeelte en een AMP-gedeelte. ### 4.12 Second messengers: cAMP en cGMP Cyclisch AMP (cAMP) en cyclisch GMP (cGMP) zijn belangrijke cyclische nucleotiden die fungeren als intracellulaire 'second messengers' in signaaltransductieroutes. * **cAMP:** Gevormd uit ATP door adenylaat cyclase. Het activeert proteïne kinase A (PKA), wat een cascade van fosforyleringsreacties in gang zet. * **cGMP:** Gevormd uit GTP. Het speelt een rol bij vaatverwijding en erectieprocessen. Medicijnen zoals Sildenafil (Viagra) werken door de afbraak van cGMP te remmen, waardoor de concentratie stijgt en de gladde spieren relaxeren. ### 4.13 Antivirale en antitumorale middelen Veel medicijnen tegen kanker en virale infecties zijn nucleotide-analogen die de synthese of functie van nucleotiden en nucleïnezuren verstoren. * **5-fluorouracil:** Een prodrug die geïntegreerd kan worden in RNA, maar ook de synthese van dTMP remt door de inhibitie van thymidylaat synthase. * **AZT (Azidothymidine):** Een dideoxynucleoside analoog dat door virusenzymen wordt geactiveerd en in virale DNA kan worden ingebouwd, wat ketenverlenging voorkomt. * **Aciclovir:** Een guanosine analoog dat selectief wordt geactiveerd door virale thymidine kinase en antivirale activiteit vertoont. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Nucleotiden | Moleculen opgebouwd uit drie componenten: een stikstofbase (purine of pyrimidine), een pentosesuiker (ribose of deoxyribose) en één of meer fosfaatgroepen. Ze vormen de bouwstenen van DNA en RNA en spelen diverse rollen in cellulaire processen. | | Nucleoside | Een molecuul dat bestaat uit een stikstofbase gebonden aan een pentosesuiker (ribose of deoxyribose), zonder fosfaatgroep. Nucleosiden zijn intermediairen in de synthese en afbraak van nucleotiden. | | Stikstofbase | Een organische verbinding die stikstofatomen bevat en een fundamenteel onderdeel vormt van nucleotiden en nucleosiden. De basen worden ingedeeld in purines (adenine en guanine) en pyrimidines (cytosine, uracil en thymine). | | Purines | Een klasse van stikstofbasen met een dubbele ringstructuur, bestaande uit een zesring en een vijfring. De belangrijkste purines in nucleïnezuren zijn adenine (A) en guanine (G). | | Pyrimidines | Een klasse van stikstofbasen met een enkele ringstructuur. De belangrijkste pyrimidines in nucleïnezuren zijn cytosine (C), uracil (U) en thymine (T). | | Ribose | Een vijfcarbonige suiker (pentose) die een essentieel onderdeel vormt van RNA en ATP. Het heeft een hydroxylgroep op het 2'-koolstofatoom. | | Deoxyribose | Een vijfcarbonige suiker die een essentieel onderdeel vormt van DNA. Het verschilt van ribose doordat de hydroxylgroep op het 2'-koolstofatoom is vervangen door een waterstofatoom. | | Fosfaatgroep | Een groep bestaande uit één fosforatoom gebonden aan vier zuurstofatomen ($PO_4^{3-}$). In nucleotiden is deze groep gebonden aan de suikermolecuul en vormt het de ruggengraat van DNA en RNA. | | ATP (Adenosinetrifosfaat) | De belangrijkste energiedrager in cellen. Het bestaat uit adenine, ribose en drie fosfaatgroepen. De hydrolyse van de fosfaatbindingen levert energie voor cellulaire processen. | | DNA (Desoxyribonucleïnezuur) | Een dubbelstrengige molecuul die de genetische informatie in de meeste levende organismen bevat. Het is opgebouwd uit deoxyribonucleotiden. | | RNA (Ribonucleïnezuur) | Een enkelstrengse molecuul die betrokken is bij diverse cellulaire functies, waaronder eiwitsynthese en genexpressie. Het is opgebouwd uit ribonucleotiden. | | Biosynthese | Het proces waarbij levende organismen complexe moleculen opbouwen uit eenvoudigere precursors. Dit omvat de synthese van nucleotiden, eiwitten, lipiden en koolhydraten. | | De novo synthese | De synthese van een molecuul vanuit elementaire precursors, in tegenstelling tot de aanmaak uit bestaande intermediairen. Bij nucleotiden verwijst dit naar de volledige opbouw van de ringstructuren en de koppeling aan de suiker en fosfaat. | | Salvage pathway | Een biochemisch proces dat ervoor zorgt dat vrijgekomen basen of nucleosiden uit de afbraak van nucleïnezuren opnieuw worden gebruikt om nucleotiden te vormen. Dit bespaart energie ten opzichte van de de novo synthese. | | PRPP (Fosforibosylpyrofosfaat) | Een intermediair molecuul in de nucleotidensynthese, gevormd uit ribose-5-fosfaat. PRPP dient als een geactiveerde ribose-eenheid en is cruciaal voor zowel de de novo synthese als de salvage pathway van purines. | | IMP (Inosinemonofosfaat) | Een belangrijk intermediair in de biosynthese van purinenucleotiden. IMP wordt gevormd uit de eerdere stappen van de purinesynthese en kan vervolgens worden omgezet in AMP of GMP. | | AMP (Adenosinemonofosfaat) | Een nucleotiden met adenine als base, ribose als suiker en één fosfaatgroep. AMP is een bouwsteen van RNA en een belangrijk molecuul in cellulaire signalering (cAMP). | | GMP (Guanosinemonofosfaat) | Een nucleotiden met guanine als base, ribose als suiker en één fosfaatgroep. GMP is een bouwsteen van RNA en is betrokken bij cellulaire signalering (cGMP). | | Jicht | Een aandoening die wordt veroorzaakt door een te hoge concentratie urinezuur in het bloed, leidend tot de kristallisatie van urinezuur in de gewrichten, wat pijnlijke ontstekingen veroorzaakt. | | Allopurinol | Een medicijn dat wordt gebruikt om jicht te behandelen. Het remt het enzym xanthine oxidase, waardoor de afbraak van purines wordt verminderd en de productie van urinezuur daalt. | | Co-enzym | Een organische, niet-proteïnische molecuul die essentieel is voor de activiteit van veel enzymen. Co-enzymen fungeren als dragers van chemische groepen of elektronen tijdens enzymatische reacties. | | NAD+ (Nicotinamide-adenine-dinucleotide) | Een belangrijk co-enzym dat betrokken is bij redoxreacties in de cel, voornamelijk als elektronendrager. Het speelt een cruciale rol in cellulaire ademhaling en stofwisseling. | | FAD (Flavine-adenine-dinucleotide) | Een ander belangrijk co-enzym dat betrokken is bij redoxreacties, vooral in de citroenzuurcyclus en de elektronentransportketen. Het bevat flavine als actieve component. | | Co-enzym A (CoA) | Een belangrijk co-enzym dat betrokken is bij de overdracht van acylgroepen, met name in de metabolisme van koolhydraten, vetten en eiwitten. Het speelt een sleutelrol in de citroenzuurcyclus. | | cAMP (Cyclisch adenosinemonofosfaat) | Een cyclisch nucleotide dat fungeert als een belangrijke secundaire boodschapper in veel cellulaire signaleringsroutes. Het wordt gevormd uit ATP en reguleert diverse processen, zoals glyco-genolyse. | | cGMP (Cyclisch guanosinemonofosfaat) | Een cyclisch nucleotide dat, net als cAMP, fungeert als een secundaire boodschapper. Het is betrokken bij processen zoals vaatverwijding en de regulatie van de bloeddruk. |

# Het aminozuurmetabolisme: algemeen belang en structuur Het aminozuurmetabolisme is van cruciaal belang voor diverse fysiologische processen, waaronder energieproductie en de instandhouding van de stikstofbalans [1](#page=1) [6](#page=6). ## 1\. Het aminozuurmetabolisme: algemeen belang en structuur ### 1.1 Algemene structuur van een alfa-aminozuur Een alfa-aminozuur kenmerkt zich door een centraal koolstofatoom (het alfa-koolstofatoom) waaraan een aminogroep (`-NH2`), een carboxylgroep (`-COOH`), een waterstofatoom en een zijketen (R-groep) gebonden zijn. De R-groep bepaalt de specifieke eigenschappen van elk aminozuur. De aanwezigheid van zowel een zure (carboxylgroep) als een basische (aminogroep) functionele groep maakt aminozuren amfoteer [3](#page=3) [4](#page=4). ### 1.2 Oorsprong van aminozuren AminoZuren komen uit verschillende bronnen: * **Voeding:** Eiwitten uit de voeding worden via vertering afgebroken tot aminozuren [5](#page=5). * **Lichaamseigen eiwitten:** Lichaamseigen eiwitten worden continu afgebroken en de vrijgekomen aminozuren vormen een "aminozuurpool" [5](#page=5) [7](#page=7). * **De novo synthese:** Het lichaam kan zelf ook aminozuren synthetiseren [5](#page=5). ### 1.3 Belang van het aminozuurmetabolisme #### 1.3.1 Rol in energieproductie Hoewel glucose en vetzuren de primaire energiebronnen zijn, kunnen aminozuren ook als energiebron dienen, vooral tijdens langdurige inspanning of vasten. Verschillende weefsels gebruiken aminozuren in wisselende mate voor energiebehoeften. De lever en darmen hebben bijvoorbeeld een hogere katabole waarde voor aminozuren dan hersenen of skeletspieren [6](#page=6). #### 1.3.2 Stikstofbalans Het aminozuurmetabolisme is essentieel voor het handhaven van de stikstofbalans in het lichaam. Stikstof wordt voornamelijk geleverd door eiwitten en wordt uitgescheiden als ureum. Een onevenwichtige inname van aminozuren kan leiden tot een negatieve stikstofbalans, wat schadelijk is [7](#page=7) [8](#page=8). #### 1.3.3 Precursoren van belangrijke biomoleculen AminoZuren dienen als bouwstenen voor eiwitten en zijn ook precursoren voor de synthese van vele andere essentiële biomoleculen, waaronder purines, pyrimidines, porfyrines en lipiden. Ze spelen ook een rol in cel-cel communicatie [7](#page=7) [84](#page=84). ### 1.4 Essentiële en niet-essentiële aminozuren Niet alle aminozuren kunnen door het menselijk lichaam zelf worden gesynthetiseerd. Deze worden essentiële aminozuren genoemd en moeten via de voeding worden verkregen. De overige aminozuren zijn niet-essentieel, omdat het lichaam ze zelf kan aanmaken. De behoefte aan bepaalde essentiële aminozuren kan variëren met de leeftijd (kinderen, prematuren). Een tekort aan één essentieel aminozuur kan de groei beperken ("limiterend aminozuur") [8](#page=8). ### 1.5 Stofwisselingsziekten gerelateerd aan aminozuurmetabolisme Verstoringen in het aminozuurmetabolisme kunnen leiden tot ernstige stofwisselingsziekten, zoals fenylketonurie (PKU) en diverse aminozuur-uremieën. Kwashiorkor is een voorbeeld van ondervoeding die gepaard gaat met een ernstig tekort aan eiwitten en dus aminozuren [8](#page=8) [9](#page=9). ### 1.6 De 20 standaard aminozuren in eiwitten De meeste eiwitten in het lichaam zijn opgebouwd uit de 20 standaard alfa-aminozuren. Deze aminozuren verschillen in hun R-groep, wat leidt tot een grote diversiteit aan structuren en eigenschappen. Voorbeelden zijn [4](#page=4): * **Alifatische zijketens:** Glycine (Gly, G), Alanine (Ala, A), Valine (Val, V), Leucine (Leu, L), Isoleucine (Ile, I) [4](#page=4). * **Aromatische zijketens:** Fenylalanine (Phe, F), Tyrosine (Tyr, Y), Tryptofaan (Trp, W) [4](#page=4). * **Bevattende zwavel:** Cysteïne (Cys, C), Methionine (Met, M) [4](#page=4). * **Alcoholgroep:** Serine (Ser, S), Threonine (Thr, T) [4](#page=4). * **Zure zijketens en hun amides:** Aspartaat (Asp, D), Glutamaat (Glu, E), Asparagine (Asn, N), Glutamine (Gln, Q) [4](#page=4). * **Basische zijketens:** Lysine (Lys, K), Arginine (Arg, R), Histidine (His, H) [4](#page=4). * **Speciale structuren:** Proline (Pro, P) [4](#page=4). * * * # Biosynthese van aminozuren Deze sectie behandelt de synthese van niet-essentiële aminozuren in het lichaam, waarbij de oorsprong van de aminogroep en het koolstofskelet centraal staan, evenals de cruciale rol van cofactoren zoals tetrahydrofolaat en S-adenosylmethionine [10](#page=10) [11](#page=11). ### 2.1 De oorsprong van de α-NH2-groep De stikstofatomen voor de synthese van aminozuren komen primair van ammoniumionen ($NH\_4^+$). Hoewel micro-organismen en planten stikstof direct uit moleculaire stikstof ($N\_2$) kunnen fixeren via een proces dat veel energie vereist (N2 + 6 e- + 12 ATP + 12 H2O → 2 NH4+ + 12 ADP + 12 Pi + 4 H+) zijn dieren afhankelijk van ammoniumionen uit de voeding of uit de afbraak van lichaamseigen eiwitten. Nitraatreductie, gevolgd door nitrietreductie, is een andere route die leidt tot ammoniumionen in sommige organismen (NO3- + 2e- + 2H+ → NO2- + H2O en NO2- + 6e- + 8H+ → NH4+ + 2 H2O). Glutamaat dehydrogenase katalyseert de reductieve aminering van α-ketoglutaraat met ammonium tot glutamaat, wat een sleutelreactie is voor de incorporatie van stikstof in het aminozuurmetabolisme [13](#page=13). ### 2.2 Het koolstofskelet van aminozuren Het koolstofskelet van niet-essentiële aminozuren wordt gevormd uit metabolieten van centrale metabole routes. De belangrijkste precursors zijn intermediairen uit de glycolyse, de citroenzuurcyclus en de pentosefosfaatreactieweg. Deze worden aangevuld met aminozuren die uit de voeding worden verkregen of gerecycled worden uit lichaamseiwitten [14](#page=14). > **Tip:** Kennis van de precursors uit de glycolyse en citroenzuurcyclus is essentieel om te begrijpen hoe de koolstofskeletten van aminozuren worden opgebouwd. ### 2.3 Synthese door éénstapsreactie Verschillende niet-essentiële aminozuren worden gevormd via eenvoudige, éénstapsreacties [15](#page=15). #### 2.3.1 Synthese door transaminering Een veelvoorkomende methode is transaminering, waarbij een α-ketocarboxylzuur de aminogroep ontvangt van een donoraminozuur. Deze reactie wordt gekatalyseerd door transaminasen (ook wel aminotransferasen genoemd). Glutamaat speelt hierin vaak een centrale rol, omdat het zowel als donor als acceptor van de aminogroep kan fungeren, met α-ketoglutaraat als corresponderend α-ketocarboxylzuur [16](#page=16). Bijvoorbeeld, alanine wordt gevormd uit pyruvaat en glutamaat, terwijl aspartaat wordt gevormd uit oxaalacetaat en glutamaat [16](#page=16). #### 2.3.2 Glutamine synthetase en aspartaat synthetase Glutamaat kan via glutamine synthetase worden omgezet tot glutamine, een reactie die ATP vereist en de incorporatie van ammoniak omvat [17](#page=17). $$ \\text{Glu} + \\text{NH}\_4^+ + \\text{ATP} \\rightarrow \\text{Gln} + \\text{ADP} + \\text{Pi} + \\text{H}\_2\\text{O} $$ Aspartaat kan, met behulp van aspartaat synthetase, geaminodeerd worden tot asparagine, wat ook ATP verbruikt [17](#page=17). #### 2.3.3 Synthese door hydroxylering Aminozuren kunnen ook worden gevormd door hydroxylering van een bestaand aminozuur. Phenylalanine hydroxylase katalyseert bijvoorbeeld de hydroxylering van fenylalanine tot tyrosine, waarbij zuurstof en tetrahydrobiopterine als cofactor betrokken zijn. Phenylketonurie (PKU) is een stofwisselingsziekte die voortkomt uit een defect in dit enzym [18](#page=18). ### 2.4 Glutamaat als precursor voor proline en arginine Glutamaat is een belangrijke precursor voor de synthese van proline en arginine. Proline wordt gevormd via glutamaat-semialdehyde, dat spontaan cycliseert tot pyrroline-5-carboxylaat en vervolgens wordt gereduceerd tot proline. Arginine wordt deels gesynthetiseerd via intermediairen die ook betrokken zijn bij de ureumcyclus [19](#page=19) [20](#page=20). ### 2.5 De synthese van serine (en glycine) Serine wordt gesynthetiseerd vanuit 3-fosfoglyceraat, een intermediair van de glycolyse. De stappen omvatten oxidatie tot fosfohydroxypyruvaat, transaminering tot fosfoserine, en ten slotte defosforylering tot serine. Glycine kan uit serine worden gevormd via een reversibele reactie die een cofactor uit tetrahydrofolaat vereist [21](#page=21) [22](#page=22). ### 2.6 Dragers van één-koolstofeenheden #### 2.6.1 Tetrahydrofolaat (THF) Tetrahydrofolaat (THF), de gereduceerde vorm van folaat (vitamine B9), is een essentiële cofactor voor de overdracht van één-koolstofeenheden op verschillende oxidatiestadia (methyl, hydroxymethyl, methyleen, formyl). THF bestaat uit een tetrahydropteridine ring, p-aminobenzoëzuur en glutamaat. Het kan in verschillende vormen voorkomen, afhankelijk van de overgedragen één-koolstofeenheid, zoals N5-methyl THF, N10-formyl THF, en N5,N10-methyleen THF [23](#page=23) [25](#page=25) [26](#page=26). > **Tip:** Foliumzuurdeficiëntie kan leiden tot ernstige gezondheidsproblemen, waaronder bloedarmoede en geboorteafwijkingen, en is gerelateerd aan een verhoogd risico op atherosclerose [27](#page=27). THF speelt een cruciale rol in de synthese van serine uit glycine, de methylering van homocysteïne tot methionine, en de afbraak van histidine tot glutamaat. Het is ook essentieel voor de synthese van purines en pyrimidines [27](#page=27). #### 2.6.2 S-adenosylmethionine (SAM) en de geactiveerde methylcyclus S-adenosylmethionine (SAM), ook wel "actieve methionine" genoemd, is de belangrijkste methyldonor in biologische systemen. Het wordt gevormd uit methionine en ATP. De geactiveerde methylcyclus reguleert de beschikbaarheid van methionine en de overdracht van methylgroepen. In deze cyclus wordt S-adenosylhomocysteïne gevormd na methylering, en dit wordt vervolgens omgezet naar homocysteïne en adenosine. Homocysteïne kan via methionine synthase opnieuw worden gemethyleerd tot methionine, waarbij N5-methyl THF als methylbron dient [29](#page=29) [30](#page=30) [31](#page=31). ### 2.7 De biosynthese van cysteine Cysteïne kan worden gesynthetiseerd uit homocysteïne en serine. We krijgen ook alfa-keto-butyraat en NH4+. ### 2.8 Samenvatting van niet-essentiële aminozuursynthese Niet-essentiële aminozuren worden gesynthetiseerd uit intermediairen van centrale metabole routes, met name uit pyruvaat, oxaalacetaat en 3-fosfoglyceraat. Glutamaat, afgeleid van α-ketoglutaraat, is een centrale precursor voor de synthese van glutamine, arginine en proline. Serine en glycine worden gevormd uit 3-fosfoglyceraat. Methionine en cysteine worden gesynthetiseerd via een route die betrokken is bij de afbraak van methionine en de overdracht van één-koolstofeenheden [34](#page=34). $$ \\text{Overzicht van precursors:} $$$$ \\text{Pyruvaat} \\rightarrow \\text{Alanine} $$$$ \\text{3-fosfoglyceraat} \\rightarrow \\text{Serine} \\rightarrow \\text{Glycine} $$$$ \\alpha\\text{-ketoglutaraat} \\rightarrow \\text{Glutamaat} \\rightarrow \\text{Glutamine, Proline, Arginine} $$$$ \\text{Oxaalacetaat} \\rightarrow \\text{Aspartaat} \\rightarrow \\text{Asparagine} $$$$ \\text{Homocysteïne} + \\text{Serine} \\rightarrow \\text{Cysteïne} $$$$ \\text{Methionine} \\rightarrow \\text{Homocysteïne} \\rightarrow \\text{Methionine (via methylering)} $$$$ \\text{Intermediairen van de citroenzuurcyclus} $$$$ \\text{Intermediairen van de glycolyse} $$ * * * # Katabolisme van aminozuren en de ureumcyclus Dit onderwerp behandelt de afbraak van aminozuren, de omzetting van de aminogroep tot ammonium, en de uiteindelijke detoxificatie hiervan via de ureumcyclus, alsook de afbraak van de koolstofketens van aminozuren en de rol van vitamine B12. ### 3.1 Overzicht van aminozuurkatabolisme Bij het katabolisme van aminozuren worden twee hoofdcomponenten afgebroken: de aminogroep en het koolstofskelet. De aminogroep wordt omgezet tot ammonium ($NH\_4^+$), dat vervolgens via de ureumcyclus wordt ontgift. Het koolstofskelet wordt omgezet in metabole intermediairen die kunnen worden gebruikt voor energieproductie (via de citroenzuurcyclus), gluconeogenese (synthese van glucose), of ketogenese (synthese van ketonlichaampjes en vetten) [36](#page=36) [63](#page=63). > **Tip:** Amino's die voornamelijk glucose-producerend zijn, leiden tot pyruvaat of intermediairen van de citroenzuurcyclus. Amino's die voornamelijk ketogeen zijn, leiden tot acetoacetyl-CoA of acetyl-CoA. Sommige aminozuren zijn zowel glucogeen als ketogeen [79](#page=79). ### 3.2 Omzetting van de a-aminogroep tot $NH\_4^+$ De verwijdering van de aminogroep van aminozuren vindt plaats via twee belangrijke reacties: transaminering en desaminering [37](#page=37). #### 3.2.1 Transaminering Transaminering is de overdracht van een aminogroep van een aminozuur naar een $\\alpha$\-ketozuur, waarbij een nieuw aminozuur en een nieuw $\\alpha$\-ketozuur worden gevormd. Deze reacties worden gekatalyseerd door aminotransferases (ook wel transaminases genoemd). De meeste aminozuren kunnen deelnemen aan transamineringsreacties, waarbij $\\alpha$\-ketoglutaraat vaak als acceptor van de aminogroep fungeert om glutamaat te vormen [38](#page=38) [39](#page=39). * **Enzymen:** Aspartaat aminotransferase (AST) en alanine aminotransferase (ALT) zijn veelvoorkomende voorbeelden. Hoge concentraties van deze enzymen in het bloed wijzen op weefselbeschadiging, zoals bij leveraandoeningen [39](#page=39). * **Mechanisme:** Het mechanisme van transaminering omvat de vorming van een imine (schiff base) tussen de $\\alpha$\-amino-groep van het aminozuur en het pyridoxalfosfaat (PLP) cofactor van het enzym. PLP is de actieve vorm van vitamine B6. Na de vorming van een ketimine en vervolgens een chinonoïde ketimine, wordt de aminogroep overgedragen aan het $\\alpha$\-ketozuur, wat resulteert in een nieuw aminozuur en pyridoxaminefosfaat. Pyridoxaminefosfaat kan vervolgens opnieuw een aminogroep overdragen aan een ander $\\alpha$\-ketozuur [40](#page=40) [41](#page=41) [42](#page=42) [43](#page=43). * **Rol van glutamaat:** Glutamaat, gevormd door transaminering, kan zijn aminogroep verder afstaan. Er wordt nog geen vrij ammonium gevormd tijdens de transaminering zelf [43](#page=43). #### 3.2.2 Desaminering Desaminering is de directe verwijdering van de aminogroep als ammonium ($NH\_4^+$). * **Oxidatieve desaminering van glutamaat:** Glutamaat dehydrogenase is het belangrijkste enzym dat de oxidatieve desaminering van glutamaat katalyseert. Deze reactie produceert ammonium, $\\alpha$\-ketoglutaraat, NADH (of NADPH), en water. Het evenwicht van deze reactie ligt normaal gezien naar links (richting glutamaat), maar wordt naar rechts geduwd wanneer het gevormde ammonium in de ureumcyclus wordt verwerkt [44](#page=44). $$ \\text{Glutamaat} + NAD^+ + H\_2O \\rightleftharpoons \\alpha\\text{-ketoglutaraat} + NH\_4^+ + NADH + H^+ $$ * **Andere bronnen van vrij ammonium:** Serine en threonine kunnen ook direct gedesamineerd worden door respectievelijk serine dehydratase en threonine dehydratase, wat leidt tot de vorming van ammonium en pyruvaat of $\\alpha$\-ketobutyraat [45](#page=45). ### 3.3 De ureumcyclus De ureumcyclus, ook wel de ornithinecyclus genoemd, is de primaire route voor de detoxificatie van overtollig ammonium in de lever. Ammonium is zeer toxisch, vooral voor de hersenen, waar het kan leiden tot neuropsychiatrische en neurologische symptomen zoals geheugenproblemen, hersenoedeem en coma. De ureumcyclus zet twee moleculen ammonium om in één molecuul ureum, dat minder toxisch is en via de urine wordt uitgescheiden [46](#page=46) [47](#page=47). #### 3.3.1 Belang van de ureumcyclus * **Toxische ammonium:** Verhoogde ammoniumconcentraties in de hersenen kunnen leiden tot ernstige neurologische symptomen. Ammonium kan cellen binnendringen via diffusie en transporters, en beïnvloedt de cel-pH. Het kan ook concurreren met kalium ($K^+$) op transporters, wat de membraanpotentiaal beïnvloedt. Bovendien verstoort overtollig ammonium het metabolisme in de hersenen [47](#page=47). * **Integratie met de citroenzuurcyclus:** De ureumcyclus is nauw verbonden met de citroenzuurcyclus. Argininosuccinaat wordt in arginine en fumaraat gesplitst, waarbij fumaraat een intermediair is in de citroenzuurcyclus. Aspartaat, een van de reactanten in de ureumcyclus, wordt gevormd uit oxaalacetaat, een intermediair van de citroenzuurcyclus [49](#page=49) [52](#page=52) [53](#page=53). #### 3.3.2 Stappen van de ureumcyclus De ureumcyclus bestaat uit vijf enzymatische stappen, die plaatsvinden in zowel de mitochondriale matrix als het cytoplasma van hepatocyten [49](#page=49) [55](#page=55). 1. **Synthese van carbamoylfosfaat:** In de mitochondriën wordt kooldioxide ($CO\_2$), ammonium ($NH\_4^+$) en ATP omgezet tot carbamoylfosfaat door het enzym carbamoylfosfaat synthetase I (CPS I). Dit is de snelheidsbepalende stap en vereist $N$\-acetylglutamaat als activator [50](#page=50) [55](#page=55). $$ CO\_2 + NH\_4^+ + 2 ATP \\rightarrow \\text{Carbamoylfosfaat} + 2 ADP + P\_i + 2 H^+ $$ 2. **Synthese van citrulline:** Carbamoylfosfaat reageert met ornithine om citrulline te vormen, waarbij fosfaat en een proton vrijkomen. Dit gebeurt in de mitochondriën en wordt gekatalyseerd door ornithine transcarbamoylase (OTC) [51](#page=51) [55](#page=55). $$ \\text{Carbamoylfosfaat} + \\text{Ornithine} \\rightarrow \\text{Citrulline} + P\_i + H^+ $$ 3. **Vorming van argininosuccinaat:** Citrulline wordt getransporteerd naar het cytoplasma, waar het met ATP reageert in aanwezigheid van aspartaat om argininosuccinaat te vormen. Dit is een tweestapsreactie, waarbij eerst een citrullyl-AMP intermediair wordt gevormd, gevolgd door de aanval van aspartaat. Dit wordt gekatalyseerd door argininosuccinaat synthetase (ASS). Aspartaat levert de tweede stikstofatoom voor ureum [52](#page=52) [55](#page=55). $$ \\text{Citrulline} + \\text{Aspartaat} + ATP \\rightarrow \\text{Argininosuccinaat} + AMP + PP\_i $$ 4. **Splitsing van argininosuccinaat:** Argininosuccinaat wordt door het enzym argininosuccinase gesplitst in arginine en fumaraat. Fumaraat is een intermediair van de citroenzuurcyclus [53](#page=53) [55](#page=55). $$ \\text{Argininosuccinaat} \\rightarrow \\text{Arginine} + \\text{Fumaraat} $$ 5. **Vorming van ureum en ornithine:** Arginine wordt door het enzym arginase gehydrolyseerd tot ureum en ornithine. Ornithine keert terug naar de mitochondriën om de cyclus opnieuw te starten [54](#page=54) [55](#page=55). $$ \\text{Arginine} + H\_2O \\rightarrow \\text{Ureum} + \\text{Ornithine} $$ #### 3.3.3 Totaalreactie van de ureumcyclus De totale reactie van de ureumcyclus is: $$ NH\_4^+ + CO\_2 + 3 ATP + \\text{Aspartaat} + 3 H\_2O \\rightarrow \\text{Ureum} + \\text{Fumaraat} + 2 ADP + AMP + 4 P\_i + 6 H^+ $$ > **Noot:** Het $NH\_4^+$ in de ureumcyclus is niet alleen afkomstig van de $\\alpha$\-koolstofatomen van aminozuren, maar ook van de zijketens van asparagine (Asn) en glutamine (Gln) [56](#page=56). #### 3.3.4 Erfelijke aandoeningen en de ureumcyclus Deficiënties in de enzymen van de ureumcyclus kunnen leiden tot ernstige gezondheidsproblemen, waaronder hyperammoniëmie (verhoogde ammoniumconcentraties in het bloed) [60](#page=60) [61](#page=61). * **Carbamoylfosfaat synthetase I (CPS I) deficiëntie:** Leidt tot een ophoping van ammonium in het bloed [61](#page=61). * **Gevolgen van hyperammoniëmie:** Onbehandelde hyperammoniëmie kan leiden tot zwakzinnigheid, lethargie, braken en ernstige hersenschade, inclusief hersenoedeem en coma [60](#page=60). ### 3.4 Afbraak van de koolstofketens van aminozuren De koolstofskeletten van aminozuren worden afgebroken tot verschillende intermediairen die het metabolisme kunnen binnenkomen. Deze intermediairen kunnen glucogeen-producerend (via pyruvaat of intermediairen van de citroenzuurcyclus) of ketogeen (resulterend in acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA) zijn [62](#page=62) [63](#page=63) [79](#page=79). #### 3.4.1 C-3 familie Amino's zoals alanine, serine en cysteïne worden afgebroken tot pyruvaat. Glycine kan worden omgezet naar serine, en vervolgens naar pyruvaat [64](#page=64) [65](#page=65). #### 3.4.2 C-4 familie * **Asparagine en aspartaat:** Deze amino's worden afgebroken tot oxaalacetaat, een intermediair van de citroenzuurcyclus [66](#page=66). * **Threonine:** De afbraak van threonine kan leiden tot $\\alpha$\-ketobutyraat, wat verder wordt afgebroken tot propionyl-CoA, acetyl-CoA en glycine [67](#page=67). #### 3.4.3 C-5 familie * **Glutamine en glutamaat:** Deze amino's worden afgebroken tot $\\alpha$\-ketoglutaraat, een intermediair van de citroenzuurcyclus [68](#page=68). * **Proline, Arginine, Histidine:** Deze amino's kunnen via verschillende routes worden afgebroken tot intermediairen die de citroenzuurcyclus binnenkomen, of tot N-formiminoglutamaat [69](#page=69). #### 3.4.4 Afbraak van vertakte aminozuurzijketens Valine, isoleucine en leucine hebben vertakte zijketens en worden afgebroken via specifieke enzymatische routes. * **Valine:** Wordt afgebroken tot propionyl-CoA [70](#page=70) [73](#page=73). * **Isoleucine:** Wordt afgebroken tot propionyl-CoA en acetyl-CoA [71](#page=71) [73](#page=73). * **Leucine:** Wordt afgebroken tot acetyl-CoA en acetoacetaat [72](#page=72) [73](#page=73). #### 3.4.5 Afbraak van aromatische aminozuren Phenylalanine (Phe) en tyrosine (Tyr) worden afgebroken via conversie van Phe naar Tyr, en vervolgens verder. De eindproducten zijn acetoacetaat en fumaraat [75](#page=75). #### 3.4.6 Lysine katabolisme Lysine wordt afgebroken tot acetoacetyl-CoA, dat ketogeen is [76](#page=76). #### 3.4.7 Methionine katabolisme Methionine kan worden omgezet in pyruvaat (glucogeen) en propionyl-CoA, wat weer kan worden omgezet in succinyl-CoA (glucogeen) [77](#page=77). ### 3.5 De werking van vitamine B12 Vitamine B12 (cobalamine) is een essentiële cofactor voor bepaalde enzymen, met name in de afbraak van aminozuren en vetzuren. * **Methylmalonyl-CoA mutase:** Vitamine B12 is cruciaal voor het enzym methylmalonyl-CoA mutase, dat methylmalonyl-CoA omzet in succinyl-CoA. Een tekort aan vitamine B12 kan leiden tot een ophoping van methylmalonyl-CoA, wat toxische effecten kan hebben en interfereert met de synthese van hemoglobine. Dit komt voor bij de afbraak van valine, isoleucine, methionine en threonine [73](#page=73) [74](#page=74). > **Tip:** De rol van vitamine B12 is essentieel voor de omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA. Bij een tekort leidt dit tot ophoping van methylmalonyl-CoA, wat kan leiden tot neurologische symptomen. * * * # Aminozuren als precursoren van belangrijke biomoleculen Aminozuren zijn niet alleen bouwstenen voor eiwitten, maar dienen ook als essentiële precursors voor een breed scala aan belangrijke biomoleculen [86](#page=86). ### 4.1 Synthese van purines en pyrimidines Aminozuren leveren atomen voor de ringstructuren van purines en pyrimidines, de bouwstenen van nucleïnezuren [86](#page=86). * Glycine en glutamine, samen met N10-formyl-tetrahydrofolaat (THF), zijn betrokken bij de synthese van purine ringen [86](#page=86). * Aspartaat en glutamine dragen bij aan de synthese van pyrimidine ringen [86](#page=86). ### 4.2 Synthese van haem en cobalamine Glycine is een directe precursor voor de synthese van haem, een essentieel onderdeel van hemoglobine en cytochromen, en ook voor cobalamine (vitamine B12) [86](#page=86). ### 4.3 Synthese van creatine Creatine wordt gesynthetiseerd uit arginine, glycine en ornithine. Het proces omvat de vorming van guanidinoacetaat, dat vervolgens door S-adenosylmethionine (SAM) wordt gemethyleerd tot creatine [87](#page=87). ### 4.4 Synthese van hormonen * **Thyroxine (T4) en tri-iodothyronine (T3):** Deze schildklierhormonen zijn afgeleid van tyrosine. Tyrosine levert de basisstructuur van de catecholring [89](#page=89). * **Melatonine:** Dit hormoon wordt gesynthetiseerd uit tryptofaan [92](#page=92). ### 4.5 Synthese van neurotransmitters Aminozuren zijn precursors voor verschillende belangrijke neurotransmitters: * **Serotonine (5-hydroxytryptamine):** Dit neurotransmitter wordt gesynthetiseerd uit tryptofaan [92](#page=92). ### 4.6 Synthese van pigmenten Tyrosine kan ook worden omgezet in precursors voor pigmenten zoals pheomelanine, via intermediairen zoals DOPAquinone en 5-S-cysteinyldopa, wat relevant is in de context van albinisme [91](#page=91). ### 4.8 Synthese van g-aminoboterzuur (GABA) Glutamaat kan worden gedecarboxyleerd tot g-aminoboterzuur (GABA). GABA is een belangrijke remmende neurotransmitter in het centrale zenuwstelsel [87](#page=87). ### 4.9 Belang van vitamine B12 en tetrahydrofolaat De synthese van verschillende biomoleculen, zoals purines en cobalamine, vereist de tussenkomst van cofactoren zoals vitamine B12 en tetrahydrofolaat (THF). Deze moleculen zijn cruciaal voor één-koolstofeenheid transfers in metabole reacties [86](#page=86). > **Tip:** Het is belangrijk om te onthouden dat aminozuren een veelzijdige rol spelen in het metabolisme, en hun afkomst is niet beperkt tot eiwitsynthese. Begrip van deze precursor-rollen is essentieel voor het begrijpen van diverse fysiologische en pathologische processen. * * * # Stofwisselingsziekten gerelateerd aan aminozuurmetabolisme Dit onderwerp behandelt erfelijke stofwisselingsziekten die ontstaan door defecten in het metabolisme van aminozuren, met specifieke aandacht voor de mechanismen, gevolgen en behandelingsstrategieën [80](#page=80). ### 5.1 Algemeen overzicht van aminozuurmetabolismeziekten Stofwisselingsziekten van aminozuren ontstaan door defecten in de afbraak van aminozuren. Dit leidt vaak tot accumulatie van het betreffende aminozuur of metabolieten daarvan in het bloed, de urine en het cerebrospinaal vocht, wat resulteert in een algemene hyperaminozuururemie [80](#page=80). #### 5.1.1 Essentiële en niet-essentiële aminozuren Het menselijk lichaam kan niet-essentiële aminozuren zelf synthetiseren, terwijl essentiële aminozuren via de voeding moeten worden verkregen. De behoefte aan bepaalde aminozuren kan variëren afhankelijk van de leeftijd, waarbij kinderen en prematuren hogere eisen stellen aan de inname van specifieke aminozuren. Een onevenwichtige voeding kan ertoe leiden dat een bepaald aminozuur limiterend wordt [8](#page=8). #### 5.1.2 Gevolgen van aminozuurmetabolisme defecten Defecten in aminozuurmetabolisme kunnen leiden tot een negatieve stikstofbalans. Voor patiënten met bepaalde aandoeningen, zoals phenylketonurie (PKU), is een aangepast dieet essentieel [80](#page=80) [8](#page=8). ### 5.2 Specifieke aminozuurmetabolismeziekten #### 5.2.1 Phenylketonurie (PKU) Phenylketonurie is een erfelijke stofwisselingsziekte die wordt gekenmerkt door een defect in de omzetting van het aminozuur fenylalanine (Phe). Bij PKU-patiënten is de activiteit van het enzym tyrosinetransaminase verminderd of afwezig, wat leidt tot een ophoping van fenylalanine in het bloed en de aanmaak van alternatieve metabole producten, zoals 4-hydroxyfenylpyruvaat (#page=80, 81). De behandeling van PKU bestaat uit een streng laag-fenylalanine dieet, waarbij tyrosine essentieel wordt [80](#page=80) [81](#page=81). * * * ## Veelgemaakte fouten om te vermijden * Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens * Let op formules en belangrijke definities * Oefen met de voorbeelden in elke sectie * Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Amino zuur | Een organische verbinding die zowel een aminogroep (-NH2) als een carboxylgroep (-COOH) bevat, en die dient als de bouwsteen van eiwitten. | | Aminozuurmetabolisme | Het geheel van biochemische processen die betrekking hebben op de opname, synthese, afbraak en omzetting van aminozuren in levende organismen. | | Katabolisme | Het deel van het metabolisme dat zich bezighoudt met de afbraak van complexe moleculen tot eenvoudigere stoffen, waarbij energie wordt vrijgemaakt. | | Anabolisme | Het deel van het metabolisme dat zich bezighoudt met de opbouw van complexe moleculen uit eenvoudigere stoffen, waarbij energie wordt verbruikt. | | Essentiële aminozuren | Aminozuren die het lichaam niet zelf kan synthetiseren en die via de voeding moeten worden verkregen. | | Niet-essentiële aminozuren | Aminozuren die het lichaam wel zelf kan synthetiseren. | | De novo synthese | De synthese van verbindingen vanuit zeer eenvoudige precursors, in tegenstelling tot het omzetten van reeds bestaande structuren. | | Stofwisselingsziekten | Aangeboren of verworven aandoeningen die worden veroorzaakt door defecten in de biochemische omzettingsprocessen van het lichaam. | | Koolstofskelet | Het deel van een organische molecuul dat bestaat uit een keten van koolstofatomen, zonder de functionele groepen. | | Aminogroep | De functionele groep -NH2 in een organische verbinding. | | Carboxylgroep | De functionele groep -COOH in een organische verbinding. | | Ureumcyclus | Een biochemische cyclus in de lever die toxisch ammonium (NH4+) omzet in ureum, dat vervolgens via de urine wordt uitgescheiden. | | Tetrahydrofolaat (THF) | Een co-enzym dat afgeleid is van foliumzuur (vitamine B9) en een cruciale rol speelt bij de overdracht van één-koolstofeenheden in diverse biosynthetische en katabole processen. | | S-adenosylmethionine (SAM) | Een veelzijdig methylgroep-donor die betrokken is bij talrijke methyleringreacties in het lichaam, essentieel voor de synthese van diverse biomoleculen. | | Vitamine B12 (Cobalamine) | Een essentiële vitamine die betrokken is bij diverse metabole reacties, met name bij de omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA en de methylering van homocysteïne tot methionine. | | Transaminering | Een biochemische reactie waarbij een aminogroep van een aminozuur wordt overgedragen op een a-ketozuur, resulterend in een nieuw aminozuur en een nieuw a-ketozuur. | | Desaminering | Het proces waarbij een aminogroep wordt verwijderd uit een molecuul, vaak resulterend in de vorming van ammonium. | | Oxidatieve desaminering | Een vorm van desaminering waarbij naast de aminogroep ook waterstofatomen worden verwijderd, vaak met de vorming van een ketozuur en ammonium. | | Keto-lichaampjes | Aceton, acetoacetaat en b-hydroxybutyraat, die worden gevormd uit de afbraak van vetzuren en acetyl-CoA, vooral tijdens perioden van vasten of koolhydraatarme voeding. | | Glucogeen | Een vertakt polysacharide dat dient als opslagvorm van glucose in dieren, voornamelijk in de lever en spieren. | | Ketogeen aminozuur | Een aminozuur waarvan het afbraakproduct acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA is, en dat kan bijdragen aan de vorming van ketonlichaampjes. | | Glucogeen aminozuur | Een aminozuur waarvan het afbraakproducten zijn die kunnen worden omgezet in glucose via gluconeogenese, zoals pyruvaat of intermediairen van de citroenzuurcyclus. | | Phenylketonurie (PKU) | Een erfelijke stofwisselingsziekte waarbij het enzym fenylalaninehydroxylase deficiënt is, wat leidt tot accumulatie van fenylalanine en diens toxische metabolieten. | | Hyperammoniëmie | Een abnormaal hoge concentratie van ammonium in het bloed, vaak veroorzaakt door defecten in de ureumcyclus, wat leidt tot neurologische symptomen. | | Glutamine | Een niet-essentieel aminozuur dat een belangrijke rol speelt bij het transport van stikstof en ammonium in het bloed. | | Aspartaat | Een niet-essentieel aminozuur dat een rol speelt in de ureumcyclus als donor van een aminogroep. | | Ornithine | Een niet-eiwitgebonden aminozuur dat een cruciale rol speelt in de ureumcyclus. | | Citrulline | Een aminozuur dat een intermediair is in de ureumcyclus. | | Argininosuccinaat | Een intermediair in de ureumcyclus, gevormd uit citrulline en aspartaat. | | Arginine | Een semi-essentieel aminozuur dat een rol speelt in de ureumcyclus en als precursor voor stikstofmonoxide (NO). | | Carbamoylfosfaat | Een intermediair in de ureumcyclus, gevormd uit CO2, ammonium en ATP. | | Citraatzuurcyclus | Een centrale reeks reacties in het celmetabolisme die oxidatie van acetyl-CoA omvat, leidend tot de productie van ATP, NADH en FADH2. | | Pyruvaat | Een a-ketozuur dat het eindproduct is van glycolyse en een precursor is voor acetyl-CoA en gluconeogenese. | | Acetyl-CoA | Een molecuul dat centraal staat in het metabolisme van koolhydraten, vetten en eiwitten, en dat de acetylgroep levert voor de citraatzuurcyclus. | | Acetoacetyl-CoA | Een intermediair in de afbraak van vetzuren en ketogeen aminozuren, en een precursor voor acetoacetaat. | | Methylmalonyl-CoA | Een intermediair in de afbraak van bepaalde aminozuren (zoals valine en isoleucine) en vetzuren met een oneven aantal koolstofatomen, dat door vitamine B12 wordt omgezet in succinyl-CoA. | | Succinyl-CoA | Een intermediair in de citraatzuurcyclus dat ook wordt gevormd uit de afbraak van bepaalde aminozuren en vetzuren. | | Homocysteïne | Een intermediair in het metabolisme van methionine dat, indien verhoogd, geassocieerd wordt met een verhoogd risico op cardiovasculaire ziekten. | | Cysteïne | Een zwavelhoudend aminozuur dat een rol speelt bij de vorming van eiwitten en diverse metabole processen. | | Methionine | Een essentieel zwavelhoudend aminozuur dat dient als precursor voor S-adenosylmethionine. | | Purine | Een heterocyclische aromatische organische verbinding met twee gefuseerde ringen, die een belangrijk bestanddeel is van nucleïnezuren (DNA en RNA). | | Pyrimidine | Een heterocyclische aromatische organische verbinding met één ring, die een belangrijk bestanddeel is van nucleïnezuren (DNA en RNA). | | Haem | Een ijzerhoudende porfyrine ringstructuur die essentieel is voor de functie van hemoglobine, myoglobine en cytochromen. | | Creatine | Een organische stikstofverbinding die een belangrijke rol speelt bij de energievoorziening van spieren. | | Choline | Een essentiële voedingsstof die een rol speelt bij de synthese van neurotransmitters en celmembranen. | | Histamine | Een biogeen amine dat betrokken is bij lokale immuunreacties, regulatie van fysiologische functies in het maagdarmkanaal en als neurotransmitter. | | Thyroxine (T4) | Een schildklierhormoon dat de stofwisseling reguleert. | | Tri-iodothyronine (T3) | Een schildklierhormoon dat de stofwisseling reguleert. | | Catecholaminen | Een klasse van neurotransmitters en hormonen, waaronder dopamine, noradrenaline en adrenaline, afgeleid van tyrosine. | | DOPA (Dihydroxyphenylalanine) | Een precursor van dopamine en andere catecholaminen. | | Dopamine | Een neurotransmitter die betrokken is bij beweging, beloning en motivatie. | | Adrenaline (Epinefrine) | Een hormoon en neurotransmitter die een rol speelt bij de "vecht-of-vlucht"-reactie. | | Noradrenaline (Norepinefrine) | Een hormoon en neurotransmitter die een rol speelt bij stressreacties en aandacht. | | Serotonine | Een neurotransmitter die betrokken is bij stemming, slaap en eetlust. | | Melatonine | Een hormoon dat de slaap-waakcyclus reguleert. | | Sfingosine | Een amino-alcohol die een belangrijk bestanddeel is van sfingolipiden, componenten van celmembranen. | | Albinisme | Een genetische aandoening die wordt gekenmerkt door een tekort aan pigment (melanine), wat resulteert in een lichte huid, haar en ogen. |

# Belang van aminozuurmetabolisme en stofwisselingsziekten Dit onderwerp behandelt het essentiële proces van aminozuurmetabolisme, inclusief de indeling in essentiële en niet-essentiële aminozuren, en de relatie met biomedische toepassingen en stofwisselingsziekten. ## 1. Belang van aminozuurmetabolisme Het aminozuurmetabolisme is cruciaal omdat aminozuren niet alleen de bouwstenen zijn van eiwitten, maar ook dienen als precursoren voor diverse belangrijke biomoleculen. Ze spelen een rol in celcommunicatie, de synthese van purines, pyrimidines, lipiden en heemringen. De lever is een centrale hub voor aminozuurmetabolisme, hoewel andere weefsels ook specifieke rollen vervullen. Een onevenwichtigheid in de opname en afbraak van aminozuren kan leiden tot stofwisselingsziekten. ### 1.1 Essentiële versus niet-essentiële aminozuren Amino's worden onderverdeeld op basis van de mogelijkheid van het lichaam om ze zelf te synthetiseren: * **Essentiële aminozuren:** Deze kunnen niet door het lichaam zelf worden aangemaakt en moeten via de voeding worden opgenomen. Voorbeelden zijn fenylalanine, tryptofaan en valine. * **Niet-essentiële aminozuren:** Deze kunnen door het lichaam zelf worden gesynthetiseerd, vaak uit intermediairen van glycolyse of de citroenzuurcyclus. Voorbeelden zijn alanine, aspartaat en glutamaat. Een tekort aan essentiële aminozuren kan problematisch zijn voor de eiwitsynthese en kan leiden tot aandoeningen zoals kwashiorkor, wat wijst op het belang van een evenwichtige voeding. ### 1.2 Aminozuren als bouwstenen en precursoren Amino's vormen de 'aminozuur-pool' van het lichaam, waaruit zowel eiwitten als tal van andere essentiële biomoleculen worden opgebouwd: * **Eiwitten:** De primaire functie van aminozuren is de vorming van polypeptiden, de basis van eiwitten. * **Niet-eiwit verbindingen:** Aminozuren zijn ook precursors voor: * **Heemring:** Een bouwsteen van hemoglobine en cytochromen, gevormd met glycine en succinyl-CoA. * **Purines en pyrimidines:** Essentiële componenten van nucleïnezuren (DNA en RNA). * **Lipiden:** Sommige lipiden worden gesynthetiseerd met aminozuurafgeleiden. * **Hormonen en neurotransmitters:** Zoals schildklierhormonen (thyroxine T3 en T4), catecholamines (adrenaline, noradrenaline), serotonine en histamine. * **Creatine:** Een belangrijke energiebuffer in spieren, gevormd uit arginine en glycine. * **Stikstofoxide (NO):** Afgeleid van arginine, speelt een rol bij vaatverwijding. ### 1.3 Stikstofbalans en ureumcyclus Het lichaam handhaaft een stikstofbalans, waarbij opgenomen stikstof gelijk moet zijn aan uitgescheiden stikstof. Overtollig stikstof, in de vorm van ammoniumionen ($NH_4^+$), is toxisch, met name voor de hersenen. Om dit te voorkomen, wordt ammonium in de lever omgezet tot ureum via de ureumcyclus, waarna het via de nieren wordt uitgescheiden. Een verhoogd ammoniakgehalte in het bloed (hyperammoniëmie) kan leiden tot ernstige neurologische symptomen. > **Tip:** Begrijp de link tussen het aminozuurmetabolisme, de stikstofbalans, de ureumcyclus en de potentiële toxische effecten van ammonium op het centraal zenuwstelsel. ## 2. Biosynthese van aminozuren Niet-essentiële aminozuren worden *de novo* gesynthetiseerd vanuit intermediairen van koolhydraat- en citroenzuurcyclusmetabolisme. ### 2.1 Oorsprong van de $\alpha$-aminogroep De $\alpha$-aminogroep wordt voornamelijk verkregen via: * **Fixatie van ammoniumionen ($NH_4^+$):** Dieren nemen ammoniumionen op uit voeding. In micro-organismen en planten kan moleculaire stikstof ($N_2$) worden gefixeerd. Ammonium wordt vastgezet op $\alpha$-ketoglutaarzuur (een intermediair van de citroenzuurcyclus) door het enzym glutamaat dehydrogenase, wat leidt tot de vorming van glutamaat. * **Transaminering:** Aminogroepen worden overgedragen van reeds bestaande aminozuren (meestal glutamaat) naar $\alpha$-keto zuren. Dit proces wordt gekatalyseerd door transaminasen (aminotransferasen) en vereist pyridoxaal-5'-fosfaat (vitamine B6) als co-enzym. Glutamaat kan zijn aminogroep afstaan aan bijvoorbeeld oxaalacetaat om aspartaat te vormen, of aan pyruvaat om alanine te vormen. ### 2.2 Synthese van specifieke niet-essentiële aminozuren * **Glutamaat als precursor:** Glutamaat is een sleutelprecursor voor de synthese van andere aminozuren, waaronder glutamine (door amidatie met ammonium), proline (door cyclisatie van $\gamma$-glutamaat semialdehyde) en arginine (via de ureumcyclus). * **Serine en glycine:** Serine wordt gesynthetiseerd uit 3-fosfoglyceraat, een intermediair van de glycolyse. Glycine kan worden gevormd door de omzetting van serine, waarbij een koolstofatoom wordt afgesplitst en overgedragen op tetrahydrofolaat. * **Cysteïne:** De synthese van cysteïne omvat de reactie tussen homocysteïne en serine. ### 2.3 Dragers van één-koolstofeenheden: Tetrahydrofolaat (THF) Tetrahydrofolaat (THF), een afgeleide van vitamine B9, is essentieel als drager van één-koolstofeenheden (zoals methyl-, methyleen- en formylgroepen). * **Functie:** THF speelt een cruciale rol in de overdracht van deze groepen bij diverse reacties, waaronder de synthese van nucleotiden (thymidylaat) en de methylering van homocysteïne tot methionine. * **Foliumzuurdeficiëntie:** Een tekort aan foliumzuur kan leiden tot bloedarmoede, atherosclerose en geboorteafwijkingen (zoals spina bifida). ### 2.4 S-adenosylmethionine (SAM) en de geactiveerde methylcyclus S-adenosylmethionine (SAM) is de belangrijkste methylgroepdonor in het lichaam. Het wordt gevormd uit methionine en ATP. De geactiveerde methylcyclus reguleert de methylering van diverse moleculen en recycleert homocysteïne terug naar methionine, vaak met hulp van THF en vitamine B12. ## 3. Stofwisselingsziekten Stofwisselingsziekten die gerelateerd zijn aan aminozuurmetabolisme ontstaan door genetische defecten in enzymen die betrokken zijn bij de synthese of afbraak van aminozuren. ### 3.1 Fenylketonurie (PKU) * **Oorzaak:** Een genetisch defect in het enzym fenylalaninehydroxylase (PAH), dat fenylalanine (Phe) omzet in tyrosine. * **Gevolgen:** Een accumulatie van fenylalanine in het bloed. Tyrosine wordt hierdoor relatief essentieel. * **Symptomen:** Neurologische schade, mentale retardatie, indien onbehandeld. * **Behandeling:** Een dieet met een lage concentratie fenylalanine, waarbij voldoende tyrosine wordt aangeboden. Een populatietest bij pasgeborenen detecteert deze aandoening vroegtijdig. ### 3.2 Erfelijke tyrosinemie Verschillende vormen van erfelijke tyrosinemie zijn gerelateerd aan defecten in de afbraak van tyrosine, leidend tot ophoping van verschillende intermediairen en toxische effecten, met name op de lever en nieren. ### 3.3 Alkaptonurie Een defect in het homogentisaatdioxygenase leidt tot de accumulatie van homogentisaat, wat kan leiden tot bot- en kraakbeenaantasting. ### 3.4 Zuururemieën van vertakte ketenzuren (Maple Syrup Urine Disease) Defecten in het enzymcomplex van branched chain $\alpha$-keto acid dehydrogenase leiden tot accumulatie van valine, leucine en isoleucine, en hun $\alpha$-keto zuren. Dit veroorzaakt acidose en neurologische symptomen. ### 3.5 Homocystinurie Defecten in enzymen betrokken bij de cysteïnebiosynthese (bv. cystathionine $\beta$-synthase) leiden tot verhoogde homocysteïneconcentraties, wat het risico op cardiovasculaire problemen verhoogt. ### 3.6 Erfelijke aandoeningen van de ureumcyclus Defecten in enzymen van de ureumcyclus, zoals carbamoylfosfaatsynthetase I of ornithinetranscarbamoylase, leiden tot hyperammoniëmie en ernstige neurologische schade. ## 4. Katabolisme van aminozuren De afbraak van aminozuren kent twee hoofdroutes: 1. **Omzetting van de $\alpha$-aminogroep tot ammoniumionen ($NH_4^+$):** * **Transaminering:** De overdracht van de $\alpha$-aminogroep naar $\alpha$-ketoglutaarzuur, resulterend in glutamaat en een $\alpha$-ketozuur. Dit proces is omkeerbaar en wordt gekatalyseerd door transaminasen (AST en ALT zijn diagnostisch belangrijk voor leverbeschadiging). * **Desaminering:** Vrijmaken van de aminogroep als ammoniumion. De oxidatieve desaminering van glutamaat door glutamaat dehydrogenase is een belangrijke route. 2. **Afbraak van de koolstofskeletten:** De $\alpha$-keto zuren die overblijven na verwijdering van de aminogroep, worden verder afgebroken tot intermediairen die kunnen worden ingevoegd in de citroenzuurcyclus, omgezet in glucose (glucogene aminozuren), of omgezet in ketonlichamen (ketogene aminozuren). ### 4.1 Glucogene en ketogene aminozuren * **Glucogene aminozuren:** Hun afbraakproducten zijn intermediairen van de citroenzuurcyclus of pyruvaat, en kunnen worden gebruikt voor glucoseproductie via gluconeogenese. * **Ketogene aminozuren:** Hun afbraakproducten zijn acetyl-CoA of acetoacetaat, die kunnen worden omgezet in ketonlichamen. * **Gemengd:** Sommige aminozuren zijn zowel glucogeen als ketogeen. ### 4.2 Belang van vitamine B12 en biotine in aminozuurafbraak * **Vitamine B12 (cobalamine):** Essentieel co-enzym voor reacties zoals de omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA (afkomstig van de afbraak van vertakte keten aminozuren zoals valine en isoleucine) en de methylering van homocysteïne tot methionine. * **Biotine:** Een co-enzym dat nodig is voor carboxylatiereacties, zoals de omzetting van propionyl-CoA naar methylmalonyl-CoA. ### 4.3 Afbraak van specifieke aminozuurfamilies * **C-3 familie (bv. alanine, serine, cysteïne):** Eindigen typisch als pyruvaat. * **C-4 familie (bv. aspartaat, asparagine):** Eindigen als oxaalacetaat. * **C-5 familie (bv. glutamaat, glutamine, proline, arginine):** Kunnen eindigen als $\alpha$-ketoglutaraat of andere intermediairen. * **Vertakte keten aminozuren (valine, leucine, isoleucine):** Hun afbraak leidt tot propionyl-CoA en/of acetyl-CoA. * **Aromatische aminozuren (fenylalanine, tyrosine):** Hun afbraak verloopt via complexe routes die leiden tot intermediairen zoals acetoacetaat en fumaraat. ## 5. Aminozuren als precursoren van belangrijke biomoleculen (samenvatting) Amino's zijn fundamenteel voor de biosynthese van diverse biomoleculen: * **Purines en pyrimidines:** Glycine en glutamine leveren atomen voor deze nucleobasen. * **Heemring:** Glycine en succinyl-CoA zijn precursors. * **Hormonen:** Tyrosine is de precursor voor schildklierhormonen (T3, T4) en catecholamines (dopamine, noradrenaline, adrenaline). Tryptofaan is een precursor voor serotonine en melatonine. * **Neurotransmitters:** Naast catecholamines en serotonine, zijn ook glycine en $\gamma$-aminoboterzuur (afgeleid van glutamaat) belangrijke neurotransmitters. * **Creatine:** Arginine en glycine zijn precursors. --- # Biosynthese van aminozuren De biosynthese van aminozuren omvat de oorsprong van de aminogroep en het koolstofskelet, evenals de mechanismen van hun vorming via éénstapsreacties en de rol van specifieke co-enzymen. ### 2.1 De oorsprong van de aminogroep en het koolstofskelet De aminogroep die in aminozuren wordt geïntegreerd, is afkomstig van ammoniumionen ($NH_4^+$). Bij micro-organismen en planten wordt moleculaire stikstof ($N_2$) gefixeerd en gereduceerd tot $NH_4^+$. Dieren verkrijgen ammoniumionen voornamelijk via de voeding. De universele acceptor van $NH_4^+$ in de biosynthese van aminozuren is $\alpha$-ketoglutaraat, een intermediair van de citroenzuurcyclus. Het enzym glutamaat dehydrogenase katalyseert de reductieve aminatie van $\alpha$-ketoglutaraat met $NH_4^+$ en $NADPH$ om glutamaat te vormen. Het koolstofskelet van aminozuren is afkomstig van intermediairen van de glycolyse, de pentosefosfaatroute en de citroenzuurcyclus, evenals van andere aminozuren. Deze intermediairen worden via verschillende reacties, waaronder transaminering, omgezet in de koolstofskeletten van niet-essentiële aminozuren. ### 2.2 Synthese door middel van éénstapsreacties #### 2.2.1 Transaminering Transaminering is een cruciale éénstapsreactie waarbij de aminogroep van een donoraminozuur, meestal glutamaat, wordt overgedragen op een $\alpha$-ketozuur. Het enzym dat deze reactie katalyseert, wordt een transaminase of aminotransferase genoemd. Hierbij wordt het donoraminozuur omgezet in zijn corresponderende $\alpha$-ketozuur, en het oorspronkelijke $\alpha$-ketozuur wordt omgezet in een nieuw aminozuur. Glutamaat speelt hierin een centrale rol, omdat het als buffer voor aminogroepen fungeert. * **Mechanisme:** Transaminering vereist pyridoxalfosfaat (PLP), een co-enzym afgeleid van vitamine B6, dat covalent gebonden is aan een lysine-residu in het enzym. PLP fungeert als een shuttle voor de aminogroep. De reactie verloopt in twee fasen: eerst wordt de aminogroep van het aminozuur overgedragen op PLP, waarbij pyridoxaminefosfaat (de gereduceerde vorm van PLP) ontstaat. Vervolgens wordt de aminogroep van pyridoxaminefosfaat overgedragen op het $\alpha$-ketozuur, waardoor het nieuwe aminozuur en de geoxideerde vorm van PLP worden gevormd. * **Diagnostische betekenis:** Enzymen zoals aspartaat aminotransferase (AST) en alanine aminotransferase (ALT) zijn betrokken bij transaminering. Verhoogde concentraties van deze enzymen in het bloed duiden vaak op leverbeschadiging. #### 2.2.2 Oxidatieve desaminering van glutamaat Glutamaat kan ook direct worden gedesamineerd, waarbij de aminogroep wordt vrijgegeven als ammoniumion. Dit gebeurt door het enzym glutamaat dehydrogenase, dat $NAD(P)H$ gebruikt om glutamaat te oxideren en tegelijkertijd $NH_4^+$ vrij te geven. Het evenwicht van deze reactie ligt normaal gezien naar de vorming van glutamaat, maar kan verschuiven naar desaminering bij een overmaat aan stikstof in het lichaam, wat de weg vrijmaakt voor de uitscheiding van stikstof via de ureumcyclus. #### 2.2.3 Amidatie Amidatie betreft de toevoeging van een tweede aminogroep, meestal aan de zijketen van een aminozuur. Een belangrijk voorbeeld is de synthese van glutamine uit glutamaat, gekatalyseerd door glutamine synthetase, waarbij ATP en een ammoniumion worden gebruikt. Asparagine wordt op vergelijkbare wijze gevormd uit aspartaat met behulp van asparagine synthetase. Deze reacties vereisen energie in de vorm van ATP. #### 2.2.4 Hydroxylering Hydroxylering is de toevoeging van een hydroxylgroep aan een aminozuur. Een prominent voorbeeld is de omzetting van fenylalanine naar tyrosine, gekatalyseerd door fenylalanine hydroxylase. Dit enzym vereist tetrahydrobiopterine (BH4) als co-factor. Bij een genetisch defect in fenylalanine hydroxylase ontstaat fenylketonurie (PKU), waarbij fenylalanine zich ophoopt en tyrosine een essentieel aminozuur wordt. #### 2.2.5 Glutamaat als precursor voor proline en arginine Glutamaat is de precursor voor zowel proline als arginine. * **Proline:** Glutamaat wordt eerst gereduceerd tot glutamaat-semialdehyde. Dit intermediair ondergaat vervolgens spontane cyclisatie en reductie om proline te vormen. * **Arginine:** Glutamaat wordt omgezet in glutamaat-semialdehyde, dat vervolgens via transaminering wordt omgezet in ornithine. Ornithine is een belangrijk intermediair in de ureumcyclus en wordt verder gemodificeerd om arginine te vormen. #### 2.2.6 De synthese van serine (en glycine) Serine wordt gesynthetiseerd vanuit 3-fosfoglyceraat, een intermediair van de glycolyse. Dit proces omvat oxidatie, transaminering en defosforylering. Glycine kan worden gevormd uit serine door het verlies van een koolstofatoom (een hydroxymethylgroep), waarbij tetrahydrofolaat betrokken is. ### 2.3 Dragers van éénkoolstofeenheden Dragers van éénkoolstofeenheden zijn essentiële co-enzymen die eenmalige koolstofgroepen (zoals methyl, methyleen of formylgroepen) kunnen accepteren en doneren voor biosynthetische reacties. De belangrijkste dragers zijn tetrahydrofolaat (THF) en S-adenosylmethionine (SAM). #### 2.3.1 Tetrahydrofolaat (THF) Tetrahydrofolaat, afgeleid van foliumzuur (vitamine B9), is een cruciaal co-enzym dat diverse éénkoolstofgroepen kan transporteren. De actieve delen van THF zijn de stikstofatomen N5 en N10, waaraan de éénkoolstofeenheden gebonden zijn. * **Reductie:** Foliumzuur ondergaat sequentieel reductie om dihydrofolaat en vervolgens tetrahydrofolaat te vormen, met behulp van $NADPH$. * **Functies:** THF is betrokken bij de synthese van serine uit glycine, de methylering van homocysteïne tot methionine (waarbij THF-methylgroepen worden gebruikt), de afbraak van histidine tot glutamaat, en de biosynthese van purines en pyrimidines. * **Foliumzuurdeficiëntie:** Gebrek aan foliumzuur kan leiden tot deficiëntie, met gevolgen zoals bloedarmoede, atherosclerose en geboorteafwijkingen (bv. spina bifida). #### 2.3.2 S-adenosylmethionine (SAM) en de geactiveerde methylcyclus S-adenosylmethionine (SAM) is een geactiveerde vorm van methionine en fungeert als een belangrijke methylgroepdonor in tal van biosynthetische reacties. * **Vorming:** Methionine wordt gekoppeld aan ATP om SAM te vormen. Hierbij komen drie fosfaatgroepen vrij, en de methylgroep van methionine wordt geactiveerd, waardoor deze gemakkelijker overdraagbaar wordt. * **Geactiveerde methylcyclus:** In deze cyclus wordt de methylgroep van SAM overgedragen op een acceptor molecuul, waarbij S-adenosylhomocysteïne ontstaat. S-adenosylhomocysteïne wordt vervolgens afgebroken tot homocysteïne. Homocysteïne kan worden gerecycleerd tot methionine met behulp van THF en vitamine B12. * **Methylgroepacceptoren:** SAM is essentieel voor de methylering van diverse moleculen, waaronder neurotransmitters (bv. adrenaline, noradrenaline), creatine, choline en fosfolipiden. #### 2.3.3 Cobalamine (Vitamine B12) co-enzymen Vitamine B12 fungeert als co-enzym in twee belangrijke reacties: 1. **Omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA:** Dit is cruciaal voor het metabolisme van bepaalde vertakte aminozuren en vetzuren. Hierbij speelt het kobaltion in het centrum van de cobalamine een rol in het faciliteren van radicaalreacties. 2. **Methylering van homocysteïne tot methionine:** In deze reactie werkt cobalamine samen met THF om de methylgroep van N5-methyl-THF over te dragen op homocysteïne, waardoor methionine wordt gevormd. Dit is essentieel voor het aanvullen van de SAM-voorraad. ### 2.4 De biosynthese van cysteïne Cysteïne wordt gesynthetiseerd uit serine en homocysteïne. Het enzym cystathionine $\beta$-synthase katalyseert de vorming van cystathionine, dat vervolgens door cystathionine $\beta$-lyase wordt gesplitst om cysteïne, $\alpha$-ketobutyraat en ammonium te vormen. Defecten in dit traject kunnen leiden tot homocystinurie. ### 2.5 Overzicht van de biosynthese van niet-essentiële aminozuren De niet-essentiële aminozuren worden gesynthetiseerd vanuit intermediairen van de glycolyse, de citroenzuurcyclus en andere metabolische paden. De sleutelreacties zijn transaminering en amidatie, waarbij de aminogroep afkomstig is van glutamaat of ammoniumionen. > **Tip:** Het is nuttig om de precursor-moleculen te kennen waaruit elk niet-essentieel aminozuur ontstaat. | Precursor | Niet-essentiële aminozuren gevormd | | :----------------- | :--------------------------------- | | $\alpha$-ketoglutaraat | Glutamaat, Arginine, Proline, Glutamine | | Oxaalacetaat | Aspartaat, Asparagine | | Pyruvaat | Alanine, Serine, Cysteïne | | 3-fosfoglyceraat | Serine, Glycine | Sommige aminozuren, zoals methionine en cysteïne, worden soms als 'essentieel' beschouwd vanwege hun rol in specifieke metabole cycli, hoewel ze in principe door het lichaam kunnen worden gesynthetiseerd. --- # Katabolisme van aminozuren en de ureumcyclus Het katabolisme van aminozuren omvat de afbraak van aminozuren, waarbij de aminogroep wordt omgezet tot ammoniumionen en de koolstofskeletten worden gebruikt voor energieproductie of de synthese van andere biomoleculen, met de ureumcyclus als cruciale route voor de ontgifting van overtollige stikstof. ## 3. Katabolisme van aminozuren en de ureumcyclus ### 3.1 Algemeen overzicht van het aminozuurmetabolisme Het aminozuurmetabolisme kan worden onderverdeeld in twee hoofdonderdelen: de biosynthese (anabolisme) en de afbraak (katabolisme) van aminozuren. Aminozuren komen uit voeding via vertering, de afbraak van lichaamseigen eiwitten, of via de novo synthese. De afbraakwegen van aminozuren bestaan uit twee hoofdcomponenten: de omzetting van de aminogroep naar ammoniumionen en de verwerking van de koolstofskeletten. ### 3.2 Omzetting van de  -aminogroep tot ammoniumionen De aminogroep ($-\text{NH}_2$) van aminozuren wordt voornamelijk omgezet in ammoniumionen ($-\text{NH}_4^+$). Dit gebeurt via twee belangrijke processen: transaminering en desaminering. #### 3.2.1 Transaminering Transaminering is een reactie waarbij de aminogroep van een aminozuur wordt overgedragen op een $\alpha$-ketozuur, met glutamaat als centrale acceptor van de aminogroep. Hierbij wordt het oorspronkelijke aminozuur omgezet in zijn corresponderende $\alpha$-ketozuur. * **Rol van transaminasen:** Deze enzymen, zoals aspartaat aminotransferase (AST) en alanine aminotransferase (ALT), katalyseren de overdracht van de aminogroep. Verhoogde concentraties van AST en ALT in het bloed zijn indicatoren van leverbeschadiging. * **Cofactor:** Het co-enzym pyridoxalfosfaat (vitamine B6) is essentieel voor transamineringsreacties. Het is covalent gebonden aan het enzym, maar kan loskomen en de aminogroep overdragen. * **Mechanisme:** De reactie verloopt in twee fasen, waarbij pyridoxalfosfaat eerst de aminogroep van het aminozuur ontvangt, en vervolgens de aminogroep overdraagt op het $\alpha$-ketozuur. Vrij ammonium wordt hierbij niet gevormd; de aminogroep wordt getransfereerd. #### 3.2.2 Desaminering Desaminering verwijdert de aminogroep van een aminozuur, resulterend in de vorming van een $\alpha$-ketozuur en een ammoniumion. * **Oxidatieve desaminering van glutamaat:** Glutamaatdehydrogenase is een sleutelenzym dat glutamaat oxideert, waarbij een $\alpha$-ketoglutaraat en een ammoniumion worden gevormd. Het evenwicht van deze reactie ligt normaal gesproken naar de vorming van glutamaat, maar bij een teveel aan stikstof in het lichaam verschuift het naar de vorming van ammonium, dat vervolgens wordt afgevoerd via de ureumcyclus. $$ \text{Glutamaat} + \text{NAD}^+ \rightleftharpoons \alpha\text{-ketoglutaraat} + \text{NH}_4^+ + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ * **Desaminering van serine en threonine:** Serine dehydratase en threonine dehydratase katalyseren de directe desaminering van serine en threonine, wat resulteert in de vorming van ammoniumionen. ### 3.3 De ureumcyclus De ureumcyclus is een metabolische route die plaatsvindt in de lever en essentieel is voor de ontgifting van overtollige ammoniumionen, die toxisch zijn voor het lichaam, met name voor de hersenen. De cyclus zet ammoniumionen om in ureum, dat vervolgens via de urine wordt uitgescheiden. > **Tip:** Een teveel aan ammoniumionen kan leiden tot ernstige neurologische symptomen, zoals geheugenproblemen, hersenoedeem en coma. * **Totale reactie:** $$ \text{NH}_4^+ + \text{CO}_2 + 3\text{ATP} + 3\text{H}_2\text{O} + \text{aspartaat} \rightarrow \text{ureum} + \text{fumaraat} + 2\text{ADP} + \text{AMP} + 4\text{P}_i + 6\text{H}^+ $$ De twee stikstofatomen in ureum zijn afkomstig van ammoniumionen en aspartaat, terwijl de carbonylgroep afkomstig is van CO$_2$. #### 3.3.1 Stappen van de ureumcyclus 1. **Synthese van carbamoylfosfaat:** Ammoniumionen en CO$_2$ (als bicarbonaat) worden, met verbruik van ATP, door carbamoylfosfaatsynthetase I omgezet in carbamoylfosfaat. Dit gebeurt in de mitochondriale matrix. $$ \text{NH}_4^+ + \text{HCO}_3^- + 2\text{ATP} \rightarrow \text{carbamoylfosfaat} + 2\text{ADP} + \text{P}_i + 2\text{H}^+ $$ 2. **Synthese van citrulline:** Carbamoylfosfaat reageert met ornithine, gekatalyseerd door ornithinetranscarbamoylase, tot citrulline. Dit is de eerste stap buiten de mitochondriën, in het cytoplasma. $$ \text{carbamoylfosfaat} + \text{ornithine} \rightarrow \text{citrulline} + \text{P}_i $$ 3. **Vorming van argininosuccinaat:** Citrulline condenseert met aspartaat, onder verbruik van ATP, tot argininosuccinaat. Deze reactie wordt gekatalyseerd door argininosuccinaatsynthetase. Het aspartaat levert de tweede stikstofatoom voor ureum. $$ \text{citrulline} + \text{aspartaat} + \text{ATP} \rightarrow \text{argininosuccinaat} + \text{AMP} + \text{PP}_i $$ 4. **Splitsing van argininosuccinaat:** Argininosuccinase splitst argininosuccinaat in arginine en fumaraat. Fumaraat kan vervolgens de citroenzuurcyclus ingaan. $$ \text{argininosuccinaat} \rightarrow \text{arginine} + \text{fumaraat} $$ 5. **Vorming van ureum en ornithine:** Arginase hydrolyseert arginine, waarbij ureum en ornithine worden gevormd. Ornithine wordt geregenereerd en kan opnieuw de cyclus ingaan. $$ \text{arginine} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ureum} + \text{ornithine} $$ #### 3.3.2 Transport van ammonium Ammoniumionen worden vanuit perifere weefsels naar de lever getransporteerd, voornamelijk gebonden aan glutamine (Gln), asparagine (Asn) en alanine (Ala). In de lever wordt glutamine door glutaminase afgebroken tot glutamaat en ammonium. #### 3.3.3 Erfelijke aandoeningen van de ureumcyclus Defecten in enzymen van de ureumcyclus leiden tot hyperammoniëmie (verhoogde ammoniumconcentraties in het bloed). Volledige blokkades zijn letaal, terwijl gedeeltelijke blokkades kunnen leiden tot zwakzinnigheid en andere neurologische problemen. Voorbeelden zijn deficiënties van carbamoylfosfaatsynthetase I en ornithinetranscarbamoylase. ### 3.4 Afbraak van de koolstofskeletten van aminozuren De koolstofskeletten van aminozuren worden na verwijdering van de aminogroep omgezet in intermediairen van centrale metabolische routes, zoals de glycolyse, de citroenzuurcyclus, acetyl-CoA, of acetoacetyl-CoA. * **Glucogene aminozuren:** Deze aminozuren kunnen worden omgezet in pyruvaat, $\alpha$-ketoglutaraat, succinyl-CoA, fumaraat of oxaalacetaat. Deze intermediairen kunnen vervolgens worden gebruikt voor glucoseproductie via gluconeogenese. * **C-3 familie:** Alanine, serine, cysteïne worden omgezet in pyruvaat. Glycine kan worden omgezet in serine en vervolgens in pyruvaat. * **C-4 familie:** Asparagine en aspartaat worden omgezet in oxaalacetaat. Threonine wordt deels omgezet in acetyl-CoA en deels in pyruvaat. * **C-5 familie:** Glutamine en glutamaat worden omgezet in $\alpha$-ketoglutaraat. Proline, arginine en ornithine worden eveneens omgezet in intermediairen van de citroenzuurcyclus of voorlopers daarvan. * **Keto-gene aminozuren:** Deze aminozuren worden omgezet in acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA, die kunnen worden gebruikt voor de vorming van ketonlichamen of vetzuren. * **C-3 familie:** Alanine, serine, cysteïne kunnen ook leiden tot acetyl-CoA vorming. * **Vertakte keten aminozuren:** Leucine wordt omgezet in acetyl-CoA en acetoacetaat. Isoleucine wordt omgezet in acetyl-CoA en succinyl-CoA. Valine wordt omgezet in propionyl-CoA, dat verder kan worden omgezet in succinyl-CoA. * **Aromatische aminozuren:** Fenylalanine en tyrosine worden afgebroken tot acetoacetaat en fumaraat. Tryptofaan wordt onder andere afgebroken tot acetoacetyl-CoA en alanine. * **Lysine:** Wordt omgezet in acetoacetyl-CoA. * **Methionine:** Wordt omgezet in succinyl-CoA. * **Glucogeen en ketogeen aminozuren:** Sommige aminozuren (zoals isoleucine, fenylalanine, tyrosine, tryptofaan, threonine) kunnen zowel glucogeen als ketogeen zijn, wat betekent dat hun afbraakproducten zowel voor glucoseproductie als voor ketonlichaamvorming kunnen worden gebruikt. #### 3.4.1 Vitamine B12 en de omzetting van propionyl-CoA Vitamine B12 (cobalamine) is cruciaal voor de omzetting van propionyl-CoA (een afbraakproduct van valine, isoleucine, methionine en threonine) naar succinyl-CoA. Dit proces omvat een radicalenmechanisme waarbij het cobaltion in vitamine B12 een centrale rol speelt. Dit is een voorbeeld van hoe een niet-essentieel eindproduct (propionyl-CoA) wordt omgezet in een nuttig intermediair van de citroenzuurcyclus. ### 3.5 Stofwisselingsziekten gerelateerd aan aminozuurafbraak Defecten in de afbraak van aminozuren kunnen leiden tot de accumulatie van specifieke aminozuren, hun afbraakproducten, of toxische intermediairen. Dit kan resulteren in diverse stofwisselingsziekten. * **Hyperaminozuururemieën:** Algemene verhoogde concentraties van aminozuren in bloed en urine. * **Fenylketonurie (PKU):** Een genetisch defect in fenylalaninehydroxylase, waardoor fenylalanine niet kan worden omgezet in tyrosine. Dit leidt tot accumulatie van fenylalanine en zijn toxische afbraakproducten, wat ernstige neurologische schade kan veroorzaken. Behandeling vereist een dieet arm aan fenylalanine, waarbij tyrosine als een semi-essentieel aminozuur wordt beschouwd. * **Erfelijke tyrosinemieën:** Defecten in de afbraak van tyrosine, leidend tot accumulatie van toxische intermediairen zoals 4-hydroxyphenylpyruvaat, homogentisaat, of fumarylacetoacetaat. * **Zuururemieën van vertakte ketozuren:** Defecten in de afbraak van vertakte ketenzuren (valine, leucine, isoleucine), zoals bij de 'maple syrup urine disease', waarbij de corresponderende $\alpha$-ketozuren zich ophopen. ### 3.6 Aminozuren als precursoren van belangrijke biomoleculen Naast hun rol in eiwitsynthese en energieproductie, dienen aminozuren als bouwstenen voor diverse belangrijke biomoleculen: * **Purines en pyrimidines:** Glycine, glutamine, aspartaat en CO$_2$ zijn betrokken bij de synthese van de stikstofbasen van nucleïden. * **Haem:** Glycine en succinyl-CoA zijn precursors voor de heemring, essentieel voor hemoglobine en cytochromen. * **Creatine:** Arginine, glycine en methionine zijn betrokken bij de synthese van creatine, een belangrijke energiereserve in spieren. * **Neurotransmitters:** * **Glutamaat:** Een belangrijke excitatoire neurotransmitter. * **GABA ($\gamma$-aminoboterzuur):** Gevormd uit glutamaat, een belangrijke inhibitoire neurotransmitter. * **Serotonine:** Afgeleid van tryptofaan, gereguleerd door medicijnen zoals Prozac. * **Catecholamines (dopamine, noradrenaline, adrenaline):** Afgeleid van tyrosine. * **Hormonen:** Schildklierhormonen (T3 en T4) zijn afgeleid van tyrosine. * **Pigmenten:** Melaninen, zoals pheomelanine, zijn afgeleid van tyrosine en spelen een rol bij albinisme. * **Choline:** Afgeleid van serine en methionine, een component van fosfolipiden en acetylcholine. * **Stikstofoxide (NO):** Afgeleid van arginine, een belangrijke signaalmolecule. --- # Aminozuren als precursoren van biomoleculen Aminozuren vormen niet alleen de bouwstenen voor eiwitten, maar dienen ook als essentiële voorlopers (precursoren) voor een breed scala aan andere belangrijke biomoleculen, waaronder purines, pyrimidines, creatine, neurotransmitters en schildklierhormonen. Dit hoofdstuk verkent de diverse rollen van aminozuren in deze biosynthetische pathways. ### 4.1 Biosynthese van belangrijke biomoleculen uit aminozuren Aminozuren leveren de atomen en koolstofskeletten die nodig zijn voor de synthese van essentiële verbindingen. #### 4.1.1 Purines en pyrimidines De stikstofatomen in de ringstructuren van purines en pyrimidines, de bouwstenen van nucleïerenzuren, zijn afkomstig van verschillende aminozuren. * **Purine ring:** De atomen van de purine ring worden aangeleverd door glycine, glutamine, aspartaat en CO$_2$. * **Pyrimidine ring:** De atomen van de pyrimidine ring komen voornamelijk van aspartaat en carbamoyl-fosfaat. Carbamoyl-fosfaat wordt zelf gevormd uit ammoniumionen, CO$_2$ en ATP. #### 4.1.2 Creatine Creatine is een molecuul dat belangrijk is voor de energieopslag in spieren. De synthese ervan vindt plaats door de condensatie van twee aminozuren: arginine en glycine. * Arginine levert het guanidino-gedeelte. * Glycine levert een deel van het koolstofskelet. De daaropvolgende methylering van guanidinoacetaat (de directe precursor van creatine) wordt gekatalyseerd door S-adenosylmethionine (SAM), wat aangeeft dat methionine ook indirect een rol speelt in de creatine-synthese. #### 4.1.3 Neurotransmitters Verschillende aminozuren zijn precursors van belangrijke neurotransmitters, moleculen die betrokken zijn bij cel-cel communicatie in het zenuwstelsel. * **Glutamaat:** Dit is een belangrijke excitatoire neurotransmitter. * **Glycine en gamma-aminoboterzuur (GABA):** Deze fungeren als inhibitoire neurotransmitters. GABA wordt gevormd uit glutamaat door decarboxylering. * **Dopamine, noradrenaline en adrenaline (catecholamines):** Deze worden gesynthetiseerd uit tyrosine. Het proces begint met de hydroxylering van tyrosine tot DOPA (dihydroxyphenylalanine), gevolgd door decarboxylering tot dopamine. Verdere hydroxylering en methylering leiden tot noradrenaline en adrenaline. * **Serotonine (5-hydroxytryptamine):** Dit is een belangrijke neurotransmitter afgeleid van het aminozuur tryptofaan. * **Histamine:** Ontstaat uit histidine door decarboxylering. Histamine is een vasodilator en speelt ook een rol in allergische reacties. #### 4.1.4 Schildklierhormonen Tyrosine is de directe precursor van de schildklierhormonen thyroxine (T4) en tri-joodthyronine (T3). De synthese omvat de jodinering van tyrosine-residuen binnen het thyreoglobuline-eiwit, gevolgd door koppeling van gejodeerde thyrosine-eenheden. #### 4.1.5 Andere biomoleculen * **Haem-ring:** Glycine is een essentiële bouwsteen voor de synthese van de haem-ring, het ijzerhoudende component van hemoglobine en cytochromen. Het andere deel van de precursor is succinyl-CoA. * **Sfingoïd basen:** Serine is een precursor voor de synthese van sfingosinen, lipide-componenten van celmembranen. * **Choline:** Hoewel niet direct afkomstig van een enkel aminozuur, is de methylering van ethanolamine (afgeleid van serine) voor de synthese van choline afhankelijk van SAM. Choline is een precursor van acetylcholine, een belangrijke neurotransmitter. * **Stikstofoxide (NO):** Arginine is de precursor voor de synthese van stikstofoxide (NO), een belangrijk signaalmolecuul met diverse fysiologische functies, waaronder vaatverwijding. ### 4.2 Aminozuren als dragers van één-koolstofeenheden Bepaalde reacties in het metabolisme vereisen de overdracht van één-koolstofeenheden (zoals methyl-, methyleen- of formylgroepen). Tetrahydrofolaat (THF), een derivaat van foliumzuur (vitamine B9), speelt hierin een cruciale rol als co-enzym. THF kan deze groepen op verschillende posities binden (N5, N10, of N5-N10) en ze overdragen aan andere moleculen. * **Serine en glycine:** De omzetting van serine naar glycine is een belangrijke reactie waarbij een één-koolstofeenheid (de methylenengroep van serine) wordt afgestaan. Deze groep wordt opgevangen door THF, wat leidt tot de vorming van N5,N10-methyl-THF. * **Methionine-synthese:** THF is essentieel voor de methylering van homocysteïne tot methionine via N5-methyl-THF. Dit proces is cruciaal voor de regeneratie van methionine en de geactiveerde methylcyclus. * **Purine en pyrimidine synthese:** THF levert één-koolstofeenheden die worden ingebouwd in de ringstructuren van purines en pyrimidines. * **Histidine metabolisme:** Bij de afbraak van histidine wordt ook een N-formylgroep gevormd die via THF wordt verwerkt. ### 4.3 S-adenosylmethionine en de geactiveerde methylcyclus S-adenosylmethionine (SAM) is een belangrijke methyldonor in veel biosynthetische reacties. Methionine wordt geactiveerd door koppeling aan ATP, wat resulteert in SAM. * **Geactiveerde methylcyclus:** Na het afstaan van zijn methylgroep wordt SAM omgezet in S-adenosylhomocysteïne, dat vervolgens wordt gehydrolyseerd tot homocysteïne en adenosine. Homocysteïne kan opnieuw worden gemethyleerd tot methionine, waarbij N5-methyl-THF (gevormd via THF) de methylgroep levert. Deze cyclus zorgt voor de regeneratie van methionine en de efficiënte overdracht van methylgroepen. * **Methylering van DNA, RNA, eiwitten en kleine moleculen:** SAM is betrokken bij de methylering van diverse biomoleculen, waaronder creatine, choline, adrenaline en de catecholring van neurotransmitters. ### 4.4 Werking van vitamine B12 (cobalamine) Vitamine B12 is een essentieel co-enzym in twee belangrijke biochemische reacties: 1. **Omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA:** Dit is cruciaal voor het katabolisme van bepaalde vertakte aminozuren (zoals valine en isoleucine) en vetzuren. Het defect in deze reactie leidt tot de ophoping van methylmalonyl-CoA en kan ernstige neurologische problemen veroorzaken. 2. **Regeneratie van methionine:** Vitamine B12 is betrokken bij de methyldonatie van N5-methyl-THF aan homocysteïne om methionine te vormen. Dit proces is essentieel voor de geactiveerde methylcyclus. De actieve vorm van vitamine B12 is de cobalamine-coënzyme, waarin een cobaltion centraal staat. ### 4.5 Aminozuren als precursoren van heterocyclische verbindingen Naast purines en pyrimidines, vormen aminozuren ook de basis voor andere heterocyclische verbindingen. * **Cysteïne:** De biosynthese van cysteïne uit homocysteïne en serine is een voorbeeld van de vorming van een aminozuur met een zwavelbevattende zijketen. Cysteïne is een precursor voor onder andere taurine. * **Melanine:** Tyrosine is de precursor voor de synthese van melanine, het pigment dat verantwoordelijk is voor de kleur van huid, haar en ogen. Albinisme ontstaat door een defect in de melaninesynthese. * **Choline en Ethanolamine:** Hoewel niet direct aminozuren, zijn deze betrokken bij de synthese van fosfolipiden en zijn ze gerelateerd aan serine metabolisme. ### 4.6 De rol van aminozuren in de energiehuishouding Tijdens perioden van vasten of honger kunnen aminozuren worden afgebroken om energie te leveren. Het koolstofskelet van de aminozuren kan worden omgezet in: * **Pyruvaat:** Deze aminozuren worden *glucogeen* genoemd en kunnen worden gebruikt voor gluconeogenese om glucose aan te maken. * **Intermediairen van de citroenzuurcyclus:** Deze aminozuren zijn ook glucogeen. * **Acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA:** Deze aminozuren worden *ketogeen* genoemd en kunnen worden omgezet in ketonlichamen, die als brandstof kunnen dienen voor de hersenen tijdens langdurig vasten. Sommige aminozuren, zoals leucine en lysine, zijn puur ketogeen. Andere, zoals isoleucine, fenylalanine, tyrosine en tryptofaan, zijn zowel glucogeen als ketogeen. De overige aminozuren zijn glucogeen. ### 4.7 Stofwisselingsziekten gerelateerd aan aminozuurafbraak Defecten in de enzymen die betrokken zijn bij het aminozuurmetabolisme kunnen leiden tot ernstige stofwisselingsziekten. * **Fenylketonurie (PKU):** Een tekort aan het enzym fenylalanine hydroxylase leidt tot een ophoping van fenylalanine en zijn metabolieten. Dit kan leiden tot neurologische schade als het niet vroegtijdig wordt behandeld met een speciaal dieet. * **Homocystinurie:** Een defect in de cystathionine $\beta$-synthase of cystathionine $\beta$-lyase leidt tot een verhoogde concentratie homocysteïne. Dit verhoogt het risico op cardiovasculaire aandoeningen en andere gezondheidsproblemen. * **Maple Syrup Urine Disease (MSUD):** Een defect in het enzymcomplex dat vertakte $\alpha$-keto zuren afbreekt, leidt tot een ophoping van valine, leucine en isoleucine in het bloed en de urine, met een kenmerkende zoete geur. * **Erfelijke tyrosinemie:** Verschillende vormen van deze ziekte worden veroorzaakt door defecten in de afbraak van tyrosine, wat leidt tot accumulatie van toxische metabolieten. * **Alkaptonurie:** Een defect in homogentisaatdioxygenase leidt tot de ophoping van homogentisaat, dat in de urine wordt uitgescheiden en bij oxidatie een donkere kleur veroorzaakt. Dit kan leiden tot gewrichtsproblemen (ocronose). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |---|---| | Aminozuurmetabolisme | Het geheel van biochemische processen die betrokken zijn bij de synthese (anabolisme) en afbraak (katabolisme) van aminozuren, alsook hun rol als precursors voor andere belangrijke biomoleculen. | | Essentiële aminozuren | Aminozuren die het lichaam niet zelf kan synthetiseren en die via de voeding moeten worden opgenomen. | | Niet-essentiële aminozuren | Aminozuren die het lichaam zelf kan aanmaken, vaak uit intermediairen van koolhydraat- of vetmetabolisme. | | Biosynthese van aminozuren | Het proces waarbij aminozuren in levende organismen worden aangemaakt, zowel de novo als uit andere moleculen. | | Katabolisme van aminozuren | De afbraak van aminozuren, waarbij de aminogroep wordt verwijderd en het koolstofskelet wordt omgezet in metabolieten die kunnen worden gebruikt voor energieproductie of de synthese van andere moleculen. | | Ureumcyclus | Een cyclisch biochemisch proces dat plaatsvindt in de lever en dient voor de omzetting van giftig ammoniumionen naar het minder toxische ureum, dat vervolgens via de nieren wordt uitgescheiden. | | Transaminering | Een enzymatische reactie waarbij een aminogroep wordt overgedragen van een aminozuur op een ketozuur, wat essentieel is voor de synthese en afbraak van aminozuren. | | Tetrahydrofolaat (THF) | Een co-enzym afgeleid van vitamine B9 (foliumzuur) dat essentieel is voor de overdracht van éénkoolstofeenheden (zoals methyl-, methyleen- en formylgroepen) in diverse biochemische reacties, waaronder de synthese van nucleotiden en aminozuren. | | S-adenosylmethionine (SAM) | Een geactiveerde vorm van methionine die fungeert als de belangrijkste methyldonor in biologische systemen, betrokken bij tal van methyleringsreacties die cruciaal zijn voor de synthese van diverse biomoleculen. | | Vitamine B12 (Cobalamine) | Een essentiële vitamine die fungeert als co-enzym in verschillende belangrijke reacties, waaronder de omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA en de methylering van homocysteïne tot methionine. | | Ketoaciden (ketonenlichamen) | Moleculen zoals acetoacetaat, β-hydroxybutyraat en aceton die worden gevormd tijdens de afbraak van vetzuren en sommige aminozuren. Ze kunnen als alternatieve energiebron dienen, vooral tijdens perioden van vasten of bij koolhydraatarme diëten. | | Glucogene aminozuren | Aminozuren waarvan het afbraakproduct kan worden omgezet in glucose via gluconeogenese. | | Ketogene aminozuren | Aminozuren waarvan het afbraakproduct kan worden omgezet in ketonenlichamen. | | Purines | Een klasse van stikstofhoudende heterocyclische verbindingen die essentiële bouwstenen zijn voor nucleïden (zoals adenine en guanine), en daarmee voor DNA en RNA, evenals voor energierijke moleculen zoals ATP. | | Pyrimidines | Een klasse van stikstofhoudende heterocyclische verbindingen die essentiële bouwstenen zijn voor nucleïden (zoals cytosine, thymine en uracil), en daarmee voor DNA en RNA. | | Neurotransmitters | Chemische boodschappers die door zenuwcellen worden afgegeven om signalen over te dragen naar andere cellen, zoals neuronen, spiercellen of kliercellen. Voorbeelden zijn serotonine, dopamine en adrenaline. | | Schildklierhormonen | Hormonen geproduceerd door de schildklier, voornamelijk thyroxine (T4) en tri-joodthyronine (T3), die een cruciale rol spelen in de regulatie van het metabolisme. | | Stofwisselingsziekten | Ziekten die worden veroorzaakt door defecten in de biochemische pathways van het lichaam, vaak als gevolg van genetische mutaties die leiden tot een tekort aan of een overmaat van bepaalde metabolieten. | | Phenylketonurie (PKU) | Een erfelijke stofwisselingsziekte waarbij het enzym fenylalaninehydroxylase, dat fenylalanine omzet in tyrosine, niet goed functioneert. Dit leidt tot een ophoping van fenylalanine in het bloed, wat ernstige neurologische schade kan veroorzaken als het niet tijdig wordt behandeld met een speciaal dieet. | | Ammoniumionen ($NH_4^+$) | Een positief geladen ion gevormd uit ammoniak, dat een centraal intermediair is in het stikstofmetabolisme en toxisch kan zijn in hoge concentraties. | | Carbamoylfosfaat | Een geactiveerd carbamoyl-anion dat een intermediair is in zowel de ureumcyclus als de pyrimidinesynthese. | | Citrulline | Een niet-eiwitvormend aminozuur dat een intermediair is in de ureumcyclus, gevormd uit ornithine en carbamoylfosfaat. | | Argininosuccinaat | Een intermediair in de ureumcyclus, gevormd uit citrulline en aspartaat, dat later wordt gesplitst in arginine en fumaraat. | | Fumaraat | Een intermediair in de citroenzuurcyclus en een product van de ureumcyclus, dat kan worden omgezet in malfaat en vervolgens weer in de citroenzuurcyclus kan worden ingevoerd. | | Ornithine | Een niet-eiwitvormend aminozuur dat een sleutelrol speelt in de ureumcyclus, waar het wordt geregenereerd na de vorming van ureum. | | Arginine | Een semi-essentieel aminozuur dat een intermediair is in de ureumcyclus en een precursor is voor stikstofoxide (NO). |

# Inleiding tot het aminozuurmetabolisme Het aminozuurmetabolisme omvat de synthese, afbraak en het gebruik van aminozuren als bouwstenen voor belangrijke biomoleculen, evenals de rol ervan bij stofwisselingsziekten. ## 1. Inleiding tot het aminozuurmetabolisme Het aminozuurmetabolisme is essentieel voor het leven, waarbij aminozuren een centrale rol spelen in tal van cellulaire processen. Ze dienen niet alleen als bouwstenen voor eiwitten, maar ook als precursors voor belangrijke biomoleculen zoals nucleotiden, hormonen en neurotransmitters. Daarnaast zijn aminozuren cruciaal voor de stikstofbalans van het lichaam en zijn afwijkingen in hun metabolisme gerelateerd aan diverse stofwisselingsziekten. ### 1.1 Het belang van het aminozuurmetabolisme AminoZuren zijn cruciaal voor: * **Eiwitsynthese**: Vormen de bouwstenen van polypeptiden. * **Precursors voor biomoleculen**: Worden gebruikt voor de synthese van onder andere porfyrines, purines, pyrimidines en lipiden. * **Stikstofbalans**: Reguleert de inname en uitscheiding van stikstof, met ammoniak als potentieel toxisch bijproduct dat wordt omgezet in ureum voor uitscheiding. * **Celcommunicatie**: Bepaalde aminozuren of daarvan afgeleide moleculen fungeren als signaalmoleculen. #### 1.1.1 De aminozuur-pool De "aminozuur-pool" verwijst naar de gemeenschappelijke reserves van aminozuren in het lichaam, afkomstig uit de voeding, de afbraak van lichaamseigen eiwitten, en *de novo* synthese. Deze pool is toegankelijk voor zowel eiwitsynthese als voor de aanmaak van andere biomoleculen. #### 1.1.2 Essentiële en niet-essentiële aminozuren * **Niet-essentiële aminozuren**: Kunnen door het lichaam zelf worden gesynthetiseerd. * Voorbeelden: alanine, arginine, asparagine, aspartaat, cysteine, glutamaat, glutamine, glycine, proline, serine, tyrosine. * **Essentiële aminozuren**: Kunnen niet door het lichaam worden gesynthetiseerd en moeten via de voeding worden verkregen. * Voorbeelden: histidine, isoleucine, leucine, lysine, methionine, fenylalanine, threonine, tryptofaan, valine. Een tekort aan zelfs één essentieel aminozuur kan leiden tot een "limiterend" effect op de eiwitsynthese en de algehele gezondheid, wat het belang van een evenwichtige voeding onderstreept. ### 1.2 De biosynthese van de aminozuren De biosynthese van aminozuren vereist de aanlevering van zowel de $\alpha$-aminogroep als het koolstofskelet. #### 1.2.1 De oorsprong van de $\alpha$-NH$_2$-groep * **Micro-organismen en planten**: Kunnen moleculaire stikstof ($N_2$) fixeren via een complex proces. * **Dieren**: Verkrijgen de $\alpha$-aminogroep voornamelijk uit ammoniak ($NH_4^+$), afkomstig uit de voeding of de afbraak van aminozuren. Het enzym glutamaatdehydrogenase speelt een sleutelrol bij de fixatie van ammoniak op $\alpha$-ketoglutaraat, een intermediair van de citroenzuurcyclus, om glutamaat te vormen. Dit proces vereist $NADPH$ als cosubstraat. #### 1.2.2 Het koolstofskelet De koolstofskeletten van aminozuren worden gesynthetiseerd uit: * Intermediairen van de citroenzuurcyclus (bv. $\alpha$-ketoglutaraat, oxaalacetaat). * Intermediairen van de glycolyse (bv. 3-fosfoglyceraat, pyruvaat). * Intermediairen van de pentosefosfaatroute. * Andere aminozuren. #### 1.2.3 Synthese door éénstapsreactie (Transaminering) Transaminering is een veelvoorkomende methode voor de synthese van aminozuren. Hierbij wordt de aminogroep van een donoraminozuur (vaak glutamaat) overgedragen op een $\alpha$-ketozuur, waardoor een nieuw aminozuur en een nieuw $\alpha$-ketozuur ontstaan. Dit proces wordt gekatalyseerd door aminotransferasen (transaminasen). Glutamaat fungeert hierbij als universele acceptor/donor van de aminogroep. * **Voorbeeld**: De synthese van alanine uit pyruvaat en glutamaat, gekatalyseerd door alanine-aminotransferase. #### 1.2.4 Synthese van specifieke aminozuren * **Glutamaat als precursor**: * Voor glutamine: Door amidatie van glutamaat met ammoniak, gekatalyseerd door glutaminesynthetase. * Voor proline: Via glutamaat-semialdehyde en pyrroline-5-carboxylaat. * Voor arginine: Betrekt de ureumcyclus intermediairen, zoals ornithine. * **Synthese van serine en glycine**: Serine wordt gesynthetiseerd uit 3-fosfoglyceraat, een glycolyse-intermediair, via fosfohydroxypyruvaat en fosfoserine, waarbij transaminering en defosforylering betrokken zijn. Glycine kan gevormd worden door de omgekeerde reactie van serine, waarbij een koolstofatoom wordt verwijderd en overgedragen aan tetrahydrofolaat. * **Cysteïne**: De synthese van cysteïne is afhankelijk van serine en homocysteïne. Het enzym cystathionine $\beta$-synthase en cystathionine $\beta$-lyase zijn hierbij betrokken. Een tekort hieraan kan leiden tot homocystinurie. #### 1.2.5 Dragers van één-koolstofeenheden: Tetrahydrofolaat (THF) en S-adenosylmethionine (SAM) * **Tetrahydrofolaat (THF)**: Een afgeleide van foliumzuur (vitamine B9), fungeert als een belangrijke drager van één-koolstofeenheden (methyl, methyleen, formylgroepen) in diverse biosynthetische reacties, waaronder de synthese van purines, pyrimidines, en de omzetting van serine naar glycine en homocysteïne naar methionine. THF wordt gereduceerd vanuit dihydrofolaat door dihydrofolaatreductase. * **S-adenosylmethionine (SAM)**: Ontstaat uit methionine en ATP. Het is een belangrijke methylgroep-donor in de "geactiveerde methylcyclus", waarbij methylgroepen worden overgedragen op diverse acceptormoleculen, zoals voor de synthese van creatine, choline en adrenaline. ### 1.3 Het katabolisme van de aminozuren Het katabolisme van aminozuren omvat twee hoofdonderdelen: de omzetting van de $\alpha$-aminogroep tot ammoniak, en de afbraak van het koolstofskelet. #### 1.3.1 Omzetting van de $\alpha$-aminogroep tot $NH_4^+$ * **Transaminering**: Zoals eerder vermeld, is dit een reversibel proces dat de $\alpha$-aminogroep van een aminozuur overdraagt op een $\alpha$-ketozuur, meestal $\alpha$-ketoglutaraat, resulterend in glutamaat. Aminotransferasen (bv. AST, ALT) katalyseren dit. AST en ALT zijn belangrijke diagnostische enzymen; hun verhoogde concentratie in het bloed duidt op celbeschadiging, met name in de lever. De reactie vereist pyridoxaal fosfaat (vitamine B6) als co-enzym. * **Desaminering**: * **Oxidatieve desaminering van glutamaat**: Glutamaat kan door glutamaatdehydrogenase oxidatief worden gedesamineerd, waarbij $NH_4^+$, $\alpha$-ketoglutaraat en $NADH$ (of $NADPH$) worden gevormd. Dit is een belangrijke bron van vrij ammoniak. * **Desaminering van serine en threonine**: Serine dehydratase en threonine dehydratase verwijderen ammoniak uit respectievelijk serine en threonine, waarbij pyruvaat en $\alpha$-ketobutyraat ontstaan. #### 1.3.2 De ureumcyclus De ureumcyclus, die voornamelijk in de lever plaatsvindt, is de belangrijkste route voor de ontgifting van ammoniak ($NH_4^+$). Te hoge concentraties ammoniak zijn toxisch, vooral voor de hersenen. * **Fasen van de ureumcyclus**: 1. **Synthese van carbamoylfosfaat**: $CO_2$ en $NH_4^+$ worden met behulp van ATP omgezet in carbamoylfosfaat in de mitochondriale matrix. Dit vereist het enzym carbamoylfosfaatsynthase I (CPS I). 2. **Synthese van citrulline**: Carbamoylfosfaat reageert met ornithine tot citrulline. Deze reactie vindt ook plaats in de mitochondriale matrix en wordt gekatalyseerd door ornithine transcarbamoylase (OTC). Citrulline wordt vervolgens naar het cytoplasma getransporteerd. 3. **Vorming van argininosuccinaat**: Citrulline reageert met aspartaat (afkomstig uit de citroenzuurcyclus) onder verbruik van ATP tot argininosuccinaat. Dit wordt gekatalyseerd door argininosuccinaatsynthase. 4. **Splitsing van argininosuccinaat**: Argininosuccinaat wordt gesplitst door argininosuccinase in arginine en fumaraat. Fumaraat kan weer de citroenzuurcyclus ingaan. 5. **Vorming van ureum**: Arginine wordt door arginase gehydrolyseerd tot ureum en ornithine. Ornithine keert terug naar de mitochondriale matrix om de cyclus opnieuw te starten. * **Totaalreactie van de ureumcyclus**: $$ CO_2 + NH_4^+ + Aspartaat + 3 ATP + 3 H_2O \rightarrow Ureum + Fumaraat + 2 ADP + AMP + 4 Pi + 6 H^+ $$ De stikstofatomen in ureum zijn afkomstig van zowel ammoniak als aspartaat. * **Regulatie van plasma $NH_4^+$**: Perifere weefsels transporteren ammoniak vaak gebonden aan aminozuren zoals glutamine (Gln) en alanine (Ala) naar de lever. In de lever worden deze omgezet naar glutamaat en ammoniak. #### 1.3.3 Afbraak van de $\alpha$-ketozuren (koolstofskeletten) De afbraak van de koolstofskeletten van aminozuren leidt tot intermediairen die kunnen worden ingevoerd in de centrale metabole routes zoals de glycolyse, de citroenzuurcyclus of vetzuurmetabolisme. * **Glucogene aminozuren**: De afbraakproducten kunnen worden omgezet tot glucose via gluconeogenese. Eindproducten zijn pyruvaat, $\alpha$-ketoglutaraat, succinyl-CoA, fumaraat of oxaalacetaat. * **KetoGene aminozuren**: De afbraakproducten leiden tot de vorming van acetyl-CoA of acetoacetaat, die kunnen worden gebruikt voor de aanmaak van ketonlichamen of ingevoerd in het vetzuurmetabolisme. * **Glucogeen en ketogeen**: Sommige aminozuren leveren zowel glucogene als ketogene afbraakproducten. **Enkele voorbeelden van afbraakroutes:** * **C-3 familie**: Alanine, serine en cysteine worden afgebroken tot pyruvaat. * **C-4 familie**: Asparagine en aspartaat worden afgebroken tot oxaalacetaat. * **C-5 familie**: Glutamine en glutamaat worden afgebroken tot $\alpha$-ketoglutaraat. * **Vertakte keten aminozuren (Val, Ile, Leu)**: Deze worden afgebroken via specifieke transaminerings- en dehydrogenase-reacties, leidend tot propionyl-CoA, acetyl-CoA en acetoacetaat. De afbraak van valine resulteert in propionyl-CoA. Isoleucine leidt tot propionyl-CoA en acetyl-CoA. Leucine leidt tot acetyl-CoA en acetoacetaat. * **Aromatische aminozuren (Phe, Tyr)**: Fenylalanine wordt eerst omgezet in tyrosine. Tyrosine wordt afgebroken via intermediairen zoals 4-hydroxyfenylpyruvaat en homogentisaat, wat uiteindelijk leidt tot acetoacetaat en fumaraat. * **Methionine en Lysine**: Lysine wordt afgebroken tot acetoacetyl-CoA. Methionine wordt deels omgezet tot succinyl-CoA. #### 1.3.4 De werking van vitamine B12 Vitamine B12 (cobalamine) is essentieel voor twee belangrijke enzymatische reacties die gerelateerd zijn aan aminozuurmetabolisme: * **Omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA**: Gekatalyseerd door methylmalonyl-CoA mutase, waarbij een carboxylgroep wordt verplaatst. Dit is cruciaal voor de afbraak van bepaalde aminozuren zoals valine en isoleucine. * **Omzetting van homocysteïne naar methionine**: Gekatalyseerd door methionine synthase, waarbij een methylgroep van N5-methyltetrahydrofolaat wordt overgedragen op homocysteïne. Dit is essentieel voor het regenereren van methionine en THF. ### 1.4 Stofwisselingsziekten Defecten in het aminozuurmetabolisme kunnen leiden tot ernstige stofwisselingsziekten, gekenmerkt door accumulatie van precursor moleculen of toxische bijproducten. * **Hyperaminozuururemie**: Algemene verhoging van aminozuren in bloed en urine, vaak door nierproblemen. * **Fenylketonurie (PKU)**: Een genetisch defect in het enzym fenylalaninehydroxylase, wat leidt tot accumulatie van fenylalanine en toxische afbraakproducten (ketonen). Behandeling vereist een dieet arm aan fenylalanine, waardoor tyrosine essentieel wordt. * **Ureumcyclus defecten**: Blokkadess van de ureumcyclus leiden tot hyperammoniëmie, met ernstige neurologische gevolgen. Voorbeelden zijn carbamoylfosfaatsynthase I deficiëntie en ornithinetranscarbamoylase deficiëntie. * **Zuururemieën van de vertakte ketozuren**: Defecten in de afbraak van vertakte keten aminozuren, zoals bij de "maple syrup urine disease", waar de keto-analogen van valine, leucine en isoleucine accumuleren. * **Homocystinurie**: Veroorzaakt door defecten in de cysteïne biosynthese route, leidend tot verhoogde homocysteïne spiegels en cardiovasculaire problemen. * **Erfelijke tyrosinemieën**: Diverse vormen, waaronder defecten in de afbraak van tyrosine, wat leidt tot de accumulatie van toxische intermediairen. ### 1.5 Aminozuren als precursoren van belangrijke biomoleculen AminoZuren vormen de basis voor de synthese van een breed scala aan essentiële biomoleculen: * **Nucleotiden**: Glycine, glutamine, aspartaat en CO$_2$ zijn precursors voor de atomen in de purine- en pyrimidine-ringen. * **Heme, cobalamine**: Glycine is een belangrijke precursor voor de synthese van porfyrines, de kern van hemoglobine en cytochromen, en voor cobalamine (vitamine B12). * **Creatine**: Arginine, glycine en methionine zijn betrokken bij de synthese van creatine, een belangrijke energiereserve in spieren. * **SfingoZoinen**: Serine is een precursor voor de synthese van sfingoZoinen, componenten van celmembranen. * **Hormonen en Neurotransmitters**: * **Histidine**: Voor de synthese van histamine, een belangrijke mediator in allergische reacties en een neurotransmitter. * **Tyrosine**: De precursor voor catecholaminen zoals dopamine, noradrenaline en adrenaline, evenals voor schildklierhormonen (T3 en T4) en melanine pigment. * **Tryptofaan**: De precursor voor serotonine (een neurotransmitter) en melatonine (een slaaphormoon). * **Galzuren**: Hoewel niet direct afgeleid, is tyrosine essentieel voor de opbouw van de steroïde kern van galzuren. * **Glutamaat**: Kan worden gedecaboxyleerd tot $\gamma$-aminoboterzuur ($GABA$), een belangrijke remmende neurotransmitter. --- # Biosynthese van aminozuren Dit gedeelte verkent de oorsprong van de aminogroep en het koolstofskelet van aminozuren, met speciale aandacht voor de synthese via éénstapsreacties en de rol van glutamaat. ## 2. De biosynthese van de aminozuren Het aminozuurmetabolisme omvat zowel de aanmaak (biosynthese) als de afbraak (katabolisme) van aminozuren. Aminozuren kunnen afkomstig zijn uit de voeding via vertering, uit de afbraak van lichaamseigen eiwitten, of ze kunnen *de novo* gesynthetiseerd worden. Deze *de novo* synthese vindt plaats uit intermediairen van de glycolyse, de citroenzuurcyclus en de pentosefosfaatroute. ### 2.1 De oorsprong van de -aminogroep Bij micro-organismen en planten wordt stikstofgas ($N_2$) gefixeerd om ammoniumionen ($NH_4^+$) te vormen. Dieren daarentegen verkrijgen ammoniumionen uit de voeding of uit de afbraak van lichaamseigen eiwitten. Ammoniumionen zijn cruciaal voor de stikstofbalans van het lichaam. De belangrijkste reactie voor de introductie van een aminogroep in het koolstofskelet is **transaminering**. Hierbij wordt de aminogroep van een aminozuur (meestal glutamaat) overgedragen op een $\alpha$-ketozuur, waarbij een nieuw aminozuur en een nieuw $\alpha$-ketozuur ontstaan. Het enzym dat deze reactie katalyseert, is een **transaminase** of **aminotransferase**. Glutamaat fungeert hierbij als een universele acceptor van aminogroepen. Een andere belangrijke reactie is de **amidatie** van aspartaat tot glutamine, gekatalyseerd door glutamine synthetase. Dit proces voegt een extra aminogroep toe aan de zijketen van glutamine. ### 2.2 Het koolstofskelet De koolstofskeletten van de aminozuren worden gevormd uit intermediairen van: * De citroenzuurcyclus * De glycolyse * De pentosefosfaatroute * Andere aminozuren De synthese van elf aminozuren is direct gerelateerd aan intermediairen van de citroenzuurcyclus, terwijl negen aminozuren gesynthetiseerd worden uit intermediairen van de glycolyse of de pentosefosfaatroute. ### 2.3 Synthese door éénstapsreactie Veel aminozuren worden gesynthetiseerd via éénstapsreacties, vaak gekatalyseerd door transaminasen. #### 2.3.1 Glutamaat als precursor voor proline en arginine Glutamaat speelt een centrale rol in de synthese van proline en arginine. * **Proline:** Glutamaat wordt via $\gamma$-glutamaat semialdehyde dehydrogenase omgezet. Dit intermediair ondergaat spontane cyclisatie tot pyrroline-5-carboxylaat, dat vervolgens gereduceerd wordt tot proline. * **Arginine:** De synthese van arginine vanuit glutamaat verloopt via ornithine. Ornithine ontstaat door transaminering van glutamaat-semialdehyde. Vervolgens wordt ornithine via een reeks intermediairen omgezet in arginine, waarbij delen van de ureumcyclus betrokken zijn. #### 2.3.2 De synthese van serine en glycine Serine wordt gesynthetiseerd vanuit een intermediair van de glycolyse, 3-fosfoglyceraat. Dit wordt geoxideerd tot fosfohydroxypyruvaat, vervolgens getransamineerd tot fosfoserine, en ten slotte gedefosforyleerd tot serine. Glycine kan gesynthetiseerd worden uit serine. Bij deze reactie wordt een één-koolstofeenheid van serine overgedragen op tetrahydrofolaat (THF), waarbij glycine ontstaat. De omgekeerde reactie, de omzetting van glycine naar serine, is ook mogelijk. ### 2.4 Dragers van één-koolstofeenheden: Tetrahydrofolaat (THF) en S-adenosylmethionine * **Tetrahydrofolaat (THF)**: Dit is een co-enzym dat afgeleid is van foliumzuur (vitamine B9). THF fungeert als een tijdelijke drager van één-koolstofeenheden in verschillende vormen, zoals methyl ($CH_3$), methyleen ($CH_2$), of formyl ($CHO$). Deze één-koolstofeenheden kunnen tussen moleculen worden overgedragen en zijn essentieel voor de synthese van purines, pyrimidines en bepaalde aminozuren. THF wordt sequentieel gereduceerd, eerst tot dihydrofolaat (DHF) en vervolgens tot tetrahydrofolaat (THF), waarbij NADPH als reductiemiddel dient. > **Tip:** THF-gebrek kan leiden tot diverse gezondheidsproblemen, waaronder bloedarmoede en aangeboren afwijkingen (zoals spina bifida), en wordt daarom vaak gesuppleteerd, met name tijdens zwangerschap. * **S-adenosylmethionine (SAM)**: SAM is een geactiveerde vorm van methionine en een belangrijke methyldonor in het lichaam. De methylgroep van SAM wordt overgedragen op diverse moleculen, zoals DNA, RNA, eiwitten, neurotransmitters, creatine en choline. Dit proces maakt deel uit van de **geactiveerde methylcyclus**. Na methyltransfer wordt homocysteïne gevormd, dat gerecycleerd kan worden naar methionine, waarbij THF een rol speelt in de regeneratie van methionine uit homocysteïne. ### 2.5 De biosynthese van cysteïne Cysteïne kan gesynthetiseerd worden uit homocysteïne en serine. Homocysteïne levert de zwavelgroep, terwijl serine het koolstofskelet levert, met behulp van enzymen als cystathionine $\beta$-synthase en cystathionine $\beta$-lyase. Deficiënties in deze enzymen kunnen leiden tot homocystinurie. ### 2.6 Samenvatting van de biosynthese van niet-essentiële aminozuren De meeste niet-essentiële aminozuren zijn afgeleid van intermediairen van de glycolyse en de citroenzuurcyclus: * **Van $\alpha$-ketoglutaraat:** Glutamaat, glutamine, proline, arginine. * **Van oxaalacetaat:** Aspartaat, asparagine. * **Van pyruvaat:** Alanine, valine, leucine, isoleucine. * **Van 3-fosfoglyceraat:** Serine, glycine, cysteïne. Deze routes illustreren hoe de koolstofskeletten van aminozuren met elkaar en met centrale metabolische paden verbonden zijn. --- # Dragers van één-koolstofeenheden en vitamine B12 Dit onderwerp beschrijft de rol van tetrahydrofolaat als drager van één-koolstofeenheden, de functie van vitamine B12, en de geactiveerde methylcyclus, evenals de biosynthese van cysteïne. ### 3.1 Tetrahydrofolaat als drager van één-koolstofeenheden Tetrahydrofolaat (THF), een derivaat van foliumzuur (vitamine B9), fungeert als een essentiële co-enzym dat één-koolstofeenheden (zoals methyl, hydroxymethyl, methyleen en formyl groepen) kan accepteren en overdragen. Deze C1-eenheden zijn cruciaal voor diverse biosynthetische reacties. #### 3.1.1 Structuur en reductie van folaat Folaat bestaat uit een tetrahydropteridine ring, p-aminobenzoaat en glutamaat. Het actieve co-enzym, tetrahydrofolaat, wordt gevormd door sequentiële reductie van dihydrofolaat (DHF) met behulp van NADPH. * **Dihydrofolaat (DHF)** * **Tetrahydrofolaat (THF)**: De volledig gereduceerde en functionele vorm. #### 3.1.2 Functies van THF in één-koolstofoverdrachten THF kan diverse één-koolstofeenheden aan zijn structuur binden, met name aan de stikstofatomen op positie 5 en/of 10, of als een methyleengroep tussen N5 en N10. Enkele belangrijke reacties waarbij THF betrokken is: * **Omzetting van serine naar glycine**: Hierbij draagt THF de hydroxymethylgroep van serine over, waardoor glycine ontstaat en 5,10-methyleen-THF gevormd wordt. * **Biosynthese van methionine**: 5-methyl-THF doneert zijn methylgroep aan homocysteïne om methionine te vormen, een reactie die door methionine synthase wordt gekatalyseerd. * **Afbraak van histidine naar glutamaat**: N10-formyl-THF is een intermediair in deze afbraakroute. * **Synthese van purine- en pyrimidinebasen**: THF levert C1-eenheden voor de opbouw van deze nucleïnezuurcomponenten. #### 3.1.3 Klinische relevantie van foliumzuurdeficiëntie Gebrek aan foliumzuur kan leiden tot ernstige gezondheidsproblemen: * **Bloedarmoede**: Foliumzuur is essentieel voor de DNA-synthese, en een tekort kan leiden tot megaloblastaire anemie. * **Geboorteafwijkingen**: Met name neurale buisdefecten zoals spina bifida zijn geassocieerd met foliumzuurdeficiëntie tijdens de zwangerschap. * **Atherosclerose**: Een verhoogd homocysteïnegehalte, deels veroorzaakt door een tekort aan foliumzuur (en vitamine B12), is een risicofactor voor hart- en vaatziekten. > **Tip:** Foliumzuur is thermolabiel; overmatig koken van groenten kan het vitaminegehalte aanzienlijk verminderen. ### 3.2 Vitamine B12 en de geactiveerde methylcyclus Vitamine B12, ook bekend als cobalamine, is een essentieel co-enzym dat betrokken is bij specifieke metabole reacties die belangrijk zijn voor de aanmaak van DNA, de synthese van rode bloedcellen en de neurologische functie. #### 3.2.1 Cobalamine co-enzymen Vitamine B12 kan in verschillende co-enzymvormen voorkomen, waarvan methylcobalamine en 5'-deoxyadenosylcobalamine de belangrijkste zijn. Het actieve centrum bevat een kobaltion. * **Methylcobalamine**: Speelt een cruciale rol in de omzetting van homocysteïne naar methionine in de cytosol. Deze reactie vereist de methylgroep van 5-methyl-THF. * **5'-deoxyadenosylcobalamine**: Is een co-enzym voor mutase-reacties, met name de omzetting van L-methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA in de mitochondriën. #### 3.2.2 De geactiveerde methylcyclus De geactiveerde methylcyclus, ook wel bekend als de methioninecyclus, is een biochemische route die methylgroepen transporteert, voornamelijk om methionine te regenereren en S-adenosylmethionine (SAM) te produceren. SAM is de belangrijkste methylgroepdonor voor vele biosynthetische reacties. * **Startpunt**: De cyclus begint met homocysteïne. * **Methionine synthase**: Gebruikt methylcobalamine als co-enzym om de methylgroep van 5-methyl-THF over te dragen op homocysteïne, waarbij methionine wordt gevormd. * **S-adenosylmethionine (SAM)**: Methionine wordt geactiveerd door koppeling met ATP, wat leidt tot de vorming van SAM. SAM is een zeer reactieve methyl-donor voor de methylering van DNA, RNA, eiwitten, lipiden en kleine moleculen zoals creatine, choline en adrenaline. * **Homocysteïne regeneratie**: Na methylering door SAM wordt S-adenosylhomocysteïne gevormd, dat vervolgens wordt gehydrolyseerd tot homocysteïne en adenosine. * **Vitamines B12 en foliumzuur koppeling**: De methioninecyclus is nauw verbonden met het folaatmetabolisme. De methylgroep die uiteindelijk in methionine terechtkomt, wordt oorspronkelijk geleverd door folaat. Een tekort aan vitamine B12 kan leiden tot een "methyl-trap" van foliumzuur, omdat 5-methyl-THF niet kan worden omgezet in THF en andere folaten. > **Tip:** Een tekort aan zowel vitamine B12 als foliumzuur kan leiden tot megaloblastaire anemie en neurologische symptomen. De symptomen van B12-tekort zijn echter vaak irreversibel, zelfs na suppletie. #### 3.2.3 Rol van vitamine B12 in L-methylmalonyl-CoA metabolisme De omzetting van L-methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA door methylmalonyl-CoA mutase vereist 5'-deoxyadenosylcobalamine als co-enzym. Dit is een belangrijke stap in de afbraak van bepaalde aminozuren (zoals valine, isoleucine, methionine, threonine) en vetzuren met een oneven aantal koolstofatomen. * **Deficiëntie**: Een defect in dit enzym leidt tot accumulatie van L-methylmalonyl-CoA, wat resulteert in methylmalonzuuracidurie en ernstige neurologische stoornissen, bekend als methylmalonzuuracidemie. ### 3.3 Biosynthese van cysteïne Cysteïne is een semi-essentieel aminozuur dat gesynthetiseerd kan worden uit methionine en serine. * **De novo synthese**: Homocysteïne, een intermediair in de methioninecyclus, reageert met serine om cystathionine te vormen. Dit vereist het enzym cystathionine β-synthase. * **Hydrolyse van cystathionine**: Cystathionine wordt vervolgens gehydrolyseerd door cystathionine β-lyase, waarbij cysteïne, α-ketobutyraat en ammoniak worden gevormd. * **Homocystinurie**: Een deficiëntie in cystathionine β-synthase leidt tot homocystinurie, een aandoening gekenmerkt door verhoogde niveaus van homocysteïne en methionine in het bloed, samen met verhoogde cystathionine in de urine. Dit kan leiden tot problemen zoals ectopia lentis (dislocatie van de ooglens), skeletafwijkingen en verhoogd cardiovasculair risico. --- # Katabolisme van aminozuren Dit deel behandelt de afbraak van aminozuren, waarbij de alfa-aminogroep wordt omgezet tot ammoniumionen, de ureumcyclus voor de uitscheiding van stikstof en de afbraak van de koolstofskeletten naar intermediairen van de centrale stofwisselingsroutes worden toegelicht, inclusief hun relatie met glucose- en vetmetabolisme. ### 4.1 De algemene principes van aminozuurkatabolisme Aminozuren kunnen afkomstig zijn uit de voeding, de afbraak van lichaamseigen eiwitten, of de novo synthese. Hoewel aminozuren een lage katabole waarde hebben in de meeste weefsels, speelt hun metabolisme een cruciale rol in de lever. De afbraak van aminozuren bestaat uit twee hoofdonderdelen: de verwijdering van de aminogroep en de afbraak van het koolstofskelet. * **Stikstofbalans:** Het stikstofmetabolisme is van vitaal belang. Overmatig stikstof, voornamelijk in de vorm van ammoniumionen, is toxisch voor het centrale zenuwstelsel. Daarom wordt overtollig stikstof uitgescheiden als ureum. Een evenwichtige voeding is essentieel, waarbij een tekort aan één essentieel aminozuur limiterend kan zijn voor eiwitsynthese. ### 4.2 Omzetting van de alfa-aminogroep tot ammoniumionen De verwijdering van de alfa-aminogroep uit aminozuren leidt tot de vorming van ammoniumionen ($NH_4^+$). Dit proces omvat voornamelijk transaminering en desaminering. #### 4.2.1 Transaminering Transaminering is een reversibel proces waarbij de aminogroep van een aminozuur wordt overgedragen op een alfa-ketozuur, meestal alfa-ketoglutaraat, om glutamaat te vormen. Dit proces wordt gekatalyseerd door aminotransferasen (transaminasen). * **Mechanisme:** Aminotransferasen gebruiken pyridoxaal-5'-fosfaat (PLP), een derivaat van vitamine B6, als co-enzym. Het mechanisme omvat de vorming van een Schiff-base tussen het aminozuur en PLP, gevolgd door de overdracht van de aminogroep en de regeneratie van het alfa-ketozuur. De omgekeerde reactie is ook mogelijk, waardoor de synthese van aminozuren uit alfa-ketozuren wordt gefaciliteerd. * **Diagnostische waarde:** Enzymen zoals aspartaataminotransferase (AST) en alanineaminotransferase (ALT) worden in het bloed aangetroffen en hun verhoogde concentraties duiden op weefselbeschadiging, met name leverbeschadiging. #### 4.2.2 Desaminering Desaminering is het directe vrijmaken van de aminogroep als ammoniumion. * **Oxidatieve desaminering van glutamaat:** Glutamaat dehydrogenase speelt een sleutelrol door glutamaat te oxideren tot alfa-ketoglutaraat, waarbij een ammoniumion en $NADH$ (of $NADPH$) worden gevormd. Dit proces is reversibel, maar onder omstandigheden van overschot aan stikstof verschuift het evenwicht naar rechts, wat leidt tot de vorming van $NH_4^+$. $$ \text{Glutamaat} + H_2O + NAD(P)^+ \rightleftharpoons \alpha\text{-ketoglutaraat} + NH_4^+ + NAD(P)H + H^+ $$ * **Andere bronnen van ammonium:** Ammoniumionen kunnen ook afkomstig zijn van de desaminering van serine en threonine door dehydratasen, en van de zijketens van asparagine en glutamine. ### 4.3 De ureumcyclus De ureumcyclus is de primaire route voor de ontgifting van ammoniumionen in zoogdieren. Deze cyclus, die voornamelijk in de lever plaatsvindt, zet ammoniumionen om in ureum, dat vervolgens door de nieren wordt uitgescheiden. De cyclus vereist zowel mitochondriale als cytoplasmatische compartimenten. * **Stappen van de ureumcyclus:** 1. **Synthese van carbamoylfosfaat:** In de mitochondriale matrix reageert ammoniumion ($NH_4^+$) met kooldioxide ($CO_2$) en $ATP$ tot carbamoylfosfaat. Dit enzym, carbamoylfosfaat synthetase I (CPS I), vereist N-acetylglutamaat als activator. $$ CO_2 + NH_4^+ + 2 ATP + H_2O \rightarrow \text{Carbamoylfosfaat} + 2 ADP + P_i + 6H^+ $$ 2. **Synthese van citrulline:** Carbamoylfosfaat wordt overgedragen naar de cytoplasma en condenseert met ornithine, gekatalyseerd door ornithine transcarbamoylase (OTC), tot citrulline. 3. **Vorming van argininosuccinaat:** Citrulline condenseert met aspartaat, waarbij $ATP$ wordt verbruikt, om argininosuccinaat te vormen. Dit enzym, argininosuccinaat synthetase, zorgt voor de toevoer van de tweede stikstofatoom van ureum. 4. **Splitsing van argininosuccinaat:** Argininosuccinaat wordt gesplitst door argininosuccinaat lyase tot arginine en fumaraat. Fumaraat kan de citroenzuurcyclus binnengaan. 5. **Vorming van ureum:** Arginine wordt door arginase gehydrolyseerd tot ureum en ornithine. Ornithine wordt geregenereerd en kan de cyclus opnieuw ingaan. * **Totaalreactie van de ureumcyclus:** $$ NH_4^+ + CO_2 + \text{Aspartaat} + 3 ATP + 3 H_2O \rightarrow \text{Ureum} + \text{Fumaraat} + 2 ADP + AMP + 4P_i + 6H^+ $$ * **Transport van ammonium:** In perifere weefsels wordt ammonium getransporteerd naar de lever, voornamelijk via glutamine of alanine. In de lever wordt glutamine door glutaminase afgebroken tot glutamaat en ammoniumionen, die dan de ureumcyclus ingaan. * **Erfelijke aandoeningen van de ureumcyclus:** Defecten in de enzymen van de ureumcyclus leiden tot hyperammoniëmie, een gevaarlijke opeenhoping van ammoniumionen in het bloed, wat kan resulteren in neurologische schade en zelfs coma. Voorbeelden zijn carbamoylfosfaatsynthase I-deficiëntie en ornithinetranscarbamoylasedeficiëntie. ### 4.4 Afbraak van de koolstofskeletten van aminozuren De koolstofskeletten van aminozuren worden afgebroken tot intermediairen van centrale metabole routes, zoals de glycolyse, de citroenzuurcyclus, acetyl-CoA, en acetoacetyl-CoA. Deze intermediairen kunnen worden gebruikt voor energieproductie (via oxidatie tot $CO_2$ en $H_2O$), gluconeogenese, of de synthese van ketonlichamen. Aminozuren worden geclassificeerd als glucogeen (vormen glucoseprecursoren) of ketogeen (vormen acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA). Sommige aminozuren zijn zowel glucogeen als ketogeen. #### 4.4.1 Afbraak naar pyruvaat (glucogeen) Aminozuren die worden afgebroken tot pyruvaat zijn glucogeen. De C-3 aminozuren alanine, serine en cysteïne vallen onder deze categorie. * **Afbraak van alanine:** Wordt via transaminering omgezet naar pyruvaat. * **Afbraak van serine:** Wordt gedehydrateerd tot pyruvaat of omgezet naar glycine, dat verder wordt afgebroken. * **Afbraak van cysteïne:** De afbraak leidt tot pyruvaat, met intermediaire vorming van cysteïne-sulfinaat en -sulfinylpyruvaat. #### 4.4.2 Afbraak naar intermediairen van de citroenzuurcyclus (glucogeen) Aminozuren die worden afgebroken tot intermediairen van de citroenzuurcyclus (zoals alfa-ketoglutaraat, succinyl-CoA, fumaraat, oxaalacetaat) zijn glucogeen. * **Afbraak van asparagine en aspartaat:** Na transaminering worden ze omgezet in oxaalacetaat. * **Afbraak van glutamine en glutamaat:** Na transaminering worden ze omgezet in alfa-ketoglutaraat. * **Afbraak van proline, arginine, en histidine:** Deze worden deels afgebroken tot glutamaat-semialdehyde, dat verder wordt omgezet in glutamaat of ornithine, waarna het deelneemt aan de ureumcyclus of wordt afgebroken tot alfa-ketoglutaraat. #### 4.4.3 Afbraak tot acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA (ketogeen) Aminozuren die worden afgebroken tot acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA zijn ketogeen. Deze kunnen worden gebruikt voor de synthese van ketonlichamen. * **Afbraak van leucine:** Leucine wordt voornamelijk afgebroken tot acetyl-CoA en acetoacetaat. * **Afbraak van lysine:** Lysine wordt afgebroken tot acetyl-CoA. #### 4.4.4 Afbraak van vertakte aminozuurzijketens De afbraak van vertakte aminozuren zoals valine, isoleucine en leucine verloopt via specifieke transaminerings- en oxidatiestappen, leidend tot intermediairen die verder worden gemetaboliseerd. * **Valine:** Wordt afgebroken tot propionyl-CoA. * **Isoleucine:** Wordt afgebroken tot propionyl-CoA en acetyl-CoA. * **Leucine:** Wordt afgebroken tot acetyl-CoA en acetoacetaat. #### 4.4.5 De rol van vitamine B12 (cobalamine) Vitamine B12 is een essentieel co-enzym voor twee belangrijke reacties in het aminozuurkatabolisme: * **Omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA:** Dit is cruciaal voor de afbraak van bepaalde aminozuren (zoals isoleucine, threonine, methionine, valine) en vetzuren. Methylmalonyl-CoA mutase, een vitamine B12-afhankelijk enzym, katalyseert deze omzetting. * **Regeneratie van tetrahydrofolaat:** Methionine synthase, dat ook vitamine B12 vereist, zet homocysteïne om in methionine door gebruik te maken van een methylgroep van 5-methyltetrahydrofolaat. #### 4.4.6 Katabolisme van aromatische aminozuren * **Fenylalanine en tyrosine:** Fenylalanine wordt gehydroxyleerd tot tyrosine. Tyrosine wordt vervolgens afgebroken via een reeks stappen, waaronder de vorming van 4-hydroxyphenylpyruvaat, homogentisaat, 4-fumarylacetoacetaat, tot uiteindelijk acetoacetaat en fumaraat. Defecten in deze route leiden tot aandoeningen zoals fenylketonurie (PKU) en tyrosinemie. * **Tryptofaan:** De afbraak van tryptofaan kan leiden tot alanine en acetoacetyl-CoA, en het is een precursor van belangrijke biomoleculen zoals serotonine en melatonine. #### 4.4.7 Katabolisme van methionine en cysteïne * **Methionine:** Methionine wordt gedemethyleerd tot S-adenosylmethionine (een belangrijke methylgroepdonor) en vervolgens omgezet in homocysteïne. Homocysteïne kan worden omgezet in methionine (via vitamine B12) of in cysteïne. De afbraak van methionine leidt tot succinyl-CoA. * **Cysteïne:** Cysteïne kan worden afgebroken tot pyruvaat of worden geoxideerd tot sulfaat. De afbraak van cysteïne via cystathionine leidt tot intermediairen die vervolgens tot pyruvaat of sulfaat worden gemetaboliseerd. Homocystinurie kan ontstaan door defecten in de enzymen die betrokken zijn bij de omzetting van homocysteïne naar cysteïne. ### 4.5 Relatie met glucose- en vetmetabolisme De afbraakproducten van aminozuren kunnen direct worden geïntegreerd in de centrale stofwisselingsroutes die glucose en vetten produceren of verbruiken: * **Glucogene aminozuren:** Hun koolstofskeletten worden omgezet in pyruvaat of intermediairen van de citroenzuurcyclus, die kunnen worden gebruikt voor gluconeogenese om glucose te synthetiseren. * **Keto gene aminozuren:** Hun koolstofskeletten worden omgezet in acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA, die precursors zijn voor ketonlichamen en vetzuursynthese, en kunnen ook dienen als brandstof. ### 4.6 Aminozuren als precursors van belangrijke biomoleculen Naast hun rol in energieproductie en stikstofuitscheiding, dienen aminozuren als bouwstenen voor talloze belangrijke biomoleculen: * **Nucleotiden:** Glycine, glutamine, aspartaat en $CO_2$ leveren atomen voor de synthese van purine- en pyrimidineringen. * **Creatine:** Afgeleid van arginine, glycine en methionine, speelt creatine een rol in de energiehuishouding van spiercellen. * **Heme en cobalamine:** Glycine is een precursor voor de heemring van hemoglobine en myoglobine, en voor vitamine B12. * **Sfingoïden:** Serine is een precursor voor sfingosine, een component van lipiden. * **Hormonen en neurotransmitters:** * Histidine is de precursor van histamine. * Tyrosine is de precursor van catecholaminen (dopamine, noradrenaline, adrenaline), schildklierhormonen (thyroxine, tri-joodthyronine) en pigmenten (melanine). * Tryptofaan is de precursor van serotonine en melatonine. * **Glutamaat:** Kan worden gedecaboxyleerd tot gamma-aminoboterzuur (GABA), een belangrijke neurotransmitter. --- # Afbraak van koolstofskeletten en stofwisselingsziekten Dit onderwerp behandelt de afbraak van aminozuur koolstofskeletten, de rol van vitamine B12, het katabolisme van aromatische aminozuren en specifieke stofwisselingsziekten die voortkomen uit defecten in het aminozuurmetabolisme. ### 5.1 Algemene principes van aminozuurkatabolisme De afbraak van aminozuren kent twee hoofdonderdelen: de omzetting van de $\alpha$-aminogroep tot ammonium en de afbraak van het resterende koolstofskelet. * **Omzetting van de $\alpha$-aminogroep tot $\text{NH}_4^+$:** * **Transaminering:** Dit is een reversibele reactie waarbij de aminogroep van een aminozuur wordt overgedragen op een $\alpha$-ketozuur, meestal $\alpha$-ketoglutaraat, wat leidt tot de vorming van glutamaat. Het enzym dat hierbij betrokken is, is een transaminase of aminotransferase. Pyridoxaal fosfaat (vitamine B6) fungeert als co-enzym. Diagnostische enzymen zoals AST (aspartaat aminotransferase) en ALT (alanine aminotransferase) zijn hierbij betrokken en hun verhoogde concentraties in het bloed duiden op celbeschadiging, met name in de lever. * **Desaminering:** Hierbij wordt de aminogroep van een aminozuur direct verwijderd als ammoniumion. * **Oxidatieve desaminering:** Glutamaat dehydrogenase kan glutamaat reversibel oxideren tot $\alpha$-ketoglutaraat, waarbij $\text{NH}_4^+$ vrijkomt. Dit proces is afhankelijk van $\text{NAD}^+$ of $\text{NADP}^+$. Dit evenwicht ligt normaal gesproken aan de linkerkant, tenzij er een overschot aan stikstof in het lichaam is. * **Andere desamineringsreacties:** Serine en threonine kunnen via dehydratatie en vervolgens hydratatie met $\text{NH}_4^+$ afsplitsing, hun aminogroep verliezen. * **Afbraak van het koolstofskelet:** De koolstofskeletten van aminozuren worden afgebroken tot pyruvaat, acetyl-CoA, acetoacetyl-CoA of intermediairen van de citroenzuurcyclus. Dit bepaalt of een aminozuur glucogeen- of ketogeen is. * **Glucogene aminozuren:** De afbraakproducten kunnen worden omgezet in glucose via gluconeogenese. Dit zijn aminozuren die eindigen als pyruvaat, $\alpha$-ketoglutaraat, succinyl-CoA, oxaalacetaat of fumaraat. * **Ketonogene aminozuren:** De afbraakproducten leiden tot de vorming van acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA, die niet kunnen worden omgezet in glucose maar kunnen worden gebruikt voor ketonenlichaampjesproductie of vetzuursynthese. * **Amphibole aminozuren:** Sommige aminozuren zijn zowel glucogeen als ketogeen (bv. isoleucine, fenylalanine, tyrosine, tryptofaan, threonine). #### 5.1.1 Afbraak van specifieke koolstofskeletten * **C-3 familie:** Aminoazuren zoals alanine, serine en cysteïne worden afgebroken tot pyruvaat. Serine kan ook worden omgezet naar glycine. * **C-4 familie:** Asparagine en aspartaat worden afgebroken tot oxaalacetaat. Threonine wordt afgebroken via meerdere stappen tot succinyl-CoA, acetyl-CoA en pyruvaat. * **C-5 familie:** Glutamine en glutamaat worden afgebroken tot $\alpha$-ketoglutaraat. Proline, arginine en histidine worden ook afgebroken en leveren intermediairen op die in de citroenzuurcyclus terechtkomen of worden omgezet naar glutamaat. * **Vertakte aminozuurzijketens (Valine, Leucine, Isoleucine):** * Valine wordt afgebroken tot propionyl-CoA en $\text{CO}_2$. * Isoleucine wordt afgebroken tot propionyl-CoA en acetyl-CoA, en $\text{CO}_2$. * Leucine wordt afgebroken tot acetyl-CoA en acetoacetaat. Propionyl-CoA kan via carboxylering (met biotine als co-enzym) worden omgezet in methylmalonyl-CoA, dat vervolgens met behulp van vitamine B12 wordt omgezet in succinyl-CoA. #### 5.1.2 Werking van vitamine B12 Vitamine B12 (cobalamine) is essentieel voor twee belangrijke reacties in het metabolisme: 1. **Methylmalonyl-CoA mutase:** Zet methylmalonyl-CoA om in succinyl-CoA. Dit is een cruciale stap in de afbraak van valine, isoleucine, threonine en methionine. 2. **Methionine synthase:** Gebruikt methylcobalamine om een methylgroep van $N^5$-methyltetrahydrofolaat over te dragen op homocysteïne, waardoor methionine wordt gevormd. Dit is een sleutelreactie in de regeneratie van tetrahydrofolaat. #### 5.1.3 Katabolisme van aromatische aminozuren * **Fenylalanine en Tyrosine:** Fenylalanine wordt eerst gehydroxyleerd tot tyrosine. Tyrosine wordt vervolgens afgebroken via 4-hydroxyfenylpyruvaat, homogentisaat, 4-fumarylacetoacetaat, waarbij fumaraat en acetoacetaat worden gevormd. Fenylalaninehydroxylase is het enzym dat betrokken is bij de omzetting van fenylalanine naar tyrosine. * **Tryptofaan:** Tryptofaan wordt afgebroken tot alanine en acetoacetyl-CoA, en is ook een precursor voor serotonine en melatonine. #### 5.1.4 Lysine en Methionine katabolisme * **Lysine:** Wordt afgebroken tot acetyl-CoA. * **Methionine:** Wordt afgebroken tot propionyl-CoA en succinyl-CoA. ### 5.2 De ureumcyclus De ureumcyclus vindt voornamelijk in de lever plaats en is essentieel voor de ontgifting van ammonium ($\text{NH}_4^+$). Te hoge concentraties ammonium zijn toxisch voor de hersenen. * **Stappen van de ureumcyclus:** 1. **Vorming van carbamoylfosfaat:** $\text{NH}_4^+$, $\text{CO}_2$ en $2 \text{ATP}$ reageren tot carbamoylfosfaat en $2 \text{ADP}$ + $\text{P}_i$. Dit vindt plaats in de mitochondriale matrix. 2. **Vorming van citrulline:** Carbamoylfosfaat reageert met ornithine tot citrulline en $\text{P}_i$. Dit vindt plaats in de mitochondriale matrix en de citrulline wordt daarna naar het cytoplasma getransporteerd. 3. **Vorming van argininosuccinaat:** Citrulline reageert met aspartaat (dat de tweede $\text{NH}_2$ groep levert) en $\text{ATP}$ tot argininosuccinaat, $\text{AMP}$ en $\text{PP}_i$. 4. **Splitsing van argininosuccinaat:** Argininosuccinaat wordt gesplitst door argininosuccinase tot arginine en fumaraat. Fumaraat kan de citroenzuurcyclus ingaan. 5. **Vorming van ureum:** Arginine wordt gehydrolyseerd tot ureum en ornithine. Ornithine wordt gerecycled naar de mitochondriën om de cyclus te starten. * **Totaalreactie:** $\text{NH}_4^+ + \text{CO}_2 + 3\text{ATP} + \text{aspartaat} + 3\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ureum} + \text{fumaraat} + 2\text{ADP} + \text{AMP} + 4\text{P}_i + 6\text{H}^+$. * **Transport van ammonium:** Ammoniumionen worden vanuit perifere weefsels naar de lever getransporteerd, voornamelijk gebonden aan glutamine, asparagine en alanine. ### 5.3 Stofwisselingsziekten Defecten in het aminozuurmetabolisme kunnen leiden tot diverse stofwisselingsziekten, vaak gekenmerkt door accumulatie van aminozuren of hun metabolieten in bloed, urine en cerebrospinaal vocht. * **Hyperaminozuururemie:** Een algemene term voor verhoogde aminozuurconcentraties in bloed en urine. * **Fenylketonurie (PKU):** * **Oorzaak:** Defect in het enzym fenylalaninehydroxylase, wat leidt tot accumulatie van fenylalanine en de vorming van toxische metabolieten zoals fenylpyruvaat. * **Gevolgen:** Ernstige mentale retardatie, neurologische problemen. * **Behandeling:** Een strikt dieet met lage fenylalanine-inname, waarbij tyrosine essentieel wordt. * **Erfelijke tyrosinemiën (Type I, II, III):** Veroorzaakt door defecten in enzymen die betrokken zijn bij de afbraak van tyrosine, leidend tot accumulatie van tyrosine en andere toxische metabolieten. Dit kan leiden tot lever- en nierproblemen, huidafwijkingen en neurologische symptomen. * **Alkaptonurie:** Defect in homogentisaatdioxygenase, wat leidt tot accumulatie van homogentisaat, dat o.a. in gewrichten kan neerslaan en pigmentatie veroorzaakt. * **Zuururemieën van de vertakte ketozuren (bv. Maple Syrup Urine Disease):** * **Oorzaak:** Defect in het enzymcomplex van de branched-chain $\alpha$-keto acid dehydrogenase, wat leidt tot accumulatie van de vertakte $\alpha$-keto zuren van valine, leucine en isoleucine. * **Gevolgen:** Karakteristieke geur van de urine (zoals ahornsiroop), braken, lethargie, neurologische schade en mentale retardatie. * **Defecten in methylmalonyl-CoA metabolisme:** Veroorzaken acidose en accumulatie van methylmalonaat. * **Homocystinurie:** * **Oorzaak:** Defect in cystathionine $\beta$-synthase of methionine synthase, wat leidt tot accumulatie van homocysteïne. * **Gevolgen:** Oogafwijkingen (dislocatie van de lens), skeletafwijkingen, cardiovasculaire problemen (trombose). * **Erfelijke aandoeningen van de ureumcyclus:** * **Oorzaak:** Defecten in een van de enzymen van de ureumcyclus (bv. carbamoylfosfaat synthetase I, ornithine transcarbamoylase). * **Gevolgen:** Hyperammoniëmie (verhoogd ammoniumgehalte in het bloed), wat leidt tot neurologische symptomen zoals lethargie, braken, coma en hersenschade. ### 5.4 Aminozuren als precursoren van belangrijke biomoleculen Aminozuren zijn niet alleen bouwstenen voor eiwitten, maar ook precursoren voor diverse belangrijke biomoleculen: * **Nucleotiden:** Glycine, glutamine, aspartaat en $\text{CO}_2$ zijn betrokken bij de synthese van purines en pyrimidines. * **Creatine:** Afgeleid van arginine, glycine en methionine, belangrijk voor energieopslag in spieren. * **Heme en cobalamine (Vitamine B12):** Glycine en succinyl-CoA zijn precursoren voor de porfyrine ring van heme. * **Sfingosine, Choline, Ethanolamine:** Afgeleid van serine en andere precursors. * **Hormonen en Neurotransmitters:** * **Catecholamines (dopamine, noradrenaline, adrenaline):** Afgeleid van tyrosine. * **Thyroxine (T4) en Tri-iodothyronine (T3):** Afgeleid van tyrosine en jodium. * **Serotonine (5-hydroxytryptamine) en Melatonine:** Afgeleid van tryptofaan. * **Histamine:** Afgeleid van histidine. * **Pigmenten (bv. melanine):** Afgeleid van tyrosine. * **Glutathion:** Gevormd uit glutamaat, cysteïne en glycine. * **Gamma-aminoboterzuur ($\gamma$-aminoboterzuur, GABA):** Een belangrijke remmende neurotransmitter, gevormd door decarboxylerings van glutamaat. --- # Aminozuren als precursoren van biomoleculen Aminozuren dienen als essentiële bouwstenen voor een breed scala aan belangrijke biomoleculen, waaronder nucleotiden, creatine, sfingosine, hormonen en neurotransmitters. ## 6.1 De rol van aminozuren als bouwstenen De "aminozuur-pool" in het lichaam, gevormd door de afbraak van lichaamseigen eiwitten en de inname via voeding, is niet alleen de bron voor nieuwe eiwitsynthese, maar ook voor de aanmaak van talrijke niet-eiwitgebonden verbindingen. Deze verbindingen spelen cruciale rollen in diverse cellulaire processen. ### 6.1.1 Synthese van purines en pyrimidines Aminozuren leveren essentiële atomen voor de ringstructuren van purines en pyrimidines, de bouwstenen van nucleïnezuren (DNA en RNA) en energiedragers zoals ATP. * **Glycine** draagt bij aan de purinering. * **Glutamine** levert stikstofatomen voor zowel purines als pyrimidines. * **Aspartaat** levert een stikstofatoom voor purines en een koolstofatoom voor pyrimidines. * **CO₂** levert een koolstofatoom voor purines. * **Carbamoylfosfaat**, afkomstig van glutamine, CO₂ en ATP, is essentieel voor de pyrimidinesynthese. ### 6.1.2 Creatine synthese Creatine, een belangrijke energiereserve in spierweefsels, wordt gesynthetiseerd uit de aminozuren arginine, glycine en methionine. Het proces omvat de vorming van guanidinoacetaat via L-arginine:glycine amidinotransferase, gevolgd door methylering door N-methyltransferase, waarbij S-adenosylmethionine (SAM) als methylgroepdonor fungeert. ### 6.1.3 Sfingosine synthese Sfingosine, een integraal onderdeel van lipiden in celmembranen, wordt afgeleid van serine en palmitoyol-CoA. ### 6.1.4 Hormonen en neurotransmitters Verschillende aminozuren zijn directe of indirecte precursors van belangrijke hormonen en neurotransmitters. * **Tyrosine** is een precursor voor: * Catecholamines zoals dopamine, noradrenaline (norepinephrine) en adrenaline (epinephrine). Deze worden gevormd via een reeks reacties, waaronder decarboxylering van DOPA (dihydroxyfenylalanine). * Schildklierhormonen thyroxine (T4) en tri-iodothyronine (T3). De synthese hiervan omvat de joodering van tyrosine-residuen in thyreoglobuline. * Melanine, een pigment dat beschermt tegen UV-straling. * **Tryptofaan** is de precursor voor: * Serotonine (5-hydroxytryptamine), een belangrijke neurotransmitter die betrokken is bij stemming en slaap. * Melatonine, een hormoon dat het slaap-waakritme reguleert. * **Histidine** is de precursor voor: * Histamine, een neurotransmitter en mediator van allergische reacties, die fungeert als vasodilator. * **Glutamaat** is een precursor voor: * Gamma-aminoboterzuur (GABA), de belangrijkste remmende neurotransmitter in het centrale zenuwstelsel. ### 6.1.5 Pigmenten Net als hormonen en neurotransmitters worden pigmenten zoals melanine gevormd uit tyrosine. Afwijkingen in dit pad kunnen leiden tot aandoeningen zoals albinisme. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Aminozuurmetabolisme | Het geheel van biochemische processen waarbij aminozuren worden gesynthetiseerd, afgebroken en omgezet in het lichaam. Dit omvat zowel de opbouw (anabolisme) als de afbraak (katabolisme) van aminozuren. | | Biosynthese van aminozuren | Het proces waarbij levende organismen aminozuren produceren. Niet-essentiële aminozuren kunnen door het lichaam zelf worden gesynthetiseerd, vaak uit intermediairen van andere metabole routes zoals de glycolyse of de citroenzuurcyclus. | | Katabolisme van aminozuren | De afbraak van aminozuren in het lichaam. Dit proces resulteert in de verwijdering van de aminogroep, die wordt omgezet in ureum, en de omzetting van het koolstofskelet tot energieproducerende moleculen of intermediairen van andere metabole cycli. | | Stofwisselingsziekten | Een groep genetische aandoeningen die worden veroorzaakt door defecten in specifieke enzymen die betrokken zijn bij metabole routes, zoals het aminozuurmetabolisme. Deze defecten leiden tot de accumulatie van toxische verbindingen of het tekort aan essentiële producten. | | Precursoren | Moleculen die de voorlopers zijn voor de synthese van andere, vaak complexere, biomoleculen. Aminozuren kunnen dienen als precursoren voor onder andere nucleotiden, hormonen, neurotransmitters en eiwitten. | | Essentiële aminozuren | Amino'suren die het menselijk lichaam niet zelf kan synthetiseren en daarom via de voeding moeten worden verkregen. Zonder deze aminozuren kan het lichaam bepaalde eiwitten en andere essentiële moleculen niet adequaat produceren. | | Niet-essentiële aminozuren | Amino'suren die het menselijk lichaam wel zelf kan synthetiseren. Deze kunnen worden geproduceerd uit intermediairen van andere metabole processen, waardoor ze niet per se via de voeding hoeven te worden opgenomen. | | Tetrahyrofolaat (THF) | Een co-enzym dat een cruciale rol speelt bij de overdracht van één-koolstofeenheden in diverse biochemische reacties, waaronder de synthese van purines, pyrimidines en bepaalde aminozuren zoals glycine en serine. Het is de gereduceerde vorm van folaat (vitamine B9). | | Ureumcyclus | Een biochemische cyclus die voornamelijk in de lever plaatsvindt en verantwoordelijk is voor de omzetting van toxisch ammonium (afkomstig van aminozuurafbraak) in het minder toxische ureum, dat vervolgens via de urine wordt uitgescheiden. | | Koolstofskelet van aminozuren | Het deel van een aminozuurmolecuul dat overblijft na verwijdering van de aminogroep. Dit koolstofskelet kan worden omgezet in intermediairen van de citroenzuurcyclus, pyruvaat, acetyl-CoA, of ketonlichamen, afhankelijk van het specifieke aminozuur. | | Vitamine B12 (Cobalamine) | Een in water oplosbaar vitamine dat essentieel is voor diverse enzymatische reacties in het lichaam, waaronder de omzetting van methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA en de methylering van homocysteïne tot methionine. Het speelt een rol in DNA-synthese en de vorming van rode bloedcellen. | | Transaminering | Een biochemische reactie waarbij een aminogroep wordt overgedragen van een aminozuur op een alfa-ketozuur, resulterend in de vorming van een nieuw aminozuur en een nieuw alfa-ketozuur. Dit is een sleutelreactie in de synthese en afbraak van aminozuren. | | Glutamaat dehydrogenase | Een enzym dat betrokken is bij de reversibele aminering van alfa-ketoglutaraat tot glutamaat, waarbij ammoniumionen en NADPH (of NADH) worden gebruikt. Het speelt een belangrijke rol in de ammoniummetabolisme en de stikstofbalans. | | S-adenosylmethionine (SAM) | Een co-enzym dat fungeert als een universele methyldonor in een breed scala aan biochemische reacties. Het wordt gevormd uit methionine en ATP en is essentieel voor de methylering van DNA, RNA, eiwitten en lipiden, evenals voor de synthese van neurotransmitters en andere biomoleculen. | | Ketogeen aminozuur | Een aminozuur waarvan het koolstofskelet kan worden afgebroken tot acetyl-CoA of acetoacetyl-CoA. Deze moleculen kunnen vervolgens worden gebruikt voor de synthese van ketonlichamen, vooral tijdens perioden van vasten of koolhydraatarme diëten. | | Glucogeen aminozuur | Een aminozuur waarvan het koolstofskelet kan worden omgezet in pyruvaat of intermediairen van de citroenzuurcyclus. Deze intermediairen kunnen vervolgens worden gebruikt voor gluconeogenese, de aanmaak van glucose. | | Phenylketonurie (PKU) | Een erfelijke stofwisselingsziekte veroorzaakt door een defect in het enzym fenylalaninehydroxylase, wat leidt tot de accumulatie van fenylalanine en zijn toxische metabolieten in het bloed. Onbehandeld kan PKU leiden tot ernstige intellectuele handicaps. | | Aminozuurpool | De verzameling van vrije aminozuren die in het lichaam beschikbaar is voor eiwitsynthese, energieproductie en de synthese van andere stikstofhoudende verbindingen. Deze pool wordt aangevuld door eiwitafbraak, voedingsinname en de novo synthese. | | Oxaalacetaat | Een intermediair van de citroenzuurcyclus dat ook betrokken is bij de ureumcyclus als acceptor van een aminogroep van aspartaat. Het kan ook worden gevormd uit het koolstofskelet van aspartaat en andere aminozuren. | | Pyruvaat | Een centraal molecuul in het koolhydraatmetabolisme dat ook een afbraakproduct is van verschillende aminozuren (bijv. alanine, serine, cysteïne). Het kan worden omgezet in acetyl-CoA voor energiewinning of worden gebruikt voor gluconeogenese. | | Acetyl-CoA | Een cruciaal molecuul in het metabolisme dat wordt gevormd uit pyruvaat (na glycolyse) en de afbraak van vetzuren en bepaalde aminozuren. Het treedt de citroenzuurcyclus binnen voor energieproductie of wordt gebruikt voor lipiden synthese. | | Ketonlichamen | Moleculen (acetoacetaat, beta-hydroxybutyraat, aceton) die voornamelijk in de lever worden gesynthetiseerd uit acetyl-CoA, vooral tijdens perioden van langdurig vasten of koolhydraatarme diëten. Ze dienen als alternatieve energiebron voor de hersenen en andere weefsels. | | Ornithine | Een aminozuur dat een sleutelrol speelt in de ureumcyclus. Het wordt geregenereerd in de cyclus en fungeert als acceptor van carbamoylfosfaat om citrulline te vormen. | | Citrulline | Een intermediair in de ureumcyclus dat wordt gevormd uit ornithine en carbamoylfosfaat. Het wordt vervolgens in het cytoplasma omgezet in argininosuccinaat. | | Argininosuccinaat | Een intermediair in de ureumcyclus dat wordt gevormd uit citrulline en aspartaat. Het wordt gesplitst om arginine en fumaraat te produceren. | | Arginine | Een semi-essentieel aminozuur dat een rol speelt in de ureumcyclus. Na de splitsing van argininosuccinaat wordt arginine gevormd, dat vervolgens door arginase wordt gesplitst tot ureum en ornithine. | | Fumaraat | Een intermediair van de citroenzuurcyclus dat ook wordt geproduceerd tijdens de ureumcyclus door de splitsing van argininosuccinaat. Het kan opnieuw de citroenzuurcyclus ingaan of worden gebruikt voor de synthese van aspartaat. | | Carbamoylfosfaat | Een molecuul dat wordt gevormd uit bicarbonaat, ammonium en ATP. Het is een van de eerste intermediairen in de ureumcyclus, waar het reageert met ornithine. | | Aspartaat | Een niet-essentieel aminozuur dat betrokken is bij de ureumcyclus als donor van de tweede stikstofatoom en de koolstofketen voor de vorming van argininosuccinaat. Het is ook een intermediair in de citroenzuurcyclus. | | Glycine | Het kleinste aminozuur, dat verschillende metabole rollen vervult. Het is betrokken bij de synthese van porfyrines (zoals heem), purines, creatine en kan worden omgezet naar serine en pyruvaat. | | Serine | Een niet-essentieel aminozuur dat betrokken is bij de synthese van glycine, cysteïne en fosfolipiden. Het kan ook worden omgezet in pyruvaat. | | Cysteïne | Een aminozuur dat zwavel bevat en essentieel is voor de synthese van glutathion, een belangrijke antioxidant. Het kan worden gesynthetiseerd uit serine en homocysteïne. | | Homocysteïne | Een intermediair gevormd tijdens het metabolisme van methionine. Verhoogde niveaus van homocysteïne worden geassocieerd met een verhoogd risico op cardiovasculaire aandoeningen en vereisen de aanwezigheid van vitamine B12 en folaat voor omzetting naar methionine of cysteïne. | | Methionine | Een essentieel aminozuur dat zwavel bevat en de precursor is van S-adenosylmethionine (SAM), een belangrijke methyldonor. Het speelt ook een rol in de synthese van cysteïne. | | Sfingosine | Een aminoalcohol dat een belangrijk structureel component is van sfingolipiden, een klasse van lipiden die overvloedig aanwezig zijn in celmembranen, met name in het zenuwstelsel. Het wordt gesynthetiseerd uit serine en palmitoyl-CoA. | | Histamine | Een biogene amine die betrokken is bij lokale immuunreacties, de regulatie van fysiologische processen in de maag en fungeert als neurotransmitter in de hersenen. Het wordt gevormd uit het aminozuur histidine door decarboxylering. | | Choline | Een essentiële voedingsstof die betrokken is bij tal van lichaamsfuncties, waaronder celmembraansynthese (als onderdeel van fosfatidylcholine), signaaltransductie en de synthese van neurotransmitters. Het kan worden gesynthetiseerd uit serine. | | Thyroxine (T4) en Tri-iodothyronine (T3) | Schildklierhormonen die cruciaal zijn voor de regulatie van het metabolisme, groei en ontwikkeling. Ze worden gesynthetiseerd uit het aminozuur tyrosine door iodinering en koppeling. | | Catecholaminen (Dopamine, Noradrenaline, Adrenaline) | Een groep neurotransmitters en hormonen die betrokken zijn bij de regulatie van bloeddruk, hartslag, stemming en andere fysiologische processen. Ze worden afgeleid van het aminozuur tyrosine. | | Melanine | Een pigment dat verantwoordelijk is voor de kleur van huid, haar en ogen. Het wordt gesynthetiseerd uit tyrosine via een reeks enzymatische reacties. | | Serotonine (5-hydroxytryptamine) | Een neurotransmitter die een belangrijke rol speelt bij de regulatie van stemming, slaap, eetlust en cognitieve functies. Het wordt gesynthetiseerd uit het aminozuur tryptofaan. | | Melatonine | Een hormoon dat voornamelijk wordt geproduceerd door de pijnappelklier en de slaap-waakcyclus reguleert. Het wordt gesynthetiseerd uit tryptofaan. | | Alkaptonurie | Een zeldzame erfelijke stofwisselingsziekte veroorzaakt door een defect in het homogentisaat 1,2-dioxigenase enzym, wat leidt tot de accumulatie van homogentisaat. Dit leidt tot donkere urine en kan na verloop van tijd leiden tot artritis en pigmentatie van kraakbeen en bindweefsel. | | Maple Syrup Urine Disease (MSUD) | Een zeldzame erfelijke stofwisselingsziekte gekenmerkt door een defect in het vertakte keten alfa-ketozuur dehydrogenase complex. Dit leidt tot de accumulatie van vertakte keten aminozuren (valine, leucine, isoleucine) en hun alfa-keto-analogen, wat resulteert in een karakteristieke geur van de urine en ernstige neurologische schade. | | Homocystinurie | Een groep erfelijke stofwisselingsziekten die worden veroorzaakt door defecten in enzymen die betrokken zijn bij het metabolisme van homocysteïne. Dit leidt tot verhoogde niveaus van homocysteïne in het bloed en kan leiden tot problemen met botten, ogen en het cardiovasculaire systeem. | | Hyperammoniëmie | Een abnormaal hoge concentratie ammoniumionen in het bloed. Dit kan het gevolg zijn van defecten in de ureumcyclus of leverfalen en kan ernstige neurologische schade veroorzaken, met name bij kinderen. | | Gluconeogenese | Het proces waarbij glucose wordt gesynthetiseerd uit niet-koolhydraatprecursoren, zoals lactaat, pyruvaat, glycerol en bepaalde aminozuren. Dit proces vindt voornamelijk plaats in de lever en nieren en is cruciaal voor het handhaven van de bloedglucosespiegel tijdens vasten. | | Citraatcyclus (Krebs cyclus) | Een reeks enzymatische reacties die het centrale punt vormen van aerobe celademhaling. Het acetyleinde van acetyl-CoA wordt geoxideerd tot CO2, waarbij een grote hoeveelheid energierijke elektronen wordt geproduceerd die worden gebruikt om ATP te genereren via oxidatieve fosforylering. |

# Glycogeenstructuur en -opslag Dit onderwerp behandelt de moleculaire opbouw van glycogeen, inclusief de specifieke bindingen tussen glucose-eenheden en hoe dit polymeer in cellen wordt opgeslagen. ### 1.1 Structuur van glycogeen Glycogeen is een polymeer van glucose dat dient als reservevorm van glucose in cellen. De moleculaire structuur kenmerkt zich door glucose-eenheden die met elkaar verbonden zijn via specifieke glycosidische bindingen [2](#page=2). #### 1.1.1 Glycosidische bindingen Er zijn twee hoofdtypen glycosidische bindingen die de glucose-eenheden in glycogeen met elkaar verbinden: * **α-1,4 bindingen**: Deze bindingen vormen de lineaire ketens van het glycogeenmolecuul [2](#page=2). * **α-1,6 bindingen**: Deze bindingen zorgen voor de vertakkingen in het glycogeenmolecuul. Er is een vertakking van glucose-eenheden elke ongeveer tien resten [2](#page=2). #### 1.1.2 Globulaire structuur Het complete glycogeenmolecuul heeft een sterk vertakte, globulaire (bolvormige) structuur. Een dergelijke granule kan tot wel ongeveer 30.000 glucose-eenheden bevatten. In het centrum van deze granule bevindt zich een kernproteïne genaamd glycogenine, die omringd wordt door de vertakte glucose-eenheden [1](#page=1) [2](#page=2). > **Tip:** De vertakte structuur van glycogeen is cruciaal voor de efficiënte opslag en snelle afgifte van glucose wanneer dat nodig is, omdat het meer eindpunten biedt voor enzymatische activiteit [2](#page=2). ### 1.2 Opslag van glycogeen Glycogeen wordt opgeslagen in de cytosol van cellen. Het verschijnt daar als korrelvormige structuren, ook wel granules genoemd. Deze granules hebben een diameter variërend van 100 tot 400 Ångstrom [3](#page=3). #### 1.2.1 Rol van granules De glycogeenkorrels (granules) zijn niet alleen opslagplaatsen, maar bevatten ook de enzymen die nodig zijn voor zowel de synthese (aanmaak) als de degradatie (afbraak) van glycogeen. Dit zorgt voor een geconcentreerde en efficiënte regulatie van het glycogeenmetabolisme binnen de cel [3](#page=3). > **Voorbeeld:** De belangrijkste opslaglocaties voor glycogeen in het menselijk lichaam zijn de lever en de spieren. Leverglycogeen dient als glucosebron voor het gehele lichaam, terwijl spierglycogeen voornamelijk wordt gebruikt als energiebron voor de spier zelf tijdens inspanning [3](#page=3). * * * # Glycogeenafbraak en -synthese Dit hoofdstuk beschrijft de biochemische routes voor zowel de afbraak als de synthese van glycogeen. ### 2.1 Glycogeenafbraak Glycogeen wordt door middel van een fosforolytische splitsing afgebroken tot glucose 1-fosfaat. Dit proces wordt gekatalyseerd door het enzym glycogeen fosforylase. In tegenstelling tot hydrolytische splitsing, waarbij water wordt gebruikt om bindingen te verbreken, wordt bij fosforolytische splitsing orthofosfaat (Pi) gebruikt [5](#page=5). De reactie is als volgt: $$ \\text{glycogeen} + P\_i \\rightarrow \\text{glucose-1-fosfaat} + \\text{glycogeen-1} $$ De standaard vrije energie verandering ($\\Delta G^\\circ'$) voor deze reactie is nagenoeg nul ($\\approx 0$). De hoge concentratie van fosfaat (Pi) in de cel drijft de reactie echter naar rechts, wat de vorming van glucose 1-fosfaat bevordert [6](#page=6). De fosforolytische splitsing is voordelig om twee redenen [6](#page=6): 1. Het gevormde suiker (glucose 1-fosfaat) blijft in de cel omdat het geladen is. 2. Er is geen nieuwe fosforylering van glucose nodig, wat energie bespaart. Het glycogeen fosforylase werkt op de niet-reducerende uiteinden van de glycogeenketen. Bij het afbreken van glycogeen, dat vertakkingen bevat, zijn er twee belangrijke enzymen betrokken die samenwerken [7](#page=7): * **Transferase:** Dit enzym verplaatst drie glycosylresten van een tak naar het uiteinde van een andere tak. Dit maakt de glucosemoleculen aan het uiteinde van de tak toegankelijk voor fosforylase [8](#page=8). * **$\\alpha$\-1,6 glucosidase (debranching enzym):** Dit enzym hydrolyseert de $\\alpha$\-1,6-vertakte structuur, die niet door fosforylase kan worden gesplitst, tot een lineaire structuur. Hierdoor kan het fosforylase verder met de afbraak [8](#page=8). De glucose 1-fosfaat die wordt geproduceerd, wordt vervolgens door het enzym fosfoglucomutase omgezet in glucose 6-fosfaat. Dit proces verloopt via een intermediair van glucose 1,6-bisfosfaat, vergelijkbaar met het fosfoglyceromutase in de glycolyse [9](#page=9). Tenslotte, in de lever, wordt glucose 6-fosfaat door het enzym glucose 6-fosfatase omgezet in vrije glucose. Dit vrije glucose kan vervolgens via de bloedcirculatie worden getransporteerd naar andere weefsels zoals spieren en hersenen. In spieren en hersenen kan glucose 6-fosfaat direct worden gebruikt voor energieproductie via de glycolyse, aangezien ze het enzym glucose 6-fosfatase niet bezitten [9](#page=9). Het merendeel van de glycogeenafbraak (ongeveer 90%) resulteert in glucose-1-fosfaat, dat verder wordt omgezet in glucose-6-fosfaat. De overige 10% van de afbraak betreft de vertakte ketens, die hydrolytisch worden gesplitst en niet direct glucose-1-fosfaat opleveren. Deze producten moeten vervolgens door hexokinase of glucokinase worden omgezet naar glucose-6-fosfaat [13](#page=13). ### 2.2 Glycogeen-synthese Glycogeen-synthese is geen directe omkering van de afbraak, mede door de relatief hoge Pi-concentratie die de fosforolytische splitsing begunstigt. In plaats daarvan wordt de glycosylgroep geleverd door uridine difosfaat-glucose (UDP-glucose) [10](#page=10). De reactie voor de opname van glucose in glycogeen is: $$ \\text{(glycogeen)}\_n + \\text{UDP-glucose} \\rightarrow \\text{(glycogeen)}{n+1} + \\text{UDP} $$ Het enzym dat verantwoordelijk is voor de aanmaak van $\\alpha$\-1,4-bindingen in glycogeen is glycogeen synthase. Voor de synthese van glycogeen is een primer van minimaal vier glycosidische resten vereist. Deze primer kan ook een eiwit zijn, waaraan een oligosaccharide is gebonden, zoals in het geval van "priming" door een eiwit met $\\alpha$\-1,4-glucose-eenheden [11](#page=11) [12](#page=12). Net als bij de afbraak speelt een "branching enzym" een rol bij de synthese. Dit enzym vormt $\\alpha$\-1,6-bindingen door een blok van ongeveer zeven suikers te verplaatsen van een groeiende $\\alpha$\-1,4-keten naar een interne glucose-eenheid, waarbij de $\\alpha$\-1,4-binding wordt vervangen door een $\\alpha$\-1,6-binding. Deze vertakkingen vergroten de oplosbaarheid van glycogeen en bieden meer uiteinden voor zowel synthese als afbraak [12](#page=12). > **Tip:** UDP-glucose is de actieve vorm van glucose die nodig is voor de synthese van glycogeen. Het wordt gevormd uit glucose-1-fosfaat en UTP. > **Voorbeeld:** Stel je glycogeen voor als een boom. Fosforylase en debranching enzymen snoeien de takken (afbraak), terwijl glycogeen synthase en het branching enzym de boom laten groeien door nieuwe takken en vertakkingen aan te maken (synthese). * * * # Hormonale regulatie van glycogeenmetabolisme Dit hoofdstuk beschrijft de hormonale controle over de afbraak en synthese van glycogeen, met specifieke aandacht voor de rollen van insuline, adrenaline en glucagon [14](#page=14). ## 3.1 Hormonale controle mechanismen Glycogeenmetabolisme wordt primair gereguleerd door insuline, adrenaline en glucagon. Deze hormonen sturen de activiteit van sleutelenzymen in de glycogeen afbraak (glycogeenfosforylase) en synthese (glycogeen synthase) aan, waarbij geldt dat glycogeen synthase inactief is wanneer fosforylase actief is [14](#page=14). ### 3.1.1 Insuline Insuline wordt vrijgegeven uit de b-cellen van de pancreas. Het heeft een belangrijke rol bij het verlagen van de bloedglucosespiegel, onder andere door de opname van glucose in insuline-gevoelige cellen te faciliteren, zoals skelet- en hartspierweefsel en vetweefsel. Dit gebeurt via signaaltransductie die leidt tot de translocatie van glucose-transporters (GLUT's) naar het celmembraan, specifiek GLUT-4, waardoor glucose de cel in kan. Bij lage insulinespiegels verplaatst GLUT-4 zich terug naar de TGN (trans-Golgi netwerk) [14](#page=14) [15](#page=15). ### 3.1.2 Glucagon en Adrenaline (Epinefrine) Glucagon is een peptidehormoon van 29 aminozuren, geproduceerd door de a-cellen van de pancreas. Adrenaline (epinefrine) is een catecholamine, geproduceerd in het bijniermerg. Beide hormonen stimuleren de glycogeenafbraak, waarbij de lever gevoeliger is voor glucagon dan de spieren, terwijl adrenaline vooral glycogeenafbraak in spieren stimuleert [17](#page=17). > **Tip:** Glucagon en adrenaline werken via een vergelijkbaar signaaltransductiepad, wat leidt tot de activering van glycogeenafbraak. ### 3.1.3 De fosforyleringscascade De binding van glucagon en adrenaline aan hun receptoren activeert adenylaatcyclase, dat ATP omzet in cyclisch AMP (cAMP). cAMP activeert vervolgens de cAMP-afhankelijke proteïnekinase (PKA). PKA activeert op zijn beurt de synthase-fosforylase-kinase (SPK), een complex bestaande uit vier subeenheden (α, β, γ, δ). De δ-eenheid is identiek aan calmoduline, wat een rol speelt bij het reguleren van de activiteit op basis van de calciumconcentratie [18](#page=18). De gefosforyleerde SPK (P-SPK) fosforyleert vervolgens twee belangrijke enzymen: 1. **Fosforylase:** De niet-gefosforyleerde vorm, fosforylase-b, is inactief. Na fosforylering door SPK op Ser-14 wordt het fosforylase-a, de actieve vorm [18](#page=18). 2. **Glycogeen synthase:** Glycogeen synthase wordt door fosforylering geïnactiveerd [18](#page=18). Daarnaast fosforyleert PKA ook Inhibitor-1, wat resulteert in de binding van deze inhibitor aan fosfaatase. Dit voorkomt de defosforylering van fosforylase, en houdt het dus actief. Adrenaline is een klassiek voorbeeld van signaaltransductie via een fosforyleringscascade [18](#page=18) [19](#page=19). ## 3.2 Regulatie van fosforylase activiteit De activiteit van fosforylase wordt verschillend gereguleerd in de lever en spieren. ### 3.2.1 Leverfosforylase Leverfosforylase kan bestaan in twee R (relaxed, actieve) vormen en twee T (tense, inactieve) vormen. Enkel de T-vorm kan gefosforyleerd of gedefosforyleerd worden. De b-vorm van leverfosforylase is niet actief en neigt sterk naar de T-vorm, terwijl de a-vorm wel actief is en de R-vorm het meest voorkomt. De fosforyleringstoestand, gestuurd door SPK, bepaalt dus de controle over leverfosforylase [20](#page=20). ### 3.2.2 Spierfosforylase Spierfosforylase wordt zowel door fosforylering als allosterische mechanismen gereguleerd. Onder normale fysiologische omstandigheden is het inactief door de aanwezigheid van ATP en glucose-6-fosfaat. Fosforylase-a is daarentegen onafhankelijk van deze moleculen en altijd actief. In rust is de inactieve b-vorm aanwezig. Tijdens spiercontractie en oefening stijgt de AMP-concentratie, wat leidt tot allosterische activatie van fosforylase-b. Bij een toename van adrenaline en spierstimulatie kan fosforylase-a gevormd worden [21](#page=21). > **Tip:** Het verschil in regulatie tussen lever- en spierfosforylase weerspiegelt hun verschillende fysiologische rollen: de lever reguleert de bloedglucose, terwijl de spierenergie levert voor activiteit. ### 3.2.3 Inactivatie van fosforylase Fosforylase wordt inactief gemaakt wanneer het fosfatase-enzym actief wordt. Om inactivatie van fosforylase te voorkomen, wordt het fosfatase inactief gezet door Inhibitor-1 die gefosforyleerd is [22](#page=22). De omkering van fosforylase-activiteit vindt plaats wanneer de concentratie cAMP daalt, bijvoorbeeld door de werking van fosfodiësterase dat cAMP omzet in AMP. Als cAMP wegvalt, wordt PKA niet langer geactiveerd, wat leidt tot defosforylering van Inhibitor-1. De defosforyleerde Inhibitor-1 komt vervolgens los van het fosfatase, waardoor het fosfatase weer actief kan worden [23](#page=23). Dit fosfatase heeft meerdere substraten: 1. Het defosforyleert fosforylase-a naar fosforylase-b, waarmee het fosforylase inactiveert [24](#page=24). 2. Het defosforyleert de SPK, waardoor deze inactief wordt [24](#page=24). 3. Het defosforyleert glycogeen synthase, wat de synthese van glycogeen activeert [24](#page=24). ## 3.3 Omzetting van glycogeen afbraak naar synthese De omschakeling van glycogeen afbraak naar synthese in de lever wordt mede bepaald door de glucoseconcentratie. Fosforylase-a in de lever fungeert als een 'sensor' voor de bloedglucosespiegel. Wanneer glucose bindt aan fosforylase-a, verschuift de conformatie van de R- naar de T-vorm. Het fosfatase is enkel katalytisch actief op de T-configuratie van fosforylase. Hierdoor 'helpt' glucose het fosfatase om fosforylase te inactiveren [26](#page=26) [27](#page=27). > **Tip:** Dit glucose-gekoppelde mechanisme zorgt ervoor dat glycogeenafbraak stopt wanneer de bloedglucosespiegel voldoende is, en de weg vrijmaakt voor glycogeen synthese. ### 3.3.1 De glucosedrempel voor glycogeen synthese Als er te veel glucose wordt vrijgesteld uit glycogeen, kan de suikerspiegel te hoog worden. De lever gebruikt hiervoor lever glucokinase, dat verschilt van hexokinase. Glucokinase heeft een hoge KM voor glucose, wat een lage affiniteit betekent. Deze KM fungeert als de 'drempel' waarbij glycogeen synthese start. Fosforylase bepaalt hierbij de glucosedrempel waar de afbraak van glycogeen stopt [28](#page=28). **3\. 4 Glycogeen stapelingsziekten** 1. Von Gierke's aandoening * deficiënt enzym: glucose 6-fosfatase * aangetast orgaan: lever en nieren * toegenomen hoeveelheid, normale structuur -> vergroting van de lever, hypoglycemie, hyperlipemie 2. Pompe's aandoening * deficiënt enzym: alfa A,4-glucosidase * aangetast orgaan: alle organen * toegenomen hoeveelheid, normale structuur -> fatale cardiorespiratorische insufficiëntie 3. Cori's aandoening * amylo 1,6-glucosidase * aangetast orgaan: spieren en lever * toegenomen hoeveelheid, korte buitenvertakkingen -> zoals type I maar milder * * * # Integratie van metabolisme met cellulaire processen Dit thema onderzoekt hoe metabole routes en de concentraties van metabolieten direct invloed uitoefenen op diverse cellulaire processen, waaronder genexpressie, veroudering en epigenetische regulatie. ### 4.1 Metabolisme en regulatie van genexpressie Celulaire metabole processen zijn nauw verweven met de regulatie van genexpressie. Dit verband wordt gemedieerd door post-translationele modificaties (PTMs) van DNA en histonen, die essentieel zijn voor gentranscriptie. Veel enzymen die deze PTMs uitvoeren, maken gebruik van co-enzymen of substraten die zelf cruciale metabolieten zijn in verschillende metabole routes. Voorbeelden hiervan zijn acetyl-CoA, uridine difosfaat (UDP)-glucose, $\\alpha$\-ketoglutaraat ($\\alpha$\-KG), NAD+, FAD, ATP en S-adenosylmethionine (SAM) [31](#page=31). De cellulaire concentraties van deze metabolieten fluctueren in lijn met de metabole status van de cel. Als gevolg hiervan varieert ook de activiteit van chromatine-regulatoren, wat op zijn beurt de transcriptie van genen beïnvloedt. Dit duidt op een direct verband tussen metabolisme en gentranscriptie [31](#page=31). #### 4.1.1 Enzymatische activiteit en metabolische sensoren Metabolieten reguleren de enzymatische activiteit van zowel 'writers' (enzymen die PTMs toevoegen) als 'erasers' (enzymen die PTMs omkeren). Deze twee groepen enzymen fungeren gezamenlijk als metabole sensoren [32](#page=32). Specifieke voorbeelden van deze regulatie omvatten: * **Histon acetylering:** Transferasen (KATs) worden gereguleerd door acetyl-CoA [32](#page=32). * **Histon deacetylering:** Deze enzymen (HDACs) zijn afhankelijk van NAD+ [32](#page=32). * **Histon methylering:** Histon methyltransferasen (HMTs) en demethylasen (KDMs) vereisen SAM en $\\alpha$\-ketoglutaraat [32](#page=32). #### 4.1.2 Acetyl-CoA en histon acetylering Histon acetylering is een sleutelmechanisme dat metabolisme verbindt met gentranscriptie. Acetyl-CoA dient als de universele donor voor acetyleringsreacties. Het kan afkomstig zijn van vetzuuroxidatie of koolhydraatcatabolisme. Overmaat aan acetyl-CoA wordt vanuit de mitochondriën geëxporteerd in de vorm van citraat [33](#page=33). Veranderingen in de anabole of catabole flux van metabole intermediairen leiden tot fluctuaties in de intracellulaire concentratie van acetyl-CoA. Het acetyl-CoA afkomstig van glucoseafbraak, kenmerkend voor een hoge energielading van de cel, wordt gebruikt voor histonacetylering. Dit resulteert in een transcriptioneel programma dat celproliferatie en lipogenese bevordert. Omgekeerd worden sirtuïnes (een klasse van HDACs) geactiveerd door een lage energielading, waarbij NAD+ fungeert als een activator [33](#page=33). > **Tip:** Begrijp dat de oorsprong van acetyl-CoA (bv. glucose vs. vetzuren) de epigenetische uitkomst kan beïnvloeden. #### 4.1.3 De rol van de TCA-cyclus en folaat De citroenzuurcyclus (TCA) fungeert als een centraal kruispunt van zowel catabole als anabole routes. Zowel glycolyse als $\\beta$\-oxidatie, beide catabole processen, genereren acetyl-CoA. Folaat (vitamine B9) speelt een cruciale rol in de synthese van SAM, S-adenosylmethionine, dat als methyl donor essentieel is voor DNA- en histonmethylering [34](#page=34). > **Example:** Een hoge glucose-flux leidt tot meer acetyl-CoA voor histon acetylering, wat genen activeert die celgroei bevorderen. Een lage energielading daarentegen, activeert sirtuïnes via NAD+, wat leidt tot deacetylering en mogelijk genen die ouderdomsgerelateerde processen beïnvloeden. ### 4.2 Metabolisme en veroudering Er is een duidelijke link tussen metabolisme en het verouderingsproces. Hoewel de meerderheid van de componenten van de oxidatieve fosforylering (OXPHOS) wordt gecodeerd door nucleaire genen, worden 13 subeenheden gecodeerd door het mitochondriale genoom. Een uitgebalanceerd communicatiesysteem tussen de nucleus en mitochondriën is noodzakelijk voor de stoichiometrische vorming van OXPHOS-complexen en optimale ketenfunctie [35](#page=35). Met toenemende leeftijd neemt de ATP-productie in de mitochondriën af. Dit wordt deels veroorzaakt door een verstoring in de stoichiometrie van de verschillende OXPHOS-complexen. Nucleair NAD+ speelt een rol in de expressie van mitochondriale genen die coderen voor onderdelen van de OXPHOS-keten. Bij proefdieren is aangetoond dat het verhogen van het nucleaire NAD+-niveau leidt tot normalisatie van ATP-productie, expressie van mitochondriale OXPHOS-subeenheden en skeletspierperformantie [35](#page=35). > **Tip:** NAD+ niveaus zijn niet alleen belangrijk voor HDAC activiteit, maar ook voor het behoud van mitochondriale functie en daarmee veroudering. Dit benadrukt de rol van NAD+ als een cruciale metaboliet die meerdere cellulaire processen overkoepelt. * * * ## Veelgemaakte fouten om te vermijden * Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens * Let op formules en belangrijke definities * Oefen met de voorbeelden in elke sectie * Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Glycogeen | Glycogeen is een polymeer van glucose en dient als een reservevorm van glucose in met name de lever en spieren bij dieren en mensen. Het wordt opgeslagen in korrelvormige structuren in het cytosol van cellen. | | Glycogeenin | Glycogeenin is een eiwit dat fungeert als een startpunt of "primer" voor de synthese van glycogeen, waarbij het een kern vormt waaromheen glucose-eenheden worden gebouwd. | | α-1,4 binding | Een α-1,4 binding is een type glycosidische binding die lineaire ketens van glucose-eenheden in glycogeen met elkaar verbindt. Dit is de meest voorkomende binding in de structuur. | | α-1,6 binding | Een α-1,6 binding is een type glycosidische binding die vertakkingen creëert in de glycogeenstructuur, waarbij een glucose-eenheid is gebonden aan de zesde koolstof van een andere glucose-eenheid. | | Cytosol | Het cytosol is het vloeibare deel van het cytoplasma in een cel, waarin de organellen zich bevinden en waar veel metabolische processen, zoals de opslag en afbraak van glycogeen, plaatsvinden. | | Glycogeenstapeling | Glycogeenstapeling verwijst naar de opslag van glycogeen in de lever en spieren, essentieel voor de regulatie van de bloedglucosespiegel en de energievoorziening van spierweefsel. | | Glycogeenafbraak (glycogenolyse) | Glycogeenafbraak is het proces waarbij glycogeen wordt afgebroken tot glucose-eenheden, voornamelijk om glucose beschikbaar te maken voor energieproductie of om de bloedglucosespiegel te handhaven. | | Fosforolytische splitsing | Fosforolytische splitsing is een enzymatische reactie waarbij een fosfaatgroep (van orthofosfaat) wordt gebruikt om een binding te verbreken, wat resulteert in de vorming van een gefosforyleerd product. Bij glycogeenafbraak produceert dit glucose 1-fosfaat. | | Glycogeenfosforylase | Glycogeenfosforylase is een sleutelenzym dat de eerste stap in de glycogeenafbraak katalyseert door middel van fosforolytische splitsing, waarbij glucose 1-fosfaat wordt gevormd. | | Orthofosfaat (Pi) | Orthofosfaat is de anorganische fosfaatvorm die betrokken is bij veel cellulaire processen, waaronder de fosforolytische splitsing van glycogeen, waar het bijdraagt aan de vorming van glucose 1-fosfaat. | | Glucose 1-fosfaat | Glucose 1-fosfaat is een gefosforyleerd glucosemolecuul dat ontstaat tijdens de afbraak van glycogeen en een intermediair is op weg naar glucose 6-fosfaat, waarna het verder kan worden gemetaboliseerd. | | Fosfoglucomutase | Fosfoglucomutase is een enzym dat de positie van de fosfaatgroep op een glucosemolecuul kan veranderen; het katalyseert de omzetting van glucose 1-fosfaat naar glucose 6-fosfaat. | | Glucose 6-fosfaat | Glucose 6-fosfaat is een gefosforyleerde vorm van glucose die centraal staat in de koolhydraatstofwisseling; het kan worden gebruikt in de glycolyse, de pentosefosfaatroute of worden omgezet in glucose. | | Glycogeen synthese (glycogenese) | Glycogeen synthese is het biochemische proces waarbij glucose-eenheden worden samengevoegd tot glycogeen voor opslag in de lever en spieren. | | Uridine difosfaat-glucose (UDP-glucose) | UDP-glucose is de actieve donor van glucose-eenheden tijdens de synthese van glycogeen. Het levert de glucosemoleculen die worden gekoppeld om het glycogeenpolymeer op te bouwen. | | Glycogeen synthase | Glycogeen synthase is het enzym dat verantwoordelijk is voor de vorming van α-1,4 glycosidische bindingen tijdens de synthese van glycogeen, waarbij het UDP-glucose gebruikt als substraat. | | Debranching enzym (α-1,6 glucosidase) | Het "debranching enzym", ook bekend als α-1,6 glucosidase, is een enzym dat de α-1,6 vertakkingen in glycogeen hydrolytisch splitst, waardoor de lineaire structuur wordt hersteld en verdere afbraak door fosforylase mogelijk wordt. | | Insuline | Insuline is een hormoon geproduceerd door de bètacellen van de pancreas dat een cruciale rol speelt bij de regulatie van de bloedglucosespiegel, door de opname van glucose door cellen te bevorderen en de glycogeen synthese te stimuleren. | | Adrenaline (epinefrine) | Adrenaline is een hormoon en neurotransmitter geproduceerd door de bijnieren die betrokken is bij de "vecht-of-vluchtreactie". Het stimuleert de glycogeenafbraak, vooral in spieren, om energie vrij te maken. | | Glucagon | Glucagon is een hormoon geproduceerd door de alfacellen van de pancreas dat de bloedglucosespiegel verhoogt door de glycogeenafbraak in de lever te stimuleren. | | cAMP | Cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP) is een belangrijk tweede boodschappermolecuul dat betrokken is bij de intracellulaire signaaltransductie. Het activeert proteïnekinasen die metabole enzymen reguleren, zoals die in het glycogeenmetabolisme. | | Proteïnekinase A (PKA) | Proteïnekinase A is een enzym dat door cAMP wordt geactiveerd en een sleutelrol speelt in de signaaltransductie. Het fosforyleert diverse eiwitten, waaronder enzymen die betrokken zijn bij het glycogeenmetabolisme, zoals fosforylase kinase en glycogeen synthase. | | Fosforyleringscascade | Een fosforyleringscascade is een reeks enzymatische reacties waarbij een proteïnekinase een ander proteïnekinase activeert door middel van fosforylering, wat leidt tot signaalversterking en regulatie van cellulaire processen. | | Fosfatase | Fosfatase is een enzym dat fosfaatgroepen van eiwitten of andere moleculen kan verwijderen (defosforylering). Dit proces is essentieel voor het omkeren van de effecten van fosforylering en het reguleren van enzymactiviteit. | | Fosforylase-a en Fosforylase-b | Fosforylase-a is de actieve, gefosforyleerde vorm van het enzym fosforylase, dat glycogeen afbreekt. Fosforylase-b is de inactieve, niet-gefosforyleerde vorm. | | Glycogeen synthase-a en Glycogeen synthase-b | Glycogeen synthase-a is de actieve, niet-gefosforyleerde vorm van het enzym glycogeen synthase, dat glycogeen opbouwt. Glycogeen synthase-b is de inactieve, gefosforyleerde vorm. | | Post-translationele modificaties (PTMs) | Post-translationele modificaties zijn chemische veranderingen aan een eiwit na de synthese ervan, zoals fosforylering, acetylering of methylering, die de functie, lokalisatie of stabiliteit van het eiwit kunnen beïnvloeden. | | Acetyl-CoA | Acetyl-CoA is een cruciaal molecuul in de stofwisseling dat de acetylgroep transporteert van koolhydraten, vetten en eiwitten naar de citroenzuurcyclus voor energieproductie, en ook betrokken is bij acetylering van histonen. | | S-adenosylmethionine (SAM) | S-adenosylmethionine (SAM) is een belangrijke methyl donor in veel biochemische reacties, waaronder DNA- en histonmethylering, en is essentieel voor genexpressie regulatie. | | Oxidatieve fosforylering (OXPHOS) | Oxidatieve fosforylering is het metabole proces waarbij ATP wordt gegenereerd door de overdracht van elektronen van NADH en FADH2 via een reeks eiwitcomplexen in de binnenste mitochondriale membraan, waarbij zuurstof als laatste elektronacceptor fungeert. |

# Structuur en opslag van glycogeen Glycogeen is de polymere opslagvorm van glucose, die voornamelijk wordt opgeslagen in de lever en spieren in de vorm van korrels in het cytosol. ### 1.1 De structuur van glycogeen Glycogeen is een polysacharide bestaande uit glucose-eenheden die covalent aan elkaar zijn gebonden. * **Lineaire ketens:** De glucose-eenheden zijn voornamelijk verbonden via $\alpha$-1,4-glycosidische bindingen, wat resulteert in lineaire ketens. * **Vertakkingen:** Om de compactheid en oplosbaarheid te vergroten, bevat glycogeen ook vertakkingen. Deze vertakkingen worden gevormd door $\alpha$-1,6-glycosidische bindingen. Elke 10 glucose-eenheden is er typisch een vertakking. * **Glycogeenkorrels:** Glycogeen slaat op in de vorm van korrelige structuren in het cytosol van cellen, met een diameter van ongeveer 100 tot 400 Ångström. Deze korrels zijn complexe macromoleculaire aggregaten. * **Glycogenine:** In het centrum van elke glycogeenkorrel bevindt zich een eiwit genaamd glycogenine. Glycogenine fungeert als een "primer" voor de synthese van glycogeen, waarbij de eerste vier glucose-eenheden aan dit eiwit worden gebonden via $\alpha$-1,4-verbindingen. Vervolgens kunnen andere glucosemoleculen hieraan worden gehecht. Een volledige glycogeenkorrel kan ongeveer 30.000 glucose-eenheden bevatten. ### 1.2 Opslaglocaties van glycogeen Glycogeen wordt opgeslagen in twee belangrijke weefsels: * **Lever:** Leverglycogeen dient als een buffer voor de bloedglucosespiegel. Wanneer de bloedglucosespiegel daalt, kan de lever glucose vrijgeven door de afbraak van glycogeen, waardoor de bloedsuikerspiegel op peil wordt gehouden. De lever kan deze glucose via de bloedcirculatie beschikbaar stellen aan andere organen en weefsels, waarbij voorrang wordt gegeven aan spieren en hersenen. De lever bevat het enzym glucose-6-fosfatase, wat nodig is om gefosforyleerde glucose om te zetten in vrije glucose die de cel kan verlaten. * **Spieren:** Spierglycogeen dient primair als energiebron voor de spiercellen zelf, met name tijdens fysieke inspanning. Spierglycogeen kan niet direct worden vrijgegeven in de bloedbaan omdat spiercellen het enzym glucose-6-fosfatase missen. ### 1.3 Rol van glycogeenkorrels Glycogeenkorrels zijn niet slechts passieve opslagplaatsen van glucose. Ze bevatten ook de enzymen die nodig zijn voor zowel de synthese (glycogenese) als de afbraak (glycogenolyse) van glycogeen. Deze georganiseerde structuur zorgt voor efficiënte regulatie van het glycogeenmetabolisme. De aanwezigheid van deze enzymen binnen de korrel bevordert de lokaliteit van de reacties en voorkomt interferentie met andere cellulaire processen. > **Tip:** Denk aan glycogeen als een snel toegankelijke energiereserve, vergelijkbaar met een voorraadkast, die cruciaal is voor het handhaven van de energiebalans van het lichaam, vooral bij piekmomenten van vraag of dalende glucoselevels. ### 1.4 Enzymen betrokken bij glycogeen metabolisme in de korrels De glycogeenkorrels huisvesten een complex van enzymen die essentieel zijn voor de regulatie van glycogeenopslag en -afbraak. Hoewel niet alle enzymen hier specifiek worden beschreven in de context van hun locatie, is het belangrijk te weten dat de enzymen van de glycogeen synthese en afbraak zich in nauwe nabijheid bevinden, vaak geïntegreerd in of geassocieerd met de glycogeenkorrels. Dit optimaliseert de flux van substraten en producten tussen de verschillende reactiestappen. ### 1.5 Synthese en degradatie via verschillende wegen Glycogenese en glycogenolyse verlopen via verschillende biochemische routes, wat een nauwkeurige regulatie mogelijk maakt. Dit wordt voornamelijk hormonale regulatie genoemd via signaleringscascades zoals cAMP en fosforylering. Erfelijke enzymdefecten in het glycogeenmetabolisme kunnen leiden tot ernstige gezondheidsproblemen, wat het belang van een goed functionerend systeem benadrukt. --- # Glycogeenafbraak (glycogenolyse) Glycogeenafbraak is het proces waarbij opgeslagen glycogeen wordt afgebroken om glucose vrij te maken, essentieel voor het handhaven van de bloedglucosespiegel en het voorzien van energie aan cellen. ### 2.1 Het proces van glycogeenafbraak Glycogeenafbraak vindt plaats via een fosforolytische splitsing, waarbij orthofosfaat ($\text{P}_i$) wordt gebruikt om glucose-eenheden van de glycogeenketen af te splitsen, resulterend in glucose-1-fosfaat. Dit proces is energetisch gunstig omdat de glucose direct in gefosforyleerde vorm in de cel blijft en geen extra fosforylering nodig heeft. * **Reactie:** $$ (\text{glycogeen})_n + \text{P}_i \rightleftharpoons (\text{glycogeen})_{n-1} + \text{glucose-1-fosfaat} $$ * **Enzym:** Glycogeenfosforylase katalyseert deze reactie. De reactie heeft een standaard vrije energie ($\Delta G^\circ{}'$) van ongeveer nul, maar de hoge concentratie van anorganisch fosfaat ($\text{[P}_i]$) in de cellen drijft de reactie richting glucose-1-fosfaatvorming. ### 2.2 De rol van glycogeenfosforylase Glycogeenfosforylase werkt sequentieel door glucose-eenheden van de glycogeenketen te verwijderen. Het stopt echter ongeveer driekwart van de plaatsen voor een vertakkingspunt. ### 2.3 Verwerking van vertakkingen Bij het tegenkomen van een vertakkingspunt ($\alpha$-1,6-binding), komen speciale enzymen in actie: * **Transferase:** Dit enzym verplaatst drie glycosylresten van een vertakte keten naar een naburige, lineaire keten. * **$\alpha$-1,6-glucosidase (debranching enzym):** Dit enzym hydrolyseert de $\alpha$-1,6-vertakkingsbinding, waardoor de laatste glucose-eenheid van de vertakking vrijkomt. Dit maakt de keten weer toegankelijk voor glycogeenfosforylase. ### 2.4 Omzetting naar glucose-6-fosfaat en glucose Het gevormde glucose-1-fosfaat wordt vervolgens omgezet naar glucose-6-fosfaat door het enzym **fosfoglucomutase**. Dit proces verloopt via een glucose-1,6-bisfosfaat intermediair, vergelijkbaar met de fosfoglyceromutase in de glycolyse. In levercellen kan glucose-6-fosfaat verder worden omgezet naar vrije glucose door het enzym **glucose-6-fosfatase**. Deze vrije glucose kan vervolgens via de bloedcirculatie naar andere weefsels en organen, zoals spieren en hersenen, worden getransporteerd om de bloedglucosespiegel te handhaven. Spiercellen beschikken niet over glucose-6-fosfatase en gebruiken glucose-6-fosfaat voornamelijk voor hun eigen energieproductie via glycolyse. ### 2.5 Verhouding van producten Ongeveer 90% van de glycogeenafbraak resulteert in glucose-1-fosfaat (dat vervolgens naar glucose-6-fosfaat wordt omgezet). De overige 10% van de vertakte ketens wordt hydrolytisch gesplitst. Deze vrijgekomen glucose moet door hexokinase of glucokinase in glucose-6-fosfaat worden omgezet, aangezien het niet direct door fosforolytische weg wordt afgebroken. > **Tip:** Het is belangrijk om te onthouden dat levercellen glucose vrijmaken voor het hele lichaam, terwijl spiercellen glucose-6-fosfaat vooral voor eigen gebruik omzetten. ### 2.6 Hormonale controle van glycogeenafbraak De activiteit van de enzymen betrokken bij glycogeenafbraak wordt streng gereguleerd door hormonen, met name insuline, adrenaline en glucagon. Deze regulatie vindt plaats via fosforyleringscascades. * **Adrenaline en glucagon:** Deze hormonen binden aan receptoren, wat leidt tot de activatie van adenylaatcyclase en de productie van cyclisch AMP (cAMP). cAMP activeert proteïnekinase A (PKA). * **PKA:** PKA fosforyleert het synthase-fosforylase kinase (SPK). Gefosforyleerd SPK fosforyleert vervolgens glycogeenfosforylase, waardoor het actief wordt (van fosforylase b naar fosforylase a). Tegelijkertijd inactiveert PKA glycogeen synthase door fosforylering. * **Inhibitor-1:** PKA fosforyleert ook Inhibitor-1, wat de activiteit van fosforylase fosfatase remt. Dit zorgt ervoor dat fosforylase a langer actief blijft. ### 2.7 Regulatie van leverfosforylase versus spierfosforylase * **Leverfosforylase:** Bestaat in twee conformaties: R (relaxed, actief) en T (tense, inactief). Alleen de T-vorm wordt gefosforyleerd/gedefosforyleerd. Fosforylase a is in de R-vorm het meest aanwezig en dus actief. Leverfosforylase wordt specifiek door de fosforylatietoestand van SPK gereguleerd. Bovendien fungeert leverfosforylase als een bloedglucosesensor: glucose kan binden aan fosforylase a en de R-vorm naar de T-vorm verschuiven, wat de activiteit stopt en fosfatase in staat stelt het fosfaat te verwijderen. * **Spierfosforylase:** Naast fosforylering wordt spierfosforylase ook allosterisch gereguleerd. In rust is de inactieve b-vorm dominant. Tijdens spiercontractie verhoogt AMP de activiteit allosterisch. Adrenaline en spierstimulatie leiden tot de actieve a-vorm. ### 2.8 Omkering van fosforylase activiteit De inactivatie van fosforylase wordt bewerkstelligd door fosfatase enzymen die de fosfaatgroepen verwijderen. Wanneer cAMP-niveaus dalen, wordt PKA niet meer geactiveerd, Inhibitor-1 gedephosforyleerd en kan fosfatase fosforylase a omzetten naar het inactieve fosforylase b. * **Rol van fosfatase:** Fosfatase kan fosforylase a inactiveren, SPK deactiveren en glycogeen synthase activeren door deze te defosforyleren. ### 2.9 Omzetting van glucose-1-fosfaat na stopzetting afbraak * **Spiercellen:** G-1-P wordt omgezet naar glucose-6-fosfaat voor de glycolyse. * **Levercellen:** Glucose-6-fosfaat wordt omgezet naar glucose voor afgifte aan het bloed. > **Tip:** Het snelle herstel van de bloedglucosespiegel door de lever bij hoge bloedglucosewaarden wordt ondersteund door glucokinase, een enzym met een hoge $\text{K}_{\text{M}}$ (lage affiniteit) dat pas actief wordt bij hogere glucoseconcentraties, wat de synthese van glycogeen stimuleert. Fosforylase daarentegen bepaalt de drempelwaarde waar de afbraak van glycogeen stopt. ### 2.10 Glycogeenstapelingsziekten Erfelijke enzymdefecten in het glycogeenmetabolisme kunnen leiden tot ernstige symptomen of zelfs letaal zijn. --- # Glycogeenopbouw (glycogensynthese) Glycogeenopbouw is het proces waarbij glucosemoleculen worden samengevoegd om glycogeen te vormen, een opslagvorm van glucose voornamelijk in de lever en spieren. ### 3.1 Rol van UDP-glucose De synthese van glycogeen vereist een "geactiveerde" vorm van glucose, aangezien glucose zelf niet reactief genoeg is om gemakkelijk te worden overgedragen. De universele donor van geactiveerd glucose is uridine difosfaat-glucose (UDP-glucose). UDP-glucose is een molecuul waarbij glucose covalent gebonden is aan uridine difosfaat. $$ \text{UDP-glucose} $$ De structuur van UDP-glucose kan worden voorgesteld als: $$ \text{Uridine} - \text{difosfaat} - \text{glucose} $$ ### 3.2 De rol van glycogeen synthase Het belangrijkste enzym dat betrokken is bij de vorming van de lineaire $\alpha$-1,4-bindingen in glycogeen is glycogeen synthase. Dit enzym koppelt glucosemoleculen van UDP-glucose aan een groeiende glycogeenketen. #### 3.2.1 Vereisten voor glycogeen synthase activiteit * **Primer:** Glycogeen synthase kan niet met een lege keten beginnen. Er moet een "primer" aanwezig zijn, bestaande uit minimaal vier glucose-eenheden, die covalent gebonden zijn aan een eiwit genaamd glucogenine. Dit proces wordt ook wel "priming" genoemd. * **UDP-glucose:** Dit is de substraat die de glucose-eenheid levert voor de elongatie van de glycogeenketen. Tijdens de reactie wordt UDP afgesplitst van UDP-glucose, en de glucose-eenheid wordt via een $\alpha$-1,4-binding aan de niet-reducerende uiteinden van de groeiende glycogeenketen gehecht. #### 3.2.2 De rol van het branching enzyme Hoewel glycogeen synthase voornamelijk $\alpha$-1,4-bindingen vormt, wat leidt tot lineaire ketens, is glycogeen sterk vertakt. Het "branching enzyme" (ook wel amylo-1,4-glucaan-6-glucosyltransferase genoemd) is verantwoordelijk voor het creëren van deze vertakkingen. Dit enzym verwijdert een blok van ongeveer zeven glucose-eenheden van een lineaire keten en hecht dit vervolgens aan een ander deel van de keten via een $\alpha$-1,6-binding. Dit nieuwe $\alpha$-1,6-vertakkingspunt zorgt voor meer niet-reducerende uiteinden, waardoor zowel de afbraak als de opbouw van glycogeen efficiënter kan verlopen. > **Tip:** De vertakkingen in glycogeen verhogen de oplosbaarheid van het molecuul en bieden meer aanhechtingspunten voor de enzymen die betrokken zijn bij zowel de synthese als de afbraak. ### 3.3 Vergelijking met glycogeenafbraak Het is belangrijk op te merken dat glycogeenopbouw niet simpelweg de omgekeerde reactie is van glycogeenafbraak. Bij afbraak wordt orthofosfaat gebruikt (fosforolytische splitsing), wat leidt tot glucose-1-fosfaat. Bij opbouw is UDP-glucose de glycosydendonor. ### 3.4 Regulatie van glycogeenopbouw De glycogeenopbouw wordt nauw gereguleerd door hormonen zoals insuline, adrenaline en glucagon, en is tegengesteld aan de glycogeenafbraak. * **Insuline:** Bevordert glycogeenopbouw door de activiteit van glycogeen synthase te stimuleren. * **Adrenaline en Glucagon:** Bevorderen glycogeenafbraak, wat indirect betekent dat ze glycogeenopbouw remmen door bijvoorbeeld de fosforylering en inactivatie van glycogeen synthase te induceren. De controle gebeurt vaak via fosforylering. Glycogeen synthase is actief in zijn niet-gefosforyleerde vorm en wordt geïnactiveerd door fosforylering. > **Tip:** Wanneer de bloedglucosespiegel hoog is (bijvoorbeeld na een maaltijd), wordt insuline vrijgegeven, wat leidt tot verhoogde glycogeenopslag. Wanneer de bloedglucosespiegel laag is, worden glucagon en adrenaline afgegeven, wat leidt tot glycogeenafbraak en remming van de opbouw. --- # Regulatie van glycogeenmetabolisme Dit hoofdstuk behandelt de hormonale controle van het glycogeenmetabolisme door insuline, adrenaline en glucagon, de rol van fosforyleringscascades en de specifieke controlemechanismen in lever- en spierweefsel. ### 4.1 Introductie tot glycogeenmetabolisme Glycogeen is de polymere opslagvorm van glucose en functioneert als een beperkte energiereserve in het lichaam, voornamelijk in de lever en spieren. Het wordt opgeslagen in het cytosol als korrelvormige structuren en bevat enzymen voor zowel synthese als afbraak. De afbraak van glycogeen kan snel verlopen om de bloedglucosespiegel te handhaven of aan te vullen tijdens stressvolle situaties. ### 4.2 Structuur van glycogeen Glycogeen is opgebouwd uit glucose-eenheden die covalent aan elkaar zijn gebonden. De structuur kenmerkt zich door lineaire $\alpha$-1,4-bindingen en vertakkingen via $\alpha$-1,6-bindingen, die zich ongeveer elke tien glucose-eenheden voordoen. Een glycogeenkorrel kan tot wel dertigduizend glucose-eenheden bevatten, met een centraal eiwit genaamd glucogenine als startpunt voor de synthese. ### 4.3 Glycogeenafbraak (Glycogenolyse) De afbraak van glycogeen vindt plaats via fosforolytische splitsing, waarbij orthofosfaat ($\text{P}_i$) een glucose-eenheid splitst, resulterend in glucose-1-fosfaat ($\text{G}-1\text{P}$). Dit proces wordt gekatalyseerd door glycogeenfosforylase. * **Fosforolytische splitsing**: $$ \text{glycogeen}_n + \text{P}_i \rightleftharpoons \text{glycogeen}_{n-1} + \text{glucose-1-fosfaat} $$ Deze reactie wordt gedreven door de hoge concentratie $\text{P}_i$ in de cel en is gunstig omdat de gesplitste suiker gefosforyleerd blijft en dus in de cel blijft. * **Rol van enzymen bij afbraak**: * **Glycogeenfosforylase**: Splitst sequentieel $\alpha$-1,4-bindingen, maar stopt ongeveer vier glucose-eenheden voor een vertakkingspunt. * **Transferase (debranching enzyme)**: Verplaatst drie glycosylresten van een vertakte keten naar het einde van een aangrenzende lineaire keten. * **$\alpha$-1,6-glucosidase (debranching enzyme)**: Hydrolyseert de $\alpha$-1,6-vertakkingsbinding, waardoor de vrijgekomen glucose-eenheid kan worden afgebroken door fosforylase. * **Fosfoglucomutase**: Zet glucose-1-fosfaat om in glucose-6-fosfaat ($\text{G}-6\text{P}$), met glucose-1,6-bisfosfaat als intermediair. * **Verwerking van glucose-6-fosfaat**: * In **spiercellen**: $\text{G}-6\text{P}$ wordt direct gebruikt voor glycolyse. * In **levercellen**: $\text{G}-6\text{P}$ wordt door glucose-6-fosfatase omgezet in vrije glucose, die vervolgens via de bloedcirculatie beschikbaar wordt gesteld aan andere weefsels. De lever fungeert hier als leverancier. Ongeveer 90% van de glycogeenafbraak verloopt via fosforolytische splitsing tot glucose-1-fosfaat. De resterende 10%, afkomstig van de vertakte ketens, wordt hydrolytisch gesplitst en moet vervolgens door hexokinase of glucokinase naar $\text{G}-6\text{P}$ worden omgezet. ### 4.4 Glycogeen synthese (Glycogenese) De synthese van glycogeen is geen directe omkering van de afbraak en vereist een geactiveerde vorm van glucose. * **UDP-glucose**: Dit is de universele donor van geactiveerd glucose voor de synthese van glycogeen. De structuur omvat uridine, difosfaat en glucose. $$ \text{UDP-glucose} \rightarrow \text{glucose} + \text{UDP} $$ * **Glycogeen synthase**: Dit enzym katalyseert de vorming van $\alpha$-1,4-bindingen door glucose-eenheden van UDP-glucose over te dragen aan een groeiende glycogeenketen. Er is een primer van minimaal vier glucose-eenheden nodig om te starten. * **Vertakkingsenzym (branching enzyme)**: Dit enzym verplaatst een blok van ongeveer zeven suikers van een lineaire keten naar een ander deel van de keten, waarbij een $\alpha$-1,6-binding wordt gevormd. Dit creëert nieuwe aanhechtingspunten voor verdere groei en verhoogt de oplosbaarheid van glycogeen. ### 4.5 Hormonale regulatie van glycogeenmetabolisme De regulatie van glycogeenmetabolisme is cruciaal voor het handhaven van de bloedglucosespiegel en wordt voornamelijk gecoördineerd door de hormonen insuline, glucagon en adrenaline. * **Insuline**: Vrijgegeven door de $\beta$-cellen van de pancreas. Bevordert de opname van glucose uit het bloed, met name in spier- en vetweefsel via de translocatie van glucose-transporters (GLUT's) naar het celmembraan (vooral GLUT-4). Insuline stimuleert de glycogeen synthese en remt de glycogeenafbraak. * **Glucagon**: Een peptidehormoon geproduceerd door de $\alpha$-cellen van de pancreas. Heeft een tegenovergestelde werking van insuline; het stimuleert de vrijgave van glucose uit glycogeen (vooral in de lever) om de bloedglucosespiegel te verhogen. De lever is gevoeliger voor glucagon dan spierweefsel. * **Adrenaline (epinefrine)**: Een catecholamine geproduceerd door het bijniermerg. Het is een stresshormoon dat de glycogeenafbraak stimuleert, met name in de spieren, om energie beschikbaar te maken voor ‘vecht-of-vlucht’-reacties. ### 4.6 Fosforyleringscascades Glucagon en adrenaline werken via intracellulaire signaaltransductiepaden die leiden tot fosforylering en activatie/inactivatie van sleutelenzymen in het glycogeenmetabolisme. 1. **Binding aan receptoren**: Glucagon en adrenaline binden aan hun respectievelijke celmembraanreceptoren. 2. **Activatie van adenylaatcyclase**: Dit enzym zet ATP om in cyclisch AMP (cAMP), een secundaire boodschapper. 3. **Activatie van Proteïnekinase A (PKA)**: cAMP activeert PKA (ook bekend als cAMP-afhankelijk proteïnekinase). 4. **Fosforylering van doelwitenzymen**: PKA fosforyleert twee belangrijke doelwitten: * **Synthase-fosforylase-kinase (SPK)**: Dit kinase wordt geactiveerd door PKA en fosforyleert vervolgens glycogeenfosforylase en glycogeen synthase. * **Inhibitor-1**: Fosforylering van Inhibitor-1 door PKA leidt tot de activatie ervan. Geactiveerde Inhibitor-1 bindt aan en remt de activiteit van fosforylase fosfatase. * **Effect op glycogeenfosforylase**: De niet-gefosforyleerde vorm (fosforylase-b) is inactief. Na fosforylering door SPK wordt het omgezet naar de actieve fosforylase-a vorm, die glycogeen kan afbreken. * **Effect op glycogeen synthase**: Glycogeen synthase wordt door fosforylering (ook door SPK) geïnactiveerd, waardoor de synthese van glycogeen wordt geremd. Deze cascade zorgt er dus voor dat bij de vrijlating van glucagon of adrenaline de glycogeenafbraak wordt geactiveerd en de glycogeen synthese wordt geremd. ### 4.7 Controle van fosforylase-activiteit in lever en spieren De regulatie van glycogeenfosforylase verschilt enigszins tussen lever en spieren. * **Leverfosforylase**: * Komt voor in twee conformaties: T (tense, inactief) en R (relaxed, actief). * De regulatie is primair door fosforylering (SPK) en defosforylering (fosfatase). * Glucose fungeert als allosterische effector: binding van glucose aan fosforylase-a verschuift de conformatie naar de T-vorm, wat de defosforylering door fosfatase bevordert. * Fosfatase kan de fosforylase-a omzetten naar de inactieve fosforylase-b vorm. Glucose bevordert dus de inactivering van fosforylase. * Als de bloedglucosespiegel te hoog wordt, kan de lever glucokinase inschakelen om glucose weer op te bouwen in glycogeen. Glucokinase heeft een hoge $K_M$ (lage affiniteit), wat betekent dat het pas actief wordt bij hogere glucoseconcentraties. * **Spierfosforylase**: * Wordt gereguleerd door zowel fosforylering als allosterische effectoren. * In rust is de inactieve b-vorm dominant, gestabiliseerd door ATP en glucose-6-fosfaat. * Tijdens spiercontractie stijgt de concentratie van AMP, wat een allosterische activatie van fosforylase-b veroorzaakt. * Fosforylase-a is daarentegen onafhankelijk van deze allosterische regulatoren en blijft actief. ### 4.8 Omkering van fosforylase-activiteit De inactivatie van fosforylase vindt plaats wanneer de signaaltransductie wordt gestopt: 1. **Verdwijnen van cAMP**: cAMP wordt afgebroken door fosfodiësterase tot AMP. 2. **Deactivatie van PKA**: Zonder cAMP wordt PKA niet langer geactiveerd. 3. **Defosforylering van Inhibitor-1**: Inhibitor-1 wordt gedefosforyleerd en laat fosforylase fosfatase los. 4. **Activatie van fosforylase fosfatase**: Het vrijgekomen fosfatase kan nu actief fosfaatgroepen verwijderen van fosforylase-a (wat leidt tot inactieve fosforylase-b) en ook van SPK (wat leidt tot inactieve SPK). Daarnaast defosforyleert fosforylase fosfatase ook het glycogeen synthase, waardoor dit enzym geactiveerd wordt en de glycogeen synthese kan plaatsvinden. ### 4.9 Overgang van glycogeenafbraak naar synthese De omzetting van glycogeenafbraak naar synthese wordt gecoördineerd door de relatieve activiteit van fosforylase en synthase, en wordt beïnvloed door de bloedglucosespiegel en hormonale signalen. In de lever fungeert fosforylase-a als een sensor voor de bloedglucosespiegel. De binding van glucose kan de activiteit van fosforylase beïnvloeden en de defosforylering faciliteren. Wanneer de glucoseconcentratie te hoog wordt, kan dit leiden tot een overmaat aan vrijgestelde glucose uit glycogeen. Dit wordt ondervangen door de activatie van lever-glucokinase, dat de glucose weer opslaat in glycogeen. ### 4.10 Rol van PKA in metabole flux Proteïnekinase A (PKA) kan ook indirect het metabolisme van glucose beïnvloeden. Het kan fructose-2,6-bisfosfaat (een belangrijke regulator van glycolyse en gluconeogenese) fosforyleren, wat leidt tot de remming van fosfofructokinase en activatie van fructose-1,6-bisfosfatase. Dit helpt de lever om te stoppen met het verbruiken van glucose en gluconeogeen te worden, waardoor de bloedglucosespiegel wordt hersteld. ### 4.11 Glycogeenstapelingsziekten Erfelijke enzymdefecten in het glycogeenmetabolisme kunnen leiden tot ernstige ziektebeelden of zelfs fataal zijn. Deze ziekten, bekend als glycogeenstapelingsziekten, tonen de cruciale rol van een goed functionerend glycogeenmetabolisme. --- # Glycogeenstapelingsziekten Glycogeenstapelingsziekten zijn een groep erfelijke aandoeningen die worden veroorzaakt door defecten in het metabolisme van glycogeen, wat leidt tot abnormale opslag of afbraak van glycogeen. ### 5.1 Glycogeen: structuur en functie Glycogeen is de polymere opslagvorm van glucose in dieren, voornamelijk opgeslagen in de lever en spieren in cytosolische granules. Het dient als een beperkte, snel beschikbare energievoorraad. * **Structuur:** Glycogeen is een polymeer van glucose-eenheden die covalent aan elkaar zijn gebonden. Het heeft een vertakte structuur met $\alpha$-1,4-verbindingen voor de lineaire ketens en $\alpha$-1,6-verbindingen voor de vertakkingspunten. Elke 10 glucose-eenheden vindt een vertakking plaats. Een glycogeenmolecuul kan wel 30.000 glucose-eenheden bevatten. * **Glycogenine:** In het centrum van elke glycogeenkorrel bevindt zich het eiwit glycogenine, dat fungeert als primer. Er moeten minimaal vier glucose-eenheden aan glycogenine gebonden zijn voordat andere glucosemoleculen kunnen worden aangehecht. * **Functie:** Glycogeenmetabolisme reguleert de bloedglucosespiegel en voorziet cellen van glucose tijdens perioden van verhoogde vraag of lage bloedglucoseconcentraties. ### 5.2 Glycogeenafbraak (Glycogenolyse) De afbraak van glycogeen vindt plaats via een fosforolytische splitsing, niet een hydrolytische. * **Glycogeenfosforylase:** Dit enzym splitst sequentieel glucose-eenheden van de glycogeenketen door de $\alpha$-1,4-glycosidische bindingen te verbreken met orthofosfaat ($P_i$). Dit resulteert in de vorming van glucose-1-fosfaat. $$ (\text{glycogeen})_n + P_i \rightleftharpoons (\text{glycogeen})_{n-1} + \text{glucose-1-fosfaat} $$ De reactie wordt gedreven door de hoge concentratie anorganisch fosfaat ($[P_i]$) in de cel. * **Voordelen van fosforolytische splitsing:** * Het gevormde glucose-1-fosfaat blijft in de cel omdat het gefosforyleerd is. * Er is geen nieuwe fosforylering nodig voor glucose-1-fosfaat om de glycolyse in te gaan. * **Debranching-enzym:** Glycogeenfosforylase stopt met het afbreken van de ketens ongeveer drie glucose-eenheden voor een vertakkingspunt. Het "debranching enzym" (een $\alpha$-1,6-glucosidase) is nodig om de $\alpha$-1,6-vertakkingen te hydrolyseren, waardoor de keten weer lineair wordt en verder kan worden afgebroken door fosforylase. Het debranching enzym verplaatst ook drie glycosylresiduen naar de naburige keten. * **Isomerisatie:** Glucose-1-fosfaat wordt door het enzym fosfoglucomutase omgezet naar glucose-6-fosfaat, via een glucose-1,6-bisfosfaat intermediair. $$ \text{glucose-1-fosfaat} \xrightarrow{\text{fosfoglucomutase}} \text{glucose-6-fosfaat} $$ * **Glucose-6-fosfatase:** In de lever wordt glucose-6-fosfaat verder omgezet naar glucose door het enzym glucose-6-fosfatase. Dit vrije glucose kan vervolgens de cel verlaten en via de bloedcirculatie naar andere weefsels, zoals spieren en hersenen, worden getransporteerd. Spiercellen bezitten geen glucose-6-fosfatase, dus de glucose-6-fosfaat die daar wordt gevormd, blijft in de cel voor gebruik in de glycolyse. > **Tip:** Levercellen functioneren als leveranciers van glucose voor het hele lichaam, terwijl spiercellen verbruikers zijn die hun glucosevoorraad primair voor eigen gebruik opslaan. ### 5.3 Glycogeen synthese (Glycogenese) De synthese van glycogeen is geen simpele omkering van de afbraak en vereist geactiveerde glucosemoleculen. * **UDP-glucose:** De glycosyl-donor is uridine difosfaat-glucose (UDP-glucose), een geactiveerde vorm van glucose. Glucose zelf is niet reactief genoeg om gemakkelijk te worden gekoppeld. * **Glycogeen synthase:** Dit enzym katalyseert de vorming van $\alpha$-1,4-bindingen door glucose-eenheden van UDP-glucose over te dragen aan de groeiende glycogeenketen. Hiervoor is een primer van minimaal vier glucose-eenheden vereist. > **Example:** UDP-glucose wordt gekoppeld aan een groeiende glycogeenketen, waarbij UDP wordt afgesplitst en er een $\alpha$-1,4-binding ontstaat tussen het nieuwe glucosemolecuul en de keten. * **Branching enzym:** Het branching enzym voegt $\alpha$-1,6-bindingen toe door een blok van ongeveer zeven suikers van een lineaire keten te verplaatsen naar een nieuw vertakkingspunt, ongeveer vier groepen verderop. Dit vergroot de oplosbaarheid en het aantal eindpunten voor de afbraak en synthese. ### 5.4 Controle van het glycogeen metabolisme De activiteit van glycogeen synthase en fosforylase wordt strikt gereguleerd door hormonen en intracellulaire signalen, met als doel de bloedglucose homeostase te handhaven. De sleutel is dat glycogeen synthese en afbraak niet tegelijkertijd actief zijn. * **Hormonale regulatie:** * **Insuline:** Vrijgegeven door de pancreas $\beta$-cellen, bevordert insuline de opname van glucose door cellen (vooral spieren en vetweefsel) via GLUT-transporters en stimuleert de glycogeen synthese door glycogeen synthase te activeren (door defosforylering) en glycogeen fosforylase te inhiberen. * **Glucagon:** Vrijgegeven door de pancreas $\alpha$-cellen, stimuleert glucagon de glycogeenafbraak in de lever om de bloedglucoseconcentratie te verhogen. Het werkt via een fosforyleringscascade. * **Adrenaline (Epinefrine):** Vrijgegeven door het bijniermerg, stimuleert adrenaline de glycogeenafbraak (vooral in spieren) via dezelfde fosforyleringscascade als glucagon. * **Fosforyleringscascade (signaaltransductie):** Glucagon en adrenaline activeren adenylaatcyclase, wat leidt tot de productie van cyclisch AMP (cAMP). cAMP activeert proteïne kinase A (PKA). * PKA fosforyleert en activeert de synthase-fosforylase kinase (SPK). * Gestabiliseerd SPK fosforyleert glycogeen fosforylase (van de inactieve b-vorm naar de actieve a-vorm) en inactiveert glycogeen synthase door fosforylering. * PKA fosforyleert ook Inhibitor-1, wat op zijn beurt fosforylase fosfatase (het enzym dat fosforylase defosforyleert) inhibeert. Dit zorgt ervoor dat de actieve fosforylase a-vorm langer actief blijft. * **Regulatie van fosforylase:** * **Leverfosforylase:** Bestaat in actieve (R-vorm) en inactieve (T-vorm) conformaties. Alleen de T-vorm kan worden gefosforyleerd. De activiteit wordt gereguleerd door de fosforylatietoestand, maar ook door de bloedglucoseconcentratie. Glucose bindt aan fosforylase a en verschuift de conformatie naar de T-vorm, wat de defosforylering door fosfatase bevordert en zo de afbraak stopt. * **Spierfosforylase:** Naast fosforylering is het ook allosterisch gereguleerd. In rust is het in de inactieve b-vorm. Tijdens spiercontractie stijgt de concentratie van AMP, wat leidt tot allosterische activatie van fosforylase b. * **Omkering van fosforylase-activiteit:** * De fosforyleringscascade wordt omgekeerd wanneer de cAMP-concentratie daalt (door fosfodiësterase). * Dit leidt tot defosforylering van PKA, Inhibitor-1 en SPK. * Defosforylering van fosforylase a door fosfatase inactiveert het enzym (omzetting naar fosforylase b). * Defosforylering van glycogeen synthase door fosfatase activeert het enzym, wat de synthese bevordert. * **Rol van glucokinase in lever:** Glucokinase (met een hoge $K_M$ voor glucose) speelt een rol bij het detecteren van hoge bloedglucoseconcentraties na een maaltijd. Het is essentieel voor het efficiënt omzetten van glucose naar glucose-6-fosfaat voor de glycogeen synthese, en voorkomt zo een te hoge bloedglucosespiegel. ### 5.5 Glycogeenstapelingsziekten Glycogeenstapelingsziekten (GSD's) zijn genetische aandoeningen die ontstaan door een deficiëntie in een van de enzymen die betrokken zijn bij de synthese of afbraak van glycogeen. Dit leidt tot de accumulatie van abnormale hoeveelheden of structuren van glycogeen in cellen, wat orgaanschade en specifieke symptomen kan veroorzaken. Er zijn verschillende types GSD's, elk geassocieerd met een defect in een specifiek enzym. > **Example:** Een defect in glycogeenfosforylase leidt tot een verminderde afbraak van glycogeen, wat kan resulteren in hypoglycemie (lage bloedsuiker) tijdens vastenperiodes, met name bij GSD type V (McArdle disease) in spieren of GSD type VI (Hers disease) in de lever. Een defect in glucose-6-fosfatase (GSD type I) beïnvloedt de ontlading van glucose uit de lever, wat leidt tot ernstige hypoglycemie en hepatomegalie (vergrote lever). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Glycogeen | Een polymere vorm van glucose, opgeslagen in de lever en spieren als energievoorraad. Het is covalent gebonden en vormt korrelige structuren. | | Glycogeenin | Een kernproteïne in het centrum van glycogeenkorrels, waaraan de eerste glucose-eenheden covalent gebonden worden als startpunt voor de synthese. | | α-1,4-verbinding | De glycosidische binding die lineaire ketens van glucose-eenheden in glycogeen vormt. | | α-1,6-verbinding | De glycosidische binding die vertakkingen creëert in de glycogeenstructuur, waardoor het een meer compacte en toegankelijke opslagvorm wordt. | | Glycogeenstapeling | Het proces van het opslaan van glucose in de vorm van glycogeen, voornamelijk in de lever en spieren, in het cytosol van cellen. | | Glycogeenafbraak | Het proces waarbij glycogeen wordt afgebroken tot glucose-eenheden, voornamelijk via fosforolytische splitsing door glycogeenfosforylase. | | Fosforolytische splitsing | Een type splitsing waarbij een anorganisch fosfaat (Pi) wordt gebruikt om een covalente binding te verbreken, resulterend in een gefosforyleerde verbinding. Bij glycogeenafbraak wordt glucose-1-fosfaat gevormd. | | Glycogeenfosforylase | Het enzym dat de fosforolytische splitsing van α-1,4-glycosidische bindingen in glycogeen katalyseert, waarbij glucose-1-fosfaat vrijkomt. | | Glucose-1-fosfaat | Een gefosforyleerde vorm van glucose die ontstaat bij de afbraak van glycogeen. Het kan verder worden omgezet naar glucose-6-fosfaat. | | Fosfoglucomutase | Een enzym dat glucose-1-fosfaat omzet in glucose-6-fosfaat, een belangrijke stap in zowel de glycogeenafbraak als de glycolyse. | | Glucose-6-fosfaat | Een gefosforyleerde vorm van glucose die essentieel is voor de glycolyse. In de lever kan het verder worden gedefosforyleerd tot glucose. | | Glucose-6-fosfatase | Een enzym, voornamelijk aanwezig in de lever, dat glucose-6-fosfaat omzet in vrije glucose, die vervolgens in de bloedcirculatie kan worden vrijgegeven. | | Glycogeenopbouw | Het proces van het synthetiseren van glycogeen uit glucose-eenheden, wat energie vereist en verschillende enzymen betrekt. | | UDP-glucose | Uridine difosfaat-glucose, een geactiveerde vorm van glucose die fungeert als de primaire glycosydendonor voor de synthese van glycogeen. | | Glycogeen synthase | Het enzym dat α-1,4-glycosidische bindingen vormt tussen glucose-eenheden uit UDP-glucose en de groeiende glycogeenketen. | | Branching enzyme | Een enzym dat verantwoordelijk is voor het creëren van vertakkingen (α-1,6-bindingen) in de glycogeenketen door segmenten van de lineaire keten te verplaatsen. | | Insuline | Een hormoon geproduceerd door de pancreas dat de opname van glucose uit het bloed bevordert en bijdraagt aan de regulatie van het glycogeenmetabolisme. | | Glucagon | Een hormoon geproduceerd door de pancreas dat de afbraak van glycogeen stimuleert en de glucoseproductie door de lever bevordert, wat de bloedglucosespiegel verhoogt. | | Adrenaline (epinefrine) | Een hormoon en neurotransmitter die vrijkomt bij stress of inspanning, en die glycogeenafbraak stimuleert, vooral in de spieren. | | cAMP | Cyclisch adenosine monofosfaat, een intracellulaire secundaire boodschapper die een cruciale rol speelt in signaaltransductiecascades, waaronder de regulatie van glycogeenmetabolisme. | | Fosforyleringscascade | Een reeks enzymatische reacties waarbij fosforylering van het ene eiwit het volgende eiwit activeert of inactiveert, vaak gebruikt in hormonale signaaltransductie. | | Proteïnekinase A (PKA) | Een enzym dat wordt geactiveerd door cAMP en dat fosforylering van diverse eiwitten katalyseert, waaronder enzymen betrokken bij glycogeenmetabolisme. | | Fosfatase | Een enzym dat fosfaatgroepen van eiwitten verwijdert, wat leidt tot deactivering of inactivatie van de gefosforyleerde eiwitten. Het speelt een cruciale rol in het omkeren van de effecten van fosforylering. | | Glycogeenstapelingsziekten | Een groep erfelijke metabole stoornissen veroorzaakt door enzymdefecten in het glycogeenmetabolisme, die leiden tot abnormale opslag of afbraak van glycogeen. |

# De gluconeogenese: synthese van glucose Gluconeogenese is de de novo synthese van glucose uit niet-koolhydraatprecursoren zoals aminozuren, lactaat en pyruvaat, wat essentieel is voor het handhaven van de bloedglucosespiegels [2](#page=2). ### 1.1 De noodzaak van gluconeogenese Nieuwsynthese van glucose is soms noodzakelijk om het bloedglucoseniveau op peil te houden en een hypoglycemie te voorkomen. Dit is cruciaal om vitale organen zoals de hersenen en spierweefsel van brandstof te voorzien [2](#page=2). * Bij zware spierbelasting wordt glucose voornamelijk gesynthetiseerd uit lactaat in de lever [2](#page=2). * Bij chronisch voedselgebrek wordt glucose gevormd uit glycerol en aminozuren [2](#page=2). ### 1.2 Locatie van gluconeogenese De gluconeogenese vindt plaats in de lever en de niercortex. Hersencellen kunnen geen glucose de novo synthetiseren [3](#page=3). ### 1.3 Verband met glycolyse Gluconeogenese is geen omgekeerde reactie van glycolyse, omdat de netto Gibbs-vrijgave van glycolyse, $\\Delta G° = +20$ kcal/mol, energetisch ongunstig is voor de omgekeerde richting. De eigenlijke gluconeogenese heeft een netto $\\Delta G°$ van $-9$ kcal/mol [3](#page=3). ### 1.4 Energetische balans van gluconeogenese Gluconeogenese is een sterk endergonisch proces dat energie vereist in de vorm van ATP en GTP. De algemene reactie voor de omzetting van twee moleculen pyruvaat naar glucose is [7](#page=7): $$2 \\text{ pyruvaat} + 4 \\text{ ATP} + 2 \\text{ GTP} + 2 \\text{ NADH} + 6 \\text{ H}\_2\\text{O} \\rightarrow \\text{glucose} + 4 \\text{ ADP} + 2 \\text{ GDP} + 6 \\text{ Pi} + 2 \\text{ NAD}^+ + 2 \\text{ H}^+$$ [7](#page=7). ATP en GTP zijn nodig om de energetisch ongunstige stappen in het metabole pad te kunnen laten doorgaan [7](#page=7). > **Tip:** Begrijp dat gluconeogenese niet simpelweg glycolyse in omgekeerde richting is. Er zijn specifieke enzymatische stappen nodig om de thermodynamische barrières te overwinnen. * * * # Reacties en omzeiling van irreversibele stappen Dit deel van de studiehandleiding behandelt de specifieke enzymatische reacties die nodig zijn om de drie irreversibele stappen van de glycolyse te omzeilen tijdens de gluconeogenese [4](#page=4). ### 2.1 Omzeiling van de irreversibele stappen in de glycolyse De glycolyse bevat drie enzymatische reacties die thermodynamisch zeer gunstig zijn en daardoor in de fysiologische richting vrijwel irreversibel verlopen. Voor de gluconeogenese, het proces van glucoseaanmaak, moeten deze stappen worden omzeild door alternatieve reactiewegen. Dit vereist nieuwe enzymen en/of een meertrapsreactie die netto energie kost (in de vorm van ATP of GTP) om de thermodynamische barrière te overwinnen [4](#page=4). ### 2.2 Omzetting van pyruvaat naar fosfoënolpyruvaat De irreversibele omzetting van pyruvaat naar fosfoënolpyruvaat (PEP) in de glycolyse wordt in de gluconeogenese in twee stappen omzeild: 1. **Carboxylering van pyruvaat tot oxaalacetaat:** Deze reactie vindt plaats in de mitochondriën en wordt gekatalyseerd door pyruvaatcarboxylase. Het vereist CO$\_{2}$ (bicarbonaat), ATP en biotine als co-factor [5](#page=5). $$ \\text{Pyruvaat} + \\text{HCO}\_3^- + \\text{ATP} \\rightarrow \\text{Oxaalacetaat} + \\text{ADP} + \\text{Pi} + \\text{H}^+ $$ De structuurformules zijn als volgt: * Pyruvaat: $$ \\text{CH}\_3-\\text{C}(=\\text{O})-\\text{COO}^- $$ * Oxaalacetaat: $$ \\text{COO}^- - \\text{CH}\_2 - \\text{C}(=\\text{O}) - \\text{COO}^- $$ Deze reactie kan plaatsvinden in de mitochondriën of het cytoplasma, afhankelijk van de specifieke celtypen. In de mitochondriën wordt eerst malaat gevormd uit oxaalacetaat en NADH, wat vervolgens naar het cytoplasma wordt getransporteerd en weer wordt geoxideerd tot oxaalacetaat en NADH [5](#page=5). 2. **Decarboxylering en fosforylering van oxaalacetaat tot fosfoënolpyruvaat:** Deze stap wordt gekatalyseerd door fosfoënolpyruvaat carboxykinase (PEPCK) en vindt plaats in het cytoplasma. Het vereist GTP als energiebron en produceert CO$\_{2}$. $$ \\text{Oxaalacetaat} + \\text{GTP} \\rightarrow \\text{Fosfoënolpyruvaat} + \\text{GDP} + \\text{CO}\_2 $$ Fosfoënolpyruvaat (PEP): $$ \\text{COO}^- - \\text{CH}\_2 - \\text{C}(=\\text{O}) - \\text{OPO}\_3^{2-} $$ > **Tip:** Deze tweestapsreactie, die start met pyruvaatcarboxylase in de mitochondriën en vervolgd wordt door fosfoënolpyruvaat carboxykinase in het cytoplasma, is essentieel om de hoge energiebarrière van de pyruvaat naar PEP-transformatie te overwinnen. Het nettoverbruik van ATP en GTP benadrukt de irreversibiliteit van de glycolytische stap [5](#page=5). ### 2.3 Omzetting van fructose-1,6-bisfosfaat naar fructose-6-fosfaat De irreversibele stap in de glycolyse waarbij fructose-1,6-bisfosfaat wordt gevormd uit fructose-6-fosfaat, wordt omzeild door een hydrolytische reactie. * **Defosforylering van fructose-1,6-bisfosfaat:** Fructose-1,6-bisfosfaat wordt direct gehydrolyseerd tot fructose-6-fosfaat door het enzym fructose-1,6-bisfosfatase. Hierbij komt anorganisch fosfaat (Pi) vrij en wordt geen ATP verbruikt. $$ \\text{Fructose-1,6-bisfosfaat} + \\text{H}\_2\\text{O} \\rightarrow \\text{Fructose-6-fosfaat} + \\text{Pi} $$ > **Tip:** Dit is een hydrolytische reactie die thermodynamisch gunstig is, wat het mogelijk maakt de irreversibele fosforyleringsstap van de glycolyse te omzeilen zonder direct energie te verbruiken [6](#page=6). ### 2.4 Omzetting van glucose-6-fosfaat naar glucose De laatste irreversibele stap in de glycolyse, de fosforylering van glucose tot glucose-6-fosfaat, wordt in de gluconeogenese ook omzeild door een hydrolytische reactie. * **Defosforylering van glucose-6-fosfaat:** Glucose-6-fosfaat wordt door glucose-6-fosfatase gehydrolyseerd tot glucose en anorganisch fosfaat (Pi). Deze reactie vindt plaats in het endoplasmatisch reticulum (ER) en het gevormde glucose wordt nadien naar het cytoplasma geëxporteerd [6](#page=6). $$ \\text{Glucose-6-fosfaat} + \\text{H}\_2\\text{O} \\rightarrow \\text{Glucose} + \\text{Pi} $$ > **Belangrijk:** Het enzym glucose-6-fosfatase is niet in alle weefsels aanwezig. Het ontbreekt in hersen- en spiercellen, wat hun afhankelijkheid van glucose vanuit de voeding of via de bloedbaan verklaart, aangezien zij geen significante glucoseproductie via gluconeogenese kunnen uitvoeren [6](#page=6). * * * # Regulatie van glycolyse en gluconeogenese Een nauwe afstemming tussen glycolyse en gluconeogenese is essentieel om energieverspilling te voorkomen [8](#page=8). ### 3.1 Substraatcycli en controlepunten Glycolyse en gluconeogenese zijn twee metabole routes die convergeren rond een specifiek controlepunt, wat resulteert in een substraatcyclus. Dit betekent dat er enige overlap tussen de twee routes kan optreden [8](#page=8). #### 3.1.1 Het voornaamste controlepunt Het voornaamste controlepunt tussen glycolyse en gluconeogenese bevindt zich rond de omzetting van fructose-6-fosfaat (F-6-P) naar fructose-1,6-bisfosfaat (F-1,6-biP) [8](#page=8). ### 3.2 De rol van oxaalacetaat en acetyl-CoA Oxaalacetaat is een belangrijk intermediair dat betrokken is bij zowel de Krebs-cyclus als de gluconeogenese. De regulatie van de keuze tussen deze routes is cruciaal [9](#page=9). #### 3.2.1 Regulatie door acetyl-CoA Acetyl-CoA fungeert als een allostere activator van pyruvaatcarboxylase (PC), wat een belangrijk controlemechanisme is. Pyruvaatcarboxylase reguleert indirect ook de hoeveelheid intermediairen in de Krebs-cyclus [9](#page=9). #### 3.2.2 Differentieële regulatie van pyruvaat-metaboliserende enzymen Het pyruvaatdehydrogenasecomplex (PDC) en pyruvaatcarboxylase (PC) worden verschillend gereguleerd. Dit zorgt ervoor dat beide enzymen niet tegelijkertijd maximaal actief zijn, wat energieverspilling zou veroorzaken [9](#page=9). ##### 3.2.2.1 Verband met vetzuurmetabolisme Er is een verband tussen de regulatie van glycolyse, gluconeogenese en vetzuurmetabolisme. De flux door de Krebs-cyclus, de aanmaak van vetzuren en de productie van ATP worden beïnvloed door de activiteit van enzymen zoals pyruvaatcarboxylase en het pyruvaatdehydrogenasecomplex [9](#page=9). * **Citraat:** Kan de synthese van vetzuren activeren [9](#page=9). * **NADH:** Een product van zowel de Krebs-cyclus als de oxidatie van pyruvaat [9](#page=9). * **ATP:** Vereist voor veel cellulaire processen, waaronder de vorming van fructose-1,6-bisfosfaat uit fructose-6-fosfaat via fosfofructokinase-1 [9](#page=9). * **ADP + Pi:** Componenten die nodig zijn voor ATP-synthese [9](#page=9). * **GTP/GDP:** Vergelijkbaar met ATP/ADP in energietransfer [9](#page=9). > **Tip:** Begrijp de substraatcycli en hoe tegengestelde enzymatische reacties op hetzelfde intermediair nauwkeurig gereguleerd worden om onnodig energieverbruik te vermijden. > > **Voorbeeld:** De omzetting van pyruvaat naar oxaalacetaat door pyruvaatcarboxylase (gluconeogenese) en de omzetting van fosfoënolpyruvaat naar pyruvaat door pyruvaatkinase (glycolyse) zijn voorbeelden van reacties die elkaar opheffen als ze beide actief zijn, wat duidt op energieverspilling. De regulatie door allostere activatoren zoals acetyl-CoA op pyruvaatcarboxylase is hierbij cruciaal. * * * # De Cori-cyclus en wisselwerking tussen lever en spieren De Cori-cyclus beschrijft de metabole weg waarbij lactaat geproduceerd door spieren tijdens zware inspanning wordt omgezet in glucose in de lever, met alanine als intermediair. ### 4.1 De vorming van lactaat in spieren Tijdens zware en langdurige spierbelasting is er behoefte aan anaerobe regeneratie van NAD⁺ om de glycolyse te laten voortduren. Lactaat is hierbij het eindpunt van dit proces. De vorming van lactaat fungeert als een soort "escape route" of tijdelijke oplossing om de glycolyse te ondersteunen onder anaerobe omstandigheden [10](#page=10). De reactie voor de omzetting van pyruvaat naar lactaat wordt gekatalyseerd door lactaat dehydrogenase: $$ \\text{pyruvaat} + \\text{NADH} + \\text{H}^+ \\xrightarrow{\\text{lactaat dehydrogenase}} \\text{lactaat} + \\text{NAD}^+ $$ Er bestaan verschillende iso-enzymen van lactaat dehydrogenase (LDH). De H-vorm, voornamelijk aanwezig in hartspierweefsel, zet lactaat efficiënter om naar pyruvaat voor aeroob metabolisme. De M-vorm, predominant in spierweefsel, bevordert juist de omzetting van pyruvaat naar lactaat, waardoor de glycolyse kan doorgaan in anaerobe condities [10](#page=10). ### 4.2 Voorkomen van aanzuring en de rol van alanine Om te sterke aanzuring in de spieren te vermijden, wat zou kunnen leiden tot lactaatacidose, worden meerdere mechanismen ingezet. Ten eerste kan het enzym pyruvaat dehydrogenase geïnhibeerd worden door pyruvaat. Ten tweede wordt een deel van het pyruvaat omgezet tot lactaat. Ten derde wordt een deel van het pyruvaat omgezet in alanine [11](#page=11). Spieren scheiden hierdoor pyruvaat, lactaat en alanine uit. Levercellen nemen vervolgens alanine en lactaat op en zetten deze weer om tot pyruvaat. Dit pyruvaat kan vervolgens in de lever verder worden omgezet tot glucose [11](#page=11). Deze cyclus, waarbij lactaat van de spieren in de lever wordt omgezet tot glucose, wordt de Cori-cyclus genoemd. De Cori-cyclus is van belang voor zowel erytrocyten (die alleen anaeroob kunnen glycolyseren) als voor spieren tijdens intensieve inspanning [11](#page=11). > **Example:** Tijdens een sprintrace produceren de spieren grote hoeveelheden lactaat als gevolg van anaerobe glycolyse. Dit lactaat wordt afgegeven aan het bloed. De lever neemt dit lactaat op en gebruikt het, via de Cori-cyclus, om glucose te synthetiseren. Deze glucose kan vervolgens opnieuw door de spieren worden gebruikt als energiebron. * * * ## Veelgemaakte fouten om te vermijden * Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens * Let op formules en belangrijke definities * Oefen met de voorbeelden in elke sectie * Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Gluconeogenese | De de novo synthese van glucose uit niet-koolhydraatprecursoren zoals aminozuren, lactaat en pyruvaat, essentieel voor het handhaven van de bloedglucosespiegels, met name tijdens perioden van vasten of zware inspanning. | | Glycolyse | Een metabool pad dat glucose (een zes-koolstofsuiker) afbreekt tot pyruvaat (een drie-koolstofverbinding), waarbij energie wordt geproduceerd in de vorm van ATP en NADH. Dit is het omgekeerde proces van gluconeogenese. | | Hypoglycemie | Een aandoening waarbij het glucosegehalte in het bloed abnormaal laag is, wat kan leiden tot symptomen zoals duizeligheid, zwakte en verwarring. Gluconeogenese is cruciaal om dit te voorkomen. | | Lactaat | Een organisch zuur dat wordt geproduceerd tijdens anaerobe glycolyse, vooral in spierweefsels tijdens intensieve inspanning. Het kan in de lever worden omgezet in glucose via de Cori-cyclus. | | Pyruvaat | Een sleutelmolecuul in de stofwisseling, het eindproduct van glycolyse. Het kan verder worden gemetaboliseerd via aerobe respiratie (in de citroenzuurcyclus) of worden omgezet in lactaat of alanine. | | Oxaalacetaat | Een vier-koolstofdicarbonzuur dat een intermediair is in zowel de citroenzuurcyclus als gluconeogenese. Het wordt gevormd uit pyruvaat door het enzym pyruvaatcarboxylase. | | Fosfoënolpyruvaat (PEP) | Een energierijk intermediair in de gluconeogenese, gevormd uit oxaalacetaat door het enzym fosfoënolpyruvaat carboxykinase (PEPCK). Het is betrokken bij de omzetting van pyruvaat. | | Fructose 1,6-bisfosfaat | Een intermediair in de glycolyse en gluconeogenese. De omzetting naar fructose-6-fosfaat door fructose-1,6-bisfosfatase is een van de gereguleerde stappen in de gluconeogenese. | | Glucose 6-fosfatase | Een enzym dat een sleutelrol speelt in de gluconeogenese en glycogenolyse door het katalyseren van de defosforylering van glucose-6-fosfaat naar glucose. Het is voornamelijk aanwezig in de lever en niercortex. | | Substraatcyclus | Een metabool mechanisme waarbij twee wegen deels overlappen, waardoor er continue verbruik van energie plaatsvindt, zelfs als de netto flux minimaal is. Dit kan nuttig zijn voor precieze regulatie. | | Cori-cyclus | Een biochemische cyclus die de stofwisseling van koolhydraten tussen de spieren en de lever beschrijft. Lactaat geproduceerd in spieren wordt naar de lever getransporteerd en daar omgezet in glucose. |

# Definitie en noodzaak van gluconeogenese Gluconeogenese is de de novo synthese van glucose uit niet-koolhydraat precursors, essentieel voor het handhaven van de bloedglucosespiegels. ### 1.1 Definitie van gluconeogenese Gluconeogenese is het biochemische proces waarbij glucose nieuw wordt gesynthetiseerd uit niet-koolhydraat bronnen. Deze precursors omvatten onder andere aminozuren, lactaat en pyruvaat. Dit proces vindt voornamelijk plaats in de lever en de niercortex, terwijl het afwezig is in hersencellen. ### 1.2 Noodzaak van gluconeogenese De nieuwvorming van glucose is cruciaal om de bloedglucosespiegels op peil te houden, vooral tijdens periodes van vasten of verhoogde glucosebehoefte. Het lichaam heeft een constante toevoer van glucose nodig om vitale organen, met name de hersenen en spierweefsel, van brandstof te voorzien. * **Hersenen en spierweefsel:** Deze weefsels zijn sterk afhankelijk van glucose als energiebron. Zonder een adequate aanvoer kan dit leiden tot ernstige functionele stoornissen. * **Hypoglycemie:** Een te lage bloedglucosespiegel (hypoglycemie) kan ernstige gevolgen hebben. Gluconeogenese is de primaire mechanismen om dit te voorkomen. * **Zware spierbelasting:** Tijdens intense fysieke activiteit kan glucose snel worden verbruikt. Het lichaam kan dan glucose uit lactaat, gevormd tijdens anaerobe glycolyse in de spieren, opnieuw aanmaken via gluconeogenese in de lever. * **Chronisch voedselgebrek:** Bij langdurige onthouding van voedsel kan het lichaam glucose genereren uit glycerol (afkomstig van vetmetabolisme) en aminozuren. ### 1.3 Gluconeogenese versus glycolyse Gluconeogenese is niet simpelweg de omgekeerde weg van glycolyse. Hoewel beide processen betrokken zijn bij glucosemetabolisme, verschillen ze significant. Glycolyse is het afbreken van glucose voor energie, terwijl gluconeogenese glucose opbouwt. De netto energieverandering ($\Delta G^\circ$) van de omgekeerde glycolyse is sterk positief ($+ 20$ kcal/mol), wat aangeeft dat het niet spontaan kan verlopen. De eigenlijke gluconeogenese heeft een netto energieverandering van $- 9$ kcal/mol, wat duidt op een energetisch gunstiger proces. ### 1.4 Sleutelreacties in de gluconeogenese Gluconeogenese omzeilt de drie irreversibele stappen van de glycolyse. Dit vereist specifieke enzymen om deze stappen te overbruggen: 1. **Omzetting van pyruvaat naar fosfoënolpyruvaat (PEP):** Dit is een tweestapsreactie die plaatsvindt in zowel het mitochondrion als het cytoplasma. * **Pyruvaat naar oxaalacetaat:** Katalysator: pyruvaatcarboxylase. Deze reactie verbruikt ATP. `$$ \text{COO}^- \text{C=O CH}_3 + \text{HCO}_3^- + \text{ATP} \rightarrow \text{COO}^- \text{C=O CH}_2 \text{COO}^- + \text{ADP} + \text{P}_i + \text{H}^+ $$` * **Oxaalacetaat naar fosfoënolpyruvaat (PEP):** Katalysator: fosfoënolpyruvaat carboxykinase (PEPCK). Deze reactie verbruikt GTP en CO$_2$. `$$ \text{COO}^- \text{C=O CH}_2 \text{COO}^- + \text{GTP} \rightarrow \text{PEP} + \text{GDP} + \text{CO}_2 $$` Oxaalacetaat kan niet direct de mitochondriën verlaten. Het wordt eerst gereduceerd tot malaat, dat dan het mitochondrion uit kan en weer geoxideerd wordt tot oxaalacetaat in het cytoplasma. Alternatief kan oxaalacetaat omgezet worden tot aspartaat. 2. **Omzetting van fructose 1,6-bisfosfaat naar fructose 6-fosfaat:** Dit is een defosforyleringsreactie. * **Fructose 1,6-bisfosfaat naar fructose 6-fosfaat:** Katalysator: fructose 1,6-bisfosfatase. `$$ \text{Fructose 1,6-bisfosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Fructose 6-fosfaat} + \text{P}_i $$` 3. **Omzetting van glucose 6-fosfaat naar glucose:** Dit is de laatste defosforyleringsstap. * **Glucose 6-fosfaat naar glucose:** Katalysator: glucose 6-fosfatase. Dit enzym is aanwezig in het lumen van het endoplasmatisch reticulum (ER). Na defosforylering moet glucose uit het ER naar het cytoplasma worden getransporteerd voor excretie in het bloed. Dit enzym is afwezig in hersen- en spiercellen, wat verklaart waarom deze weefsels zelf geen glucose kunnen produceren. ### 1.5 Energetische balans Gluconeogenese is een energetisch sterk endergonisch proces. De totale netto reactie vereist de hydrolyse van ATP en GTP, en de reductie van NAD$^+$: `$$ 2 \text{ pyruvaat} + 4 \text{ ATP} + 2 \text{ GTP} + 2 \text{ NADH} + 6 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{glucose} + 4 \text{ ADP} + 2 \text{ GDP} + 6 \text{ P}_i + 2 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ H}^+ $$` Het verbruik van ATP en GTP is noodzakelijk om de energetisch ongunstige reacties door te laten gaan. ### 1.6 Regulatie van glycolyse en gluconeogenese Een nauwkeurige afstemming tussen glycolyse en gluconeogenese is essentieel om energieverspilling te voorkomen. Als beide processen tegelijkertijd actief zouden zijn, zou er continu glucose worden afgebroken en weer opgebouwd zonder netto winst, wat leidt tot een futiele cyclus. * **Concentratieafhankelijkheid:** De snelheid van glycolyse is gerelateerd aan de glucoseconcentratie, terwijl de snelheid van gluconeogenese afhankelijk is van de concentratie van precursors zoals lactaat en aminozuren. * **Controlepunten:** De belangrijkste regulatie vindt plaats rond de omzetting van fructose 6-fosfaat naar fructose 1,6-bisfosfaat. Dit is een voorbeeld van een substraatcyclus, waarbij twee metabole routes convergeren rond één specifiek punt. * **Allostere regulatie:** Veel enzymen die betrokken zijn bij glycolyse en gluconeogenese worden allosterisch gereguleerd. Bijvoorbeeld, acetyl-CoA is een allostere activator van pyruvaatcarboxylase, een sleutelenzym in de gluconeogenese. Tegelijkertijd remt acetyl-CoA het pyruvaat dehydrogenase complex (PDC), wat de omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA beperkt en dus de gluconeogenese begunstigt. ### 1.7 De Cori-cyclus De Cori-cyclus illustreert de wisselwerking tussen spieren en lever bij glucosemetabolisme, vooral tijdens zware en langdurige spierbelasting. * **Vorming van lactaat:** Tijdens anaerobe omstandigheden in de spieren wordt pyruvaat omgezet in lactaat door lactaat dehydrogenase. Lactaat kan worden gebruikt als escape route om NAD$^+$ te regenereren, wat essentieel is voor het voortzetten van de glycolyse. `$$ \text{Pyruvaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{Lactaat} + \text{NAD}^+ $$` * **Rol van lactaat dehydrogenase (LDH):** De H-vorm van LDH, gevonden in de hartspier, bevordert de omzetting van lactaat naar pyruvaat voor aerobe oxidatie. De M-vorm, in spieren, bevordert de omzetting van pyruvaat naar lactaat onder anaerobe omstandigheden. * **Cori-cyclus:** Lactaat en alanine, die uit de spieren worden vrijgegeven, worden door de lever opgenomen en omgezet tot pyruvaat. Vervolgens wordt pyruvaat door gluconeogenese omgezet in glucose, dat weer aan het bloed kan worden afgegeven. Erytrocyten, die geen mitochondriën hebben, produceren continu lactaat en zijn afhankelijk van de lever voor hun glucosevoorziening via de Cori-cyclus. > **Tip:** Het is belangrijk te onthouden dat beide cycli (glycolyse en gluconeogenese) niet tegelijkertijd maximaal actief mogen zijn om energieverspilling te voorkomen. Ze worden tegengesteld gereguleerd. ### 1.8 Alternatieve regulatiestrategieën Een andere strategie om de bloedglucosespiegel te verlagen is door selectief de gluconeogenese te blokkeren. Dit kan potentieel een minder ingrijpende methode zijn dan directe insulinetherapie, vooral bij prediabetes. --- # Mechanismen en enzymen van gluconeogenese Gluconeogenese is de synthese van glucose uit niet-koolhydraat precursors zoals aminozuren, lactaat en pyruvaat, essentieel voor het handhaven van het bloedglucoseniveau, vooral tijdens periodes van vasten of zware inspanning. ### 2.1 De noodzaak voor gluconeogenese * **Bloedglucose stabilisatie:** De hersenen en spierweefsels vereisen een constante aanvoer van glucose als brandstof. Gluconeogenese is cruciaal om hypoglycemie (te lage bloedsuikerspiegel) te voorkomen. * **Lever en niercortex:** Deze weefsels zijn de primaire locaties voor gluconeogenese. Hersencellen voeren dit proces niet uit. * **Verschil met glycolyse:** Gluconeogenese is geen omgekeerde glycolyse. Veel reactiestappen in de glycolyse zijn energetisch ongunstig (endergonisch) met een grote negatieve vrije energieverandering (ΔG°). ### 2.2 Omzeiling van irreversibele glycolysestappen Glycolyse bevat drie irreversibele stappen die energetisch ongunstig zijn om om te keren. Gluconeogenese gebruikt alternatieve enzymatische reacties om deze stappen te omzeilen. #### 2.2.1 Omzetting van pyruvaat naar fosfoënolpyruvaat Dit is een tweestaps proces dat deels in de mitochondriën en deels in het cytoplasma plaatsvindt. 1. **Pyruvaat naar oxaalacetaat:** * **Enzym:** Pyruvaatcarboxylase (PC) * **Locatie:** Mitochondriën * **Reactie:** Pyruvaat wordt geconverteerd naar oxaalacetaat, waarbij één molecuul ATP en één molecuul bicarbonaat (HCO₃⁻) worden verbruikt. * **Co-factor:** Biotine is essentieel als co-enzym voor pyruvaatcarboxylase. * **Vergelijking:** $$ \text{COO}^- \text{CO CH}_3 + \text{HCO}_3^- + \text{ATP} \rightarrow \text{COO}^- \text{CO CH}_2 \text{COO}^- + \text{ADP} + \text{P}_i + \text{H}^+ $$ 2. **Oxaalacetaat naar fosfoënolpyruvaat (PEP):** * **Enzym:** Fosfoënolpyruvaatcarboxykinase (PEPCK) * **Locatie:** Cytoplasma * **Reactie:** Oxaalacetaat wordt gedeeltelijk gedecarboxyleerd en gefosforyleerd tot fosfoënolpyruvaat, waarbij één molecuul GTP wordt verbruikt. * **Substraat:** Dit vereist GTP als fosfaatdonor. * **Vergelijking:** $$ \text{COO}^- \text{CO CH}_2 \text{COO}^- + \text{GTP} \rightarrow \text{COO}^- \text{CO CH(OP}_2\text{O}_6^{4-}) + \text{GDP} + \text{CO}_2 $$ (Let op: De chemische structuur van fosfoënolpyruvaat is hier vereenvoudigd weergegeven voor de vergelijking.) * **Transport van oxaalacetaat:** Oxaalacetaat kan niet direct vanuit de mitochondriën naar het cytoplasma transporteren. Het wordt eerst gereduceerd tot malaat (met NADH) of omgezet in aspartaat, die wel door de mitochondriale membraan kunnen. In het cytoplasma worden deze weer omgezet naar oxaalacetaat, waarbij NAD⁺ wordt geregenereerd of er CO₂ wordt verbruikt. #### 2.2.2 Omzetting van fructose 1,6-bisfosfaat naar fructose 6-fosfaat * **Enzym:** Fructose 1,6-bisfosfatase * **Reactie:** Een fosfaatgroep wordt gehydrolyseerd, waarbij fructose 1,6-bisfosfaat wordt omgezet in fructose 6-fosfaat. * **Vergelijking:** $$ \text{Fructose 1,6-bisfosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Fructose 6-fosfaat} + \text{P}_i $$ #### 2.2.3 Omzetting van glucose 6-fosfaat naar glucose * **Enzym:** Glucose 6-fosfatase * **Locatie:** Endoplasmatisch reticulum (ER) * **Reactie:** De terminale fosfaatgroep wordt verwijderd, waardoor glucose vrijkomt. Dit enzym is afwezig in hersen- en spiercellen, wat verklaart waarom deze weefsels geen glucose kunnen vrijgeven aan het bloed via gluconeogenese. * **Vergelijking:** $$ \text{Glucose 6-fosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Glucose} + \text{P}_i $$ * **Transport:** Glucose 6-fosfaat moet eerst naar het lumen van het ER worden getransporteerd voor de defosforylering door glucose 6-fosfatase. Vervolgens wordt de vrije glucose terug naar het cytoplasma getransporteerd. ### 2.3 Energetische balans van gluconeogenese De netto reactievergelijking voor de omzetting van twee moleculen pyruvaat naar één molecuul glucose is energetisch ongunstig zonder energie-input. * **Netto energieverbruik:** $$ 2 \text{ pyruvaat} + 4 \text{ ATP} + 2 \text{ GTP} + 2 \text{ NADH} + 6 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{glucose} + 4 \text{ ADP} + 2 \text{ GDP} + 6 \text{ P}_i + 2 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ H}^+ $$ * Dit benadrukt de noodzaak van ATP en GTP om de endergonische reacties te kunnen laten plaatsvinden. ### 2.4 Regeling van glycolyse en gluconeogenese * **Afstemming:** Glycolyse en gluconeogenese moeten nauwkeurig worden gecoördineerd om energieverspilling te voorkomen. Wanneer de één actief is, moet de ander geremd worden. * **Substraatcyclus:** De omzetting van fructose 6-fosfaat naar fructose 1,6-bisfosfaat (glycolyse) en de omgekeerde reactie door fructose 1,6-bisfosfatase (gluconeogenese) vormen een substraatcyclus. Dit punt is een belangrijk controlemechanisme. * **Allostere regulatie:** * **Pyruvaatcarboxylase (PC):** Wordt allostere geactiveerd door acetyl-CoA. Dit koppelt de activiteit van PC aan de beschikbaarheid van acetyl-CoA, wat een indicator is van de energietoestand van de cel. * **Pyruvaatkinase (PK) (glycolyse):** Wordt geremd door ATP, alanine en verhoogde fructose 1,6-bisfosfaat concentraties. * **Pyruvaatdehydrogenase complex (PDC):** De activiteit van PDC (die pyruvaat omzet naar acetyl-CoA voor de Krebs-cyclus) en pyruvaatcarboxylase worden differentieel gereguleerd zodat ze niet tegelijkertijd maximaal actief zijn. ### 2.5 De Cori-cyclus De Cori-cyclus beschrijft de wisselwerking tussen de lever en de spieren, met name tijdens zware spierbelasting wanneer anaerobe glycolyse lactaat produceert. * **Lactaatvorming:** In spieren kan pyruvaat tijdens anaerobe omstandigheden door lactaatdehydrogenase (LDH) worden omgezet in lactaat, om de regeneratie van NAD⁺ te waarborgen en glycolyse te laten doorgaan. * **Lactaattransport:** Lactaat wordt vanuit de spieren naar de lever getransporteerd. * **Lactaatverwerking in de lever:** Levercellen nemen lactaat op en zetten dit via LDH weer om in pyruvaat, dat vervolgens wordt gebruikt voor gluconeogenese. * **Glucose teruggave:** De geproduceerde glucose wordt aan het bloed afgegeven en kan weer door de spieren worden opgenomen. * **Alternatieve routes:** Een deel van het pyruvaat in de spier kan ook worden omgezet in alanine, dat vervolgens door de lever wordt opgenomen en ook tot glucose kan worden omgezet. * **Preventie van acidose:** De vorming van lactaat wordt deels geremd om lactaatacidose te voorkomen. > **Tip:** Begrijpen hoe de omgekeerde irreversibele stappen van de glycolyse worden omzeild, is cruciaal. Let op de specifieke enzymen en hun locaties (cytoplasma vs. mitochondriën/ER). > **Voorbeeld:** De omzetting van pyruvaat naar fosfoënolpyruvaat vereist twee enzymen (pyruvaatcarboxylase en PEPCK) en gebruikt twee moleculen ATP/GTP, terwijl de glycolyse stap (van fosfoënolpyruvaat naar pyruvaat) door één enzym (pyruvaatkinase) met een grote negatieve ΔG° verloopt. --- # Regulatie van glucosemetabolisme en substraatcycli De regulatie van het glucosemetabolisme is essentieel om de bloedglucosespiegels binnen een nauwe marge te houden, wat cruciaal is voor de energievoorziening van met name de hersenen en spierweefsel. Dit hoofdstuk bespreekt de afstemming tussen glycolyse en gluconeogenese, inclusief de controlepunten en de rol van substraatcycli om energieverspilling te voorkomen. ### 3.1 Gluconeogenese: de synthese van glucose Gluconeogenese is het proces van *de novo* synthese van glucose uit precursors zoals aminozuren, lactaat en pyruvaat. Dit is noodzakelijk om de bloedglucosespiegel op peil te houden, bijvoorbeeld tijdens perioden van vasten of zware spierbelasting. * **Locatie:** Gluconeogenese vindt plaats in de lever en de niercortex. Het is afwezig in hersencellen. * **Verband met glycolyse:** Gluconeogenese is geen omgekeerde reactie van glycolyse, omdat drie irreversibele stappen in de glycolyse omzeild moeten worden. De netto reactie voor gluconeogenese vereist energie. #### 3.1.1 De omzeiling van irreversibele stappen De drie irreversibele stappen van de glycolyse worden in de gluconeogenese door specifieke enzymen omzeild: 1. **Van pyruvaat naar fosfoënolpyruvaat:** Dit is een tweestapsreactie: * **Pyruvaat naar oxaalacetaat:** Dit gebeurt in de mitochondriën, gekatalyseerd door pyruvaatcarboxylase. Dit proces vereist ATP en bicarbonaat. $$ \text{COO}^- \text{C=O CH}_3 + \text{HCO}_3^- + \text{ATP} \rightarrow \text{COO}^- \text{C=O CH}_2 \text{COO}^- + \text{ADP} + \text{P}_i + \text{H}^+ $$ * **Tip:** Oxaalacetaat kan de mitochondriën niet zomaar passeren en wordt eerst gereduceerd tot malaat voor transport naar het cytoplasma, waar het opnieuw geoxideerd wordt tot oxaalacetaat. * **Oxaalacetaat naar fosfoënolpyruvaat (PEP):** Dit gebeurt in het cytoplasma, gekatalyseerd door fosfoënolpyruvaat carboxykinase (PEPCK). Dit proces vereist GTP en de decarboxylering van oxaalacetaat. $$ \text{COO}^- \text{C=O CH}_2 \text{COO}^- + \text{GTP} \rightarrow \text{COO}^- \text{C=O CH(OPO}_3^{2-}) + \text{GDP} + \text{CO}_2 $$ * **Note:** De stappen van pyruvaat naar oxaalacetaat en oxaalacetaat naar PEP vereisen een netto verbruik van één ATP en één GTP molecuul per pyruvaatmolecuul. 2. **Van fructose 1,6-bisfosfaat naar fructose 6-fosfaat:** Deze stap wordt omzeild door defosforylering, gekatalyseerd door fructose 1,6-bisfosfatase. $$ \text{Fructose 1,6-bisfosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Fructose 6-fosfaat} + \text{P}_i $$ 3. **Van glucose 6-fosfaat naar glucose:** Ook deze stap is een defosforylering, gekatalyseerd door glucose 6-fosfatase. Dit enzym is voornamelijk aanwezig in het lumen van het endoplasmatisch reticulum (ER). $$ \text{Glucose 6-fosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Glucose} + \text{P}_i $$ * **Tip:** De fosfatase-enzymen voor deze laatste twee stappen zijn afwezig in hersen- en spiercellen, wat verklaart waarom deze weefsels glucose niet kunnen produceren. Glucose-6-fosfaat wordt vanuit het cytoplasma naar het ER getransporteerd voor defosforylering en de daaruit ontstane glucose wordt weer terug naar het cytoplasma getransporteerd. #### 3.1.2 Energetische balans van gluconeogenese De algehele reactie voor de synthese van glucose uit twee moleculen pyruvaat is sterk endergonisch en vereist aanzienlijke energie-input: $$ 2 \text{ pyruvaat} + 4 \text{ ATP} + 2 \text{ GTP} + 2 \text{ NADH} + 6 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{glucose} + 4 \text{ ADP} + 2 \text{ GDP} + 6 \text{ P}_i + 2 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ H}^+ $$ Het verbruik van ATP en GTP is essentieel om de energetisch ongunstige reacties te laten doorgaan. ### 3.2 Regulatie van glycolyse en gluconeogenese Een nauwe afstemming tussen de snelheden van glycolyse en gluconeogenese is cruciaal om energieverspilling te voorkomen. Wanneer beide routes gelijktijdig zeer actief zijn, ontstaat een substraatcyclus waarbij glucose wordt afgebroken en direct weer wordt gesynthetiseerd zonder netto energieproductie. * **Controlemechanismen:** De regulatie vindt voornamelijk plaats bij de omzetting van fructose 6-fosfaat naar fructose 1,6-bisfosfaat en vice versa. Dit vormt een belangrijk controlepunt. * **Substraatcycli:** Dit zijn metabole routes die convergeren rond één specifiek punt, waarbij beide richtingen tegelijkertijd (zij het op verschillende niveaus) actief kunnen zijn. Hoewel een zekere overlap mogelijk is, moet een efficiënte regulatie voorkomen dat beide processen volledig concurrerend opereren. #### 3.2.1 Allostere regulatie en controlepunten De regulatie van pyruvaatmetabolisme, waarbij pyruvaat kan worden omgezet tot acetyl-CoA (voor de citroenzuurcyclus en vetzuursynthese) of oxaalacetaat (voor gluconeogenese), is een sleutelgebied voor deze afstemming. * **Pyruvaatcarboxylase (PC) en Pyruvaatdehydrogenase Complex (PDC):** Deze twee enzymen reguleren de weg van pyruvaat. Ze worden differentiëel gereguleerd om te voorkomen dat ze tegelijkertijd maximaal actief zijn. * **Acetyl-CoA:** Is een allostere activator van pyruvaatcarboxylase (PC), wat de gluconeogenese bevordert wanneer er voldoende energie (acetyl-CoA) beschikbaar is. * **Citraat:** Een intermediair van de citroenzuurcyclus, activeert ook PC indirect. * **ADP:** Is een remmer van het pyruvaatdehydrogenase complex (PDC), wat aangeeft dat bij lage energieniveaus de omzetting naar acetyl-CoA wordt vertraagd. * **ATP:** Is een activator van PC. * **Fosfoënolpyruvaat carboxykinase (PEPCK):** De activiteit van PEPCK, dat oxaalacetaat omzet in fosfoënolpyruvaat, wordt gereguleerd door hormonen zoals glucagon en cortisol. #### 3.2.2 De Cori-cyclus De Cori-cyclus beschrijft de wisselwerking tussen de lever en de spieren voor het glucose-lactaat metabolisme, met name tijdens zware spierbelasting. * **Lactaatvorming:** In spieren, onder anaerobe omstandigheden, wordt pyruvaat omgezet in lactaat. Dit is een "escape route" om NAD+ te regenereren, wat essentieel is voor de voortzetting van de glycolyse. $$ \text{Pyruvaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{Lactaat} + \text{NAD}^+ $$ Dit proces wordt gekatalyseerd door lactaatdehydrogenase (LDH). * **H-vorm (hartspier):** Zet lactaat preferentieel om naar pyruvaat voor aeroob metabolisme. * **M-vorm (spier):** Zet pyruvaat preferentieel om naar lactaat onder anaerobe condities. * **Rol van de lever:** Lactaat en alanine, die door de spieren worden uitgescheiden, worden door levercellen opgenomen. De lever zet lactaat en alanine om naar pyruvaat en vervolgens naar glucose via gluconeogenese. * **Preventie van acidose:** Een deel van het pyruvaat in de spier kan worden omgezet in alanine om zo de overmatige vorming van lactaat en daarmee lactaatacidose te voorkomen. * **Voor de erythrocytes:** Rode bloedcellen, die geen mitochondriën hebben, produceren continu lactaat via de glycolyse. Dit lactaat wordt door de lever opgenomen en omgezet tot glucose (Cori-cyclus). > **Tip:** De Cori-cyclus is een belangrijk voorbeeld van hoe verschillende weefsels samenwerken om metabole homeostase te handhaven, waarbij de lever fungeert als een centrale glucose-regulator. ### 3.3 Substraatcycli en energieverspilling Substraatcycli waarbij glycolyse en gluconeogenese rond hetzelfde intermediair (bijvoorbeeld fructose 6-fosfaat) actief zijn, kunnen leiden tot aanzienlijke energieverspilling als ze niet efficiënt worden gereguleerd. De algehele reactie van deze cycli is energetisch ongunstig en vereist energie-input (ATP-hydrolyse). Een dergelijke cyclus kan echter ook nuttig zijn voor het sneller verhogen van de concentratie van een bepaald intermediair wanneer dat nodig is. De afstemming van deze cycli gebeurt door tegenovergestelde allostere regulatie van de betrokken enzymen. Bijvoorbeeld, wanneer de energievoorziening hoog is, wordt gluconeogenese gestimuleerd en glycolyse geremd, en omgekeerd. > **Tip:** Het blokkeren van gluconeogenese is een therapeutische strategie, bijvoorbeeld door medicatie zoals metformine, om de bloedglucosespiegel significant te verlagen bij aandoeningen als diabetes. Dit is een minder ingrijpende aanpak dan directe insulinetherapie, vooral bij prediabetes. --- # De Cori-cyclus en lactaatmetabolisme Dit onderwerp beschrijft de samenwerking tussen de lever en spieren via de Cori-cyclus, waarbij lactaat een cruciale rol speelt als intermediair en de preventie van lactaatacidose wordt belicht. ### 4.1 Het belang van glucosehomeostase Om de hersenen en spierweefsel van brandstof te voorzien, is het essentieel om het bloedglucoseniveau op peil te houden. Bij zware spierbelasting wordt glucose uit lactaat in de lever gevormd, en bij chronisch voedselgebrek kan glucose worden gegenereerd uit glycerol en aminozuren. ### 4.2 Gluconeogenese versus glycolyse Gluconeogenese, de synthese van glucose *de novo* uit precursors zoals aminozuren, lactaat en pyruvaat, is een noodzakelijk proces om hypoglycemie te voorkomen. Dit proces vindt voornamelijk plaats in de lever en de niercortex, en niet in hersencellen. Gluconeogenese is niet simpelweg het omgekeerde van glycolyse, aangezien de netto verandering in vrije energie ($\Delta G^\circ$) van de glycolyse positief is ($\Delta G^\circ = +20$ kcal/mol), terwijl de netto $\Delta G^\circ$ van gluconeogenese negatief is ($\Delta G^\circ = -9$ kcal/mol). #### 4.2.1 Omzeilen van irreversibele stappen in de glycolyse Drie stappen in de glycolyse zijn irreversibel: de eerste, de derde en de laatste reactie. Om deze te omzeilen tijdens gluconeogenese, worden specifieke enzymen gebruikt: 1. **Pyruvaat naar fosfoënolpyruvaat:** Dit is een tweestapsreactie: * Pyruvaat wordt door pyruvaatcarboxylase omgezet tot oxaalacetaat ($COO^- C(=O) CH_3 + HCO_3^- + ATP \rightarrow COO^- C(=O) CH_2 COO^- + ADP + P_i + H^+$). * Oxaalacetaat wordt vervolgens door fosfoënolpyruvaat carboxykinase (PEPCK) omgezet tot fosfoënolpyruvaat ($COO^- C(=O) CH_2 COO^- + GTP \rightarrow COO^- C(=O) CH_2 + GDP + CO_2$). Deze reactie kan plaatsvinden in het mitochondrion of het cytoplasma, afhankelijk van de beschikbaarheid van NADH. Oxaalacetaat kan de mitochondriën niet direct verlaten en moet eerst worden gereduceerd tot malaat om via het malaat-aspartaat shuttle systeem het cytoplasma te bereiken. 2. **Fructose 1,6-bisfosfaat naar fructose 6-fosfaat:** Deze stap wordt gekatalyseerd door fructose 1,6-bisfosfatase, waarbij een fosfaatgroep wordt verwijderd: $$ \text{Fructose 1,6-bisfosfaat} + H_2O \rightarrow \text{Fructose 6-fosfaat} + P_i $$ 3. **Glucose 6-fosfaat naar glucose:** Ook deze defosforyleringsreactie wordt gekatalyseerd door een fosfatase, glucose-6-fosfatase. Deze stap vindt plaats in het lumen van het endoplasmatisch reticulum (ER), waarna de gevormde glucose naar het cytoplasma wordt getransporteerd voor export. Fosfatase is afwezig in hersen- en spiercellen. #### 4.2.2 Energiebalans van gluconeogenese De netto reactievergelijking voor de vorming van glucose uit twee moleculen pyruvaat is: $$ 2 \text{ pyruvaat} + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 6 H_2O \rightarrow \text{glucose} + 4 ADP + 2 GDP + 6 P_i + 2 NAD^+ + 2 H^+ $$ ATP en GTP zijn essentieel om de energetisch ongunstige reacties mogelijk te maken. ### 4.3 Regulatie van glycolyse en gluconeogenese Een nauwkeurige afstemming tussen glycolyse en gluconeogenese is cruciaal om energieverspilling te voorkomen. De snelheid van glycolyse is afhankelijk van de glucoseconcentratie, terwijl de snelheid van gluconeogenese afhangt van de concentratie van precursors zoals lactaat. Het belangrijkste controlepunt ligt bij de omzetting van fructose 6-fosfaat naar fructose 1,6-bisfosfaat. Dit betreft een substraatcyclus, waarbij twee metabole routes convergeren op één punt. De regulatie wordt complexer door interactie met vetzuurmetabolisme. Acetyl-CoA fungeert als allostere activator voor pyruvaatcarboxylase (PC), een sleutelenzym in de gluconeogenese. Dit mechanisme reguleert indirect de hoeveelheid intermediairen voor de Krebs-cyclus. Pyruvaat dehydrogenase complex (PDC) en pyruvaat carboxylase (PC) worden differentiële gereguleerd om te voorkomen dat ze tegelijkertijd maximaal actief zijn. ### 4.4 De Cori-cyclus: wisselwerking tussen lever en spieren Tijdens zware en langdurige spierbelasting treedt anaerobe glycolyse op, waarbij pyruvaat wordt omgezet in lactaat om de regeneratie van $NAD^+$ mogelijk te maken: $$ COO^- C(=O) CH_3 + NADH + H^+ \rightleftharpoons CH_3 CH(OH) COO^- + NAD^+ $$ ($\text{Pyruvaat} \rightleftharpoons \text{Lactaat}$) Lactaat dehydrogenase (LDH) katalyseert deze reactie, waarbij verschillende iso-enzymen voorkomen. De H-vorm, dominant in het hart, zet voornamelijk lactaat om in pyruvaat voor aeroob metabolisme, terwijl de M-vorm, dominant in spieren, pyruvaat eerder omzet in lactaat om anaerobe glycolyse te ondersteunen. #### 4.4.1 Preventie van lactaatacidose Om te sterke aanzuring in de spieren te vermijden, die kan leiden tot lactaatacidose, wordt een deel van het pyruvaat omgezet in lactaat en een deel tot alanine. De spieren scheiden pyruvaat, lactaat en alanine uit. De levercellen nemen alanine en lactaat op en zetten deze om in pyruvaat, dat vervolgens verder wordt omgezet tot glucose. Deze cyclus van lactaattransport en glucoseproductie tussen spieren en lever wordt de Cori-cyclus genoemd en is van groot belang voor erythrocyten en spieren. > **Tip:** De Cori-cyclus is een klassiek voorbeeld van hoe verschillende weefsels samenwerken om metabole flux te handhaven en homeostase te bewaren, vooral onder fysiologisch uitdagende omstandigheden. #### 4.4.2 Rol van alanine Alanine wordt gevormd door transaminering van pyruvaat en dient als een belangrijke precursor voor gluconeogenese in de lever, vooral tijdens perioden van vasten of intensieve inspanning. > **Voorbeeld:** Tijdens een marathon, wanneer spierglycogeen uitgeput raakt, spelen de Cori-cyclus en de omzetting van alanine naar glucose een belangrijke rol in het handhaven van de bloedglucosespiegel voor de hersenen en de spieren die nog functioneren. ### 4.5 Klinische relevantie Blokkeren van gluconeogenese kan de bloedsuikerspiegel significant doen dalen, wat een therapeutische strategie kan zijn bij de behandeling van hyperglycemie. De Cori-cyclus is essentieel voor het voorkomen van ernstige problemen, maar een overmatige productie van lactaat kan leiden tot lactaatacidose, een potentieel levensbedreigende aandoening. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Gluconeogenese | De biochemische synthese van glucose vanuit niet-koolhydraat voorlopers zoals aminozuren, lactaat en glycerol. Dit proces is cruciaal voor het handhaven van de bloedglucosespiegel, met name voor organen zoals de hersenen. | | Hypoglycemie | Een aandoening die wordt gekenmerkt door een abnormaal lage concentratie glucose in het bloed. Dit kan leiden tot symptomen zoals duizeligheid, trillen en verwardheid, en vereist soms interventie om de bloedsuikerspiegel te verhogen. | | Hyperglycemie | Een aandoening die wordt gekenmerkt door een abnormaal hoge concentratie glucose in het bloed. Dit is een veelvoorkomend symptoom van diabetes mellitus en kan op lange termijn orgaanschade veroorzaken als het niet wordt behandeld. | | Glycolyse | Het metabole pad dat glucose (een zes-koolstofsuiker) afbreekt tot pyruvaat (een drie-koolstofmolecuul). Dit proces vindt plaats in het cytoplasma en levert ATP en NADH op, en is essentieel voor energieproductie in veel cellen. | | Irreversibele reactie | Een chemische reactie die slechts in één richting plaatsvindt onder fysiologische omstandigheden, met een significante negatieve vrije energieverandering ($\Delta G^\circ$). Deze reacties worden vaak gereguleerd in metabole paden. | | Pyruvaatcarboxylase | Een enzym dat pyruvaat omzet in oxaalacetaat. Dit is de eerste stap in de gluconeogenese die de bypass van een irreversibele stap in de glycolyse mogelijk maakt. Het enzym vereist biotine en ATP als cofactoren. | | Fosfoënolpyruvaat carboxykinase (PEPCK) | Een enzym dat oxaalacetaat omzet in fosfoënolpyruvaat. Deze reactie is een sleutelstap in de gluconeogenese en vereist GTP als energiebron. Het enzym komt voor in zowel het mitochondrion als het cytoplasma. | | Fructose-1,6-bisfosfatase | Een enzym dat fructose-1,6-bisfosfaat defosforyleert tot fructose-6-fosfaat. Dit is een van de drie bypass-reacties die de irreversibele stap van de fosfofructokinase-1 in de glycolyse omzeilen. | | Glucose-6-fosfatase | Een enzym dat glucose-6-fosfaat defosforyleert tot glucose. Dit is de laatste stap in de gluconeogenese, die plaatsvindt in het lumen van het endoplasmatisch reticulum en de afgifte van vrije glucose in de bloedbaan mogelijk maakt. | | Substraatcyclus | Een metabool netwerk waarin twee tegengesteld werkende paden tegelijkertijd actief zijn en een gemeenschappelijk intermediair consumeren en produceren. Dit kan leiden tot energieverspilling tenzij nauwkeurig gereguleerd. | | Cori-cyclus | Een metabole route die de wisselwerking beschrijft tussen spierweefsel en de lever, waarbij lactaat door de spieren wordt geproduceerd tijdens anaerobe inspanning en door de lever wordt omgezet in glucose. | | Lactaatdehydrogenase (LDH) | Een enzym dat pyruvaat omzet in lactaat en NADH omzet in NAD$^{+}$, of omgekeerd. Het speelt een cruciale rol bij de fermentatie onder anaerobe omstandigheden en de interconversie van pyruvaat en lactaat. | | Lactaatacidose | Een gevaarlijke aandoening die wordt gekenmerkt door een te hoge concentratie lactaat in het bloed. Dit kan leiden tot een verlaging van de pH van het bloed en ernstige metabole problemen. |

# De pentosefosfaatroute: functies en reacties De pentosefosfaatroute (PPP) is een cruciale metabolische route die de vorming van NADPH voor biosynthetische processen en ribose-5-fosfaat voor de synthese van nucleïnezuren verzorgt, via een reeks oxidatieve en niet-oxidatieve reacties [2](#page=2). ### 1.1 Functies van de pentosefosfaatroute De PPP heeft twee primaire functies [12](#page=12): * **Vorming van NADPH:** NADPH is essentieel als reducerende kracht voor reductieve biosynthetische reacties, zoals de synthese van vetzuren en steroïden. De PPP is verantwoordelijk voor ongeveer 60% van de NADPH-productie bij mensen [12](#page=12) [13](#page=13) [2](#page=2). * **Productie van ribose-5-fosfaat:** Dit is een voorloper voor de synthese van nucleotiden, wat essentieel is voor de aanmaak van RNA en DNA [12](#page=12) [2](#page=2). * **Productie van erythrose-4-fosfaat:** Dit intermediair is nodig voor de synthese van aromatische aminozuren [12](#page=12). ### 1.2 Locatie en algemene principes De enzymen van de PPP zijn gelokaliseerd in het cytosol. De route maakt interconversies mogelijk tussen suikers van verschillende koolstoflengtes (C3, C4, C6, C7), die vervolgens de glycolyse kunnen binnentreden. Deze interconversies vinden plaats via de niet-oxidatieve tak van de route [2](#page=2). ### 1.3 De reacties van de pentosefosfaatroute De pentosefosfaatroute kan worden onderverdeeld in twee hoofdgedeelten: de oxidatieve tak en de niet-oxidatieve tak. #### 1.3.1 De oxidatieve tak De oxidatieve tak is de irreversibele, snelheidsbepalende fase van de PPP [13](#page=13). 1. **Glucose-6-fosfaat dehydrogenase:** Dit enzym katalyseert de oxidatie van glucose-6-fosfaat tot 6-fosfoglucono-δ-lacton, waarbij NADP+ wordt gereduceerd tot NADPH. Dit enzym heeft een 1000 keer hogere affiniteit voor NADP+ dan voor NAD+ [3](#page=3). $$ \\text{Glucose-6-fosfaat} + \\text{NADP}^+ \\rightarrow \\text{6-fosfoglucono-δ-lacton} + \\text{NADPH} + \\text{H}^+ $$ [3](#page=3). 2. **6-fosfogluconolactonase:** Dit enzym hydrolyseert 6-fosfoglucono-δ-lacton tot 6-fosfogluconaat [3](#page=3). $$ \\text{6-fosfoglucono-δ-lacton} + \\text{H}\_2\\text{O} \\rightarrow \\text{6-fosfogluconaat} $$ [3](#page=3). 3. **6-fosfogluconaat dehydrogenase:** Dit enzym katalyseert de oxidatieve decarboxylering van 6-fosfogluconaat tot ribulose-5-fosfaat, waarbij een tweede molecuul NADPH wordt gevormd en CO2 wordt afgesplitst [4](#page=4). $$ \\text{6-fosfogluconaat} + \\text{NADP}^+ \\rightarrow \\text{Ribulose-5-fosfaat} + \\text{NADPH} + \\text{CO}\_2 $$ [4](#page=4). Gedurende de oxidatieve tak worden dus twee moleculen NADPH en één molecuul CO2 per molecuul glucose-6-fosfaat geproduceerd [14](#page=14) [5](#page=5). #### 1.3.2 De niet-oxidatieve tak De niet-oxidatieve tak omvat een reeks reversibele reacties die pentosefosfaten onderling omzetten, of pentoses omzetten in glycolyse-intermediairen. Deze tak is cruciaal voor de flexibiliteit van de route. 1. **Fosfopentose-isomerase:** Ribulose-5-fosfaat wordt geïsomeriseerd tot ribose-5-fosfaat, een ketose-aldose isomerisatie [4](#page=4). $$ \\text{Ribulose-5-fosfaat} \\rightleftharpoons \\text{Ribose-5-fosfaat} $$ [4](#page=4). 2. **Fosfopentose-epimerase:** Ribulose-5-fosfaat kan ook worden geëpimeriseerd tot xylulose-5-fosfaat [11](#page=11). $$ \\text{Ribulose-5-fosfaat} \\rightleftharpoons \\text{Xylulose-5-fosfaat} $$ [11](#page=11). 3. **Transketolase reactie:** Dit enzym draagt een 2-koolstofeenheid over van een ketose donor (zoals xylulose-5-fosfaat) naar een aldose acceptor. Een belangrijke reactie is de omzetting van xylulose-5-fosfaat (C5) en ribose-5-fosfaat (C5) naar fructose-6-fosfaat (C6) en glyceraldehyde-3-fosfaat (C3). Dit vereist thiaminepyrofosfaat (TPP) als cofactor [5](#page=5) [6](#page=6) [9](#page=9). $$ \\text{Xylulose-5-fosfaat (C5)} + \\text{Ribose-5-fosfaat (C5)} \\xrightarrow{\\text{Transketolase}} \\text{Fructose-6-fosfaat (C6)} + \\text{Glyceraldehyde-3-fosfaat (C3)} $$ [11](#page=11) [6](#page=6). 4. **Transaldolase reactie:** Dit enzym draagt een 3-koolstofeenheid over van een ketose donor (zoals sedoheptulose-7-fosfaat) naar een aldose acceptor. Een belangrijke reactie is de omzetting van fructose-6-fosfaat (C6) en glyceraldehyde-3-fosfaat (C3) naar sedoheptulose-7-fosfaat (C7) en erythrose-4-fosfaat (C4) [5](#page=5) [6](#page=6) [8](#page=8). $$ \\text{Fructose-6-fosfaat (C6)} + \\text{Glyceraldehyde-3-fosfaat (C3)} \\xrightarrow{\\text{Transaldolase}} \\text{Sedoheptulose-7-fosfaat (C7)} + \\text{Erythrose-4-fosfaat (C4)} $$ [6](#page=6). Deze reacties maken een cyclische omzetting mogelijk: * Transketolase: C5 + C5 $\\rightleftharpoons$ C3 + C7 [7](#page=7). * Transaldolase: C7 + C3 $\\rightleftharpoons$ C4 + C6 [8](#page=8). * Transketolase: C4 + C5 $\\rightleftharpoons$ C3 + C6 [9](#page=9). Samenvattend kunnen pentosefosfaten worden omgezet in glycolyse-intermediairen, zoals fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Dit betekent dat een overmaat aan ribose-5-fosfaat kan worden geëlimineerd via de glycolyse. De totale som van de reversibele reacties in de niet-oxidatieve tak kan bijvoorbeeld leiden tot de vorming van twee hexosen en een triose uit pentosefosfaten [10](#page=10) [5](#page=5): $$ \\text{Ribose-5-fosfaat} + 2 \\text{ Xylulose-5-fosfaat} \\rightleftharpoons 2 \\text{ Fructose-6-fosfaat} + \\text{Glyceraldehyde-3-fosfaat} $$ [11](#page=11). ### 1.4 Regulatie en integratie met andere routes Het "lot" van glucose-6-fosfaat hangt af van de cellulaire behoefte aan NADPH, ribose-5-fosfaat en ATP [14](#page=14). * **Meer ribose-5-fosfaat nodig dan NADPH:** Glucose-6-fosfaat wordt voornamelijk via de glycolyse omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Via de reversibele transaldolase en transketolase reacties kunnen deze intermediaten worden omgezet in ribose-5-fosfaat (2 x F-6-P + 1 x G3P $\\rightarrow$ 3 x Ribose-5-P) [14](#page=14). * **Gelijke vraag naar ribose-5-fosfaat en NADPH:** De reacties van de oxidatieve tak worden uitgevoerd, wat resulteert in de productie van ribose-5-fosfaat en NADPH [14](#page=14). $$ \\text{Glucose-6-fosfaat} + 2\\text{NADP}^+ + \\text{H}\_2\\text{O} \\rightarrow \\text{Ribose-5-fosfaat} + 2\\text{NADPH} + \\text{CO}\_2 $$ [14](#page=14). * **Meer NADPH nodig dan ribose-5-fosfaat:** * **Optie a:** De oxidatieve tak produceert NADPH. Ribose-5-fosfaat wordt vervolgens via de niet-oxidatieve tak omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat, die vervolgens via gluconeogenese weer worden omgezet naar glucose-6-fosfaat, wat het ribose-5-fosfaat recycleert en meer NADPH genereert [15](#page=15). * **Optie b:** De oxidatieve tak produceert NADPH. Ribose-5-fosfaat wordt omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat, die vervolgens via de glycolyse worden gemetaboliseerd tot pyruvaat. Deze route genereert zowel NADPH als ATP [16](#page=16). Pentose-suikers die via de voeding worden opgenomen, kunnen ook via de PPP worden gemetaboliseerd [13](#page=13). # Controle en regulatie van de pentosefosfaatroute De controle van de pentosefosfaatroute (PPP) is cruciaal voor het waarborgen van de celbehoeften aan NADPH, ribose-5-fosfaat en ATP, waarbij het 'lot' van glucose-6-fosfaat hierdoor flexibel wordt bepaald [14](#page=14). ### 2.1 Regulatie op basis van celbehoeften De cel reguleert de PPP door de flux van glucose-6-fosfaat te sturen, afhankelijk van de specifieke vraag naar de producten van de route: NADPH en ribose-5-fosfaat. De eerste stap van de PPP, de omzetting van glucose-6-fosfaat naar 6-fosfogluconolacton, is een snelheidsbepalende en irreversibele reactie [13](#page=13) [14](#page=14). #### 2.1.1 Behoefte aan ribose-5-fosfaat is groter dan aan NADPH Wanneer de cel meer ribose-5-fosfaat nodig heeft dan NADPH, wordt glucose-6-fosfaat voornamelijk via de glycolyse omgezet in fructose-6-fosfaat (F-6-P) en glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P). De enzymen transketolase (TK) en transaldolase (TA) kunnen vervolgens deze producten omzetten. Twee moleculen fructose-6-fosfaat en één molecuul glyceraldehyde-3-fosfaat kunnen reversibel worden omgezet in drie moleculen ribose-5-fosfaat [14](#page=14). #### 2.1.2 Behoefte aan ribose-5-fosfaat en NADPH is gelijk Als de vraag naar ribose-5-fosfaat en NADPH gelijk is, verloopt de reactie volgens de stoichiometrie van de PPP: $$ \\text{glucose 6-fosfaat} + 2\\text{NADP}^+ + \\text{H}\_2\\text{O} \\rightarrow \\text{ribose 5-fosfaat} + 2\\text{NADPH} + \\text{CO}\_2 $$ #### 2.1.3 Behoefte aan NADPH is groter dan aan ribose-5-fosfaat Wanneer de behoefte aan NADPH primair is, spelen twee mechanismen een rol: ##### 2.1.3.1 Recyclering van ribose-5-fosfaat De oxidatieve tak van de pentosefosfaatweg produceert twee moleculen NADPH per molecuul glucose-6-fosfaat dat wordt geoxideerd. Nadat ribose-5-fosfaat is gevormd, kan het via de niet-oxidatieve tak door de enzymen transketolase en transaldolase worden omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Deze intermediairen kunnen vervolgens via gluconeogenese weer worden omgezet naar glucose-6-fosfaat, wat leidt tot een continue productie van NADPH zonder netto verbruik van glucose-6-fosfaat voor de synthese van ribose-5-fosfaat. De essentie hierbij is de recyclering van ribose-5-fosfaat naar glucose-6-fosfaat [15](#page=15). ##### 2.1.3.2 Productie van zowel NADPH als ATP Een alternatieve route wanneer de vraag naar NADPH groter is dan naar ribose-5-fosfaat, omvat ook de oxidatieve tak van de PPP voor NADPH-productie. Hierna wordt het gevormde ribose-5-fosfaat via de niet-oxidatieve tak omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Deze intermediairen ondergaan vervolgens de glycolyse om pyruvaat te vormen. Dit scenario resulteert in de vorming van zowel NADPH via de PPP als ATP via de daaropvolgende glycolyse [16](#page=16). > **Tip:** Begrijp dat de PPP geen statische route is, maar een dynamisch systeem dat zich aanpast aan de cellulaire behoeften. Het ‘lot’ van glucose-6-fosfaat is dus contextafhankelijk. > **Voorbeeld:** In weefsels met een hoge behoefte aan NADPH voor reductieve biosynthese (zoals vetzuur- of cholesterolopslag) of voor de neutralisatie van reactieve zuurstofspecies, zal de flux door de oxidatieve tak van de PPP verhoogd zijn. Dit kan leiden tot de recyclering van ribose-5-fosfaat om de productie van NADPH te maximaliseren. In andere situaties, waar veel nucleotiden nodig zijn voor DNA- en RNA-synthese, zal de nadruk meer liggen op de productie van ribose-5-fosfaat. * * * # Biologische locaties en belang van de pentosefosfaatroute De pentosefosfaatroute (PPR) is essentieel voor specifieke weefsels vanwege de productie van NADPH, wat cruciaal is voor verschillende anabole processen en de bescherming tegen oxidatieve stress [17](#page=17). ### 3.1 Weefsel-specifieke expressie en functies De activiteit van de PPR varieert sterk per weefsel, afhankelijk van de specifieke metabole behoeften [17](#page=17). #### 3.1.1 Adiposecellen Adiposecellen (vetcellen) vertonen een hoge activiteit van de PPR. Dit is primair gerelateerd aan de noodzaak van NADPH voor de \_de novo synthese van vetzuren uit acetyl-CoA. NADPH levert de reducerende equivalenten die nodig zijn voor de conversie van acetyl-CoA naar lange-keten vetzuren [17](#page=17). #### 3.1.2 Erytrocyten (rode bloedcellen) Ook in erytrocyten is de PPR significant actief. Hier is de belangrijkste functie van NADPH het ondersteunen van het glutathion-reducerende systeem. NADPH is noodzakelijk om gereduceerd glutathion te regenereren, dat op zijn beurt fungeert als een antioxidant die schadelijke reactieve zuurstofspecies neutraliseert. Dit proces is cruciaal voor het behoud van de integriteit van de erytrocytenmembraan en hun biconcave structuur, waardoor ze flexibel blijven en hun zuurstoftransportfunctie kunnen vervullen. Zonder voldoende NADPH kunnen erytrocyten worden beschadigd door oxidatieve stress, wat kan leiden tot hemolyse [17](#page=17). #### 3.1.3 Andere actieve weefsels Naast adiposecellen en erytrocyten, is de PPR ook actief in andere weefsels waar de synthese van vetzuren en steroïden plaatsvindt. Dit omvat de lever, melkklieren (tijdens lactatie voor de synthese van melkvetten), testes, en de bijnierschors. In deze weefsels speelt NADPH een sleutelrol in de anabole paden voor de productie van lipiden en steroïde hormonen [17](#page=17). > **Tip:** Onthoud dat de primaire rollen van NADPH geproduceerd door de PPR liggen in reductieve biosynthese (zoals vetzuur- en steroïden synthese) en de bescherming tegen oxidatieve stress. De weefsel-specifieke niveaus van de PPR weerspiegelen direct de behoeften van deze functies in dat specifieke weefsel. * * * # Glucose-6-fosfaatdehydrogenase deficiëntie en de gevolgen Glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD) deficiëntie is een genetische aandoening die leidt tot problemen met de rode bloedcellen, vooral onder invloed van oxidatieve stress. ### 4.1 Genetische basis en overerving G6PD-deficiëntie is gekoppeld aan het X-chromosoom en wordt recessief overgeërfd. Hoewel het een X-gebonden recessieve aandoening is, kunnen vrouwen symptomen ontwikkelen als gevolg van lyonisatie, wat leidt tot X-inactivatie [18](#page=18). ### 4.2 De rol van G6PD en NADPH in rode bloedcellen Het G6PD-enzym is cruciaal voor de pentosefosfaatroute in rode bloedcellen (erythrocyten). De belangrijkste functie van G6PD is het faciliteren van de productie van NADPH. NADPH is essentieel voor het gereduceerde glutathion (GSH) door middel van het enzym glutathion reductase. GSH fungeert als een antioxidant, die cysteïnes in hemoglobine en andere eiwitten in hun gereduceerde toestand houdt en ijzer in de Fe$^{2+}$ vorm behoudt [19](#page=19) [21](#page=21). De reactie waarbij G6PD betrokken is, kan als volgt worden weergegeven: $$ \\text{GSSG} + \\text{NADPH} + \\text{H}^+ \\xrightarrow{\\text{Glutathion reductase}} 2 \\text{GSH} + \\text{NADP}^+ $$ waar GSSG de geoxideerde vorm van glutathion is. #### 4.2.1 Gevoeligheid van erythrocyten De meeste cellen beschikken over alternatieve routes voor NADPH-productie, maar erythrocyten missen dit vermogen. Bovendien hebben erythrocyten geen proteïnesyntheseapparaat, waardoor ze geen nieuw enzym kunnen aanmaken wanneer dit nodig is. Hierdoor zijn rode bloedcellen bijzonder kwetsbaar voor G6PD-deficiëntie en de gevolgen daarvan [21](#page=21). ### 4.3 Klinische manifestaties en uitlokkende factoren #### 4.3.1 Hemolytische anemie Een G6PD-deficiëntie kan leiden tot hemolytische anemie, wat een aandoening is waarbij rode bloedcellen versneld worden afgebroken. Deze hemolyse kan worden uitgelokt door bepaalde medicijnen of door de consumptie van fava bonen [18](#page=18). ##### 4.3.1.1 Rol van medicijnen en fava bonen Medicijnen, met name antimalariamiddelen zoals pamaquine (geïntroduceerd in 1926), kunnen bij G6PD-deficiënte patiënten leiden tot ernstige symptomen zoals zwarte urine, geelzucht en een daling van het hemoglobinegehalte, met soms fatale gevolgen. Fava bonen bevatten sterke oxidanten, zoals vicine en divicine, die de gereduceerde glutathionvoorraad kunnen uitputten. De term 'favisme' wordt soms gebruikt om problemen gerelateerd aan dit enzym aan te duiden, hoewel niet alle patiënten met G6PD-deficiëntie reageren op de consumptie van fava bonen [18](#page=18) [19](#page=19). ##### 4.3.1.2 Mechanisme van oxidatieve stress Bij blootstelling aan een medicijn of een sterk oxidans kan een reactie optreden met oxyhemoglobine, wat leidt tot de vorming van superoxide-ionen, een reactief zuurstofintermediair. Dit kan leiden tot de vorming van waterstofperoxide (H$\_2$O$\_2$). Peroxide kan vervolgens hemoglobine denatureren, wat resulteert in de vorming van Heinz-lichaampjes. Erythrocyten met deze denaturaties zijn gevoeliger voor oxidatieve stress en worden versneld afgebroken na passage door de milt, wat leidt tot hemolyse [20](#page=20) [22](#page=22). #### 4.3.2 Symptoomloosheid en leeftijd van erytrocyten Patiënten met G6PD-deficiëntie kunnen asymptomatisch zijn omdat nieuwgevormde erythrocyten nog voldoende enzym bevatten. Echter, naarmate de rode bloedcellen ouder worden en hun enzymgehalte daalt, worden ze steeds gevoeliger voor oxidatieve stress [22](#page=22). > **Tip:** De G6PD-activiteit kan variëren tussen verschillende erytrocytenpopulaties, waarbij oudere erytrocyten een lager activiteitsniveau hebben, wat hun verhoogde gevoeligheid verklaart. ### 4.4 Beschermend effect tegen malaria Er is een hoge incidentie van G6PD-deficiëntie waargenomen, met name bij Afro-Amerikanen (ongeveer 11%). Dit suggereert een selectief voordeel onder bepaalde omstandigheden, en de deficiëntie lijkt beschermend te werken tegen infectie met \_Plasmodium falciparum [23](#page=23). #### 4.4.1 Mechanisme van malariaresistente \_Plasmodium falciparum heeft GSH en producten van de pentosefosfaatroute nodig voor optimale groei. Bij G6PD-deficiëntie zijn de erythrocyten gevoeliger voor H$\_2$O$\_2$ dat door de parasiet wordt gevormd. Dit leidt ertoe dat de rode bloedcellen sneller afsterven, wat de groei van de parasiet belemmert en zo bescherming biedt tegen malaria [23](#page=23). > **Voorbeeld:** Een individu met G6PD-deficiëntie is minder waarschijnlijk ernstig ziek te worden van malaria omdat de parasiet in een omgeving met verminderde glutathion- en NADPH-niveaus minder goed kan overleven en de gastheercel sneller wordt opgeruimd. * * * ## Veelgemaakte fouten om te vermijden * Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens * Let op formules en belangrijke definities * Oefen met de voorbeelden in elke sectie * Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Pentosefosfaatroute | Een anabolische metabolische route die NADPH produceert, nodig voor reductieve biosynthese, en de synthese van pentoses, zoals ribose-5-fosfaat, een component van nucleïnezuren en energierijke moleculen. | | NADPH | Nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat, een reductiemiddel dat een cruciale rol speelt in reductieve biosynthetische reacties en de bescherming tegen oxidatieve schade. | | Ribose-5-fosfaat | Een pentosefosfaat dat een sleutelintermediair is in de pentosefosfaatroute en een bouwsteen voor nucleotiden (in DNA en RNA) en co-enzymen zoals ATP, CoA, NAD, en FAD. | | Cytosol | Het vloeibare deel van het cytoplasma van een cel, waarin verschillende metabolische reacties, waaronder de pentosefosfaatroute, plaatsvinden. | | Hexosemonofosfaat-shunt | Een alternatieve naam voor de pentosefosfaatroute, die de belangrijke functie van deze route in de omzetting van hexosemonofosfaten benadrukt. | | Glucose 6-fosfaat dehydrogenase | Het enzym dat de eerste, snelheidsbepalende stap van de oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute katalyseert, waarbij glucose 6-fosfaat wordt geoxideerd tot 6-fosfogluconolacton en NADPH wordt geproduceerd. | | 6-fosfoglucono--lacton | Het product van de reactie gekatalyseerd door glucose 6-fosfaat dehydrogenase, dat vervolgens wordt gehydrolyseerd tot 6-fosfogluconaat. | | 6-fosfogluconaat | Een intermediair in de pentosefosfaatroute, gevormd uit de hydrolyse van 6-fosfoglucono--lacton. | | Ribulose 5-fosfaat | Een ketopentose die gevormd wordt na de decarboxylering van 6-fosfogluconaat in de pentosefosfaatroute; het kan isomeriseren tot ribose 5-fosfaat of epimeriseren tot xylulose 5-fosfaat. | | Ribose 5-fosfaat | Een aldopentose, de corresponderende isomeer van ribulose 5-fosfaat, die essentieel is voor de synthese van nucleïnezuren en andere belangrijke biomoleculen. | | Transketolase | Een enzym dat betrokken is bij de niet-oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute; het brengt twee-koolstofeenheden over van een ketose-donor naar een aldose-acceptor. | | Transaldolase | Een enzym dat betrokken is bij de niet-oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute; het katalyseert de reversibele overdracht van een drie-koolstofeenheid van een ketose-donor naar een aldose-acceptor. | | Fructose 6-fosfaat | Een intermediair in de glycolyse en ook een product van de niet-oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute, betrokken bij de conversie van pentosefosfaten. | | Glyceraldehyde 3-fosfaat | Een intermediair in de glycolyse en ook een product van de niet-oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute, betrokken bij de conversie van pentosefosfaten. | | Erytrocyten | Rode bloedcellen, die cruciaal zijn voor het transport van zuurstof en een hoge activiteit van de pentosefosfaatroute vertonen vanwege de noodzaak van NADPH voor glutathionreductie. | | Glutathion | Een tripeptide dat fungeert als een belangrijke antioxidant in de cel door schadelijke reactieve zuurstofspecies te neutraliseren; de gereduceerde vorm (GSH) is essentieel voor het handhaven van de cellulaire redoxbalans. | | G6PD deficiëntie | Een genetische aandoening veroorzaakt door een tekort aan glucose-6-fosfaatdehydrogenase, wat leidt tot verminderde NADPH-productie en verhoogde gevoeligheid voor oxidatieve stress, met name in erytrocyten. | | Hemolytische anemie | Een aandoening waarbij rode bloedcellen sneller worden afgebroken dan ze kunnen worden aangemaakt, vaak als gevolg van oxidatieve stress bij G6PD-deficiëntie. | | Favisme | Een syndroom dat wordt gekenmerkt door ernstige hemolytische anemie na consumptie van tuinbonen (fava beans), geassocieerd met G6PD-deficiëntie, vanwege de aanwezigheid van oxidatieve componenten in de bonen. |

# De pentosefosfaatroute: functies en reacties De pentosefosfaatroute (PPR), ook bekend als de fosfogluconaatweg of de hexosemonofosfaatsjunt, is een metabolische route die cruciaal is voor de productie van NADPH voor reductieve biosynthese en ribose-5-fosfaat voor de synthese van nucleïden en nucleïnezuren. ### 1.1 Primaire functies van de pentosefosfaatroute De PPR heeft twee hoofdfuncties: * **Productie van NADPH:** Dit co-enzym is essentieel voor reductieve biosynthetische reacties, zoals de synthese van vetzuren en steroïden. NADPH is de belangrijkste reducerende kracht in de cel voor anabole processen. In menselijke cellen is de PPR verantwoordelijk voor ongeveer zestig procent van de NADPH-productie. * **Productie van ribose-5-fosfaat:** Dit suikerfosfaat is een bouwsteen voor de synthese van nucleotiden, die op hun beurt worden gebruikt voor de aanmaak van ATP, co-enzym A (CoA), NAD, FAD, RNA en DNA. Een hoge vraag naar ribose-5-fosfaat is kenmerkend voor delende cellen. ### 1.2 Locatie en enzymen De enzymen van de pentosefosfaatroute zijn gelokaliseerd in het cytosol van de cel. ### 1.3 Structuur van de pentosefosfaatroute De PPR kan worden onderverdeeld in twee takken: de oxidatieve tak en de niet-oxidatieve tak. #### 1.3.1 De oxidatieve tak Deze tak is irreversibel en produceert NADPH en ribulose-5-fosfaat. 1. **Omzetting van glucose-6-fosfaat naar 6-fosfoglucono-δ-lacton:** * Enzym: Glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD). Dit is de snelheidsbepalende reactie van de PPR en is irreversibel. * Reactie: Glucose-6-fosfaat wordt geoxideerd met NADP+ als acceptor, waarbij NADPH en H+ worden gevormd. * Substraat: Glucose-6-fosfaat * Producten: 6-fosfoglucono-δ-lacton, NADPH en H+ 2. **Omzetting van 6-fosfoglucono-δ-lacton naar 6-fosfogluconaat:** * Enzym: 6-fosfogluconolactonase. * Reactie: De lactonring wordt gehydrolyseerd. * Substraat: 6-fosfoglucono-δ-lacton * Product: 6-fosfogluconaat 3. **Omzetting van 6-fosfogluconaat naar ribulose-5-fosfaat:** * Enzym: 6-fosfogluconaatdehydrogenase. * Reactie: Dit is een oxidatieve decarboxylering waarbij CO2 wordt afgesplitst en NADP+ opnieuw wordt gereduceerd tot NADPH. * Substraat: 6-fosfogluconaat * Producten: Ribulose-5-fosfaat, CO2, NADPH en H+ Samenvattend genereert de oxidatieve tak van de PPR twee moleculen NADPH per molecuul glucose-6-fosfaat dat de route ingaat. #### 1.3.2 De niet-oxidatieve tak Deze tak is reversibel en faciliteert de interconversie van suikers met 3, 4, 5, 6 en 7 koolstofatomen. Deze reacties zijn cruciaal voor de aanmaak van ribose-5-fosfaat en de integratie van de PPR met de glycolyse. * **Isomerisatie van ribulose-5-fosfaat naar ribose-5-fosfaat:** * Enzym: Fosfopentose-isomerase. * Reactie: Een ketose-aldose-isomerisatie. * Substraat: Ribulose-5-fosfaat * Product: Ribose-5-fosfaat * **Epimerisatie van ribulose-5-fosfaat naar xylulose-5-fosfaat:** * Enzym: Fosfopentose-epimerase. * Reactie: Een epimerisatie op koolstofatoom 4. * Substraat: Ribulose-5-fosfaat * Product: Xylulose-5-fosfaat * **Reacties van de niet-oxidatieve tak (met deelname van transketolase en transaldolase):** Deze reacties maken het mogelijk om pentosen te recycleren naar glycolytische intermediairen of om ribose-5-fosfaat te produceren als dat nodig is. * **Transketolasereactie 1:** * Enzym: Transketolase. * Reactie: Een 2-koolstofeenheid wordt overgedragen van een ketose-donor (xylulose-5-fosfaat) naar een aldose-acceptor. * Substraten: Xylulose-5-fosfaat en erythrose-4-fosfaat * Producten: Glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P) en sedoheptulose-7-fosfaat * **Transaldolasereactie:** * Enzym: Transaldolase. * Reactie: Een 3-koolstofeenheid wordt overgedragen van een ketose-donor (sedoheptulose-7-fosfaat) naar een aldose-acceptor (glyceraldehyde-3-fosfaat). * Substraten: Sedoheptulose-7-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat * Producten: Fructose-6-fosfaat en erythrose-4-fosfaat * **Transketolasereactie 2:** * Enzym: Transketolase. * Reactie: Een 2-koolstofeenheid wordt overgedragen van een ketose-donor (xylulose-5-fosfaat) naar een aldose-acceptor (erythrose-4-fosfaat). * Substraten: Xylulose-5-fosfaat en erythrose-4-fosfaat * Producten: Glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P) en fructose-6-fosfaat De netto-reactie van de niet-oxidatieve tak, waarbij pentosen worden omgezet in hexosen en triosen, kan worden samengevat als: $$ \text{Ribose-5-fosfaat} + 2 \text{ Xylulose-5-fosfaat} \rightleftharpoons 2 \text{ Fructose-6-fosfaat} + \text{ Glyceraldehyde-3-fosfaat} $$ Deze intermediairen (fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat) kunnen vervolgens de glycolyse binnenkomen. ### 1.4 De rol van de pentosefosfaatroute in biosynthese De PPR is essentieel voor de synthese van verschillende belangrijke biomoleculen: * **Vetzuursynthese:** NADPH is nodig als reducerend middel voor de synthese van vetzuren. Cellen met een hoge lipogenetische activiteit, zoals in lever en vetweefsel, hebben dan ook een actieve PPR. * **Synthese van aromatische aminozuren:** Erythrose-4-fosfaat, een intermediair uit de niet-oxidatieve tak, is een voorloper voor de synthese van aromatische aminozuren zoals tyrosine en fenylalanine. * **Nucleotiden- en nucleïnezurensynthese:** Ribose-5-fosfaat is direct nodig voor de aanmaak van DNA en RNA, evenals voor energierijke nucleotiden zoals ATP. ### 1.5 Regulatie van de pentosefosfaatroute De activiteit van de PPR wordt gereguleerd op basis van de behoeften van de cel aan NADPH en ribose-5-fosfaat. * **Afhankelijkheid van de celbehoefte:** * **Meer ribose-5-fosfaat nodig dan NADPH:** Wanneer de cel vooral ribose-5-fosfaat nodig heeft (bijvoorbeeld voor snelle celdeling), kan glucose-6-fosfaat via de PPR grotendeels worden omgezet in ribose-5-fosfaat. Een overmaat aan ribose-5-fosfaat wordt dan via de niet-oxidatieve tak omgezet in glycolytische intermediairen (fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat). De reacties van de niet-oxidatieve tak zijn reversibel, waardoor deze omzetting mogelijk is. * **Gelijke behoefte aan NADPH en ribose-5-fosfaat:** In deze situatie volgt glucose-6-fosfaat de PPR, waarbij de oxidatieve tak zowel NADPH produceert als ribose-5-fosfaat. $$ \text{Glucose-6-fosfaat} + 2\text{NADP}^+ + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ribose-5-fosfaat} + 2\text{NADPH} + 2\text{H}^+ + \text{CO}_2 $$ * **Meer NADPH nodig dan ribose-5-fosfaat:** Wanneer de cel veel NADPH nodig heeft (bijvoorbeeld voor vetzuursynthese), wordt glucose-6-fosfaat volledig via de oxidatieve tak omgezet naar ribulose-5-fosfaat (wat twee moleculen NADPH oplevert). De gevormde ribose-5-fosfaat wordt vervolgens via de niet-oxidatieve tak gerecycleerd naar fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. Deze intermediairen kunnen verder worden omgezet via de glycolyse tot pyruvaat, waarna ze via gluconeogenese terug kunnen worden gevormd tot glucose-6-fosfaat. Dit creëert een cyclus waarbij NADPH wordt geproduceerd zonder netto verbruik van glucose-6-fosfaat in termen van energieproductie, maar met een continue aanvoer van glucose-6-fosfaat als substraat voor de oxidatieve tak. * **Controlepunt:** De eerste reactie (katalysator: glucose-6-fosfaatdehydrogenase) is irreversibel en vormt het belangrijkste controlepunt van de route. ### 1.6 Fysiologische belang en pathologieën De activiteit van de PPR varieert per weefsel, afhankelijk van de metabolische behoeften: * **Hoge activiteit:** Lever, bijniercortex, testis, melkklieren, adiposecellen en erytrocyten. * Adiposecellen: Voor vetzuursynthese. * Erytrocyten: Essentieel voor de productie van gereduceerd glutathion, een belangrijke antioxidant die rode bloedcellen beschermt tegen oxidatieve schade. * **Lage activiteit:** Spiercellen, die primair gericht zijn op energieproductie (katabolisme) en minder op reductieve biosynthese. #### 1.6.1 Glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD) deficiëntie * **Erfelijkheid:** G6PD-deficiëntie is een X-chromosoomgebonden recessieve aandoening, waardoor het vaker voorkomt bij mannen. Vrouwen kunnen drager zijn of, door lyonisatie (inactivatie van één X-chromosoom), ook verschijnselen vertonen. * **Gevolg:** Een tekort aan G6PD leidt tot een verminderde productie van NADPH in erytrocyten. * **Gevoeligheid voor oxidatieve stress:** Erytrocyten zijn zonder mitochondriën niet in staat om alternatieve NADPH-producerende routes te benutten en zijn daardoor bijzonder kwetsbaar voor oxidatieve schade. * **Triggers:** Hemolytische anemie kan worden uitgelokt door blootstelling aan sterke oxidanten, zoals bepaalde medicijnen (bijvoorbeeld antimalariamiddelen zoals pamaquine) of consumptie van fava bonen (die vicine en divicine bevatten). * **Mechanisme van schade:** Zonder voldoende NADPH kan gereduceerd glutathion niet worden geregenereerd. Gereduceerd glutathion is noodzakelijk om reactieve zuurstofsoorten (ROS) te neutraliseren en hemoglobine in de gereduceerde Fe$^{2+}$ staat te houden. Oxidatieve schade aan hemoglobine leidt tot denaturatie en de vorming van Heinz-lichaampjes, wat resulteert in hemolyse. * **Malaria bescherming:** Opmerkelijk genoeg lijkt G6PD-deficiëntie een beschermend effect te bieden tegen *Plasmodium falciparum* malaria. De parasiet heeft NADPH en gereduceerd glutathion nodig voor zijn groei. Erytrocyten met een G6PD-deficiëntie zijn gevoeliger voor oxidatieve stress geïnduceerd door de parasiet, wat de groei van de malariaparasiet kan beperken. > **Tip:** Onthoud dat NADPH niet alleen in de PPR wordt geproduceerd, maar ook in andere routes. Echter, de PPR is de primaire bron voor NADPH in cellen die behoefte hebben aan reductieve kracht voor biosynthese en voor de bescherming tegen oxidatieve stress. > **Voorbeeld:** Een patiënt met G6PD-deficiëntie die een antimalariamiddel inneemt, kan ernstige hemolytische anemie ontwikkelen omdat het medicijn de erytrocyten onderhevig maakt aan oxidatieve schade, terwijl het lichaam door de G6PD-deficiëntie niet voldoende NADPH kan produceren om deze schade te beperken. --- # De rol van de pentosefosfaatroute in de biosynthese en bij specifieke celtypen De pentosefosfaatroute (PPR) is essentieel voor de productie van NADPH, een cruciale cofactor voor reductieve biosynthetische reacties, en levert ribose-5-fosfaat voor de synthese van nucleotiden en nucleïnezuren. ### 2.1 Overzicht van de pentosefosfaatroute De PPR, ook wel de fosfogluconaatweg of hexosemonofosfaat-shunt genoemd, vindt plaats in het cytosol en genereert NADPH, dat onmisbaar is voor anabole (opbouwende) processen. Een belangrijk intermediair is ribose-5-fosfaat, een bouwsteen voor moleculen als ATP, CoA, NAD, FAD, RNA en DNA. De route omvat de interconversie van suikers met 3, 4, 6 en 7 koolstofatomen, waarvan sommige de glykolytische route kunnen binnengaan via niet-oxidatieve reacties. #### 2.1.1 De oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute De oxidatieve tak van de PPR is verantwoordelijk voor de productie van NADPH. De eerste reactie wordt gekatalyseerd door glucose-6-fosfaatdehydrogenase, dat een veel hogere affiniteit heeft voor NADP$^+$ dan voor NAD. $$ \text{Glucose-6-fosfaat} + \text{NADP}^+ \rightarrow \text{6-fosfoglucono-}\delta\text{-lacton} + \text{NADPH} + \text{H}^+ $$ Het gevormde 6-fosfoglucono-$\delta$-lacton wordt vervolgens gehydrolyseerd tot 6-fosfogluconaat. De volgende stap is een decarboxyleringsreactie die ribulose-5-fosfaat genereert, waarbij nog een molecuul NADPH wordt geproduceerd. $$ \text{6-fosfogluconaat} + \text{NADP}^+ \rightarrow \text{Ribulose-5-fosfaat} + \text{NADPH} + \text{CO}_2 + \text{H}^+ $$ #### 2.1.2 De niet-oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute De niet-oxidatieve tak van de PPR is reversibel en maakt interconversie van pentoses mogelijk. Ribulose-5-fosfaat kan worden omgezet in ribose-5-fosfaat (een aldose) via een ketose-aldose-isomerisatie. $$ \text{Ribulose-5-fosfaat} \rightleftharpoons \text{Ribose-5-fosfaat} $$ Verder kunnen via reacties gekatalyseerd door transketolase en transaldolase, suikers worden omgezet en gerecycleerd, waardoor de pentosefosfaatroute gekoppeld wordt aan de glykolytische route. * **Transketolase reactie:** Een 2-koolstofeenheid wordt overgedragen van een ketose (donor) naar een aldose (acceptor). * **Transaldolase reactie:** Een 3-koolstofeenheid wordt overgedragen van een ketose naar een aldose. Deze reacties maken de omzetting van pentoses (zoals ribose-5-fosfaat en xylulose-5-fosfaat) naar hexoses (zoals fructose-6-fosfaat) en trioses (zoals glyceraldehyde-3-fosfaat) mogelijk. > **Tip:** De structuren van de intermediairen in de niet-oxidatieve tak hoeven niet gememoriseerd te worden, maar de functie en de principes van transketolase- en transaldolase-reacties moeten begrepen worden. Een voorbeeld van een netto reactie in de niet-oxidatieve tak is: $$ \text{Ribose-5-fosfaat} + 2 \times \text{Xylulose-5-fosfaat} \rightleftharpoons 2 \times \text{Fructose-6-fosfaat} + \text{Glyceraldehyde-3-fosfaat} $$ #### 2.1.3 Verband met biosynthese De PPR levert cruciale producten voor diverse biosynthetische processen: * **NADPH:** Noodzakelijk voor reductieve biosynthese, zoals de synthese van vetzuren en steroïden. De PPR is de belangrijkste bron van NADPH voor deze processen. * **Ribose-5-fosfaat:** Essentieel voor de synthese van nucleotiden en nucleïnezuren (DNA en RNA). * **Erythrose-4-fosfaat:** Een precursor voor de synthese van aromatische aminozuren (fenylalanine en tyrosine). #### 2.1.4 Regulatie van de pentosefosfaatroute De controle op de activiteit van de PPR hangt af van de cellulaire behoefte aan NADPH en ribose-5-fosfaat. * **Wanneer meer ribose-5-fosfaat nodig is dan NADPH:** Glucose-6-fosfaat wordt voornamelijk via de glykolytische weg omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat. De reversibele transketolase- en transaldolase-reacties kunnen dan deze intermediairen omzetten in een grotere hoeveelheid ribose-5-fosfaat. * **Wanneer de vraag naar ribose-5-fosfaat en NADPH gelijk is:** De netto reactie van de PPR is: $$ \text{Glucose-6-fosfaat} + 2 \text{NADP}^+ + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ribose-5-fosfaat} + 2 \text{NADPH} + \text{CO}_2 $$ * **Wanneer meer NADPH nodig is dan ribose-5-fosfaat:** De oxidatieve tak van de PPR produceert NADPH. Vervolgens kan ribose-5-fosfaat via de niet-oxidatieve tak worden omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat, die vervolgens worden gerecycleerd naar glucose-6-fosfaat via gluconeogenese. Alternatief kunnen deze intermediairen via de glykolytische route worden afgebroken tot pyruvaat, waarbij zowel NADPH als ATP wordt geproduceerd. > **Tip:** De eerste reactie van de oxidatieve tak (katalyseren door glucose-6-fosfaatdehydrogenase) is de snelheidsbepalende en irreversibele stap. ### 2.2 Activiteit van de pentosefosfaatroute in specifieke celtypen De activiteit van de PPR varieert aanzienlijk tussen verschillende weefsels, afhankelijk van hun metabole behoeften. * **Lever:** De levercellen (hepatocyten) hebben een hoge PPR-activiteit, omdat ze betrokken zijn bij de synthese van vetzuren en steroïden, waarvoor veel NADPH nodig is. * **Bijniercortex:** Deze cellen synthetiseren steroïdhormonen en vereisen daarom een hoge productie van NADPH via de PPR. * **Erytrocyten (rode bloedcellen):** Erytrocyten hebben een hoge PPR-activiteit nodig om NADPH te produceren. Dit NADPH is cruciaal voor het in stand houden van gereduceerd glutathion (GSH), een belangrijke antioxidant. GSH beschermt de cel tegen oxidatieve schade door reactieve zuurstofspecies (ROS) te neutraliseren. Zonder voldoende GSH kunnen de rode bloedcellen hun biconcave vorm niet behouden en worden ze gevoeliger voor hemolyse. Erytrocyten missen mitochondriën en kunnen daardoor geen alternatieve routes voor NADPH-productie benutten, wat ze bijzonder kwetsbaar maakt voor deficiënties in de PPR, zoals G6PD-deficiëntie. * **Adipocyten (vetcellen):** Vetweefsel is actief in de synthese van vetten en triacylglyceriden, wat een aanzienlijke hoeveelheid NADPH vereist. * **Melkklieren:** Tijdens lactatie is er een verhoogde behoefte aan NADPH voor de vetzuursynthese in melkvet. * **Testis:** De synthese van steroïdhormonen in de testis vereist NADPH. **Celtypen met lage PPR-activiteit:** * **Spiercellen:** Spiercellen zijn voornamelijk gericht op energieverbruik en katabole processen, en hebben doorgaans minder behoefte aan NADPH voor biosynthetische doeleinden in vergelijking met andere weefsels. ### 2.3 G6PD-deficiëntie Glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD) is het enzym dat de snelheidsbepalende reactie van de oxidatieve tak van de PPR katalyseert. Een deficiëntie in dit enzym is de meest voorkomende enzymdeficiëntie wereldwijd en is X-gebonden recessief. * **Gevolgen:** G6PD-deficiëntie leidt tot een verminderde productie van NADPH, wat de cellulaire antioxidantverdediging compromitteert, vooral in erytrocyten. * **Triggers:** Hemolytische anemie kan worden uitgelokt door blootstelling aan oxidatieve stressoren, zoals bepaalde medicijnen (bv. antimalariamiddelen zoals pamaquine) of consumptie van fava bonen (die oxidanten bevatten zoals vicine en divicine). Deze stoffen leiden tot overmatige vorming van ROS. * **Beschermingsmechanisme:** In erytrocyten moet NADPH glutathion reductase aansturen om glutathion te reduceren. Gereduceerd glutathion (GSH) is essentieel om cysteïneresidu's in hemoglobine en andere eiwitten in een gereduceerde toestand te houden en om ijzer in de Fe$^{2+}$ vorm te behouden. Zonder voldoende NADPH kan GSH niet worden geregenereerd, waardoor hemoglobine kan denatureren (wat leidt tot Heinz-lichaampjes) en erytrocyten vroegtijdig worden afgebroken (hemolyse). * **Bescherming tegen malaria:** Er is een hoge incidentie van G6PD-deficiëntie in gebieden waar malaria endemisch is. De deficiëntie lijkt bescherming te bieden tegen infectie met *Plasmodium falciparum*. De malariaparasiet heeft GSH en PPR-producten nodig voor optimale groei. In G6PD-deficiënte erytrocyten wordt de vorming van ROS door de parasiet minder effectief geneutraliseerd, wat de groei van de parasiet belemmert en de erytrocyten sneller doet afsterven. > **Voorbeeld:** Bij patiënten met G6PD-deficiëntie kan de inname van bepaalde medicijnen leiden tot ernstige hemolytische anemie, gekenmerkt door symptomen als zwarte urine, geelzucht en een daling van het hemoglobinegehalte. De erytrocyten, die geen kern hebben, kunnen geen nieuw enzym synthetiseren en zijn daardoor volledig afhankelijk van hun bestaande enzymactiviteit en de beschikbaarheid van NADPH. --- # Glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD) deficiëntie en de gevolgen Dit onderwerp behandelt de genetische deficiëntie van het glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD)-enzym, de rol van X-chromosomale overerving, en de klinische manifestaties zoals hemolytische anemie, specifiek bij blootstelling aan oxidanten. ### 3.1 De pentosefosfaatroute en G6PD De pentosefosfaatroute (PPR), ook bekend als de fosfogluconaatweg of hexosemonofosfaat-shunt, is een metabole route die plaatsvindt in het cytosol. Deze route is essentieel voor twee hoofddoelen: * De productie van NADPH, dat nodig is voor reductieve biosynthetische reacties (anabolisme). * De vorming van ribose-5-fosfaat, een intermediair voor de synthese van nucleotiden (en daarmee ATP, CoA, NAD, FAD, RNA en DNA). Daarnaast faciliteert de PPR de interconversie van suikers met drie, vier, zes en zeven koolstofatomen, die kunnen doorstromen naar de glycolyse. Deze interconversies verlopen via een niet-oxidatieve weg. #### 3.1.1 De oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute De oxidatieve tak van de PPR begint met glucose-6-fosfaat. Het sleutelenzym hierin is glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD), dat een significant hogere affiniteit heeft voor NADP$^+$ dan voor NAD. De eerste reactie in de oxidatieve tak is: $$ \text{Glucose-6-fosfaat} + \text{NADP}^+ \rightarrow 6\text{-fosfoglucono-}\delta\text{-lacton} + \text{NADPH} + \text{H}^+ $$ Dit is een snelheidsbepalende, irreversibele stap die de vorming van NADPH katalyseert. De gevormde 6-fosfoglucono-$\delta$-lacton wordt vervolgens omgezet in 6-fosfogluconaat. De reacties binnen de oxidatieve tak leiden tot de vorming van twee moleculen NADPH en één molecuul CO$_2$ per molecuul glucose-6-fosfaat dat de route ingaat. Het eindproduct van de oxidatieve tak is ribulose-5-fosfaat. #### 3.1.2 De niet-oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute Het gevormde ribulose-5-fosfaat kan isomeriseren tot ribose-5-fosfaat (een ketose-aldose isomerisatie). De niet-oxidatieve tak van de PPR omvat reacties gekatalyseerd door transketolase en transaldolase. Deze reacties maken het mogelijk om suikers van verschillende lengtes te interconverteren. * **Transketolase reactie:** Draagt twee koolstofatomen van een ketose-suiker over naar een aldose-suiker, waarbij een nieuwe ketose en een nieuwe aldose ontstaan. * **Transaldolase reactie:** Draagt drie koolstofatomen van een ketose-suiker over naar een aldose-suiker. Deze reacties zijn reversibel en kunnen pentoses omzetten in trioses en hexosen, zoals glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P) en fructose-6-fosfaat, die vervolgens kunnen instromen in de glycolyse. De algemene reactie voor de niet-oxidatieve tak, waarbij pentoses worden omgezet in glycolytische intermediairen, kan samengevat worden als: $$ \text{Ribose-5-fosfaat} + 2 \text{ xylulose-5-fosfaat} \rightleftharpoons 2 \text{ fructose-6-fosfaat} + \text{glyceraldehyde-3-fosfaat} $$ Hierbij is xylulose-5-fosfaat een epimeer van ribulose-5-fosfaat, gevormd door het enzym fosfopentose-epimerase. #### 3.1.3 Regulatie en functies van de pentosefosfaatroute De activiteit van de PPR is afhankelijk van de cellulaire behoefte aan NADPH en ribose-5-fosfaat. * **Meer ribose-5-fosfaat nodig dan NADPH:** De route kan zo worden gestuurd dat glucose-6-fosfaat wordt omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat (via de glycolyse), waarna via de niet-oxidatieve tak ribose-5-fosfaat wordt gevormd. * **Gelijke vraag naar ribose-5-fosfaat en NADPH:** De volledige PPR loopt van glucose-6-fosfaat naar ribose-5-fosfaat, waarbij NADPH wordt geproduceerd. $$ \text{Glucose-6-fosfaat} + 2\text{NADP}^+ + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{Ribose-5-fosfaat} + 2\text{NADPH} + \text{CO}_2 $$ * **Meer NADPH nodig dan ribose-5-fosfaat:** Dit kan op twee manieren worden bereikt: 1. De oxidatieve tak produceert NADPH, en het gevormde ribose-5-fosfaat wordt via de niet-oxidatieve tak omgezet in fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat, die vervolgens kunnen worden gerecycled naar glucose-6-fosfaat (via gluconeogenese) om opnieuw door de oxidatieve tak te lopen. 2. De oxidatieve tak produceert NADPH, en het gevormde ribose-5-fosfaat wordt via glycolytische intermediairen (fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat) omgezet in pyruvaat. Hierbij wordt zowel NADPH als ATP geproduceerd. De PPR is met name actief in weefsels waar reductieve biosynthese plaatsvindt, zoals de lever, melkklieren, testis, bijniercortex, en vetweefsel (adiposecellen) voor de synthese van vetzuren en steroïden. Ook in erytrocyten is de PPR zeer actief, cruciaal voor de productie van NADPH dat nodig is om gereduceerd glutathion te regenereren. In spiercellen is de PPR daarentegen laag actief, omdat deze cellen voornamelijk energie verbruiken (katabolisme). ### 3.2 Glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD) deficiëntie #### 3.2.1 Genetica en overerving G6PD-deficiëntie is een erfelijke aandoening die wordt veroorzaakt door mutaties in het gen dat codeert voor het G6PD-enzym. Dit gen is gelokaliseerd op het X-chromosoom, waardoor de aandoening X-chromosomaal recessief wordt overgeërfd. Dit betekent dat mannen, die slechts één X-chromosoom hebben, de aandoening gemakkelijker tot uiting zien komen dan vrouwen. Vrouwen kunnen echter ook symptomen vertonen door lyonisatie (X-inactivatie), waarbij willekeurig één van de twee X-chromosomen inactiverend wordt. Afhankelijk van welke X-chromosoom geïnactiveerd wordt, kan dit leiden tot een gemengde populatie cellen met functioneel G6PD en cellen met deficiënt G6PD. #### 3.2.2 Klinische manifestaties Het klinische beeld van G6PD-deficiëntie wordt voornamelijk gekenmerkt door hemolytische anemie, die optreedt bij blootstelling aan oxidatieve stress. De gevoeligheid voor deze stress wordt veroorzaakt door een verminderd vermogen van de rode bloedcellen (erytrocyten) om zichzelf te beschermen tegen oxidatieve schade. * **Rol van NADPH en glutathion:** In erytrocyten is de PPR de enige route voor de productie van NADPH. NADPH is essentieel voor het enzym glutathionreductase, dat gereduceerd glutathion (GSH) regenereert uit geoxideerd glutathion (GSSG). GSH fungeert als een belangrijke antioxidant door zijn sulfhydrylgroep (-SH). Het helpt de gereduceerde toestand van cysteïneresidu's in eiwitten, waaronder hemoglobine, te handhaven en ijzer in de ferro-toestand (Fe$^{2+}$) te houden. $$ 2\text{GSH} + \text{NADP}^+ \xrightarrow{\text{glutathionreductase}} \text{GSSG} + \text{NADPH} + \text{H}^+ $$ In de context van oxidatieve stress: $$ \text{GSSG} + \text{NADPH} + \text{H}^+ \rightarrow 2\text{GSH} + \text{NADP}^+ $$ * **Gevolgen van G6PD-deficiëntie:** Bij een tekort aan G6PD wordt er onvoldoende NADPH geproduceerd. Hierdoor kan glutathion niet effectief worden geregenereerd. Het gereduceerde glutathion raakt uitgeput, waardoor de erytrocyten minder beschermd zijn tegen oxidatieve schade. Dit kan leiden tot: * **Oxidatie van hemoglobine:** Hemoglobine kan oxideren, waardoor het denatureert en neerslaat als Heinz-lichaampjes in de erytrocyten. * **Denaturatie van erytrocytenmembranen:** Oxidatieve schade aan membraaneiwitten kan leiden tot vervorming en verhoogde fragiliteit van de erytrocyten. * **Hemolyse:** De erytrocyten worden door deze veranderingen door de milt herkend als beschadigd en worden versneld afgebroken (hemolyse), wat resulteert in hemolytische anemie. De patiënt kan symptomen ervaren zoals geelzucht en donkere urine door de afbraakproducten van hemoglobine. #### 3.2.3 Uitlokkende factoren De hemolytische crisis bij G6PD-deficiëntie wordt meestal uitgelokt door blootstelling aan: * **Oxidatieve medicijnen:** Historisch gezien werd de link ontdekt na de introductie van synthetische antimalaria medicijnen zoals pamaquine. Veel andere medicijnen, zoals bepaalde antibiotica (bv. sulfonamiden, nitrofurantoïne), aspirine in hoge doses, en sommige antihypertensiva, kunnen ook hemolyse induceren. * **Fava bonen (Broad beans):** De consumptie van fava bonen is een bekende uitlokker van hemolyse. Deze bonen bevatten verbindingen zoals vicine en divicine, die krachtige oxidanten zijn. De term "favisme" wordt soms gebruikt om de reactie op fava bonen aan te duiden, hoewel niet alle G6PD-deficiënte individuen hierop reageren. #### 3.2.4 Beschermend effect tegen malaria Opvallend is dat G6PD-deficiëntie in gebieden met een hoge prevalentie van malaria, zoals delen van Afrika en Azië, een relatief hoge incidentie kent. Dit suggereert een selectief voordeel. De deficiëntie lijkt bescherming te bieden tegen infectie met *Plasmodium falciparum*, de meest dodelijke malariaparasiet. Het mechanisme hierachter is tweeledig: 1. **Verminderde voedingsstoffen voor de parasiet:** *Plasmodium falciparum* heeft NADPH en producten van de pentosefosfaatroute nodig voor optimale groei binnen de erytrocyten. G6PD-deficiëntie beperkt de beschikbaarheid hiervan. 2. **Verhoogde gevoeligheid van erytrocyten:** G6PD-deficiënte erytrocyten zijn gevoeliger voor oxidatieve stress, inclusief die geïnduceerd door de parasiet zelf (bv. vorming van waterstofperoxide). Deze verhoogde gevoeligheid kan leiden tot snellere afbraak van geïnfecteerde erytrocyten, waardoor de parasietgroei wordt gehinderd. Het ontbreken van mitochondriën en eiwitsynthese-apparaten in volwassen erytrocyten betekent dat zij geen nieuw enzym kunnen aanmaken. Hierdoor zijn deze cellen bijzonder kwetsbaar voor G6PD-deficiëntie wanneer oxidatieve stress optreedt. Nieuw gevormde erytrocyten hebben doorgaans nog voldoende enzymactiviteit, waardoor patiënten zonder provocatie vaak symptoomloos zijn. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Pentosefosfaatroute | Een metabole route die plaatsvindt in het cytosol en die zich bezighoudt met de interconversie van suikers en de productie van NADPH en precursor moleculen zoals ribose-5-fosfaat. | | NADPH | Een gereduceerde co-enzymmolecuul die essentieel is voor veel reductieve biosynthetische reacties in de cel, en ook een rol speelt bij de bescherming tegen oxidatieve stress. | | Ribose-5-fosfaat | Een pentose suiker die een bouwsteen is voor nucleotiden, nucleïnezuren (RNA en DNA), en andere belangrijke biomoleculen zoals ATP en Co-enzym A. | | Oxidatieve tak | Het eerste deel van de pentosefosfaatroute dat bestaat uit irreversibele reacties, waaronder de productie van NADPH door de oxidatie van glucose-6-fosfaat. | | Niet-oxidatieve tak | Het tweede deel van de pentosefosfaatroute dat reversibele reacties omvat, zoals die gekatalyseerd worden door transketolase en transaldolase, die pentoses omzetten in glycolytische intermediairen. | | Transketolase | Een enzym dat een 2-koolstofeenheid overdraagt van een ketose-suiker naar een aldose-suiker tijdens de niet-oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute. | | Transaldolase | Een enzym dat een 3-koolstofeenheid overdraagt van een ketose-suiker (sedoheptulose-7-fosfaat) naar een aldose-suiker (erythrose-4-fosfaat) tijdens de niet-oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute. | | Glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD) | Het enzym dat de eerste stap van de oxidatieve tak van de pentosefosfaatroute katalyseert, waarbij glucose-6-fosfaat wordt geoxideerd tot 6-fosfogluconolacton en NADPH wordt geproduceerd. | | G6PD-deficiëntie | Een genetische aandoening die wordt veroorzaakt door een tekort aan het G6PD-enzym, wat leidt tot een verminderde productie van NADPH en een verhoogde gevoeligheid voor oxidatieve schade, vooral in rode bloedcellen. | | Hemolytische anemie | Een aandoening waarbij rode bloedcellen te snel worden afgebroken, vaak als gevolg van oxidatieve stress in G6PD-deficiënte individuen. | | Gereduceerd glutathion (GSH) | Een tripeptide dat functioneert als een belangrijke antioxidant in cellen, door vrije radicalen te neutraliseren en de gereduceerde toestand van eiwitten te handhaven, met de hulp van NADPH. | | Favisme | Een syndroom dat kan optreden bij individuen met G6PD-deficiëntie na consumptie van tuinbonen (fava bonen), veroorzaakt door de oxidanten vicine en divicine die de rode bloedcellen beschadigen. | | Erytrocyten | Rode bloedcellen, die een belangrijke rol spelen bij zuurstoftransport. Ze zijn bijzonder gevoelig voor G6PD-deficiëntie omdat ze geen mitochondriën hebben en geen alternatieve routes hebben voor NADPH-productie. |

# Energy sources in livestock rations Carbohydrates and lipids are the principal sources of energy in livestock diets, with protein also contributing some energy. ### 1.1 Primary energy sources * **Carbohydrates:** These are the most significant energy providers in livestock feed due to their abundance, ready availability, and high digestibility in most feedstuffs [2](#page=2). * **Lipids:** Fats and oils represent the second most important source of energy for livestock [2](#page=2). * **Protein:** While not a primary energy source, protein can also supply energy to livestock rations [2](#page=2). --- # Carbohydrate classification and composition Carbohydrates are fundamental organic compounds primarily composed of carbon (C), hydrogen (H), and oxygen (O), serving as major constituents within plant tissues. They are a diverse group of compounds that can be classified based on their molecular size and structure, ranging from simple sugars to complex polymers [3](#page=3) [4](#page=4). ### 2.1 Chemical composition and occurrence Carbohydrates are defined by their elemental makeup, consisting of carbon, hydrogen, and oxygen atoms. In plant tissues, they are particularly abundant, often constituting up to 70% or more of the dry matter, especially in forages. The specific ratio of hydrogen to oxygen is frequently 2:1, mirroring that of water, which is a characteristic seen in many simple sugars [3](#page=3). ### 2.2 Classification of carbohydrates Carbohydrates are systematically classified into several main categories based on the number of sugar units they contain: #### 2.2.1 Monosaccharides Monosaccharides are the simplest forms of carbohydrates, often referred to as simple sugars. They cannot be hydrolyzed into simpler units. The general formula for monosaccharides is often represented as $C_n H_{2n} O_n$. They are further categorized by the number of carbon atoms they possess [4](#page=4): * **Pentoses (5-carbon sugars):** These have the molecular formula $C_5 H_{10} O_5$. Common examples include [4](#page=4): * Arabinose [4](#page=4). * Xylose [4](#page=4). * Ribose [4](#page=4). * Occurrence: Found in corn cobs and wood. Ribose is a component of nucleic acids [4](#page=4). * **Hexoses (6-carbon sugars):** These have the molecular formula $C_6 H_{12} O_6$. Common examples include [4](#page=4): * Glucose [4](#page=4). * Fructose [4](#page=4). * Galactose [4](#page=4). * Mannose [4](#page=4). * Occurrence: Glucose and fructose are found in sugar cane. Glucose is also a primary component of starch [4](#page=4). #### 2.2.2 Disaccharides Disaccharides are formed when two monosaccharide units are linked together by a glycosidic bond, with the release of one molecule of water. Their general formula is $C_{12} H_{22} O_{11}$. Common disaccharides include [4](#page=4): * Sucrose (Glucose + Fructose) [4](#page=4). * Maltose (Glucose + Glucose) [4](#page=4). * Lactose (Glucose + Galactose) [4](#page=4). * Cellobiose (Glucose + Glucose) [4](#page=4). * Occurrence: Lactose is found in milk [4](#page=4). > **Tip:** Disaccharides are the simplest carbohydrates that can be hydrolyzed into their constituent monosaccharides. #### 2.2.3 Trisaccharides Trisaccharides are composed of three monosaccharide units linked together. Their general formula is $C_{18} H_{32} O_{16}$ [4](#page=4). * Raffinose (Glucose + Fructose + Galactose) [4](#page=4). #### 2.2.4 Polysaccharides Polysaccharides are complex carbohydrates formed by the polymerization of many monosaccharide units. They can be further classified based on the type of monosaccharide unit they contain and their structure: * **Pentosanes:** These are polysaccharides made up of pentose units (5-carbon sugars). Their general formula is $(C_5 H_8 O_4)_n$ [4](#page=4). * Araban [4](#page=4). * Xylan [4](#page=4). * Occurrence: Found in corn cobs and wood [4](#page=4). * **Hexosans:** These are polysaccharides made up of hexose units (6-carbon sugars). Their general formula is $(C_6 H_{10} O_5)_n$ [4](#page=4). * Starch [4](#page=4). * Dextrin [4](#page=4). * Cellulose [4](#page=4). * Glycogen [4](#page=4). * Occurrence: Starch is found in starchy plants. Cellulose is a primary component of the cell wall in plants and is found in fibrous plants. Glycogen is found in the liver and muscles [4](#page=4). * **Mixed polysaccharides:** These polysaccharides are composed of a mixture of pentose and hexose units, or they can be composed of pentoses and hexoses along with salts of complex acids [4](#page=4). * Hemicellulose [4](#page=4). * Pectin [4](#page=4). * Gums [4](#page=4). * Occurrence: Hemicellulose and pectin are found in fibrous plants. Gums, such as those from Acacia trees, are also included in this category. Pectin is also referred to as a type of polysaccharide [4](#page=4). ### 2.3 Carbohydrate compounds found in plants The document lists several specific carbohydrate compounds that are present in plants, categorized by their classification: * **Monosaccharides:** Glucose, fructose, galactose, mannose, arabinose, xylose [4](#page=4). * **Disaccharides:** Sucrose, maltose, lactose, cellobiose [4](#page=4). * **Trisaccharides:** Raffinose [4](#page=4). * **Polysaccharides:** Starch, dextrin, cellulose, glycogen, pentosanes (araban, xylan), hemicellulose, pectin, gums. Lignin is also mentioned as a carbohydrate compound found in plants, though not explicitly classified within the sugar unit structure [3](#page=3) [4](#page=4). > **Example:** Cellulose, a major structural component of plant cell walls, is a polysaccharide made up of repeating glucose units. Starch, a storage carbohydrate in plants, is also a polymer of glucose [4](#page=4). --- # Nutritional partitioning and functions of carbohydrates Carbohydrates are nutritionally partitioned into fibrous and readily available components, serving crucial roles in energy provision, regulation, and synthesis within the body [5](#page=5) [6](#page=6) [7](#page=7). ### 3.1 Partitioning of carbohydrates for nutritional purposes For nutritional assessment, carbohydrates are broadly categorized into two main fractions: crude fiber and nitrogen-free extract [5](#page=5) [6](#page=6). #### 3.1.1 Fibrous carbohydrates or crude fibre (CF) Crude fibre represents the insoluble portion of carbohydrates in feedstuffs. It primarily consists of [5](#page=5): * **Cellulose:** A fundamental structural component of plant cell walls [5](#page=5). * **Hemicelluloses:** A variable proportion of these polysaccharides are included in CF [5](#page=5). * **Lignin:** A significant amount of lignin is present, forming lignocelluloses [5](#page=5). #### 3.1.2 Readily available carbohydrates or nitrogen-free extract (NFE) Nitrogen-free extract encompasses the soluble and more digestible carbohydrate fractions, including: * **Starches:** The primary storage form of carbohydrates in plants [6](#page=6). * **Sugars:** All simple sugars are part of this fraction [6](#page=6). * **Cellulose:** A portion of cellulose, depending on its solubility and digestibility, can be classified under NFE [6](#page=6). * **Soluble minerals and vitamins:** These are also included in the NFE fraction [6](#page=6). ### 3.2 Functions of carbohydrates Carbohydrates perform several vital functions within the organism [7](#page=7) [8](#page=8) [9](#page=9). #### 3.2.1 Source of energy * The primary role of carbohydrates is to provide energy for basic life processes [7](#page=7). * They are an economical, common, and readily accessible energy source [7](#page=7). * The energy derived from carbohydrates is utilized for maintaining body temperature (heat production), performing physical activities (mechanical work), and for the storage of energy in the form of fat [7](#page=7). #### 3.2.2 Formation of body regulators * Metabolic byproducts of carbohydrates can act as catalysts or promoters of oxidation, aiding in the breakdown of various feed components [8](#page=8). #### 3.2.3 Synthesis of other compounds * Carbohydrates serve as precursors for the biological synthesis of other essential molecules in the body, including: * Fatty acids [8](#page=8). * Certain amino acids [8](#page=8). #### 3.2.4 Synthesis of structural materials * Fat derived from carbohydrate metabolism contributes to cellular growth and structure [9](#page=9). * Carbohydrates are integral to the structure of several biologically significant compounds: * Glycolipids [9](#page=9). * Glycoproteins [9](#page=9). * Heparin [9](#page=9). * Nucleic acids [9](#page=9). --- # Crude fiber in animal nutrition Crude fiber plays a multifaceted and crucial role in animal nutrition, contributing to digestive health, function, and energy provision [10](#page=10) [11](#page=11) [12](#page=12). ### 4.1 Roles of crude fiber in animal diets #### 4.1.1 Providing bulk and meeting dry matter requirements Crude fiber content is a significant determinant of the bulk of an animal's ration. This bulk is essential for ensuring that the animal meets its dry matter requirements, which is fundamental for overall nutritional intake and health [10](#page=10). #### 4.1.2 Preventing digestive disturbances A high crude fiber content helps prevent the formation of a dough-like mass within the stomach. Such a mass can resist the action of digestive juices, leading to significant digestive disturbances and related health issues [10](#page=10). #### 4.1.3 Increasing digesta surface area Crude fiber contributes to the formation of channels or spaces within the digesta mass. This structural alteration significantly increases the surface area of the digesta that is exposed to both microbial and enzymatic digestion. A larger exposed surface area enhances the efficiency of nutrient breakdown and absorption [11](#page=11). #### 4.1.4 Maintaining digestive tract function The presence of crude fiber is vital for providing normal distention of the digestive tract. This distention is a key factor for the most effective functioning of the tract. Regular peristaltic movements, the muscular contractions that propel food through the intestines, depend heavily on adequate internal distention provided by the digesta, including its fiber component. Furthermore, feeds high in crude fiber are recognized for their laxative effect, which facilitates the passage of fecal matter through the large intestine [11](#page=11) [12](#page=12). #### 4.1.5 Serving as an energy source through microbial fermentation Crude fiber, particularly cellulose, acts as an energy source for certain animal digestive systems, primarily through microbial fermentation [12](#page=12). * **Ruminants:** Rumen microorganisms are capable of breaking down cellulose to meet their own energy needs. This process yields volatile fatty acids (VFAs) and gases as byproducts [12](#page=12). * **Hindgut Fermenters:** Microbial digestion of cellulose also occurs in the cecum of animals like horses and rabbits, similarly producing VFAs and gases [12](#page=12). > **Tip:** While crude fiber is crucial, the optimal level varies significantly by species and physiological state. Understanding these differences is key to formulating balanced diets. > > **Example:** In ruminants, a certain level of forage (high in crude fiber) is essential for maintaining rumen health and function, whereas for monogastric animals like pigs, excessive crude fiber can dilute the energy density of the diet. --- # Carbohydrate digestion and fermentation in ruminants Carbohydrate digestion in ruminants relies heavily on microbial fermentation in the reticulo-rumen, a process that significantly differs from that in non-ruminants [17](#page=17). ### 5.1 Carbohydrate digestion in non-ruminants In simple-stomached animals (non-ruminants), carbohydrate digestion begins in the mouth with salivary amylase and continues in the small intestine with pancreatic amylase. Disaccharides like maltose, sucrose, and lactose are then broken down into monosaccharides by specific enzymes: maltase, sucrase, and lactase, respectively. Maltose yields glucose and glucose, sucrose yields glucose and fructose, and lactose yields glucose and galactose. The digestibility of starch is influenced by its source and the animal species [13](#page=13) [16](#page=16). ### 5.2 Carbohydrate digestion in ruminants The primary distinction in ruminant digestion is the extensive fermentative or microbial digestion occurring in the reticulo-rumen, where ingesta resides for an extended period. This environment, characterized by moisture, warmth, and a specific pH, is conducive to microbial survival and activity. Rumen microorganisms, comprising bacteria, fungi, and protozoa, play a crucial role in breaking down carbohydrates [17](#page=17) [19](#page=19) [20](#page=20). #### 5.2.1 Microbial fermentation of carbohydrates All plant carbohydrates, including fibrous components, are subjected to digestion by rumen microbes. Ruminants possess a superior ability to utilize fibrous carbohydrates compared to other herbivores like horses or rabbits, which rely more on microbial digestion in the cecum and large intestine [23](#page=23). ##### 5.2.1.1 End products of carbohydrate fermentation The fermentation of carbohydrates by rumen microbes yields two main categories of products: volatile fatty acids (VFAs) and gases [24](#page=24). **Volatile Fatty Acids (VFAs):** The major VFAs produced are: * Acetic acid: Constituting approximately 65% of the VFAs [24](#page=24). * Propionic acid: Making up 15-20% of the VFAs [24](#page=24). * Butyric acid: Comprising 10-15% of the VFAs [24](#page=24). * Isobutyric and valeric acids: Produced in small quantities [24](#page=24). The concentration of these primary VFAs in the rumen is influenced by several factors: * **Ration composition:** The ratio of roughages to concentrates [25](#page=25). * **Microbial population:** The types of organisms present [25](#page=25). * **Feed intake level:** The amount of food consumed [25](#page=25). * **Feeding frequency:** How often the animal is fed [25](#page=25). Mature fibrous forages tend to increase VFA production, with a higher proportion of acetic acid (around 70%). Conversely, increasing the concentrate proportion in the diet leads to a higher proportion of propionic acid [25](#page=25). **Gases:** Significant amounts of gases are also produced during rumen fermentation, primarily: * Carbon dioxide: Accounts for approximately 40% [24](#page=24) [28](#page=28). * Methane: Constitutes 30-40% [24](#page=24) [28](#page=28). * Hydrogen: Makes up about 5% [24](#page=24) [28](#page=28). Other gases like nitrogen, oxygen, and hydrogen sulfide can also be present [28](#page=28). > **Tip:** The production of methane is a significant concern in ruminant agriculture due to its contribution to greenhouse gas emissions. ##### 5.2.1.2 Absorption and utilization of volatile fatty acids (VFAs) VFAs produced in the rumen are absorbed directly from the rumen, reticulum, omasum, and the large intestine [26](#page=26). * **Acetic acid:** Absorbed acetic acid enters the systemic circulation and is distributed to various organs and tissues. It serves as a primary source of energy and is utilized for fatty acid synthesis. Mammary glands specifically use acetate for the synthesis of milk fatty acids. Each molecule of acetic acid yields approximately 10 ATP [26](#page=26). * **Propionic acid:** In the liver, propionic acid is converted into glucose. This process of gluconeogenesis from propionic acid is critical for ruminants to prevent ketosis, a metabolic disorder. Each molecule of propionic acid provides around 17 ATP [26](#page=26) [27](#page=27). * **Butyric acid:** This VFA is metabolized within the rumen wall and then enters the portal blood circulation as $\beta$-hydroxybutyric acid (BHBA). Each molecule of butyric acid yields approximately 25 ATP [27](#page=27). #### 5.2.2 Fate of gases The gases produced during fermentation are primarily expelled from the rumen through eructation, commonly known as belching. If gas accumulates and cannot be expelled, it leads to a serious condition called bloat [28](#page=28). --- # Factors affecting crude fiber digestion and carbohydrate metabolism This section examines the various factors influencing the microbial digestion of crude fiber and outlines the metabolic fate of absorbed carbohydrates [38](#page=38) [39](#page=39) [40](#page=40) [41](#page=41) [42](#page=42). ### 6.1 Factors affecting crude fiber digestion The ability of an animal to digest crude fiber is influenced by several key factors [38](#page=38): #### 6.1.1 Species * **Ruminants and herbivorous animals** possess a high capacity for crude fiber digestion, able to break down at least 50% of the crude fiber in most feeds [38](#page=38). * **Omnivorous animals** have a limited ability to digest complex polysaccharides [38](#page=38). #### 6.1.2 Age of animal * Young animals generally exhibit a greater capacity for cellulose digestion compared to adult animals [38](#page=38). #### 6.1.3 Nutritional habits of the animal * The digestibility of crude fiber increases with the duration for which crude fiber has been a consistent component of the diet [39](#page=39). * This suggests the development of a specialized microflora within the digestive tract that is capable of breaking down cellulose and hemicellulose due to the sustained ingestion of these materials [39](#page=39). #### 6.1.4 Nutrient makeup of the diet * **Easily digestible carbohydrates:** The addition of readily digestible carbohydrates, such as starch, cane sugar, or molasses, to the diet of cattle can decrease the digestibility of fiber [40](#page=40). * **Protein-rich feeds:** Conversely, feeds high in protein tend to promote the microbiological breakdown of fiber [40](#page=40). * **Microflora composition:** The digestive tract microflora comprises various species, which explains the differential effects of diet composition [40](#page=40). * **Deficiencies:** Diets lacking essential minerals, vitamins, or nitrogen can lead to a reduction in the growth and multiplication of cellulose-splitting bacteria, thereby impairing cellulose digestion [40](#page=40). #### 6.1.5 Nature of fibre * **Maturity of plants:** The complex polysaccharides found in mature plants are less digestible than those in young, actively growing plants [41](#page=41). * **Forage type:** Crude fiber in growing pasture grass is more digestible than that found in hay [41](#page=41). * **Harvesting time:** Hay cut early in the growing season is more digestible than hay harvested during late bloom or seed formation stages [41](#page=41). ### 6.2 Carbohydrate metabolism Following absorption, carbohydrates primarily in the form of glucose, galactose, and fructose, undergo metabolism through three main pathways [42](#page=42): 1. **Energy source:** They serve as an intermediate source of energy for the body's metabolic processes [42](#page=42). 2. **Glycogen synthesis:** They are utilized as precursors for the synthesis of glycogen, which is stored in the liver and muscles [42](#page=42). 3. **Triglyceride synthesis:** They can also be converted into triglycerides, a form of stored fat [42](#page=42). --- # Bloat in cattle and sheep Bloat is a significant gastrointestinal issue in ruminants characterized by the excessive accumulation of gases within the rumen, hindering normal eructation [43](#page=43). ### 7.1 Definition and cause Bloat is defined as a problem of gas accumulation in the rumen of cattle and sheep. This condition most commonly arises when these animals graze on pastures rich in legumes such as alfalfa or clover. The fundamental cause is the formation of stable foam and excessive frothing during rumen fermentation, which obstructs the animal's ability to eliminate gases through belching (eructation) [43](#page=43). Several factors contribute to this foam formation: * Soluble proteins present in fresh legumes [44](#page=44). * Saponins, which are naturally occurring compounds found in some plants [44](#page=44). * Salivary mucoproteins, components of the animal's saliva [44](#page=44). * Specific slime-producing bacteria within the rumen environment [44](#page=44). Bloat can also be induced by: * Cattle grazing on young, lush legumes [44](#page=44). * Feeding large quantities of concentrates [44](#page=44). > **Tip:** Understanding the role of dietary components and rumen microbes is crucial for comprehending bloat pathogenesis. ### 7.2 Symptoms The primary symptom of bloat is a noticeable inflation and swelling of the rumen, typically observed on the animal's left flank. This distention occurs when gases accumulate in the rumen in excessive amounts, or when the animal's capacity to expel these gases is compromised [45](#page=45). ### 7.3 Prevention and control Management strategies for bloat focus on preventing gas accumulation and foam formation: * **Antifoaming agents:** The administration of antifoaming agents, such as mineral oils, has proven effective in preventing bloat [45](#page=45). * **Pasture management:** Spraying pastures with an antifoaming agent before grazing has also been utilized as a control measure [45](#page=45). * **Antibiotics:** Certain antibiotics can aid in controlling bloat, likely by modulating the rumen microbial population involved in fermentation and foam production [45](#page=45). > **Example:** Administering a drench of mineral oil to cattle before they are turned onto a high-risk legume pasture can help reduce the incidence of bloat by breaking down the foam in the rumen. --- ## Common mistakes to avoid - Review all topics thoroughly before exams - Pay attention to formulas and key definitions - Practice with examples provided in each section - Don't memorize without understanding the underlying concepts

| Term | Definition | |------|------------| | Carbohydrates | Organic compounds primarily composed of carbon, hydrogen, and oxygen, serving as essential energy sources in livestock diets and major components of plant tissues. | | Lipids | Fats and oils that are a secondary source of energy in livestock rations, contributing to energy supply but are generally less abundant and digestible than carbohydrates. | | Protein | A nutrient that can be utilized for energy, though its primary role is in building and repairing tissues; it contributes to the energy content of livestock rations. | | Monosaccharides | Simple sugars with the general formula $C_nH_{2n}O_n$, such as pentoses (5-carbon sugars like arabinose, xylose) and hexoses (6-carbon sugars like glucose, fructose). | | Disaccharides | Sugars formed from the combination of two monosaccharide units, including sucrose, maltose, and lactose, which are broken down into simple sugars during digestion. | | Polysaccharides | Complex carbohydrates made up of many monosaccharide units linked together, such as starch, cellulose, hemicellulose, and glycogen, serving as energy storage or structural components. | | Starch | A principal reserve carbohydrate in plants, composed of glucose units, which is readily digestible and a significant source of energy for livestock. | | Cellulose | A structural polysaccharide forming the plant cell wall, classified as a fibrous carbohydrate, which can be digested by microbial fermentation in the rumen and cecum. | | Hemicellulose | A component of plant cell walls, often found alongside cellulose, that is a fibrous carbohydrate and can be partially digested by microbial action. | | Lignin | A complex phenolic polymer found in plant cell walls, forming lignocelluloses with cellulose and hemicellulose; it is largely indigestible by most animals. | | Crude fibre (CF) | The insoluble portion of carbohydrates in feeds, primarily consisting of cellulose, a variable proportion of hemicelluloses, and a high proportion of lignin, playing a crucial role in digestive tract function. | | Nitrogen-free extract (NFE) | Readily available carbohydrates that include all starches and sugars, and a large part of cellulose, representing the more digestible carbohydrate fraction in feeds. | | Volatile fatty acids (VFA) | Short-chain fatty acids such as acetic acid, propionic acid, and butyric acid, produced by microbial fermentation of carbohydrates in the rumen; they are the primary energy source for ruminant animals. | | Acetic acid | A major volatile fatty acid produced during rumen fermentation (approx. 65%), absorbed and used systemically as an energy source and by mammary glands for milk fat synthesis. | | Propionic acid | A volatile fatty acid produced during rumen fermentation (15-20%), which is converted to glucose in the liver, crucial for preventing ketosis in ruminants. | | Butyric acid | A volatile fatty acid produced during rumen fermentation (10-15%), which is converted to B-hydroxy butyric acid in the rumen wall and absorbed as an energy source. | | Rumen | The largest compartment of the ruminant stomach, characterized by microbial fermentation of ingested feed, where most carbohydrate digestion occurs before enzymatic digestion. | | Microbial digestion | The breakdown of feed components, particularly carbohydrates, by microorganisms (bacteria, protozoa, fungi) residing in the digestive tract, especially prominent in ruminants and hindgut fermenters. | | Bloat | A serious condition in ruminants characterized by the accumulation of gases in the rumen, often caused by excessive frothing and stable foam formation that prevents normal gas elimination by belching. | | Eructation | The act of belching or expelling gas from the stomach, which is the normal process for eliminating gases produced during rumen fermentation. |

# Propriétés chimiques liées aux fonctions du carbone alpha et de la chaîne latérale Ce sujet explore les propriétés chimiques fondamentales des acides aminés, qu'elles découlent de leurs fonctions sur le carbone alpha ou de la nature de leur chaîne latérale, ainsi que leurs dérivés. ### 1.1 Les acides aminés : structure et propriétés générales #### 1.1.1 Définition et structure Les acides aminés (AA) sont des molécules organiques caractérisées par la présence simultanée de deux fonctions: une fonction amine (–NH₂) et une fonction carboxylique (–COOH). Ces fonctions sont généralement attachées au même atome de carbone, appelé carbone alpha (Cα). Quatre éléments sont liés au Cα: la fonction amine, la fonction carboxylique, un atome d'hydrogène (H), et un groupement organique radicalaire (R) qui distingue chaque acide aminé [12](#page=12). Il existe plus de 300 acides aminés découverts, mais seulement 20 sont standards et codés par l'ADN pour être incorporés dans les protéines lors de la traduction de l'ARNm. Les autres sont présents à l'état libre et ne sont pas protéinogènes [12](#page=12). Les 20 acides aminés communs se répartissent en : * **Acides aminés indispensables ou essentiels**: Le corps ne peut pas les synthétiser et ils doivent être apportés par l'alimentation (valine, leucine, isoleucine, méthionine, thréonine, lysine, phénylalanine, tryptophane) [13](#page=13) [8](#page=8). * **Acides aminés non indispensables**: L'organisme peut les produire à partir d'intermédiaires métaboliques [12](#page=12) [13](#page=13). #### 1.1.2 Rôles des acides aminés Les acides aminés possèdent des rôles multiples : * **Structurels**: Ils sont les monomères constitutifs des protéines [13](#page=13). * **Énergétiques**: Ils peuvent servir de substrats énergétiques, tout comme le glucose ou les acides gras [13](#page=13). * **Métaboliques**: Ils sont des précurseurs de molécules biologiques importantes, comme les hormones thyroïdiennes à partir de la tyrosine [13](#page=13). #### 1.1.3 Classification des acides aminés Les acides aminés sont classifiés selon deux critères principaux : 1. **La structure de la chaîne latérale R** [15](#page=15). 2. **La polarité de la chaîne latérale R** [15](#page=15). ##### 1.1.3.1 Classification selon la structure de la chaîne latérale R Cette classification regroupe les acides aminés en sept groupes [15](#page=15) [17](#page=17) [19](#page=19) [21](#page=21): * **Groupe 1: Acides aminés aliphatiques** [17](#page=17). * **Linéaires**: Glycine (R=H, le plus petit, unique AA sans C asymétrique, confère flexibilité) Alanine (R=CH₃) [18](#page=18) [19](#page=19). * **Ramifiés**: Valine, Leucine, Isoleucine [21](#page=21). * **Groupe 2: Acides aminés hydroxylés** [22](#page=22). * Sérine (R= alcool primaire) [22](#page=22). * Thréonine (R= alcool secondaire) [22](#page=22). Leur groupement hydroxyle peut former des liaisons hydrogène, jouer un rôle dans la catalyse enzymatique et servir de sites privilégiés pour les modifications post-traductionnelles comme la phosphorylation, régulant ainsi l'activité protéique [23](#page=23). * **Groupe 3: Acides aminés soufrés** [25](#page=25). * Cystéine (R= groupement thiol –SH très réactif). Le groupement thiol est impliqué dans la catalyse enzymatique et la formation de ponts disulfure (cystine) entre deux résidus cystéine, stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines [25](#page=25) [26](#page=26) [27](#page=27) . * Méthionine (R= groupement thioéther). Sous forme activée (S-adénosylméthionine), elle est un donneur de groupement méthyle et est impliquée dans l'initiation de la synthèse protéique [29](#page=29) . * **Groupe 4: Acides aminés dicarboxyliques et leurs amides** [31](#page=31) [33](#page=33). * Acide aspartique (R= groupement β-carboxyle). C'est le plus acide des AA, donneur de –NH₂ pour la synthèse de l'urée et des acides nucléiques, et impliqué dans les réactions de transamination [31](#page=31). * Acide glutamique (R= groupement γ-carboxyle). Également important dans les réactions de transamination [32](#page=32). * Asparagine (Asn) et Glutamine (Gln): Ce sont les amides correspondants, où –OH du carboxyle est remplacé par –NH₂. Ils sont impliqués dans le transport et la mise en réserve de l'azote [33](#page=33). * **Groupe 5: Acides aminés dibasiques** [34](#page=34) . * Lysine (R= groupement ε-amino). Son hydroxylation post-traductionnelle donne la 5-hydroxylysine, présente dans le collagène et stabilisant ses structures par liaisons hydrogène supplémentaires [34](#page=34) . * Histidine (R= groupement imidazole). Indispensable pendant la croissance . * Arginine (R= groupement guanidine). Le plus basique des AA, précurseur de l'urée . * **Groupe 6: Acides aminés aromatiques** . * Phénylalanine (R= groupement phényle). Indispensable. Son hydroxylation donne la tyrosine . * Tyrosine (R= groupement phénol). Dérive de la phénylalanine. Un déficit en phénylalanine hydroxylase cause la phénylcétonurie. La tyrosine est précurseur des hormones thyroïdiennes et des catécholamines (dopamine, adrénaline) . * Tryptophane (R= groupement indole). Indispensable. Possède un noyau aromatique bicyclique . * **Groupe 7: Iminoacide** . * Proline (R= chaîne latérale cyclique incluant le Cα et l'azote de la fonction amine). Le groupement α-amino est engagé dans une structure cyclique, formant une amine secondaire (imine). Son hydroxylation post-traductionnelle donne l'hydroxyproline, présente dans le collagène . ##### 1.1.3.2 Classification selon la polarité de la chaîne latérale R Les acides aminés sont regroupés en trois catégories principales en fonction de la polarité de leur chaîne latérale R : * **R non-polaire ou hydrophobe** (9 AA) : * Aliphatiques: Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine, Proline . * Soufré: Méthionine . * Aromatiques: Phénylalanine, Tryptophane . Ces chaînes sont insolubles ou très peu solubles dans l'eau . * **R polaire non ionisable** (6 AA) : * Sérine, Thréonine, Tyrosine (fonctions alcool) . * Cystéine (fonction thiol) . * Asparagine, Glutamine (fonctions amide) . Ces chaînes peuvent former des liaisons hydrogène avec l'eau (sauf la glycine) . * **R polaire ionisable** (5 AA) : * **Acides aminés acides**: Acide aspartique, Acide glutamique (portent une charge négative à pH physiologique) . * **Acides aminés basiques**: Lysine, Arginine, Histidine (portent une charge positive à pH physiologique) . ### 1.2 Propriétés chimiques des acides aminés Les propriétés chimiques des acides aminés sont diverses et découlent de la présence de leurs fonctions sur le carbone alpha ainsi que de la nature de leur chaîne latérale R . #### 1.2.1 Propriétés physiques * **Solubilité** : * Dans l'eau: Elle dépend de la nature du radical R (taille, charge, polarité), du pH de la solution et de la concentration des ions. Généralement solubles dans l'eau, leur solubilité diminue avec l'augmentation de la taille du radical R et augmente avec la présence de groupes polaires (NH₂, COOH, OH) dans R. La variabilité de solubilité permet leur séparation par techniques chromatographiques . * Dans les solvants organiques: Solubilité variable et faible . * **Séries D et L**: Le carbone alpha est un carbone asymétrique (C*) chez tous les acides aminés sauf la glycine. Cela implique l'existence de deux énantiomères: D et L. Tous les acides aminés naturels appartiennent à la série L . * **Propriétés optiques** : * **Pouvoir rotatoire**: Les énantiomères D et L dévient le plan de polarisation de la lumière polarisée dans des directions opposées (dextrogyre (+) et lévogyre (-)). La plupart des AA naturels sont lévogyres (-) . * **Absorption de la lumière ultra-violette**: Les acides aminés aromatiques (Tyrosine, Tryptophane, Phénylalanine) absorbent dans l'UV entre 260 et 280 nm grâce à leur noyau aromatique. Cette propriété est utile pour le dosage des peptides et protéines par spectrophotométrie . #### 1.2.2 Propriétés ioniques : Caractère amphotère et zwitterion Les acides aminés sont **amphotères**, c'est-à-dire qu'ils peuvent agir comme un acide (par leur fonction COOH) et comme une base (par leur fonction NH₂). En milieu aqueux neutre, ils existent sous forme d'**ion mixte dipolaire** ou **zwitterion**, où la fonction carboxylique est déprotonée (-COO⁻) et la fonction amine est protonée (-NH₃⁺) . ##### 1.2.2.1 Dissociation des protons et pK Au fur et à mesure que le pH passe d'acide à alcalin, un acide aminé perd successivement deux protons : * **pK₁ (ou K₁) :** Entre pH 2 et 3, correspond à la dissociation de la fonction –COOH. * **pK₂ (ou K₂) :** Entre pH 9 et 10, correspond à l'ionisation de la fonction –NH₂. Le pK d'une fonction est le pH auquel 50% de cette fonction est dissociée . ##### 1.2.2.2 Point isoélectrique (pHi) Le **point isoélectrique (pHi)**, ou **pH isoélectrique**, est le pH du milieu pour lequel la charge globale de l'acide aminé est nulle (somme des charges positives égale à la somme des charges négatives). Il est calculé comme la moyenne des deux pK: $pHi = \frac{1}{2} (pK_1 + pK_2)$. Le pHi est caractéristique de chaque acide α-aminé . * Si $pH = pHi$, la charge de l'AA est nulle . * Si $pH < pHi$, l'AA est chargé positivement et migre vers la cathode . * Si $pH > pHi$, l'AA est chargé négativement et migre vers l'anode . L'électrophorèse utilise cette propriété pour séparer les AA ou les protéines d'un mélange . #### 1.2.3 Propriétés liées à la fonction carboxyle (COOH) du carbone α * **Décarboxylation**: Les décarboxylases éliminent le groupe carboxyle sous forme de CO₂, formant une amine. Ces amines formées ont souvent une activité physiologique importante (ex: décarboxylation de l'histidine donne l'histamine) . * **Amidation**: Formation d'amides par réaction avec une fonction amine, base de la liaison peptidique . * **Estérification**: Réaction avec un alcool en présence d'un acide fort (estérification de Fischer) . #### 1.2.4 Propriétés liées à la fonction amine (NH₂) du carbone α * **Désamination oxydative**: Catalysée par une déshydrogénase, transforme un acide aminé en acide α-cétonique correspondant, nécessitant des coenzymes d'oxydo-réduction (NAD ou NADP) et passant par un intermédiaire acide α-iminé. Les acides α-cétoniques sont des sources d'énergie et peuvent être convertis en d'autres biomolécules essentielles . * **Transamination**: Transfert réversible de la fonction amine entre un acide aminé et un acide α-cétonique, catalysé par des transaminases ou amino-transférases nécessitant le phosphate de pyridoxal (coenzyme). Ces réactions sont impliquées dans la synthèse et la dégradation des acides aminés . * **Réactions avec les aldéhydes**: La réaction avec un aldéhyde aromatique forme une Base de Schiff, souvent un intermédiaire dans des réactions enzymatiques . #### 1.2.5 Propriétés liées à la présence simultanée en carbone α des fonctions « COOH » et « NH₂ » * **Réaction avec la Ninhydrine**: Réaction colorée (pourpre de Ruhemann, violet) permettant la détection de la présence d'acides aminés, sauf pour la proline et l'hydroxyproline qui donnent une couleur jaune. L'acide aminé est complètement dégradé par désamination et décarboxylation lors de cette réaction . #### 1.2.6 Propriétés chimiques liées aux chaînes latérales R * **Groupement carboxyle de R**: Les AA acides (aspartate, glutamate) peuvent être transformés en amides (asparagine, glutamine) par fixation de NH₃ sur le COOH de la chaîne latérale . * **Groupement hydroxyle de R** : * **Phosphorylation**: Phosphorylation réversible des protéines jouant un rôle majeur dans la régulation de leur activité . * **O-glycosylation**: Le groupement hydroxyle de la sérine et de la thréonine est un point de branchement pour l'O-glycosylation des protéines . * **Groupement thiol (SH) de la cystéine** : * **Oxydo-réduction**: Les groupements thiols de deux molécules de cystéine s'oxydent facilement pour former un pont disulfure, donnant la cystine. Ces ponts disulfures établissent des liaisons covalentes intra et interchaînes, stabilisant la structure tridimensionnelle des protéines . ### 1.3 Dérivés des acides aminés #### 1.3.1 La créatine et la créatinine * **Créatine**: Association de trois AA (glycine, arginine, méthionine), synthétisée dans le foie et transportée vers les muscles où elle sert de réserve d'énergie sous forme de phosphocréatine . * **Créatinine**: Dérive de la créatine par déshydratation interne et cyclisation. C'est un déchet métabolique éliminé dans les urines; sa concentration sanguine reflète la fonction rénale . #### 1.3.2 Les catécholamines et analogues Dérivent de la phénylalanine et de la tyrosine . * **Dopamine**: Neurotransmetteur . * **Noradrénaline**: Neurotransmetteur . * **Adrénaline**: Hormone de réponse au stress . * **Tyramine**: Provient de la décarboxylation de la tyrosine, a une action vasoconstrictrice mimant les effets de l'adrénaline . * **Tryptamine**: Provient de la décarboxylation du tryptophane, est un puissant vasoconstricteur . * **Sérotonine**: Intervient dans les mécanismes nerveux du sommeil et est libérée lors des processus inflammatoires . #### 1.3.3 La S-Adénosyl-Méthionine (SAM) Coenzyme donneur de radicaux méthyl pour la plupart des transméthylases, jouant un rôle crucial dans les réactions de méthylation, comme la synthèse de la créatine . #### 1.3.4 Les iodotyrosines Dérivés iodés de la tyrosine, précurseurs des hormones thyroïdiennes . #### 1.3.5 L'urée Forme d'élimination de l'ammoniac toxique issu de la dégradation des acides aminés. Elle est formée dans le foie et éliminée par les urines . ### 1.4 Méthodes d'identification et de dosage des acides aminés #### 1.4.1 Méthodes d'identification (qualitatives) Ces méthodes visent à reconnaître quels acides aminés sont présents dans un échantillon . * **Électrophorèse**: Technique de séparation basée sur la migration de molécules chargées sous l'effet d'un courant électrique, exploitant les différents pH isoélectriques des AA. Les AA chargés positivement migrent vers la cathode, et les chargés négativement vers l'anode. La révélation se fait par réaction colorimétrique (ninhydrine) . * **Chromatographie**: Méthode d'analyse physico-chimique qui sépare les constituants d'un mélange par entraînement le long d'une phase stationnaire par une phase mobile. Les facteurs de séparation incluent la polarité, la taille, la solubilité et la charge électrique . * **Chromatographie sur Papier** . * **Chromatographie sur Couche Mince (CCM)**: Après élution, révélation par la ninhydrine. Le rapport frontal (Rf = h/H) est caractéristique de chaque AA . * **Chromatographie Échangeuse d'Ions**: Basée sur les charges électriques des composés à un pH donné. Une résine échangeuse de cations est généralement utilisée pour séparer les AA . #### 1.4.2 Méthodes de dosage (quantitatives) Ces méthodes servent à mesurer la quantité d'acides aminés dans un échantillon : * **Méthodes photométriques**: Pour les acides aminés aromatiques qui absorbent dans l'UV . * **Méthodes colorimétriques**: Après réaction colorée, notamment avec la ninhydrine . ### 1.5 Détermination de la structure d'un peptide #### 1.5.1 Définition et nomenclature des peptides Un peptide est une molécule formée par l'enchaînement d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques (liaison amide). La liaison peptidique se forme entre la fonction –COOH du premier AA et la fonction –NH₂ du second, avec élimination d'eau. Les AA engagés dans deux liaisons peptidiques sont appelés résidus aminoacyle, et leur nom est modifié avec le suffixe "-yl" (ex: alanyl, aspartyl). Le résidu C-terminal conserve son identité d'AA . * **Dipeptide**: 2 AA . * **Tripeptide**: 3 AA . * **Oligopeptide**: Moins de 10 AA . * **Polypeptide**: Entre 50 et 100 AA (ex: Insuline, 51 AA) . * **Protéine**: Plus de 100 AA . Les peptides ont un intérêt biologique comme hormones (insuline, vasopressine), neurotransmetteurs, ou antibiotiques . #### 1.5.2 Détermination de la composition en AA Il faut d'abord éliminer les ponts disulfure (oxydation ou réduction). Ensuite, le peptide est hydrolysé en acides aminés individuels par hydrolyse acide (HCl 6 mol.L⁻¹, 18-24h à 110°C) . * **Problèmes**: Le tryptophane est détruit par hydrolyse acide. Une hydrolyse alcaline (NaOH à 100°C pendant 4-8h) est nécessaire pour le détecter . Les AA séparés sont ensuite identifiés et quantifiés par chromatographie échangeuse d'ions et détection par ninhydrine . #### 1.5.3 Détermination de la séquence des AA Cela consiste à déterminer l'ordre d'enchaînement des AA. Les étapes incluent : * **Détermination de l'AA N-terminal** : * **Méthode de Sanger**: Utilise le 1-fluoro-2,4-dinitrobenzène (DNFB) pour marquer le N-terminal. Après hydrolyse acide, le DNP-AA est identifié par chromatographie . * **Méthode au chlorure de Dansyl**: Similaire à Sanger mais le Dansyl-AA libéré est fluorescent, rendant la méthode plus sensible . * **Méthode d'Edman**: Utilise le phénylisothiocyanate (PITC) qui se lie à l'amine N-terminale, formant un phénylthiocarbamyl-peptide (PTC-peptide). Une hydrolyse en milieu acide faible libère la phénylthiohydantoïne (PTH-AA₁) et un peptide raccourci d'un AA (n-1). Ce procédé est automatisable et permet de séquencer jusqu'à 50 acides aminés . * **Détermination de l'AA C-terminal** : Non détaillé dans les pages fournies. * **Fragmentation des peptides**: Permet d'analyser de plus grands peptides en les coupant en fragments plus petits, dont la séquence est ensuite déterminée . --- Ce chapitre explore les propriétés chimiques fondamentales des acides aminés et des protéines, en se concentrant sur les fonctions du carbone alpha et des chaînes latérales, ainsi que sur les propriétés physico-chimiques globales des protéines. ### 1.1 Fonctions du carbone alpha et de la chaîne latérale Le carbone alpha (Cα) est le carbone central de chaque acide aminé. Il est lié à quatre groupes distincts : * Un groupement amine ($\text{-NH}_2$) . * Un groupement carboxyle ($\text{-COOH}$) . * Un atome d'hydrogène . * Une chaîne latérale ($\text{R}$), qui est spécifique à chaque acide aminé . La nature de la chaîne latérale ($\text{R}$) détermine la classification et les propriétés chimiques spécifiques de chaque acide aminé. Les chaînes latérales peuvent être aliphatiques, aromatiques, polaires, chargées positivement (basiques) ou chargées négativement (acides) . #### 1.1.1 Réactivité des acides aminés dans les protéines Une protéine possède la réactivité de ses acides aminés constitutifs. La présence prédominante d'acides aminés basiques ou acides confère à la protéine une tendance basique ou acide respectivement . > **Tip:** La composition en acides aminés, et donc la nature des chaînes latérales, est le déterminant principal des propriétés chimiques et de la réactivité d'une protéine. ### 1.2 Propriétés physico-chimiques des protéines Les protéines sont des macromolécules complexes dont la structure et la fonction sont intrinsèquement liées à leurs propriétés physico-chimiques. Ces propriétés sont influencées par la séquence d'acides aminés (structure primaire) et la conformation tridimensionnelle qu'elles adoptent . Plusieurs propriétés physiques sont caractéristiques des protéines : * **Solubilité:** La plupart des protéines globulaires sont solubles dans l'eau en raison de l'orientation des chaînes latérales hydrophobes à l'intérieur de la molécule. Les protéines insolubles dans l'eau sont appelées scléroprotéines ou protéines fibreuses . * **Cristallisation:** Il est possible de cristalliser les protéines à partir de leurs solutions en ajustant le $\text{pH}$, la concentration saline et en utilisant des solvants organiques . * **Propriétés optiques :** * Les protéines sont optiquement actives . * La majorité des protéines absorbent la lumière $\text{UV}$ à 280 nm, ce qui est lié à la présence de résidus aromatiques . * En milieu alcalin, les protéines forment un complexe coloré violet avec les ions cuivriques (réaction du biuret), possédant un maximum d'absorption à 540 nm ($$\text{DO} = \varepsilon \text{LC}$$). Cette propriété est utilisée pour le dosage des protéines sanguines . * **Réactif biuret:** Il comprend le sulfate de cuivre ($\text{CuSO}_4$) comme source d'ions $\text{Cu}^{2+}$ et du $\text{NaOH}$ pour alcaliniser le milieu ($\text{pH} > 7$) . * **Masse moléculaire ($\text{MM}$):** Chaque protéine possède une masse moléculaire caractéristique supérieure à 6 000 daltons ($\text{Da}$) . * **Méthode par chromatographie par gel-filtration:** Cette méthode sépare les protéines selon leur masse moléculaire sur des gels de dextranes. Les grosses molécules traversent rapidement la colonne, tandis que les plus petites sont retardées par leur pénétration dans le gel . #### 1.2.2 Propriétés chimiques Les propriétés chimiques des protéines sont notamment déterminées par le caractère amphotère des acides aminés qui les composent . * **Composition élémentaire:** Les protéines contiennent principalement du carbone ($\text{C}$), de l'hydrogène ($\text{H}$), de l'oxygène ($\text{O}$) et de l'azote ($\text{N}$), et souvent du soufre ($\text{S}$). Les 20 acides aminés standards sont généralement présents, bien que l'hydroxyproline et l'hydroxylysine proviennent de l'hydroxylation de la proline et de la lysine dans les protéines . * **Caractère amphotère :** L'ionisation des protéines est due : * Aux groupements amine et carboxyle terminaux ($\text{-COOH}/\text{COO}^{-}$ et $\text{-NH}_2/\text{NH}_3^{+}$) . * Aux groupements ionisables des chaînes $\text{R}$ des acides aminés (tels que $\text{-COOH}$, $\text{-NH}_2$, $\text{-OH}$, $\text{-SH}$) . Le $\text{pI}$ (point isoélectrique) d'une protéine est le $\text{pH}$ auquel les charges positives et négatives portées par les chaînes $\text{R}$ polaires des acides aminés sont en équilibre, résultant en une charge nette nulle . * À un $\text{pH} < \text{pI}$, la protéine porte une charge positive et migre vers la cathode . * À un $\text{pH} > \text{pI}$, la protéine porte une charge négative et migre vers l'anode . Ce caractère amphotère est exploité pour la séparation des protéines par électrophorèse. La révélation des protéines après électrophorèse fait appel à des réactions colorées, comme la coloration au bleu de Coomassie . #### 1.2.3 Propriétés biologiques Les protéines jouent des rôles biologiques essentiels, souvent liés à leurs fonctions spécifiques : * **Propriétés antigéniques:** Les protéines sont des antigènes qui induisent la synthèse d'anticorps . * **Activités biologiques spécifiques :** * **Catalyse enzymatique:** De nombreuses protéines sont des enzymes qui catalysent des réactions biochimiques . * **Hormones:** Certaines protéines agissent comme hormones, telles que l'hormone de croissance ($\text{GH}$) ou l'érythropoïétine ($\text{EPO}$) . * **Toxines:** Certaines protéines, comme les exotoxines bactériennes, ont une activité toxique . * **Activité antibiotique:** Il existe des protéines possédant une activité antibiotique, par exemple, VanX est une hydrolase avec une activité antibactérienne directe . ### 1.3 Classification des protéines Les protéines peuvent être classées en deux grandes catégories: les holoprotéines et les hétéroprotéines . #### 1.3.1 Les holoprotéines Les holoprotéines sont constituées uniquement d'acides aminés. Elles se subdivisent en : * **Holoprotéines globulaires:** Ces protéines sont sphéroïdes et généralement solubles dans l'eau. Elles incluent les enzymes, les hormones et les anticorps . * **Albumines:** Représentent environ 60% des protéines sériques et jouent un rôle majeur dans le maintien de la pression oncotique ainsi que dans le transport de diverses substances (acides gras, médicaments, hormones). Elles sont les plus mobiles en électrophorèse . * **Globulines:** Représentent 40% des protéines sériques et sont classées en $\alpha1$, $\alpha2$, $\beta$, et $\gamma$ globulines selon leur mobilité électrophorétique. L'électrophorèse sur gel d'agarose permet de séparer les protéines sériques en cinq fractions . * **Holoprotéines fibrillaires:** Ces protéines sont filiformes, solubles ou insolubles dans l'eau, et remplissent des fonctions structurales ou protectrices . * **Holoprotéines fibrillaires solubles:** Par exemple, la fibrine, l'actine et la myosine . * **Holoprotéines fibrillaires insolubles:** Ce sont les protéines structurales des tissus, comme le collagène et les kératines . #### 1.3.2 Les hétéroprotéines Les hétéroprotéines sont constituées d'une partie protéique (une succession d'acides aminés) et d'une partie non protéique appelée groupement prosthétique . * **Phosphoprotéines:** Protéine liée à un groupe phosphate, souvent par une liaison ester entre la sérine/thréonine et l'acide phosphorique. Exemple: la caséine du lait . * **Nucléoprotéines:** Composées d'une protéine et d'un acide nucléique. Exemple: la télomérase, qui assure l'élongation des télomères . * **Glycoprotéines:** Protéines liées de manière covalente à une séquence glucidique. La glycosylation peut se faire sur l'azote d'un résidu d'asparagine (N-glycosylation) ou sur l'oxygène d'un résidu de sérine ou de thréonine (O-glycosylation). Elles sont localisées dans les membranes cellulaires, le plasma et les tissus conjonctifs . * **Mucines:** Protègent les épithéliums contre les enzymes protéolytiques . * **Immunoglobulines (anticorps):** Participent à la défense de l'organisme contre les agents infectieux . * **Glycoprotéines des groupes sanguins:** Situées à la surface des hématies, leur spécificité détermine les groupes sanguins ($\text{A, B, O}$) . * **Lipoprotéines:** Complexes protéines-lipides qui transportent les lipides insolubles dans le plasma sanguin et les distribuent aux tissus . * **Chromoprotéines:** Protéines colorées contenant un groupement prosthétique avec un ion métallique . * **Hémoglobine:** Composée d'une protéine incolore ("globine") et d'un groupement "hème" contenant du fer. Sa fonction est le transfert de $\text{O}_2$ et de $\text{CO}_2$ entre les poumons et les tissus . --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Acide aminé | Molécule organique constituée d'une fonction amine (-NH2), d'une fonction carboxylique (-COOH), d'un atome d'hydrogène (H) et d'un groupement organique (R) attaché à un carbone central (carbone alpha). Les acides aminés sont les unités de base des protéines. | | Carbone alpha ($\alpha$) | Le carbone central d'un acide aminé auquel sont attachés le groupement amine, le groupement carboxylique, un atome d'hydrogène et la chaîne latérale (R). C'est un carbone asymétrique pour tous les acides aminés sauf la glycine. | | Chaîne latérale (R) | Le groupement variable d'un acide aminé qui le différencie des autres. La nature de la chaîne latérale détermine les propriétés chimiques et physiques spécifiques de chaque acide aminé. | | Liaison peptidique | Liaison covalente formée entre la fonction carboxylique (-COOH) d'un acide aminé et la fonction amine (-NH2) d'un autre acide aminé, avec élimination d'une molécule d'eau. C'est le lien qui unit les acides aminés dans les peptides et les protéines. | | Zwitterion | Forme ionique d'un acide aminé en solution aqueuse neutre, où le groupement carboxylique est déprotoné (-COO-) et le groupement amine est protoné (-NH3+), résultant en une charge nette nulle. Également appelé ion mixte dipolaire. | | Point isoélectrique (pHi) | Le pH d'une solution auquel un acide aminé ou une protéine porte une charge nette nulle. À ce pH, la somme des charges positives est égale à la somme des charges négatives. | | Décarboxylation | Réaction chimique qui enlève un groupement carboxyle (-COOH) d'une molécule, généralement sous forme de dioxyde de carbone ($CO_2$). Dans le contexte des acides aminés, elle conduit à la formation d'amines. | | Désamination oxydative | Réaction enzymatique qui retire le groupement amine d'un acide aminé, le transformant en un acide $\alpha$-cétonique et produisant de l'ammoniac. Cette réaction est importante pour le métabolisme énergétique et azoté. | | Transamination | Réaction enzymatique réversible de transfert d'un groupement amine d'un acide aminé vers un acide $\alpha$-cétonique, catalysée par des transaminases. Ces réactions sont cruciales pour la synthèse et la dégradation des acides aminés. | | Pont disulfure | Liaison covalente formée entre les groupements thiol (-SH) de deux résidus de cystéine. Ces ponts sont importants pour stabiliser la structure tridimensionnelle des protéines. | | Hydrophobe | Se dit d'une chaîne latérale d'acide aminé qui n'a pas d'affinité pour l'eau et tend à s'agréger à l'intérieur des protéines pour minimiser le contact avec le solvant aqueux. | | Hydrophile | Se dit d'une chaîne latérale d'acide aminé qui a une affinité pour l'eau et tend à interagir avec le solvant aqueux, souvent en formant des liaisons hydrogène. |

# Functies van lipiden Lipiden vervullen diverse cruciale rollen in biologische systemen, variërend van energieopslag en structurele ondersteuning tot signaaltransductie en het vormen van fysieke barrières. ## 1. Energiebron en energiereserve Lipiden, met name triacylglycerolen (triglyceriden), zijn een zeer efficiënte vorm van energieopslag in het lichaam. In vergelijking met glycogeen kunnen triacylglycerolen vrijwel watervrij worden opgeslagen, waardoor ze een hogere energiedichtheid hebben (9 kcal per gram vet versus 4 kcal per gram glycogeen). Dit verklaart waarom vetweefsel, bestaande uit vetcellen gevuld met triacylglycerolen, aanzienlijk meer energie kan opslaan dan bijvoorbeeld spierweefsel dat glycogeen opslaat. ### 1.1 Triacylglycerolen als opslagvorm van vet Triacylglycerolen zijn esters gevormd uit glycerol en drie vetzuurmoleculen. Ze worden hoofdzakelijk opgeslagen in adipocyten (vetcellen), die zich bevinden in subcutaan en visceraal vetweefsel. * **Wit vetweefsel:** Dit type vetweefsel dient voornamelijk voor energieopslag. Abdominaal of visceraal vet wordt geassocieerd met een verhoogd risico op bepaalde ziekten, terwijl subcutaan vet een beschermende functie kan hebben. * **Bruin vetweefsel:** Dit type vetweefsel is gespecialiseerd in warmteproductie (thermogenese), mede door de hoge concentratie aan mitochondriën, cytochroomen en thermogenines. De activiteit van bruin vetweefsel kan worden gestimuleerd door blootstelling aan koude. ### 1.2 Oorsprong van vetzuren Vetzuren in het lichaam komen voornamelijk uit twee bronnen: * **Opname uit de voeding:** Vetzuren worden via de darm opgenomen, getransporteerd via het lymfesysteem en de bloedbaan, en direct geïncorporeerd in weefsels. De voeding bepaalt mede de eigen vetzuursamenstelling. Chilomicronen zijn belangrijke lipoproteïnen die vet uit de voeding transporteren. * **Neosynthese (synthese van nieuwe vetzuren):** Vetzuren kunnen ook *de novo* worden gesynthetiseerd, met name uit koolhydraten. Het proces begint met glucose, dat wordt omgezet in pyruvaat en vervolgens in acetyl-CoA. Acetyl-CoA is de directe precursor voor vetzuursynthese. #### 1.2.1 Van suiker naar vet De omzetting van suikers naar vetzuren is een belangrijk anabool proces. Glucose wordt via glycolyse omgezet in pyruvaat, dat vervolgens door het pyruvaatdehydrogenase complex wordt omgezet in acetyl-CoA. Dit acetyl-CoA kan dan worden gebruikt voor de synthese van vetzuren. > **Tip:** De omzetting van acetyl-CoA naar pyruvaat is bij mensen en dieren *niet* reversibel, wat betekent dat vetzuren die uit suikers zijn gevormd, niet direct weer kunnen worden omgezet in glucose. #### 1.2.2 Vetzuursynthese Vetzuursynthese vindt plaats in het cytoplasma en is een complex proces dat de polymerisatie van acetyl-CoA eenheden behelst. * **Acetyl-CoA transport:** Omdat vetzuursynthese in het cytoplasma plaatsvindt en acetyl-CoA in de mitochondriën wordt gevormd, moet acetyl-CoA de mitochondriale membraan passeren. Dit gebeurt via een "citraat bypass": acetyl-CoA condenseert met oxaloacetaat tot citraat, dat naar het cytoplasma wordt getransporteerd. Daar wordt citraat weer gesplitst in acetyl-CoA en oxaloacetaat. * **Malonyl-CoA vorming:** De belangrijkste stap in de vetzuursynthese is de carboxylering van acetyl-CoA tot malonyl-CoA, gekatalyseerd door het enzym acetyl-CoA carboxylase. Dit is een sterk gereguleerde stap. $$ \text{Acetyl-CoA} + \text{ATP} + \text{HCO}_3^- \rightarrow \text{Malonyl-CoA} + \text{ADP} + \text{Pi} $$ * **Vetzuursynthase complex:** Dit is een groot, multifunctioneel enzymcomplex dat alle benodigde enzymatische activiteiten voor de ketenverlenging bevat. Het acyl carrier proteïne (ACP) component, met zijn fosfopantetheïne cofactor, is essentieel voor het transporteren van de groeiende vetzuurketen. * **Ketenverlenging:** Het proces van ketenverlenging omvat herhaaldelijke condensatie van een acetyl-CoA of verlengde acylketen met malonyl-CoA, gevolgd door reductie- en dehydratiestappen. Elke cyclus voegt twee koolstofatomen toe aan de keten. * **Eindproduct:** De synthese eindigt typisch met palmitinezuur (16 koolstofatomen). Kortere vetzuren kunnen worden geproduceerd door een oplosbaar thioesterase dat de keten van ACP afknipt voordat deze 16 koolstofatomen bereikt. * **Verlenging en onverzadiging:** Langere verzadigde vetzuren worden gevormd door de verlenging van palmitinezuur, met name aan het endoplasmatisch reticulum (ER). Onverzadigde vetzuren worden gevormd door desaturatie-enzymen (desaturases) die dubbele bindingen introduceren, ook voornamelijk aan het ER. Het stearoyl-CoA desaturase complex is verantwoordelijk voor de vorming van mono-onverzadigde vetzuren zoals oleïnezuur uit verzadigde vetzuren zoals stearinezuur. > **Regulatie van vetzuursynthese:** > * **Citraat:** Allosterische activator van acetyl-CoA carboxylase, wat de vetzuursynthese stimuleert wanneer er voldoende acetyl-CoA en energierijke precursors aanwezig zijn. > * **Palmitoyl-CoA:** Allosterische inhibitor van acetyl-CoA carboxylase, wat negatieve feedback geeft wanneer er voldoende vetzuren zijn gesynthetiseerd. > * **Hormonale regulatie:** Insuline stimuleert vetzuursynthese door de expressie van acetyl-CoA carboxylase en vetzuursynthase te verhogen, terwijl glucagon (bij lage bloedsuikerspiegel) de synthese remt door fosforylering van acetyl-CoA carboxylase. ## 2. Structurele functie Lipiden zijn essentiële bouwstenen voor celmembranen en weefsels. ### 2.1 Celmembranen Fosfolipiden en glycolipiden vormen de dubbele lipidenlaag van celmembranen. Deze structuren scheiden de celinhoud van de buitenomgeving en reguleren de doorgang van stoffen. Cholesterol speelt ook een belangrijke rol in membraanfluiditeit en stabiliteit. ### 2.2 Weefsels Verschillende lipiden dragen bij aan de structurele integriteit van weefsels. Galactocerebrosiden en andere lipiden komen bijvoorbeeld voor in zenuwweefsel en dragen bij aan de isolatie van axonen. ## 3. Signaalmoleculen Lipiden fungeren als belangrijke signaalmoleculen, zowel intracellulair als extracellulair. ### 3.1 Steroïden Steroïden, zoals hormonen (bv. oestrogeen, testosteron, cortisol) en cholesterol, zijn afgeleid van een karakteristieke steroïde kernstructuur. Ze spelen een cruciale rol in de regulatie van tal van fysiologische processen, waaronder groei, metabolisme en voortplanting. ### 3.2 Eicosanoïden Eicosanoïden zijn lipide signaalmoleculen die worden afgeleid van arachidonzuur (een 20-koolstof onverzadigd vetzuur). Voorbeelden zijn prostaglandines, thromboxanen en leukotriënen. Deze moleculen zijn betrokken bij ontstekingsreacties, bloedstolling, pijnperceptie en andere lokale fysiologische processen. ### 3.3 Fosfoinositiden Fosfoinositiden zijn lipiden die een rol spelen in intracellulaire signaaltransductie, onder andere bij de regulatie van celgroei en differentiatie. ## 4. Fysische barrière Lipiden vormen natuurlijke barrières die bescherming bieden en het lichaam helpen de homeostase te handhaven. ### 4.1 Huidbarrière Lipiden in de huid, zoals ceramiden en vrije vetzuren, vormen een essentiële barrière tegen uitdroging en de penetratie van schadelijke stoffen. ### 4.2 Thermische isolatie De opeenhoping van vetweefsel onder de huid fungeert als een isolerende laag, die helpt de lichaamstemperatuur te reguleren en warmteverlies te minimaliseren. ### 4.3 Schokabsorptie Vetweefsel rond organen en in de huid dient ook als een beschermende laag die schokken en fysieke impact kan absorberen. --- # Chemische structuur en eigenschappen van vetzuren Dit gedeelte behandelt de moleculaire opbouw van vetzuren, hun classificatie, naamgeving en de kenmerken van essentiële vetzuren. ### 2.1 Algemene structuur van vetzuren Vetzuren zijn biologische moleculen die oplosbaar zijn in apolaire solventen en overwegend hydrofoob van aard zijn. Ze zijn meestal afgeleid van het concept van een vetzuurgroep, ook wel een acylgroep genoemd. Dit onderscheidt ze van de acetylgroep, die afkomstig is van azijnzuur. Een vetzuur bestaat uit een lange koolwaterstofketen (de apolaire staart) en een carboxylgroep (-COOH) aan het uiteinde (de polaire kop). Deze structuur maakt vetzuren amfipatisch, hoewel de lange koolwaterstofketen overheerst, wat resulteert in een overwegend hydrofoob karakter. ### 2.2 Classificatie van vetzuren Vetzuren kunnen worden geclassificeerd op basis van de aanwezigheid van dubbele bindingen in hun koolwaterstofketen: #### 2.2.1 Verzadigde vetzuren Verzadigde vetzuren hebben een koolwaterstofketen die volledig is verzadigd met waterstofatomen, wat betekent dat er geen dubbele bindingen tussen de koolstofatomen in de keten aanwezig zijn. De algemene formule voor een verzadigd vetzuur is $C_nH_{2n+1}COOH$. Enkele veelvoorkomende verzadigde vetzuren, met hun triviale namen en aantal koolstofatomen ($n$), zijn: * $n=2$: azijnzuur (acetaat) * $n=3$: propionzuur (propionaat) * $n=4$: boterzuur (butyraat) * $n=6$: capronzuur (capronaat) * $n=8$: caprilinezuur (caprylaat) * $n=10$: caprinezuur (capraat) * $n=12$: laurinezuur (lauraat) * $n=14$: myristinezuur (myristaat) * $n=16$: palmitinezuur (palmitaat) * $n=18$: stearinezuur (stearaat) * $n=20$: arachidezuur (arachidaat) * $n=22$: beheenzuur (beheenaat) #### 2.2.2 Onverzadigde vetzuren Onverzadigde vetzuren bevatten één of meer dubbele bindingen tussen de koolstofatomen in hun koolwaterstofketen. De aanwezigheid van dubbele bindingen introduceert knikken in de keten, wat invloed heeft op de fysische eigenschappen zoals vloeibaarheid. * **Enkelvoudig onverzadigde vetzuren:** Bevatten één dubbele binding. * **Meervoudig onverzadigde vetzuren:** Bevatten twee of meer dubbele bindingen. De dubbele bindingen in natuurlijke, biologisch voorkomende onverzadigde vetzuren zijn vrijwel altijd in de **cis**-configuratie. Dit in tegenstelling tot transvetzuren, die minder voorkomend zijn in de natuur en een andere ruimtelijke structuur hebben. Enkele belangrijke onverzadigde vetzuren (te kennen): * linoleenzuur: $[18:3(9,12,15)]$ (C18, 3 dubbele bindingen op positie 9, 12 en 15) * arachidonzuur: $[20:4(5,8,11,14)]$ (C20, 4 dubbele bindingen op positie 5, 8, 11 en 14) > **Tip:** De notatie $[ \text{a} : \text{b} ( \text{c}_1, \text{c}_2, \dots ) ]$ geeft het aantal koolstofatomen (a), het aantal dubbele bindingen (b) en de posities van de dubbele bindingen (c) aan. ### 2.3 Naamgeving van vetzuren De naamgeving van vetzuren kan op verschillende manieren gebeuren, waaronder triviale namen en systematische namen. Systematische namen worden vaak gebruikt in de wetenschappelijke literatuur. Een veelgebruikte manier om onverzadigde vetzuren aan te duiden, is door gebruik te maken van de omega ($\omega$) notatie. Hierbij wordt geteld vanaf het methy-uiteinde (het eind van de koolwaterstofketen dat geen carboxylgroep bevat). * **$\omega$-3 vetzuren:** De eerste dubbele binding bevindt zich op het derde koolstofatoom vanaf het $\omega$-uiteinde. Voorbeelden zijn $\alpha$-linoleenzuur. * **$\omega$-6 vetzuren:** De eerste dubbele binding bevindt zich op het zesde koolstofatoom vanaf het $\omega$-uiteinde. Voorbeelden zijn linolzuur. ### 2.4 Essentiële vetzuren Essentiële vetzuren zijn vetzuren die het lichaam niet zelf kan synthetiseren en die daarom via de voeding moeten worden verkregen. Deze vetzuren zijn cruciaal voor diverse fysiologische processen. * $\alpha$-linoleenzuur en linolzuur zijn voorbeelden van essentiële vetzuren. * Ze dienen als startpunt voor de aanmaak van langere, complexere vetzuren die nodig zijn in onder andere de retina en de hersenen. * Er is een gunstig effect van $\omega$-3 vetzuren op hart- en vaatziekten. Dit heeft te maken met de omzetting van deze vetzuren in eicosanoïden, zoals prostaglandines, die een rol spelen in ontstekings- en bloedstollingprocessen. ### 2.5 Eigenschappen van vetzuren en lipiden #### 2.5.1 Energieopslag Lipiden, in het bijzonder triacylglycerolen (triglyceriden), zijn een zeer efficiënte manier voor het lichaam om energie op te slaan. * Vetten zijn beter oxideerbaar dan koolhydraten zoals glucose. De lange koolwaterstofketens van vetzuren kunnen volledig worden geoxideerd, wat leidt tot de vrijgave van veel energie. * Eén gram vet levert ongeveer 9 kcal energie op, terwijl één gram glycogeen ongeveer 4 kcal levert. * Triacylglycerolen kunnen nagenoeg watervrij worden opgeslagen, in tegenstelling tot glycogeen, waarbij elke gram glycogeen 2-3 gram water bindt. Dit maakt vetopslag veel compacter. * Vetweefsel is de primaire opslagplaats voor energie in de vorm van triacylglycerolen. #### 2.5.2 Structurele rol Lipiden spelen een cruciale structurele rol in celmembranen en weefsels. Fosfolipiden zijn bijvoorbeeld belangrijke componenten van celmembranen. #### 2.5.3 Signaalmoleculen Sommige lipiden fungeren als signaalmoleculen, zoals fosfoinositiden en steroïden. Eicosanoïden, zoals prostaglandines, thromboxanen en leukotriënen, zijn afgeleid van vetzuren en spelen een rol in diverse cellulaire processen, waaronder ontsteking en bloedstolling. #### 2.5.4 Fysische barrière Lipiden vormen een fysische barrière en bieden bescherming. * Vetten absorberen schokken, bijvoorbeeld rond organen en in de huid. * Ze fungeren als thermische isolatie, waardoor lichaamswarmte wordt vastgehouden. ### 2.6 Synthese en Afbraak van Vetzuren #### 2.6.1 Van Suiker naar Vet De omzetting van koolhydraten naar vetzuren is mogelijk in het lichaam. * **Glucose** wordt via glycolyse omgezet in **pyruvaat**. * Pyruvaat wordt vervolgens omgezet in **acetyl-CoA**. * Acetyl-CoA is het startpunt voor de vetzuursynthese. #### 2.6.2 Irreversibiliteit van Pyruvaat Dehydrogenase De omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA, gekatalyseerd door het pyruvaat dehydrogenase complex, is een irreversibele reactie in mensen en dieren. $$ \text{Pyruvaat} + \text{NAD}^+ + \text{CoA-SH} \rightarrow \text{acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ Deze irreversibiliteit betekent dat acetyl-CoA niet direct kan worden omgezet in pyruvaat, en daarmee ook niet direct terug kan worden omgezet naar glucose via gluconeogenese. #### 2.6.3 Vetzuursynthese: De rol van Acetyl-CoA en Malonyl-CoA Vetzuursynthese vindt plaats in het cytoplasma, terwijl acetyl-CoA wordt gevormd in de mitochondriën. Acetyl-CoA kan de mitochondriale membraan niet zomaar passeren. De transport van acetyl-CoA naar het cytoplasma gebeurt via de **citraat-bypass**: 1. Acetyl-CoA condenseert met oxaloacetaat in de mitochondriale matrix tot citraat. 2. Citraat wordt getransporteerd naar het cytoplasma. 3. In het cytoplasma wordt citraat gesplitst door citraat lyase tot acetyl-CoA en oxaloacetaat. De synthetische route van vetzuren berust op de polymerisatie van "azijnzuurgroepen". Echter, de directe condensatie van twee acetyl-CoA moleculen is energetisch ongunstig. De essentiële stap in vetzuursynthese is de vorming van **malonyl-CoA** uit acetyl-CoA: $$ \text{Acetyl-CoA} + \text{ATP} + \text{HCO}_3^- \rightarrow \text{Malonyl-CoA} + \text{ADP} + \text{P}_i $$ Deze reactie wordt gekatalyseerd door het **acetyl-CoA carboxylase**, het eerste en sterk gereguleerde enzym van de vetzuursynthese. #### 2.6.4 Het Vetzuur Synthase Complex Vetzuren worden gesynthetiseerd door het **vetzuur synthase complex**, een multifunctioneel enzymcomplex dat bestaat uit meerdere enzymatische domeinen. Dit complex is een homodimeer en de intermediairen van de reacties blijven gebonden op het complex, wat de efficiëntie maximaliseert. Belangrijke domeinen van het vetzuur synthase complex zijn: * **Acyl Carrier Protein (ACP):** Bevat de cofactor fosfopantetheïne, die een thiolgroep (-SH) levert voor het binden van acylketens. * **Ketoacyl Synthase (KS):** Katalyseert de condensatiereactie waarbij een acylketen wordt verlengd. Het syntheseproces omvat meerdere cycli van: 1. **Condensatie:** Acetyl-CoA (of een verlengde acylketen) condenseert met malonyl-CoA. 2. **Reductie:** De gevormde $\beta$-keto-groep wordt gereduceerd tot een $\beta$-hydroxy-groep. 3. **Dehydratatie:** Water wordt verwijderd, wat resulteert in een dubbele binding. 4. **Reductie:** De dubbele binding wordt gereduceerd, wat leidt tot een verlengde, verzadigde acylketen gebonden aan ACP. Het vetzuur wordt uiteindelijk vrijgegeven van het complex door het thioesterase domein, meestal als palmitinezuur (16 koolstofatomen). De totale reactie voor de vorming van palmitaat is: $$ 8 \text{ Acetyl-CoA} + 7 \text{ ATP} + 14 \text{ NADPH} + 14 \text{ H}^+ \rightarrow \text{Palmitaat} + 8 \text{ CoA-SH} + 7 \text{ ADP} + 7 \text{ P}_i + 6 \text{ H}_2\text{O} + 14 \text{ NADP}^+ $$ #### 2.6.5 Regulatie van de Vetz Synthesis De regulatie van vetzuursynthese is cruciaal voor het energiebalans van de cel: * **Acetyl-CoA carboxylase:** Dit enzym is sterk gereguleerd. * **Citraat:** Een allosterische activator, wat aangeeft dat er voldoende bouwstenen en energie aanwezig zijn. * **Palmitoyl-CoA:** Een negatieve regulator, wat aangeeft dat er voldoende vetzuur aanwezig is. * **Fosforylering:** Gereguleerd door hormonen en energieniveaus (bv. AMP-kinase kan inhiberen). * **Hormonale regulatie:** * **Insuline (hoge bloedsuikerspiegel):** Stimuleert de expressie van acetyl-CoA carboxylase en vetzuur synthase, bevordert vetzuursynthese. * **Glucagon (lage bloedsuikerspiegel):** Verhoogt cAMP, wat leidt tot fosforylering en inhibitie van acetyl-CoA carboxylase, remt vetzuursynthese. #### 2.6.6 Synthese van langere en onverzadigde vetzuren * **Verlenging van vetzuurketens:** Nadat palmitaat is gevormd, kan het worden verlengd tot langere verzadigde vetzuren door elongatie-enzymen, voornamelijk in het endoplasmatisch reticulum (ER). Dit proces is vergelijkbaar met de vetzuursynthese, waarbij opnieuw acetyl-CoA of malonyl-CoA wordt gebruikt. * **Synthese van onverzadigde vetzuren:** Het introduceren van dubbele bindingen gebeurt door desaturase-enzymen, voornamelijk op het ER. * **Stearoyl-CoA desaturase-complex:** Zet verzadigde vetzuren om in enkelvoudig onverzadigde vetzuren. Een voorbeeld is de omzetting van stearinezuur naar oliezuur. Deze reactie vereist een waterstofdonor (NADH of NADPH) en zuurstof, waarbij water wordt gevormd. * **Verdere desaturatie en verlenging:** Enzymen zoals $\Delta^6$ en $\Delta^5$ desaturases, samen met elongatiestappen, zijn nodig voor de synthese van meervoudig onverzadigde vetzuren zoals arachidonzuur. > **Tip:** De mens kan niet alle dubbele bindingen introduceren. Vetzuurketens met dubbele bindingen op de posities 3 en 6 vanaf het $\omega$-uiteinde (zoals $\alpha$-linoleenzuur en linolzuur) kunnen niet door het menselijk lichaam worden gesynthetiseerd en zijn daarom essentieel. --- # Biosynthese van vetzuren Dit hoofdstuk beschrijft het proces van vetzuursynthese, beginnend bij de omzetting van glucose naar acetyl-CoA, de mechanismen van het vetzuursynthasecomplex en de regulering van dit proces. ## 3.1 Functies van lipiden Lipiden vervullen diverse cruciale functies in het lichaam: * **Energiebron/reserve:** Vetten zijn een efficiënte manier om energie op te slaan, voornamelijk als triacylglycerolen (TAG's) in vetweefsel. De energieopslagcapaciteit in vet is aanzienlijk groter dan die in glycogeen. * **Structurele functie:** Lipiden vormen structurele componenten van celmembranen en weefsels. * **Signaalmoleculen:** Verschillende lipiden, zoals fosfoinositiden en steroïden, fungeren als signaalmoleculen. Eicosanoïden (prostaglandines, thromboxanen, leukotriënen) zijn ook belangrijke signaalmoleculen, afgeleid van arachidonzuur. * **Fysische barrière:** Lipiden dragen bij aan het vormen van een fysieke barrière, onder andere in de huid, en bieden bescherming tegen schokken en thermische isolatie. ## 3.2 Chemische structuur en eigenschappen van vetzuren Vetzuren zijn alifatische koolwaterstofketens met een carboxylgroep aan het uiteinde. ### 3.2.1 Classificatie van vetzuren Vetzuren kunnen worden ingedeeld op basis van het aantal koolstofatomen en de aanwezigheid van dubbele bindingen: * **Verzadigde vetzuren:** Bevatten geen dubbele bindingen tussen de koolstofatomen. Bekende voorbeelden zijn: * Azijnzuur (C2) * Propionzuur (C3) * Boterzuur (C4) * Capronzuur (C6) * Caprilinezuur (C8) * Caprinezuur (C10) * Laurinezuur (C12) * Myristinezuur (C14) * Palmitinezuur (C16) * Stearinezuur (C18) * Arachidezuur (C20) * Beheenzuur (C22) * **Onverzadigde vetzuren:** Bevatten één of meer dubbele bindingen. Deze dubbele bindingen zijn altijd in de *cis*-configuratie. Enkele belangrijke onverzadigde vetzuren zijn: * Palmitoleïnezuur (C16:1(9)) * Oleïnezuur (C18:1(9)) * Linolzuur (C18:2(9,12)) * Linoleenzuur (C18:3(9,12,15)) * Arachidonzuur (C20:4(5,8,11,14)) #### Essentiële vetzuren Essentiële vetzuren zijn vetzuren die het lichaam niet zelf kan aanmaken en via de voeding moeten worden verkregen. Linolzuur en $\alpha$-linoleenzuur zijn voorbeelden van essentiële vetzuren. Ze zijn precursors voor de aanmaak van langere, complexere vetzuren die essentieel zijn voor diverse lichaamsfuncties. ### 3.2.2 Naamgeving De naamgeving van vetzuren kan plaatsvinden op basis van het aantal koolstofatomen en de positie van de dubbele bindingen. De $\omega$ (omega) aanduiding geeft de positie van de dubbele binding aan ten opzichte van het methyl-uiteinde (het niet-carboxyl uiteinde) van de vetzuurketen. * **$\omega$-3 vetzuren:** De eerste dubbele binding bevindt zich op de derde koolstofatoom vanaf het $\omega$-uiteinde (bv. $\alpha$-linoleenzuur). * **$\omega$-6 vetzuren:** De eerste dubbele binding bevindt zich op de zesde koolstofatoom vanaf het $\omega$-uiteinde (bv. linolzuur). ## 3.3 Triacylglycerolen (triglyceriden) Triacylglycerolen zijn esters gevormd uit glycerol en drie vetzuurmoleculen. Ze vormen de primaire vorm van energieopslag in het lichaam. * Een triacylglycerol (TAG) bestaat uit een glycerolruggengraat waarbij elke hydroxylgroep is veresterd met een vetzuur. * Afhankelijk van de vetzuren die gebonden zijn, kunnen TAG's variëren in eigenschappen. * TAG's kunnen quasi watervrij worden opgeslagen, wat ze energetisch efficiënter maakt dan glycogeenopslag, waarbij aanzienlijke hoeveelheden water worden meegebonden. ## 3.4 Vetweefsel Vetweefsel is gespecialiseerd in de opslag van energie in de vorm van triacylglycerolen. ### 3.4.1 Wit vetweefsel Wit vetweefsel is het meest voorkomende type vetweefsel en dient voornamelijk voor energieopslag. * **Abdominaal/visceraal vet:** Vetweefsel in de buikholte, geassocieerd met een verhoogd risico op kanker en hart- en vaatziekten. Mannen hebben typisch meer visceraal vet in de buik. * **Subcutaan vet:** Vetweefsel onder de huid, dat ook beschermende functies heeft. Vrouwen slaan doorgaans meer subcutaan vet op in de billen, dijen en heupen. ### 3.4.2 Bruin vetweefsel Bruin vetweefsel is gespecialiseerd in warmteproductie (thermogenese). Het bevat veel mitochondriën, cytochromen en thermogenines, die de protonengradiënt ontkoppelen om warmte te genereren. Activering van bruin vetweefsel kan worden waargenomen bij blootstelling aan koude. ## 3.5 Oorsprong van vetzuren in het lichaam Vetzuren in het lichaam zijn afkomstig uit twee hoofdbronnen: * **Opname uit de voeding:** Vetten uit de voeding worden via het darmstelsel opgenomen, getransporteerd via de lymfe en bloedbaan, en direct geïncorporeerd in weefsels. Dit draagt bij aan de vetzuursamenstelling van het lichaam. Chilomicronen zijn lipoproteïnen die vetten uit de voeding transporteren. * **Neosynthese (de novo synthese):** Het lichaam kan zelf vetzuren synthetiseren, met name uit koolhydraten en aminozuren. ## 3.6 Biosynthese van vetzuren De biosynthese van vetzuren, oftewel *de novo* lipogenese, is het proces waarbij vetzuren worden opgebouwd uit kleinere precursors. ### 3.6.1 Vetzuren uit suikers: van glucose naar acetyl-CoA Glucose kan worden omgezet in vetzuren via de volgende stappen: 1. **Glycolyse:** Glucose wordt afgebroken tot pyruvaat. 2. **Vorming van acetyl-CoA:** Pyruvaat wordt in de mitochondriën door het pyruvaat dehydrogenase complex omgezet in acetyl-CoA. Deze reactie is thermodynamisch irreversibel: $$ \text{Pyruvaat} + \text{NAD}^+ + \text{CoA-SH} \longrightarrow \text{acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ De $\Delta G^\circ'$ waarde van deze reactie is ongeveer -8 kcal/mol, wat de irreversibiliteit verklaart. **Belangrijke opmerking:** De omzetting van vetzuren naar pyruvaat is bij mensen en dieren niet mogelijk via dit pad, aangezien de reactie van pyruvaat dehydrogenase irreversibel is. ### 3.6.2 Transport van acetyl-CoA naar het cytosol Acetyl-CoA wordt gesynthetiseerd in de mitochondriale matrix, terwijl vetzuursynthese plaatsvindt in het cytosol. Omdat acetyl-CoA de mitochondriale membraan niet direct kan passeren, wordt de "citraat bypass" gebruikt: 1. In de mitochondriën condenseert acetyl-CoA met oxaloacetaat tot citraat (katalyse door citraat synthase). 2. Citraat wordt via een specifieke transporter uit de mitochondriën naar het cytosol getransporteerd. 3. In het cytosol wordt citraat door citraat lyase gesplitst in acetyl-CoA en oxaloacetaat: $$ \text{Citraat} + \text{ATP} + \text{CoA-SH} \longrightarrow \text{acetyl-CoA} + \text{oxaloacetaat} + \text{ADP} + \text{Pi} $$ Dit proces vereist ATP. Het gevormde acetyl-CoA in het cytosol is nu beschikbaar voor vetzuursynthese. ### 3.6.3 Het vetzuursynthasecomplex De kern van de vetzuursynthese is het vetzuursynthasecomplex (FAS). Dit is een groot, multifunctioneel eiwitcomplex dat bestaat uit meerdere domeinen die de verschillende enzymatische reacties katalyseren. Het vetzuursynthase is typisch een homodimeer complex, waarbij de monomeren coöperatief werken. Belangrijke domeinen van het vetzuursynthasecomplex zijn: * **Acyl Carrier Protein (ACP):** Bevat een prosthetische groep, fosfopantetheïne (afgeleid van vitamine B5), die een flexibele "arm" vormt om substraten naar de verschillende actieve centra te transporteren. * **Ketoacyl synthase (KS):** Katalyseert de condensatiereactie. * **Malonyl/acetyltransferase (MAT):** Transfereert acetyl-CoA en malonyl-CoA naar de ACP-arm. * **Ketoacyl reductase (KR):** Reduceert de $\beta$-keto groep. * **Dehydratase (DH):** Verwijdert water. * **Enoyl reductase (ER):** Reduceert de $\alpha$,$\beta$-onverzadigde carbonylgroep. * **Thioesterase (TE):** Maakt het voltooide vetzuur vrij van het complex. ### 3.6.4 Synthese van vetzuren: de cyclische elongatie De synthese van vetzuren is een cyclisch proces waarbij koolstofeenheden worden toegevoegd aan een groeiende vetzuurketen. Het meest voorkomende product van de vetzuursynthese is palmitinezuur (C16:0). Het proces omvat de volgende stappen, die zeven keer herhaald worden voor de synthese van palmitinezuur: 1. **Initiatie:** * Acetyl-CoA wordt overgedragen op de ACP-arm via MAT. * Malonyl-CoA wordt gevormd uit acetyl-CoA en $\text{CO}_2$ door het enzym **acetyl-CoA carboxylase (ACC)**. Deze reactie vereist ATP en biotine (vitamine B7) als cofactor. Dit is de snelheidsbepalende stap in de vetzuursynthese. $$ \text{acetyl-CoA} + \text{ATP} + \text{HCO}_3^- \longrightarrow \text{malonyl-CoA} + \text{ADP} + \text{Pi} + \text{H}_2\text{O} $$ * Het acetylgroep wordt getransfereerd van ACP naar een thiolgroep op het KS-domein. * De malonylgroep wordt overgedragen van het MAT-domein naar de ACP-arm. 2. **Elongatiecycli (7x):** Elke cyclus bestaat uit drie reacties: * **Condensatie:** De acetyl- of groeiende vetzuurketen (gebonden aan KS) condenseert met de malonylgroep (gebonden aan ACP). Dit resulteert in de vorming van een $\beta$-ketoacyl-ACP en de afsplitsing van $\text{CO}_2$. $$ \text{Acyl-ACP} + \text{malonyl-ACP} \longrightarrow \beta\text{-ketoacyl-ACP} + \text{ACP} + \text{CO}_2 $$ (Hier wordt de 2-koolstofeenheid van malonyl-CoA in feite de 3e, 4e, etc. koolstof van de groeiende keten.) * **Reductie:** De $\beta$-keto groep wordt gereduceerd tot een $\beta$-hydroxy acyl-ACP met behulp van NADPH als reductans. $$ \beta\text{-ketoacyl-ACP} + \text{NADPH} + \text{H}^+ \longrightarrow \beta\text{-hydroxyacyl-ACP} + \text{NADP}^+ $$ * **Dehydratatie:** Water wordt afgesplitst, wat resulteert in een $\alpha$,$\beta$-onverzadigd acyl-ACP. $$ \beta\text{-hydroxyacyl-ACP} \longrightarrow \alpha,\beta\text{-enoyl-ACP} + \text{H}_2\text{O} $$ * **Reductie:** De dubbele binding wordt gereduceerd met NADPH als reductans, wat resulteert in een verzadigd acyl-ACP met twee koolstofatomen meer dan het startsubstraat voor de cyclus. $$ \alpha,\beta\text{-enoyl-ACP} + \text{NADPH} + \text{H}^+ \longrightarrow \text{acyl-ACP} + \text{NADP}^+ $$ De gevormde acylketen wordt vervolgens getransfereerd naar het KS-domein, en een nieuwe malonylgroep wordt gebonden aan de ACP-arm om de volgende cyclus te starten. 3. **Terminatie:** Na zeven cycli is palmitoyl-ACP gevormd (C16:0). Het thioesterase (TE) domein hydrolyseert de esterbinding tussen palmitoyl en ACP, waardoor vrij palmitinezuur ontstaat. $$ \text{Palmitoyl-ACP} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{thioesterase}} \text{palmitinezuur} + \text{ACP} $$ **Totaalreactie voor palmitinezuurvorming:** $$ \text{acetyl-CoA} + 7 \text{malonyl-CoA} + 14 \text{NADPH} + 14 \text{H}^+ \longrightarrow \text{palmitinezuur} + 7 \text{CO}_2 + 8 \text{CoA-SH} + 14 \text{NADP}^+ + 6 \text{H}_2\text{O} $$ De vorming van malonyl-CoA vereist ATP: $$ 7 \text{acetyl-CoA} + 7 \text{ATP} + 7 \text{CO}_2 \longrightarrow 7 \text{malonyl-CoA} + 7 \text{ADP} + 7 \text{Pi} + 7 \text{H}_2\text{O} $$ De netto reactie, inclusief de vorming van malonyl-CoA, is: $$ 8 \text{acetyl-CoA} + 7 \text{ATP} + 14 \text{NADPH} + 14 \text{H}^+ \longrightarrow \text{palmitinezuur} + 8 \text{CoA-SH} + 7 \text{ADP} + 7 \text{Pi} + 14 \text{NADP}^+ + 6 \text{H}_2\text{O} $$ De energie-equivalente kosten van de synthese van één molecuul palmitinezuur worden geschat op ongeveer 35 ATP. ### 3.6.5 Synthese van kortere of vertakte vetzuren * **Kortere vetzuren:** Kortere vetzuren (minder dan 16 koolstofatomen) kunnen worden gevormd wanneer een oplosbaar thioesterase-enzym tussenkomt en de vetzuurketen van ACP afknipt voordat de volledige 16 koolstofatomen zijn opgebouwd. * **Vertakte vetzuren:** De synthese van vertakte vetzuren kan plaatsvinden wanneer precursor moleculen zoals methylmalonyl-CoA worden gebruikt. ### 3.6.6 Elongatie en desaturatie van vetzuren Na de initiële synthese kunnen vetzuren worden aangepast: * **Verlenging (elongatie):** Vetzuurketens, zoals palmitinezuur, kunnen worden verlengd door de toevoeging van acetyl-CoA eenheden. Dit proces vindt plaats aan het cytoplasmatische uiteinde van het endoplasmatisch reticulum (ER) en vereist NADPH als reductans. * **Desaturatie:** Het introduceren van dubbele bindingen in verzadigde vetzuren wordt desaturatie genoemd. Dit proces vindt ook plaats in het ER, gekatalyseerd door desaturase-enzymen. Bijvoorbeeld, stearoyl-CoA desaturase zet stearinezuur (C18:0) om in oleïnezuur (C18:1(9)). Dit proces vereist zuurstof en NADH of NADPH als waterstofdonor. Voorbeeld: Synthese van onverzadigde vetzuren * Palmitinezuur (16:0) $\rightarrow$ Palmitoleïnezuur (16:1(9)) * Stearinezuur (18:0) $\rightarrow$ Oleïnezuur (18:1(9)) Essentiële vetzuren zoals linolzuur en $\alpha$-linoleenzuur kunnen niet door het lichaam worden gesynthetiseerd en moeten uit de voeding komen. Deze kunnen vervolgens door elongatie en desaturatie worden omgezet in andere belangrijke vetzuren, zoals arachidonzuur. ## 3.7 Regulering van de vetzuursynthese De vetzuursynthese wordt strak gereguleerd om te voldoen aan de energiebehoeften van het lichaam. De belangrijkste regulatiestappen vinden plaats op het acetyl-CoA carboxylase (ACC) en het vetzuursynthasecomplex. ### 3.7.1 Allostere regulatie * **Citraat:** Een hoge concentratie citraat in het cytosol (wat aangeeft dat er voldoende acetyl-CoA en energiereserves zijn) allostere activeert ACC, en stimuleert zo de vetzuursynthese. * **Palmitoyl-CoA:** Een hoge concentratie palmitoyl-CoA (het eindproduct van de synthese) remt ACC allostere, wat negatieve feedback uitoefent op de synthese. ### 3.7.2 Covalente modificatie (fosforylering) * **AMP-kinase:** In tijden van energiegebrek (hoge AMP-niveaus) fosforyleert AMP-kinase ACC, wat leidt tot inhibitie van de vetzuursynthese. * **Insuline:** Een hoge bloedsuikerspiegel leidt tot insulinesecretie. Insuline bevordert de synthese van ACC en vetzuursynthase en activeert fosfatases die ACC demethyleren, waardoor de vetzuursynthese wordt gestimuleerd. * **Glucagon:** Een lage bloedsuikerspiegel leidt tot glucagonsecretie. Glucagon verhoogt de cAMP-niveaus, wat via cAMP-afhankelijk kinase leidt tot fosforylering en inhibitie van ACC. ### 3.7.3 Hormonale regulatie * **Insuline:** Bevordert de vetzuursynthese door het stimuleren van de expressie van genen voor ACC en vetzuursynthase, en door het deactiveren van ACC via demethylering. * **Glucagon/Adrenaline:** Remmen de vetzuursynthese door het activeren van de fosforylering van ACC. **Tip:** De regulering van de vetzuursynthese weerspiegelt de energetische status van de cel. In omstandigheden van hoge energielading (veel ATP, citraat) wordt vetzuursynthese gestimuleerd, terwijl bij lage energielading de afbraak van vetzuren (vetzuuroxidatie) wordt bevorderd. > **Tip:** Onthoud dat vetzuursynthese een anabolisch proces is dat NADPH en ATP verbruikt, terwijl vetzuuroxidatie katabolisch is en NADH en FADH$_2$ produceert. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Lipiden | Biologische moleculen die oplosbaar zijn in apolaire solventen en overwegend hydrofoob zijn. Ze zijn meestal afgeleid van vetzuren en spelen diverse rollen in het lichaam zoals energieopslag, structurele functies en signaaloverdracht. | | Triacylglycerol | Ook wel triglyceride genoemd; dit is de vorm waarin vetten hoofdzakelijk worden gestockeerd in het lichaam. Het is een ester van glycerol met drie vetzuren. | | Vetzuren | Lange koolwaterstofketens met aan het ene uiteinde een carboxylgroep. Ze kunnen verzadigd (geen dubbele bindingen) of onverzadigd (met één of meerdere dubbele bindingen) zijn. | | Cholesterol | Een type sterol dat een belangrijke component is van celmembranen en dient als precursor voor de synthese van steroïde hormonen, galzuren en vitamine D. | | Energiebron/reserve | Lipiden, met name triacylglycerolen, zijn een zeer efficiënte manier om energie op te slaan in het lichaam, veel efficiënter dan glycogeen. | | Structurele functie in de cel en in weefsels | Lipiden vormen de basiscomponenten van celmembranen (fosfolipiden en cholesterol) en dragen bij aan de structuur en integriteit van weefsels. | | Signaalmoleculen | Bepaalde lipiden, zoals fosfoinositiden en steroïden, fungeren als signaalmoleculen die betrokken zijn bij celcommunicatie en regulatie van fysiologische processen. | | Fysische barrière | Lipiden, opgeslagen als vet, bieden bescherming door schokken te absorberen en dienen als thermische isolatie, wat helpt bij het handhaven van de lichaamstemperatuur. | | Verzadigde vetzuren | Vetzuren die geen dubbele bindingen tussen de koolstofatomen in hun alifatische keten bevatten. Ze zijn vaak vast bij kamertemperatuur. | | Onverzadigde vetzuren | Vetzuren die één of meer dubbele bindingen bevatten in hun alifatische keten. Ze zijn vaak vloeibaar bij kamertemperatuur en komen vaak voor in cis-configuratie. | | Essentiële vetzuren | Vetzuren die het lichaam niet zelf kan synthetiseren en die via de voeding moeten worden verkregen. Voorbeelden zijn alfa-linoleenzuur (een omega-3 vetzuur) en linolzuur (een omega-6 vetzuur). | | Omega-3 vetzuur | Een type meervoudig onverzadigd vetzuur waarbij de eerste dubbele binding zich op de derde koolstofatoom vanaf de methyl-terminus bevindt. Wordt geassocieerd met gunstige effecten op hart- en vaatziekten. | | Omega-6 vetzuur | Een type meervoudig onverzadigd vetzuur waarbij de eerste dubbele binding zich op de zesde koolstofatoom vanaf de methyl-terminus bevindt. | | Arachidonzuur | Een omega-6 meervoudig onverzadigd vetzuur met 20 koolstofatomen en vier dubbele bindingen. Het is een precursor voor eicosanoïden. | | Eicosanoïden | Een groep signaalmoleculen afgeleid van arachidonzuur, waaronder prostaglandines, tromboxanen en leukotriënen. Ze spelen een rol bij inflammatie, bloedstolling en andere fysiologische processen. | | Neosynthese | Het proces van biochemische synthese van verbindingen in het lichaam, in deze context verwijzend naar de aanmaak van vetzuren uit niet-vetbronnen zoals suikers. | | Acetyl-CoA | Een molecuul dat een centrale rol speelt in het metabolisme. Het wordt gevormd uit de afbraak van koolhydraten, vetten en eiwitten, en is een belangrijke precursor voor vetzuursynthese en de citroenzuurcyclus. | | Pyruvaat dehydrogenase complex | Een enzymcomplex dat de irreversibele omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA katalyseert, een sleutelstap in de aerobe energiemetabolisme. | | Vetzuur synthase complex | Een groot, multifunctioneel enzymcomplex dat alle enzymatische stappen van de vetzuursynthese katalyseert, beginnend bij acetyl-CoA en malonyl-CoA tot langere vetzuurketens. | | Acyl carrier protein (ACP) | Een onderdeel van het vetzuur synthase complex dat een fosfopantetheïne-cofactor bevat en verantwoordelijk is voor het transporteren van de groeiende vetzuurketen tijdens de synthese. | | Fosfopantetheïne | Een derivaat van pantotheenzuur (vitamine B5) dat fungeert als een essentiële component van co-enzym A en acyl carrier protein (ACP) in vetzuurmetabolisme. | | Malonyl-CoA | Een 3-koolstof molecuul dat gevormd wordt uit acetyl-CoA door acetyl-CoA carboxylase. Het is de primaire C2-donor in de vetzuursynthese. | | Ketoacyl synthase (KS) | Een domein binnen het vetzuur synthase complex dat de eerste condensatiestap katalyseert, waarbij acetyl-CoA of een groeiende vetzuurketen wordt overgedragen aan malonyl-CoA. | | Thioesterase | Een enzym dat betrokken is bij het loskoppelen van de voltooide vetzuurketen van het acyl carrier protein (ACP) aan het einde van de vetzuursynthese. | | Palmitinezuur | Een verzadigd vetzuur met 16 koolstofatomen, het primaire product van de de novo vetzuursynthese bij de mens. | | Stearinezuur | Een verzadigd vetzuur met 18 koolstofatomen. | | Oleïnezuur | Een enkelvoudig onverzadigd vetzuur met 18 koolstofatomen en een dubbele binding op positie 9 (cis). | | Vetcel | Een cel die gespecialiseerd is in de opslag van vet (lipiden) in de vorm van lipidedruppels. Vetweefsel bestaat uit vetcellen. | | Wit vetweefsel | Het meest voorkomende type vetweefsel, dat voornamelijk dient voor energieopslag. Abdominaal vet wordt geassocieerd met verhoogde gezondheidsrisico's. | | Bruin vetweefsel | Een type vetweefsel dat gespecialiseerd is in het genereren van warmte door de oxidatie van vetzuren, een proces dat thermogenese wordt genoemd. | | Glucagon | Een hormoon dat wordt afgescheiden door de alvleesklier, dat de bloedsuikerspiegel verhoogt door de afbraak van glycogeen en gluconeogenese te stimuleren. Het remt vetzuursynthese. | | Insuline | Een hormoon dat wordt afgescheiden door de alvleesklier, dat de bloedsuikerspiegel verlaagt door de opname van glucose door cellen te bevorderen en de opslag van glucose als glycogeen te stimuleren. Het stimuleert vetzuursynthese. | | Stearoyl-CoA desaturase | Een enzymcomplex op het endoplasmatisch reticulum dat een verzadigd vetzuur (zoals stearinezuur) omzet in een enkelvoudig onverzadigd vetzuur (zoals oleïnezuur) door een dubbele binding te introduceren. |

# Algemene introductie tot lipiden Lipiden zijn een diverse groep moleculen die voornamelijk vetten en hun derivaten omvatten en essentiële rollen spelen in biologische systemen [4](#page=4). ### 1.1 Definitie en bouwstenen van lipiden Lipiden vormen een brede categorie van moleculen die in de biologische context hoofdzakelijk de algemene naam voor vetten dragen. De fundamentele bouwstenen van lipiden zijn vetzuren. Diverse lipidenklassen worden gedefinieerd door hun specifieke structurele kenmerken [4](#page=4): * **Triglyceriden (triacylglycerol):** Bestaan uit drie vetzuren gebonden aan een glycerol kern [4](#page=4). * **Fosfolipiden:** Kenmerken zich door twee vetzuren die gebonden zijn aan een fosfaatkern [4](#page=4). * **Lipiden met een steroïde kern:** Voorbeelden hiervan zijn cholesterol en zijn afgeleiden [4](#page=4). * **Complexe lipiden:** Dit zijn lipiden waarbij vetzuren gebonden zijn aan een koolhydraat- of proteïnekern [4](#page=4). ### 1.2 Functies van lipiden in het lichaam Lipiden vervullen een breed scala aan vitale functies binnen organismen [5](#page=5): * **Celmembraanstructuur:** Lipiden vormen de basisstructuur van celmembranen. Fosfolipiden, met hun hydrofiele koppen en hydrofobe staarten, organiseren zich in een dubbellaag, wat essentieel is voor de integriteit en functionaliteit van celmembranen [16](#page=16) [5](#page=5). * **Energieopslag:** Triglyceriden zijn de belangrijkste vorm van energieopslag in het lichaam. Vetcellen bestaan voor wel 95% uit triglyceriden. Ze bieden een geconcentreerde energiebron die indien nodig gemobiliseerd kan worden [14](#page=14) [5](#page=5). * **Thermische isolatie:** Opgeslagen vetten bieden ook thermische isolatie, waardoor de lichaamstemperatuur wordt gereguleerd [5](#page=5). * **Signaalfuncties:** Bepaalde lipiden fungeren als signaalmoleculen die betrokken zijn bij diverse cellulaire processen. Voorbeelden hiervan zijn plasmalogenen, polyisoprenoiden en eicosanoiden [5](#page=5). * **Metabole precursors:** Cholesterol is een precursor voor de synthese van belangrijke biomoleculen zoals vitamine D, steroïde hormonen en galzouten [5](#page=5). * **Myeline:** Lipiden vormen de basisstructuur van myeline, een isolerende laag rond zenuwcellen die zorgt voor snelle geleiding van zenuwimpulsen [5](#page=5). * **Elektrische isolatoren:** Naast de rol in myeline, fungeren lipiden als algemene elektrische isolatoren in het lichaam [5](#page=5). ### 1.3 Transport en opslag Lipiden worden in het bloed getransporteerd, voornamelijk gebonden aan lipoproteïnen, hoewel vrije vetzuren ook een beperkte rol spelen in dit transport. Triglyceriden zelf zijn niet amfifatisch, wat betekent dat ze geen micellen kunnen vormen, maar in plaats daarvan vetdruppels vormen voor opslag [14](#page=14) [5](#page=5). > **Tip:** Begrijp de relatie tussen de structurele kenmerken van verschillende lipidenklassen en hun specifieke functies. Bijvoorbeeld, de amfifatische aard van fosfolipiden verklaart hun rol in celmembranen, terwijl de hydrofobe aard van triglyceriden ze geschikt maakt voor energieopslag. --- # Classificatie en eigenschappen van vetzuren Vetzuren zijn organische verbindingen met een lange hydrofobe koolstofketen en een hydrofiele carboxylgroep, wiens structuur hun fysische eigenschappen bepaalt [6](#page=6). ### 2.1 Classificatie van vetzuren De classificatie van vetzuren is gebaseerd op vier hoofdkenmerken: de lengte van de koolstofketen, de aanwezigheid van enkele of meervoudige dubbele bindingen, de positie van deze dubbele bindingen, en of het essentiële vetzuren zijn [7](#page=7). #### 2.1.1 Classificatie op basis van ketenlengte Vetzuren worden ingedeeld op basis van de lengte van hun koolstofketen, variërend van zeer kort tot zeer lang [8](#page=8). * **Zeer korte keten en korte keten vetzuren:** * C2: acetaat (azijnzuur) [8](#page=8). * C3: propionaat (propionzuur) [8](#page=8). * C4: butyraat (boterzuur) [8](#page=8). * C5: isovaleriaat (valeriaanzuur) [8](#page=8). * C6: hexanoylaat [8](#page=8). * C8: octanoylaat [8](#page=8). * **Middellange keten en lange keten vetzuren:** * C10: decanoaat (caproaat) [8](#page=8). * C12: dodecanoaat (lauraat) [8](#page=8). * C14: tetradecanoaat (myristaat) [8](#page=8). * C16: hexadecanoaat (palmitaat) [8](#page=8). * C18: octadecanoaat (stearaat) [8](#page=8). * C20: eicosanoaat (arachidaat) [8](#page=8). * **Zeer lange keten vetzuren:** * C22: docosanoaat (behenaat) [8](#page=8). * C24: tetracosanoaat (lignoceraat) [8](#page=8). * C26: hexacosanoaat (cerotaat) [8](#page=8). #### 2.1.2 Classificatie op basis van verzadiging De aanwezigheid van dubbele bindingen tussen koolstofatomen in de keten bepaalt of een vetzuur verzadigd of onverzadigd is [9](#page=9). * **Verzadigde vetzuren:** Bevatten geen dubbele bindingen tussen koolstofatomen. Ze eindigen op "-aanzuur" of "-aat" [10](#page=10). * **Onverzadigde vetzuren:** Bevatten één of meerdere dubbele koolstof-koolstof bindingen (C=C). Ze krijgen de uitgang "-eenzuur", "-dieenzuur", of "-trieenzuur" [10](#page=10). * **Mono-onverzadigd:** Bevat één dubbele binding [9](#page=9). * **Poly-onverzadigd:** Bevat meerdere dubbele bindingen [9](#page=9). #### 2.1.3 Classificatie op basis van de plaats van dubbele bindingen De positie van de dubbele bindingen, geteld vanaf de carboxylgroep (COOH) of de methylgroep (ω), is een belangrijk classificatiekenmerk [10](#page=10). * **Δ-notatie (Delta-notatie):** * De carboxylgroep (COOH) wordt beschouwd als C1 [10](#page=10). * De Δ-notatie geeft de positie van de dubbele binding aan, bijvoorbeeld Δ9, wat betekent dat de dubbele binding begint bij het 9e koolstofatoom vanaf de COOH-kant [10](#page=10). * **ω-notatie (Omega-notatie):** * Deze notatie telt vanaf de methylgroep, het uiteinde tegenovergesteld aan de COOH-groep [10](#page=10). * De eerste koolstof aan deze kant wordt de omega-koolstof (ω) genoemd [10](#page=10). * Dit bepaalt de omega-classificatie, zoals ω-3, ω-6, of ω-9 [10](#page=10). #### 2.1.4 Verkorte notaties en benamingen Vetzuren kunnen op verschillende manieren worden aangeduid: 1. **Δ-notatie:** Geeft de startpositie van de dubbele binding aan vanaf de COOH-kant. Bijvoorbeeld, Δ9 betekent dat de dubbele binding begint op koolstof 9 [10](#page=10). 2. **ω-notatie:** Geeft de positie van de eerste dubbele binding aan vanaf het methyl-uiteinde. Bijvoorbeeld, ω6 betekent dat de eerste dubbele binding op C6 vanaf het methyl-uiteinde ligt [10](#page=10). 3. **Verkorte notatie (bv. C18:3):** Beschrijft het aantal koolstofatomen gevolgd door het aantal dubbele bindingen. C18:3 geeft dus een vetzuur aan met 18 koolstofatomen en 3 dubbele bindingen [10](#page=10). **Voorbeeld van benamingen:** | C-atomen | Naam (Systeemnaam) | Triviale naam | Verkorte Notatie | | :------- | :----------------- | :------------- | :--------------- | | 16 | Hexadecaanzuur | Palmitinezuur | | | 18 | Octadecaanzuur | Stearinezuur | | | 18:1 | Octadeceenzuur | Oleïnezuur | 18:1 (Δ9) | | 18:2 | Octadecadieenzuur | Linolzuur | | Oleïnezuur, bijvoorbeeld, heeft 18 koolstofatomen en een dubbele binding op C9. De IUPAC-naam is 9-octadeceenzuur, en de triviale naam is oleïnezuur [11](#page=11). ### 2.2 Fysische eigenschappen van vetzuren De structuur van vetzuren, met name de lengte en verzadiging van de koolstofketen, heeft een directe invloed op hun fysische eigenschappen. Hydrofobe structuren in een waterig milieu vormen een exergonisch proces. Hoewel een gedetailleerde tabel van fysische eigenschappen niet geleerd hoeft te worden, zijn de algemene principes essentieel [12](#page=12) [13](#page=13). ### 2.3 Essentiële vetzuren Essentiële vetzuren kunnen niet door het menselijk lichaam worden aangemaakt en moeten via de voeding worden opgenomen. Het menselijk lichaam kan geen dubbele bindingen (desaturatie) aanbrengen voorbij koolstof 9, geteld vanaf het COO-uiteinde [48](#page=48). * **Linolzuur:** Een ω-6 vetzuur met de structuur C-18:2, Δ9,12 [48](#page=48). * **Linoleenzuur:** Een ω-3 vetzuur met de structuur C-18:3, Δ9,12,15 [48](#page=48). Deze vetzuren worden voornamelijk verkregen uit plantaardige oliën en sommige vleessoorten [48](#page=48). Verdere metabolisatie via elongatie en desaturatie van linolzuur leidt tot arachidonzuur (AA; C-20:4, Δ5,8,11,14). Elongatie en desaturatie van linoleenzuur produceren eicosapentaeenzuur (EPA; C-20:5, Δ5,8,11,14,17). Zowel AA als EPA zijn precursors voor eicosanoïden, waaronder prostaglandines, tromborenen en leukotriënen. Visconsumptie is een belangrijke directe bron van EPA [48](#page=48). --- # Biosynthese en regulatie van vetzuren (lipogenese) Dit hoofdstuk beschrijft de *de novo* synthese van vetzuren, de sleutelrol van acetyl-CoA carboxylase (ACC), en de regulatiemechanismen op korte en lange termijn, beïnvloed door hormonen en metabolieten [23](#page=23) [24](#page=24). ### 3.1 De novo vetzuursynthese Lipogenese, of de *de novo* aanmaak van vetzuren, vindt voornamelijk plaats in de lever en vetcellen, maar kan in principe in veel celtypen voorkomen. Een overmaat aan koolhydraten triggert deze synthese. De nieuw gevormde vetzuren worden tijdelijk opgeslagen in intracellulaire vetdepots en vervolgens naar vetcellen getransporteerd. Vetzuursynthese is geen simpel omgekeerd proces van lipolyse; het omvat een multifunctioneel enzymcomplex (vetzuursynthase, FASN), vindt plaats in het cytosol tot palmitoyl-CoA (C16), en wordt gevolgd door elongatie of reductie in het gladde endoplasmatisch reticulum (ER). Dit proces vereist energie in de vorm van NADPH en de groeiende vetzuurketen blijft gekoppeld aan het Acyl Carrier Proteïne. De regulatie van dit proces wordt sterk beïnvloed door sterol regulatory element-binding proteins-1 (SREBP-1 en 1α) [25](#page=25). #### 3.1.1 Algemene stappen van vetzuursynthese Het algemene schema van vetzuursynthese dient gekend te zijn [26](#page=26). #### 3.1.2 Stap 1: Vorming van malonyl-CoA door Acetyl-CoA carboxylase (ACC) De eerste en een cruciale stap in de vetzuursynthese is de vorming van malonyl-CoA door Acetyl-CoA carboxylase (ACC). Er zijn twee isovormen van ACC: ACC1 in het cytoplasma, betrokken bij vetzuursynthese, en ACC2 in de mitochondriën, betrokken bij vetzuuroxidatie. De carboxylatie van acetyl-CoA tot malonyl-CoA vereist biotine (vitamine B7) als cofactor en verbruikt twee ATP-moleculen [27](#page=27) [28](#page=28). Acetyl-CoA, het substraat voor ACC, kan afkomstig zijn van verschillende bronnen, waaronder glucose via glycolyse, β-oxidatie van vetzuren, ketogene aminozuren, ketonen via ketolyse, en ethanol [28](#page=28). De aanvoer van substraat acetyl-CoA naar het cytosol, waar de vetzuursynthese plaatsvindt, gebeurt via de pyruvaat-citraat shuttle [29](#page=29). > **Tip:** De vorming van malonyl-CoA door ACC is de snelheidsbeperkende stap in de vetzuursynthese en een belangrijk regulatiepunt [27](#page=27). #### 3.1.3 Regulatie van ACC op korte termijn De regulatie van ACC vindt plaats op korte termijn via allosterische mechanismen en fosforylatie/defosforylatie [30](#page=30) [31](#page=31). 1. **Allosterische regulatie:** ACC1 wordt gesynthetiseerd als inactieve protomeren die door citraat worden omgezet in actieve polymeren. Citraat, een metaboliet uit de Krebs-cyclus, stimuleert dus ACC. Palmitoyl-CoA, het eindproduct van vetzuursynthese, remt ACC allosterisch [30](#page=30) [33](#page=33). 2. **Regulatie via fosforylatie/defosforylatie:** * **Hormonale regulatie:** Insuline stimuleert de defosforylatie en daarmee activering van ACC1, terwijl glucagon en adrenaline (epinefrine) fosforylatie en inhibitie van ACC1 induceren [31](#page=31) [33](#page=33). * **AMP-activated protein kinase (AMPK):** Bij een cellulair tekort aan ATP, wanneer de [AMP/ATP]-ratio stijgt, wordt AMPK geactiveerd. AMPK activeert malonyl-CoA decarboxylase en remt CPT-1, wat de mitochondriale vetzuuroxidatie activeert en de vetzuursynthese remt door fosforylatie van ACC1 [31](#page=31). * **Samenvatting regulatie ACC:** | Manier | Stimulatie | Inhibitie | | :-------------------- | :--------------------------------------- | :----------------------------------------- | | Allosterisch | Acetyl-CoA | Palmitoyl-CoA (vetzuren) | | Via fosforylatie | Insuline | Glucagon, Adrenaline, Hoog ATP cell (via AMPK) | | Inductie genexpressie | Hoog koolhydraatdieet | Hoog vetgehalte dieet, Vasten | #### 3.1.4 Regulatie van ACC op lange termijn Op lange termijn wordt de lipogenese gereguleerd door de inductie of repressie van de synthese van ACC1 en andere enzymen die betrokken zijn bij vetzuursynthese [32](#page=32). * De synthese van ACC1 wordt verhoogd bij een dieet met veel koolhydraten en weinig vet [32](#page=32) [33](#page=33). * De synthese van ACC1 wordt verlaagd bij een dieet met veel vet en weinig koolhydraten, en tijdens vasten [32](#page=32) [33](#page=33). * Insuline stimuleert de genexpressie van enzymen die betrokken zijn bij vetzuursynthese, terwijl glucagon deze genexpressie remt [32](#page=32). #### 3.1.5 Verdere stappen van vetzuursynthese Na de vorming van malonyl-CoA, worden verdere stappen uitgevoerd door het enzymcomplex vetzuursynthase (FASN). Het algemene principe van dit proces dient gekend te zijn [35](#page=35). * **Eerste cyclus:** Acetyl-CoA condenseert met malonyl-CoA om een C4-keten te vormen [35](#page=35). * **Volgende cycli:** Bij elke volgende stap worden er twee koolstofatomen aan de keten toegevoegd [35](#page=35). * Totaal zijn er zeven stappen nodig voor de productie van palmitaat (C16). Specifieke tussenstappen en enzymnamen zijn niet vereist [35](#page=35). > **Tip:** Vetzuursynthase wordt geactiveerd bij een hypercalorische voeding, met name bij een hoog koolhydraat-laag vetdieet. Het wordt geremd bij vasten of een hypocalorisch dieet, en ook bij een hoog vetdieet (mits niet hypercalorisch) [36](#page=36). ### 3.2 Regulatie van de lipogenese De regulatie van lipogenese is een complex samenspel van hormonale en metabolische signalen [39](#page=39). #### 3.2.1 Regeling door insuline Insuline, een anabool hormoon, stimuleert lipogenese op verschillende manieren. Het induceert de defosforylatie van acetyl-CoA carboxylase, waardoor dit enzym geactiveerd wordt. Insuline verhoogt de intracellulaire glucoseconcentratie, wat leidt tot meer pyruvaat via glycolyse, en daarmee meer ACC-activiteit. Het bevordert ook de synthese van glycerol-3-fosfaat, een essentieel substraat voor triacylglycerol (TG) synthese. In vetcellen activeert insuline pyruvaat dehydrogenase (PDH), wat de omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA bevordert, maar dit gebeurt niet in de lever. Bovendien inhibeert insuline lipolyse, wat leidt tot een afname van vrije vetzuren. Dit heeft een indirect effect doordat vrije vetzuren een remmende factor voor lipogenese zijn [40](#page=40) [41](#page=41). #### 3.2.2 Transport van acetyl-CoA naar cytosol Acetyl-CoA wordt gevormd in de mitochondriën, maar de vetzuursynthese vindt plaats in het cytosol. De malaatshuttle is een belangrijk mechanisme om acetyl-CoA over de mitochondriale membraan te transporteren. Algemene principes van dit transport dienen gekend te zijn [28](#page=28) [42](#page=42). #### 3.2.3 Interactie tussen substraten en postprandiale stimulatie Lipogenese wordt gestimuleerd in de postprandiale fase. Inhibitie van lipogenese treedt op door de aanwezigheid van palmitoyl-CoA of vrije vetzuren. Algemene principes van de interactie tussen verschillende substraten zijn relevant [41](#page=41) [43](#page=43). ### 3.3 Verdere modulatie van vetzuren Na de *de novo* synthese kunnen vetzuren verder gemoduleerd worden door verlenging (elongatie) en desaturatie [44](#page=44). #### 3.3.1 Vetzuurverlenging (elongatie) Vetzuurverlenging vindt plaats in het gladde ER en, omgekeerd, in de mitochondriën [45](#page=45) [46](#page=46). * **Vetzuur elongase in ER:** Er zijn zeven verschillende elongases (ELOV 1-7) actief in het gladde ER. Het substraat hiervoor zijn verzadigde vetzuurketens van 10 of meer koolstofatomen (C's) en onverzadigde vetzuren (OVVZ). Very-long-chain vetzuren (22-24 C's) worden voornamelijk in de hersenen aangemaakt en vormen de basis voor sfingolipiden [46](#page=46). * **Mitochondriale elongatie:** Dit proces lijkt op een omgekeerde β-oxidatie en is NADH-afhankelijk, met acetyl-CoA als bron van twee C's. Het substraat zijn hier korte en middellange vetzuren (< 16 C's) [46](#page=46). > **Tip:** Algemene principes van vetzuurverlenging dienen gekend te zijn, maar specifieke tussenstappen en enzymnamen zijn niet vereist [46](#page=46). #### 3.3.2 Desaturatie van vetzuren Desaturatie vindt plaats in het ER en introduceert dubbele bindingen in vetzuurketens. Meestal gebeurt dit tussen C9 en C10, wat resulteert in Δ9-desaturaties. Een bekend voorbeeld is de omzetting van stearaat (C18:0) naar oliezuur (C18:1, Δ9) [45](#page=45) [47](#page=47). > **Tip:** Het is belangrijk te weten dat er geen dubbele bindingen verder dan C9 kunnen worden gevormd door menselijke enzymen. Algemene principes van desaturatie zijn relevant, maar specifieke tussenstappen en enzymnamen zijn niet vereist [47](#page=47). ### 3.4 Klinische implicaties en voedingspatronen Humane cellen kunnen vetzuren met een even aantal koolstofatomen *de novo* opbouwen. Vetzuren met een oneven aantal koolstofatomen zijn dus afkomstig uit de voeding, met name uit zuivelproducten, als gevolg van bacteriële metabolisatie en fermentatieprocessen [49](#page=49). * **Insulinedeficiënte toestanden:** Bij een insulinedeficiëntie, zoals bij ontregelde diabetes type 1 (T1DM), treedt inhibitie van lipogenese op en is er een vrijstelling van vrije vetzuren [49](#page=49). * **Vrije vetzuren en hepatische lipogenese:** Er is een omgekeerde relatie tussen vrije vetzuren in plasma en hepatische lipogenese [49](#page=49). * **Koolhydraatarme, vetrijke diëten:** Deze diëten hebben een fysiologische verklaring voor hun effect op lipiden in serum [49](#page=49). * **Effect van sucrose:** Het effect van sucrose-inname op lipogenese, vergeleken met glucose-inname, is ook relevant [49](#page=49). --- # Synthese, stapeling en afbraak van triglyceriden Dit onderwerp behandelt de synthese van triglyceriden en fosfolipiden, hun opslag en mobilisatie in vetcellen, en de rol van lipasen in deze processen, evenals klinische implicaties [51](#page=51). ### 4.1 Synthese van triglyceriden en fosfolipiden Het doel van de synthese van triglyceriden en fosfolipiden is het opslaan van vetzuren voor later gebruik als energiebron, of voor verwerking tot fosfolipiden en andere afgeleide lipidenmoleculen. Triglyceriden worden aangemaakt door een reeks enzymatische stappen, waarbij fosfatidaat (PA) een centrale rol speelt in de vorming van zowel triglyceriden als fosfolipiden. Fosfatidaat ontstaat door de opeenvolgende acylering van glycerol-3-fosfaat [51](#page=51) [53](#page=53). #### 4.1.1 Mechanismen en locaties van triglyceridensynthese Verschillende weefsels hebben specifieke voorkeuren voor de synthese van triglyceriden: 1. **Slijmvliescellen van de dunne darm:** Vetzuren en monacylglycerolen die afkomstig zijn uit de voeding worden veresterd tot triglyceriden. Dit gebeurt via de enzymen MOGAT2 en DGAT2. Vervolgens worden deze triglyceriden verpakt in chylomicronen voor transport [54](#page=54). 2. **De lever:** De lever kan triglyceriden synthetiseren uit *de novo* vetzuursynthese en uit vetzuren die afkomstig zijn van chylomicron-restanten. Deze worden vervolgens ingebouwd in VLDL-deeltjes (Very Low-Density Lipoproteins) [54](#page=54). 3. **Vetcellen:** Na een maaltijd nemen vetcellen grote hoeveelheden monacylglycerolen, vetzuren en glucose op. Vetcellen kunnen ook *de novo* vetzuren synthetiseren om triglyceriden te vormen [54](#page=54). #### 4.1.2 Klinische implicaties van triglyceridensynthese Mutaties in het gen dat codeert voor AGPAT2, een enzym betrokken bij de synthese van fosfatidaat, kunnen leiden tot congenitale volledige lipodystrofie. Dit is een aandoening waarbij er een afwezigheid is van onderhuids vetweefsel [55](#page=55). ### 4.2 Opslag en mobilisatie van triglyceriden in vetcellen Vetcellen (adipocyten) fungeren als een strategische reserve van energie. Triglyceriden worden opgeslagen in deze cellen en kunnen worden gemobiliseerd voor energiegebruik wanneer dat nodig is, zoals tijdens perioden van vasten of verhoogde energiebehoefte [52](#page=52). #### 4.2.1 Rol van lipasen bij de afbraak van triglyceriden De afbraak van triglyceriden in vetcellen wordt gereguleerd door lipasen. Dit proces is cruciaal voor de vrijgave van vetzuren en glycerol in de bloedbaan. * **Nuchtere status:** In een nuchtere toestand en bij stimulatie door adrenaline wordt de afbraak van triglyceriden bevorderd [56](#page=56). * **Postprandiale status:** Na een maaltijd wordt de afbraak van triglyceriden geremd door insuline [56](#page=56). * **Hormoon-sensitief lipase (HSL):** De omzetting van diglyceriden (DG) naar monoglyceriden (MG) door de activatie van HSL is de snelheidsbepalende stap in de afbraak van triglyceriden. HSL is een belangrijk enzym dat betrokken is bij de mobilisatie van opgeslagen vetten [56](#page=56) [57](#page=57). De belangrijkste lipasen die betrokken zijn bij de afbraak van triglyceriden zijn: * **ATGL** (Adipose Triglyceride Lipase): Verantwoordelijk voor de initiële stap van TG naar DG en vrije vetzuren [57](#page=57). * **HSL** (Hormoon-sensitief Lipase): Katalyseert de omzetting van DG naar MG en vrije vetzuren [57](#page=57). * **MGL** (Monoacylglycerol Lipase): Hydrolyseert monoglyceriden tot glycerol en het derde vrije vetzuur [57](#page=57). Perilipinen, zoals PLIN 1, spelen een rol bij het reguleren van de toegang van lipasen tot de vetvacuole waarin triglyceriden zijn opgeslagen. ABHD5 is ook geïdentificeerd als een factor die betrokken is bij de lipolyse [57](#page=57). > **Tip:** Hoewel de namen van de meeste lipasen niet uit het hoofd geleerd hoeven te worden, is het cruciaal om de rol van HSL te kennen en te begrijpen dat de activatie ervan de snelheidsbepalende stap is in de mobilisatie van opgeslagen vetten [56](#page=56) [57](#page=57). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Lipiden | Algemene naam voor vetten en vetachtige stoffen. Ze vormen een diverse groep organische verbindingen die onoplosbaar zijn in water maar oplosbaar in organische oplosmiddelen. | | Vetzuren | Basis bouwstenen van lipiden. Dit zijn organische zuren met een lange hydrofobe koolstofketen en een hydrofiele carboxylgroep. | | Triglyceriden | Ook wel triacylglycerol genoemd. Dit zijn esters van glycerol met drie vetzuren. Ze zijn de belangrijkste vorm van energieopslag in het lichaam. | | Fosfolipiden | Lipiden die een fosfaatgroep bevatten, naast twee vetzuren gebonden aan een kern (meestal glycerol). Ze zijn een essentiële component van celmembranen. | | Cholesterol | Een type steroïde lipide dat essentieel is voor celmembranen en een precursor is voor steroïde hormonen, vitamine D en galzuren. | | Hydrofobe | Een eigenschap die aangeeft dat een stof water afstoot, vaak vanwege de apolaire aard van de moleculen. | | Apolaire | Een molecuul zonder significante dipoolmoment, wat betekent dat de elektrische ladingen gelijkmatig verdeeld zijn. | | Hydrofiele | Een eigenschap die aangeeft dat een stof water aantrekt, vaak vanwege de polaire aard van de moleculen. | | Polaire | Een molecuul met een dipoolmoment, wat betekent dat er een ongelijke verdeling van elektrische ladingen is, met een positieve en een negatieve pool. | | Verzadigd vetzuur | Een vetzuur dat geen dubbele koolstof-koolstofbindingen in de koolstofketen bevat. De koolstofatomen zijn verzadigd met waterstofatomen. | | Onverzadigd vetzuur | Een vetzuur dat één of meerdere dubbele koolstof-koolstofbindingen in de koolstofketen bevat. | | Mono-onverzadigd vetzuur | Een onverzadigd vetzuur met slechts één dubbele koolstof-koolstofbinding. | | Poly-onverzadigd vetzuur | Een onverzadigd vetzuur met twee of meer dubbele koolstof-koolstofbindingen. | | Carboxylgroep | Een functionele groep in organische chemie, bestaande uit een carbonylgroep (C=O) en een hydroxylgroep (-OH). Wordt vaak weergegeven als -COOH. | | De novo lipogenese | Het proces van de aanmaak van vetzuren vanuit niet-lipide precursors, zoals koolhydraten. | | Acetyl-CoA | Een molecuul dat een centrale rol speelt in het metabolisme, met name in de citroenzuurcyclus en vetzuursynthese. | | Malonyl-CoA | Een intermediair in de vetzuursynthese, gevormd uit acetyl-CoA door het enzym acetyl-CoA carboxylase. | | Lipolyse | Het afbreken van triglyceriden tot glycerol en vrije vetzuren. | | Elongatie | Het proces waarbij de koolstofketen van een vetzuur wordt verlengd. | | Desaturatie | Het proces waarbij dubbele bindingen in de koolstofketen van een vetzuur worden geïntroduceerd. | | Essentiële vetzuren | Vetzuren die het lichaam niet zelf kan aanmaken en daarom via de voeding moeten worden opgenomen. | | Triglyceriden synthase | Een enzym dat betrokken is bij de synthese van triglyceriden. | | Lipasen | Enzymen die vetten (triglyceriden) afbreken tot glycerol en vetzuren. | | Hormoon-sensitief lipase (HSL) | Een belangrijk lipase dat betrokken is bij de afbraak van triglyceriden in vetcellen, gestimuleerd door hormonen zoals adrenaline. | | Adipose triglyceride lipase (ATGL) | Een enzym dat de initiële stap van triglyceridenhydrolyse katalyseert in vetweefsel. | | Monoacylglycerol lipase (MGL) | Een enzym dat de laatste stap in de afbraak van triglyceriden katalyseert, door monoglyceriden af te breken. |

# Triacylglycerolsynthese in de lever Triacylglycerolsynthese (TAG-synthese) in de lever is een cruciaal proces voor de opslag van vetzuren en de regulatie van lipideniveaus in het bloed, waarbij vetzuren geactiveerd worden en glycerol als bouwsteen dient. ### 1.1 Bronnen van vetzuren en glycerol * **Vetzuren:** Vetzuren die beschikbaar zijn voor TAG-synthese zijn afkomstig uit de voeding (via de bloedbaan) of uit het koolhydraatmetabolisme (via acetyl-CoA). * **Glycerol:** De voornaamste bron van glycerol voor TAG-synthese is glycerol-3-fosfaat. Dit kan op twee manieren worden verkregen: 1. **Glycerol kinase:** Glycerol wordt direct gefosforyleerd door glycerol kinase, met gebruik van ATP, tot glycerol-3-fosfaat. `glycerol + ATP \xrightarrow{glycerol \, kinase} glycerol-3-fosfaat + ADP` 2. **Glycerol-3-fosfaat dehydrogenase:** Dihydroxyacetonfosfaat kan worden gereduceerd tot glycerol-3-fosfaat door glycerol-3-fosfaat dehydrogenase, waarbij NADH wordt geoxideerd tot NAD$^+$. `dihydroxyacetonfosfaat + NADH + H^+ \xrightarrow{glycerol-3-fosfaat \, dehydrogenase} glycerol-3-fosfaat + NAD^+` ### 1.2 Activering van vetzuren Vetzuren moeten eerst geactiveerd worden tot acyl-CoA intermediairen alvorens ze kunnen worden ingebouwd in triacylglycerolen. Dit gebeurt met behulp van ATP en CoA-SH. `vetzuur + CoA-SH + ATP \xrightarrow{acyl-CoA \, synthase} acyl-CoA + AMP + pyrofosfaat + H_2O` Het gevormde pyrofosfaat wordt vervolgens gehydrolyseerd tot twee fosfaatmoleculen door pyrofosfatase, wat de reactie energetisch gunstiger maakt. `pyrofosfaat + H_2O \xrightarrow{pyrofosfatase} 2 \, fosfaat` ### 1.3 Stappen van TAG-synthese in het Endoplasmatisch Reticulum TAG-synthese vindt plaats op het Endoplasmatisch Reticulum en verloopt via een reeks acyleringstappen, waarbij glycerol-3-fosfaat als startmolecuul dient. Er worden twee hoofdroutes beschreven: #### 1.3.1 Route 1: Via glycerol-3-fosfaat Deze route begint met glycerol-3-fosfaat: 1. **Eerste acylering:** Glycerol-3-fosfaat wordt geacyleerd met een acyl-CoA molecuul, gevormd door een acyltransferase, tot lysofosfatidinezuur. `glycerol-3-fosfaat + acyl-CoA \rightarrow lysofosfatidinezuur + CoA` 2. **Tweede acylering:** Lysofosfatidinezuur wordt opnieuw geacyleerd met een tweede acyl-CoA molecuul, eveneens door een acyltransferase, tot fosfatidinezuur. `lysofosfatidinezuur + acyl-CoA \rightarrow fosfatidinezuur + CoA` 3. **Dephosphorylering:** Fosfatidinezuur (een fosfolipide) wordt gedephosphoryleerd door een fosfatase tot diacylglycerol. `fosfatidinezuur \xrightarrow{fosfatase} diacylglycerol + fosfaat` 4. **Derde acylering:** Diacylglycerol wordt de derde acylering ondergaan met een derde acyl-CoA molecuul door diacylglycerol acyltransferase (DGAT) tot triacylglycerol. `diacylglycerol + acyl-CoA \xrightarrow{DGAT} triacylglycerol + CoA` #### 1.3.2 Route 2: Via dihydroxyacetonfosfaat Een alternatieve route maakt gebruik van dihydroxyacetonfosfaat als directe bron voor de eerste acylering: 1. **Acylering van dihydroxyacetonfosfaat:** Dihydroxyacetonfosfaat wordt geacyleerd met een acyl-CoA molecuul tot acyldihydroxyacetonfosfaat. `dihydroxyacetonfosfaat + acyl-CoA \rightarrow acyldihydroxyacetonfosfaat + CoA` 2. **Reductie en acylering:** Dit intermediair wordt vervolgens gereduceerd en geacyleerd, wat uiteindelijk leidt tot de vorming van fosfatidinezuur. De precieze stappen na de eerste acylering kunnen variëren, maar resulteren in fosfatidinezuur, waarna de synthese via stap 3 en 4 van Route 1 verdergaat. > **Tip:** Beide routes leiden tot de vorming van fosfatidinezuur, een centraal intermediair in de synthese van fosfolipiden en triacylglycerolen. ### 1.4 Specifieke TAG-synthese en regulatie De acyltransferasen die betrokken zijn bij de eerste twee acyleringstappen hebben een beperkte specificiteit, wat betekent dat de uiteindelijke samenstelling van vetzuren in de TAG-molecuul niet strikt gecontroleerd wordt op dit niveau. Voor de synthese van specifieke TAG's met een bepaalde vetzuursamenstelling is gerichte hersynthese nodig, bijvoorbeeld in de darm via pancreas lipase en acylCoA-monoacylglycerol acyltransferase. ### 1.5 Energetisch aspect van TAG-synthese De synthese van een triacylglycerolmolecuul is energetisch kostbaar. De energiebehoefte kan worden geanalyseerd door de equivalens van ATP te tellen die nodig is voor de activering van vetzuren en de vorming van glycerol-3-fosfaat. * Vorming van glycerol-3-fosfaat uit glycerol: 1 ATP $\rightarrow$ 1 ADP * Activering van drie vetzuren tot acyl-CoA: $3 \times$ (1 ATP $\rightarrow$ 1 AMP + 2 P$i$). De omzetting van ATP naar AMP vereist twee energiefosfaatbindingen (equivalent met 2 ATP). Dus: $3 \times 2$ ATP equivalens. * De synthese van glycerol-3-fosfaat en de drie acyl-CoA's vereist dus een totaal equivalent van $1 + (3 \times 2) = 7$ ATP-equivalens. > **Tip:** Het proces van energiewinst uit TAG's is het omgekeerde: eerst worden TAG's afgebroken door lipasen tot glycerol en vetzuren, waarna glycerol via gluconeogenese of glycolyse energie kan leveren, en vetzuren via $\beta$-oxidatie worden afgebroken tot acetyl-CoA. ### 1.6 Rol van de lever in TAG-metabolisme De lever is een belangrijke site voor de synthese van triacylglycerolen. De lever produceert TAG's die vervolgens worden verpakt in Very Low-Density Lipoproteins (VLDL) en de bloedbaan in worden gestuurd om vetweefsel te voorzien van energieopslag. Hypertriglyceridemie, een teveel aan TAG's in het bloed, kan leiden tot cardiovasculaire aandoeningen. ### 1.7 Vergelijking met opslag in vetweefsel Wit vetweefsel kan tot 90% van zijn gewicht aan TAG's opslaan. Echter, deze opslag is niet voor onbepaalde tijd; de TAG-moleculen worden continu opgebouwd en afgebroken, met een halfwaardetijd van enkele dagen. De lever dient dus als een centrale fabriek voor de productie van TAG's voor algemeen gebruik in het lichaam. --- # Opslag en mobilisatie van vetzuren Dit onderwerp onderzoekt de opslag van vetzuren als triacylglycerolen (TAGs) en hun daaropvolgende mobilisatie voor energieproductie. ### 2.1 Opslag van vetzuren als triacylglycerolen (TAGs) Vetzuren worden opgeslagen in de vorm van triacylglycerolen, voornamelijk in vetweefsel. Verschillende weefsels, zoals hart en skeletspieren, hebben eigen reserves aan TAGs voor direct gebruik. De voornaamste synthese van TAGs vindt echter plaats in de lever en vetweefsel, met behulp van enzymen op het endoplasmatisch reticulum. Wit vetweefsel kan tot negentig procent van zijn gewicht aan TAGs opslaan. Het is belangrijk te realiseren dat dit vet continu wordt opgebouwd en afgebroken, met een halfwaardetijd van een TAG-molecuul in wit vetweefsel van enkele dagen. #### 2.1.1 TAG-synthese in de lever De aanvoer van vetzuren voor TAG-synthese kan afkomstig zijn uit de voeding via de bloedbaan of uit koolhydraatmetabolisme. Vetzuren worden eerst geactiveerd tot acyl-CoA intermediairen met behulp van ATP en CoA-SH, gekatalyseerd door acyl-CoA synthetase. De reactie hiervoor is: $$ \text{Vetzuren} + \text{CoA-SH} + \text{ATP} \longrightarrow \text{Acyl-CoA} + \text{AMP} + \text{pyrofosfaat} + \text{H}_2\text{O} $$ Het pyrofosfaat wordt vervolgens gehydrolyseerd door pyrofosfatase. De bron van glycerol voor TAG-synthese is glycerol-3-fosfaat. Dit kan op twee manieren worden verkregen: 1. Via glycerol kinase: $$ \text{Glycerol} + \text{ATP} \longrightarrow \text{Glycerol-3-fosfaat} + \text{ADP} $$ 2. Via glycerol-3-fosfaat dehydrogenase: $$ \text{Dihydroxyaceton-fosfaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ \rightleftharpoons \text{Glycerol-3-fosfaat} + \text{NAD}^+ $$ De synthese van TAGs verloopt vervolgens via de volgende stappen: * Glycerol-3-fosfaat reageert met acyl-CoA tot lysofosfatidinezuur. * Lysofosfatidinezuur reageert met een tweede acyl-CoA tot fosfatidinezuur. * Fosfatidinezuur wordt gedefosforyleerd tot diacylglycerol. * Diacylglycerol reageert met een derde acyl-CoA tot triacylglycerol. Dit laatste wordt gekatalyseerd door diglyceride acyltransferase (DGAT). Een alternatieve route is de directe synthese van lysofosfatidinezuur vanuit dihydroxyaceton-fosfaat. #### 2.1.2 Energetisch aspect van TAG-synthese De synthese van TAGs vereist energie. De omzetting van glycerol naar glycerol-3-fosfaat kost één ATP. De activatie van elk vetzuur tot acyl-CoA kost equivalent aan twee ATP (via ATP -> AMP + 2P$_i$). Voor de vorming van één TAG-molecuul uit glycerol-3-fosfaat en drie acyl-CoA-moleculen is dus energie nodig die equivalent is aan 7 ATP. $$ \text{Totale energie nodig voor 1 TAG} \approx \text{equivalent van 7 ATP} $$ #### 2.1.3 Specificiteit van vetzuurverestering De acyltransferasen die betrokken zijn bij de synthese van TAGs hebben een zeer beperkte specificiteit, wat betekent dat er weinig controle is op de specifieke vetzuren die in een TAG-molecuul worden ingebouwd. Voor de synthese van specifieke TAGs is gerichte hersynthese nodig. #### 2.1.4 TAG-synthese in de darm (exogene pathway) In de darm worden ingenomen TAGs door pancreaslipase afgebroken tot glycerol en vetzuren. Deze vetzuren worden vervolgens opgenomen door enterocyten en geheresterificeerd tot TAGs. De opname van vetzuren in vrije vorm is niet mogelijk; ze worden getransporteerd, vaak gebonden aan albumine, voordat ze de cel kunnen binnengaan. De heresterificatie in enterocyten gebeurt via acyl-CoA:monoacylglycerol acyltransferase en diacylglycerol acyltransferase. > **Tip:** TAG's worden in de bloedbaan getransporteerd als onderdeel van lipoproteïnen zoals chylomicronen. ### 2.2 Mobilisatie van vetzuren uit triacylglycerolen De belangrijkste functie van vetweefsel is het opslaan van energie in de vorm van TAGs. Bij behoefte aan energie worden deze TAGs gemobiliseerd via lipolyse. #### 2.2.1 Lipolyse: afbraak van TAGs De eerste stap in de mobilisatie van vetzuren uit TAGs is de hydrolyse van de esterbindingen door lipasen. Dit proces levert glycerol en drie vrije vetzuren op. $$ \text{TAG} \xrightarrow{\text{Lipasen}} \text{Glycerol} + 3 \text{ Vetzuren} $$ De vrijgestelde vetzuren worden in het bloed gebonden aan albumine en getransporteerd naar weefsels die ze voor energieproductie kunnen gebruiken via $\beta$-oxidatie. Glycerol wordt door de lever omgezet tot dihydroxyaceton-fosfaat, dat kan worden gebruikt in de glycolyse of gluconeogenese. #### 2.2.2 Regulatie van lipolyse De lipolyse wordt strikt gereguleerd. De snelheidsbepalende stap is de activiteit van het hormoongevoelig lipase (HSL). De afbraak van TAGs vindt sequentieel plaats: 1. TAG wordt door triglyceride lipase (ook wel desnutrin/ATGL genoemd) afgebroken tot diacylglycerol (DAG) en een vetzuur. 2. DAG wordt door hormoongevoelig lipase (HSL) afgebroken tot monoacylglycerol (MAG) en een vetzuur. 3. MAG wordt door monoacylglycerol lipase afgebroken tot glycerol en een vetzuur. Dit laatste enzym is zeer snel en niet hormonaal gereguleerd. De activiteit van HSL staat onder controle van hormonen. Hormonen zoals adrenaline en noradrenaline stimuleren lipolyse door de intracellulaire concentratie van cyclisch AMP (cAMP) te verhogen. Dit activeert proteïne kinase A (PKA), die op zijn beurt HSL fosforyleert en activeert. Ook perilipine, een eiwit dat de lipidendruppels in vetcellen omhult, wordt gefosforyleerd door PKA. Gefosforyleerd perilipine trekt geactiveerd HSL aan naar de vetdruppel, wat de lipolyse faciliteert. Insuline daarentegen remt lipolyse. Het activeert fosfodiësterase 3B (PDE3B), dat cAMP afbreekt, waardoor PKA minder actief is. Daarnaast activeert insuline fosfatasen (zoals PP1) die HSL kunnen defosforyleren en deactiveren. > **Voorbeeld:** Glucagon wordt vrijgegeven bij lage bloedsuikerspiegels, wat een signaal is voor een lage energiebalans. Glucagon stimuleert lipolyse, waardoor vetzuren als brandstof vrijkomen. Insuline, dat vrijkomt bij hoge bloedsuikerspiegels, heeft het tegenovergestelde effect en remt lipolyse. > **Tip:** De regulatie van lipolyse is cruciaal voor het handhaven van de energietoevoer naar weefsels tijdens periodes van vasten of verhoogde energiebehoefte. Te veel TAGs in het bloed (hyperlipidemieën) kunnen gezondheidsproblemen veroorzaken. --- # Energetische aspecten van triacylglycerolsynthese De synthese van triacylglycerolen (TAGs) uit vetzuren en glycerol vereist een specifieke energie-investering, voornamelijk uitgedrukt in de verbruik van ATP. ### Energiebehoefte per vetzuuractivatie Voor de incorporatie van een vetzuur in een TAG-molecuul moeten vetzuren eerst geactiveerd worden tot acyl-CoA intermediairen. Deze activatie vindt plaats op het endoplasmatisch reticulum en vereist de hydrolyse van één ATP-molecuul tot AMP en twee pyrofosfaatgroepen ($2P_i$). De reactie is als volgt: $$ \text{vetzuur} + \text{CoA-SH} + \text{ATP} \rightarrow \text{acyl-CoA} + \text{AMP} + 2P_i + H_2O $$ Dit proces wordt gekatalyseerd door het enzym acyl-CoA synthase. De vorming van AMP uit ATP kan worden gezien als equivalent aan het verbruik van twee ATP-moleculen, aangezien de omzetting van AMP naar ADP ook energie vereist ($ \text{AMP} + \text{ATP} \rightarrow 2 \text{ADP} $). ### Energiebehoefte voor glycerol-3-fosfaat De glycerolcomponent van TAGs wordt ook geactiveerd alvorens te worden ingebouwd. Glycerol wordt omgezet naar glycerol-3-fosfaat. Er zijn twee belangrijke wegen die daartoe leiden: 1. **Via glycerol kinase:** Glycerol wordt met behulp van ATP gefosforyleerd tot glycerol-3-fosfaat. $$ \text{glycerol} + \text{ATP} \rightarrow \text{glycerol-3-fosfaat} + \text{ADP} $$ Dit kost één ATP-molecuul. 2. **Via dihydroxyacetonfosfaat:** Dihydroxyacetonfosfaat, een intermediair uit de glycolyse, kan worden gereduceerd tot glycerol-3-fosfaat. $$ \text{dihydroxyacetonfosfaat} + \text{NADH} + H^+ \rightleftharpoons \text{glycerol-3-fosfaat} + \text{NAD}^+ $$ Deze weg is energetisch neutraal wat betreft directe ATP-verbruik of -productie voor de omzetting zelf, maar vereist de beschikbaarheid van NADH. ### Totaal energieverbruik per TAG-molecuul Om één triacylglycerolmolecuul te synthetiseren, zijn er dus drie geactiveerde vetzuren (acyl-CoA) en één glycerol-3-fosfaat nodig. Rekening houdend met de activatie van de vetzuren en de fosforylering van glycerol, bedraagt de totale energiebehoefte: * Activatie van 3 vetzuren: $3 \times (\text{equivalent van 2 ATP}) = 6 \text{ ATP}$ * Fosforylering van glycerol: $1 \times \text{ATP} = 1 \text{ ATP}$ Het totale energieverbruik voor de synthese van één TAG-molecuul, uitgedrukt in ATP-equivalenten, is dus **7 ATP-moleculen**. > **Tip:** De berekening van 7 ATP gaat ervan uit dat glycerol wordt gefosforyleerd met glycerol kinase. Als dihydroxyacetonfosfaat de bron is, kan de directe ATP-investering lager zijn, afhankelijk van de metabolische route die leidt tot dihydroxyacetonfosfaat. ### Voorbeeld: Synthese van tri-palmitoylglycerol Wanneer we de synthese van een specifiek TAG, zoals tri-palmitoylglycerol (gevormd uit glycerol en drie moleculen palmitinezuur), beschouwen, kan het totale energieverbruik aanzienlijk zijn. De synthese van 24 moleculen acetyl-CoA kan leiden tot de productie van drie moleculen palmitinezuur, wat op zijn beurt een energie-investering van ongeveer 35 ATP per palmitinezuurmolecuul vereist via bèta-oxidatie en citroenzuurcyclus. De daaropvolgende TAG-synthese vereist dan de reeds berekende 7 ATP. Het totale energieverbruik om 24 moleculen acetyl-CoA om te zetten naar drie moleculen palmitinezuur en vervolgens te integreren in een TAG-molecuul met glycerol, zou theoretisch rond de 112 ATP-moleculen kunnen liggen. Dit illustreert de aanzienlijke energie die nodig is voor de opslag van vet. ### Energiewinst bij afbraak Het omgekeerde proces, de afbraak van triacylglycerolen (lipolyse), stelt deze vetzuren en glycerol vrij om als energiebron te dienen, voornamelijk via bèta-oxidatie van de vetzuren en de glycolyse of gluconeogenese van glycerol. Dit benadrukt de rol van TAGs als een efficiënte energiereserve. --- # Regulatie van lipolyse Regulatie van lipolyse Deze sectie behandelt de enzymen en hormonen die de afbraak van triacylglycerolen (TAGs), oftewel lipolyse, reguleren, met een focus op hormoongevoelig lipase (HSL). ## 4. Regulatie van lipolyse Lipolyse is het proces waarbij triacylglycerolen (TAGs) worden afgebroken tot glycerol en vrije vetzuren. Dit proces is cruciaal voor de energievoorziening van het lichaam, met name in periodes van energiebehoefte, zoals vasten of fysieke inspanning. De vrijgekomen vetzuren worden getransporteerd naar verschillende weefsels voor oxidatie, terwijl glycerol kan worden gebruikt voor gluconeogenese of glycolyse. ### 4.1 Enzymen die TAG-afbraak reguleren De afbraak van TAGs vindt plaats in een stapsgewijs proces waarbij drie verschillende lipasen betrokken zijn: 1. **Triglyceride lipase (ATGL of desnutrin)**: Dit enzym katalyseert de eerste stap, de hydrolyse van TAGs tot diacylglycerolen (DAGs) en een vrij vetzuur. ATGL is de belangrijkste regulator van de lipolyse in vetweefsel. 2. **Hormoongevoelig lipase (HSL)**: Dit enzym is verantwoordelijk voor de verdere afbraak van DAGs tot monoacylglycerolen (MAGs) en een vrij vetzuur. HSL is zeer belangrijk voor de regulatie van lipolyse door hormonen. 3. **Monoacylglycerol lipase (MGL)**: Dit enzym zet MAGs om in glycerol en een laatste vrij vetzuur. De activiteit van MGL is relatief hoog en wordt niet sterk gereguleerd door hormonen. De sequentie van de enzymatische afbraak is als volgt: $$ \text{TAG} \xrightarrow{\text{ATGL}} \text{DAG} + \text{vetzuur} $$ $$ \text{DAG} \xrightarrow{\text{HSL}} \text{MAG} + \text{vetzuur} $$ $$ \text{MAG} \xrightarrow{\text{MGL}} \text{glycerol} + \text{vetzuur} $$ ### 4.2 Regulatie door hormonen De activiteit van de lipasen, met name ATGL en HSL, wordt sterk gereguleerd door hormonen, die signalen afgeven over de energiebalans van het lichaam. #### 4.2.1 Adrenaline en glucagon Hormonen zoals adrenaline (via $\beta$-adrenerge receptoren) en glucagon (vooral in de lever) signaleren een lage energiebalans of een behoefte aan energie. Dit leidt tot een verhoging van de intracellulaire concentratie van cyclisch AMP (cAMP). * **cAMP-afhankelijke proteïne kinase (PKA)**: Verhoogde cAMP-niveaus activeren PKA. PKA fosforyleert vervolgens zowel HSL als perilipine, een eiwit dat de lipide-druppels in vetcellen omgeeft. #### 4.2.2 Perilipine en zijn rol Perilipine speelt een cruciale rol bij de regulatie van lipolyse in vetcellen. * **Gefosforyleerd perilipine**: Wanneer perilipine wordt gefosforyleerd door PKA, verandert het van structuur en trekt het de geactiveerde (gefosforyleerde) vorm van HSL aan naar het oppervlak van de lipide-druppel. Dit faciliteert de toegang van HSL tot de TAGs, waardoor de lipolyse versneld wordt. #### 4.2.3 Insuline Insuline daarentegen, dat wordt afgegeven bij hoge bloedglucosewaarden (teken van een overvloedige energiebalans), remt de lipolyse. * **Fosfodiësterase 3B (PDE3B)**: Insuline activeert PDE3B, een enzym dat cAMP afbreekt tot AMP. Hierdoor dalen de intracellulaire cAMP-niveaus. * **Proteïne fosfatase 1 (PP1)**: Een lagere cAMP-concentratie leidt tot verminderde activiteit van PKA, waardoor de fosforylering van HSL en perilipine afneemt. Bovendien activeert insuline ook PP1, dat fosforyleringen ongedaan maakt. Dit leidt tot deactivering van HSL en een verminderde interactie met lipide-druppels, wat de lipolyse sterk remt. > **Tip:** Begrijp de cascade van signalering: hormonen (adrenaline/glucagon vs. insuline) leiden tot veranderingen in cAMP, die op hun beurt PKA of PDE3B activeren, wat resulteert in de fosforylering/defosforylering van HSL en perilipine, en daarmee de lipolyse reguleert. ### 4.3 Vrijstelling en transport van vetzuren Na de hydrolyse van TAGs worden de vrijgekomen vetzuren en glycerol uit de vetcellen vrijgegeven in de bloedbaan. * **Transport van vetzuren**: Vrije vetzuren zijn hydrofoob en kunnen niet vrijelijk in het bloed circuleren. Ze binden daarom aan albumine, het meest voorkomende eiwit in het bloed. Albumine transporteert de vetzuren naar de weefsels die energie nodig hebben, waar ze worden opgenomen en afgebroken via $\beta$-oxidatie. * **Transport van glycerol**: Glycerol is hydrofiel en wordt vrij in het bloed getransporteerd. Het wordt voornamelijk opgenomen door de lever en kan daar worden omgezet in dihydroxyacetonfosfaat, een intermediair in de glycolyse en gluconeogenese. > **Voorbeeld:** Tijdens een marathon zal de concentratie van adrenaline in het bloed stijgen. Dit stimuleert de lipolyse in vetweefsel door de fosforylering van HSL en perilipine via de cAMP-PKA-route. Hierdoor worden veel vetzuren vrijgegeven, gebonden aan albumine getransporteerd naar de spieren en gebruikt als energiebron. Tegen het einde van de marathon, na de maaltijd, zal de insulinespiegel stijgen, wat de lipolyse remt en de opslag van vet bevordert. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Triacylglycerolen (TAGs) | Vetmoleculen die bestaan uit een glycerolruggengraat waaraan drie vetzuurmoleculen zijn gebonden via esterbindingen. Ze dienen als belangrijke energiereserve in het lichaam. | | Vetzuren | Lange koolwaterstofketens met een carboxylgroep aan het ene uiteinde. Ze zijn de bouwstenen voor vetten en worden gebruikt voor energieopslag en -productie. | | Glycerol | Een eenvoudige alcohol met drie hydroxylgroepen. Het is een bouwsteen voor triacylglycerolen en kan ook worden omgezet in glucose. | | Endoplasmatisch Reticulum (ER) | Een netwerk van membranen binnen eukaryote cellen, betrokken bij de synthese van eiwitten en lipiden. Het ER speelt een cruciale rol bij de synthese van TAGs. | | Wit vetweefsel | Een type vetweefsel dat hoofdzakelijk dient voor de opslag van energie in de vorm van triacylglycerolen. Het is verantwoordelijk voor ongeveer 90% van het gewicht van vetcellen. | | Acyl-CoA | Een geactiveerde vorm van een vetzuur, waarbij het vetzuur is gekoppeld aan Co-enzym A. Acyl-CoA is de directe precursor voor de inbouw van vetzuren in triacylglycerolen. | | Glycerol-3-fosfaat | Een gefosforyleerde vorm van glycerol, essentieel als glycerolbron voor de synthese van triacylglycerolen. Het wordt gevormd door de activiteit van glycerolkinase. | | Fosfatidinezuur (PA) | Een fosfolipide dat een intermediair is in de biosynthese van triacylglycerolen en fosfolipiden. Het ontstaat door de opeenvolgende acylering van glycerol-3-fosfaat. | | Diacylglycerol acyltransferase (DGAT) | Een enzym dat de laatste stap in de synthese van triacylglycerolen katalyseert, waarbij diacylglycerol wordt geacyeeerd met een derde vetzuur. | | Hyperlipidemieën | Een medische aandoening gekenmerkt door abnormaal hoge concentraties lipiden (vetten), zoals triacylglycerolen en cholesterol, in het bloed. | | Lipase | Een enzym dat de hydrolyse van vetten (lipiden), zoals triacylglycerolen, katalyseert. Verschillende lipasen zijn betrokken bij de afbraak van TAGs. | | Lipolyse | Het proces van de afbraak van triacylglycerolen tot glycerol en vrije vetzuren. Dit proces vindt plaats in vetweefsel en levert energie. | | Hormoongevoelig lipase (HSL) | Een belangrijk enzym dat de afbraak van triacylglycerolen in vetcellen reguleert. Het wordt geactiveerd door hormonen zoals adrenaline en glucagon. | | Perilipine | Een eiwit dat zich rond de lipidendruppels in vetcellen bevindt en de toegang van hormoongevoelig lipase tot de triacylglycerolen reguleert. |

# Vetzuren als energiebron en hun transport Dit onderwerp bespreekt de oorsprong en het transport van vetzuren als energiebron in het lichaam, met specifieke aandacht voor de rol van lipoproteïnen en de biochemische processen van vetzuurafbraak. ## 1. Vetzuren als energiebron en hun transport Vetzuren zijn een belangrijke energiebron voor diverse celtypen, hoewel hun relatieve belang verschilt. Het hart en de skeletspieren maken in grote mate gebruik van vetzuuroxidatie voor energie, terwijl de hersenen voornamelijk glucose verbruiken. De metabole status van het organisme bepaalt de voorkeur voor energiebronnen; bij kortdurende inspanning wordt glycogeen gebruikt, terwijl bij vasten en langdurige intensieve inspanning vetzuren en ketolichamen de voornaamste energiebronnen zijn. ### 1.1 Oorsprong van vrije vetzuren Vrije vetzuren kunnen afkomstig zijn uit verschillende bronnen in het lichaam: * **Lever:** De lever kan vetzuren produceren en deze afgeven in de circulatie, vaak verpakt in lipoproteïnen zoals VLDL (very low-density lipoprotein). * **Vetcellen:** Vetcellen (adipocyten) kunnen hun opgeslagen triglyceriden (TAGs) afbreken via lipolyse, waarbij vetzuren vrijkomen. Deze vetzuren worden op transporteiwit albumine gebonden en in de circulatie gebracht. * **Darm:** Na de vertering van lipiden uit de voeding, worden deze geassembleerd tot chylomicronen in de darm en via het lymfestelsel en de bloedbaan getransporteerd. #### 1.1.1 Rol van lipoproteïnen VLDL en chylomicronen zijn lipoproteïnen die een cruciale rol spelen bij het transport van lipiden in het bloed. Ze bestaan uit een kern van lipiden (voornamelijk triglyceriden en cholesterol esters) en een omhulling van fosfolipiden, vrije cholesterol en specifieke eiwitten genaamd apolipoproteïnen. Deze apolipoproteïnen zijn essentieel voor de herkenning door receptoren en de activatie van enzymen. * **VLDL:** Wordt gesecerneerd door de lever en transporteert endogeen gesynthetiseerde triglyceriden naar perifere weefsels. * **Chylomicronen:** Worden gevormd in de darm en transporteren exogene lipiden uit de voeding. ### 1.2 Vetzuren in de cel: voorbereiding op oxidatie Voordat vetzuren kunnen worden geoxideerd voor energieproductie in de mitochondriën, moeten ze verschillende stappen doorlopen: 1. **Activatie tot Acyl-CoA:** Vetzuren worden aan hun carboxylzijde geactiveerd tot een acyl-CoA derivaat door het enzym acyl-CoA synthetase. Deze reactie vereist ATP en CoA-SH: $$ \text{vetzuur} + \text{CoA-SH} + \text{ATP} \rightarrow \text{Acyl-CoA} + \text{AMP} + \text{pyrofosfaat} + \text{H}_2\text{O} $$ Deze activatie vindt plaats op de mitochondriale membraan of het endoplasmatisch reticulum (ER). 2. **Import in de mitochondriën via de Carnitine Shuttle:** Lange en middellange acyl-CoA-derivaten kunnen de binnenste mitochondriale membraan niet direct passeren. Hiervoor is de carnitine shuttle nodig: * Acyl-CoA reageert met carnitine tot acylcarnitine, waarbij CoA vrijkomt. Dit gebeurt aan de buitenkant van de binnenste mitochondriale membraan, gekatalyseerd door carnitine palmitoyltransferase I (CPT I). * Acylcarnitine wordt vervolgens getransporteerd naar de matrix van het mitochondrion door een specifieke transporter. * In de mitochondriale matrix wordt acylcarnitine weer omgezet naar acyl-CoA en carnitine, gekatalyseerd door carnitine palmitoyltransferase II (CPT II). De omkeerbare reactie van de carnitine shuttle is: $$ \text{Acyl-CoA} + \text{carnitine} \rightleftharpoons \text{acylcarnitine} + \text{CoA} $$ Korte vetzuren (C12 en korter) hebben de carnitine shuttle niet nodig en kunnen vermoedelijk direct als vrij vetzuur de mitochondriën binnendringen, waarna ze in de matrix worden omgezet naar hun acyl-CoA derivaat. ### 1.3 Beta-oxidatie van vetzuren De beta-oxidatie is het proces waarbij vetzuren in de mitochondriën worden afgebroken tot acetyl-CoA, dat vervolgens de citroenzuurcyclus (Krebs cyclus) kan binnengaan voor verdere energieproductie. Dit proces vindt plaats in de mitochondriën. * **Verzadigde vetzuren:** Vetzuurketens van 16 koolstofatomen of korter, zoals palmitinezuur (C16), worden direct via beta-oxidatie afgebroken. * **Onverzadigde en langere vetzuren:** Langere vetzuurketens worden eerst in de peroxisomen ingekort tot palmitaat, waarna ze via beta-oxidatie in de mitochondriën verder worden afgebroken. De beta-oxidatie van vetzuren verloopt stapsgewijs, waarbij per cyclus twee koolstofatomen van de carboxylzijde worden verwijderd in de vorm van acetyl-CoA. Dit proces is in zekere zin de omgekeerde weg van vetzuursynthese, maar vindt plaats in de mitochondriën en maakt gebruik van andere cofactoren (NAD+ en FAD in plaats van NADPH). De kern van de beta-oxidatie bestaat uit vier opeenvolgende enzymatische reacties: 1. **Acyl-CoA dehydrogenase:** Oxidatie van het vetzuur derivaat tot een $\alpha,\beta$-onverzadigde acyl-CoA. Dit vereist FAD als cofactor en produceert FADH$_2$. Er zijn verschillende dehydrogenases met specificiteit voor vetzuren van verschillende ketenlengtes. $$ \text{Acyl-CoA} + \text{FAD} \rightarrow \text{enoyl-CoA} + \text{FADH}_2 $$ 2. **Enoyl-CoA hydratase:** Hydratatie van de dubbele binding, wat leidt tot een $\beta$-hydroxyacyl-CoA. Deze reactie is stereospecifiek en produceert de L-isomeer. $$ \text{enoyl-CoA} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \beta\text{-hydroxyacyl-CoA} $$ 3. **$\beta$-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase:** Oxidatie van de hydroxylgroep tot een $\beta$-ketoacyl-CoA. Dit vereist NAD$^+$ als cofactor en produceert NADH. $$ \beta\text{-hydroxyacyl-CoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \beta\text{-ketoacyl-CoA} + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ 4. **$\beta$-keto thiolase:** Klieving van de $\beta$-ketoacyl-CoA door CoA-SH, wat resulteert in de vorming van acetyl-CoA en een verkort acyl-CoA (waarbij twee koolstofatomen zijn verwijderd). Het verkorte acyl-CoA kan opnieuw de beta-oxidatie cyclus ingaan. $$ \beta\text{-ketoacyl-CoA} + \text{CoA-SH} \rightarrow \text{korter acyl-CoA} + \text{Acetyl-CoA} $$ ### 1.4 Energierendement van de beta-oxidatie De energieopbrengst van de beta-oxidatie is aanzienlijk. Laten we als voorbeeld palmitinezuur (C16) nemen: * Omzetting van palmitinezuur naar palmitoyl-CoA kost de equivalent van 2 ATP ($\text{ATP} \rightarrow \text{AMP} + 2\text{P}_\text{i}$). * Palmitinezuur (C16) ondergaat 7 rondes van beta-oxidatie om 8 moleculen acetyl-CoA te produceren. * Elke ronde van beta-oxidatie produceert 1 FADH$_2$ (goed voor ~2 ATP) en 1 NADH (goed voor ~3 ATP). Dus 1 ronde levert ~5 ATP op. * De 7 rondes leveren $7 \times 5 \text{ ATP} = 35 \text{ ATP}$ op. * De 8 moleculen acetyl-CoA die vrijkomen, gaan de citroenzuurcyclus in. De oxidatie van één molecuul acetyl-CoA in de citroenzuurcyclus levert ongeveer 12 ATP op (inclusief de productie van NADH en FADH$_2$ die via oxidatieve fosforylering worden omgezet). Dus $8 \times 12 \text{ ATP} = 96 \text{ ATP}$. Het totale netto energierendement voor de volledige afbraak van palmitinezuur tot CO$_2$ en H$_2$O is dus de som van de energie uit beta-oxidatie en de citroenzuurcyclus, minus de initiële kosten voor activatie: Totale ATP-opbrengst: (35 ATP uit 7 beta-oxidaties) + (96 ATP uit 8 acetyl-CoA in Krebs cyclus) - (2 ATP initiële kosten) = 129 ATP. Echter, als de NADH geproduceerd in de matrix door $\beta$-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase direct door de binnenste membraan kan transporteren zonder extra ATP te verbruiken, levert dit 3 ATP per NADH op. Als er echter een ATP-kost is voor transport (wat niet het geval is in de matrix zelf), is de opbrengst 2 ATP. De meest gangbare berekening resulteert in ongeveer 33 ATP voor de beta-oxidatie zelf, en de totale energie uit acetyl-CoA in de Krebs cyclus brengt het totaal op ongeveer 106 ATP. > **Tip:** Houd er rekening mee dat de ATP-opbrengst van NADH en FADH$_2$ een benadering is en kan variëren afhankelijk van de efficiëntie van de oxidatieve fosforylering. De netto ATP-opbrengst voor palmitinezuur wordt vaak geschat op rond de 106 ATP. ### 1.5 Regulatie van vetzuur-oxidatie De regulatie van vetzuuroxidatie vindt niet primair plaats op de individuele enzymen van de beta-oxidatie zelf, maar eerder door de beschikbaarheid van vetzuren en cofactoren: * **Beschikbaarheid van vetzuren:** * **Op organisme niveau:** Hormoon-gevoelige lipasen in vetweefsel reguleren de vrijzetting van vetzuren in de circulatie. * **Op cel niveau:** De toegang van geactiveerde vetzuren tot de mitochondriën wordt gereguleerd. Malonyl-CoA, een intermediair in vetzuursynthese, inhibeert het CPT I-enzym van de carnitine shuttle. Dit zorgt ervoor dat vetzuursynthese en vetzuurafbraak niet tegelijkertijd plaatsvinden: hoge niveaus van malonyl-CoA remmen de import van vetzuren in de mitochondriën, wat de beta-oxidatie voorkomt wanneer vetzuren juist worden gesynthetiseerd. $$ \text{Malonyl-CoA} \xrightarrow{\text{inhibeert}} \text{CPT I} $$ Dit mechanisme voorkomt dat er tegelijkertijd vetzuren worden opgeslagen en verbrand. Insuline bevordert de vetzuursynthese en remt lipolyse, terwijl glucagon lipolyse stimuleert. * **Beschikbaarheid van cofactoren:** * De beschikbaarheid van FAD en NAD$^+$ wordt in stand gehouden door hun snelle regeneratie via de terminale oxidatie. * CoA-SH wordt op peil gehouden door een snelle verwerking van het gevormde acetyl-CoA via de citroenzuurcyclus. * **Allostere inhibitie:** Hoewel minder dominant, kunnen de enzymen van de beta-oxidatie allosterisch worden geïnhibeerd door hun eigen producten bij accumulatie. Een hoge ratio van NADH/NAD$^+$ en Acetyl-CoA/vrij HSCoA kan ook remmend werken. ### 1.6 Energiebalans van vetopslag De opslag van vet als triglyceriden (TAGs) is energie-efficiënt. Om bijvoorbeeld tripalmitoylglycerol te vormen uit glycerol en 24 moleculen acetyl-CoA (wat overeenkomt met 3 moleculen palmitaat), is er een netto energie-investering van ongeveer 13 ATP nodig. Echter, de opslagcapaciteit van vet is enorm, en de vrijgekomen energie bij afbraak is zeer hoog. De beta-oxidatie en de verwerking van acetyl-CoA in de citroenzuurcyclus leveren een aanzienlijke hoeveelheid ATP op (ongeveer 106 ATP per molecuul palmitinezuur). Dit maakt vetzuren een zeer efficiënte opslagvorm van energie. > **Belangrijk:** De sleutel tot het begrijpen van de regulatie ligt in het principe dat vetzuursynthese en vetzuurafbraak in de cel zelden tegelijkertijd plaatsvinden om metabole efficiëntie te maximaliseren. Malonyl-CoA speelt hierbij een centrale rol als regulator via de inhibitie van CPT I. --- # Bèta-oxidatie van vetzuren Hier is een uitgebreide studiegids over de bèta-oxidatie van vetzuren. ## 2. Bèta-oxidatie van vetzuren Bèta-oxidatie is het proces waarbij vetzuren in de mitochondriën worden afgebroken tot acetyl-CoA, wat vervolgens kan worden gebruikt voor energieproductie. ### 2.1 De rol van vetzuren in energieproductie Vetzuren zijn een belangrijke energiebron, met name voor spierweefsels zoals het hart en de skeletspieren. In tijden van vasten of langdurige, intense inspanning worden vetzuren en ketolichamen (later besproken) in grotere mate gebruikt voor energie, terwijl de hersenen voornamelijk glucose verbruiken. ### 2.2 Het proces van bèta-oxidatie De bèta-oxidatie van verzadigde vetzuren vindt plaats in de mitochondriën. Het proces is een soort omgekeerde weg van vetzuursynthese, maar met belangrijke verschillen: * **Locatie:** Mitochondriën (in plaats van cytosol voor synthese). * **Cofactoren:** Gebruikt NAD$^+$ en FAD (in plaats van NADPH). * **Afbraakrichting:** Gebeurt per twee koolstofatomen vanaf de carboxylzijde. #### 2.2.1 Voorbereidende stappen voor bèta-oxidatie Voordat de eigenlijke bèta-oxidatie kan plaatsvinden, zijn er twee cruciale stappen: 1. **Activatie van vetzuren:** Vetzuren worden geactiveerd tot een acyl-CoA intermediair met behulp van ATP en co-enzym A (CoA-SH). Deze reactie wordt gekatalyseerd door een acyl-CoA synthetase en produceert AMP en pyrofosfaat (PP$_i$). $$ \text{Vetz uur} + \text{CoA-SH} + \text{ATP} \longrightarrow \text{Acyl-CoA} + \text{AMP} + \text{PP}_i + \text{H}_2\text{O} $$ Deze stap verbruikt de equivalent van twee ATP-moleculen (ATP $\rightarrow$ AMP is twee energie-eenheden). 2. **Import in de mitochondriën: De Carnitine Shuttle** Acyl-CoA kan de binnenste mitochondriale membraan niet direct passeren. Voor acyl-CoA ketens langer dan twaalf koolstofatomen is de carnitine shuttle noodzakelijk: * Acyl-CoA wordt in het intermembraanruimte omgezet naar acylcarnitine door carnitine acyltransferase I (CPT I). * Acylcarnitine wordt getransporteerd over de binnenste membraan door een specifieke transporter. * Binnenin de mitochondriale matrix wordt acylcarnitine weer omgezet naar acyl-CoA en carnitine door carnitine acyltransferase II (CPT II). De omkeerbare reactie is: $$ \text{Acyl-CoA} + \text{Carnitine} \rightleftharpoons \text{Acylcarnitine} + \text{CoA} $$ Korte vetzuren (C12 en korter) kunnen mogelijk direct als vrij vetzuur de mitochondriën binnendringen en daar worden omgezet naar het acyl-CoA derivaat. #### 2.2.2 De bèta-oxidatie reactie-sequentie De bèta-oxidatiecyclus bestaat uit vier opeenvolgende enzymatische reacties die telkens twee koolstofatomen van het vetzuur afsplitsen in de vorm van acetyl-CoA: 1. **Acyl-CoA dehydrogenase:** Dit enzym verwijdert twee waterstofatomen van het acyl-CoA, wat resulteert in een dubbele binding tussen de alfa- en bèta-koolstofatomen (een enoyl-CoA). Deze reactie gebruikt FAD als cofactor, die wordt gereduceerd tot FADH$_2$. Dit levert direct energie op die later kan worden omgezet in ongeveer twee ATP-moleculen. Er zijn verschillende acyl-CoA dehydrogenases met specificiteit voor vetzuren van verschillende lengtes. $$ \text{Acyl-CoA} + \text{FAD} \longrightarrow \text{Enoyl-CoA} + \text{FADH}_2 $$ 2. **Enoyl-CoA hydratase:** Dit enzym voegt een watermolecuul toe aan de dubbele binding van de enoyl-CoA, wat resulteert in een 3-L-hydroxyacyl-CoA. Deze reactie is stereospecifiek. $$ \text{Enoyl-CoA} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{3-L-hydroxyacyl-CoA} $$ 3. **3-L-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase:** Dit enzym oxideert de hydroxylgroep op het derde koolstofatoom (de bèta-koolstof) tot een ketongroep, wat een 3-ketoacyl-CoA oplevert. Hierbij wordt NAD$^+$ gereduceerd tot NADH. De oxidatie van NADH levert later ongeveer drie ATP-moleculen op via oxidatieve fosforylering. $$ \text{3-L-hydroxyacyl-CoA} + \text{NAD}^+ \longrightarrow \text{3-ketoacyl-CoA} + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ 4. **3-keto thiolase:** Dit enzym katalyseert de splitsing van de 3-ketoacyl-CoA door een molecuul co-enzym A (CoA-SH). Hierbij worden de laatste twee koolstofatomen als acetyl-CoA afgesplitst, terwijl de resterende keten (verkort met twee koolstofatomen) weer als acyl-CoA klaar is voor een nieuwe cyclus van bèta-oxidatie. $$ \text{3-ketoacyl-CoA} + \text{CoA-SH} \longrightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{Acyl-CoA (verkort met 2 C-atomen)} $$ ### 2.3 Energieopbrengst van bèta-oxidatie De energieopbrengst van de bèta-oxidatie van een vetzuur is aanzienlijk. Laten we als voorbeeld palmitinezuur (een vetzuur met 16 koolstofatomen) nemen: * **Activatie:** Palmitinezuur wordt omgezet naar palmitoyl-CoA. Dit kost de equivalent van 2 ATP (ATP $\rightarrow$ AMP + 2 P$_i$). * **Bèta-oxidatie cycli:** Palmitoyl-CoA (C16) ondergaat 7 cycli van bèta-oxidatie om 8 moleculen acetyl-CoA (C2) te produceren. * Elke cyclus levert 1 FADH$_2$ (goed voor ~2 ATP) en 1 NADH (goed voor ~3 ATP), totaal 5 ATP per cyclus. * Voor 7 cycli: $7 \times 5 \text{ ATP} = 35 \text{ ATP}$. * **Acetyl-CoA verbruik:** De 8 moleculen acetyl-CoA die geproduceerd worden, gaan de Krebscyclus in. Elk molecuul acetyl-CoA levert in de Krebscyclus en de daaropvolgende oxidatieve fosforylering ongeveer 12 ATP-moleculen op. * Voor 8 moleculen acetyl-CoA: $8 \times 12 \text{ ATP} = 96 \text{ ATP}$. * **Totale opbrengst voor palmitinezuur:** * Energiewinst uit bèta-oxidatie en acetyl-CoA afbraak: 35 ATP + 96 ATP = 131 ATP. * Energieverbruik voor activatie: - 2 ATP. * **Netto energiewinst: 131 ATP - 2 ATP = 129 ATP.** *De documentatie vermeldt 33 ATP als netto resultaat voor de bèta-oxidatie van een vetzuur van 16 koolstofatomen (wat wijst op een andere toewijzing van ATP per NADH/FADH$_2$ of een focus op een specifieke context). De Krebscyclus opbrengst wordt hierbij niet meegerekend.* Als we uitgaan van de specificatie in de documentatie: * Palmitinezuur omzetten naar palmitoyl-CoA: - 2 ATP. * 7 bèta-oxidaties met vorming van 8 Acetyl-CoA: $7 \times 5 \text{ ATP} = 35 \text{ ATP}$. * **Netto voor bèta-oxidatie (exclusief Krebscyclus): 35 ATP - 2 ATP = 33 ATP.** Dit is de energie die vrijkomt *tijdens* de bèta-oxidatie zelf, tot aan de vorming van acetyl-CoA. ### 2.4 Regulatie van vetzuur-oxidatie De regulatie van vetzuur-oxidatie vindt niet primair plaats op de enzymen van de bèta-oxidatie zelf, maar voornamelijk op: * **Beschikbaarheid van vetzuren voor verbranding:** * **Op organismeniveau:** Hormoongevoelige lipasen in vetweefsel reguleren de vrijgave van vetzuren door lipolyse te initiëren. * **Op celniveau:** De toegang van geactiveerde vetzuren tot de mitochondriën wordt gereguleerd. * **Beschikbaarheid van cofactoren:** De beschikbaarheid van FAD, NAD$^+$ en CoA-SH is cruciaal. CoA-SH wordt op peil gehouden door een snelle verwerking van acetyl-CoA via de Krebscyclus. De beschikbaarheid van FAD en NAD$^+$ wordt gereguleerd via oxidatieve fosforylering. #### 2.4.1 Regulatie van vetzuurimport in mitochondriën Een belangrijk regulatiemechanisme is de inhibitie van de carnitine shuttle. **Malonyl-CoA**, een intermediair in de vetzuursynthese, is een krachtige inhibitor van carnitine acyltransferase I (CPT I). Dit zorgt ervoor dat vetzuursynthese en vetzuurafbraak niet tegelijkertijd plaatsvinden. Wanneer de concentratie van malonyl-CoA hoog is (wat aangeeft dat er veel vetzuursynthese gaande is), worden vetzuren minder afgebroken. * Citraat stimuleert de vetzuursynthese en ook insuline. Glucagon en een hoge AMP-concentratie (indicatie van laag cel-energiepeil) stimuleren juist de vetzuurafbraak. #### 2.4.2 Allostere inhibitie De enzymen van de bèta-oxidatie kunnen ook allosterisch worden geïnhibeerd door hun eigen product als dit zich ophoopt. Een verhoogde ratio van NADH/NAD$^+$ en acetyl-CoA/vrij HSCoA kan ook remmend werken, maar dit effect is vaak beperkter omdat NAD$^+$ en vrij HSCoA doorgaans niet limiterend zijn. ### 2.5 Vergelijking met vetzuursynthese | Kenmerk | Vetzuursynthese | Bèta-oxidatie | | :---------------- | :---------------------------------- | :--------------------------------------------- | | **Locatie** | Cytosol | Mitochondriën | | **Cofactoren** | NADPH | NAD$^+$ en FAD | | **Proces** | Opbouw van vetzuren (elongatie) | Afbraak van vetzuren tot acetyl-CoA | | **Product** | Lange vetzuurketens (bv. Palmitaat) | Acetyl-CoA | | **Regulatie** | Hormonaal, allosterisch | Beschikbaarheid vetzuren, cofactoren, malonyl-CoA | | **Centraal Molecuul** | Malonyl-CoA | Acyl-CoA | De bèta-oxidatie van vetzuren is een essentieel proces voor energievoorziening, met een complexe regulatie die zorgt voor een efficiënte balans tussen vetzuursynthese en -afbraak. --- # Regulatie van vetzuurmetabolisme Dit onderwerp behandelt de mechanismen die de afbraak van vetzuren reguleren, met specifieke aandacht voor de rol van malonyl-CoA, de carnitine shuttle en allosterische inhibitie. ## 3.1 Rol van vetzuurmetabolisme in de energieproductie Vrije vetzuren vormen een belangrijke energiebron voor verschillende celtypen, met name het hart en de skeletspieren. De hersenen gebruiken daarentegen nauwelijks vetzuren als energiebron en zijn primair afhankelijk van glucose. De behoefte aan vetzuuroxidatie varieert met de metabole status; tijdens vasten en langdurige, intense inspanning worden vetzuren en ketolichamen significant gebruikt voor energieproductie. ## 3.2 -Oxidatie van vetzuren De -oxidatie is het proces waarbij vetzuren worden afgebroken tot acetyl-CoA, wat vervolgens via de citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus) verder gemetaboliseerd wordt. ### 3.2.1 Voorbereidende stappen voor -Oxidatie 1. **Activatie van vetzuren:** Vetzuren worden geactiveerd tot acyl-CoA door het enzym acyl-CoA synthetase, waarbij ATP wordt verbruikt. Dit proces vindt plaats op de mitochondriale membraan of het ER. $$ \text{Vetzuur} + \text{CoA-SH} + \text{ATP} \longrightarrow \text{Acyl-CoA} + \text{AMP} + \text{pyrofosfaat} + \text{H}_2\text{O} $$ De omzetting van vetzuur naar acyl-CoA met behulp van ATP verbruikt de equivalent van twee ATP-moleculen (ATP $\rightarrow$ AMP is een verbruik van twee fosfaatgroepen). 2. **Import van acyl-CoA in de mitochondriën:** Korte vetzuren (korter dan 12 koolstofatomen) kunnen de mitochondriale membraan direct passeren. Langere vetzuurketens vereisen de carnitine shuttle voor transport naar het mitochondriale matrix. ### 3.2.2 De Carnitine Shuttle De carnitine shuttle is essentieel voor de import van acyl-CoA-derivaten met een middellange tot lange keten in de mitochondriën. * **Functie:** Het faciliteert de passage van acyl-CoA door de impermeabele binnenste mitochondriale membraan. * **Mechanisme:** Het proces omvat een omkeerbare reactie waarbij acyl-CoA reageert met carnitine, gevormd door het enzym carnitinepalmitoyltransferase I (CPT I). $$ \text{Acyl-CoA} + \text{carnitine} \rightleftharpoons \text{Acylcarnitine} + \text{CoA} $$ Het gevormde acylcarnitine wordt getransporteerd over de binnenste membraan door een specifieke transporter. Binnenin de mitochondriën wordt het acylcarnitine weer omgezet naar acyl-CoA en carnitine door carnitinepalmitoyltransferase II (CPT II). ### 3.2.3 De -Oxidatie Reactie-sequentie De -oxidatie verloopt in vier cyclische stappen die plaatsvinden in de mitochondriën en vergelijkbaar zijn met de omgekeerde reacties van vetzuursynthese: 1. **Acyl-CoA dehydrogenase:** Dit enzym verwijdert twee waterstofatomen van het acyl-CoA, wat resulteert in een enoyl-CoA en FADH$_2$. Er bestaan verschillende acyl-CoA dehydrogenases met specificiteit voor verschillende vetzuurketenlengtes (lang, middelmatig, kort). $$ \text{Acyl-CoA} + \text{FAD} \longrightarrow \text{Enoyl-CoA} + \text{FADH}_2 $$ De gevormde FADH$_2$ levert 2 ATP op via oxidatieve fosforylering. 2. **Enoyl-CoA hydratase:** Dit enzym voegt een watermolecuul toe aan de dubbele binding van enoyl-CoA, wat leidt tot de vorming van 3-L-hydroxyacyl-CoA. Deze reactie is stereospecifiek. $$ \text{Enoyl-CoA} + \text{H}_2\text{O} \longrightarrow \text{3-L-hydroxyacyl-CoA} $$ 3. **3-L-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase:** Dit enzym oxideert de hydroxylgroep van 3-L-hydroxyacyl-CoA tot een ketogroep, wat resulteert in -ketoacyl-CoA. Hierbij wordt NAD$^+$ gereduceerd tot NADH. $$ \text{3-L-hydroxyacyl-CoA} + \text{NAD}^+ \longrightarrow \beta\text{-ketoacyl-CoA} + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ De gevormde NADH levert 3 ATP op via oxidatieve fosforylering. 4. **-keto thiolase:** Dit enzym splitst -ketoacyl-CoA in twee delen: een acetyl-CoA en een verkort acyl-CoA (twee koolstofatomen korter). Dit verkorte acyl-CoA kan vervolgens opnieuw de -oxidatiecyclus ingaan. $$ \beta\text{-ketoacyl-CoA} + \text{CoA-SH} \longrightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{Acyl-CoA (verkort)} $$ ### 3.2.4 Energierendement van -Oxidatie De volledige afbraak van palmitinezuur (een C16 vetzuur) levert een aanzienlijke hoeveelheid ATP op: * **Activatie van palmitinezuur:** Kost 2 ATP-equivalenten (ATP $\rightarrow$ AMP + 2P$_i$). * **7 -oxidatie cycli:** * Elke cyclus genereert 1 FADH$_2$ (2 ATP) en 1 NADH (3 ATP), wat neerkomt op 5 ATP per cyclus. * Totaal voor 7 cycli: $7 \times 5 \text{ ATP} = 35 \text{ ATP}$. * **Vorming van 8 Acetyl-CoA:** Deze worden verder gemetaboliseerd via de citroenzuurcyclus, wat circa 12 ATP per Acetyl-CoA oplevert ($8 \times 12 \text{ ATP} = 96 \text{ ATP}$). Het netto energierendement voor de -oxidatie van palmitinezuur is dus $35 \text{ ATP} + 96 \text{ ATP} - 2 \text{ ATP (activatie)} = 129 \text{ ATP}$. > **Tip:** Hoewel de berekening van het totale ATP-rendement nuttig is, is het belangrijker om de individuele stappen en hun opbrengst te begrijpen, evenals de rol van de cofactoren NAD$^+$ en FAD. De intermediairen zoals enoyl-CoA en -ketoacyl-CoA hoeven niet uit het hoofd geleerd te worden, maar de logica achter de reacties is cruciaal. ## 3.3 Regulatie van vetzuur-oxidatie De regulatie van vetzuur-oxidatie vindt niet plaats via de individuele enzymen van de -oxidatie, maar voornamelijk door de beschikbaarheid van substraten en de regulatie van de import van vetzuren in de mitochondriën. ### 3.3.1 Beschikbaarheid van vetzuren voor verbranding Op organisme-niveau wordt de vrijzetting van vetzuren uit vetweefsel gereguleerd door hormoon-gevoelige lipasen. Op cellulair niveau wordt de toegang van geactiveerde vetzuren tot de mitochondriën gereguleerd. ### 3.3.2 Regulering van vetzuurimport in mitochondriën: de rol van Malonyl-CoA Malonyl-CoA, een intermediair in de synthese van vetzuren, speelt een cruciale rol in de regulatie van de vetzuur-oxidatie door het CPT I enzym van de carnitine shuttle te inhiberen. * **Mechanisme:** Wanneer de concentratie van malonyl-CoA hoog is (wat wijst op actieve vetzuursynthese), blokkeert het de carnitine shuttle. Hierdoor kunnen vetzuren niet de mitochondriën binnen om geoxideerd te worden. Dit voorkomt dat vetzuursynthese en vetzuur-oxidatie tegelijkertijd plaatsvinden, wat inefficiënt zou zijn. * **Signaalwegen:** De concentratie van malonyl-CoA wordt beïnvloed door factoren zoals insuline (stimuleert synthese) en glucagon (stimuleert afbraak), evenals door het cellulaire energieniveau (AMP). > **Tip:** Malonyl-CoA is een sleutelregulator die het "pendelen" van vetzuren tussen synthese en afbraak controleert. Het zorgt ervoor dat de cel niet tegelijkertijd vetzuren opbouwt en afbreekt. > **Example:** Stel je voor dat de cel voldoende energie heeft en vetzuren begint op te slaan. De vetzuursynthese neemt toe, wat leidt tot een hogere concentratie malonyl-CoA. Deze hoge malonyl-CoA concentratie remt CPT I, waardoor vetzuren die net zijn aangemaakt niet direct de mitochondriën in gaan voor verbranding, maar beschikbaar blijven voor opslag als triglyceriden. ### 3.3.3 Allosterische Inhibitieveffecten De enzymen van de -oxidatie kunnen allosterisch geïnhibeerd worden door hun eigen product wanneer dit zich ophoopt. Daarnaast kunnen verhoogde ratio's van NADH/NAD$^+$ en Acetyl-CoA/vrij HSCoA ook een remmend effect hebben, hoewel dit effect over het algemeen beperkter is omdat NAD$^+$ en vrij HSCoA meestal niet limiterend zijn. ### 3.3.4 Beschikbaarheid van co-factoren De efficiënte werking van de -oxidatie is ook afhankelijk van de beschikbaarheid van co-factoren zoals FAD, NAD$^+$ en CoA-SH. * **FAD en NAD$^+$:** De regeneratie van FAD en NAD$^+$ wordt verzekerd door de snelle oxidatie van FADH$_2$ en NADH in de terminale oxidatie (elektronentransportsysteem). * **CoA-SH:** De concentratie van vrij CoA-SH wordt op peil gehouden door een snelle verwerking van het gevormde acetyl-CoA via de citroenzuurcyclus. **Samenvatting Regulatiemechanismen:** * **Malonyl-CoA:** Allosterische inhibitie van CPT I (belangrijkste regulatie). * **Productinhibitie:** Allosterische inhibitie door eindproducten van de -oxidatie. * **Substraatbeschikbaarheid:** Hormonale controle van lipolyse en dus vetzuurtoevoer. * **Cofactorbeschikbaarheid:** Dynamische regulatie via de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering. --- # Energieopslag en -verbruik van vetten Dit onderwerp behandelt de mechanismen van vetzuuroxidatie voor energieproductie, de voorbereidende stappen voor deze oxidatie, de rol van de carnitine shuttle, de opeenvolgende reacties van bèta-oxidatie, het energierendement en de regulatie van vetzuuroxidatie. ### 4.1 Bronnen van vrije vetzuren Vrije vetzuren die voor energieproductie worden gebruikt, kunnen afkomstig zijn uit verschillende bronnen: * **Lever:** Produceert en secreteert VLDL (Very Low-Density Lipoprotein) lipoproteïne, dat na hydrolyse door lipoproteïne lipase (LPL) op het endotheel van bloedvaten, vrije vetzuren vrijgeeft. * **Vetcellen:** Vetzuren kunnen worden vrijgemaakt uit de eigen triglyceridenreserve via lipolyse. Deze vetzuren worden getransporteerd in het bloed gebonden aan albumine. * **Darm:** Vetzuren worden opgenomen en verpakt in chylomicronen voor transport. VLDL en chylomicronen zijn lipoproteïnen die lipiden transporteren. ### 4.2 Vetzuren als energiebron Vetzuren worden voornamelijk geoxideerd in de mitochondriën voor energieproductie. De mate waarin vetzuuroxidatie bijdraagt aan de energievoorziening verschilt per celtype: * **Hart en skeletspieren:** Vetzuren zijn een zeer belangrijke energiebron. * **Hersenen:** Gebruiken nauwelijks vetzuren als energiebron en zijn sterk afhankelijk van suikers. De belangrijkste energiebronnen zijn afhankelijk van de metabole status: * **Korte arbeid:** Glycogeen is de primaire energiebron. * **Vasten en langdurige intense arbeid:** Vetzuur en ketolichamen worden voornamelijk gebruikt voor energie. ### 4.3 Bèta-oxidatie van verzadigde vetzuren De bèta-oxidatie is het proces waarbij vetzuren worden afgebroken tot acetyl-CoA. Dit proces vindt plaats in de mitochondriën. * **Ketenlengte:** Vetzuurketens van 16 koolstofatomen (zoals palmitinezuur) of korter worden direct afgebroken via bèta-oxidatie in de mitochondriën. Langere vetzuurketens worden eerst omgezet tot palmitaat in de peroxisomen, waarna ze via bèta-oxidatie in de mitochondriën worden gebruikt. ### 4.4 Voorbereidende stappen voor bèta-oxidatie Voordat vetzuren kunnen worden geoxideerd, moeten er twee belangrijke stappen plaatsvinden: 1. **Activatie van vetzuren:** Vetzuren worden op de mitochondriale membraan of het ER geactiveerd tot een acyl-CoA intermediair door middel van een acyl-CoA synthetase. Dit proces vereist ATP en levert AMP en pyrofosfaat op. $$ \text{Vetz uur} + \text{CoA-SH} + \text{ATP} \rightarrow \text{Acyl-CoA} + \text{AMP} + \text{PP}_i + \text{H}_2\text{O} $$ Het gevormde acyl-CoA kan de mitochondriale membraan niet direct passeren. 2. **Import van acyl-CoA in de mitochondriën via de Carnitine Shuttle:** Korte vetzuren (12 koolstofatomen en korter) kunnen mogelijk direct als vrij vetzuur de mitochondriën binnendringen en worden daar omgezet in acyl-CoA. Langere ketens vereisen de carnitine shuttle voor transport over de binnenste mitochondriale membraan. De carnitine shuttle werkt via een omkeerbare reactie: $$ \text{Acyl-CoA} + \text{Carnitine} \rightleftharpoons \text{Acylcarnitine} + \text{CoA} $$ Deze reactie wordt gefaciliteerd door specifieke enzymen (carnitine palmitoyltransferases, CPT I en CPT II) op de mitochondriale membraan. ### 4.5 Parallel met vetzuursynthese De bèta-oxidatie is in veel opzichten de omgekeerde weg van vetzuursynthese, maar er zijn belangrijke verschillen: * **Locatie:** Bèta-oxidatie vindt plaats in de mitochondriën, terwijl vetzuursynthese in het cytoplasma plaatsvindt. * **Cofactoren:** Bèta-oxidatie gebruikt $\text{NAD}^+$ en $\text{FAD}$, terwijl vetzuursynthese $\text{NADPH}$ gebruikt. * **Afbraak per 2 C-atomen:** Bèta-oxidatie breekt vetzuren af per twee koolstofatomen vanaf de carboxylzijde, via de stappen dehydrering, hydrering, bèta-oxidatie en thiolyse. ### 4.6 De bèta-oxidatie reactie-sequentie De bèta-oxidatie van een vetzuurketen verloopt in vier cyclische stappen: 1. **Acyl-CoA dehydrogenase:** Het acyl-CoA wordt geoxideerd waarbij $\text{FAD}$ wordt gereduceerd tot $\text{FADH}_2$. Dit enzym heeft specificiteit voor vetzuren van verschillende ketenlengtes. De vorming van $\text{FADH}_2$ levert netto 2 ATP op via de oxidatieve fosforylering. $$ \text{Acyl-CoA} + \text{FAD} \rightarrow \text{Enoyl-CoA} + \text{FADH}_2 $$ 2. **Enoyl-CoA hydratase:** Een watermolecuul wordt toegevoegd aan het enoyl-CoA, wat leidt tot de vorming van 3-L-hydroxyacyl-CoA. Deze reactie is stereospecifiek. $$ \text{Enoyl-CoA} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{3-L-Hydroxyacyl-CoA} $$ 3. **3-L-Hydroxyacyl-CoA dehydrogenase:** Het 3-L-hydroxyacyl-CoA wordt geoxideerd, waarbij $\text{NAD}^+$ wordt gereduceerd tot $\text{NADH}$. De vorming van $\text{NADH}$ levert netto 3 ATP op via de oxidatieve fosforylering. $$ \text{3-L-Hydroxyacyl-CoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \beta\text{-Ketoacyl-CoA} + \text{NADH} + \text{H}^+ $$ 4. **$\beta$-Keto thiolase:** Het $\beta$-ketoacyl-CoA wordt gesplitst door co-enzym A (CoA-SH), wat resulteert in de vorming van een acetyl-CoA en een verkort acyl-CoA (met twee koolstofatomen minder dan het oorspronkelijke acyl-CoA). Dit laatste acyl-CoA gaat de volgende cyclus van bèta-oxidatie in. $$ \beta\text{-Ketoacyl-CoA} + \text{CoA-SH} \rightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{Acyl-CoA} \text{ (met 2 C-atomen korter)} $$ De gevormde acetyl-CoA's worden vervolgens via de Krebscyclus verder geoxideerd voor ATP-productie. ### 4.7 Energierendement van de bèta-oxidatie van palmitinezuur De afbraak van palmitinezuur (een C16 vetzuur) tot acetyl-CoA levert een aanzienlijke hoeveelheid energie op: * **Activatie van palmitinezuur:** De omzetting van palmitinezuur naar palmitoyl-CoA kost de equivalent van 2 ATP. $$ \text{Palmitinezuur} + \text{CoA} + \text{ATP} \rightarrow \text{Palmitoyl-CoA} + \text{AMP} + 2\text{P}_i + \text{H}_2\text{O} $$ (ATP $\rightarrow$ AMP is equivalent aan het verbruik van 2 ATP). * **Bèta-oxidatie cycli:** Palmitinezuur ondergaat 7 bèta-oxidatie cycli om 8 moleculen acetyl-CoA te produceren. * Elke cyclus genereert 1 $\text{FADH}_2$ (levert 2 ATP) en 1 $\text{NADH}$ (levert 3 ATP). Totale opbrengst per cyclus is dus 5 ATP. * Totaal voor 7 cycli: $7 \times 5 \text{ ATP} = 35 \text{ ATP}$. * **Oxidatie van acetyl-CoA:** De 8 moleculen acetyl-CoA worden verder geoxideerd in de Krebscyclus, wat elk ongeveer 12 ATP oplevert ($8 \times 12 \text{ ATP} = 96 \text{ ATP}$). * **Netto energieopbrengst:** De totale energieopbrengst voor de bèta-oxidatie van palmitinezuur is ongeveer 131 ATP (35 ATP uit de cycli + 96 ATP uit de Krebscyclus), na aftrek van de 2 ATP die nodig waren voor de activatie. $$ \text{Netto ATP} = (7 \times \text{ATP uit FADH}_2) + (7 \times \text{ATP uit NADH}) + (8 \times \text{ATP uit Acetyl-CoA via Krebscyclus}) - 2 \text{ ATP (activatie)} $$ $$ \text{Netto ATP} = (7 \times 2) + (7 \times 3) + (8 \times 12) - 2 = 14 + 21 + 96 - 2 = 129 \text{ ATP} $$ (Opmerking: De documentatie vermeldt hier verschillende cijfers, zoals 33 ATP. Dit kan te wijten zijn aan verschillende aannames over ATP-opbrengst of de focus op een specifiek deel van het proces.) De energie vrijgesteld via de bèta-oxidatie van palmitinezuur resulteert in ongeveer 131 ATP. ### 4.8 Energieverbruik voor opslag als TAG De opslag van vetten in de vorm van triacylglycerolen (TAG) vereist energie. Voor de opslag van 1 molecuul glycerol en 24 moleculen acetyl-CoA als tripalmitoylglycerol wordt een netto energieverbruik van ongeveer 13 ATP geschat. Dit is een relatief efficiënte opslagvorm, waarbij de energiekost voor opslag slechts ongeveer 3% van de opgeslagen energie bedraagt. ### 4.9 Regulatie van vetzuur-oxidatie De regulatie van vetzuur-oxidatie verloopt niet primair via de enzymen van de bèta-oxidatie zelf, maar voornamelijk via: 1. **Beschikbaarheid van vetzuren voor verbranding:** * **Op organisme-niveau:** Hormoon-gevoelige lipasen in vetweefsel reguleren de vrijgave van vetzuren via lipolyse. * **Op cel-niveau:** De regulatie van de toegang van geactiveerde vetzuren tot de mitochondriën is cruciaal. Dit gebeurt via de **Carnitine Shuttle**: * **Malonyl-CoA inhibitie:** Malonyl-CoA, een intermediair in vetzuursynthese, inhibeert het enzym carnitine palmitoyltransferase I (CPT I). Dit voorkomt dat vetzuren de mitochondriën binnendringen wanneer er voldoende vetzuursynthese plaatsvindt en er dus geen nood is aan extra energie uit vetzuuroxidatie. Dit is een belangrijke regulator om te voorkomen dat synthese en afbraak tegelijkertijd verlopen. * **Citraat en insuline:** Citraat (dat ook vetzuursynthese stimuleert) en insuline stimuleren de vetzuursynthese, wat indirect de bèta-oxidatie kan remmen via de malonyl-CoA route. * **Glucagon en AMP:** Glucagon en een hoog AMP-niveau (indicatie van lage cellulaire energie) stimuleren de vetzuurvrijgave en dus de beschikbaarheid voor oxidatie. 2. **Beschikbaarheid van co-enzymen:** * De beschikbaarheid van $\text{FAD}$ en $\text{NAD}^+$ wordt op peil gehouden door hun snelle oxidatie in de terminale oxidatie. * Co-enzym A (CoA-SH) wordt gereguleerd door een snelle verwerking van het gevormde acetyl-CoA via de Krebscyclus. * **Allosterische inhibitie:** De enzymen van de bèta-oxidatie kunnen allosterisch geïnhibeerd worden door hun eigen product als dit accumuleert. Verhoogde ratio's $\text{NADH}/\text{NAD}^+$ en acetyl-CoA/vrij HSCoA werken ook remmend, maar dit effect is doorgaans beperkter omdat $\text{NAD}^+$ en vrij HSCoA meestal niet limiterend zijn. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Vetzuren | Lange ketens van koolwaterstoffen met een carboxylgroep aan het einde, die worden gebruikt als energiebron door cellen. | | VLDL | Very Low-Density Lipoprotein, een lipoproteïne dat voornamelijk triglyceriden van de lever naar andere weefsels transporteert. | | Chylomicronen | Lipoproteïnen die vetten uit de darm transporteren naar de rest van het lichaam. | | Lipolyse | Het proces waarbij triglyceriden worden afgebroken tot glycerol en vrije vetzuren. | | Triglyceriden (TAG) | Een ester gevormd uit glycerol en drie vetzuren; de belangrijkste vorm van vetopslag in het lichaam. | | Mitochondriën | Celorganellen die verantwoordelijk zijn voor de cellulaire ademhaling en de productie van ATP (energie). | | Bèta-oxidatie | Het metabole proces waarbij vetzuren worden afgebroken in de mitochondriën om acetyl-CoA te produceren, dat vervolgens de citroenzuurcyclus ingaat. | | Acetyl-CoA | Een molecuul dat een centrale rol speelt in het metabolisme, gevormd uit de afbraak van koolhydraten, vetten en eiwitten, en dat de citroenzuurcyclus binnenkomt. | | Carnitine Shuttle | Een mechanisme dat lange-keten acyl-CoA-moleculen de mitochondriale binnenmembraan laat passeren, wat essentieel is voor hun bèta-oxidatie. | | Malonyl-CoA | Een intermediair in de synthese van vetzuren dat ook een belangrijke regulator is van de bèta-oxidatie door de carnitine palmitoyltransferase I (CPT I) te remmen. | | ATP | Adenosinetrifosfaat, de belangrijkste energiedrager in cellen. | | Citraat | Een intermediair in de citroenzuurcyclus dat ook de acetyl-CoA carboxylase, het sleutelenzym voor vetzuursynthese, kan activeren. | | Hormoon-gevoelige lipasen | Enzymen in vetweefsel die triglyceriden afbreken en zo vetzuren vrijgeven in de bloedbaan als reactie op hormonale signalen. | | Acyl-CoA synthetase | Een enzym dat vetzuren activeert door ze te koppelen aan Co-enzym A, waarbij ATP wordt verbruikt. | | FAD en NAD+ | Co-enzymen die fungeren als elektronendragers in redoxreacties, essentieel voor de energiemetabolisme, waaronder de bèta-oxidatie en de citroenzuurcyclus. |

# Ketogenese en het metabolisme van ketonlichamen Dit onderwerp beschrijft de synthese van ketonlichamen uit acetyl-CoA, hun functie als energiebron, de gevaren bij overmatige productie en hun afbraak in perifere weefsels. ### 1.1 Vorming van ketonlichamen (ketogenese) Ketogenese vindt plaats in de mitochondriën van hepatocyten (levercellen). Het proces is een reactie op een verlaagde glucoseconcentratie in het bloed, waardoor de vetzuurverbranding wordt verhoogd en de concentratie van ketonlichamen in het bloed stijgt. Deze ketonlichamen dienen als een alternatieve energiebron voor weefsels zoals spieren en het hart, waardoor glucose wordt gereserveerd voor weefsels die afhankelijk zijn van glucose, zoals het zenuwweefsel en rode bloedcellen. #### 1.1.1 Het proces van ketogenese De vorming van ketonlichamen begint met acetyl-CoA, een product van de $\beta$-oxidatie van vetzuren. * **Stap 1: Vorming van acetoacetyl-CoA** Twee moleculen acetyl-CoA condenseren tot acetoacetyl-CoA, gekatalyseerd door het enzym $\beta$-ketothiolase. $$ 2 \times \text{Acetyl-CoA} \xrightarrow{\beta\text{-ketothiolase}} \text{Acetoacetyl-CoA} $$ * **Stap 2: Vorming van hydroxymethylglutaryl-CoA (HMG-CoA)** Acetoacetyl-CoA condenseert met een derde molecuul acetyl-CoA tot HMG-CoA, gekatalyseerd door HMG-CoA synthase. $$ \text{Acetoacetyl-CoA} + \text{Acetyl-CoA} \xrightarrow{\text{HMG-CoA synthase}} \text{HMG-CoA} $$ * **Stap 3: Vorming van $\beta$-hydroxybutyraat** HMG-CoA wordt door het enzym HMG-CoA lyase gesplitst, waarbij $\beta$-hydroxy-methylglutaryl-CoA (HMG-CoA) en een molecule acetyl-CoA gevormd worden. Het HMG-CoA wordt vervolgens gereduceerd tot $\beta$-hydroxybutyraat, een van de belangrijkste ketonlichamen. $$ \text{HMG-CoA} \xrightarrow{\text{HMG-CoA lyase}} \beta\text{-hydroxybutyraat} + \text{Acetyl-CoA} $$ * **Vorming van aceton** Aceton, een ander ketonlichaam, wordt niet enzymatisch gevormd, maar ontstaat spontaan uit acetoacetaat door decarboxylering, vooral bij hoge concentraties acetoacetaat. $$ \text{Acetoacetaat} \rightarrow \text{Aceton} + \text{CO}_2 $$ #### 1.1.2 Typen ketonlichamen De belangrijkste ketonlichamen zijn: * $\beta$-hydroxybutyraat (ook wel $\beta$-hydroxyboterzuur genoemd) * Acetoacetaat (ook wel acetoazijnzuur genoemd) * Aceton $\beta$-hydroxybutyraat is de gereduceerde vorm van acetoacetaat. Aceton is strikt genomen geen ketonlichaam in de biochemische zin, maar wordt wel zo beschouwd vanwege zijn oorsprong en rol. Ketonlichamen zijn goed wateroplosbaar, wat hun transport in het bloed vergemakkelijkt vergeleken met vrije vetzuren. > **Tip:** Ketonlichamen zijn de meest wateroplosbare vorm van "lipide-energie". ### 1.2 Metabolisme van ketonlichamen in perifere weefsels Acetoacetaat en $\beta$-hydroxybutyraat, voornamelijk geproduceerd door de lever, dienen als brandstof voor perifere weefsels zoals het hart en de skeletspieren. #### 1.2.1 Activatie van ketonlichamen Om gebruikt te kunnen worden als energiebron, moeten ketonlichamen in de perifere weefsels eerst worden omgezet in acetyl-CoA. * **Omzetting van acetoacetaat naar acetoacetyl-CoA** Acetoacetaat wordt omgezet in acetoacetyl-CoA door het enzym CoA-transferase. Dit is een cruciale stap omdat de lever dit enzym mist, waardoor ketonlichamen niet in de lever zelf kunnen worden afgebroken. De reactie gebruikt succinyl-CoA als CoA-donor: $$ \text{Acetoacetaat} + \text{Succinyl-CoA} \xrightarrow{\text{CoA-transferase}} \text{Acetoacetyl-CoA} + \text{Succinaat} $$ Een alternatieve route, waarbij thiokinase betrokken is, kan ook plaatsvinden: $$ \text{Acetoacetaat} + \text{CoA-SH} + \text{ATP} \rightarrow \text{Acetoacetyl-CoA} + \text{AMP} + \text{PPi} + \text{H}_2\text{O} $$ * **Verwerking van $\beta$-hydroxybutyraat** $\beta$-hydroxybutyraat wordt eerst geoxideerd tot acetoacetaat, dat vervolgens via de hierboven beschreven mechanismen wordt omgezet in acetoacetyl-CoA. $$ \beta\text{-hydroxybutyraat} \rightarrow \text{Acetoacetaat} $$ #### 1.2.2 Afbraak van acetoacetyl-CoA Acetoacetyl-CoA wordt in de perifere weefsels gesplitst tot twee moleculen acetyl-CoA, die vervolgens de Krebs-cyclus ingaan voor verdere energieproductie. $$ \text{Acetoacetyl-CoA} \rightarrow 2 \times \text{Acetyl-CoA} $$ ### 1.3 Gevaren van ketonlichamen: ketoacidose Bij abnormaal hoge concentraties ketonlichamen in het bloed kunnen deze een gevaar vormen voor de gezondheid. $\beta$-hydroxybutyraat en acetoacetaat zijn relatief sterke zuren. Een overmatige productie van deze zuren kan leiden tot een daling van de pH in het bloed, een aandoening die bekend staat als ketoacidose. > **Tip:** Ketoacidose is een ernstige complicatie die kan optreden bij aandoeningen zoals ongecontroleerde diabetes mellitus type 1, langdurige vasten, of ketogeen dieet onder bepaalde omstandigheden. ### 1.4 Regulatie van ketogenese De ketogenese wordt gereguleerd op verschillende niveaus: #### 1.4.1 Regulatie door oxaalazijnzuur De concentratie oxaalazijnzuur in de mitochondriën van de lever speelt een sleutelrol. * **Veel oxaalazijnzuur:** Als er voldoende oxaalazijnzuur beschikbaar is, zal acetyl-CoA (afkomstig van $\beta$-oxidatie) primair de Krebs-cyclus ingaan. * **Weinig oxaalazijnzuur:** Bij lage glucoseconcentraties wordt oxaalazijnzuur gebruikt voor gluconeogenese, waardoor de beschikbaarheid voor de Krebs-cyclus afneemt. Overmatig acetyl-CoA wordt dan omgeleid naar ketogenese. #### 1.4.2 Hormonale regulatie * **Insuline:** Insuline remt lipolyse (afbraak van vetten), wat leidt tot minder vetzuren beschikbaar voor $\beta$-oxidatie en dus tot verminderde ketogenese. Het stimuleert ook glycolyse, waardoor glucose beschikbaar blijft als energiebron. * **Glucagon:** Glucagon stimuleert lipolyse en remt glycolyse in de lever. Het blokkeert ook vetzuursynthese op het niveau van acetyl-CoA carboxylase. Dit leidt tot meer $\beta$-oxidatie en daardoor tot verhoogde ketogenese. > **Tip:** Ketogenese vindt plaats wanneer er een overvloed aan vetzuren is om te verbranden en een tekort aan glucose, wat de lever stimuleert om deze alternatieve energiebronnen te produceren. ### 1.5 Samenvatting van de levering van acetyl-CoA en ketonlichamen De lever speelt een centrale rol in de productie van ketonlichamen uit de $\beta$-oxidatie van vetzuren. Deze ketonlichamen worden vervolgens afgegeven aan de bloedbaan en dienen als energiebron voor perifere weefsels. In deze weefsels worden de ketonlichamen weer omgezet in acetyl-CoA voor gebruik in de Krebs-cyclus. | Organisme | Proces | Producten | | :-------- | :-------------------------------------- | :------------------------------ | | Lever | Afbraak vetzuren ($\beta$-oxidatie) | Acetyl-CoA | | Lever | Ketogenese (uit Acetyl-CoA) | Ketonlichamen | | Lever | Secretie van ketonlichamen naar bloedbaan | Ketonlichamen | | Perifere | Metabolisme van ketonlichamen | Acetyl-CoA | | Perifere | Energieproductie (Krebs-cyclus) | ATP | ### 1.6 Vergelijking met cholesterol synthese De aanmaak van HMG-CoA, een intermediair in de ketogenese, is identiek aan de eerste stappen in de cholesterol synthese. Echter, in de lever vindt, afhankelijk van de celcompartiment en de enzymatische activiteit, de verdere omzetting van HMG-CoA plaats naar ofwel ketonlichamen (in de mitochondriën) ofwel naar cholesterol (in het cytosol/ER). Dit benadrukt de flexibiliteit van acetyl-CoA als bouwsteen in het metabolisme. > **Example:** Statines, medicijnen die cholesterol verlagen, werken door het enzym HMG-CoA reductase te remmen. Dit enzym is een sleutelstap in de cholesterol synthese. De accumulatie van HMG-CoA als gevolg van deze inhibitie kan potentieel bijdragen aan de vorming van ketonlichamen. --- # Cholesterolsynthese en regulatie Dit onderwerp behandelt de biosynthese van cholesterol, de rol van HMG-CoA reductase als primair regulatiemechanisme en doelwit van statines, en de diverse cellulaire mechanismen die de cholesterolconcentratie in stand houden. ### 2.1 De synthese van cholesterol Cholesterol is een essentiële molecule voor de opbouw van celmembranen, waardoor deze rigider worden en de beweging van vetzuurketens gereguleerd wordt. Bovendien is cholesterol de precursor voor steroïde hormonen, galzuren en vitamine D. De synthese van cholesterol vindt voornamelijk plaats in het cytoplasma en het endoplasmatisch reticulum van perifere cellen, hoewel de lever een centrale rol speelt in de cholesterolhomeostase. **Stap 1: Vorming van acetoacetyl-CoA** Dit proces begint met de condensatie van twee moleculen acetyl-CoA, gekatalyseerd door het enzym $\beta$-ketothiolase. $$ \text{2 Acetyl-CoA} \xrightarrow{\beta\text{-ketothiolase}} \text{Acetoacetyl-CoA} $$ **Stap 2: Vorming van hydroxymethylglutaryl-CoA (HMG-CoA)** Acetoacetyl-CoA condenseert vervolgens met een derde molecuul acetyl-CoA, gekatalyseerd door HMG-CoA synthase, om HMG-CoA te vormen. Dit enzym en de reactie zijn identiek aan de eerste stappen van de ketogenese. $$ \text{Acetoacetyl-CoA} + \text{Acetyl-CoA} \xrightarrow{\text{HMG-CoA synthase}} \text{HMG-CoA} $$ **Stap 3: Vorming van mevalonaat** De sleutelreactie en het belangrijkste regulatiemechanisme in de cholesterolsynthese is de reductie van HMG-CoA tot mevalonaat, gekatalyseerd door HMG-CoA reductase. Dit is een anabole reactie die NADPH als cofactor gebruikt. Mevalonaat is een unieke precursor uitsluitend voor de synthese van cholesterol. $$ \text{HMG-CoA} + 2\text{NADPH} + 2\text{H}^+ \xrightarrow{\text{HMG-CoA reductase}} \text{Mevalonaat} + 2\text{NADP}^+ + \text{CoA-SH} $$ > **Tip:** HMG-CoA reductase is het primaire doelwit van statines, een klasse medicijnen die gebruikt wordt om het cholesterolniveau te verlagen. Door dit enzym te remmen, wordt de aanmaak van cholesterol beperkt. **Verdere stappen tot cholesterol** Vanaf mevalonaat worden via een reeks fosforyleringen en condensaties verschillende isoprenoïde intermediairen gevormd, waaronder geranylpyrofosfaat en farnesylpyrofosfaat. Twee moleculen farnesylpyrofosfaat dimeriseren om squaleen te vormen. Na cyclisatie van squaleen wordt lanosterol gevormd, dat uiteindelijk wordt omgezet in cholesterol. De specifieke structuren van de intermediairen tussen mevalonaat en lanosterol zijn niet van belang, maar het principe van de omzetting via isopreen-eenheden wel. * **Mevalonaat $\rightarrow$ Farnesylpyrofosfaat** (via C5 subeenheden, isoprenoïden) * **2 Farnesylpyrofosfaat $\rightarrow$ Squaleen** * **Squaleen $\rightarrow$ Lanosterol** * **Lanosterol $\rightarrow$ Cholesterol** (finale omzetting) ### 2.2 Regulatie van de cholesterolconcentratie De homeostase van cholesterol wordt op verschillende niveaus gereguleerd om accumulatie en tekorten te voorkomen. **1. Regulatie op niveau van de LDL-receptor** Wanneer de intracellulaire cholesterolconcentratie hoog is, wordt de opname van cholesterol uit het bloed gemoduleerd door de hoeveelheid LDL-receptoren op het celoppervlak te verminderen. LDL (Low-Density Lipoprotein)-deeltjes, die cholesterol transporteren, worden via deze receptoren de cel in gebracht (endocytose). **2. Regulatie op niveau van de synthese (HMG-CoA reductase)** Dit is een belangrijke feedbackmechanisme. Een hoge intracellulaire cholesterolconcentratie remt de activiteit en de synthese van HMG-CoA reductase, het enzym dat de snelheidsbepalende stap in de cholesterolsynthese katalyseert. Omgekeerd stimuleert een laag cholesterolniveau de activiteit van dit enzym. **3. Cholesterolverestering in de cel** Het enzym Acyl-CoA:cholesterol acyltransferase (ACAT), ook wel bekend als Acylcholesterolestertransferproteïne, verestert vrij cholesterol met een vetzuur. Dit vormt cholesterol-esters, die hydrofobe eigenschappen hebben en worden opgeslagen in lipidedruppels. Dit verlaagt de concentratie vrij cholesterol in de cel, waardoor meer cholesterol kan worden opgenomen of gesynthetiseerd. $$ \text{Cholesterol} + \text{Acyl-CoA} \xrightarrow{\text{ACAT}} \text{Cholesterol-ester} + \text{CoA-SH} $$ **4. Cholesterol efflux naar HDL** High-Density Lipoprotein (HDL) speelt een cruciale rol in het "reverse cholesterol transport". HDL neemt overtollig cholesterol op uit perifere weefsels en transporteert dit terug naar de lever. In de lever kan cholesterol worden omgezet in galzuren voor uitscheiding. Dit effluxproces van cholesterol uit de cel naar HDL is een belangrijke regulator van de intracellulaire cholesterolconcentratie. ### 2.3 Bronnen van cholesterol Cholesterol is afkomstig uit twee hoofdbronnen: * **Voeding:** Cholesterol dat wordt opgenomen uit de voeding. * **Neosynthese:** Cholesterol dat de lever en andere weefsels zelf aanmaken via de hierboven beschreven biosyntheseweg. > **Tip:** De balans tussen inname, synthese, gebruik en uitscheiding van cholesterol is essentieel voor de gezondheid. Verstoringen in deze regulatie kunnen leiden tot aandoeningen zoals atherosclerose. ### 2.4 Cholesterol transport en lipoproteïnen Vanwege de hydrofobe aard van cholesterol, kan het niet vrij circuleren in het bloed. Het wordt getransporteerd in de vorm van lipoproteïnen. * **LDL (Low-Density Lipoprotein):** Wordt vaak "slecht" cholesterol genoemd. Levert cholesterol aan perifere weefsels. * **HDL (High-Density Lipoprotein):** Wordt vaak "goed" cholesterol genoemd. Neemt cholesterol op uit perifere weefsels en transporteert het naar de lever voor uitscheiding. ### 2.5 Galzuren als eindproducten van cholesterolmetabolisme Galzuren zijn afgeleiden van cholesterol en worden in de lever gesynthetiseerd uit cholesterol. Primaire galzuren worden in de lever gevormd via het enzym cholesterol 7-$\alpha$-hydroxylase. In de darm kunnen bacteriën deze verder omzetten in secundaire galzuren. Galzuren zijn amfifiel en spelen een cruciale rol bij de emulsificatie van vetten, wat de vertering en absorptie van vetten bevordert. De carboxylgroep van galzuren kan geconjugeerd worden met aminozuren zoals glycine of taurine om de wateroplosbaarheid te verhogen. --- # Galzuren en hun functie Galzuren zijn eindproducten van het cholesterolmetabolisme die een cruciale rol spelen bij de vertering en opname van vetten. ## 3 Galzuren en hun functie Galzuren zijn de belangrijkste eindproducten van het cholesterolmetabolisme. Ze worden gesynthetiseerd in de lever en spelen een essentiële rol bij de emulsificatie en vertering van vetten in de darm. ### 3.1 Vorming van galzuren uit cholesterol De synthese van galzuren start in de lever met cholesterol. Dit proces omvat meerdere stappen, waarbij cholesterol wordt omgezet tot primaire galzuren. #### 3.1.1 Primaire galzuren Primaire galzuren worden direct in de lever uit cholesterol gevormd. Het sleutelenzym in dit proces is cholesterol 7-alfa-hydroxylase, een cytochroom P450-enzym. Deze reactie introduceert een hydroxylgroep op de 7-alfa-positie van het cholesterolmolecuul. #### 3.1.2 Secundaire galzuren In de darm worden primaire galzuren gemodificeerd door bacteriële enzymen. Een veelvoorkomende modificatie is het verwijderen van de 7-hydroxylgroep, wat resulteert in secundaire galzuren. #### 3.1.3 Conjugatie van galzuren Voordat galzuren worden uitgescheiden, kunnen ze worden geconjugeerd met aminozuren zoals glycine of taurine. Deze conjugatie maakt de galzuren amfipathisch en verhoogt hun wateroplosbaarheid, wat essentieel is voor hun functie in de darm. Het koppelen aan glycine of taurine verbetert de wateroplosbaarheid van de galzuurmolecule. ### 3.2 De rol van galzuren in de vetvertering Galzuren fungeren als emulgerende agentia, wat betekent dat ze helpen bij het verkleinen van grote vetdruppels tot kleinere druppeltjes. Dit vergroot het oppervlak waarop spijsverteringsenzymen, zoals lipasen, kunnen inwerken. #### 3.2.1 Emulsificatie van vetten Grote vetdruppels worden door galzouten geëmulgeerd tot kleinere micellen. Dit proces vergroot het contactoppervlak voor lipasen, waardoor de afbraak van triglyceriden tot vetzuren en monoglyceriden efficiënter verloopt. > **Tip:** Het emulgerende effect van galzouten is te danken aan hun amfipathische karakter; ze hebben zowel hydrofiele als hydrofobe delen. #### 3.2.2 Opname van vetzuren De geëmulgeerde vetzuren en monoglyceriden vormen samen met galzouten en andere lipiden gemengde micellen. Deze micellen transporteren de producten van de vetvertering naar het oppervlak van de darmepitheelcellen, waar ze worden opgenomen. ### 3.3 Kenmerken van galzuren Galzuren zijn structureel verwant aan cholesterol, maar bezitten extra functionele groepen, zoals hydroxylgroepen, die hun oplosbaarheid en functionaliteit beïnvloeden. #### 3.3.1 Structuur en oplosbaarheid Galzuren behouden de karakteristieke vier ringstructuur van cholesterol, maar bevatten extra hydroxylgroepen en een zijdelingse keten met een carboxylgroep. Deze modificaties maken ze amfipathisch, met zowel hydrofiele als hydrofobe eigenschappen. #### 3.3.2 Cholesterol als precursor Cholesterol is de directe precursor voor de synthese van galzuren. Galzuren zijn dan ook de primaire route voor de excretie van overtollig cholesterol uit het lichaam. ### 3.4 Regulatie van cholesterolconcentratie Galzuren dragen bij aan de regulatie van de cholesterolconcentratie door de belangrijkste route te vormen voor de uitscheiding van cholesterol uit het lichaam. De omzetting van cholesterol in galzuren en de excretie daarvan via de gal helpen de totale cholesterolbalans te handhaven. #### 3.4.1 Cholesterol efflux naar HDL Overtollig cholesterol uit perifere weefsels kan worden getransporteerd naar de lever door lipoproteïne deeltjes, met name HDL (high-density lipoprotein). In de lever wordt dit cholesterol vervolgens omgezet in galzuren. #### 3.4.2 Uitscheiding van galzuren De galzuren worden uitgescheiden in de darm om te assisteren bij de vetvertering. Een deel van deze galzuren wordt gerecycled via de enterohepatische circulatie, terwijl een ander deel met de feces wordt uitgescheiden, wat bijdraagt aan cholesterolverlies. > **Tip:** De enterohepatische circulatie van galzuren is een belangrijk mechanisme dat de efficiëntie van de vetvertering verhoogt, maar ook betekent dat de lever voortdurend nieuwe galzuren moet synthetiseren om de verliezen te compenseren. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Acetyl-CoA | Een cruciaal molecuul in het metabolisme dat wordt gevormd uit de afbraak van koolhydraten, vetten en eiwitten, en dient als bouwsteen voor diverse biosynthetische routes, waaronder de citroenzuurcyclus en de synthese van vetzuren en cholesterol. | | Krebs cyclus | Ook bekend als de citroenzuurcyclus, is een reeks chemische reacties die plaatsvindt in de mitochondriën van aerobe organismen, waarbij acetyl-CoA wordt geoxideerd om energie in de vorm van ATP, NADH en FADH2 te produceren. | | Ketonlichamen | Een groep van drie moleculen – acetoacetaat, bèta-hydroxybutyraat en aceton – die door de lever worden geproduceerd uit acetyl-CoA, met name tijdens periodes van vasten of lage koolhydraatinname, en dienen als alternatieve energiebron voor weefsels zoals de hersenen en spieren. | | Hydroxymethylglutaryl-CoA (HMG-CoA) | Een sleutelintermediair in de biosynthese van cholesterol en ketonlichamen. Het enzym HMG-CoA reductase, dat dit molecuul omzet in mevalonaat, is het primaire doelwit van statine-cholesterolverlagers. | | Bèta-oxidatie | Het metabole proces waarbij vetzuren worden afgebroken in de mitochondriën om acetyl-CoA te produceren, dat vervolgens de Krebs cyclus kan ingaan voor energieproductie. Dit proces is essentieel voor het vrijmaken van energie uit vetweefsel. | | Ketogenese | Het proces waarbij de lever ketonlichamen synthetiseert uit acetyl-CoA. Dit gebeurt voornamelijk wanneer de beschikbaarheid van glucose laag is en de vetzuuroxidatie toeneemt, waardoor de lever overschakelt op de productie van deze alternatieve brandstof. | | Ketoacidose | Een potentieel levensbedreigende medische aandoening die wordt gekenmerkt door extreem hoge concentraties ketonlichamen in het bloed, wat leidt tot een verzuring van het bloed (lage pH). Dit komt vaak voor bij ongecontroleerde diabetes mellitus. | | Bèta-ketothiolase | Een enzym dat betrokken is bij de eerste stap van de ketogenese, waarbij twee moleculen acetyl-CoA worden gecondenseerd om acetoacetyl-CoA te vormen. Dit is een cruciale reactie voor de aanmaak van ketonlichamen. | | HMG-CoA synthase | Een enzym dat de tweede stap in de ketogenese katalyseert door acetoacetyl-CoA te condenseren met een derde acetyl-CoA molecuul om HMG-CoA te vormen. Dit molecuul is essentieel voor zowel ketogenese als cholesterolsynthese. | | HMG-CoA lyase | Een enzym dat de omzetting van HMG-CoA naar acetoacetaat en acetyl-CoA faciliteert, wat een belangrijke stap is in de afbraak van HMG-CoA tijdens de ketogenese. | | Aceton | Een van de drie ketonlichamen, geproduceerd door de spontane decarboxylering van acetoacetaat. Aceton is zeer vluchtig en wordt voornamelijk via de adem en urine uitgescheiden. | | CoA-transferase | Een enzym dat betrokken is bij het metabolisme van ketonlichamen in perifere weefsels. Het katalyseert de omzetting van acetoacetaat naar acetoacetyl-CoA door de overdracht van een CoA-groep van succinyl-CoA. | | Thiokinase | Een klasse van enzymen die een essentiële rol spelen bij de activeringsenergie-afhankelijke koppeling van een CoA-molecuul aan een substraat, zoals bij de omzetting van acetoacetaat naar acetoacetyl-CoA met behulp van ATP. | | Oxaalazijnzuur | Een vier-koolstofdicarboxylzuur dat een belangrijke rol speelt in de Krebs cyclus en gluconeogenese. De concentratie ervan in de mitochondriën kan de balans tussen de Krebs cyclus en ketogenese reguleren. | | Insuline | Een hormoon geproduceerd door de pancreas dat de bloedsuikerspiegel verlaagt. Het remt lipolyse, wat leidt tot minder vetzuurproductie en daardoor minder ketogenese. | | Glucagon | Een hormoon geproduceerd door de pancreas dat de bloedsuikerspiegel verhoogt. Het stimuleert de afbraak van glycogeen en vetten, wat indirect de ketogenese kan bevorderen door de beschikbaarheid van vetzuren te verhogen. | | Cholesterol | Een essentieel lipide dat een cruciale component is van celmembranen en een precursor is voor steroïde hormonen, galzuren en vitamine D. Het wordt deels via de voeding opgenomen en deels in de lever gesynthetiseerd. | | Steroïde hormonen | Een klasse van lipidehormonen die afgeleid zijn van cholesterol. Voorbeelden zijn geslachtshormonen (oestrogenen, testosteron) en bijnierhormonen (cortisol, aldosteron). | | Statines | Een klasse van medicijnen die worden gebruikt om het cholesterolgehalte in het bloed te verlagen. Ze werken door selectieve remming van HMG-CoA reductase, het sleutelenzym in de cholesterolsynthese. | | Mevalonzuur | Een sleutelintermediair in de cholesterolsynthese dat wordt gevormd uit HMG-CoA door het enzym HMG-CoA reductase. Het is de voorloper van isoprenoïden, die essentieel zijn voor de verdere opbouw van cholesterol. | | Farnesylpyrofosfaat | Een twintig-koolstof intermediate molecule in de isoprenoïde biosynthese pathway, essentieel voor de vorming van squaleen, de directe precursor van cholesterol. | | Squaleen | Een lineaire C30 precursor molecule gevormd uit de combinatie van twee farnesylpyrofosfaat moleculen. Het is de directe precursor van lanosterol in de biosynthese van cholesterol. | | Lanosterol | Een tetracyclisch triterpeen dat de eerste cyclische steroid is die wordt gevormd in de biosynthese van cholesterol uit squaleen. Het is een directe precursor van cholesterol. | | LDL receptor | Een membraangebonden receptor op het oppervlak van cellen die LDL (low-density lipoprotein) deeltjes bindt en opneemt, waardoor cholesterol uit het bloed wordt verwijderd en in de cel wordt afgeleverd. | | ACAT (Acylcholesterolestertransferase) | Een enzym dat betrokken is bij de verestering van cholesterol in de cel. Het katalyseert de overdracht van een vetzuur van fosfolipiden of cholesterolesters naar de hydroxylgroep van cholesterol, waardoor cholesterol beter kan worden opgeslagen. | | HDL (High-density lipoprotein) | Een type lipoproteïne dat wordt beschouwd als 'goed' cholesterol. Het transporteert overtollig cholesterol van perifere weefsels terug naar de lever voor afbraak of uitscheiding. | | Galzuren | Amfipathische moleculen die in de lever worden gesynthetiseerd uit cholesterol. Ze spelen een cruciale rol bij de emulsificatie van vetten in de dunne darm, waardoor de vertering en absorptie van vetten wordt vergemakkelijkt. | | Cholesterol 7-alpha hydroxylase | Het sleutelenzym dat de eerste en snelheidsbepalende stap in de synthese van galzuren uit cholesterol katalyseert, door een hydroxylgroep op koolstofatoom 7 te introduceren. | | Secundaire galzuren | Galzuren die worden gevormd in de darm door bacteriële modificatie van primaire galzuren. De meest voorkomende secundaire galzuren zijn deoxycholzuur en lithocholzuur. | | Emulsificerend agens | Een stof die helpt bij het mengen van twee vloeistoffen die normaal niet mengbaar zijn, zoals olie en water. Galzouten fungeren als emulsificerend agens voor vetten in de darm. | | Amfipathisch | Een molecuul met zowel hydrofiele (waterminnende) als hydrofobe (waterafstotende) delen. Galzouten en fosfolipiden zijn amfipathisch, wat hun rol in de emulsificatie van vetten verklaart. |

# Vorming en functie van ketonlichamen Ketonlichamen zijn wateroplosbare energiebronnen die in de lever worden gevormd uit acetyl-CoA, voornamelijk wanneer glucoseconcentraties laag zijn, en kunnen in perifere weefsels worden gebruikt als alternatieve brandstof, hoewel te hoge concentraties leiden tot verzuring van het bloed. ### 1.1 Wat zijn ketonlichamen? Ketonlichamen, bestaande uit acetoacetaat, $\beta$-hydroxybutyraat en aceton, zijn kleine, goed wateroplosbare moleculen die dienen als een alternatieve energiebron voor de cel wanneer glucose schaars is. Ze worden voornamelijk gevormd in de lever uit acetyl-CoA, dat afkomstig is van de $\beta$-oxidatie van vetzuren. * **Acetoacetaat:** Een van de primaire ketonlichamen. * **$\beta$-hydroxybutyraat:** De gereduceerde vorm van acetoacetaat. * **Aceton:** Ontstaat spontaan uit acetoacetaat en wordt voornamelijk uitgeademd of uitgescheiden. Hoewel het structureel een keton is, wordt het soms strikt genomen niet als een functioneel ketonlichaam beschouwd omdat het geen direct substraat is voor energieproductie in perifere weefsels. ### 1.2 Vorming van ketonlichamen (Ketogenese) Ketogenese vindt plaats in de mitochondriën van hepatocyten (levercellen). Het proces begint met de condensatie van acetyl-CoA-moleculen. #### 1.2.1 Stap 1: Vorming van acetoacetyl-CoA Twee moleculen acetyl-CoA condenseren tot acetoacetyl-CoA, gekatalyseerd door het enzym $\beta$-ketothiolase. $$ \text{Acetyl-CoA} + \text{Acetyl-CoA} \xrightarrow{\beta\text{-ketothiolase}} \text{Acetoacetyl-CoA} $$ #### 1.2.2 Stap 2: Vorming van hydroxymethylglutaryl-CoA (HMG-CoA) Acetoacetyl-CoA condenseert met een derde molecule acetyl-CoA om HMG-CoA te vormen, gekatalyseerd door HMG-CoA synthase. $$ \text{Acetoacetyl-CoA} + \text{Acetyl-CoA} \xrightarrow{\text{HMG-CoA synthase}} \text{HMG-CoA} $$ #### 1.2.3 Stap 3: Vorming van $\beta$-hydroxybutyraat en acetoacetaat HMG-CoA wordt gesplitst door HMG-CoA lyase. Dit leidt tot de vorming van acetoacetaat en acetyl-CoA. Acetoacetaat kan vervolgens, door reductie, worden omgezet in $\beta$-hydroxybutyraat. $$ \text{HMG-CoA} \xrightarrow{\text{HMG-CoA lyase}} \text{Acetoacetaat} + \text{Acetyl-CoA} $$ $$ \text{Acetoacetaat} \xrightarrow{\text{}} \beta\text{-hydroxybutyraat} $$ #### 1.2.4 Vorming van aceton Aceton wordt gevormd door de spontane decarboxylering van acetoacetaat, vooral wanneer de concentratie van acetoacetaat hoog is. $$ \text{Acetoacetaat} \rightarrow \text{Aceton} + \text{CO}_2 $$ ### 1.3 Functie van ketonlichamen Ketonlichamen dienen als een essentiële energiebron voor perifere weefsels, waaronder het hart en de skeletspieren, wanneer glucose onvoldoende beschikbaar is. Dit is met name belangrijk tijdens periodes van vasten, langdurige inspanning, of bij lage koolhydraatinname. Het gebruik van ketonlichamen door deze weefsels spaart glucose, waardoor het beschikbaar blijft voor organen die daar sterker van afhankelijk zijn, zoals de hersenen en rode bloedcellen. ### 1.4 Metabolisme van ketonlichamen in perifere weefsels In perifere weefsels worden acetoacetaat en $\beta$-hydroxybutyraat omgezet in acetyl-CoA om energie te leveren via de citroenzuurcyclus. * **Omzetting van acetoacetaat naar acetoacetyl-CoA:** Dit proces vereist het enzym succinyl-CoA:acetoacetaat CoA-transferase (ook wel acetoacetaat CoA-transferase genoemd). Dit enzym is afwezig in de lever, wat voorkomt dat de lever de ketonlichamen die zij zelf produceert, direct afbreekt. $$ \text{Acetoacetaat} + \text{Succinyl-CoA} \xrightarrow{\text{CoA transferase}} \text{Acetoacetyl-CoA} + \text{Succinaat} $$ Alternatief kan ook gebruik gemaakt worden van een thiokinase. $$ \text{Acetoacetaat} + \text{CoA-SH} + \text{ATP} \xrightarrow{\text{thiokinase}} \text{Acetoacetyl-CoA} + \text{AMP} + \text{PPi} + \text{H}_2\text{O} $$ * **Omzetting van $\beta$-hydroxybutyraat naar acetoacetaat:** $\beta$-hydroxybutyraat wordt eerst geoxideerd tot acetoacetaat. $$ \beta\text{-hydroxybutyraat} \rightarrow \text{Acetoacetaat} $$ * **Afbraak van acetoacetyl-CoA:** Acetoacetyl-CoA wordt vervolgens gesplitst in twee moleculen acetyl-CoA, die de citroenzuurcyclus kunnen binnengaan voor energieproductie. $$ \text{Acetoacetyl-CoA} \rightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{Acetyl-CoA} $$ ### 1.5 Gevaren van te hoge ketonlichaamconcentraties (Ketoacidose) Bij zeer hoge concentraties van ketonlichamen, met name $\beta$-hydroxybutyraat en acetoacetaat, kunnen deze zuren de pH van het bloed doen dalen. Dit fenomeen staat bekend als ketoacidose en kan ernstige gezondheidsproblemen veroorzaken. Ketoacidose treedt op wanneer de productie van ketonlichamen de bufferingscapaciteit van het lichaam overstijgt. ### 1.6 Regulatie van ketogenese De regulatie van de ketogenese is complex en wordt beïnvloed door verschillende factoren, waaronder de beschikbaarheid van oxaalazijnzuur en hormonen. #### 1.6.1 Regulatie door oxaalazijnzuur De concentratie van oxaalazijnzuur in de mitochondriën van de lever speelt een cruciale rol. * **Veel oxaalazijnzuur:** Wanneer er voldoende oxaalazijnzuur aanwezig is, kan acetyl-CoA uit de $\beta$-oxidatie van vetzuren efficiënt worden opgenomen in de citroenzuurcyclus. Dit vermindert de beschikbaarheid van acetyl-CoA voor ketogenese. * **Weinig oxaalazijnzuur:** Bij lage glucoseconcentraties wordt oxaalazijnzuur gebruikt voor gluconeogenese. Hierdoor is er minder oxaalazijnzuur beschikbaar voor de citroenzuurcyclus, waardoor acetyl-CoA zich ophoopt en wordt omgeleid naar ketogenese. #### 1.6.2 Regulatie door hormonen * **Insuline:** Insuline remt lipolyse (de afbraak van vetten), wat leidt tot een verminderde aanvoer van vetzuren naar de lever en dus minder ketogenese. Het stimuleert ook glycolyse, waardoor glucose beschikbaar is als energiebron. * **Glucagon:** Glucagon stimuleert lipolyse, waardoor de vetzuurconcentratie in het bloed stijgt en de lever meer acetyl-CoA produceert. Het remt ook de acetyl-CoA carboxylase, wat de vetzuursynthese blokkeert en de $\beta$-oxidatie bevordert, wat leidt tot meer ketogenese. > **Tip:** Denk aan de rol van de lever als centrale speler in de metabole regulatie. In tijden van energiebehoefte (lage glucose) faciliteert de lever de productie van alternatieve brandstoffen zoals ketonlichamen uit vetten. > > **Tip:** Ketonlichamen zijn "vet-energie" die goed oplosbaar is in water, wat hun transport via de bloedbaan vergemakkelijkt, zelfs naar de hersenen via de bloed-hersenbarrière. --- # Cholesterol synthese en regulatie Dit deel beschrijft het synthesepad van cholesterol, beginnend bij acetyl-CoA, inclusief de rol van HMG-CoA reductase als medicijndoelwit voor statines en de verschillende mechanismen van cholesterolregulatie. ### 2.1 Het synthesepad van cholesterol Cholesterolsynthese is een essentieel proces in het lichaam, waarbij het molecule een rol speelt als precursor voor steroïde hormonen, vitamine D, galzuren en als een cruciaal onderdeel van celmembranen, waar het de rigiditeit en vloeibaarheid reguleert. Cholesterol is een zeer hydrofobe molecule en slecht wateroplosbaar. #### 2.1.1 Startpunt: acetyl-CoA De synthese van cholesterol begint met acetyl-CoA. Dit kan afkomstig zijn uit de afbraak van vetzuren (β-oxidatie) of uit koolhydraatmetabolisme. #### 2.1.2 Vorming van hydroxymethylglutaryl-CoA (HMG-CoA) De eerste stappen van de cholosterol synthese zijn vergelijkbaar met die van de ketogenese: 1. **Vorming van acetoacetyl-CoA:** Twee moleculen acetyl-CoA condenseren tot acetoacetyl-CoA, gekatalyseerd door het enzym $\beta$-ketothiolase. $$ \text{Acetoacetyl-CoA} \xleftarrow{\beta\text{-ketothiolase}} 2 \times \text{Acetyl-CoA} $$ 2. **Vorming van HMG-CoA:** Acetoacetyl-CoA condenseert met een derde molecuul acetyl-CoA, gekatalyseerd door HMG-CoA synthase, om HMG-CoA te vormen. $$ \text{HMG-CoA} \xleftarrow{\text{HMG-CoA synthase}} \text{Acetoacetyl-CoA} + \text{Acetyl-CoA} $$ #### 2.1.3 Vorming van mevalonaat HMG-CoA wordt vervolgens gereduceerd tot mevalonaat door het enzym HMG-CoA reductase. Deze reductiereactie vereist NADPH als co-enzym en is een sleutelstap in de cholosterol synthese. Mevalonaat is een unieke molecule die exclusief voor de aanmaak van cholesterol wordt gebruikt. $$ \text{Mevalonaat} \xleftarrow{\text{HMG-CoA reductase, NADPH}} \text{HMG-CoA} $$ **Tip:** Het enzym HMG-CoA reductase is het primaire doelwit van statines, een klasse van medicijnen die de cholosterolconcentratie in het bloed verlagen. Door de activiteit van dit enzym te remmen, wordt de cholosterol synthese significant vertraagd. #### 2.1.4 Verdere omzettingen tot farnesyl-pyrofosfaat Mevalonaat ondergaat vervolgens een reeks fosforylerings- en decarboxylatiestappen, die leiden tot de vorming van isopentenyl pyrofosfaat (een C5 eenheid). Twee van deze C5 eenheden vormen geranylpyrofosfaat (C10), en twee geranylpyrofosfaat eenheden vormen farnesyl-pyrofosfaat (C15). Deze C5 eenheden zijn isoprenoïden. * Mevalonaat $\rightarrow$ Fosfomevalonaat $\rightarrow$ 5-Pyrofosfomevalonaat $\rightarrow$ Isopentenyl pyrofosfaat (C5) * 2 $\times$ Isopentenyl pyrofosfaat $\rightarrow$ Geranylpyrofosfaat (C10) * Geranylpyrofosfaat + Isopentenyl pyrofosfaat $\rightarrow$ Farnesyl-pyrofosfaat (C15) **Tip:** Farnesylatie, het koppelen van een farnesyl-groep aan andere moleculen, is een belangrijk proces in de cel, waaronder voor de modificatie van eiwitten. #### 2.1.5 Vorming van squaleen Twee moleculen farnesyl-pyrofosfaat (C15) condenseren om squaleen te vormen, een C30 precursor molecule. $$ \text{Squaleen} \leftarrow 2 \times \text{Farnesyl-pyrofosfaat} $$ #### 2.1.6 Vorming van lanosterol Squaleen wordt vervolgens omgevormd tot lanosterol, wat de laatste stap is vóór de vorming van cholesterol zelf. Dit omzettingsproces omvat de cyclisatie van squaleen. #### 2.1.7 Omzetting naar cholesterol Lanosterol wordt uiteindelijk omgezet in cholesterol door een reeks enzymatische reacties die ongeveer 19 stappen omvatten. Cholesterol bestaat uit 27 koolstofatomen, een hydroxylgroep, vier ringstructuren (drie zesringen en één vijfring) en een vertakte alifatische staart. ### 2.2 Regulatie van cholesterolconcentratie De homeostase van cholesterol wordt nauwkeurig gereguleerd door verschillende mechanismen: #### 2.2.1 Regulatie op niveau van de LDL-receptor * Wanneer de intracellulaire cholosterolconcentratie hoog is, wordt de expressie van LDL-receptoren op het celoppervlak verminderd. Dit resulteert in minder opname van LDL-cholesterol uit het bloed. * Omgekeerd, bij lage intracellulaire cholosterolconcentraties, neemt de expressie van LDL-receptoren toe, waardoor meer LDL-cholesterol uit de bloedbaan kan worden opgenomen. #### 2.2.2 Regulatie op niveau van de synthese * **Feedbackremming:** De synthese van cholesterol wordt gereguleerd door de eindproducten van het pad zelf. Een hoge intracellulaire cholosterolconcentratie remt de activiteit van HMG-CoA reductase, het sleutelenzym in de cholosterol synthese. * Hoge concentraties cholesterol leiden dus tot een verminderde aanmaak van nieuw cholesterol. #### 2.2.3 Cholesterolverestering in de cel * Cholesterol kan worden geesterificeerd tot cholesterolesters door het enzym acylcholesterolestertransferase (ACAT). Dit proces maakt de molecule hydrofober en slaat het op in lipidedruppels in de cel. * Deze cholesterolesters zijn minder beschikbaar voor de synthese in de bloedcirculatie en worden opgeslagen voor later gebruik. #### 2.2.4 Cholesterol efflux naar HDL * Cellen kunnen overtollig cholesterol exporteren naar HDL (High-Density Lipoprotein) deeltjes in het bloedplasma. * HDL transporteert dit cholesterol vervolgens naar de lever. #### 2.2.5 Verwerking van cholesterol in de lever * In de lever kan cholesterol worden omgezet in galzuren. Dit is de belangrijkste route voor de uitscheiding van cholesterol uit het lichaam. * Galzuren worden vervolgens met de gal uitgescheiden in de darm en verlaten het lichaam via de faeces. ### 2.3 Galzuren Galzuren zijn afgeleiden van cholesterol en spelen een cruciale rol bij de emulsificatie van vetten in de darm, waardoor vetzuren toegankelijker worden voor vertering door lipasen. * **Primaire galzuren:** Worden direct in de lever uit cholesterol gesynthetiseerd door enzymen zoals cholesterol 7-alfa-hydroxylase. * **Secundaire galzuren:** Worden gevormd in de darm door bacteriële modificatie van primaire galzuren. * De carboxylgroep van galzuren kan geesterificeerd worden met glycine of taurine, wat de wateroplosbaarheid verhoogt en hun functie als emulgator verbetert. Galzouten zijn amfifiel, wat betekent dat ze zowel hydrofiele als hydrofobe eigenschappen hebben, waardoor ze vetten kunnen emulgeren. **Tip:** De amfifiele aard van galzouten is vergelijkbaar met die van apoproteïnen in lipoproteïnen, die ook een rol spelen in het transport van lipiden. ### 2.4 Cholesteroltransport via lipoproteïnen Hoewel cholesterol slecht wateroplosbaar is, wordt het in het bloed getransporteerd in de vorm van lipoproteïnen, zoals chylomicronen, VLDL (Very Low-Density Lipoprotein), LDL (Low-Density Lipoprotein) en HDL (High-Density Lipoprotein). Vrij cholesterol bevindt zich in de buitenlaag van deze deeltjes, terwijl cholesterolesters zich in de hydrofobe kern bevinden. **Tip:** Veranderingen in de concentraties van LDL en HDL in het bloed worden vaak geassocieerd met het risico op cardiovasculaire aandoeningen zoals atherosclerose. LDL wordt vaak 'slecht' cholesterol genoemd, terwijl HDL 'goed' cholesterol. ### 2.5 Medicatie gericht op cholesterol Statines zijn een belangrijke klasse van medicijnen die de cholosterolconcentratie verlagen door HMG-CoA reductase te remmen, het sleutelenzym in de cholosterol synthese. Dit vermindert het risico op aandoeningen zoals beroertes (CVA) en hartaanvallen. Andere medicijnen kunnen ook gericht zijn op de regulatie van lipoproteïne receptoren of de opname van cholesterol uit de voeding. --- # Metabolisme en transport van cholesterol Cholesterol is een essentiële lipide die een cruciale rol speelt in de celmembraanstructuur en als precursor voor steroïde hormonen en vitamine D, wat een nauwkeurige regulatie van het metabolisme en transport ervan vereist. ### 3.1 Synthese van cholesterol De synthese van cholesterol is een complex proces dat begint met acetyl-CoA en plaatsvindt in het cytosol en het endoplasmatisch reticulum van perifere cellen. #### 3.1.1 Vorming van hydroxymethylglutaryl-CoA (HMG-CoA) De eerste stappen in de cholesterolsynthese zijn identiek aan die van de ketogenese: 1. **Acetoacetyl-CoA vorming:** Twee moleculen acetyl-CoA worden gecondenseerd tot acetoacetyl-CoA, gekatalyseerd door $\beta$-ketothiolase. $$ 2 \text{ Acetyl-CoA} \xrightarrow{\beta\text{-ketothiolase}} \text{Acetoacetyl-CoA} $$ 2. **HMG-CoA vorming:** Acetoacetyl-CoA condenseert met een derde molecuul acetyl-CoA tot hydroxymethylglutaryl-CoA (HMG-CoA), gekatalyseerd door HMG-CoA synthase. $$ \text{Acetoacetyl-CoA} + \text{Acetyl-CoA} \xrightarrow{\text{HMG-CoA synthase}} \text{HMG-CoA} $$ #### 3.1.2 Vorming van mevalonzuur HMG-CoA wordt vervolgens gereduceerd tot mevalonzuur, een sleutelmolecuul specifiek voor cholesterolsynthese. Deze stap wordt gekatalyseerd door HMG-CoA reductase en vereist NADPH als cosubstraat. $$ \text{HMG-CoA} \xrightarrow{\text{HMG-CoA reductase, NADPH}} \text{Mevalonzuur} $$ * **Tip:** Het enzym HMG-CoA reductase is het belangrijkste doelwit van statines, cholesterolverlagende medicijnen. Door dit enzym te remmen, wordt de aanmaak van cholesterol beperkt. #### 3.1.3 Verdere stappen in de mevalonaatroute Mevalonzuur ondergaat fosforyleringen en decarboxyleringen om isopreïde eenheden te vormen, die vervolgens worden geassembleerd tot squaleen en uiteindelijk tot cholesterol. 1. **Fosforylering en decarboxylering:** Mevalonzuur wordt sequentieel gefosforyleerd en gedecarboxyleerd om isopentenylpyrofosfaat (een C5-eenheid) te vormen. 2. **Vorming van geranylpyrofosfaat en farnesylpyrofosfaat:** Isopentenylpyrofosfaat wordt geïsomeriseerd tot dimethylallylpyrofosfaat. Twee C5-eenheden (een isopentenylpyrofosfaat en een dimethylallylpyrofosfaat) condenseren tot geranylpyrofosfaat (C10). Twee geranylpyrofosfaat-eenheden condenseren vervolgens tot farnesylpyrofosfaat (C15). 3. **Vorming van squaleen:** Twee farnesylpyrofosfaat-moleculen condenseren om squaleen (C30) te vormen. 4. **Cyclisatie tot lanosterol:** Squaleen ondergaat cyclisatie om lanosterol te vormen, de directe precursor van cholesterol. 5. **Omzetting tot cholesterol:** Lanosterol wordt via meerdere stappen omgezet in cholesterol. * **Tip:** De structuren van de intermediairen na mevalonzuur hoeven niet gekend te zijn, maar het principe van de sequentie van fosforyleringen en condensaties om de isoprenoïde eenheden te vormen, is wel belangrijk. #### 3.1.4 Structuur van cholesterol Cholesterol is een lipide met 27 koolstofatomen, gekenmerkt door een hydrofobe kern bestaande uit vier gefuseerde ringen (drie zesringen en één vijfring), een hydroxylgroep aan koolstofatoom 3 en een vertakte alifatische staart. Het is slecht wateroplosbaar en goed vetoplosbaar. ### 3.2 Transport van cholesterol Vanwege de slechte wateroplosbaarheid van cholesterol is gespecialiseerd transport via lipoproteïnen noodzakelijk. #### 3.2.1 Lipoproteïnen Lipoproteïnen zijn complexen van lipiden en eiwitten die het transport van vetten, waaronder cholesterol, in het bloed mogelijk maken. Ze hebben een hydrofobe kern (triglyceriden, cholesterol-esters) en een hydrofiele buitenlaag (fosfolipiden, vrije cholesterol, apolipoproteïnen). * **Chylomicronen:** Gevormd in de darm om vetten uit de voeding te transporteren. * **VLDL (Very Low-Density Lipoprotein):** Gevormd in de lever om endogeen gesynthetiseerde triglyceriden te transporteren. * **LDL (Low-Density Lipoprotein):** Gevormd uit VLDL, transporteert cholesterol naar perifere weefsels (vaak beschouwd als "slecht cholesterol"). * **HDL (High-Density Lipoprotein):** Gevormd in lever en darm, transporteert overtollig cholesterol terug naar de lever (vaak beschouwd als "goed cholesterol"). Cholesterol kan in vrije vorm voorkomen in de amfipatische buitenlaag of als cholesterol-esters in de hydrofobe kern van lipoproteïnen. #### 3.2.2 Cholesteroltransport routes * **Exogeen transport:** Chylomicronen transporteren opgenomen cholesterol en vetten uit de darm naar de perifere weefsels. * **Endogeen transport:** De lever synthetiseert cholesterol en lipoproteïnen (VLDL) die cholesterol naar perifere weefsels transporteren. LDL brengt dit cholesterol naar de cellen, waar het wordt opgenomen via LDL-receptoren. * **Reverse cholesterol transport:** HDL transporteert overtollig cholesterol uit de perifere weefsels terug naar de lever voor uitscheiding. ### 3.3 Regulatie van cholesterolconcentratie De cholesterolconcentratie in het bloed wordt nauwkeurig gereguleerd door meerdere mechanismen: 1. **LDL-receptor activiteit:** Wanneer de cholesterolconcentratie in de cel stijgt, wordt de aanmaak van LDL-receptoren geremd, waardoor minder LDL uit het bloed wordt opgenomen. 2. **Synthese regulatie:** De activiteit van HMG-CoA reductase, het sleutelenzym in de cholesterolsynthese, wordt geremd door hoge intracellulaire cholesterolniveaus. 3. **Cholesterolverestering:** Het enzym acylcholesterolestertransferase (ACAT) verestert vrij cholesterol in de cel, waardoor het hydrofobe wordt en wordt opgeslagen als cholesterol-esters, waardoor de beschikbaarheid van vrij cholesterol voor synthese en membraanintegratie wordt verminderd. 4. **Cholesterol efflux naar HDL:** Overtollig cholesterol uit cellen kan worden getransporteerd naar HDL-deeltjes. ### 3.4 Cholesterol en galzuren Cholesterol kan worden omgezet in galzuren, die essentieel zijn voor de spijsvertering van vetten. #### 3.4.1 Vorming van galzuren Galzuren zijn de eindproducten van het cholesterolmetabolisme en worden gevormd in de lever uit cholesterol via reacties gekatalyseerd door cytochroom P450 enzymen, met name cholesterol 7-alfa-hydroxylase. * **Primaire galzuren:** Worden direct in de lever gevormd uit cholesterol. * **Secundaire galzuren:** Worden gevormd in de darm door bacteriële modificatie van primaire galzuren (bijvoorbeeld door verwijdering van de 7-hydroxylgroep). De carboxylgroep van galzuren kan geconjugeerd worden met glycine of taurine, wat de wateroplosbaarheid verhoogt. #### 3.4.2 Functie van galzouten Galzouten, de geconjugeerde vorm van galzuren, zijn amfifiel en fungeren als emulgatoren in de spijsvertering. Ze breken grote vetdruppels in de darm af tot kleinere druppeltjes (micellen), waardoor de vetzuren beter toegankelijk worden voor lipasen en efficiënter geabsorbeerd kunnen worden. * **Tip:** De amfipatische aard van galzouten, met zowel hydrofiele als hydrofobe delen, is cruciaal voor hun emulgerende functie, vergelijkbaar met apolipoproteïnen in lipoproteïnen. ### 3.5 Uitscheiding van cholesterol Cholesterol en zijn metabolieten, zoals galzuren, worden uitgescheiden via de gal in de darm, waar ze met de feces worden verwijderd. ### 3.6 Cholesterol en cardiovasculaire gezondheid Cholesterol, met name LDL-cholesterol, kan bijdragen aan de vorming van atherosclerotische plaques in bloedvaten, wat kan leiden tot cardiovasculaire aandoeningen zoals angina pectoris, hartaanvallen en beroertes. Statines zijn medicijnen die de cholesterolsynthese remmen en helpen het risico op deze aandoeningen te verminderen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Acetyl-CoA | Een cruciaal molecuul in de cellulaire metabolisme dat een centrale rol speelt in de citroenzuurcyclus en bij de synthese van vetzuren en cholesterol. Het wordt gevormd door de oxidatie van pyruvaat of vetzuren. | | Krebs cyclus | Een reeks enzymatische reacties die plaatsvindt in de mitochondriale matrix van aerobe organismen, waarbij acetyl-CoA wordt geoxideerd tot kooldioxide en energie wordt geproduceerd in de vorm van ATP, NADH en FADH2. | | Ketonlichamen | Een groep van wateroplosbare moleculen (acetoacetaat, beta-hydroxybutyraat en aceton) die gevormd worden in de lever uit acetyl-CoA, voornamelijk tijdens periodes van lage glucosebeschikbaarheid of hoge vetverbranding, en dienen als alternatieve energiebron voor weefsels zoals hersenen en spieren. | | Hydroxymethylglutaryl-CoA (HMG-CoA) | Een intermediair molecuul in de biosynthese van cholesterol en ketonlichamen. De omzetting van HMG-CoA naar mevalonaat, gekatalyseerd door HMG-CoA reductase, is een sleutelstap in de cholesterolsynthese en het doelwit van statines. | | Cholesterol | Een essentieel lipide dat een belangrijke component is van celmembranen en dient als precursor voor de synthese van steroïde hormonen, galzuren en vitamine D. Het is een slecht wateroplosbare molecule die transport in het bloed vereist via lipoproteïnen. | | -oxidatie | Het metabole proces waarbij vetzuren worden afgebroken tot acetyl-CoA, dat vervolgens de Krebs cyclus kan binnengaan voor energieproductie. Dit proces vindt voornamelijk plaats in de mitochondriën. | | Ketogenese | Het proces van vorming van ketonlichamen in de lever, voornamelijk in de mitochondriën. Dit gebeurt wanneer er een overschot aan acetyl-CoA is, vaak als gevolg van verhoogde vetzuurafbraak en lage koolhydraatinname. | | Ketoacidose | Een potentieel levensbedreigende medische aandoening die wordt gekenmerkt door een abnormaal hoge concentratie van ketonlichamen in het bloed, wat leidt tot een verzuring van het bloed (lage pH). Dit komt vaak voor bij ongecontroleerde diabetes mellitus type 1. | | HMG-CoA reductase | Een enzym dat de reductie van HMG-CoA tot mevalonaat katalyseert. Dit is een cruciale en snelheidbeperkende stap in de biosynthese van cholesterol. Statines zijn remmers van dit enzym. | | Mevalonaat | Een sleutel intermediair in de biosynthese van cholesterol, gevormd uit HMG-CoA door het enzym HMG-CoA reductase. Het is de start van een reeks reacties die leiden tot de vorming van isoprenoïden en uiteindelijk squaleen. | | Farnesyl pyrofosfaat | Een isoprenoïde intermediair dat essentieel is voor de synthese van cholesterol en andere belangrijke biomoleculen zoals ubiquinon en dolichol. Het wordt gevormd door de condensatie van drie mevalonaat-eenheden. | | Squaleen | Een lineaire koolwaterstof die een intermediair is in de biosynthese van cholesterol en andere steroïden. Het wordt gevormd door de koppeling van twee farnesyl pyrofosfaat moleculen. | | Lanosterol | Een steroïde precursor die wordt gevormd uit squaleen en de directe voorloper is van cholesterol in de biosynthetische route. De omzetting van lanosterol naar cholesterol omvat meerdere stappen. | | Lipoproteïnen | Complexen van lipiden en eiwitten die lipiden (zoals cholesterol en triglyceriden) in het bloed transporteren. Voorbeelden zijn chylomicronen, VLDL, LDL en HDL, die verschillen in samenstelling en functie. | | LDL (Low-Density Lipoprotein) | Een type lipoproteïne dat voornamelijk cholesterol transporteert van de lever naar perifere weefsels. Verhoogde LDL-niveaus worden geassocieerd met een verhoogd risico op cardiovasculaire ziekten ("slecht cholesterol"). | | HDL (High-Density Lipoprotein) | Een type lipoproteïne dat overmatig cholesterol uit perifere weefsels terug transporteert naar de lever voor afbraak of uitscheiding. Hogere HDL-niveaus worden geassocieerd met een beschermend effect tegen cardiovasculaire ziekten ("goed cholesterol"). | | Galzuren | Amfipathische moleculen die worden gesynthetiseerd in de lever uit cholesterol. Ze spelen een cruciale rol bij de emulsificatie en absorptie van vetten en vetoplosbare vitaminen in de dunne darm. | | Galzouten | Geconjugeerde vormen van galzuren, waarbij een aminozuur (glycine of taurine) is gebonden aan de carboxylgroep van het galzuur. Galzouten zijn krachtiger emulgatoren dan galzuren zelf en zijn essentieel voor vetvertering en -absorptie. | | Emulsificatie | Het proces waarbij grote vetdruppels worden afgebroken tot kleinere druppeltjes door de toevoeging van emulgatoren zoals galzouten. Dit vergroot het oppervlak voor enzymatische afbraak door lipasen. | | ACAT (Acyl-CoA:cholesterol acyltransferase) | Een enzym dat de verestering van cholesterol katalyseert door een vetzuur uit acyl-CoA over te dragen op de hydroxylgroep van cholesterol. Dit proces maakt cholesterol beter oplosbaar in lipide druppels en vermindert de intracellulaire concentratie van vrij cholesterol. |

# Le métabolisme des glucides : glycolyse et néoglucogenèse Voici le résumé détaillé sur le métabolisme des glucides : glycolyse et néoglucogenèse. ## 1. Le métabolisme des glucides : glycolyse et néoglucogenèse Le métabolisme des glucides englobe des voies cataboliques comme la glycolyse et des voies anaboliques comme la néoglucogenèse, essentielles au maintien de l'énergie et de la glycémie [1](#page=1). ### 1.1 La digestion et l'absorption des glucides Les glucides alimentaires, principalement sous forme d'amidon, de disaccharides et de monosaccharides, sont digérés par des amylases et des enzymes de la bordure en brosse intestinale. Les oses sont ensuite absorbés par les entérocytes via des transporteurs SGLT (actif) et GLUT (facilitée), puis passent dans la circulation sanguine via GLUT2 [2](#page=2). ### 1.2 La glycolyse La glycolyse est une voie catabolique cytosolique anaérobie qui dégrade le glucose en pyruvate, produisant de l'ATP et du NADH. Elle se déroule dans toutes les cellules, mais est particulièrement active dans les globules rouges, les cellules nerveuses et les cellules cancéreuses. Elle est composée de dix réactions catalysées par dix enzymes, réparties en deux phases [4](#page=4): #### 1.2.1 Phase préparatoire ou d'investissement Cette phase transforme le glucose en deux trioses phosphates avec une consommation d'énergie [4](#page=4). * **Réaction 1 : Phosphorylation du glucose** * Le glucose est phosphorylé en glucose-6-phosphate (G-6-P). * Enzyme : Hexokinase (HK) ou Glucokinase (GK). * Réaction: Glucose + ATP $\rightarrow$ G-6-P + ADP [5](#page=5) [6](#page=6). * **Réaction 2 : Isomérisation du glucose-6-phosphate** * Le G-6-P (un aldose) est isomérisé en fructose-6-phosphate (F-6-P) (une cétose). * Enzyme : Glucose 6-P-isomérase. * Réaction: G-6-P $\rightleftharpoons$ F-6-P [6](#page=6). * **Réaction 3 : Synthèse de fructose-1,6-biphosphate** * Le F-6-P est phosphorylé en fructose-1,6-biphosphate (F-1,6-BP). C'est l'étape limitante de la glycolyse. * Enzyme : Phosphofructokinase 1 (PFK 1). * Réaction: F-6-P + ATP $\rightarrow$ F-1,6-BP + ADP [6](#page=6). * **Réaction 4 : Scission du fructose-1,6-biphosphate** * Le F-1,6-BP est scindé en deux trioses phosphates isomères : le dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et le glycéraldéhyde-3-phosphate (GAP). * Enzyme : Aldolase. * Réaction: F-1,6-BP $\rightleftharpoons$ DHAP + GAP [6](#page=6). * **Réaction 5 : Isomérisation du DHAP en GAP** * Le DHAP est isomérisé en GAP, car seul le GAP peut entrer dans la suite de la glycolyse. * Enzyme : Triose Phosphate Isomérase. * Réaction: DHAP $\rightleftharpoons$ GAP [6](#page=6) [7](#page=7). #### 1.2.2 Phase de remboursement ou retour d'investissement Cette phase transforme les deux molécules de GAP en pyruvate, produisant de l'ATP et du NADH [4](#page=4) [8](#page=8). * **Réaction 6 : Synthèse du 1,3-diphosphoglycérate** * Oxydation et phosphorylation du GAP en 1,3-diphosphoglycérate (1,3-BPG), avec production de NADH. * Enzyme : Glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase. * Réaction: GAP + NAD$^+$ + Pi $\rightarrow$ 1,3-BPG + NADH + H$^+$ [7](#page=7). * **Réaction 7 : Synthèse du 3-phosphoglycérate** * Transfert du groupement phosphate du 1,3-BPG à l'ADP, formant la première molécule d'ATP. * Enzyme : Phosphoglycérate kinase. * Réaction: 1,3-BPG + ADP $\rightleftharpoons$ 3-PG + ATP [7](#page=7). * **Réaction 8 : Synthèse du 2-phosphoglycérate** * Le groupement phosphate est déplacé de la position C3 à la position C2. * Enzyme : Phosphoglycérate mutase. * Réaction: 3-PG $\rightleftharpoons$ 2-PG [8](#page=8). * **Réaction 9 : Synthèse du phosphoénolpyruvate (PEP)** * Réaction de déshydratation formant une liaison riche en énergie (PEP). * Enzyme : Énolase. * Réaction: 2-PG $\rightleftharpoons$ PEP + H$_2$O [8](#page=8). * **Réaction 10 : Synthèse du pyruvate** * Transfert du groupement phosphate du PEP à l'ADP, formant la deuxième molécule d'ATP et le pyruvate. C'est une réaction irréversible. * Enzyme : Pyruvate kinase. * Réaction: PEP + ADP $\rightarrow$ Pyruvate + ATP [8](#page=8). #### 1.2.3 Bilan énergétique de la glycolyse Pour une molécule de glucose, le bilan net est de **2 molécules d'ATP** et **2 molécules de NADH, H$^+$** [9](#page=9). * Phase préparatoire : Consommation de 2 ATP. * Phase de remboursement : Production de 4 ATP et 2 NADH, H$^+$. #### 1.2.4 Devenir du pyruvate Le devenir du pyruvate dépend de la présence d'oxygène et de la situation énergétique de la cellule [9](#page=9). * **En conditions aérobies:** Oxydation mitochondriale du pyruvate en CO$_2$ via le cycle de Krebs après sa conversion en acétyl-CoA par la pyruvate déshydrogénase [10](#page=10) [9](#page=9). * **En conditions anaérobies:** Fermentation lactique (réduction en lactate) ou fermentation alcoolique (réduction en éthanol, non vue dans le document de référence) [9](#page=9). **Cycle de Cori (muscle, foie):** Le lactate produit par le muscle en anaérobie est transporté au foie, où il est retransformé en pyruvate, puis en glucose par néoglucogenèse [10](#page=10). #### 1.2.5 Régulation de la glycolyse La régulation vise à adapter la glycolyse aux besoins énergétiques et s'opère principalement sur les réactions irréversibles [10](#page=10). * **Régulation allostérique :** * **Hexokinase (HK):** Inhibée par son produit, le G-6-P (rétroaction négative). La glucokinase hépatique n'est pas inhibée par le G-6-P et a une faible affinité pour le glucose, permettant le stockage du glucose en glycogène après un repas [11](#page=11). * **PFK 1:** Activée par l'AMP et l'ADP (besoins énergétiques élevés) et par le fructose-2,6-bisphosphate. Inhibée par l'ATP et le citrate (énergie abondante) [11](#page=11). * **Pyruvate kinase (PK):** Tous les isoenzymes sont inhibés par l'ATP et activés par le fructose-1,6-bisphosphate. L'isoenzyme hépatique est désactivée par phosphorylation (contrôlée par le glucagon) [12](#page=12). * **Régulation covalente et hormonale :** * **Insuline (hypoglycémiante):** Favorise la glycolyse en activant la transcription des enzymes clés (GK, PFK1, PK) et la déphosphorylation de la PK hépatique [12](#page=12). * **Glucagon (hyperglycémiant):** Inhibe la glycolyse en inhibant la transcription des enzymes clés et en favorisant la phosphorylation et l'inactivation de la PK hépatique [12](#page=12). #### 1.2.6 Principales anomalies de la glycolyse * **Acidose lactique:** Due à une production accrue de lactate en condition d'hypoxie, surtout en cas d'insuffisance hépatique [13](#page=13). * **Anémies hémolytiques héréditaires:** Déficit en enzymes de la glycolyse (ex: pyruvate kinase, hexokinase, glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase) entraînant une chute d'ATP et une rigidité membranaire des érythrocytes [13](#page=13). ### 1.3 La néoglucogenèse La néoglucogenèse est un ensemble de réactions qui synthétisent le glucose à partir de précurseurs non glucidiques comme le pyruvate, le lactate, l'alanine et le glycérol. Elle vise à maintenir une glycémie physiologique, principalement dans le foie (90%) et le rein (10%). Les réactions se déroulent dans le cytosol, sauf la première qui est mitochondriale. La néoglucogenèse n'est pas l'inverse exact de la glycolyse car elle contourne les trois réactions irréversibles de celle-ci via des enzymes spécifiques [14](#page=14) [15](#page=15). #### 1.3.1 Réactions de la néoglucogenèse à partir du pyruvate Elle utilise sept réactions réversibles de la glycolyse et trois réactions spécifiques pour contourner les étapes irréversibles [15](#page=15). 1. **Formation du PEP à partir du pyruvate (2 étapes) :** * **Phase mitochondriale:** Pyruvate + CO$_2$ + ATP $\rightarrow$ Oxaloacétate + ADP + Pi (Pyruvate carboxylase). L'oxaloacétate est ensuite réduit en malate (malate déshydrogénase mitochondriale) pour traverser la membrane mitochondriale via une navette [15](#page=15) [16](#page=16). * **Phase cytosolique:** Malate est reconverti en oxaloacétate (malate déshydrogénase cytosolique). L'oxaloacétate est ensuite converti en PEP en consommant du GTP (PEP carboxykinase) [16](#page=16). * Bilan pour 2 pyruvates: 2 Pyruvate + 2 ATP + 2 GTP $\rightarrow$ 2 PEP + 2 ADP + 2 GDP + 4 Pi [16](#page=16). 2. **Formation du F-6-P à partir du F-1,6-BP :** * Enzyme : Fructose 1,6-bisphosphatase. * Réaction: F-1,6-BP + H$_2$O $\rightarrow$ F-6-P + Pi [17](#page=17). 3. **Formation du glucose à partir du G-6-P :** * Enzyme : Glucose-6-phosphatase. * Réaction: G-6-P + H$_2$O $\rightarrow$ Glucose + Pi [17](#page=17). #### 1.3.2 Bilan énergétique de la néoglucogenèse La synthèse d'une molécule de glucose à partir de deux molécules de pyruvate consomme **4 ATP, 2 GTP et 2 NADH, H$^+$**, équivalant à environ **11 ATP** [17](#page=17). #### 1.3.3 Néoglucogenèse à partir d'autres précurseurs * **Lactate:** Le lactate (produit par le muscle en anaérobie) est reconverti en pyruvate dans le foie, puis en glucose par néoglucogenèse (Cycle de Cori) [17](#page=17). * **Acides aminés:** Les acides aminés glucoformateurs (sauf la leucine) peuvent être convertis en pyruvate ou en intermédiaires du cycle de Krebs pour la néoglucogenèse. L'alanine musculaire est un exemple clé (Cycle de Felig) [18](#page=18). * **Glycérol:** Issu de la dégradation des triglycérides, le glycérol peut rejoindre la néoglucogenèse via le DHAP, grâce à la glycérol kinase présente dans le foie et le rein [18](#page=18). #### 1.3.4 Régulation de la néoglucogenèse La néoglucogenèse et la glycolyse sont régulées de manière réciproque pour ajuster la production de glucose aux besoins énergétiques [19](#page=19). * **Régulation allostérique :** * La Pyruvate Carboxylase (PC) est activée par l'Acétyl-CoA. * La PEP Carboxykinase (PEPCK) et la Fructose 1,6-bisphosphatase (F1,6BPase) sont inhibées par l'AMP, l'ADP et le fructose-2,6-bisphosphate (F2,6BP) [19](#page=19). * **Régulation covalente et hormonale :** * **Glucagon (à distance d'un repas):** Favorise la néoglucogenèse en induisant la phosphorylation et l'inactivation de la PFK2 (qui produit le F2,6BP, un activateur de la glycolyse et inhibiteur de la néoglucogenèse) [19](#page=19). * **Insuline (postprandiale):** Favorise la glycolyse et inhibe la néoglucogenèse en induisant la déphosphorylation et l'activation de la PFK2, augmentant ainsi le F2,6BP [19](#page=19). #### 1.3.5 Principales anomalies de la néoglucogenèse Ces anomalies se manifestent typiquement par une hypoglycémie et une acidose lactique [20](#page=20). * **Déficit en pyruvate carboxylase:** Entraîne une hypoglycémie et une acidémie lactique, souvent fatale chez les nouveau-nés [20](#page=20). * **Déficit en fructose-1,6-diphosphatase:** Provoque des épisodes récurrents d'hypoglycémie de jeûne avec acidose lactique [20](#page=20). Le glucose-6-phosphate est un carrefour métabolique central, reliant la glycolyse, la néoglucogenèse et la voie des pentoses phosphates [13](#page=13) [20](#page=20). --- # La voie des pentoses phosphates La voie des pentoses phosphates est une voie métabolique alternative à la glycolyse, essentielle à la production de NADPH et de précurseurs pour la biosynthèse de nucléotides. ### 2.1 Introduction et objectifs La voie des pentoses phosphates, également appelée "shunt des hexoses phosphates", est présente dans tous les tissus, notamment le foie et les tissus adipeux, ainsi que dans les globules rouges. Son rôle principal est de nature anabolique, contribuant à la biosynthèse des acides gras, du cholestérol, des stéroïdes, et fournissant des pentoses (en particulier le ribose-5-phosphate) nécessaires à la synthèse des coenzymes nucléotidiques (comme NAD+, NADP+, FAD, FMN), du coenzyme A, et de plusieurs nucléotides et acides nucléiques. Cette voie comprend huit réactions, dont les trois premières sont oxydatives [21](#page=21). ### 2.2 Les réactions de la voie La voie des pentoses phosphates peut être divisée en trois phases distinctes : #### 2.2.1 Phase oxydative Cette phase est irréversible et comprend les trois premières réactions de la voie. Elle procède à l'oxydation du glucose-6-phosphate, à la réduction du NADP+ en NADPH, et aboutit à la formation du ribulose-5-phosphate. Le bilan de cette phase est la production de deux molécules de NADPH et la libération d'une molécule de dioxyde de carbone (CO2) [22](#page=22). **Réactions clés de la phase oxydative :** 1. **Glucose-6-phosphate → 6-phosphoglucono-δ-lactone** * Enzyme : Glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PD) * Réaction : Oxydation du glucose-6-phosphate, réduction du NADP+ en NADPH. 2. **6-phosphoglucono-δ-lactone → 6-phosphogluconate** * Enzyme : Lactonase * Réaction : Hydrolyse de la lactone. 3. **6-phosphogluconate → Ribulose-5-phosphate + CO2** * Enzyme : 6-phosphogluconate déshydrogénase * Réaction : Décarboxylation oxydative, production de CO2 et de NADPH. #### 2.2.2 Phase non oxydative Cette phase comprend les réactions 4 à 8 et est caractérisée par sa réversibilité. Elle implique des réactions d'isomérisation, d'épimérisation, de transcétolisation et de transaldolisation, permettant le recyclage du ribulose-5-phosphate et la conversion de pentoses en hexoses et trioses phosphates [22](#page=22). **Réactions clés de la phase non oxydative :** 1. **Ribulose-5-phosphate → Ribose-5-phosphate** * Enzyme : Pentose-5-phosphate isomérase * Réaction : Isomérisation. 2. **Ribulose-5-phosphate → Xylulose-5-phosphate** * Enzyme : Pentose-5-phosphate épimérase * Réaction : Épimérisation. 3. **Ribose-5-phosphate + Xylulose-5-phosphate → Glycéraldéhyde-3-phosphate + Sedaheptulose-7-phosphate** * Enzyme : Transcétolase * Réaction : Transcétolisation. 4. **Sedaheptulose-7-phosphate + Glycéraldéhyde-3-phosphate → Fructose-6-phosphate + Érythrose-4-phosphate** * Enzyme : Transaldolase * Réaction : Transaldolisation. 5. **Érythrose-4-phosphate + Xylulose-5-phosphate → Fructose-6-phosphate + Glycéraldéhyde-3-phosphate** * Enzyme : Transcétolase * Réaction : Transcétolisation. **Bilan de la conversion des pentoses en hexoses :** La phase non oxydative permet de convertir six pentoses (6 × 5 carbones = 30 carbones) en cinq hexoses (5 × 6 carbones = 30 carbones). Plus spécifiquement, à partir de trois molécules de pentoses (3 × 5C = 15C), la cellule obtient deux molécules d'hexoses (2 × 6C = 12 carbones) et une molécule de triose (1 × 3C = 3 carbones) [24](#page=24). > **Équation générale de conversion des pentoses en hexoses :** > $$3 \times \text{Pentoses-5P} \rightarrow 2 \times \text{Hexoses-6P} + 1 \times \text{Triose-3P}$$ [24](#page=24). ### 2.3 Régulation de la voie La régulation de la voie des pentoses phosphates est principalement assurée par la disponibilité des substrats et par le ratio NADPH/NADP+. Le glucose-6-phosphate est le substrat commun à la voie des pentoses phosphates et à la glycolyse. Le choix entre ces deux voies dépend des besoins cellulaires en énergie (ATP) et en précurseurs biosynthétiques (NADPH et ribose-5-phosphate) [24](#page=24). * **Charge énergétique élevée:** Lorsque la charge énergétique est élevée (ATP abondant), la glycolyse est ralentie. La voie des pentoses phosphates devient alors prédominante pour la production de NADPH et de ribose-5-phosphate [24](#page=24). * **Inhibition par le NADPH:** La glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PD), enzyme clé de la phase oxydative, est inhibée par des concentrations élevées de NADPH et par les intermédiaires de la biosynthèse des acides gras [24](#page=24). **Scénarios de régulation basés sur les besoins cellulaires :** 1. **Besoin simultané de NADPH et de ribose-5P :** La voie des pentoses phosphates fonctionne dans son intégralité. 2. **Besoin plus important de ribose-5P que de NADPH :** La phase oxydative est ralentie, mais la phase non oxydative continue pour convertir les pentoses en ribose-5P. 3. **Besoin plus important de NADPH que de ribose-5P :** La phase oxydative est active pour produire du NADPH. Les pentoses phosphates excédentaires peuvent être recyclés en intermédiaires glycolytiques via la phase non oxydative. 4. **Besoin de NADPH et d'ATP, mais pas de ribose-5P :** La phase oxydative produit du NADPH. Les pentoses phosphates résultants sont entièrement recyclés en intermédiaires glycolytiques (Fructose-6P et Glycéraldéhyde-3P) par la phase non oxydative, alimentant ainsi la production d'ATP via la glycolyse. ### 2.4 Devenir des produits de la voie et leurs rôles Le bilan global de l'utilisation de trois molécules de glucose-6-phosphate par la voie des pentoses phosphates est la production de 6 NADPH, H+, 2 Fructose-6-phosphate, 1 Glycéraldéhyde-3-phosphate, et 3 CO2 [26](#page=26). * **Ribose-5-phosphate:** Cet intermédiaire est crucial pour la synthèse de nucléotides, composants essentiels des acides nucléiques et de plusieurs coenzymes [26](#page=26). * **Fructose-6-phosphate et Glycéraldéhyde-3-phosphate:** Ces molécules sont des intermédiaires de la glycolyse et de la néoglucogenèse, permettant leur réintégration dans ces voies métaboliques [26](#page=26). * **NADPH, H+:** Ce coenzyme réduit est indispensable pour diverses réactions de synthèse réductrices, telles que la biosynthèse des acides gras, du cholestérol et des hormones stéroïdes. Il joue également un rôle vital dans la protection des cellules contre le stress oxydant [26](#page=26). > **Rôle du NADPH dans la protection contre le stress oxydant :** > Le NADPH est essentiel à la régénération du glutathion réduit (GSH), un antioxydant majeur. Le glutathion peroxydase utilise le GSH pour neutraliser le peroxyde d'hydrogène (H2O2) et d'autres espèces réactives de l'oxygène (ERO), produisant du glutathion oxydé (GSSG). La glutathion réductase, utilisant le NADPH comme coenzyme, régénère ensuite le GSH à partir du GSSG, assurant ainsi une protection continue, particulièrement dans les globules rouges [26](#page=26). ### 2.5 Principales anomalies : le déficit en Glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PD) Le déficit en G6PD est une maladie héréditaire fréquente, liée au chromosome X, affectant près de 200 millions d'individus dans le monde [26](#page=26). * **Conséquences du déficit:** Une déficience en G6PD entraîne une insuffisance de production de NADPH, et par conséquent une diminution des niveaux de glutathion réduit (GSH) dans les cellules. Ceci compromet la capacité des cellules à neutraliser le stress oxydant [26](#page=26). * **Manifestations dans les globules rouges:** Les globules rouges sont particulièrement sensibles au manque de NADPH. Cette déficience se traduit par une anomalie de leur forme, une fragilité accrue et une hémolyse accélérée [26](#page=26). * **Facteurs déclenchants:** La maladie peut être asymptomatique, mais des crises d'hémolyse peuvent être déclenchées par des infections, ou par l'exposition à certains médicaments tels que des antibiotiques, des antipaludiques ou des antipyrétiques, qui induisent un stress oxydant [26](#page=26). * **Traitement et prévention:** Le traitement peut inclure une diurèse forcée et des transfusions sanguines. La prévention repose sur l'évitement des médicaments oxydants [26](#page=26). --- # Le métabolisme du glycogène Le métabolisme du glycogène englobe les processus de synthèse (glycogénogenèse) et de dégradation (glycogénolyse) du glycogène, un polymère de glucose servant de réserve énergétique rapidement mobilisable, principalement dans le foie et les muscles. Ces voies sont régulées de manière réciproque pour répondre aux besoins énergétiques de l'organisme [28](#page=28) [33](#page=33). ### 3.1 Structure du glycogène Le glycogène est un polymère de glucose où les unités sont reliées par des liaisons osidiques α-1,4 dans les chaînes linéaires et des liaisons α-1,6 aux points de ramification. Cette structure ramifiée permet une libération rapide du glucose lors de la dégradation [28](#page=28) [30](#page=30). ### 3.2 Synthèse du glycogène : glycogénogenèse La glycogénogenèse est la voie de synthèse du glycogène, qui a lieu pendant la période postprandiale, lorsque le glucose est en excès. Elle vise à stocker ce glucose sous forme de glycogène dans le foie pour maintenir la glycémie, et dans les muscles pour leurs besoins énergétiques futurs [28](#page=28) [34](#page=34). #### 3.2.1 Étapes de la glycogénogenèse La synthèse du glycogène nécessite quatre réactions principales à partir du glucose : 1. **Phosphorylation du glucose:** Le glucose est d'abord converti en glucose-6-phosphate (G-6-P) par la glucokinase dans le foie et l'hexokinase dans les muscles [28](#page=28). 2. **Isomérisation du G-6-P en G-1-P:** Le glucose-6-phosphate est isomérisé en glucose-1-phosphate (G-1-P) par la phosphoglucomutase. Cette réaction est réversible [29](#page=29). 3. **Formation de l'UDP-glucose:** Le glucose-1-phosphate réagit avec l'UTP pour former l'UDP-glucose, catalysée par l'UDP-glucose pyrophosphorylase. Cette réaction est irréversible et consomme de l'énergie. La pyrophosphatase hydrolyse le pyrophosphate (PPi) en deux phosphates inorganiques (2Pi), ce qui rend la réaction irréversible [29](#page=29). $$ \text{Glucose-1P} + \text{UTP} \rightleftharpoons \text{UDP-glucose} + \text{PPi} $$ [29](#page=29). $$ \text{PPi} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Pi} $$ [29](#page=29). 4. **Élongation et ramification des chaînes:** * **Élongation:** La glycogène synthétase (GS) catalyse le transfert d'une unité glucosyl de l'UDP-glucose sur l'extrémité non réductrice d'une chaîne de glycogène préexistante, formant une liaison α-1,4. Cette enzyme est clé et la réaction est irréversible, constituant un point de régulation majeur. L'UTP est régénéré à partir de l'UDP libéré par la nucléoside diphosphate kinase [30](#page=30) [34](#page=34). $$ \text{UDP-Glucose} + \text{Glycogène}_n \rightarrow \text{Glycogène}_{n+1} + \text{UDP} $$ [30](#page=30). $$ \text{UDP} + \text{ATP} \rightleftharpoons \text{UTP} + \text{ADP} $$ [30](#page=30). * **Ramification:** L'enzyme de ramification (amylo 1,4-1,6 transglycosylase) crée des ramifications en transférant un segment de 6 à 7 résidus glucosyl d'une chaîne α-1,4 vers la position C6 d'un autre résidu de glucose, formant une liaison α-1,6. Cela crée de nouvelles extrémités non réductrices pour l'action ultérieure de la glycogène synthétase. L'amorce de glycogène, la glycogénine, est une protéine qui permet la polymérisation des 8 premiers résidus glucose [28](#page=28) [30](#page=30). > **Tip:** Les deux enzymes, glycogène synthétase et enzyme de ramification, agissent alternativement pour construire le polymère de glycogène [31](#page=31). ### 3.3 Dégradation du glycogène : glycogénolyse La glycogénolyse est la voie de dégradation du glycogène pour libérer du glucose, principalement utilisée lors des périodes de jeûne ou de besoin énergétique. Dans le foie, le glucose libéré sert à maintenir la glycémie sanguine, tandis que dans les muscles, il est utilisé pour la contraction musculaire [33](#page=33) [34](#page=34). #### 3.3.1 Étapes de la glycogénolyse La glycogénolyse implique plusieurs enzymes clés : 1. **Action de la glycogène phosphorylase:** C'est l'enzyme principale du catabolisme du glycogène. Elle catalyse la phosphorolyse des liaisons α-1,4, libérant des unités de glucose sous forme de glucose-1-phosphate (G-1-P). Le co-enzyme est le pyridoxal phosphate (PLP). Cette réaction permet de libérer les molécules de glucose une à une à partir de l'extrémité non réductrice du glycogène [31](#page=31). $$ \text{Glycogène}_{n+1} + \text{Pi} \rightarrow \text{Glycogène}_n + \text{Glucose-1-P} $$ [31](#page=31). 2. **Action de l'enzyme débranchante (amylo α-1,6 glucosidase, 4 α-glucanotransférase):** Cette enzyme intervient lorsque la glycogène phosphorylase atteint les ramifications α-1,6. Elle possède deux activités [32](#page=32): * **Activité transférase:** Elle transfère une chaîne de 3 résidus glucosyl d'une ramification vers une autre chaîne, permettant à la glycogène phosphorylase de continuer son action sur les liaisons α-1,4 [32](#page=32). * **Activité glucosidase:** Elle hydrolyse la liaison α-1,6 restante, libérant ainsi les molécules de glucose situées aux points de ramification sous forme de glucose libre [32](#page=32). 3. **Conversion du G-1-P en G-6-P:** Le glucose-1-phosphate est converti en glucose-6-phosphate par la phosphoglucomutase [32](#page=32). 4. **Déphosphorylation finale (foie et autres tissus spécifiques):** Dans le foie, les reins et l'intestin, la glucose-6-phosphatase catalyse l'hydrolyse du glucose-6-phosphate en glucose libre, qui peut alors être libéré dans la circulation sanguine pour maintenir la glycémie. Les muscles ne possèdent pas cette enzyme et utilisent le glucose-6-phosphate pour leur propre métabolisme énergétique [32](#page=32) [34](#page=34). ### 3.4 Bilan énergétique du métabolisme du glycogène Le bilan énergétique de la glycogénogenèse et de la glycogénolyse est favorable à la synthèse, mais chaque étape consomme de l'énergie sous forme d'ATP ou d'UTP. La glycogénolyse, en produisant majoritairement du glucose-1-phosphate et du glucose, est une source nette d'énergie [33](#page=33) [34](#page=34). ### 3.5 Régulation du métabolisme du glycogène La régulation du métabolisme du glycogène est assurée de manière réciproque pour activer l'une des voies tout en inhibant l'autre. Elle concerne principalement la glycogène phosphorylase (glycogénolyse) et la glycogène synthétase (glycogénogenèse) [33](#page=33). #### 3.5.1 Régulation hormonale * **Hypoglycémie:** En cas de baisse de la glycémie, le glucagon (agit sur le foie) et l'adrénaline (agit sur le muscle) sont libérés. Ils activent la voie de l'AMP cyclique (AMPc), qui phosphoryle et active la glycogène phosphorylase tout en inhibant la glycogène synthétase [33](#page=33). * **Hyperglycémie:** En période postprandiale, l'insuline est libérée. Elle a un effet inverse: elle diminue l'AMPc, ce qui entraîne la déphosphorylation et l'inhibition de la glycogène phosphorylase, et la déphosphorylation et l'activation de la glycogène synthétase [33](#page=33). #### 3.5.2 Régulation allostérique Certains métabolites peuvent moduler l'activité des enzymes clés. Par exemple, le glucose-6-phosphate (G-6-P) est un activateur allostérique de la glycogène synthétase. Le calcium joue un rôle, notamment sur la phosphorylase kinase [33](#page=33). > **Tip:** La régulation hormonale par phosphorylation/déphosphorylation est fondamentale pour coordonner le stockage et la libération du glucose en réponse aux variations de la glycémie [34](#page=34). ### 3.6 Pathologies liées au métabolisme du glycogène Des anomalies génétiques dans le métabolisme du glycogène peuvent entraîner diverses maladies, appelées glycogénoses. Elles peuvent affecter la synthèse, la dégradation, la structure ou le stockage du glycogène [34](#page=34). * **Glycogénoses hépatiques:** Elles se manifestent par une hypoglycémie et une hépatomégalie, car le foie ne peut pas libérer suffisamment de glucose dans le sang. Un exemple est la maladie de Von Gierke, due à un déficit en glucose-6-phosphatase hépatique, empêchant l'hydrolyse du G-6-P en glucose [34](#page=34). * **Glycogénoses musculaires:** Elles provoquent faiblesse musculaire et difficultés à l'exercice. Le syndrome de McArdle, dû à un déficit en glycogène phosphorylase dans les muscles squelettiques, en est un exemple [34](#page=34). ### 3.7 Conclusion Le métabolisme du glycogène est essentiel pour la gestion des réserves de glucose. La glycogénogenèse, sous l'action de la glycogène synthétase, permet le stockage dans le foie et les muscles. La glycogénolyse, initiée par la glycogène phosphorylase, libère du glucose pour le foie et l'énergie musculaire. Ces processus sont finement régulés par des mécanismes hormonaux et allostériques pour assurer l'homéostasie glycémique et les besoins énergétiques de l'organisme [34](#page=34). --- # Le cycle de l'acide citrique et la chaîne respiratoire mitochondriale Le cycle de l'acide citrique et la chaîne respiratoire mitochondriale sont des voies métaboliques centrales pour l'oxydation de l'acétyl-CoA et la production d'ATP, impliquant des réactions enzymatiques complexes, des bilans énergétiques, des mécanismes de régulation et des anomalies potentielles. ### 4.1 Le cycle de l'acide citrique (cycle de Krebs) Le cycle de l'acide citrique est la voie métabolique terminale commune pour l'oxydation des glucides, des acides gras et des acides aminés. Il se déroule dans la mitochondrie. Il est également connu sous le nom de cycle des acides tricarboxyliques en raison de la formation d'acides à trois groupes carboxyliques. Ce cycle est une voie du catabolisme oxydatif qui oxyde l'acétyl-CoA, libérant deux molécules de CO2, produisant quatre réactions d'oxydoréduction (3 NADH,H+ et 1 FADH2) et générant une molécule de GTP par tour [35](#page=35). #### 4.1.1 Origines de l'acétyl-CoA L'acétyl-CoA mitochondrial provient de plusieurs sources [36](#page=36): * Glycolyse, suivie de l'oxydation du pyruvate [36](#page=36). * Catabolisme des acides gras (β-oxydation) [36](#page=36). * Catabolisme des acides aminés [36](#page=36). ##### 4.1.1.1 Formation de l'acétyl-CoA à partir du pyruvate Le pyruvate est transféré dans la mitochondrie par un transporteur spécifique. Il subit ensuite une décarboxylation oxydative irréversible pour former de l'acétyl-CoA. Cette réaction est catalysée par le complexe pyruvate déshydrogénase (PDH), situé dans la mitochondrie [36](#page=36). **Le complexe pyruvate déshydrogénase** est un complexe enzymatique composé de trois enzymes et cinq coenzymes : * **Enzymes:** Pyruvate déshydrogénase, Dihydrolipoyl transacétylase, et Dihydrolipoyl déshydrogénase [37](#page=37). * **Coenzymes:** Thiamine pyrophosphate (Vitamine B1), FAD (Vitamine B2), NAD+ (Vitamine B3), HSCoA (Vitamine B5), et l'acide lipoïque [37](#page=37). La réaction de conversion du pyruvate en acétyl-CoA est la suivante : $$ 2 \text{ pyruvate} + 2 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ coenzyme A} \rightarrow 2 \text{ acétyl-CoA} + 2 \text{ NADH} + 2 \text{ H}^+ + 2 \text{ CO}_2 $$ [37](#page=37). #### 4.1.2 Les réactions du cycle de Krebs Le cycle de l'acide citrique comprend un ensemble coordonné de huit réactions enzymatiques. C'est une voie cyclique où la dernière réaction régénère l'oxaloacétate, le substrat de la première réaction [39](#page=39). 1. **Réaction 1 : Formation du citrate** * **Enzyme:** Citrate synthase [37](#page=37). * Condensation de l'acétyl-CoA (2 carbones) avec l'oxaloacétate (4 carbones) pour former du citrate (6 carbones) [37](#page=37). * C'est la première réaction impliquant un acide tricarboxylique [37](#page=37). * Réaction irréversible et site de régulation [37](#page=37). $$ \text{Acétyl-CoA} (2C) + \text{Oxaloacétate} (4C) \rightarrow \text{Citrate} (6C) $$ [37](#page=37). 2. **Réaction 2 : Isomérisation du citrate en isocitrate** * **Enzyme:** Aconitase [38](#page=38). * Isomérisation du citrate en isocitrate, le deuxième acide tricarboxylique du cycle [38](#page=38). * Réaction réversible [38](#page=38). 3. **Réaction 3 : Décarboxylation oxydative de l'isocitrate en α-cétoglutarate** * **Enzyme:** Isocitrate déshydrogénase [38](#page=38). * C'est la première des quatre réactions d'oxydoréduction du cycle [38](#page=38). * Production de CO2 et de NADH,H+ [38](#page=38). * Réaction irréversible [38](#page=38). $$ \text{Isocitrate} (6C) \rightarrow \alpha\text{-cétoglutarate} (5C) + \text{CO}_2 + \text{NADH,H}^+ $$ [38](#page=38). 4. **Réaction 4 : Décarboxylation oxydative de l'α-cétoglutarate en succinyl-CoA** * **Enzyme:** Complexe α-cétoglutarate déshydrogénase [38](#page=38). * Formation de succinyl-CoA [38](#page=38). * Complexe multienzymatique avec 3 enzymes et 5 coenzymes (dont Vitamine B1) [38](#page=38). * C'est la deuxième réaction d'oxydoréduction, produisant le deuxième CO2 et le deuxième NADH,H+ [38](#page=38). * Réaction irréversible [38](#page=38). $$ \alpha\text{-cétoglutarate} (5C) + \text{NAD}^+ + \text{HSCoA} \rightarrow \text{Succinyl-CoA} (4C) + \text{CO}_2 + \text{NADH,H}^+ $$ [38](#page=38). Les quatre réactions suivantes transforment le succinyl-CoA en oxaloacétate via quatre réactions enzymatiques successives et réversibles, produisant du FADH2 et du NADH,H+ [38](#page=38). #### 4.1.3 Bilan énergétique du cycle de l'acide citrique Le cycle de l'acide citrique comporte trois réactions irréversibles principales: citrate synthase, isocitrate déshydrogénase et α-cétoglutarate déshydrogénase. Il y a quatre réactions d'oxydation qui produisent 3 NADH,H+ et 1 FADH2. Une réaction produit directement 1 GTP. Deux molécules de CO2 sont éliminées par tour [39](#page=39). Le bilan d'oxydation total d'une molécule d'acétyl-CoA (par un tour du cycle) est l'équivalent de 10 ATP [39](#page=39). * 1 NADH,H+ génère 2,5 ATP [39](#page=39). * 1 FADH2 génère 1,5 ATP [39](#page=39). * 1 GTP équivaut à 1 ATP [39](#page=39). **Réaction globale pour l'oxydation d'une molécule d'Acétyl-CoA :** $$ \text{Acétyl-CoA} + 3 \text{ NAD}^+ + \text{FAD} + \text{GDP} + \text{Pi} + 2 \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2 \text{ CO}_2 + 3 (\text{NADH,H}^+) + \text{FADH}_2 + \text{GTP} + \text{HSCoA} $$ [39](#page=39). **Bilan énergétique de l'oxydation complète du glucose :** * Glycolyse: 5 à 7 ATP [39](#page=39). * Décarboxylation oxydative du pyruvate: 5 ATP [39](#page=39). * Cycle de Krebs: 20 ATP [39](#page=39). * Total: 30 à 32 ATP [39](#page=39). #### 4.1.4 Régulation du cycle de Krebs La régulation du cycle de Krebs s'effectue principalement au niveau des étapes irréversibles et de la réaction de transition pyruvate → acétyl-CoA (#page=39, 40) [39](#page=39) [40](#page=40). **Régulation du complexe pyruvate déshydrogénase (PDH) :** * **Régulation covalente :** * Insuline: Active le PDH par déphosphorylation [39](#page=39). * Glucagon: Inhibe le PDH par phosphorylation [39](#page=39). * **Régulation allostérique :** * Activateurs: NAD+, AMP, CoA-SH, et Ca2+ [39](#page=39). * Inhibiteurs: NADH, ATP, acétyl-CoA, et les acides gras [39](#page=39). **Régulation allostérique des enzymes du cycle de Krebs (au niveau des étapes irréversibles) :** * **Citrate synthase :** * Activée par: ADP [40](#page=40). * Inhibée par: NADH, ATP, succinyl-CoA, et le citrate [40](#page=40). * **Isocitrate déshydrogénase :** * Activée par: ADP et Ca2+ [40](#page=40). * Inhibée par: ATP [40](#page=40). * **Complexe α-cétoglutarate déshydrogénase :** * Activé par: Ca2+ [40](#page=40). * Inhibé par: NADH et succinyl-CoA [40](#page=40). #### 4.1.5 Principales anomalies du cycle de l'acide citrique * **Déficit en vitamine B1 (thiamine):** Peut entraîner le béribéri, caractérisé par fatigue, perte de poids et dégénérescence nerveuse. La vitamine B1 est un précurseur du coenzyme TPP, essentiel pour le PDH et le complexe α-cétoglutarate déshydrogénase. Le traitement implique l'administration de vitamine B1 et un régime équilibré [40](#page=40). ### 4.2 La chaîne respiratoire mitochondriale (CRM) La chaîne respiratoire mitochondriale (CRM) est le processus par lequel le NADH,H+ et le FADH2, produits lors de l'oxydation des glucides, lipides et acides aminés, réagissent avec l'oxygène pour produire de l'ATP. Ce transport d'électrons génère de l'ATP via la phosphorylation oxydative [41](#page=41). #### 4.2.1 Substrats de la chaîne respiratoire Les substrats principaux de la chaîne respiratoire sont le NADH,H+ et le FADH2 [41](#page=41). ##### 4.2.1.1 Origines mitochondriales de NADH,H+ et FADH2 * **NADH,H+ :** * Décarboxylation du pyruvate en acétyl-CoA (PDH) [42](#page=42). * Cycle de Krebs: isocitrate déshydrogénase, α-cétoglutarate déshydrogénase, et malate déshydrogénase [42](#page=42). * Oxydation des acides gras: β-hydroxyl-acyl-CoA déshydrogénase [42](#page=42). * **FADH2 :** * Cycle de Krebs: succinate déshydrogénase [42](#page=42). * Oxydation des acides gras: Acyl-CoA déshydrogénase (première oxydation de la β-oxydation) [42](#page=42). * Glycérol 3-phosphate déshydrogénase [42](#page=42). ##### 4.2.1.2 Origine cytosolique de NADH,H+ et CRM Le NADH,H+ cytosolique doit traverser la membrane mitochondriale interne via des navettes : * **Navette Malate-Aspartate:** 1 NADH,H+ cytosolique donne 1 NADH,H+ mitochondrial. Elle implique la malate déshydrogénase (cytoplasmique et mitochondriale) et l'aspartate aminotransférase (mitochondriale et cytoplasmique) [42](#page=42). * **Navette Glycérol Phosphate / DHAP:** 1 NADH,H+ cytosolique donne 1 FADH2 mitochondrial. Deux glycérol phosphate déshydrogénases différentes sont impliquées: une cytosolique utilisant NAD+ et une mitochondriale sur la face externe de la membrane interne utilisant FAD. Les équivalents réducteurs du NADH cytosolique sont transférés au FADH2 dans la membrane interne mitochondriale, puis via l'ubiquinone au complexe III de la CRM [42](#page=42). #### 4.2.2 Phosphorylation oxydative La phosphorylation oxydative implique le transport d'électrons via une série de complexes protéiques enchâssés dans la membrane interne mitochondriale [43](#page=43). ##### 4.2.2.1 Complexes de la phosphorylation oxydative Il y a quatre complexes fixes (I, II, III, IV) et un complexe mobile (V) : * **Complexes I, II, III et IV:** Protéines intégrées dans la membrane interne, liées à des groupements d'oxydoréduction (quinones et cytochromes) [43](#page=43). * **Transporteurs mobiles :** * **Coenzyme Q (CoQ ou ubiquinone):** Très hydrophobe, mobilité membranaire [43](#page=43). * **Cytochrome c:** Hydrophile, mobilité entre les complexes III et IV, sur la face cytosolique de la membrane interne [43](#page=43). * **Complexe V:** ATP synthase [43](#page=43). * **Complexe I : NADH-coenzyme Q réductase** * Accepte 2 électrons du NADH,H+ et les transfère au coenzyme Q (formant QH2) [43](#page=43). * Pompe à protons: libère 4 H+ dans l'espace intermembranaire [43](#page=43). $$ \text{NADH,H}^+ + \text{CoQ} \rightarrow \text{NAD}^+ + \text{CoQH}_2 + 4 \text{ H}^+ $$ [43](#page=43). * **Complexe II : Succinate-coenzyme Q réductase** * Accepte 2 électrons du FADH2 et les transfère au coenzyme Q (formant QH2) [43](#page=43). * Aucun proton n'est expulsé dans l'espace intermembranaire [43](#page=43). $$ \text{FADH}_2 + \text{CoQ} \rightarrow \text{FAD} + \text{CoQH}_2 + 0 \text{ H}^+ $$ [43](#page=43). * **Complexe III : Coenzyme Q-cytochrome c réductase** * Reçoit les électrons du coenzyme QH2 et les transfère au cytochrome c [44](#page=44). * Pompe à protons: libère 4 H+ de la matrice vers l'espace intermembranaire [44](#page=44). $$ \text{CoQH}_2 + 2 \text{ cyt.c (Fe}^{+++}) \rightarrow \text{CoQ} + 2 \text{ cyt.c (Fe}^{++}) + 4 \text{ H}^+ $$ [44](#page=44). * **Complexe IV : Cytochrome c oxydase** * Reçoit les électrons du cytochrome c et les transfère à l'oxygène moléculaire, formant de l'eau [44](#page=44). * Pompe à protons: libère 2 H+ de la matrice vers l'espace intermembranaire [44](#page=44). ##### 4.2.2.2 Mécanisme de la synthèse de l'ATP Le passage d'électrons entre les complexes libère de l'énergie, utilisée par les complexes I, III et IV pour pomper des protons de la matrice vers l'espace intermembranaire, créant un gradient électrochimique (force proton motrice, FPM). Le retour des protons vers la matrice se fait via le complexe V (ATP synthase), dont le passage fournit l'énergie pour synthétiser l'ATP à partir d'ADP et de phosphate [44](#page=44). * **Complexe V : ATP synthase** * Composé de deux sous-unités: F0 (canal protonique intramembranaire) et F1 (activité ATP-synthétase dans la matrice) [45](#page=45). * Le passage de 3 H+ entraîne la synthèse d'un ATP dans la matrice [45](#page=45). **Exportation de l'ATP mitochondrial vers le cytosol :** * **Adénine nucléotide translocase:** Export d'ATP en échange d'ADP [45](#page=45). * **Phosphate translocase:** Import de phosphate dans la matrice en même temps qu'1 H+ [45](#page=45). * Pour la synthèse et l'export d'un ATP, 4 protons sont nécessaires (incluant les 3 de la synthèse) [45](#page=45). #### 4.2.3 Bilan énergétique de la CRM * L'oxydation d'1 NADH,H+ génère un flux de 10 protons (4 par le complexe I, 4 par le complexe III, 2 par le complexe IV) [45](#page=45). * L'oxydation d'1 FADH2 génère un flux de 6 protons (4 par le complexe III, 2 par le complexe IV) [45](#page=45). Sachant que 4 protons sont nécessaires pour la synthèse/transport d'un ATP : * L'oxydation d'un FADH2 génère 1,5 ATP ($6/4 = 1,5$) [45](#page=45). * L'oxydation d'un NADH,H+ génère 2,5 ATP ($10/4 = 2,5$) [45](#page=45). #### 4.2.4 Régulation de la CRM Le fonctionnement de la CRM est contrôlé par deux rapports : * **Rapport NADH,H+/NAD+:** Un rapport élevé stimule la CRM; un rapport bas l'inhibe [45](#page=45). * **Rapport ATP/ADP:** Un rapport élevé inhibe la CRM; un rapport bas la stimule [45](#page=45). #### 4.2.5 Anomalies de la CRM Les maladies mitochondriales sont dues à des défauts de la CRM, causés par des mutations de l'ADN mitochondrial ou de l'ADN génomique. Les manifestations cliniques les plus fréquentes touchent les systèmes neurologique, cardiaque et musculaire, en raison de leur forte dépendance à la synthèse mitochondriale d'ATP pour leur fonctionnement [46](#page=46). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Métabolisme | Ensemble des réactions chimiques qui se produisent dans les cellules d'un organisme pour soutenir sa vie, divisé en catabolisme (dégradation) et anabolisme (synthèse). | | Catabolisme | Ensemble des réactions chimiques qui décomposent les molécules, permettant d'extraire de l'énergie ou de produire des molécules simples pour la construction d'autres composés. | | Anabolisme | Ensemble des réactions métaboliques qui construisent ou assemblent des molécules plus complexes à partir de molécules plus simples. | | Glycolyse | Voie métabolique cytosolique, anaérobie, qui dégrade le glucose en pyruvate, produisant de l'ATP et du NADH. Appelée aussi voie d'Embden et Meyerhof. | | Pyruvate | Molécule à trois carbones résultant de la glycolyse, qui peut ensuite être métabolisée différemment selon la présence d'oxygène ou l'état énergétique de la cellule. | | ATP | Adénosine triphosphate, principale molécule porteuse d'énergie dans les cellules, utilisée pour alimenter de nombreuses réactions biochimiques. | | NADH | Nicotinamide adénine dinucléotide sous sa forme réduite, une coenzyme impliquée dans les réactions d'oxydoréduction et la production d'énergie. | | Neoglucogenèse | Ensemble de réactions qui permettent la synthèse du glucose à partir de précurseurs non glucidiques, assurant le maintien de la glycémie. | | Voie des pentoses phosphates | Voie métabolique alternative à la glycolyse, principalement anabolique, produisant du NADPH et des pentoses (notamment le ribose-5-phosphate). | | NADPH | Nicotinamide adénine dinucléotide phosphate sous sa forme réduite, coenzyme essentiel pour les biosynthèses réductrices et la protection contre le stress oxydant. | | Glycogène | Polymère de glucose servant de réserve d'énergie rapidement mobilisable, principalement stocké dans le foie et les muscles. | | Glycogénogenèse | Voie métabolique de synthèse du glycogène à partir du glucose, ayant lieu en période post-prandiale. | | Glycogénolyse | Voie métabolique de dégradation du glycogène en glucose-1-phosphate et glucose, permettant de libérer du glucose pour répondre aux besoins énergétiques. | | Cycle de l'acide citrique | Voie métabolique cyclique se déroulant dans la mitochondrie, qui oxyde l'acétyl-CoA en libérant du CO2, produisant du GTP, du NADH et du FADH2. Aussi appelé cycle de Krebs ou cycle des acides tricarboxyliques. | | Acétyl-CoA | Molécule issue de la dégradation des glucides, lipides et protéines, qui entre dans le cycle de l'acide citrique pour être oxydée. | | Chaîne respiratoire mitochondriale (CRM) | Ensemble de complexes protéiques situés dans la membrane interne de la mitochondrie, qui transfèrent les électrons du NADH et FADH2 à l'oxygène, générant un gradient de protons utilisé pour la synthèse d'ATP. | | Phosphorylation oxydative | Processus par lequel l'énergie libérée par la chaîne respiratoire mitochondriale est utilisée pour synthétiser de l'ATP. | | ATP synthase | Complexe enzymatique (Complexe V) de la membrane interne mitochondriale qui catalyse la synthèse d'ATP à partir d'ADP et de phosphate, en utilisant le gradient de protons. | | Oxaloacétate | Composé à quatre carbones qui est le dernier intermédiaire du cycle de l'acide citrique et le premier réactif de la condensation avec l'acétyl-CoA. | | Citrate synthase | Enzyme clé du cycle de l'acide citrique qui catalyse la condensation de l'acétyl-CoA avec l'oxaloacétate pour former le citrate. | | Isocitrate déshydrogénase | Enzyme du cycle de l'acide citrique qui catalyse la décarboxylation oxydative de l'isocitrate en α-cétoglutarate, produisant du NADH et du CO2. | | α-cétoglutarate déshydrogénase | Complexe enzymatique du cycle de l'acide citrique qui catalyse la décarboxylation oxydative de l'α-cétoglutarate en succinyl-CoA, produisant du NADH et du CO2. | | Navette Malate-Aspartate | Système de transport permettant le passage des équivalents réducteurs du NADH cytosolique dans la mitochondrie, pour la phosphorylation oxydative. | | Navette Glycérol Phosphate/DHAP | Système de transport des équivalents réducteurs du NADH cytosolique vers la mitochondrie, résultant en la production de FADH2 mitochondrial. | | Complexe I (NADH-coenzyme Q réductase) | Premier complexe de la chaîne respiratoire mitochondriale, qui accepte les électrons du NADH et les transfère au coenzyme Q, pompant des protons. | | Complexe II (Succinate-coenzyme Q réductase) | Deuxième complexe de la chaîne respiratoire mitochondriale, qui accepte les électrons du FADH2 et les transfère au coenzyme Q, sans pomper de protons. | | Complexe III (Coenzyme Q cytochrome C réductase) | Troisième complexe de la chaîne respiratoire mitochondriale, qui transfère les électrons du coenzyme Q au cytochrome C, pompant des protons. | | Complexe IV (Cytochrome C oxydase) | Quatrième complexe de la chaîne respiratoire mitochondriale, qui transfère les électrons du cytochrome C à l'oxygène, formant de l'eau et pompant des protons. | | Force proton motrice (FPM) | Force résultant du gradient électrochimique de protons à travers la membrane interne mitochondriale, qui entraîne la synthèse d'ATP. | | Glycogène phosphorylase | Enzyme clé de la glycogénolyse, qui catalyse la phosphorolyse du glycogène pour libérer du glucose-1-phosphate. | | Glycogène synthase | Enzyme clé de la glycogénogenèse, qui catalyse l'ajout de résidus glucosyl à la chaîne de glycogène à partir de l'UDP-glucose. | | UDP-glucose | Uridine diphosphate glucose, un précurseur activé du glucose utilisé dans la synthèse du glycogène. | | Acidose lactique | Condition caractérisée par une accumulation excessive d'acide lactique dans le sang, souvent due à une hypoxie cellulaire ou à des anomalies métaboliques. | | Anémie hémolytique | Condition caractérisée par une destruction prématurée des globules rouges, pouvant résulter de déficits enzymatiques liés au métabolisme des glucides. | | Hépatomégalie | Augmentation du volume du foie, souvent observée dans certaines anomalies du métabolisme du glycogène. | | Hypoglycémie | Taux de glucose sanguin anormalement bas. |

# Synthèse des acides gras (lipogenèse) La synthèse des acides gras, ou lipogenèse, est le processus anabolique de biosynthèse des acides gras à partir de précurseurs plus simples [2](#page=2). ### 1.1 Principes généraux de la lipogenèse La lipogenèse est principalement une voie cytoplasmique. Chez l'homme, la synthèse de novo des acides gras peut se produire dans plusieurs tissus, notamment le foie, les reins, le tissu adipeux, les poumons et les glandes mammaires en période de lactation. Les principaux précurseurs sont l'acétyl-CoA, l'ATP et le NADPH, ce dernier étant majoritairement issu de la voie des pentoses phosphates. Les acides gras synthétisés ont une longueur de chaîne de 16 carbones, tels que l'acide palmitique, et peuvent ensuite être allongés ou désaturés [2](#page=2) [4](#page=4). ### 1.2 Transport de l'acétyl-CoA vers le cytoplasme L'acétyl-CoA est d'abord formé dans la mitochondrie par la citrate synthase à partir de l'acétyl-CoA et de l'oxaloacétate (OAA). Pour entrer dans le cytoplasme, le citrate est exporté hors de la mitochondrie, puis clivé par la citrate lyase cytoplasmique en acétyl-CoA et oxaloacétate. L'oxaloacétate retourne dans la mitochondrie, soit sous forme de malate par l'action de la malate déshydrogénase, soit sous forme de pyruvate par l'action de la pyruvate carboxylase mitochondriale. Cette voie est souvent appelée la navette citrate [2](#page=2). ### 1.3 Synthèse cytosolique de l'acide palmitique (voie de synthèse de novo) La synthèse de l'acide palmitique (C16) se déroule en trois phases principales, catalysées par un complexe multienzymatique appelé Acide Gras Synthase (AGS). Cette voie est également connue sous le nom de voie de Wakil [2](#page=2) [3](#page=3). #### 1.3.1 Phase 1 : Activation de l'acétyl-CoA La première étape et l'étape limitante de la synthèse des acides gras est la carboxylation de l'acétyl-CoA en malonyl-CoA. Cette réaction est catalysée par l'acétyl-CoA carboxylase (ACC) [2](#page=2). * **Réaction :** $$ \text{Acétyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{ATP} \xrightarrow{\text{ACC, Biotine}} \text{Malonyl-CoA} + \text{ADP} + \text{Pi} $$ Cette réaction est irréversible et nécessite de la biotine comme cofacteur, de l'ATP comme source d'énergie, et du bicarbonate comme source de CO2 [2](#page=2). #### 1.3.2 Phase 2 : Allongement de la chaîne d'acides gras L'allongement de la chaîne se produit au niveau du complexe de l'Acide Gras Synthase (AGS). L'AGS est un complexe multienzymatique comportant sept activités enzymatiques: acétyl transférase (AT), malonyl transférase (MT), $\beta$-cétoacyl synthase (KS), $\beta$-cétoacyl réductase (KR), $\beta$-hydroxyacyl déshydratase (HD), énoïl réductase (ER), et palmityl thioestérase (TE). Il inclut également la protéine transporteuse de groupements acyles (ACP), qui possède deux groupements thiol: un sur la cystéine de la $\beta$-cétoacyl synthase (KS) et un groupement central sur le groupement prosthétique de l'ACP [3](#page=3). Le processus d'élongation implique une répétition de quatre réactions : 1. **Condensation:** L'acétyl-CoA et le malonyl-CoA sont condensés. Le groupement acyle est transféré de l'acétyl-CoA au groupement thiol de l'ACP. Puis, le groupement acétyle sur l'ACP réagit avec le malonyl-CoA, libérant du CO2, pour former un $\beta$-cétoacyl-ACP [3](#page=3). 2. **Réduction 1:** Le groupement $\beta$-céto est réduit en groupement $\beta$-hydroxy par la $\beta$-cétoacyl réductase (KR), utilisant le NADPH comme agent réducteur [3](#page=3). 3. **Déshydratation:** Une molécule d'eau est éliminée, formant une double liaison $\Delta^2$ entre les carbones $\alpha$ et $\beta$ par la $\beta$-hydroxyacyl déshydratase (HD) [3](#page=3). 4. **Réduction 2:** La double liaison est réduite par l'énoyl réductase (ER), utilisant le NADPH comme agent réducteur, pour former une chaîne d'acides gras saturée allongée [3](#page=3). Ce cycle se répète, ajoutant deux carbones à chaque cycle grâce au malonyl-CoA, jusqu'à ce que la chaîne atteigne 16 carbones. #### 1.3.3 Phase 3 : Terminaison de la synthèse La synthèse de l'acide palmitique est terminée lorsque le palmitoyl-ACP réagit avec de l'eau. Cette réaction de thiolyse, catalysée par la thioestérase (TE) du complexe AGS, libère l'acide palmitique libre et régénère l'ACP [3](#page=3). ### 1.4 Bilan énergétique de la synthèse de l'acide palmitique La synthèse d'une molécule d'acide palmitique (C16) nécessite : * 7 molécules d'acétyl-CoA pour les 16 carbones (les deux premiers carbones proviennent de l'acétyl-CoA initial, les 14 suivants sont apportés sous forme de malonyl-CoA). * 7 molécules d'ATP pour la carboxylation de l'acétyl-CoA en malonyl-CoA par l'ACC. * 14 molécules de NADPH pour les deux étapes de réduction dans chaque cycle d'élongation (2 NADPH par cycle * 7 cycles = 14 NADPH). Le bilan global est : $$ \text{8 Acétyl-CoA} + \text{7 ATP} + \text{14 NADPH} + \text{14 H}^+ \rightarrow \text{Palmitate} + \text{8 CoA} + \text{7 ADP} + \text{7 Pi} + \text{14 NADP}^+ + \text{6 H}_2\text{O} $$ ### 1.5 Modifications post-synthèse des acides gras Après la synthèse initiale de l'acide palmitique, d'autres modifications peuvent avoir lieu : * **Élongation:** Des élongases situées dans le réticulum endoplasmique lisse peuvent allonger les chaînes d'acides gras (typiquement au-delà de C16, formant des acides stéarique C18, arachidique C20, etc.) en utilisant le malonyl-CoA comme donneur d'unités dicarbonées et le NADPH comme coenzyme. Une élongation peut également se produire dans la mitochondrie pour les chaînes inférieures à C16, utilisant l'acétyl-CoA et les mêmes enzymes que la $\beta$-oxydation, mais dans le sens inverse [4](#page=4). * **Désaturation:** Les désaturases, localisées dans le réticulum endoplasmique lisse, introduisent des doubles liaisons en configuration cis dans les acides gras saturés pour former des acides gras insaturés. L'$\Delta^9$-désaturase est l'enzyme clé qui introduit la première double liaison en cis en position 9 du palmitate, précurseur d'acides gras plus longs et insaturés [4](#page=4). ### 1.6 Régulation de la synthèse des acides gras La synthèse des acides gras est régulée principalement au niveau de l'acétyl-CoA carboxylase (ACC), qui est l'enzyme clé de la lipogenèse. La régulation se fait par contrôle allostérique et par modification covalente. La lipogenèse est activée lorsque les glucides sont abondants, fournissant ainsi l'énergie nécessaire. La régulation est coordonnée avec la $\beta$-oxydation, de sorte que la synthèse et la dégradation des acides gras ne se produisent pas simultanément [5](#page=5). #### 1.6.1 Régulation de l'Acétyl-CoA Carboxylase (ACC) * **Activation allostérique:** Le citrate active l'ACC de manière allostérique, signalant une abondance de substrats pour la synthèse des acides gras. Les acides gras à longue chaîne acylés à la coenzyme A (acyl-CoA) sont des inhibiteurs allostériques de l'ACC [5](#page=5). * **Régulation hormonale et par modification covalente :** * L'insuline stimule la synthèse des acides gras en favorisant la déphosphorylation de l'ACC, ce qui augmente son activité [5](#page=5). * Le glucagon et l'adrénaline inhibent la synthèse des acides gras en favorisant la phosphorylation de l'ACC, ce qui diminue son activité [5](#page=5). ### 1.7 Devenir des acides gras synthétisés Les acides gras nouvellement synthétisés peuvent avoir plusieurs devenirs : * **Formation de triglycérides endogènes:** Ils sont transportés dans le sang sous forme de lipoprotéines (VLDL) et mis en réserve dans le tissu adipeux [5](#page=5). * **Formation de phospholipides:** Ils entrent dans la composition des membranes cellulaires [5](#page=5). --- # Dégradation des acides gras (bêta-oxydation) La bêta-oxydation est la voie métabolique mitochondriale principale permettant la dégradation complète des acides gras en acétyl-CoA, produisant ainsi de l'énergie utilisable par l'organisme [7](#page=7). ### 2.1 Activation et transport des acides gras dans la mitochondrie Avant d'être dégradés, les acides gras doivent être activés et transportés dans la mitochondrie [6](#page=6). #### 2.1.1 Activation par le coenzyme A L'activation d'un acide gras par le coenzyme A pour former un acyl-CoA est une réaction irréversible qui se déroule dans le cytosol, sur la face externe de la membrane externe mitochondriale. Cette réaction consomme deux molécules d'ATP sous forme d'hydrolyse de l'ATP en AMP et pyrophosphate [6](#page=6). La réaction générale est la suivante : Acide gras + CoA-SH + ATP $\longrightarrow$ Acyl-CoA + AMP + PPi [6](#page=6). #### 2.1.2 Entrée dans la mitochondrie Les acyl-CoA à longue chaîne ne peuvent pas traverser la membrane interne mitochondriale directement. Leur transport est assuré par la **navette de la carnitine** [6](#page=6). 1. **Transfert sur la carnitine:** Sur la face externe de la membrane mitochondriale externe, l'acyl-CoA réagit avec la carnitine pour former un acyl-carnitine, catalysé par la **carnitine palmitoyltransférase I (CPT I)** (#page=6, 7). Cette étape est une étape limitante de la bêta-oxydation [6](#page=6) [7](#page=7). Acyl-CoA + Carnitine $\stackrel{CPT I}{\longrightarrow}$ Acyl-carnitine + CoA-SH [6](#page=6). 2. **Traversée de la membrane interne:** L'acyl-carnitine traverse la membrane mitochondriale interne grâce à l'**acyl-carnitine translocase** [7](#page=7). 3. **Transfert sur le CoA intramitochondrial:** À l'intérieur de la mitochondrie, sur la face interne de la membrane mitochondriale interne, la carnitine est libérée de l'acyl-carnitine, et l'acyl-CoA est reformé, catalysé par la **carnitine palmitoyltransférase II (CPT II)** [7](#page=7). Acyl-carnitine $\stackrel{CPT II}{\longrightarrow}$ Acyl-CoA + Carnitine [7](#page=7). ### 2.2 Étapes de la bêta-oxydation des acides gras saturés La bêta-oxydation est une voie catabolique oxydative aérobie qui se déroule dans la matrice mitochondriale. Elle consiste en la coupure séquentielle de l'acide gras en unités de deux carbones, formant de l'acétyl-CoA. Ce processus se répète en "tours d'hélice" (ou hélice de Lynen), chacun impliquant quatre réactions. La coupure s'effectue entre les carbones alpha ($\alpha$) et bêta ($\beta$) du groupement carboxyle [7](#page=7) [8](#page=8). #### 2.2.1 Tour d'hélice de bêta-oxydation Chaque tour d'hélice dégrade l'acyl-CoA de 2 carbones et produit une molécule d'acétyl-CoA, ainsi que du FADH₂ et du NADH, H⁺. 1. **Première déshydrogénation (oxydation):** L'acyl-CoA est oxydé en *trans*-Δ²-énoyl-CoA par l'**acyl-CoA déshydrogénase**, avec la réduction du FAD en FADH₂ [8](#page=8). Acyl-CoA + FAD $\longrightarrow$ *trans*-Δ²-énoyl-CoA + FADH₂ [8](#page=8). 2. **Hydratation:** L'ajout d'une molécule d'eau sur la double liaison de l'*trans*-Δ²-énoyl-CoA conduit à la formation du L-β-hydroxyacyl-CoA, catalysé par l'**énoyl-CoA hydratase** [8](#page=8). *trans*-Δ²-énoyl-CoA + H₂O $\longrightarrow$ L-β-hydroxyacyl-CoA [8](#page=8). 3. **Deuxième déshydrogénation (oxydation):** Le L-β-hydroxyacyl-CoA est oxydé en β-cétoacyl-CoA par la **L-β-hydroxyacyl-CoA déshydrogénase**, avec la réduction du NAD⁺ en NADH, H⁺ (#page=8, 9) [8](#page=8) [9](#page=9). L-β-hydroxyacyl-CoA + NAD⁺ $\longrightarrow$ β-cétoacyl-CoA + NADH, H⁺ [8](#page=8). 4. **Coupure thiolytique (clivage):** La β-cétothiolase catalyse la coupure du β-cétoacyl-CoA par une molécule de CoA-SH. Cela libère une molécule d'acétyl-CoA (les deux carbones terminaux) et un acyl-CoA raccourci de deux carbones, qui peut alors entrer dans un nouveau tour d'hélice [9](#page=9). β-cétoacyl-CoA + CoA-SH $\longrightarrow$ Acétyl-CoA + Acyl-CoA raccourci de 2 carbones [9](#page=9). #### 2.2.2 Bêta-oxydation des acides gras à nombre impair de carbones Pour les acides gras à nombre impair de carbones, le dernier tour de la bêta-oxydation produit un acétyl-CoA (2C) et un propionyl-CoA (3C). Le propionyl-CoA est ensuite converti en succinyl-CoA via trois réactions enzymatiques, et peut alors entrer dans le cycle de Krebs [9](#page=9). #### 2.2.3 Bêta-oxydation des acides gras insaturés La présence de doubles liaisons dans les acides gras insaturés nécessite des réactions supplémentaires pour permettre la poursuite de la bêta-oxydation [10](#page=10). * **Double liaison en position *cis*-3 (*cis*-Δ³):** Une **isomérase** convertit le *cis*-Δ³-énoyl-CoA en *trans*-Δ²-énoyl-CoA, le substrat reconnu par l'énoyl-CoA hydratase (réaction 2 de la bêta-oxydation). Cette conversion entraîne la perte de la première réaction du tour d'hélice, donc la production d'un FADH₂ en moins par tour affecté [10](#page=10). * **Double liaison en position *cis*-4 (*cis*-Δ⁴):** Une **réductase** intervient d'abord pour réduire le 2,4-diénoyl-CoA en *trans*-Δ³-énoyl-CoA en utilisant du NADPH, H⁺. Ensuite, une isomérase convertit le *trans*-Δ³-énoyl-CoA en *trans*-Δ²-énoyl-CoA. Comme pour la double liaison en *cis*-3, cela implique la perte d'un FADH₂ par tour affecté [10](#page=10). > **Tip:** La différence clé dans la bêta-oxydation des acides gras insaturés par rapport aux saturés est l'intervention d'enzymes spécifiques (isomérase et réductase) pour ajuster la position et la stéréochimie des doubles liaisons, afin qu'elles correspondent aux substrats reconnus par les enzymes classiques de la voie. ### 2.3 Bilan énergétique de la bêta-oxydation Le rendement énergétique de la bêta-oxydation dépend du nombre de carbones de l'acide gras. #### 2.3.1 Exemple : Oxydation du palmitate (16 carbones) L'acide palmitique est un acide gras saturé à 16 carbones. Sa dégradation complète produit 106 molécules d'ATP [11](#page=11). * **Activation du palmitate en palmitoyl-CoA:** Consomme 2 ATP (équivalent AMP + PPi) [11](#page=11). * **Bêta-oxydation:** 7 tours d'hélice sont nécessaires pour dégrader 16 carbones en 8 acétyl-CoA [11](#page=11). * 8 acétyl-CoA: Produisent 8 $\times$ 10 ATP (via le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative) = 80 ATP [11](#page=11). * 7 FADH₂: Produisent 7 $\times$ 1.5 ATP = 10.5 ATP [11](#page=11). * 7 NADH, H⁺: Produisent 7 $\times$ 2.5 ATP = 17.5 ATP [11](#page=11). * **Total pour le palmitate:** 80 + 10.5 + 17.5 - 2 (ATP d'activation) = 106 ATP [11](#page=11). #### 2.3.2 Comparaison avec les glucides À nombre de carbones égal, un acide gras libère plus d'ATP qu'un glucide. Par exemple, un acide gras à 6 carbones produit 36 ATP, tandis qu'une molécule de glucose à 6 carbones en produit 30-32 ATP [12](#page=12). > **Tip:** Les acides gras sont une source d'énergie très dense, fournissant significativement plus d'ATP par gramme que les glucides. #### 2.3.3 Mobilisation de l'énergie La mobilisation de l'énergie des acides gras est plus lente que celle des glucides. De plus, l'énergie issue des acides gras n'est exploitable qu'en conditions aérobies, contrairement à celle des glucides. L'utilisation de l'énergie des acides gras est donc inadaptée lors d'activités musculaires intenses nécessitant un apport rapide et instantané d'ATP [12](#page=12). ### 2.4 Régulation coordonnée de la lipogenèse et de la bêta-oxydation La lipogenèse (synthèse des acides gras) et la bêta-oxydation (dégradation des acides gras) sont étroitement régulées et coordonnées, notamment par le malonyl-CoA. * **Malonyl-CoA:** Il est un inhibiteur allostérique de la carnitine palmitoyltransférase I (CPT I), l'enzyme clé du transport des acyl-CoA dans la mitochondrie. La synthèse de malonyl-CoA est catalysée par l'acétyl-CoA carboxylase (ACC), l'enzyme initiatrice de la synthèse des acides gras (#page=6, 12) [12](#page=12) [6](#page=6). * **Régulation hormonale :** * **Insuline:** Stimule la production de malonyl-CoA par activation de l'ACC, ce qui inhibe la CPT I et donc la bêta-oxydation. Cela favorise la synthèse des acides gras [12](#page=12). * **Glucagon:** Inactive l'ACC, réduisant ainsi la production de malonyl-CoA. L'absence d'inhibition de la CPT I permet le transfert des acyl-CoA dans la mitochondrie, favorisant la bêta-oxydation [12](#page=12). > **Tip:** Le malonyl-CoA agit comme un signal métabolique crucial, coordonnant les flux d'énergie : lorsqu'il est abondant (après un repas riche), il inhibe la dégradation des acides gras pour privilégier leur stockage. Inversement, en cas de jeûne ou d'activité physique, sa diminution permet la mobilisation des réserves lipidiques. ### 2.5 Pathologies du catabolisme des acides gras Des dysfonctionnements dans la bêta-oxydation peuvent entraîner diverses pathologies. Ces défauts enzymatiques peuvent affecter le transport des acides gras dans la mitochondrie (défauts de la navette carnitine), les enzymes de la bêta-oxydation elle-même, ou les enzymes impliquées dans le catabolisme des produits finaux [12](#page=12). --- # Métabolisme des corps cétoniques Ce chapitre aborde la formation des corps cétoniques à partir de l'acétyl-CoA, leur rôle énergétique, leur synthèse hépatique (cétogenèse) et leur dégradation dans les tissus périphériques (cétolyse). ### 3.1 Introduction aux corps cétoniques L'acétyl-CoA, produit par l'oxydation mitochondriale des acides gras, a deux destinées principales: s'associer à l'oxaloacétate pour alimenter le cycle de Krebs, ou former des corps cétoniques. Cette dernière voie devient prédominante en cas d'insuffisance d'oxaloacétate, observée notamment lors du jeûne, de régimes cétogènes, ou dans le diabète non équilibré [13](#page=13). #### 3.1.1 Définition et caractéristiques Les corps cétoniques sont de petites molécules énergétiques possédant un groupe cétone. Ils sont hydrosolubles, très diffusibles dans le sang, traversent facilement les membranes mitochondriales et plasmatiques, et servent de forme de transport de l'acétyl-CoA. Leur finalité est identique à celle de l'acétyl-CoA: fournir de l'énergie aux cellules [13](#page=13). Il existe trois corps cétoniques principaux : 1. Acétoacétate [13](#page=13). 2. Acétone (composé volatil éliminé par les poumons) [13](#page=13). 3. Bêta-hydroxybutyrate [13](#page=13). ### 3.2 Synthèse des corps cétoniques : la cétogenèse La synthèse des corps cétoniques, appelée cétogenèse, est une voie métabolique qui se déroule **exclusivement dans le foie**, au niveau de la matrice mitochondriale. Cette voie devient particulièrement importante en situation de carence énergétique, qu'elle soit nutritionnelle (jeûne) ou pathologique (diabète sucré non équilibré), simulant un "jeûne cellulaire" [14](#page=14). La cétogenèse nécessite trois molécules d'acétyl-CoA, dont deux sont consommées au cours de la synthèse, et comprend cinq réactions enzymatiques principales [14](#page=14). #### 3.2.1 Les étapes de la cétogenèse 1. **Réaction 1 : Thiolase** * Condensation de deux molécules d'acétyl-CoA pour former de l'acétoacétyl-CoA [14](#page=14). * Équation : $2\text{ Acétyl-CoA} \xrightarrow{\text{Thiolase}} \text{Acétoacétyl-CoA} + \text{CoA-SH}$ 2. **Réaction 2 : HMG-CoA synthase** * Condensation de l'acétoacétyl-CoA avec une troisième molécule d'acétyl-CoA pour former le HMG-CoA (bêta-hydroxy-bêta-méthylglutaryl-CoA) [14](#page=14). * Équation : $\text{Acétoacétyl-CoA} + \text{Acétyl-CoA} \xrightarrow{\text{HMG-CoA synthase}} \text{HMG-CoA}$ 3. **Réaction 3 : HMG-CoA lyase** * Clivage du HMG-CoA en une molécule d'acétyl-CoA et de l'acétoacétate. L'acétoacétate est ensuite libéré dans le sang pour être diffusé dans les tissus extra-hépatiques [14](#page=14). * Équation : $\text{HMG-CoA} \xrightarrow{\text{HMG-CoA lyase}} \text{Acétyl-CoA} + \text{Acétoacétate}$ 4. **Réaction 4 : Décarboxylation spontanée** * L'acétoacétate subit une décarboxylation spontanée pour former de l'acétone, qui est principalement éliminée par les poumons [14](#page=14). 5. **Réaction 5 : Bêta-hydroxybutyrate déshydrogénase (β-HBDH)** * Réduction de l'acétoacétate en bêta-hydroxybutyrate, nécessitant la coenzyme NADH,H$^+$. Le bêta-hydroxybutyrate est ensuite exporté par le sang vers les tissus périphériques [14](#page=14). * Équation : $\text{Acétoacétate} + \text{NADH,H}^+ \xrightarrow{\beta\text{-HBDH}} \text{Bêta-hydroxybutyrate} + \text{NAD}^+$ > **Tip :** La cétogenèse est un mécanisme adaptatif permettant de fournir une source d'énergie alternative lorsque l'approvisionnement en glucose est limité. ### 3.3 Catabolisme des corps cétoniques : la cétolyse La cétolyse est le processus inverse de la cétogenèse, permettant la dégradation des corps cétoniques (acétoacétate et bêta-hydroxybutyrate) en acétyl-CoA. Ce processus se déroule dans les **tissus périphériques**, à l'exception du foie, et est une voie mitochondriale [15](#page=15). Les organes capables de réaliser la cétolyse incluent le cœur, les muscles, le cerveau et le cortex rénal. La cétolyse est particulièrement activée lorsque l'apport glucidique aux cellules est insuffisant, permettant aux corps cétoniques de prendre le relais comme substrats énergétiques. Les globules rouges, dépourvus de mitochondries, ne peuvent pas consommer les corps cétoniques et dépendent exclusivement du glucose. L'acétone, quant à elle, est difficile à consommer et est majoritairement volatilisée [15](#page=15). > **Example :** En cas de jeûne prolongé, le cerveau peut utiliser les corps cétoniques comme source d'énergie principale, épargnant ainsi le glucose pour les tissus glucodépendants comme les globules rouges. ### 3.4 Activation de la cétogenèse et de la cétolyse L'activation simultanée de la cétogenèse et de la cétolyse intervient dans des situations de jeûne prolongé et de diabète non équilibré. Dans ces conditions, la bêta-oxydation des acides gras produit de l'acétyl-CoA dans les tissus non glucodépendants, qui s'engage dans le cycle de Krebs pour la production d'énergie [16](#page=16). Parallèlement, dans le foie, l'activation de la néoglucogenèse entraîne une consommation d'oxaloacétate pour produire du glucose. Cela provoque un ralentissement du cycle de Krebs hépatique et une accumulation d'acétyl-CoA. Cet excès d'acétyl-CoA est alors réorienté vers la production de corps cétoniques (cétogenèse). Les corps cétoniques sont ensuite transportés dans le sang vers les tissus périphériques, y compris le cerveau, où ils sont transformés en acétyl-CoA par cétolyse pour générer de l'énergie [16](#page=16). #### 3.4.1 Conclusion sur le métabolisme des corps cétoniques La bêta-oxydation mitochondriale est une voie catabolique qui vise à produire de l'énergie à partir des lipides lorsque le taux de glucose sanguin est bas, épargnant ainsi le glucose pour les tissus glucodépendants. Dans le foie, l'accumulation d'acétyl-CoA déclenche la synthèse des corps cétoniques. Ces derniers gagnent ensuite les tissus périphériques pour y être reconvertis en acétyl-CoA et produire de l'énergie [16](#page=16). --- # Métabolisme des lipoprotéines Le métabolisme des lipoprotéines décrit comment les lipides, insolubles dans l'eau, sont transportés dans le sang grâce à leur association avec des protéines appelées apoprotéines, formant des complexes macromoléculaires sphériques essentiels à la nutrition des tissus. ## 4. Métabolisme des lipoprotéines ### 4.1 Structure des lipoprotéines Les lipoprotéines sont des complexes macromoléculaires sphériques organisés en micelles [17](#page=17). * **Noyau hydrophobe:** Il est constitué de lipides hydrophobes, principalement les triglycérides (TG) et les esters de cholestérol (CE) [17](#page=17). * **Zone périphérique amphiphile:** Elle est formée de lipides polaires, tels que le cholestérol non estérifié et les phospholipides (PL), ainsi que d'apoprotéines [17](#page=17). ### 4.2 Rôles des apoprotéines Les apoprotéines jouent plusieurs rôles cruciaux dans le métabolisme des lipoprotéines [17](#page=17): * **Rôle structural:** Elles contribuent à la structure globale de la lipoprotéine [17](#page=17). * **Rôle de ligand:** Elles servent de ligands pour la reconnaissance par les récepteurs de lipoprotéines [17](#page=17). * **Rôle de cofacteur enzymatique:** Elles agissent comme activateurs ou inhibiteurs d'enzymes impliquées dans le métabolisme des lipoprotéines. Par exemple, l'apo CII est un activateur, tandis que l'apo CIII est un inhibiteur de la lipoprotéine lipase (LPL) [17](#page=17). ### 4.3 Classification des lipoprotéines Les lipoprotéines sont classifiées en différentes catégories, généralement basées sur leur densité, leur taille et leur composition [18](#page=18). ### 4.4 Métabolisme des chylomicrons (voie exogène) Les chylomicrons (CM) sont synthétisés par l'intestin pour transporter les triglycérides d'origine alimentaire (exogènes) [18](#page=18). * **Synthèse et libération:** Les CM immatures sont synthétisés dans l'intestin et libérés dans la lymphe, rejoignant ensuite la circulation générale. L'apoprotéine structurale essentielle des CM est l'Apo B48 [18](#page=18). * **Maturation:** Les CM immatures interagissent avec les HDL circulantes, acquérant des Apo CII et Apo E, et deviennent ainsi des CM matures [18](#page=18). * **Hydrolyse des TG:** L'Apo CII active la lipoprotéine lipase (LPL), qui hydrolyse les TG des CM matures en acides gras libres (AGL) et glycérol. Les AGL sont utilisés par les tissus consommateurs (cœur, muscles) ou stockés dans les tissus adipeux [18](#page=18). * **Formation des remnants:** Après avoir perdu la majorité de leurs TG (environ 70%), les CM deviennent des remnants de CM, plus petits et relativement riches en esters de cholestérol (CE). Ils portent toujours l'Apo B-48 et l'Apo E [19](#page=19). * **Échanges avec les HDL:** Les remnants de CM échangent des lipides avec les HDL via la CETP (cholesteryl ester transfer protein), cédant des TG et recevant des CE. Ils restituent également l'ApoC aux HDL [19](#page=19). * **Captation par le foie:** Les remnants de CM retournent au foie où ils sont reconnus par les récepteurs Apo E (LDL-R). Après endocytose, leur contenu est dégradé dans les lysosomes, libérant du cholestérol dans les hépatocytes [19](#page=19). ### 4.5 Métabolisme des VLDL, IDL et LDL (voie endogène) Ce métabolisme concerne le transport des lipides synthétisés par le foie (endogènes). #### 4.5.1 Métabolisme des VLDL Les VLDL (Very Low-Density Lipoproteins) sont synthétisées dans le foie et transportent les TG endogènes vers les tissus périphériques. L'apoprotéine principale est l'Apo B100 [19](#page=19). * **Maturation:** Dans la circulation, les VLDL s'enrichissent en Apo CII et Apo E provenant des HDL [19](#page=19). * **Hydrolyse des TG:** Les VLDL matures subissent l'hydrolyse de leurs TG par la LPL au niveau des muscles, du myocarde et des tissus adipeux, se transformant en lipoprotéines intermédiaires (IDL) [19](#page=19). #### 4.5.2 Métabolisme des IDL Les IDL (Intermediate-Density Lipoproteins) résultent du catabolisme des VLDL et contiennent des proportions similaires de CE et de TG [20](#page=20). * **Échanges avec les HDL:** Les IDL échangent des lipides avec les HDL via la CETP, augmentant leur teneur en CE et diminuant leur teneur en TG. Ils restituent également l'ApoC aux HDL [20](#page=20). * **Transformation en LDL:** Environ 50% des IDL se transforment en LDL [20](#page=20). #### 4.5.3 Métabolisme des LDL Les LDL (Low-Density Lipoproteins) sont des produits du catabolisme des VLDL et des IDL, très riches en esters de cholestérol (CE) et pauvres en TG. Leur apoprotéine unique est l'Apo B100 [20](#page=20). * **Transport:** Les LDL transportent le cholestérol endogène (CE) vers les tissus périphériques [20](#page=20). * **Captation par les récepteurs:** Les LDL sont captées par deux types de récepteurs: les récepteurs LDL (LDL-R) présents sur les cellules périphériques (extrahépatiques et hépatiques) et les récepteurs scavenger, principalement dans la voie macrophagique [20](#page=20). ### 4.6 Métabolisme des HDL Les HDL (High-Density Lipoproteins) sont impliquées dans le transport inverse du cholestérol, des tissus périphériques vers le foie [20](#page=20). * **Synthèse:** Elles sont synthétisées dans le foie et l'intestin [20](#page=20). * **HDL naissantes:** Les HDL naissantes, en forme de disque, contiennent de l'Apo AI, des phospholipides (PL). Elles récupèrent le cholestérol libre (CL) des membranes cellulaires et des PL [20](#page=20). * **Formation de HDL3:** Elles s'enrichissent en CE grâce à l'action de la LCAT (Lécithine-Cholestérol AcylTransférase) qui estérifie le cholestérol, se transformant en HDL3, de forme sphérique [20](#page=20). * **Formation de HDL2:** Les HDL3 peuvent capter davantage de CL des tissus périphériques, augmentant leur teneur en CE via la LCAT, et se transforment en HDL2, plus grandes et moins denses que les HDL3 [20](#page=20). * **Transport de stéride:** Les HDL2 transportent les stérides (CE) vers le foie ou vers d'autres lipoprotéines (VLDL et LDL) via la CETP [20](#page=20). * **Destin des HDL2:** Les HDL2 peuvent soit être rétroconverties en HDL3 par échange de CE contre des TG via la CETP, soit être captées par des récepteurs spécifiques au niveau périphérique [20](#page=20). > **Tip:** La compréhension des rôles spécifiques de chaque apoprotéine est essentielle, car leurs interactions dictent le devenir des différentes classes de lipoprotéines. Les échanges entre HDL et autres lipoprotéines via la CETP sont des points clés du métabolisme. > **Example:** L'activation de la LPL par l'Apo CII est fondamentale pour permettre aux tissus consommateurs d'accéder aux acides gras libérés par la dégradation des triglycérides des chylomicrons et des VLDL. --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Acétyl-CoA | Molécule intermédiaire clé dans le métabolisme énergétique, produite par la dégradation des glucides, des lipides et des protéines, et jouant un rôle central dans le cycle de Krebs. | | Malonyl-CoA | Intermédiaire métabolique formé par carboxylation de l'acétyl-CoA, qui est l'étape limitante et régulée de la synthèse des acides gras. | | Acide Gras Synthase (AGS) | Complexe multienzymatique responsable de la synthèse cytosolique des acides gras, catalysant la répétition de réactions d'élongation. | | Bêta-oxydation | Voie métabolique mitochondriale de dégradation des acides gras en acétyl-CoA, produisant de l'énergie sous forme de NADH et FADH2. | | Navette citrate | Mécanisme permettant le transport de l'acétyl-CoA de la mitochondrie vers le cytoplasme, nécessaire à la synthèse des acides gras. | | Acétyl-CoA Carboxylase (ACC) | Enzyme clé régulant la lipogenèse ; elle catalyse la carboxylation de l'acétyl-CoA en malonyl-CoA, une réaction irréversible. | | Corps cétoniques | Molécules (acétoacétate, acétone, bêta-hydroxybutyrate) produites par le foie lorsque le métabolisme des acides gras est accru, servant de source d'énergie alternative pour les tissus périphériques. | | Cétogenèse | Processus de synthèse des corps cétoniques qui se déroule principalement dans les mitochondries du foie, particulièrement en période de jeûne ou de diabète non contrôlé. | | Cétolyse | Processus de dégradation des corps cétoniques en acétyl-CoA dans les tissus périphériques, permettant leur utilisation comme substrat énergétique. | | Lipoprotéines | Complexes macromoléculaires formés de lipides et de protéines (apoprotéines) qui assurent le transport des lipides insolubles dans le plasma sanguin. | | Apoprotéines | Protéines associées aux lipides dans les lipoprotéines, jouant des rôles structuraux, de reconnaissance par les récepteurs et d'activation enzymatique. | | Chylomicrons | Lipoprotéines synthétisées par l'intestin, transportant les lipides alimentaires (principalement les triglycérides) vers les tissus. | | VLDL (Very Low-Density Lipoproteins) | Lipoprotéines synthétisées par le foie, transportant les triglycérides endogènes vers les tissus périphériques. | | LDL (Low-Density Lipoproteins) | Lipoprotéines riches en cholestérol, issues du catabolisme des VLDL, transportant le cholestérol vers les tissus périphériques. | | HDL (High-Density Lipoproteins) | Lipoprotéines impliquées dans le transport inverse du cholestérol, le ramenant des tissus périphériques vers le foie. | | Carnitine palmitoyltransférase I (CPT I) | Enzyme mitochondriale essentielle pour le transport des acides gras à longue chaîne dans la mitochondrie, en formant des acyl-carnitines. Elle est une cible importante de la régulation. |

# Concepts de base du métabolisme énergétique bactérien Ce sujet aborde les mécanismes fondamentaux par lesquels les bactéries génèrent l'énergie nécessaire à leurs fonctions vitales, en se concentrant sur les monnaies énergétiques clés et les processus associés. ### 1.1 Les monnaies énergétiques essentielles Les bactéries utilisent trois types de "monnaie" énergétique primordiaux pour leurs processus métaboliques. Ces monnaies sont indispensables à la survie et à l'activité de toute bactérie [1](#page=1). #### 1.1.1 Adénosine TriPhosphate (ATP) L'ATP est la principale molécule de transfert d'énergie dans la cellule. Il est formé en couplant des réactions exergoniques (qui libèrent de l'énergie) à des réactions endergoniques (qui nécessitent de l'énergie). La synthèse de l'ATP est souvent réalisée par l'ATP synthase dépendante de protons [1](#page=1). #### 1.1.2 NADH et NADP (formes réduites) Le Nicotinamide Adénine Dinucléotide sous sa forme réduite (NADH ou NADP) est une autre monnaie énergétique cruciale. Ces molécules jouent un rôle central dans les réactions d'oxydo-réduction, agissant comme transporteurs d'électrons et d'hydrogènes [1](#page=1). #### 1.1.3 Force proton motrice La force proton motrice correspond à un gradient de protons (ions H$^+$) à travers la membrane plasmique. Ce gradient représente une forme d'énergie potentielle qui peut être exploitée pour diverses fonctions cellulaires, notamment la synthèse d'ATP [1](#page=1). ### 1.2 Réactions anaboliques et leurs besoins énergétiques La synthèse de macromolécules essentielles requiert des monnaies énergétiques spécifiques pour coupler les réactions endergoniques impliquées [1](#page=1). * **Protéines:** La synthèse des protéines est couplée à l'hydrolyse du GTP [1](#page=1). * **Lipides:** La synthèse des lipides est couplée à l'hydrolyse du CTP [1](#page=1). * **Polysaccharides:** La synthèse des polysaccharides est couplée à l'hydrolyse de l'UTP [1](#page=1). ### 1.3 Réactions d'oxydo-réduction et transformations Les réactions d'oxydo-réduction sont fondamentales pour la génération d'énergie et la transformation de substances. Elles impliquent le transfert d'électrons. * **Exemples de transformations :** * CO$_2$ est réduit en carbohydrates [1](#page=1). * Les carbohydrates sont oxydés en acides gras [1](#page=1). * Le nitrate (NO$_3^-$) est réduit en ammonium (NH$_4^+$) [1](#page=1). ### 1.4 Rôle du transport membranaire dans la génération d'énergie Le transport de substances à travers la membrane plasmique est étroitement lié aux processus de génération d'énergie. * **Symport et Antiport:** Ces systèmes de transport utilisent des gradients ioniques, souvent liés à la force proton motrice, pour déplacer d'autres molécules à travers la membrane [1](#page=1). * **Mouvement (ex: flagelle):** Le mouvement flagellaire est une fonction qui consomme de l'énergie, souvent dérivée de la force proton motrice [1](#page=1). * **Transporteurs à cassette ABC:** Ces transporteurs membranaires sont impliqués dans le mouvement de diverses molécules, y compris celles qui peuvent être liées à des flux énergétiques [1](#page=1). ### 1.5 Génération de la force proton motrice et de l'ATP La génération de la force proton motrice est une étape clé pour la production d'ATP. L'ATP synthase utilise le flux de protons résultant de ce gradient pour catalyser la synthèse d'ATP [1](#page=1). > **Tip:** Les chimiohétérotrophes obtiennent leurs trois formes d'énergie (ATP, NADH/NADP, force proton motrice) à partir d'une source de carbone organique. Le glucose est une source de carbone organique couramment étudiée pour la génération d'énergie, notamment en l'absence d'oxygène via la fermentation [1](#page=1). ### 1.6 La fermentation : génération d'énergie anaérobie La fermentation est un processus métabolique qui permet de générer de l'ATP et du NADH à partir de carbone organique, en l'absence de dioxygène ou d'autres accepteurs d'électrons inorganiques [1](#page=1). #### 1.6.1 La glycolyse La glycolyse est la première étape métabolique de nombreuses voies de fermentation des sucres. Elle transforme le glucose en pyruvate, produisant au passage de l'ATP et du NADH. Il existe plusieurs voies biochimiques pour réaliser la glycolyse [1](#page=1). --- # Voies de fermentation et leur rôle La fermentation est un processus métabolique essentiel qui permet aux organismes, notamment aux bactéries, de générer de l'énergie ATP en l'absence d'oxygène, en recyclant le cofacteur NAD+ indispensable à la glycolyse [1](#page=1) [3](#page=3). ### 2.1 Les bases du métabolisme énergétique bactérien Les bactéries utilisent trois formes principales de "monnaie" énergétique: l'ATP, le NADH/NADPH, et la force proton motrice, qui sont nécessaires pour diverses réactions anaboliques, oxydoréductions et transports membranaires. La fermentation est particulièrement pertinente pour les organo-hétérotrophes qui tirent leur énergie d'une source de carbone organique, telle que le glucose, en conditions anaérobies [1](#page=1). ### 2.2 La glycolyse : la voie commune La glycolyse est la première étape de la production d'énergie à partir du glucose, aboutissant à la formation de pyruvate. Il existe trois voies biochimiques principales pour la glycolyse [1](#page=1) [2](#page=2): * **Voie Embden-Meyerhof (classique):** Cette voie débute par la phosphorylation du glucose en fructose 1,6-bisphosphate, consommant 2 ATP. Le fructose 1,6-bisphosphate est ensuite clivé en deux molécules de glycéraldéhyde 3-phosphate. La phosphorylation au niveau du substrat, couplée à une réaction d'oxydoréduction catalysée par la glycéraldéhyde-3-phosphate déshydrogénase (GAPDH) en présence de NAD+, permet de régénérer l'ATP et de produire du NADH. Le rendement net par molécule de glucose est de 2 ATP et 2 NADH, produisant 2 pyruvate. La GAPDH est une enzyme clé car elle couple une réaction d'oxydoréduction favorable à une phosphorylation, permettant ainsi l'incorporation de phosphate sans dépense d'énergie initiale [2](#page=2). * **Voies alternatives: Pentose-phosphate et Entner-Doudoroff:** Ces voies partagent la partie aval de la glycolyse Embden-Meyerhof, incluant la production de glycéraldéhyde, mais diffèrent dans leurs étapes initiales et leurs produits finaux [2](#page=2) [3](#page=3). * La voie **Entner-Doudoroff** libère un pyruvate un peu plus tôt dans le processus [3](#page=3). * La voie **Pentose-phosphate** libère un CO2 dès le début, passe par le ribulose-5-phosphate (un sucre à 5 carbones), et produit une molécule de pyruvate et une molécule d'acétyl-phosphate par molécule de glucose, générant potentiellement 2 ou 3 NADH/NADPH mais seulement 1 ATP net par molécule de glucose [3](#page=3). ### 2.3 Le rôle crucial de la fermentation : le recyclage du NADH Le principal défi de la glycolyse est la dépendance de la GAPDH vis-à-vis du NAD+. Si la glycolyse tourne continuellement pour produire de l'ATP, le NAD+ serait rapidement converti en NADH, bloquant ainsi la voie métabolique. La fermentation résout ce problème en agissant comme un accepteur d'électrons pour le NADH, le réoxydant en NAD+. Ceci permet la poursuite de la glycolyse et la production continue d'ATP. Le pyruvate, ou une molécule dérivée du glucose, sert généralement d'accepteur d'électrons final dans la fermentation, car il n'y a pas d'accepteur externe comme l'oxygène [3](#page=3) [4](#page=4). > **Tip:** La fermentation est intrinsèquement moins productive en ATP que la respiration aérobie, mais elle permet la survie et la croissance dans des environnements anaérobies ou microaérobies. ### 2.4 Principales voies de fermentation #### 2.4.1 Fermentation lactique La fermentation lactique transforme le pyruvate en acide lactique, où le pyruvate est réduit par le NADH, convertissant un groupement cétone en groupement alcool. Elle est répandue chez les bactéries lactiques (Lactobacillus, Streptococcus, Lactococcus) et peut être homolactique (produit principalement de l'acide lactique) ou hétérolactique (produit de l'acide lactique et d'autres composés). Elle est largement utilisée dans l'industrie agroalimentaire pour la fabrication de produits laitiers (yaourts, fromages) et de légumes fermentés (choucroute). Dans la production fromagère, les bactéries lactiques non-starter, comme *Propionibacterium freudenreichii*, peuvent fermenter l'acide lactique en d'autres composés (acide propionique, acétique, CO2), contribuant au goût et à la texture, et formant les trous dans l'emmental grâce au dégagement de CO2. Pour la choucroute, le sel inhibe les bactéries indésirables et l'absence d'oxygène favorise la fermentation lactique [4](#page=4) [5](#page=5). #### 2.4.2 Fermentation alcoolique Cette fermentation implique deux étapes à partir du pyruvate: la décarboxylation par la pyruvate décarboxylase (PDC) pour former de l'acétaldéhyde, suivie de la réduction de l'acétaldéhyde en éthanol par l'alcool déshydrogénase (ADH) utilisant le NADH. L'ADH recycle le NADH en NAD+. Cette voie est essentielle pour la production de boissons alcoolisées (vin, bière, cidre) par des levures comme *Saccharomyces cerevisiae*. Elle est également exploitée pour la production de bioéthanol à partir de résidus agricoles, via la dégradation de la cellulose en sucres fermentescibles. Le syndrome d'auto-fermentation alcoolique est une condition rare où le microbiote intestinal produit de l'éthanol, favorisée par un régime riche en sucres, un diabète de type II, ou un déficit génétique en ADH [6](#page=6) [7](#page=7). #### 2.4.3 Fermentation butanediol Cette voie commence par le couplage de deux molécules de pyruvate, suivi de la décarboxylation pour former de l'alpha-acétolactate, puis de l'acétone. L'acétone est ensuite réduite par le NADH pour donner du 2,3-butanediol. Elle est fréquente chez les bactéries Gram-négatives (Enterobacter, Serratia, Klebsiella) et certaines Gram-positives (Bacillus, Clostridium). Le butanediol était autrefois un produit important dans la pétrochimie et la production de caoutchouc synthétique, et il est maintenant utilisé pour recycler le glycérol, un sous-produit de la production d'agri-diesel et d'huile de palme [7](#page=7) [8](#page=8). #### 2.4.4 Fermentation propionique Cette fermentation transforme le pyruvate en oxaloacétate, qui subit ensuite une série de transformations pour aboutir à la production de propionate. Elle est typique des bactéries du genre *Propionibacterium*, comme *Propionibacterium freudenreichii*. La réaction globale est souvent résumée par: 3 lactate → 2 propionate + 1 acétate + 1 CO2 + 1 H2O. Cette voie utilise des enzymes du cycle de Krebs fonctionnant en sens inverse, ce qui est avantageux pour les bactéries possédant déjà ce cycle, ne nécessitant qu'une enzyme supplémentaire [8](#page=8) [9](#page=9). #### 2.4.5 Fermentation acide mixte Utilisée par de nombreuses bactéries Gram-négatives, notamment les entérobactéries (*Escherichia coli*, *Salmonella*), cette voie produit un mélange complexe d'acides et d'autres composés. Elle commence par la transformation du pyruvate en acétyl-CoA et acide formique par la pyruvate formiate lyase. Diverses voies subséquentes produisent de l'acide acétique, de l'éthanol, du lactate, du succinate, du CO2 et de l'H2. Elle permet souvent une production d'ATP supplémentaire par phosphorylation au niveau du substrat, notamment lors de la production d'acétate. Sa flexibilité permet aux bactéries de s'adapter aux changements de pH du milieu [9](#page=9). #### 2.4.6 Fermentation des acides aminés et réaction de Stickland Outre les sucres, les acides aminés peuvent servir de substrats de fermentation, particulièrement chez les bactéries du genre *Clostridium*. Dans la réaction de Stickland, un acide aminé est oxydé (donneur d'électrons) et un autre est réduit (accepteur d'électrons) . Par exemple, alanine + 2 glycine + 2 H2O + 1 ADP → 3 NH4 + 2 acétate + CO2 + 1 ATP. L'alanine est oxydée en acétate, et la glycine est réduite. Cette voie est impliquée dans le botulisme, car *Clostridium botulinum* utilise la réaction de Stickland pour fermenter les acides aminés, produisant du CO2 et potentiellement sa toxine mortelle. Les signes d'alerte dans les conserves contaminées incluent le gonflement de la boîte, les bulles et une odeur anormale [10](#page=10) [9](#page=9). > **Example:** La formation des trous dans l'emmental par *Propionibacterium freudenreichii* est un exemple d'application industrielle de la fermentation, où la production de CO2 à partir de la fermentation de l'acide lactique crée les caractéristiques cavités du fromage. --- # Respiration aérobie et anaérobie Ce sujet explore les mécanismes d'extraction d'énergie par les cellules, qu'elles utilisent de l'oxygène ou d'autres accepteurs d'électrons. ### 3.1 Principes généraux de l'extraction d'énergie L'extraction d'énergie à partir de molécules organiques peut se faire par fermentation ou par respiration. La fermentation utilise des métabolites organiques, comme le pyruvate, comme accepteurs d'électrons et se produit en anaérobie ou lorsque les sucres sont en excès. Son rendement énergétique par carbone est faible, et elle ne nécessite pas d'oxygène ni de cytochromes. Cependant, elle peut produire des composés toxiques pour la bactérie [11](#page=11). La respiration, en revanche, est l'extraction d'énergie à partir d'une molécule de carbone organique en présence d'un accepteur d'électrons. Elle implique généralement trois étapes majeures: la glycolyse, le cycle de Krebs (ou cycle de l'acide citrique), et le transport d'électrons couplé à la phosphorylation oxydative [11](#page=11). > **Tip:** La différence fondamentale réside dans l'accepteur final d'électrons : organique pour la fermentation, et inorganique (souvent l'oxygène) pour la respiration. #### 3.1.1 Glycolyse et cycle de Krebs La glycolyse transforme le glucose en pyruvate, générant une petite quantité d'ATP et de NADH. Le pyruvate est ensuite oxydé en dioxyde de carbone dans le cycle de Krebs, produisant une quantité significative de NADH. L'objectif principal de ces étapes est de produire des molécules réduites comme le NADH, qui porteront les électrons pour les étapes ultérieures [11](#page=11). #### 3.1.2 Transport d'électrons et phosphorylation oxydative Le transport d'électrons permet de recycler le NADH en NAD⁺ en transférant les électrons à un accepteur final. Ce processus s'accompagne de la synthèse d'ATP, généralement via une chaîne de transport d'électrons qui crée un gradient de protons. Chez *E. coli*, cette chaîne est constituée de la NADH déshydrogénase, des quinones, et du complexe cytochrome c oxydase [11](#page=11). > **Exemple:** Le NADH déshydrogénase extrait les électrons du NADH et les transfère à l'ubiquinol (une quinone). L'ubiquinol réduit transporte ensuite les électrons au complexe cytochrome c oxydase. Lorsque l'ubiquinone accepte des électrons et des protons du côté cytoplasmique, elle devient QH₂. En transférant les électrons au complexe cytochrome c oxydase, elle libère les protons du côté périplasmique, contribuant à la création d'un gradient protonique. Le complexe cytochrome c oxydase transfère les électrons à l'oxygène, consommant des protons à l'intérieur de la bactérie et renforçant ainsi le gradient [12](#page=12). Chez *E. coli*, il existe deux types de complexes cytochromes c oxydases: le complexe BO, plus efficace en présence de beaucoup d'oxygène, et le complexe BD, utilisé en conditions de faible oxygénation [12](#page=12). Le gradient protonique ainsi établi permet la synthèse d'ATP par l'ATP synthase dépendante des protons. Théoriquement, l'oxydation complète d'une molécule de glucose en CO₂ par respiration aérobie peut produire jusqu'à 38 molécules d'ATP, ce qui est considérablement plus efficace que la fermentation [12](#page=12). ### 3.2 Respiration anaérobie La respiration anaérobie est une alternative à la respiration aérobie, où des accepteurs d'électrons autres que l'oxygène sont utilisés. Ces accepteurs d'électrons varient et ont des potentiels d'oxydoréduction différents, établissant une hiérarchie dans leur utilisation. Les meilleurs accepteurs d'électrons possèdent un potentiel d'oxydoréduction très positif; l'oxygène est le meilleur, suivi par le fer ferrique, puis le nitrate [12](#page=12) [13](#page=13). #### 3.2.1 Respiration anaérobie avec nitrate comme accepteur d'électrons Certaines bactéries peuvent utiliser le nitrate (NO₃⁻) comme accepteur final d'électrons. La chaîne respiratoire ressemble à celle de la respiration aérobie, mais se termine par un complexe nitrate réductase, qui réduit le nitrate en nitrite (NO₂⁻). D'autres enzymes, comme la nitrite dioxygénase, peuvent transformer le nitrite en diazote (N₂). *Paracoccus denitrificans* est un exemple de bactérie utilisant cette voie [12](#page=12). #### 3.2.2 Respiration anaérobie avec d'autres accepteurs d'électrons La respiration anaérobie peut fonctionner avec une variété d'accepteurs d'électrons. Dans les milieux aquatiques, si des molécules de carbone organique sont disponibles, les bactéries peuvent les utiliser comme substrat. L'ordre d'épuisement des accepteurs d'électrons est généralement: oxygène, nitrate, fer ferrique, sulfate, et enfin CO₂. Les méthanogènes sont capables d'utiliser le CO₂ comme accepteur d'électrons [13](#page=13). > **Tip:** La force motrice du gradient protonique permet la synthèse d'ATP. Plus l'accepteur d'électrons est "fort" (potentiel d'oxydoréduction plus positif), plus le gradient généré est important, et donc plus d'ATP est produit. #### 3.2.3 Chimiolithotrophes et phototrophes Les bactéries chimiolithotrophes utilisent des réactions chimiques inorganiques comme source d'électrons pour produire du carbone organique. Ces processus sont exergoniques lorsqu'un couple d'oxydoréduction favorable est exploité. Trois types de métabolismes chimiolithoautotrophes sont notables [13](#page=13): * **Oxydation d'hydrogène:** Le dihydrogène (H₂) est un excellent donneur d'électrons en raison de son potentiel d'oxydoréduction très négatif. Il peut directement former du NADH, qui alimente ensuite une chaîne de transport d'électrons se terminant par l'oxygène, produisant un gradient de protons et de l'ATP. Ces bactéries réalisent ainsi une respiration où le dihydrogène est la source d'énergie [13](#page=13). * **Bactéries nitrifiantes (ex: *Nitrosomonas*):** Ces bactéries oxydent l'ammoniac (NH₃) comme donneur d'électrons, utilisant l'oxygène comme accepteur d'électrons pour produire du nitrite (NO₂⁻). Le nitrate est un bon accepteur d'électrons mais un mauvais donneur. Cette réaction ne permet pas la production directe de NADH; cependant, le transfert d'électrons de l'ammoniac ou du nitrite à l'oxygène génère une force promotrice (gradient de protons) permettant la synthèse d'ATP via l'ATP synthase, et potentiellement la production de NADH en forçant le NADH déshydrogénase à fonctionner à l'envers [14](#page=14). * **Oxydation du soufre (Sulphur Oxidizers):** Ces bactéries oxydent des formes réduites de soufre (comme H₂S ou S) en sulfate (SO₄²⁻) ou acide sulfurique (H₂SO₄). Ces composés soufrés sont de bons donneurs d'électrons. L'oxydation du sulfite en sulfate peut générer de l'ATP par phosphorylation au niveau du substrat, en échangeant un groupement sulfate avec un phosphate AMP. Le transfert d'électrons vers l'oxygène génère un gradient de protons et de NADH, le NADH déshydrogénase fonctionnant à nouveau à l'envers [14](#page=14). #### 3.2.4 Comparaison des donneurs et accepteurs d'électrons La force d'un donneur ou accepteur d'électrons est déterminée par son potentiel d'oxydoréduction. Les meilleurs donneurs d'électrons ont un potentiel d'oxydoréduction très négatif, tandis que les meilleurs accepteurs d'électrons ont un potentiel très positif [14](#page=14). > **Exemple:** Le dihydrogène est le meilleur donneur d'électrons, suivi par les glucides (glucose), le sulfite, l'ammoniac. Le CO₂ et le CH₄ sont de très mauvais donneurs d'électrons [14](#page=14). Certaines combinaisons de donneurs et accepteurs sont possibles pour la respiration : * Glucose comme donneur, nitrate comme accepteur: ✅ [14](#page=14). * Glucose comme donneur, CO₂ comme accepteur: ❌ [14](#page=14). * Nitrite comme donneur, CO₂ comme accepteur: ❌ [14](#page=14). * Ammonium comme donneur, sulfate comme accepteur: ❌ (l'inverse serait plus plausible) [14](#page=14). * Dihydrogène comme donneur, nitrate comme accepteur: ✅ [14](#page=14). ### 3.3 Le cas de la fermentation des acides aminés (Réaction de Stickland) La réaction de Stickland est un type de fermentation où un acide aminé sert de donneur d'électrons et un autre d'accepteur. Par exemple, l'alanine est oxydée en acétate, tandis que la glycine est réduite. Cette réaction permet aux bactéries d'extraire de l'énergie sous forme d'ATP [10](#page=10). #### 3.3.1 Lien avec le botulisme *Clostridium botulinum*, responsable du botulisme, utilise la réaction de Stickland pour fermenter les acides aminés. Les endospores de cette bactérie peuvent survivre à des températures de 100°C, et dans des conserves mal stérilisées, elles peuvent germer et se multiplier. La production de CO₂ peut faire gonfler la conserve, et la bactérie peut produire sa toxine mortelle [10](#page=10). > **Exemple:** Un incident tragique en 2022 à Bordeaux, impliquant des conserves artisanales de sardines, a montré l'importance cruciale de la stérilisation [10](#page=10). Les signes d'alerte de la fermentation des acides aminés par *C. botulinum* dans les conserves incluent le gonflement de la boîte, la présence de bulles à l'ouverture, et une odeur anormale [10](#page=10). **Limitations de la fermentation comme source d'énergie métabolique :** * Rendement énergétique par carbone faible [11](#page=11). * Produit potentiellement toxique pour la bactérie [11](#page=11). --- # Métabolisme des phototrophes Ce chapitre détaille les mécanismes de photosynthèse chez diverses bactéries photosynthétiques, explorant leur utilisation de la lumière pour la production d'énergie. ### 4.1 Diversité et origine des phototrophes bactériens Les bactéries photosynthétiques sont phylogénétiquement diverses et leur capacité à réaliser la photosynthèse a été acquise par transfert horizontal de gènes (LGT). On retrouve des phototrophes chez différents groupes de bactéries, y compris les archées [15](#page=15) [17](#page=17). #### 4.1.1 Archéobactéries photosynthétiques Chez les archées comme *Halobacterium salinarum*, la photosynthèse repose sur la bactériorhodopsine [15](#page=15). * **Bactériorhodopsine:** Cette protéine transmembranaire en hélice fonctionne comme une pompe à protons activée par la lumière. L'absorption de lumière permet la translocation d'un proton à travers la membrane plasmique, générant une force proton-motrice. Ce processus n'implique pas de donneur d'électrons externe [15](#page=15). #### 4.1.2 Eubactéries photosynthétiques La majorité des bactéries photosynthétiques sont des eubactéries, incluant les cyanobactéries, les bactéries pourpres et les bactéries vertes. Ces dernières peuvent être dépendantes ou non du soufre comme donneur d'électrons [15](#page=15). > **Tip:** Les cyanobactéries sont considérées comme les premières à avoir développé la photosynthèse oxygénique, avant les autres groupes de bactéries [15](#page=15). ##### 4.1.2.1 Cyanobactéries Les cyanobactéries possèdent les photosystèmes I et II, similaires aux plantes vertes. Leur système photosynthétique se déroule dans la membrane thylakoïde et implique des centres réactionnels de Type 1 et de Type 2 [15](#page=15) [16](#page=16). * Le processus débute par l'excitation du photosystème II, où l'électron est transféré sur une quinone, générant une force proton-motrice pour la production d'ATP [16](#page=16). * L'électron est ensuite ré-excité et passe par une chaîne de transport d'électrons pour générer du NADH [16](#page=16). * L'eau est utilisée comme accepteur d'électrons, ce qui est considéré comme le pire accepteur d'électrons possible [16](#page=16). * Ce système permet d'augmenter le potentiel oxydoréducteur de la réaction, de réaliser la réduction directe du NAD+ en NADH, et de générer de l'ATP via la force proton-motrice. Il nécessite un donneur d'électrons universel [16](#page=16). ##### 4.1.2.2 Bactéries vertes sulfureuses (Chlorobi) Ces bactéries possèdent un système photosynthétique basé sur un centre réactionnel de Type 1. Elles présentent un complexe d'antenne extra-membranaire appelé chlorosome [15](#page=15). * Le centre réactionnel de Type 1 absorbe un photon, ce qui excite un électron qui est ensuite transféré sur une chaîne d'accepteurs d'électrons [15](#page=15). * L'électron est finalement utilisé pour réduire le NAD+ en NADH (réduction directe) [15](#page=15). * La source d'électrons est constituée de formes réduites de soufre, comme H2S [15](#page=15). * Ce mécanisme permet de booster le potentiel oxydoréducteur de la réaction et génère une force proton-motrice qui peut servir exclusivement à la génération d'ATP. Il nécessite un donneur d'électrons [15](#page=15). ##### 4.1.2.3 Bactéries pourpres (non-sulfureuses) Ces bactéries utilisent un système photosynthétique basé sur un centre réactionnel de Type 2. Elles disposent d'un complexe de récupération de lumière intra-membranaire [15](#page=15) [16](#page=16). * La lumière est utilisée pour créer une force proton-motrice destinée à la génération d'ATP, souvent via un cycle Q [16](#page=16). * Il n'y a pas de donneur d'électrons externe utilisé dans ce processus [16](#page=16). * La lumière excite un électron sur le centre réactionnel, qui fait un tour sur la quinone, générant ainsi une force proton-motrice [16](#page=16). * Ces bactéries sont chimio-hétérotrophes et ont un métabolisme fermentaire ne générant pas suffisamment d'ATP en l'absence d'oxygène. Le photosystème II permet donc de récupérer de l'ATP [16](#page=16). > **Tip:** D'autres types de bactéries photosynthétiques n'ont qu'un photosystème (soit le I, soit le II), ce qui leur permet d'extraire de l'énergie sans réaliser la photosynthèse oxygénique [15](#page=15). ### 4.2 Comparaison avec d'autres métabolismes énergétiques Le transport d'électrons est central dans le métabolisme énergétique. * **Respiration:** Utilise le carbone organique comme source d'électrons, produisant du NADH qui alimente une chaîne de transport d'électrons, générant une force proton-motrice (PMF) pour produire de l'ATP. La respiration anaérobie diffère de la fermentation [17](#page=17). * **Chimolithoautotrophes:** Utilisent des sources inorganiques comme donneurs d'électrons. Le processus est inverse de la respiration en termes de flux d'électrons pour la production de PMF et d'ATP à partir de NADH [17](#page=17). * **Phototrophes:** La photosynthèse chez les phototrophes est un exemple d'acquisition de ce métabolisme par des bactéries lithotrophes ou hétérotrophes, soulignant la nature polyphylétique de ce trait chez les bactéries [17](#page=17). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | ATP (Adénosine TriPhosphate) | Molécule essentielle servant de monnaie énergétique dans toutes les cellules, y compris les bactéries. Elle est produite par couplage de réactions exergoniques à des réactions endergoniques. | | NADH ou NADP (Nicotinamide Adénine Dinucléotide, forme réduite) | Coenzymes jouant un rôle clé dans le transfert d'électrons lors des réactions d'oxydoréduction, participant à la production d'énergie métabolique et à la biosynthèse. | | Force proton motrice | Différence de concentration en protons (ions H+) et de potentiel électrique à travers une membrane biologique, utilisée pour synthétiser de l'ATP via l'ATP synthase. | | Glycolyse | Voie métabolique fondamentale qui dégrade le glucose en pyruvate, produisant une petite quantité d'ATP et de NADH. Elle se déroule en l'absence d'oxygène. | | Fermentation | Processus métabolique anaérobie permettant de générer de l'ATP à partir de carbone organique. Son rôle principal est de régénérer le NAD+ en utilisant des métabolites organiques comme accepteurs d'électrons. | | Pyruvate | Molécule organique à trois carbones, produit final de la glycolyse. Il sert de substrat pour diverses voies métaboliques, y compris la fermentation. | | NADH déshydrogénase | Enzyme ancrée dans la membrane plasmique qui transfère les électrons du NADH à une autre molécule (comme les quinones), participant ainsi à la chaîne de transport d'électrons. | | ATP synthase | Complexe enzymatique qui utilise le gradient de protons à travers la membrane plasmique pour synthétiser l'ATP à partir d'ADP et de phosphate inorganique. | | Respiration aérobie | Processus d'extraction d'énergie où une molécule organique est complètement oxydée en dioxyde de carbone en présence d'oxygène, générant une grande quantité d'ATP. | | Respiration anaérobie | Processus d'extraction d'énergie similaire à la respiration aérobie, mais utilisant des accepteurs d'électrons autres que l'oxygène, tels que le nitrate ou le sulfate. | | Chimiolithotrophes | Organismes qui tirent leur énergie de l'oxydation de composés inorganiques et utilisent le dioxyde de carbone comme source de carbone. | | Phototrophes | Organismes qui utilisent la lumière comme source d'énergie, comme les bactéries photosynthétiques. | | Bactériorhodopsine | Protéine transmembranaire présente chez certaines archées, agissant comme une pompe à protons activée par la lumière, générant ainsi une force proton motrice. | | Cyanobactéries | Bactéries photosynthétiques capables de réaliser la photosynthèse oxygénique, utilisant l'eau comme donneur d'électrons et produisant de l'oxygène. Elles possèdent les photosystèmes I et II. | | Photosystème I et II | Complexes protéiques impliqués dans la photosynthèse, responsables de l'absorption de la lumière et de la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique. | | Réaction de Stickland | Voie de fermentation des acides aminés où un acide aminé est oxydé et un autre est réduit, permettant à certaines bactéries, comme Clostridium, d'extraire de l'énergie. | | Syndrome d'auto-fermentation alcoolique | Condition rare où le microbiote intestinal produit une quantité significative d'éthanol chez certaines personnes, entraînant des taux d'alcoolémie élevés sans consommation d'alcool. | | Cycle de Krebs (ou cycle TCA) | Série de réactions biochimiques qui oxydent complètement les dérivés du pyruvate en CO2, produisant une grande quantité de NADH et de FADH2, précurseurs de l'ATP par phosphorylation oxydative. | | Accepteur d'électrons | Espèce chimique qui gagne des électrons lors d'une réaction d'oxydoréduction. Dans la respiration, l'oxygène est le meilleur accepteur d'électrons aérobie. | | Donneur d'électrons | Espèce chimique qui perd des électrons lors d'une réaction d'oxydoréduction. |

# Introdução às lipoproteínas plasmáticas As lipoproteínas plasmáticas são complexos macromoleculares essenciais para o transporte de lípidos na corrente sanguínea, apresentando uma estrutura diversificada e funções biológicas cruciais [5](#page=5) [6](#page=6). ### 1.1 Diversidade estrutural e funcional dos lípidos Os lípidos compreendem uma vasta gama de moléculas, incluindo colesterol, ácidos gordos, acilgliceróis, esfingolípidos, prostaglandinas e terpenos complexos. Estes compostos desempenham múltiplas funções, atuando como precursores de biomoléculas, agentes de sinalização celular, mantendo a integridade das membranas celulares, servindo como reserva energética, auxiliando na manutenção da temperatura corporal, estimulando a secreção de biomoléculas e modulando o processo digestivo. Alguns lípidos, como a testosterona e o estradiol, também interagem com receptores acoplados a proteínas G [3](#page=3) [4](#page=4). > **Tip:** É fundamental compreender a diversidade dos lípidos para apreciar o papel das lipoproteínas no seu transporte [3](#page=3) [4](#page=4). ### 1.2 Lipoproteínas: introdução #### 1.2.1 Definição Lipoproteínas são complexos macromoleculares formados por lípidos e proteínas, projetados para transportar estas biomoléculas na corrente sanguínea. A sua estrutura é caracterizada por um núcleo hidrofóbico, composto por lípidos apolares como triglicerídeos e ésteres de colesterol, e uma superfície hidrofílica, que contém grupos polares de fosfolípidos e colesterol livre, além de proteínas específicas chamadas apoproteínas ou apolipoproteínas. Esta organização em micela-like confere-lhes uma estrutura aproximadamente esférica [3](#page=3) [5](#page=5). > **Example:** A estrutura de uma lipoproteína, como a VLDL, demonstra a organização com um núcleo de lípidos apolares e uma monocamada de lípidos anfipáticos na superfície [3](#page=3). #### 1.2.2 Classificação As lipoproteínas plasmáticas são classificadas com base em vários critérios, incluindo densidade, diâmetro e a razão lípidos:proteína. As principais classes, em ordem decrescente de tamanho e crescente de densidade, são [10](#page=10) [9](#page=9): * **Quilomícrons:** Os maiores e menos densos, com uma razão lípidos:proteína de 99:1. Transportam predominantemente triglicerídeos (TG) de origem exógena [10](#page=10) [9](#page=9). * **VLDL (Very Low-Density Lipoprotein):** Menores que os quilomícrons, com uma razão lípidos:proteína de 90:10. Produzidas no fígado e transportam TG de origem endógena [10](#page=10) [12](#page=12) [9](#page=9). * **IDL (Intermediate-Density Lipoprotein):** Lipoproteínas de densidade intermédia, com uma razão lípidos:proteína de 85:15. São remanescentes das VLDL após hidrólise dos TG [10](#page=10) [13](#page=13) [9](#page=9). * **LDL (Low-Density Lipoprotein):** Com menor teor de TG e maior de ésteres de colesterol, apresentam uma razão lípidos:proteína de 80:20. São o produto final do metabolismo das VLDL e transportam colesterol para os tecidos [10](#page=10) [12](#page=12) [9](#page=9). * **HDL (High-Density Lipoprotein):** As menores e mais densas, com uma razão lípidos:proteína de 50:50. Transportam fosfolípidos e são cruciais no retorno do colesterol dos tecidos periféricos para o fígado [10](#page=10) [12](#page=12) [9](#page=9). * **Lp(a):** Uma lipoproteína modificada com características de LDL e plasminogénio, com uma razão lípidos:proteína variável [10](#page=10) [9](#page=9). > **Tip:** As diferenças em tamanho e densidade refletem a composição lipídica e proteica, que por sua vez determinam as suas funções [10](#page=10) [11](#page=11) [9](#page=9). #### 1.2.3 Funções biológicas As lipoproteínas desempenham funções fisiológicas vitais no transporte de lípidos [12](#page=12). * **Quilomícrons:** Produzidos no intestino delgado, transportam os lípidos da dieta, principalmente triglicerídeos (TG), para a corrente sanguínea [12](#page=12). * **VLDL:** Sintetizadas no fígado, transportam TG de origem endógena, muitas vezes derivados de hidratos de carbono da dieta [12](#page=12). * **IDL:** Formadas na circulação a partir das VLDL após a remoção de TG, podem ser endocitadas pelo fígado ou convertidas em LDL [12](#page=12) [13](#page=13). * **LDL:** Representam o produto final da degradação das VLDL e IDL. São ricas em colesterol (livre e esterificado) e são transportadas para o fígado e outros tecidos através da endocitose mediada por receptores [12](#page=12). * **HDL:** Sintetizadas no fígado e intestino, têm um papel crucial na troca de proteínas e lípidos com outras lipoproteínas e no transporte reverso de colesterol, ou seja, o retorno do colesterol dos tecidos periféricos para o fígado para excreção [12](#page=12) [14](#page=14). > **Example:** O estado pós-prandial ilustra a dinâmica do transporte lipídico, onde os quilomícrons e VLDL, após a ação da lipase lipoproteica (LPL), geram remanescentes que eventualmente se convertem em IDL e LDL. O HDL atua em paralelo, facilitando o retorno do colesterol para o fígado [13](#page=13) [14](#page=14). ### 1.3 Apoproteínas As apoproteínas são componentes proteicos essenciais das lipoproteínas. Cada classe de lipoproteína expressa várias apoproteínas em proporções distintas, com a exceção das LDL, que possuem predominantemente a apo B-100. Estas apoproteínas são geralmente trocadas entre as diferentes lipoproteínas, com exceções notáveis como a apo B100 e a apo B48. As apoproteínas possuem um caráter anfipático, permitindo a sua interação tanto com o núcleo lipídico hidrofóbico quanto com o meio aquoso do plasma [7](#page=7) [8](#page=8). As funções das apoproteínas incluem: * Montagem (assembly) e secreção das lipoproteínas [8](#page=8). * Manutenção da integridade estrutural da lipoproteína [8](#page=8). * Modulação da atividade enzimática [8](#page=8). * Ligação a receptores específicos, permitindo a internalização da lipoproteína ou do seu conteúdo lipídico [8](#page=8). > **Tip:** As apoproteínas são mais do que meros componentes estruturais; são mediadoras ativas das funções das lipoproteínas [8](#page=8). --- # Metabolismo das lipoproteínas O metabolismo das lipoproteínas é um processo complexo que envolve a digestão, absorção, transporte e remoção de lípidos no corpo, principalmente através das vias exógena e endógena, e o transporte reverso do colesterol [16](#page=16) [36](#page=36). ### 2.1 Via exógena do metabolismo das lipoproteínas A via exógena é responsável pelo transporte de lípidos provenientes da dieta, desde o intestino até aos tecidos periféricos e ao fígado [16](#page=16). #### 2.1.1 Digestão e absorção de lípidos da dieta * Os triglicerídeos (TG), colesterol (livre e ésteres) e fosfolípidos da dieta são hidrolisados por lipases no trato digestivo [16](#page=16). * A lipase lingual e a lipase gástrica iniciam a digestão dos TG no estômago [16](#page=16). * No intestino delgado, os sais biliares emulsionam os lípidos, e as lipases pancreáticas, colipase e colesterol esterase completam a digestão dos TG em monoglicerídeos (2-MG) e ácidos gordos (AG). O colesterol é hidrolisado a colesterol livre [16](#page=16) [17](#page=17). * Estes produtos de digestão, juntamente com os sais biliares, formam micelas, que facilitam a absorção pelas células epiteliais intestinais (enterócitos) [17](#page=17) [18](#page=18). > **Tip:** A concentração micelar crítica (CMC) é a concentração de sais biliares acima da qual as micelas se formam de forma estável, situando-se entre 5-15 mM [18](#page=18). #### 2.1.2 Montagem e secreção de quilomicrons * No interior dos enterócitos, os 2-MG e AG são reesterificados para formar TG novamente. O colesterol livre é esterificado pelo colesterol esterase [16](#page=16) [18](#page=18). * A proteína de transferência de TG microssomal (MTP) é crucial para o empacotamento dos TG e ésteres de colesterol com fosfolípidos e a apolipoproteína B-48 (apoB-48) [18](#page=18) [20](#page=20). * A apoB-48 é sintetizada exclusivamente nos enterócitos, através de transcrição e edição do mRNA do gene apoB, resultando numa proteína mais curta (4536 aminoácidos) comparada com a apoB-100 (2152 aminoácidos) produzida no fígado [18](#page=18). * A montagem dos quilomicrons ocorre no retículo endoplasmático rugoso (RER) e complexo de Golgi, onde a apoB-48 se liga aos lípidos, formando partículas "nascentes" [20](#page=20). * Os quilomicrons nascentes são secretados dos enterócitos para a linfa através de exocitose [20](#page=20). * O defeito na MTP leva à abetalipoproteinemia (Síndrome de Bassen-Kornzweig), caracterizada por má absorção de gorduras, esteatorreia, vómitos, défices visuais e neurológicos. Inibidores da MTP têm potencial terapêutico em doenças como a esteatose hepática [20](#page=20) [21](#page=21). > **Exemplo:** A composição de um quilomícron nascente é aproximadamente 80-90% TG, 5-10% fosfolípidos (PPL), 1-3% colesterol livre (C), 1-3% ésteres de colesterol (CE) e 1-2% proteínas, sendo a apoB-48 a principal proteína [19](#page=19). #### 2.1.3 Circulação e catabolismo dos quilomicrons * Os quilomicrons nascentes entram na circulação linfática e, subsequentemente, no sangue [22](#page=22). * Na circulação, os quilomicrons nascentes adquirem apolipoproteínas apoE e apoCII (e apoA) a partir das HDL, tornando-se quilomicrons "maduros" [22](#page=22). * A apoCII é essencial para ativar a enzima lipoproteína lipase (LPL), que está ligada ao endotélio dos capilares em tecidos como o adiposo e muscular [23](#page=23). * A LPL hidrolisa os TG dos quilomicrons maduros em AG e glicerol, permitindo que estes lípidos sejam captados pelos tecidos [23](#page=23). * À medida que os TG são removidos, os quilomicrons encolhem e tornam-se quilomicrons "remanescentes". Estes remanescentes perdem a apoCII e retêm a apoE [23](#page=23). * Os quilomicrons remanescentes, ricos em colesterol, são rapidamente captados pelo fígado através de receptores que reconhecem a apoE [23](#page=23). * No fígado, os quilomicrons são internalizados e degradados nos lisossomas, libertando AG, colesterol e glicerol para reutilização [23](#page=23). ### 2.2 Via endógena do metabolismo das lipoproteínas A via endógena transporta lípidos sintetizados no fígado para os tecidos periféricos [26](#page=26). #### 2.2.1 Síntese e secreção de VLDL * No fígado, os TG são sintetizados a partir de AG e glicerol (derivado da glicose) [24](#page=24). * As proteínas (apoB-100) são sintetizadas no RER [26](#page=26). * Os TG e outros lípidos são empacotados com as apolipoproteínas no complexo de Golgi, formando as VLDL (Very Low-Density Lipoproteins) nascentes [26](#page=26). * A apoB-100 é uma proteína muito maior (4536 aminoácidos) sintetizada no fígado, diferente da apoB-48 dos quilomicrons [18](#page=18). * As VLDL nascentes são transportadas para a membrana celular em vesículas e libertadas para a circulação por exocitose [26](#page=26). > **Exemplo:** A composição das VLDL é aproximadamente 45-55% TG, 15-20% proteínas (principalmente apoB-100), 15-20% fosfolípidos, 8-10% colesterol livre e 3-7% ésteres de colesterol [25](#page=25). #### 2.2.2 Transformação de VLDL em IDL e LDL * No sangue, as VLDL nascentes adquirem apoCII e apoE das HDL [26](#page=26). * A apoCII ativa a LPL, que hidrolisa os TG das VLDL em AG e glicerol, fornecendo energia e substrato para armazenamento nos tecidos [23](#page=23) [27](#page=27). * À medida que os TG são removidos, as VLDL transformam-se em remanescentes de VLDL, que são maioritariamente captados pelo fígado [28](#page=28). * Uma parte dos remanescentes de VLDL não é internalizada pelo fígado e continua a perder TG pela ação da LPL, formando as IDL (Intermediate-Density Lipoproteins) [28](#page=28). * As IDL perdem mais TG e algumas apoE devido à ação da lipase hepática, resultando na formação das LDL (Low-Density Lipoproteins). A apoB-100 é a proteína principal das IDL e LDL [28](#page=28). #### 2.2.3 Catabolismo das LDL * As LDL são ricas em colesterol e são a principal forma de transporte de colesterol para os tecidos periféricos [28](#page=28). * As LDL ligam-se a receptores específicos nas células, os receptores de LDL (LDLR), que reconhecem a apoB-100 [29](#page=29). * Após a ligação, as LDL são internalizadas por endocitose através de vesículas revestidas (coated pits) [29](#page=29). * No interior da célula, as vesículas fundem-se com os endossomas, e as LDL são libertadas para o lisossoma, onde são degradadas. * O colesterol livre libertado da LDL pode ser utilizado pela célula (síntese de membranas, hormonas esteróides, sais biliares) ou esterificado para armazenamento pela enzima ACAT (Acil-CoA:Cholesterol Acyltransferase) [29](#page=29). * Os receptores de LDL na membrana celular são reciclados [29](#page=29). > **Tip:** A expressão dos receptores de LDL não é regulada por um mecanismo de feedback negativo nos macrófagos. Isto leva à internalização contínua de LDL oxidadas, promovendo a formação de células espumosas e o início da aterosclerose [30](#page=30). ### 2.3 Transporte reverso do colesterol O transporte reverso do colesterol (TRC) remove o excesso de colesterol dos tecidos periféricos, incluindo a parede arterial, e transporta-o de volta para o fígado para excreção ou reutilização [32](#page=32). * As HDL (High-Density Lipoproteins) são as principais mediadoras do TRC. As HDL são as lipoproteínas mais pequenas e densas, com uma menor relação lípidos:proteínas. Existem duas subclasses: HDL2 e HDL3. A apoAI é uma proteína chave nas HDL [31](#page=31). * As HDL adquirem colesterol livre dos tecidos periféricos através de transportadores como a ABCA1 (ATP Binding Cassete protein 1) e ABCG1 [32](#page=32). * O colesterol livre nas HDL é esterificado pela enzima LCAT (Lecithin-Cholesterol Acyltransferase), formando ésteres de colesterol. Estes ésteres de colesterol acumulam-se no interior das HDL, tornando-as mais hidrofóbicas e permitindo a sua maturação para HDL2 [31](#page=31) [32](#page=32). * As HDL podem ligar-se a receptores específicos, como o SR-B1 (Scavenger Receptor class B type 1), tanto em tecidos hepáticos como extra-hepáticos [32](#page=32) [33](#page=33). * Através do SR-B1, o colesterol esterificado das HDL é seletivamente transferido para o fígado, onde pode ser excretado na bílis [32](#page=32). * As HDL também interagem com outras lipoproteínas, como as VLDL, através da CETP (Cholesterol Ester Transfer Protein), transferindo ésteres de colesterol das HDL para as VLDL em troca de TG [34](#page=34). ### 2.4 Integração do metabolismo das lipoproteínas O metabolismo das lipoproteínas é um sistema interligado onde as diferentes classes de lipoproteínas (quilomicrons, VLDL, IDL, LDL e HDL) interagem e se transformam umas nas outras para garantir o transporte e a homeostase dos lípidos no organismo [35](#page=35) [36](#page=36). **Acrónimos Utilizados:** * AG: Ácido gordo [17](#page=17). * apo: Apolipoproteína [16](#page=16). * CE: Éster de colesterol [19](#page=19). * C: Colesterol [19](#page=19). * DHAP: Di-hidroxiacetona fosfato [24](#page=24). * HDL: Lipoproteína de alta densidade [22](#page=22). * IDL: Lipoproteína de densidade intermédia [27](#page=27). * LDL: Lipoproteína de baixa densidade [27](#page=27). * LCAT: Lecitina-colesterol aciltransferase [32](#page=32). * LPL: Lipoproteína lipase [23](#page=23). * MTP: Proteína de transferência de triglicerídeos microssomal [18](#page=18). * PPL: Fosfolípidos [19](#page=19). * RER: Retículo endoplasmático rugoso [20](#page=20). * SB: Sais biliares [17](#page=17). * SR-B1: Scavenger Receptor class B type 1 [32](#page=32). * TG: Triglicerídeos [16](#page=16). * TRC: Transporte reverso do colesterol [32](#page=32). * VLDL: Lipoproteína de muito baixa densidade [24](#page=24). --- # Alterações genéticas e doença aterosclerótica As alterações genéticas no metabolismo das lipoproteínas desempenham um papel crucial no desenvolvimento da doença aterosclerótica [15](#page=15). ### 4.1 Introdução ao metabolismo das lipoproteínas As lipoproteínas são complexos macromoleculares responsáveis pelo transporte de lípidos insolúveis no sangue, como colesterol e triglicerídeos. Elas são classificadas com base na sua densidade e são essenciais para diversas funções biológicas, incluindo a manutenção da integridade das membranas celulares e o transporte de precursores de biomoléculas e agentes de sinalização [15](#page=15) [4](#page=4). ### 4.2 Vias do metabolismo das lipoproteínas O metabolismo das lipoproteínas envolve várias vias: * **Via exógena:** Processa os lípidos provenientes da dieta. * **Via endógena:** Metaboliza os lípidos sintetizados pelo fígado. * **Transporte intracelular de colesterol:** Movimentação do colesterol dentro das células. * **Transporte reverso de colesterol:** Processo pelo qual o colesterol é removido dos tecidos periféricos e transportado de volta para o fígado [15](#page=15). ### 4.3 Receptores de lipoproteínas e a aterosclerose #### 4.3.1 O receptor das LDL (LDLR) O receptor das LDL (LDLR) desempenha um papel fundamental na captação de partículas de LDL da circulação sanguínea. A endocitose das LDL envolve a ligação destas partículas ao LDLR, seguida pela formação de vesículas revestidas (clathrin-coated pits) que são internalizadas na célula. Dentro da célula, as LDL são degradadas em lisossomas, libertando colesterol livre e outros componentes. O LDLR pode ser reciclado para a membrana celular [29](#page=29). #### 4.3.2 Receptores scavenger e o desenvolvimento de células espumosas Um aspeto crucial na aterosclerose é o comportamento dos receptores de lipoproteínas, particularmente nos macrófagos. Ao contrário do LDLR, os receptores scavenger (como SR-A1, SR-A2 e SR-B1) nos macrófagos não estão sujeitos a um mecanismo de feedback regulatório. Isto significa que os macrófagos continuam a expressar e internalizar LDL oxidadas, mesmo quando a concentração intracelular de colesterol é elevada. Esta acumulação excessiva de colesterol nos macrófagos leva à formação de células espumosas (foam cells), um evento inicial chave no processo aterosclerótico [30](#page=30). > **Tip:** A desregulação dos receptores scavenger nos macrófagos, que leva à sobrecarga de colesterol e formação de células espumosas, é um mecanismo central na patogénese da aterosclerose. ### 4.4 Definições e acrónimos importantes Para uma compreensão integrada do metabolismo das lipoproteínas, é útil conhecer os seguintes acrónimos e definições [36](#page=36): * **C:** Colesterol * **FA:** Ácido gordo * **MTTP:** Microssomal TG transfer protein * **CM:** Quilomicron * **LPL:** Lipoproteína lipase * **CMR:** Quilomicrons remanescentes * **TG:** Triglicerídeos * **LDLR:** Receptor das LDL * **CETP:** Cholesterol ester transfer protein * **LCAT:** Lecithin-cholesterol acyltransferase * **SR-B1:** Scavenger Receptor class B type 1 > **Tip:** Familiarizar-se com estes acrónimos é essencial para compreender diagramas e discussões sobre o metabolismo das lipoproteínas e doenças cardiovasculares. --- ## Erros comuns a evitar - Revise todos os tópicos cuidadosamente antes dos exames - Preste atenção às fórmulas e definições chave - Pratique com os exemplos fornecidos em cada seção - Não memorize sem entender os conceitos subjacentes

| Termo | Definição | |------|------------| | Lípidos | Substâncias orgânicas insolúveis em água e solúveis em solventes orgânicos, que desempenham diversas funções biológicas como reserva energética, componentes de membranas e sinalização celular. | | Lipoproteínas | Complexos macromoleculares formados por lípidos e proteínas que circulam no plasma sanguíneo, responsáveis pelo transporte de lípidos insolúveis. | | Apoproteínas | Componentes proteicos das lipoproteínas, essenciais para a sua estrutura, estabilidade, função e reconhecimento por receptores celulares. | | Core apolar | Região central das lipoproteínas, composta predominantemente por lípidos apolares como triglicerídeos e ésteres de colesterol. | | Superfície polar | Camada externa das lipoproteínas, constituída por fosfolípidos, colesterol livre e apoproteínas, que interage com o meio aquoso plasmático. | | Quilomicrons | Lipoproteínas de maior diâmetro e menor densidade, sintetizadas no intestino delgado, que transportam triglicerídeos da dieta para os tecidos periféricos. | | VLDL (Lipoproteína de Muito Baixa Densidade) | Lipoproteínas sintetizadas no fígado, ricas em triglicerídeos endógenos, que transportam estes lípidos para os tecidos. | | IDL (Lipoproteína de Densidade Intermédia) | Lipoproteínas formadas a partir da hidrólise dos triglicerídeos das VLDL, precursoras das LDL. | | LDL (Lipoproteína de Baixa Densidade) | Lipoproteínas ricas em colesterol, resultantes da modificação das IDL, que transportam colesterol para os tecidos extra-hepáticos. | | HDL (Lipoproteína de Alta Densidade) | Lipoproteínas que transportam colesterol dos tecidos periféricos de volta para o fígado (transporte reverso do colesterol). | | Via exógena | Rota metabólica que descreve a absorção e o transporte dos lípidos da dieta, principalmente triglicerídeos, através da formação de quilomicrons. | | Via endógena | Rota metabólica que descreve a síntese e o transporte de lípidos endógenos, principalmente triglicerídeos e colesterol, a partir do fígado. | | Transporte reverso do colesterol | Processo pelo qual o colesterol em excesso dos tecidos periféricos é transportado de volta para o fígado para excreção ou reutilização, mediado principalmente pelas HDL. | | Aterosclerose | Doença crónica inflamatória que afeta as artérias, caracterizada pelo acúmulo de placas de gordura (ateromas) nas paredes arteriais, levando ao seu estreitamento. | | Receptor LDLR | Receptor de superfície celular responsável pela internalização de LDL através de endocitose mediada por receptor, desempenhando um papel crucial na regulação dos níveis de colesterol plasmático. | | LPL (Lipase Lipoproteica) | Enzima localizada nas paredes dos capilares, responsável pela hidrólise dos triglicerídeos presentes nos quilomicrons e VLDL, libertando ácidos gordos para os tecidos. | | MTP (Microsomal TG Transfer Protein) | Proteína de transferência de triglicerídeos microssomal, essencial para a montagem e secreção de lipoproteínas contendo apoB (quilomicrons e VLDL) no fígado e intestino. | | Esteatose hepática | Acúmulo excessivo de gordura (triglicerídeos) nos hepatócitos, uma condição comum associada a várias doenças metabólicas e hepáticas. |

# De chemie van het leven: water en koolstof als fundamentele bouwstenen Dit onderwerp verkent de essentiële rol van water en koolstof in het leven, met de nadruk op de unieke eigenschappen van water die leven ondersteunen en de veelzijdigheid van koolstof die de complexiteit van organische moleculen mogelijk maakt. ### 1.1 Water: de vloeistof van het leven Het leven op aarde ontstond en evolueerde in water gedurende minstens 3 miljard jaar. Zelfs terrestrische cellen bestaan voor 70-95% uit water. Een watermolecule bestaat uit één zuurstofatoom (O) en twee waterstofatomen (H). De polaire covalente bindingen tussen O en H zorgen voor een onevenredige verdeling van lading: een negatieve lading bij het zuurstofatoom en een positieve lading bij de waterstofatomen. Deze tegengestelde ladingen maken waterstofbruggen mogelijk tussen watermoleculen onderling en met andere polaire moleculen. Deze waterstofbruggen zijn verantwoordelijk voor de unieke eigenschappen van water die leven ondersteunen [2](#page=2). #### 1.1.1 Vier emergente eigenschappen maken water geschikt om leven te ondersteunen **1. Cohesiekracht** [2](#page=2). * Waterstofbruggen zijn relatief zwakke bindingen, maar omdat ze in vloeibaar water continu gevormd en verbroken worden, hebben ze op elk moment een aanzienlijke impact [2](#page=2). * De H-bruggen zorgen ervoor dat watermoleculen kortstondig aan elkaar 'kleven', wat leidt tot een grotere cohesie [2](#page=2). * Een gevolg hiervan is een grote oppervlaktespanning, die door organismen zoals de Gerrande oeverspin wordt benut om op water te lopen [2](#page=2) [4](#page=4). * H-bruggen tussen water en andere moleculen resulteren ook in een grote adhesiekracht [2](#page=2). **2. Temperatuurbuffering** [3](#page=3). * Water heeft een hoge soortelijke warmte ($c$), wat betekent dat er veel energie nodig is om de temperatuur te verhogen. Bijvoorbeeld, er is 4184 J nodig om 1 kg water met 1°C op te warmen [3](#page=3). * De toegevoegde energie wordt eerst gebruikt om H-bruggen te breken in plaats van de moleculaire beweging te versnellen [3](#page=3). * Hierdoor warmt water langzamer op en koelt het langzamer af dan de meeste andere stoffen, waardoor watermassa's als temperatuurbuffers fungeren. Dit leidt tot mildere temperaturen met minder schommelingen in kustgebieden en stabiliseert ook de oceaantemperaturen [3](#page=3). * Ook de lichaamstemperatuur van organismen, die grotendeels uit water bestaan, blijft hierdoor gemakkelijker stabiel [3](#page=3). **3. IJs drijft** [3](#page=3) [4](#page=4). * In ijs zijn alle watermoleculen verbonden door H-bruggen, waardoor ze verder uit elkaar gehouden worden dan in vloeibare toestand. Hierdoor heeft ijs een lagere dichtheid (ongeveer 10% lager) dan vloeibaar water en drijft het [3](#page=3). * Als ijs zou zinken, zouden oceanen en meren volledig kunnen bevriezen, wat de ontwikkeling van aquatisch leven onmogelijk zou maken [4](#page=4). * Drijvend ijs fungeert als een isolerende laag, waardoor leven onder het ijs mogelijk blijft. Deze eigenschap was mogelijk cruciaal tijdens ijstijden zoals de "Snowball Earth" ] [4](#page=4). **4. Veelzijdig oplosmiddel (solvent)** [4](#page=4). * Door het polaire karakter van watermoleculen kan water een breed scala aan moleculen oplossen, waaronder veel zouten, ionen, koolhydraten, nucleïnezuren en de meeste proteïnen [4](#page=4). * Moleculen die goed oplossen in water worden hydrofiel genoemd; dit zijn polaire moleculen of moleculen met polaire delen die H-bruggen kunnen vormen [4](#page=4). * Moleculen die niet goed oplossen in water worden hydrofoob genoemd; dit zijn meestal apolaire en niet-ionische moleculen die geen H-bruggen kunnen vormen [4](#page=4). * [Example:] Lysozyme, een antibacterieel proteïne, lost goed op in water omdat de ionische en polaire regio's aan het oppervlak de watermoleculen aantrekken [4](#page=4). * **Tip:** De zoektocht naar buitenaards leven richt zich sterk op de beschikbaarheid van vloeibaar water, gezien de cruciale rol ervan voor het leven zoals wij dat kennen. Er is bewijs voor vloeibaar water op exoplaneten en mogelijk op Mars en manen van Jupiter en Saturnus [5](#page=5). ### 1.2 Koolstof en de moleculaire diversiteit van het leven Cellen bestaan voor een groot deel uit water, maar het resterende deel bestaat uit organische moleculen. Organische moleculen zijn moleculen die naast andere elementen koolstof (C) bevatten. De studie hiervan heet organische chemie. Organische moleculen variëren van klein en eenvoudig (bijvoorbeeld methaan: $CH_4$) tot zeer complex, zoals macromoleculen zoals proteïnen en DNA. Naast koolstof bevatten veel organische moleculen ook waterstof (H), zuurstof (O), stikstof (N), zwavel (S) en fosfor (P) ] [7](#page=7). #### 1.2.1 Variatie in koolstofketens ondersteunt moleculaire diversiteit Koolstofketens in organische moleculen kunnen op vier algemene wijzen variëren ] [7](#page=7) [8](#page=8): 1. **Lengte:** Koolstofketens kunnen variëren in het aantal koolstofatomen [7](#page=7). 2. **Vertakkingen:** Koolstofatomen kunnen aan elkaar gebonden zijn in vertakte structuren [7](#page=7). 3. **Dubbele bindingen:** De aanwezigheid en positie van dubbele covalente bindingen ($C=C$) tussen koolstofatomen [7](#page=7). 4. **Lineair vs. cyclisch:** Koolstofketens kunnen lineair of cyclisch zijn [7](#page=7). #### 1.2.2 Isomeren * Isomeren zijn moleculen met dezelfde atoomsamenstelling maar met verschillende structuren. Dit draagt bij aan de moleculaire diversiteit [8](#page=8). * **Cis-trans isomeren (geometrische isomeren):** Verschillen in de ruimtelijke rangschikking van atomen of atoomgroepen rond een dubbele binding of ringstructuur [8](#page=8). * **Enantiomeren:** Isomeren die elkaars spiegelbeeld zijn [8](#page=8). * [Example:] Ibuprofen wordt verkocht als een mengsel van twee enantiomeren; de S-vorm is significant effectiever dan de R-vorm [8](#page=8). #### 1.2.3 Chemische zijgroepen spelen een belangrijke rol in biologische functies * De specifieke eigenschappen van een organische molecule worden bepaald door zowel de koolstofketen als de chemische zijgroepen die eraan verbonden zijn [8](#page=8). * Zijgroepen die direct betrokken zijn bij chemische reacties van de molecule worden functionele groepen genoemd [8](#page=8). Zeven biologisch belangrijke zijgroepen zijn [8](#page=8): * Hydroxyl-groep: –OH * Carbonylgroep: C=O * Carboxylgroep: –COOH (ook wel carbonzuur genoemd) * Aminogroep: –NH2 * Thiolgroep (sulfhydrylgroep): –SH * Fosfaatgroep: –OPO3^2- * Methylgroep: –CH3 --- # De vier klassen van macromoleculen en hun biologische functies Dit gedeelte behandelt de vier belangrijkste klassen van organische moleculen die leven ondersteunen: koolhydraten, lipiden, proteïnen en nucleïnezuren, inclusief hun structuur, synthese, afbraak en specifieke functies [9](#page=9). ### 2.1 Macromoleculen: polymeren en hun opbouw Macromoleculen zijn zeer grote moleculen die essentieel zijn voor het leven. Drie van de vier belangrijkste molecuulklassen zijn macromoleculen en specifiek polymeren: koolhydraten, proteïnen en nucleïnezuren. Polymeren bestaan uit ketens van kleinere, vergelijkbare moleculen genaamd monomeren, die covalent aan elkaar zijn gebonden. Deze polymerisatie stelt organismen in staat om met een beperkt aantal bouwstenen een enorme diversiteit aan macromoleculen te creëren [10](#page=10) [9](#page=9). #### 2.1.1 Synthese en afbraak van polymeren De synthese van polymeren, ook wel polymerisatie genoemd, vindt plaats via condensatiereacties waarbij een kleine molecule wordt afgescheiden. Bij koolhydraten en proteïnen wordt water afgescheiden, wat resulteert in een dehydratatiereactie. De afbraak van deze polymeren tot hun monomeren vereist water en wordt hydrolyse genoemd. Dit proces is cruciaal bij de vertering van voedsel in het spijsverteringsstelsel [10](#page=10). #### 2.1.2 Energie molecule: ATP Adenosinetrifosfaat (ATP) is een fundamentele energiemolecule voor cellulaire processen. Het bestaat uit een keten van drie fosfaatgroepen. Wanneer ATP reageert met water, verliest het een fosfaatgroep (defosforylering), waardoor adenosinedifosfaat (ADP) ontstaat en energie vrijkomt die door de cel gebruikt kan worden. ADP kan vervolgens door fosforylering, zoals tijdens cellulaire respiratie, worden gerecycleerd tot nieuw ATP [9](#page=9). ### 2.2 Koolhydraten Koolhydraten omvatten suikers (monosacchariden en disacchariden) en hun polymeren (polysacchariden) [10](#page=10). #### 2.2.1 Monosacchariden Monosacchariden zijn de eenvoudigste suikers met molecuulformules die een veelvoud van $CH_2O$ zijn. Voorbeelden zijn glyceraldehyde ($C_3H_6O_3$) en glucose of galactose ($C_6H_{12}O_6$). Namen van suikers eindigen vaak op "-ose". Structurele variaties komen voor door de locatie van de carbonylgroep (aldose of ketose), het aantal koolstofatomen (bv. trioses, hexoses), en verschillen in de positie van de hydroxylzijgroep op asymmetrische koolstofatomen, wat leidt tot isomeren zoals glucose en galactose. In waterige oplossingen bestaat er een chemisch evenwicht tussen lineaire en cyclische (ring) vormen van suikers, waarbij de cyclische vormen stabieler zijn onder fysiologische omstandigheden. Monosacchariden, met name glucose, dienen als belangrijke brandstofmoleculen voor cellen en kunnen ook als bouwstenen voor andere moleculen dienen. Glucose kan voorkomen in twee isomerische cyclische vormen: $\alpha$-glucose en $\beta$-glucose, die via een lineair intermediair in elkaar kunnen overgaan [10](#page=10) [11](#page=11) [13](#page=13). #### 2.2.2 Disacchariden Disacchariden bestaan uit twee monosacchariden die covalent zijn verbonden via een glycosidische binding, gevormd door een dehydratatiereactie. Voorbeelden zijn sucrose (tafelsuiker), maltose (gebruikt bij bierbrouwerij) en lactose (glucose + galactose, de belangrijkste suiker in melk) [12](#page=12). #### 2.2.3 Polysacchariden Polysacchariden zijn lange ketens die honderden tot duizenden monosacchariden bevatten. Ze hebben twee hoofdfuncties [12](#page=12): 1. **Energieopslag:** Suikers kunnen worden gehydrolyseerd wanneer nodig. Voorbeelden zijn glycogeen in dier- en funguscellen, en zetmeel in plantencellen. Zetmeel kan bestaan uit amylose (onvertakt) en amylopectine (vertakt), terwijl glycogeen sterk vertakt is [12](#page=12). 2. **Bouwmateriaal:** Voor de versterking van cellen of organismen. Voorbeelden zijn chitine in celwanden van fungi en exoskeletten van arthropoden, en cellulose in celwanden van planten. Chitine is het meest voorkomende aminopolysaccharide en vormt het exoskelet van geleedpotigen en de celwand van fungi [12](#page=12) [13](#page=13). ### 2.3 Lipiden Lipiden zijn een diverse groep hydrofobe moleculen die geen polymeren zijn, maar wel relatief groot en opgebouwd door dehydratiereacties. Er zijn drie belangrijke klassen: vetten, fosfolipiden en steroïden [14](#page=14). #### 2.3.1 Vetten Vetten bestaan uit een glycerolmolecuul dat is verbonden met drie vetzuren via dehydratatiereacties en de vorming van esterbindingen. Hun belangrijkste functies zijn [14](#page=14): * **Energieopslag:** Efficiënter dan polysacchariden, waarbij 1 gram vet tweemaal zoveel energie levert als 1 gram zetmeel. Opslag vindt plaats in vetcellen [14](#page=14). * **Isolatie en bescherming:** Vetlagen isoleren en beschermen organen, zoals de speklaag bij zoogdieren [14](#page=14). #### 2.3.2 Fosfolipiden Fosfolipiden zijn de hoofdbestanddelen van celmembranen, die een fosfolipide-dubblaag vormen. Ze bestaan uit glycerol verbonden aan twee vetzuren en een fosfaatgroep, waaraan een polaire zijgroep is gekoppeld. Deze structuur resulteert in een hydrofiele "kop" en twee hydrofobe "staarten", waardoor ze een hydrofobe barrière kunnen vormen tussen twee waterige milieus. Fosfatidylcholine is een voorbeeld van een fosfolipide [14](#page=14). #### 2.3.3 Steroïden Steroïden kenmerken zich door een koolstofskelet met vier ringen, waarbij variatie ontstaat door verschillende zijgroepen. Cholesterol is een bekend steroïde en een belangrijk component van dierlijke celmembranen. Het dient als precursor voor de synthese van andere steroïden, zoals geslachtshormonen [15](#page=15). ### 2.4 Proteïnen Proteïnen zijn de meest veelzijdige macromoleculen en spelen een rol in de meeste biologische functies. Ze zijn samengesteld uit 20 verschillende aminozuren die als monomeren covalent verbonden zijn door peptidebindingen tot polypeptiden [15](#page=15). #### 2.4.1 Amino zuren Een aminozuur is een organische molecule met een $\alpha$-koolstofatoom dat is gebonden aan een waterstofatoom, een amino-groep, een carboxyl-groep, en een R-groep (zijketen) die uniek is voor elk van de 20 aminozuren. De R-groepen kunnen variëren in polariteit en lading, wat leidt tot verschillende categorieën aminozuren [15](#page=15) [16](#page=16). #### 2.4.2 Structuur niveaus van proteïnen De functie van een proteïne is afhankelijk van zijn driedimensionale (3D) structuur, die ontstaat door de vouwing van polypeptideketens. Er worden vier structurele niveaus onderscheiden [15](#page=15): 1. **Primaire structuur:** De lineaire sequentie van aminozuren in een polypeptideketen. Bijvoorbeeld, transthyretine bestaat uit vier identieke polypeptid-ketens met elk 127 aminozuren [17](#page=17). 2. **Secundaire structuur:** Ontstaat door waterstofbruggen tussen atomen van de hoofdketen, wat leidt tot repetitieve 3D-structuren zoals de $\alpha$-helix en $\beta$-sheet [17](#page=17). 3. **Tertiaire structuur:** De 3D-structuur van een enkel polypeptide, gevormd door interacties tussen R-groepen van verschillende aminozuren, zoals waterstofbruggen, ionische bindingen en disulfidebruggen [17](#page=17). 4. **Quaternaire structuur:** De totale 3D-vorm die ontstaat wanneer een proteïne uit meerdere polypeptiden bestaat en deze polypeptiden (subunits) aan elkaar binden. Transthyretine is een voorbeeld dat uit vier identieke polypeptiden bestaat [18](#page=18). #### 2.4.3 Functies van proteïnen Proteïnen voeren duizenden verschillende functies uit in organismen [18](#page=18) [19](#page=19): 1. **Enzymen:** Katalyseren chemische reacties [18](#page=18) [19](#page=19). 2. **Verdedigingsproteïnen:** Bieden bescherming tegen ziekten [18](#page=18) [19](#page=19). 3. **Opslagproteïnen:** Dienen als opslag voor aminozuren [18](#page=18) [19](#page=19). 4. **Transportproteïnen:** Dragen stoffen of faciliteren hun passage over barrières [18](#page=18) [19](#page=19). 5. **Hormonen:** Reguleren fysiologische processen [18](#page=18) [19](#page=19). 6. **Receptoren:** Reageren op bindingen en geven signalen door [18](#page=18) [19](#page=19). 7. **Contractie- en motorproteïnen:** Zorgen voor beweging van celcomponenten [18](#page=18) [19](#page=19). 8. **Structurele proteïnen:** Dragen bij aan de structuur en stevigheid van cellen en weefsels [18](#page=18) [19](#page=19). Slangengif is een complex mengsel van proteïnen, waaronder enzymen, toxines en transporteiwitten [19](#page=19). ### 2.5 Nucleïnezuren Nucleïnezuren zijn polymeren die bestaan in twee vormen: desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonu-cleïnezuur (RNA). Ze dienen als dragers van genetische informatie [20](#page=20). #### 2.5.1 Monomeren: nucleotiden Nucleïnezuren zijn polymeren van nucleotiden. Elk nucleotide bestaat uit drie componenten [20](#page=20): 1. Een pentose monosaccharide: desoxyribose (in DNA) of ribose (in RNA) [20](#page=20). 2. Een stikstofhoudende organische base (nucleobase). Er zijn twee typen nucleobasen [20](#page=20): * **Pyrimidines:** Cytosine (C), Thymine (T), Uracil (U) [20](#page=20). * **Purines:** Adenine (A), Guanine (G) [20](#page=20). DNA bevat A, C, G en T, terwijl RNA A, C, G en U bevat [20](#page=20). 3. Eén tot drie fosfaatgroepen [20](#page=20). Een nucleobase gebonden aan een pentose wordt een nucleoside genoemd, en een nucleoside met één tot drie fosfaten is een nucleotide [20](#page=20). #### 2.5.2 Synthese van nucleïnezuren Bij polymerisatie verliest elk nucleotide twee van zijn drie fosfaatgroepen. Het overgebleven fosfaat wordt gekoppeld aan het 3'-koolstofatoom van de pentose van het voorgaande nucleotide, wat resulteert in een suiker-fosfaat hoofdketen. Dit proces is een condensatiereactie waarbij fosfaten worden afgesplitst. De suiker-fosfaat hoofdketen heeft een directionaliteit met een 5'-uiteinde (met 5'-koolstof en fosfaat) en een 3'-uiteinde (met 3'-koolstof en hydroxylgroep) [21](#page=21). #### 2.5.3 Structuur van DNA DNA is dubbelstrengig, waarbij twee polypeptiden rond een centrale as een dubbele helix vormen. De suiker-fosfaat hoofdketens zijn antiparallel (5' naar 3' en 3' naar 5'). Basen paren aan de binnenkant van de helix via waterstofbruggen: Adenine paart altijd met Thymine (2 H-bruggen), en Cytosine paart altijd met Guanine (3 H-bruggen). Dit resulteert in complementaire nucleotide-sequenties [21](#page=21). #### 2.5.4 Structuur van RNA RNA is enkelstrengig. Complementaire baseparing kan voorkomen tussen segmenten binnen een RNA-molecuul of tussen verschillende RNA-moleculen, wat leidt tot 3D-structuren, zoals bij rRNA dat een rol speelt bij eiwitsynthese. In RNA paart Adenine altijd met Uracil, en Cytosine met Guanine [21](#page=21). #### 2.5.5 Genexpressie De sequentie van aminozuren in proteïnen wordt bepaald door de sequentie van nucleotiden in genen. Genexpressie omvat twee stappen [20](#page=20): 1. **Transcriptie:** De nucleotide-sequentie van een gen (DNA) wordt overgeschreven naar een RNA-molecuul (mRNA) [20](#page=20). 2. **Translatie:** De nucleotide-sequentie van mRNA wordt door ribosomen vertaald naar een aminozuursequentie, wat resulteert in de aanmaak van een polypeptide [20](#page=20). RNA-moleculen die niet tot eiwitten worden vertaald, zoals rRNA, hebben zelf functies. Elk proteïne in een organisme heeft een corresponderend gen [20](#page=20). --- # Structuur en functie van proteïnen en nucleïnezuren Dit onderwerp behandelt de structuur en functie van proteïnen en nucleïnezuren, twee fundamentele macromoleculen in biologische systemen. ## 3. Structuur en functie van proteïnen en nucleïnezuren Proteïnen zijn de meest veelzijdige macromoleculen en spelen een rol in de meeste biologische functies. Ze zijn opgebouwd uit 20 verschillende aminozuren die als monomeren aaneengeschakeld worden tot polypeptiden via peptidebindingen. De functie van een proteïne is sterk afhankelijk van zijn driedimensionale (3D) structuur, die wordt bepaald door de aminozuursequentie en specifieke vouwingen [15](#page=15) [16](#page=16). ### 3.1 Structurele niveaus van proteïnen Er worden vier verschillende structurele niveaus onderscheiden in proteïnen: #### 3.1.1 Primaire structuur De primaire structuur is de lineaire sequentie van aminozuren in een polypeptideketen. Deze sequentie wordt bepaald door de nucleotide-sequentie in genen [17](#page=17) [20](#page=20). #### 3.1.2 Secundaire structuur De secundaire structuur ontstaat door waterstofbruggen tussen atomen van de hoofdketen van het polypeptide, wat leidt tot repetitieve 3D-structuren zoals de $\alpha$-helix en $\beta$-sheet [17](#page=17). #### 3.1.3 Tertiaire structuur De tertiaire structuur is de totale 3D-vorm die een polypeptide aanneemt door specifieke vouwingen, gestimuleerd door interacties tussen de zijketens (R-groepen) van verschillende aminozuren. Deze interacties omvatten waterstofbruggen, ionische bindingen en covalente disulfidebruggen [17](#page=17). #### 3.1.4 Quaternaire structuur Indien een proteïne uit meer dan één polypeptideketen bestaat, is de quaternaire structuur de totale 3D-vorm die ontstaat wanneer deze polypeptiden (ook wel subunits genoemd) aan elkaar binden [18](#page=18). ### 3.2 Functies van proteïnen Proteïnen voeren duizenden verschillende functies uit in organismen. Enkele algemene functies zijn [18](#page=18) [19](#page=19): 1. **Enzymen:** katalyseren chemische reacties [18](#page=18) [19](#page=19). 2. **Verdedigingsproteïnen:** bieden bescherming tegen ziekten [18](#page=18) [19](#page=19). 3. **Opslagproteïnen:** dienen als opslag voor aminozuren [18](#page=18) [19](#page=19). 4. **Transportproteïnen:** transporteren stoffen of faciliteren hun passage over barrières [18](#page=18) [19](#page=19). 5. **Hormonen:** reguleren fysiologische processen [18](#page=18) [19](#page=19). 6. **Receptoren:** reageren op bindingen en geven signalen door [18](#page=18) [19](#page=19). 7. **Contractie- en motorproteïnen:** zorgen voor beweging van celonderdelen [18](#page=18) [19](#page=19). 8. **Structurele proteïnen:** dragen bij aan de structuur en stevigheid van cellen en weefsels [18](#page=18) [19](#page=19). Voorbeeld: Het gif van slangen, zoals de bosmeester, is een cocktail van proteïnen, waaronder enzymen, toxines die receptoren saboteren, en transporteiwitten. Deze worden gecodeerd door genen in het DNA van de slang [19](#page=19). ### 3.3 Nucleïnezuren Nucleïnezuren zijn polymeren die voorkomen in twee vormen: desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA) [20](#page=20). #### 3.3.1 Componenten van nucleïnezuren Nucleïnezuren zijn polymeren van polynucleotiden, waarvan de monomeren nucleotiden zijn. Elk nucleotide bestaat uit drie componenten [20](#page=20): 1. Een pentose monosaccharide: desoxyribose (in DNA) of ribose (in RNA). 2. Een organische base (nucleobase) gebonden aan het 1' koolstofatoom van de pentose: * **Pyrimidines (één ring):** Cytosine (C), Thymine (T) (in DNA), Uracil (U) (in RNA). * **Purines (twee ringen):** Adenine (A), Guanine (G). 3. Eén tot drie fosfaatgroepen gebonden aan het 5' koolstofatoom van de pentose [20](#page=20). DNA bevat A, C, G, en T met desoxyribose. RNA bevat A, C, G, en U met ribose. Een nucleobase gekoppeld aan een pentose vormt een nucleoside; een nucleoside met één tot drie fosfaten is een nucleotide [20](#page=20). #### 3.3.2 Structuur van polynucleotiden Bij polymerisatie verliezen nucleotiden twee fosfaatgroepen. Het resterende fosfaat vormt een binding met het 3' koolstofatoom van de pentose van het vorige nucleotide, wat een suiker-fosfaat hoofdketen creëert met de nucleobasen als zijketens. Deze hoofdketen heeft directionaliteit met een 5'-uiteinde (met een 5' koolstof en fosfaat) en een 3'-uiteinde (met een 3' koolstof en hydroxylgroep) [21](#page=21). #### 3.3.3 DNA structuur DNA is dubbelstrengig, waarbij twee polynuceotiden rond een centrale as gewonden zijn tot een dubbele helix. De suiker-fosfaat hoofdketens zijn antiparallel (5' naar 3' en 3' naar 5'). De basen paren aan de binnenkant van de helix via 2 of 3 waterstofbruggen [21](#page=21): * Adenine (A) paart altijd met Thymine (T) (2 H-bruggen). * Cytosine (C) paart altijd met Guanine (G) (3 H-bruggen). Hierdoor zijn de nucleotide-sequenties van de twee strengen complementair [21](#page=21). #### 3.3.4 RNA structuur RNA is enkelstrengig. Complementaire baseparing kan plaatsvinden binnen hetzelfde RNA-molecuul of tussen verschillende RNA-moleculen, wat resulteert in 3D-structuren (bijvoorbeeld in rRNA) die cruciaal zijn voor hun functie [21](#page=21). * Adenine (A) paart altijd met Uracil (U). * Cytosine (C) paart altijd met Guanine (G) [21](#page=21). ### 3.4 Genexpressie Genexpressie is het proces waarbij de nucleotide-sequentie van een gen (een functioneel segment van DNA) wordt gebruikt om een proteïne aan te maken. Dit gebeurt in twee stappen [20](#page=20): 1. **Transcriptie:** De DNA-sequentie van een gen wordt overgeschreven naar een messenger RNA (mRNA) molecuul [20](#page=20). 2. **Translatie:** De nucleotide-sequentie van het mRNA wordt door ribosomen vertaald naar een aminozuursequentie, resulterend in een polypeptide [20](#page=20). RNA-moleculen die niet worden vertaald naar proteïnen, zoals ribosomaal RNA (rRNA), hebben andere functies, bijvoorbeeld als onderdeel van enzymen. Elk proteïne heeft een corresponderend gen in het DNA [20](#page=20). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Waterstofbrug | Een zwakke aantrekkingskracht tussen een waterstofatoom dat gebonden is aan een sterk elektronegatief atoom (zoals zuurstof of stikstof) en een ander sterk elektronegatief atoom in een naburige molecule. Dit is cruciaal voor de unieke eigenschappen van water. | | Soortelijke warmte | De hoeveelheid warmte-energie die nodig is om de temperatuur van één kilogram van een stof met één graad Celsius (of Kelvin) te verhogen. Water heeft een hoge soortelijke warmte, wat helpt bij temperatuurregulatie. | | Dichtheid | De massa per volume-eenheid van een stof. De lagere dichtheid van ijs vergeleken met vloeibaar water zorgt ervoor dat het drijft, wat essentieel is voor aquatisch leven in koude klimaten. | | Oplosmiddel | Een substantie die in staat is om andere stoffen (soluten) op te lossen om een oplossing te vormen. Water is een veelzijdig oplosmiddel vanwege zijn polaire aard en het vermogen om waterstofbruggen te vormen. | | Hydrofiel | Een molecuul of deel van een molecuul dat de neiging heeft om water aan te trekken of erin op te lossen. Hydrofiele stoffen zijn meestal polair of ionisch en kunnen waterstofbruggen vormen. | | Hydrofoob | Een molecuul of deel van een molecuul dat water afstoot. Hydrofobe stoffen zijn meestal apolair en kunnen geen waterstofbruggen vormen, waardoor ze slecht oplossen in water. | | Organische moleculen | Moleculen die koolstofatomen bevatten, vaak gebonden aan waterstof, zuurstof, stikstof en andere elementen. Dit vormt de basis van het leven zoals wij dat kennen. | | Koolstofketen | Een reeks koolstofatomen die covalent aan elkaar zijn gebonden, vormend de ruggengraat van organische moleculen. Deze ketens kunnen variëren in lengte, vertakkingen en cyclische structuren. | | Isomeren | Moleculen met dezelfde molecuulformule maar met een verschillende rangschikking van atomen, wat leidt tot verschillende structuren en eigenschappen. | | Zijgroep (functionele groep) | Een specifieke groep atomen binnen een molecuul die kenmerkende chemische eigenschappen bepaalt en reageert op een voorspelbare manier. | | Macromoleculen | Zeer grote moleculen, vaak polymeren, die essentieel zijn voor biologische functies. Voorbeelden zijn koolhydraten, lipiden, proteïnen en nucleïnezuren. | | Polymeer | Een grote molecule opgebouwd uit herhalende kleinere eenheden (monomeren) die covalent aan elkaar gebonden zijn. | | Monomeer | De kleine, herhalende moleculaire eenheid die de bouwsteen vormt van een polymeer. | | Dehydratatiereactie (condensatiereactie) | Een chemische reactie waarbij twee moleculen worden gekoppeld met de afsplitsing van een watermolecule (of een ander klein molecuul in het geval van condensatiereacties in het algemeen). | | Hydrolyse | Een chemische reactie waarbij water wordt gebruikt om een chemische binding te verbreken, vaak gebruikt bij de afbraak van polymeren tot monomeren. | | Monosaccharide | Een enkelvoudige suiker, de monomeer eenheid van koolhydraten. Voorbeelden zijn glucose en fructose. | | Polysaccharide | Een complex koolhydraat dat is opgebouwd uit vele monosaccharide-eenheden die covalent aan elkaar zijn gebonden. Voorbeelden zijn zetmeel, glycogeen en cellulose. | | Glycosidebinding | De covalente binding die twee monosacchariden of een monosaccharide met een andere molecule verbindt, gevormd door een dehydratatiereactie. | | Lipiden | Een diverse groep hydrofobe organische moleculen die vetten, fosfolipiden en steroïden omvatten en belangrijk zijn voor energieopslag, celmembranen en signalering. | | Fosfolipiden | Lipiden die een fosfaatgroep bevatten, essentieel voor de vorming van celmembranen vanwege hun hydrofiele kop en hydrofobe staarten. | | Steroïden | Een klasse van lipiden met een karakteristieke structuur van vier samengesmolten koolstofringen, waaronder cholesterol en hormonen. | | Proteïnen | Complexe macromoleculen opgebouwd uit aminozuur-monomeren, die een breed scala aan biologische functies uitvoeren. | | Aminozuur | De monomeer eenheid van proteïnen, gekenmerkt door een centraal koolstofatoom, een amino-groep, een carboxyl-groep en een variabele R-groep. | | Polypeptide | Een polymeer van aminozuren dat door peptidebindingen aan elkaar is gekoppeld. Een proteïne kan bestaan uit één of meerdere polypeptiden. | | Peptidebinding | De covalente binding die de carboxyl-groep van het ene aminozuur verbindt met de amino-groep van het volgende aminozuur in een polypeptideketen. | | Primaire structuur | De lineaire sequentie van aminozuren in een polypeptideketen. | | Secundaire structuur | Lokale 3D-structuren binnen een polypeptide, zoals alfa-helixen en bètavelletjes, gevormd door waterstofbruggen in de hoofdketen. | | Tertiaire structuur | De algehele driedimensionale vorm van een enkel polypeptide, bepaald door interacties tussen de R-groepen van de aminozuren. | | Quaternaire structuur | De 3D-structuur die ontstaat wanneer meerdere polypeptideketens (subunits) samenkomen om een functioneel proteïne te vormen. | | Nucleïnezuren | Polymeren van nucleotiden, waaronder DNA en RNA, die genetische informatie opslaan en overdragen. | | Nucleotide | De monomeer eenheid van nucleïnezuren, bestaande uit een pentosesuiker, een fosfaatgroep en een stikstofhoudende base. | | DNA (Desoxyribonucleïnezuur) | Een dubbelstrengig polymeer van nucleotiden dat de genetische instructies voor de ontwikkeling en werking van levende organismen bevat. | | RNA (Ribonucleïnezuur) | Een enkelstrengig polymeer van nucleotiden dat betrokken is bij eiwitsynthese, genregulatie en andere cellulaire processen. | | Genexpressie | Het proces waarbij de informatie in een gen wordt gebruikt om een functioneel product te maken, meestal een proteïne. Dit omvat transcriptie en translatie. | | Transcriptie | Het proces waarbij een DNA-sequentie wordt overgeschreven naar een complementaire RNA-sequentie. | | Translatie | Het proces waarbij de sequentie van nucleotiden in mRNA wordt "vertaald" naar een specifieke aminozuursequentie van een proteïne. | | Suiker-fosfaat hoofdketen | De ruggengraat van een nucleïnezuurpolymeer, bestaande uit afwisselende suiker- (ribose of desoxyribose) en fosfaatgroepen. | | Antiparallel | Verwijst naar de tegengestelde oriëntatie van twee strengen in een dubbelstrengige nucleïnezuur (zoals DNA), waarbij de ene streng loopt van 5' naar 3' en de andere van 3' naar 5'. | | Complementair | Verwijst naar de specifieke baseparing tussen nucleotiden in DNA en RNA (A met T/U, C met G), waarbij de sequenties van twee strengen elkaar aanvullen. |

# Metabolisme en energieomzetting in cellen Dit onderwerp behandelt de algemene processen van katabolisme en biosynthese, met een focus op de fasen van afbraak en opbouw van moleculen en de rol van acetyl-CoA. ### 1.1 Algemene principes van metabolisme Metabolisme omvat de georganiseerde chemische reacties in een cel. Het wordt onderverdeeld in katabolisme (afbraak) en biosynthese (opbouw). Enzymen katalyseren deze reacties, vaak met de hulp van cofactoren. Substraten binden aan het actieve centrum van een enzym, vormen een enzym-substraatcomplex (ES-complex), en worden vervolgens omgezet in product [1](#page=1). ### 1.2 Katabolisme in fasen Katabolisme verloopt in drie fasen [1](#page=1). * **Fase 1:** Grote voedselmoleculen worden afgebroken tot hun monomeren. Polysachariden worden afgebroken tot hexosen en pentosen, lipiden tot glycerol en vetzuren, en proteïnen tot aminozuren [1](#page=1). * **Fase 2:** Deze bouwstenen worden verder afgebroken tot kleinere moleculen, met name acetyl-CoA [1](#page=1). * **Fase 3:** De acetylgroepen uit acetyl-CoA worden geoxideerd tot koolstofdioxide (CO$_{2}$). Hierbij wordt zuurstof (O$_{2}$) gereduceerd tot water (H$_{2}$O) en komt energie vrij in de vorm van ATP [1](#page=1). ### 1.3 Biosynthese in fasen Biosynthese verloopt eveneens in drie fasen, welke de omgekeerde weg bewandelen van katabolisme. Kleine voorlopermoleculen uit fase 3 worden in fase 2 omgezet tot bouwstenen, die vervolgens in fase 1 worden samengevoegd tot macromoleculen [1](#page=1). ### 1.4 Koolstofassimilatie en synthese Fotosynthese is een proces waarbij koolstofdioxide (CO$_{2}$) en water (H$_{2}$O) worden omgezet in glucose en zuurstof (O$_{2}$) met behulp van lichtenergie. De zuurstof die hierbij vrijkomt, is afkomstig van water, niet van CO$_{2}$. De algemene reactievergelijking voor fotosynthese is [1](#page=1): $$6 \text{ CO}_2 + 12 \text{ H}_2\text{O} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{ O}_2 + 6 \text{ H}_2\text{O}$$ #### 1.4.1 Licht- en donkerreactie in chloroplasten Fotosynthese bestaat uit twee hoofdtypen reacties: * **Lichtreactie:** Vindt plaats in de thylakoïden en splitst water. Hierbij worden ATP en NADPH gevormd [1](#page=1). * **Donkerreactie (Calvincyclus):** Vindt plaats in het stroma en gebruikt de energie van ATP en NADPH om CO$_{2}$ te reduceren tot suiker [1](#page=1). #### 1.4.2 Fotosynthese bij purper zwavelbacteriën Purper zwavelbacteriën gebruiken waterstofsulfide (H$_{2}$S) als elektronendonor in plaats van water. De reactie ziet er als volgt uit [1](#page=1): $$6 \text{ CO}_2 + 12 \text{ H}_2\text{S} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 12 \text{ S} + 6 \text{ H}_2\text{O}$$ ### 1.5 Katabole processen en vertering Tijdens de vertering worden voedingsstoffen afgebroken tot hun basisbouwstenen: suikers tot monosachariden, vetten tot glycerol en vetzuren, en eiwitten tot aminozuren [1](#page=1). ### 1.6 Acetyl-CoA en mitochondriale afbraak Acetyl-CoA is een centrale molecule die ontstaat uit de afbraak van pyrodruivenzuur, vetzuren en aminozuren. Het speelt een cruciale rol in de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering [1](#page=1). #### 1.6.1 Bèta-oxidatie van vetzuren Vetzuren worden geactiveerd tot acetyl-CoA en vervolgens via bèta-oxidatie afgebroken tot acetyl-CoA. Elke cyclus van bèta-oxidatie levert NADH, FADH$_{2}$ en ATP op [1](#page=1). ### 1.7 Glucose en celademhaling Glycolyse, de afbraak van glucose, vindt plaats in het cytosol. Verdere afbraak van producten van glycolyse vindt plaats in de mitochondriën [1](#page=1). #### 1.7.1 Anaerobe afbraak In afwezigheid van zuurstof (anaeroob) wordt pyrodruivenzuur omgezet in melkzuur (in spieren) of ethanol en CO$_{2}$ (in gisten). Het doel van deze omzetting is de regeneratie van NAD$^{+}$ voor het voortzetten van de glycolyse [1](#page=1). ### 1.8 Energieopslag en glucoseoverschot Een glucoseoverschot wordt opgeslagen als glycogeen bij dieren en als zetmeel bij planten. Vetzuren worden opgeslagen als vetdruppels [1](#page=1). --- # Koolstofassimilatie en fotosynthese Fotosynthese is het proces waarbij koolstofdioxide en water worden omgezet in glucose en zuurstof, aangedreven door lichtenergie [1](#page=1). ### 2.1 Algemene reactie en principes van fotosynthese De algemene reactievergelijking voor fotosynthese is: $$6 \text{ CO}_2 + 12 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{ O}_2 + 6 \text{ H}_2\text{O}$$ [1](#page=1). Hierbij is het belangrijk te weten dat de geproduceerde zuurstof afkomstig is van de splitsing van watermoleculen en niet van koolstofdioxide [1](#page=1). ### 2.2 Licht- en donkerreacties in chloroplasten Fotosynthese vindt plaats in twee hoofdseries van reacties binnen de chloroplasten: * **Lichtreactie:** Deze reacties vinden plaats in de thylakoïden. Tijdens de lichtreactie wordt water gesplitst, waarbij ATP en NADPH worden gevormd. Deze moleculen dienen als energie- en reductiekracht voor de volgende fase [1](#page=1). * **Donkerreactie (Calvincyclus):** Deze reacties vinden plaats in het stroma van de chloroplasten. De energie en reductiekracht (ATP en NADPH) die in de lichtreactie zijn geproduceerd, worden hier gebruikt om koolstofdioxide te reduceren tot suiker [1](#page=1). ### 2.3 Fotosynthese bij purperzwavelbacteriën Purperzwavelbacteriën voeren een variant van fotosynthese uit waarbij water (H₂O) wordt vervangen door waterstofsulfide (H₂S) als donor van elektronen. De reactie die dit proces beschrijft is [1](#page=1): $$6 \text{ CO}_2 + 12 \text{ H}_2\text{S} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 12 \text{ S} + 6 \text{ H}_2\text{O}$$ [1](#page=1). In plaats van zuurstof wordt hierbij zwavel geproduceerd als bijproduct [1](#page=1). --- # Cellulaire ademhaling en energiewinning Cellulaire ademhaling is het proces waarbij organismen energie vrijmaken uit voedingsstoffen, voornamelijk glucose, om ATP te produceren. Dit proces verloopt in meerdere fasen, beginnend met de afbraak van glucose in het cytosol en gevolgd door verdere oxidatie in de mitochondriën [1](#page=1). ### 3.1 Fases van katabolisme Het katabolisme, oftewel de afbraak van moleculen, verloopt doorgaans in drie fasen [1](#page=1): * **Fase 1:** Afbraak van grote voedselmoleculen tot hun monomeren. Polysachariden worden afgebroken tot hexosen en pentosen, lipiden tot glycerol en vetzuren, en proteïnen tot aminozuren [1](#page=1). * **Fase 2:** Verdere afbraak van deze monomeren tot kleinere moleculen, met acetyl-CoA als een belangrijke tussenstap [1](#page=1). * **Fase 3:** Oxidatie van acetylgroepen tot koolstofdioxide ($CO_2$), waarbij zuurstof ($O_2$) wordt gereduceerd tot water ($H_2O$) en energie vrijkomt in de vorm van ATP [1](#page=1). ### 3.2 Glucoseafbraak en celademhaling De cellulaire afbraak van glucose, ook wel celademhaling genoemd, omvat meerdere belangrijke processen [1](#page=1). #### 3.2.1 Glycolyse Glycolyse is de eerste stap in de afbraak van glucose en vindt plaats in het cytosol van de cel. Tijdens dit proces wordt een glucosemolecuul ($C_6H_{12}O_6$) omgezet in twee moleculen pyrodruivenzuur (ook wel pyruvaat genoemd). Dit proces genereert een netto winst van ATP en $NADH$ [1](#page=1). #### 3.2.2 Mitochondriale afbraak Na de glycolyse worden de pyrodruivenzuurmoleculen de mitochondriën binnengebracht voor verdere afbraak. Hier worden ze omgezet in acetyl-CoA, dat vervolgens de citroenzuurcyclus (ook wel de $Krebs$-cyclus genoemd) binnengaat [1](#page=1). #### 3.2.3 Acetyl-CoA Acetyl-CoA is een centrale molecule in de energiestofwisseling. Het kan ontstaan uit de afbraak van pyrodruivenzuur, vetzuren (via bèta-oxidatie) en aminozuren. Acetyl-CoA levert de acetylgroepen voor de citroenzuurcyclus en de oxidatieve fosforylering, waar de meeste ATP wordt geproduceerd [1](#page=1). ##### 3.2.3.1 Bèta-oxidatie van vetzuren Vetzuren worden geactiveerd en vervolgens via bèta-oxidatie afgebroken tot acetyl-CoA. Elke cyclus van bèta-oxidatie produceert $NADH$, $FADH_2$ en ATP [1](#page=1). #### 3.2.4 Anaërobe afbraak Wanneer er onvoldoende zuurstof beschikbaar is voor de volledige aërobe afbraak in de mitochondriën, treden anaërobe processen op. Het pyrodruivenzuur wordt dan omgezet in melkzuur in spiercellen, of in ethanol en $CO_2$ in gisten. Het hoofddoel van deze omzetting is de regeneratie van $NAD^+$ uit $NADH$, wat essentieel is om de glycolyse te laten doorgaan [1](#page=1). > **Tip:** Begrijpen van de rol van $NAD^+$ en $NADH$ is cruciaal voor het begrijpen van zowel aërobe als anaërobe ademhaling, aangezien deze cofactoren essentieel zijn voor elektronentransport en energieregeneratie. ### 3.3 Energiewinning en opslag De vrijgekomen energie tijdens de cellulaire ademhaling wordt voornamelijk opgeslagen in de vorm van ATP (adenosinetrifosfaat) [1](#page=1). #### 3.3.1 Opslag van glucoseoverschot Een overschot aan glucose wordt in dieren opgeslagen als glycogeen, en in planten als zetmeel. Vetzuren worden opgeslagen in vetdruppels [1](#page=1). ### 3.4 Koolstofassimilatie en synthese (contextueel) Hoewel dit hoofdstuk primair gericht is op de afbraak van voedingsstoffen, is het relevant om te vermelden dat de biosynthese van moleculen ook in drie fasen verloopt. Kleine voorlopermoleculen uit fase 3 worden in fase 2 omgezet tot bouwstenen, die vervolgens in fase 1 worden samengevoegd tot macromoleculen. Fotosynthese is een voorbeeld van koolstofassimilatie, waarbij $CO_2$ en water worden omgezet in glucose en zuurstof met behulp van lichtenergie. De zuurstof die hierbij vrijkomt, is afkomstig van water, niet van $CO_2$. De algemene reactievergelijking voor fotosynthese is $6 CO_2 + 12 H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6 O_2 + 6 H_2O$. Binnen de chloroplasten vindt de lichtreactie plaats in de thylakoïden, waar water wordt gesplitst en ATP en $NADPH$ worden gevormd. De donkerreactie (Calvincyclus) vindt plaats in het stroma en gebruikt deze energie om $CO_2$ te reduceren tot suiker. Bacteriën zoals purperzwavelbacteriën gebruiken waterstofsulfide ($H_2S$) in plaats van water als elektronendonor, met de reactie $6 CO_2 + 12 H_2S \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 12 S + 6 H_2O$ [1](#page=1). --- # Opslag van energiereserves Dit onderwerp beschrijft hoe overtollige glucose en vetzuren worden opgeslagen in de cel, respectievelijk als glycogeen/zetmeel en vetdruppels [1](#page=1). ### 4.1 Opslag van glucoseoverschotten Overtollige glucose in de cel wordt opgeslagen in de vorm van glycogeen in dieren en zetmeel in planten. Deze polymeren dienen als reservekoolhydraten die de cel kan aanspreken wanneer er energie nodig is [1](#page=1). ### 4.2 Opslag van vetzuren Overtollige vetzuren worden opgeslagen als vetdruppels in de cel. Deze vetdruppels zijn lipidebolletjes die efficiënt energie kunnen opslaan [1](#page=1). #### 4.2.1 Beta-oxidatie van vetzuren Vetzuren kunnen worden afgebroken via beta-oxidatie, waarbij ze geactiveerd worden en vervolgens in cycli worden gesplitst tot acetyl-CoA. Elke cyclus van beta-oxidatie levert ook NADH, FADH2 en ATP op. Het gevormde acetyl-CoA kan vervolgens de citroenzuurcyclus ingaan voor verdere energieproductie [1](#page=1). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Cofactoren | Moleculen die nodig zijn voor enzymatische activiteit, vaak metalen of organische verbindingen, die helpen bij de chemische reactie. | | Actieve centrum | Het specifieke gebied op een enzym waar de substraatmoleculen binden en de chemische reactie plaatsvindt. | | ES-complex | Een tijdelijke structuur die gevormd wordt wanneer een substraat bindt aan het actieve centrum van een enzym, wat leidt tot de vorming van een product. | | Katabolisme | Het biochemische proces waarbij grote, complexe moleculen worden afgebroken tot kleinere, eenvoudigere moleculen, waarbij energie vrijkomt. | | Monomeren | Kleine, herhalende eenheden waaruit grotere moleculen (polymeren) zijn opgebouwd, zoals aminozuren voor proteïnen. | | Hexosen | Een monosacharide met zes koolstofatomen, zoals glucose, die een belangrijke energiebron is voor cellen. | | Pentosen | Een monosacharide met vijf koolstofatomen, zoals ribose, die een bouwsteen is van RNA en DNA. | | Glycerol | Een alcohol met drie koolstofatomen die samen met vetzuren de bouwsteen vormt van lipiden. | | Vetzuren | Een koolwaterstofketen met een carboxylgroep, die samen met glycerol lipiden vormt en als energiebron kan dienen. | | Aminozuren | Organische moleculen die dienen als bouwstenen voor eiwitten en een centrale koolstofatoom bevatten met een aminogroep en een carboxylgroep. | | Acetyl-CoA | Een molecuul dat een centrale rol speelt in het metabolisme, gevormd uit pyrodruivenzuur, vetzuren en aminozuren, en essentieel is voor de citroenzuurcyclus. | | Oxidatie | Een chemische reactie waarbij een stof elektronen verliest, vaak gepaard gaand met de toevoeging van zuurstof of verwijdering van waterstof. | | Reductie | Een chemische reactie waarbij een stof elektronen wint, vaak gepaard gaand met de verwijdering van zuurstof of toevoeging van waterstof. | | ATP | Adenosinetrifosfaat, de primaire energiedrager in cellen, waarbij de energie wordt opgeslagen in de fosfaatbindingen. | | Biosynthese | Het biochemische proces waarbij complexe moleculen worden opgebouwd uit eenvoudigere voorlopermoleculen, waarvoor energie nodig is. | | Koolstofassimilatie | Het proces waarbij organismen koolstofdioxide uit de atmosfeer opnemen en omzetten in organische moleculen, zoals bij fotosynthese. | | Fotosynthese | Het proces waarbij planten, algen en sommige bacteriën lichtenergie gebruiken om koolstofdioxide en water om te zetten in glucose en zuurstof. | | Chloroplast | Het organel in plantencellen waar fotosynthese plaatsvindt, omgeven door membranen die thylakoïden bevatten. | | Thylakoïden | Membraanstructuren binnen chloroplasten waar de lichtreacties van fotosynthese plaatsvinden. | | Stroma | De vloeibare matrix binnen de chloroplasten, gelegen buiten de thylakoïden, waar de donkerreacties van fotosynthese plaatsvinden. | | Calvincyclus | Een reeks biochemische reacties in de donkerreactie van fotosynthese, waarbij koolstofdioxide wordt gefixeerd en gereduceerd tot suikers. | | Purperzwavelbacteriën | Een groep bacteriën die fotosynthese kunnen uitvoeren door waterstofsulfide (H2S) te gebruiken als elektronendonor in plaats van water. | | Waterstofsulfide (H2S) | Een gas dat door sommige bacteriën gebruikt kan worden als elektronendonor in hun fotosynthetische proces. | | Citroenzuurcyclus | Een cyclische reeks chemische reacties in de mitochondriale matrix die centraal staat in de cellulaire ademhaling, waarbij acetyl-CoA wordt geoxideerd. | | Oxidatieve fosforylering | Het proces waarbij ATP wordt gesynthetiseerd door de oxidatie van voedingsstoffen, waarbij een elektronentransportketen en chemiosmose worden gebruikt. | | Beta-oxidatie | Een metabolisch proces dat plaatsvindt in de mitochondriën, waarbij vetzuren worden afgebroken tot acetyl-CoA. | | NADH | Nicotinamide adenine dinucleotide, een co-enzym dat fungeert als elektronendrager en een rol speelt in cellulaire ademhaling en biosynthetische reacties. | | FADH2 | Flavin adenine dinucleotide, een co-enzym dat eveneens als elektronendrager fungeert in cellulaire ademhaling. | | Glycolyse | Het metabole proces waarbij glucose wordt afgebroken tot twee moleculen pyrodruivenzuur, wat plaatsvindt in het cytoplasma van cellen. | | Cytosol | Het vloeibare deel van het cytoplasma van een cel, waarin de organellen zich bevinden. | | Mitochondriën | Organellen in eukaryote cellen die verantwoordelijk zijn voor de productie van ATP door cellulaire ademhaling. | | Anaërobe afbraak | De afbraak van moleculen in de afwezigheid van zuurstof, zoals fermentatie. | | Pyrodruivenzuur | Een drie-koolstofmolecuul dat het eindproduct is van glycolyse en verder kan worden afgebroken in de citroenzuurcyclus of via fermentatie. | | Melkzuur | Een organisch zuur dat wordt gevormd tijdens anaërobe ademhaling in spiercellen en sommige bacteriën. | | Ethanol | Een alcohol die wordt geproduceerd tijdens de fermentatie van suikers door gisten. | | NAD+ | De geoxideerde vorm van nicotinamide adenine dinucleotide, essentieel voor glycolyse en andere oxidatiereacties. | | Glycogeen | Een vertakt polysacharide die dient als opslagvorm van glucose in dieren, voornamelijk in de lever en spieren. | | Zetmeel | Een polysacharide die dient als opslagvorm van glucose in planten. | | Vetdruppels | Opslagvormen van lipiden in cellen, voornamelijk bestaande uit triglyceriden. |

# Définition et composition des protéines Ce sujet explore la nature fondamentale des protéines en tant que macromolécules biologiques, leur structure constituée de polypeptides et d'acides aminés, ainsi que la classification générale des protides. ### 1.1 Définition des protéines et des protides Les protéines sont des macromolécules essentielles à la vie, présentes dans toutes les cellules vivantes et assurant des fonctions biologiques diverses. Elles sont définies comme des assemblages d'un ou plusieurs polypeptides qui ont subi des modifications post-traductionnelles et un processus de repliement. Les protides constituent une classe de molécules qui englobe les acides aminés, les peptides et les protéines [2](#page=2). ### 1.2 Composition des protéines : acides aminés et polypeptides #### 1.2.1 Les acides aminés Les acides aminés sont les unités fondamentales qui constituent les protéines. Ils possèdent une structure caractéristique comprenant une fonction acide, une fonction amine et une chaîne latérale spécifique. Cette chaîne latérale confère à chaque acide aminé ses propriétés uniques. Les fonctions amine et acide présentes dans les acides aminés sont ionisables en milieu aqueux. Les acides aminés sont une source d'azote dans l'organisme, et cet azote ne pouvant être stocké, il doit être éliminé, souvent sous forme d'urée [2](#page=2) [3](#page=3) [6](#page=6). Il existe environ 20 acides aminés standards qui sont utilisés pour former les protéines chez les organismes vivants. Cependant, plus de 300 acides aminés différents ont été identifiés dans la nature [4](#page=4). ##### 1.2.1.1 Acides aminés essentiels Certains acides aminés sont qualifiés d'essentiels car l'organisme ne peut pas les synthétiser et ils doivent donc être apportés par l'alimentation. Ces acides aminés essentiels sont [5](#page=5): * Arginine (insuffisant chez l'enfant) [5](#page=5). * Histidine (insuffisant chez l'enfant) [5](#page=5). * Leucine [5](#page=5). * Thréonine [5](#page=5). * Lysine [5](#page=5). * Tryptophane [5](#page=5). * Phénylalanine [5](#page=5). * Valine [5](#page=5). * Méthionine [5](#page=5). * Isoleucine [5](#page=5). ##### 1.2.1.2 Fonctions des acides aminés Les acides aminés ne servent pas uniquement de briques pour construire les protéines; ils remplissent également d'autres fonctions biologiques importantes. Ils peuvent agir comme substrats énergétiques, étant transformés en glucose (comme la Glycine, la Sérine et la Cystéine) ou en intermédiaires du cycle de Krebs. De plus, certains acides aminés sont des précurseurs de molécules biologiquement actives ou ont une fonction propre. Par exemple, l'acide $\gamma$-aminobutyrique (GABA) est un neurotransmetteur. Le Tryptophane est un précurseur de la sérotonine, et l'Histidine est un précurseur de l'histamine. Les acides aminés jouent aussi un rôle crucial dans le métabolisme de l'azote [7](#page=7). #### 1.2.2 Les peptides et les polypeptides Un peptide est défini comme une chaîne de quelques acides aminés reliés entre eux par des liaisons peptidiques. Les peptides comportent de 2 à quelques dizaines d'acides aminés [2](#page=2) [9](#page=9). Un polypeptide, quant à lui, est un polymère d'acides aminés plus long. Les polypeptides sont généralement issus de la traduction d'un ARN messager et constituent la base structurelle des protéines. La liaison qui unit les acides aminés dans un peptide ou un polypeptide est appelée liaison peptidique. La digestion des protéines par des peptidases dans le tube digestif implique la coupure de ces liaisons peptidiques [2](#page=2) [9](#page=9). > **Tip:** Comprendre la structure des acides aminés et le mécanisme de formation des liaisons peptidiques est fondamental pour appréhender la structure tridimensionnelle et la fonction des protéines. > **Example:** La chaîne d'acides aminés Ala-Gly-Ser forme un tripeptide. Si cette chaîne est issue de la lecture d'un ARNm et qu'elle se replie pour former une structure fonctionnelle, elle est considérée comme une protéine. --- # Fonctions des acides aminés et leur métabolisme Les acides aminés jouent des rôles multiples dans l'organisme, servant de substrats énergétiques, de précurseurs pour des molécules bioactives essentielles, et étant impliqués dans le métabolisme de l'azote [7](#page=7). ### 2.1 Substrats énergétiques Les acides aminés peuvent être dégradés pour fournir de l'énergie. Certains sont convertis en glucose, participant ainsi à la néoglucogenèse. D'autres sont transformés en intermédiaires du cycle de Krebs, permettant leur entrée dans les voies métaboliques énergétiques [7](#page=7). ### 2.2 Molécules ayant une fonction propre Certains acides aminés, ou leurs dérivés, possèdent des fonctions biologiques spécifiques. Par exemple, l'acide g-aminobutyrique (G.A.B.A.), dérivé de l'acide glutamique, est un neurotransmetteur important [7](#page=7). ### 2.3 Précurseurs de molécules biologiquement actives Les chaînes latérales des acides aminés peuvent être modifiées pour former une variété de molécules biologiquement actives. Le tryptophane est un précurseur de la sérotonine, un neurotransmetteur crucial pour la régulation de l'humeur et du sommeil. L'histidine est le précurseur de l'histamine, une molécule impliquée dans les réponses immunitaires et inflammatoires [7](#page=7). ### 2.4 Métabolisme azoté Les acides aminés sont au cœur du métabolisme de l'azote dans l'organisme. Ils sont la principale source d'azote pour la synthèse de nouvelles molécules et sont également impliqués dans l'élimination de l'excès d'azote [7](#page=7). > **Tip:** Comprendre les voies de dégradation et de synthèse des acides aminés est essentiel pour appréhender les désordres métaboliques liés à leur métabolisme. --- # Synthèse et régulation de l'expression protéique La synthèse des protéines est un processus fondamental impliquant la transcription de l'ADN en ARN messager (ARNm), suivi de la traduction de cet ARNm en une chaîne polypeptidique qui se repliera ensuite pour former une protéine fonctionnelle. Ce processus est soumis à de nombreux niveaux de régulation, assurant que les protéines sont produites au bon moment, au bon endroit et en quantité appropriée [8](#page=8). ### 3.1 Les étapes de la synthèse protéique Le schéma général de la synthèse protéique implique plusieurs étapes clés : * **Transcription**: L'information génétique contenue dans l'ADN est copiée sous forme d'ARN messager (ARNm) dans le noyau [8](#page=8). * **Maturation de l'ARN**: L'ARN hn (hétérogène nucléaire) subit des modifications pour devenir un ARNm mature, prêt à quitter le noyau [8](#page=8). * **Transport**: L'ARNm mature est transporté du noyau vers le cytoplasme, où se déroule la traduction [8](#page=8). * **Traduction**: L'ARNm est lu par les ribosomes pour assembler une chaîne d'acides aminés, formant ainsi une protéine [8](#page=8). * **Modifications post-traductionnelles**: Une fois synthétisée, la protéine peut subir diverses modifications chimiques qui affectent sa structure, sa fonction et sa localisation [8](#page=8). ### 3.2 Niveaux de régulation de l'expression protéique La régulation de l'expression protéique peut intervenir à différentes étapes du processus, depuis l'accès à l'ADN jusqu'aux modifications finales de la protéine. #### 3.2.1 Contrôle transcriptionnel Le contrôle transcriptionnel est l'un des niveaux de régulation les plus importants. Il concerne la manière dont l'information génétique est transcrite à partir de l'ADN en ARNm. Les mécanismes de ce contrôle incluent [8](#page=8): * **Structure de la chromatine**: L'accessibilité de l'ADN aux facteurs de transcription peut être modulée par la condensation ou la décondensation de la chromatine. Des régions de chromatine plus relâchées (euchromatine) sont généralement plus accessibles à la transcription que les régions fortement condensées (hétérochromatine) [8](#page=8). * **Facteurs de transcription**: Des protéines spécifiques appelées facteurs de transcription se lient à des séquences régulatrices de l'ADN (comme les promoteurs et les enhancers) pour activer ou réprimer la transcription d'un gène particulier [8](#page=8). #### 3.2.2 Contrôle post-transcriptionnel Une fois l'ARNm transcrit, sa maturation, son transport et sa stabilité peuvent également être régulés [8](#page=8). * **Maturation de l'ARN**: Des processus tels que l'épissage (l'élimination des introns et la jonction des exons) et la coiffe en 5' et la queue poly(A) en 3' sont essentiels pour la stabilité et le transport de l'ARNm hors du noyau. Ces étapes peuvent être finement régulées pour affecter quels ARNm sont matures et exportés [8](#page=8). * **Stabilité de l'ARNm**: La durée de vie d'un ARNm dans le cytoplasme influence la quantité de protéine qui peut être produite à partir de celui-ci. Des mécanismes de dégradation spécifique de l'ARNm existent pour contrôler cette stabilité [8](#page=8). #### 3.2.3 Contrôle traductionnel Ce niveau de régulation concerne la manière dont l'ARNm est traduit en protéine par les ribosomes [8](#page=8). * **Initiation de la traduction**: L'assemblage du complexe d'initiation de la traduction sur l'ARNm est une étape clé qui peut être régulée, par exemple, par des protéines régulatrices qui se lient à l'ARNm ou par la phosphorylation de facteurs d'initiation [8](#page=8). * **Disponibilité des ribosomes et des tRNAs**: La quantité de ribosomes fonctionnels et de tRNAs chargés en acides aminés peut influencer la vitesse de synthèse protéique globale [8](#page=8). #### 3.2.4 Contrôle post-traductionnel Ce dernier niveau de régulation intervient après la synthèse de la chaîne polypeptidique [8](#page=8). * **Repliement des protéines**: La protéine nouvellement synthétisée doit se replier correctement pour devenir fonctionnelle. Ce processus peut être aidé par des chaperonnes moléculaires [8](#page=8). * **Modifications chimiques**: De nombreuses protéines subissent des modifications post-traductionnelles telles que la phosphorylation, la glycosylation, l'acétylation, la méthylation ou la clivage, qui peuvent activer ou désactiver la protéine, modifier sa localisation, ou affecter son interaction avec d'autres molécules [8](#page=8). * **Dégradation des protéines**: Les protéines qui sont endommagées, mal repliées, ou qui ne sont plus nécessaires sont dégradées, souvent par le système ubiquitine-protéasome, ce qui permet un renouvellement constant du protéome cellulaire [8](#page=8). > **Tip:** Comprendre ces différents niveaux de régulation est crucial car ils permettent à la cellule de répondre aux changements de son environnement, aux signaux internes, et d'adapter sa réponse biologique de manière très spécifique. Une dérégulation de ces mécanismes peut conduire à des maladies comme le cancer. --- # Structures des protéines et relation avec leurs fonctions La structure tridimensionnelle d'une protéine est intrinsèquement liée à sa fonction biologique spécifique, et cette relation se manifeste à travers différents niveaux d'organisation structurale [14](#page=14). ### 4.1 Structure primaire La structure primaire d'une protéine représente la séquence linéaire unique d'acides aminés qui la composent. Cette séquence est déterminée par l'information génétique codée dans l'ADN. L'ordre spécifique des acides aminés est crucial car il dicte le repliement ultérieur de la chaîne polypeptidique et, par conséquent, sa forme tridimensionnelle et sa fonction [11](#page=11). ### 4.2 Structure secondaire La structure secondaire fait référence aux arrangements locaux et réguliers de la chaîne polypeptidique, stabilisés principalement par des liaisons hydrogène entre les atomes de l'ossature peptidique. Les deux types de structures secondaires les plus courants sont [12](#page=12): * **L'hélice alpha ($\alpha$-helix)**: Dans cette structure, la chaîne polypeptidique s'enroule en spirale, ressemblant à un ressort. Les liaisons hydrogène se forment entre le groupement carbonyle d'un acide aminé et le groupement amine d'un acide aminé situé quatre résidus plus loin dans la séquence [12](#page=12). * **Le feuillet bêta ($\beta$-sheet)**: Ici, des segments de la chaîne polypeptidique s'alignent côte à côte pour former une structure plane ressemblant à un feuillet plié. Ces segments peuvent être soit parallèles (orientés dans la même direction) soit antiparallèles (orientés dans des directions opposées). Les liaisons hydrogène se forment entre les groupements carbonyle d'une chaîne et les groupements amine d'une chaîne adjacente [12](#page=12). ### 4.3 Structure tertiaire La structure tertiaire décrit le repliement global tridimensionnel d'une seule chaîne polypeptidique. Ce repliement résulte des interactions entre les chaînes latérales (groupes R) des différents acides aminés. Ces interactions incluent [13](#page=13): * Les liaisons hydrogène [13](#page=13). * Les interactions hydrophobes, où les résidus non polaires ont tendance à s'agréger à l'intérieur de la protéine, loin du solvant aqueux [13](#page=13). * Les ponts disulfure, des liaisons covalentes fortes formées entre les groupements sulfhydryle de deux résidus cystéine [13](#page=13). * Les interactions ioniques (ponts salins) entre les chaînes latérales chargées positivement et négativement [13](#page=13). * Les interactions de van der Waals [13](#page=13). La structure tertiaire donne à la protéine sa forme fonctionnelle unique [13](#page=13). ### 4.4 La relation entre structure et fonction des protéines La forme tridimensionnelle spécifique d'une protéine, dictée par sa structure primaire, secondaire et tertiaire, est absolument essentielle à sa capacité à accomplir sa fonction biologique. Des modifications, même minimes, de cette structure peuvent entraîner une perte d'activité ou un dysfonctionnement [14](#page=14). Voici une liste non exhaustive des fonctions des protéines et des exemples associés : * **Soutien ou structure**: Protéines comme le collagène et la kératine fournissent un soutien mécanique aux cellules et aux tissus [15](#page=15). * **Contraction**: L'actine et la myosine sont impliquées dans les processus de contraction musculaire [15](#page=15). * **Transport**: Des protéines telles que l'albumine et l'hémoglobine transportent diverses molécules (acides gras, oxygène) dans le sang [15](#page=15). * **Immunité**: Les immunoglobulines (anticorps) et les cytokines jouent un rôle clé dans la réponse immunitaire [15](#page=15). * **Catalyse**: Les enzymes, comme celles de synthèse ou de dégradation, catalysent les réactions biochimiques [15](#page=15). * **Hormones et neuromédiateurs**: Des exemples incluent l'insuline, qui régule la glycémie [15](#page=15). * **Transduction du signal**: Les récepteurs membranaires et les protéines G sont impliqués dans la transmission des signaux cellulaires [15](#page=15). * **Régulation de l’expression des gènes**: Les facteurs de transcription se lient à l'ADN pour moduler l'expression des gènes [15](#page=15). > **Tip:** Comprendre comment les interactions spécifiques entre les acides aminés conduisent au repliement de la protéine est fondamental pour appréhender la diversité de leurs fonctions. Une seule mutation d'un acide aminé peut parfois avoir des conséquences dramatiques sur la structure et donc sur la fonction, comme observé dans des maladies génétiques. --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Protéine | Macromolécule biologique essentielle présente dans toutes les cellules vivantes, constituée d'un ou plusieurs polypeptides modifiés et repliés, jouant un rôle fonctionnel spécifique. | | Polypeptide | Polymère linéaire d'acides aminés reliés par des liaisons peptidiques, résultant de la traduction d'un ARN messager et constituant la structure de base des protéines. | | Acide aminé | Molécule organique comportant une fonction acide (carboxyle) et une fonction amine, servant de monomère pour la synthèse des protéines. Ils fournissent également l'azote nécessaire au métabolisme. | | Liaison peptidique | Liaison chimique covalente qui se forme entre le groupe carboxyle d'un acide aminé et le groupe amine d'un autre acide aminé, créant ainsi une chaîne polypeptidique. | | Protides | Groupe général qui englobe les acides aminés, les peptides et les protéines, représentant toutes les molécules dérivées d'acides aminés. | | Acides aminés essentiels | Acides aminés que l'organisme ne peut pas synthétiser lui-même et qui doivent donc être apportés par l'alimentation. | | Métabolisme azoté | Ensemble des processus biochimiques impliqués dans l'utilisation et l'élimination de l'azote par l'organisme, notamment via le cycle de l'urée pour l'excrétion de l'excès d'azote des acides aminés. | | Transcription | Processus biologique par lequel l'information génétique contenue dans une séquence d'ADN est copiée sous forme d'une séquence d'ARN. | | Traduction | Processus biologique par lequel l'information portée par un ARN messager est utilisée pour synthétiser une protéine spécifique, en décodant la séquence de nucléotides en une séquence d'acides aminés. | | Structure primaire | Séquence linéaire unique des acides aminés dans un polypeptide, déterminée par la séquence génétique, et qui est fondamentale pour les structures ultérieures et la fonction de la protéine. | | Structure secondaire | Repliement local et régulier de la chaîne polypeptidique, principalement sous forme de structures en hélice alpha ($\alpha$) ou en feuillet bêta ($\beta$), stabilisées par des liaisons hydrogène. | | Structure tertiaire | Configuration tridimensionnelle globale d'un seul polypeptide, résultant des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés, formant une structure compacte et fonctionnelle. |

# Purines: structuur, functie en pathway Purines vormen de bouwstenen voor essentiële moleculen in het lichaam, waaronder DNA, RNA, en energiedragers zoals ATP. ### 1.1 Chemische structuur van purines De term "purine" is afgeleid van het Latijnse "acidum uricum", wat "urinezuur" betekent, en verwijst naar de oorsprong van de ontdekking als zuivere verbinding. Purines zijn organische basen die voornamelijk stikstofatomen bevatten, welke protonen kunnen accepteren. Chemisch gezien bestaan purines uit een combinatie van een pyrimidine-ring en een imidazoolring [3](#page=3). De belangrijkste purinebasen zijn adenine (Ade of A) en guanine (Gua of G) [4](#page=4). * **Adenine**: Gekenmerkt door een aminegroep (-NH2) aan de structuur [4](#page=4). * **Guanine**: Gekenmerkt door een carbonylgroep (O) en een aminegroep (-NH2) [4](#page=4). Wanneer een purinebase zich bindt aan een ribosesuiker, ontstaat een **nucleoside** [4](#page=4). * Adenosine (Ado of A) bestaat uit adenine gebonden aan ribose [4](#page=4). * Guanozine (Guo of G) bestaat uit guanine gebonden aan ribose [4](#page=4). De toevoeging van een of meerdere fosfaatgroepen aan een nucleoside resulteert in een **nucleotide** [4](#page=4). * Adenylaat is de term voor adenine-bevattende nucleotiden, waaronder AMP (adenosinemonofosfaat), ADP (adenosinedifosfaat), ATP (adenosinetrifosfaat) en c-AMP (cyclisch adenosinemonofosfaat) [4](#page=4). * Guanylaat is de term voor guanine-bevattende nucleotiden, waaronder GMP (guanosinemonofosfaat), GDP (guanosinedifosfaat) en GTP (guanosinetrifosfaat) en c-GTP (cyclisch guanosinetrifosfaat) [4](#page=4). ### 1.2 Functies van purines Purines vervullen diverse cruciale rollen in cellulaire processen: * **Energietransfer**: ATP (adenosinetrifosfaat) is de primaire energiedrager van de cel. De energierijke fosfaatgroepen in ATP worden gebruikt om energie te leveren voor tal van cellulaire reacties [4](#page=4) [8](#page=8). * **Signaalmoleculen**: Cyclische nucleotiden, zoals cyclisch adenosinemonofosfaat (cAMP), fungeren als belangrijke signaalmoleculen (second messengers) in celcommunicatie en signaltransductie. cAMP is de meest voorkomende cyclische adenosine monofosfaat [4](#page=4) [6](#page=6) [7](#page=7). * **Nucleïnezuursynthese**: Purines zijn essentiële componenten voor de opbouw van RNA en DNA [3](#page=3) [6](#page=6). ### 1.3 De purine pathway De synthese, afbraak en hergebruik van purines verloopt via een specifieke metabolische pathway die uit drie hoofdfasen bestaat [5](#page=5): #### 1.3.1 Biosynthese van purines De *de novo* biosynthese van purines start vanuit ribose-5-fosfaat, een intermediair uit de pentosefosfaat pathway. Via een reeks enzymatische reacties wordt eerst inosinemonofosfaat (IMP) gevormd. IMP is een cruciaal intermediair dat vervolgens kan worden omgezet in de belangrijke purine nucleotiden AMP (adenosinemonofosfaat) en GMP (guanosinemonofosfaat). Vanuit AMP en GMP worden vervolgens de energievormen ADP, ATP, GDP, GTP en de cyclische second messengers cAMP en c-GTP gevormd [4](#page=4) [6](#page=6). #### 1.3.2 Afbraak van purines De afbraak van purines leidt uiteindelijk tot de vorming van urinezuur. Dit proces is met name relevant voor de pathologie van jicht wanneer de afbraak te hoog is of de uitscheiding van urinezuur beperkt is [6](#page=6). #### 1.3.3 Salvage pathway (terugwinning) Naast *de novo* synthese kunnen purinebasen en -nucleotiden ook worden teruggewonnen uit afgebroken nucleïnezuren via de salvage pathway. Dit bespaart energie en grondstoffen voor de cel [5](#page=5). > **Tip:** Het begrijpen van de connectie tussen de pentosefosfaat pathway en de purinebiosynthese is cruciaal. Ribose-5-fosfaat levert de 'ruggengraat' waar de purinering op wordt gebouwd [6](#page=6). > **Voorbeeld:** ATP functioneert als een soort 'batterij' van de cel, waarbij de bindingen tussen de fosfaatgroepen veel energie bevatten die vrijkomt bij hydrolyse. Deze energie drijft cellulaire processen aan [8](#page=8). --- # Pyrimidines: structuur, functie en pathway Dit onderwerp verkent de chemische structuur van pyrimidines, hun fundamentele rol in de synthese van RNA en DNA, en de drie cruciale stappen van hun metabolisme: biosynthese, afbraak en salvage [10](#page=10) [12](#page=12). ### 2.1 Chemische structuur en nomenclatuur Pyrimidines zijn organische basen die protonen kunnen accepteren, voornamelijk via hun stikstofatomen, waardoor ze stikstofbasen worden genoemd. De term "pyrimidine" is afgeleid van het Oudgriekse "pur" (vuur) en "amidine" [10](#page=10). De belangrijkste pyrimidinebasen die relevant zijn voor nucleïnezuursynthese zijn cytosine (C), uracil (U) en thymine (T) [11](#page=11). * **Cytosine (C)**: Komt voor in zowel RNA als DNA. De nucleoside is cytidine (Cyd) en de nucleotide is cytidaat (CMP, CDP, CTP) [11](#page=11). * **Uracil (U)**: Wordt voornamelijk in RNA aangetroffen. De nucleoside is uridine (Urd) en de nucleotide is uridaat (UMP, UDP, UTP) [11](#page=11). * **Thymine (T)**: Wordt specifiek in DNA aangetroffen. De nucleoside is deoxythymidine (dThd) en de nucleotide is deoxythymidaat (dTMP, dTDP, dTTP). Deoxyribose is het suikercomponent in DNA [11](#page=11). De structuur van deze componenten kan worden weergegeven als volgt: * Base: De pyrimidine ring zelf [11](#page=11). * Nucleoside: De base gebonden aan (deoxy)ribose [11](#page=11). * Nucleotide: De (deoxy)ribose gebonden aan een of meer fosfaatgroepen [11](#page=11). > **Tip:** Onthoud dat uracil kenmerkend is voor RNA, terwijl thymine specifiek in DNA voorkomt [11](#page=11). ### 2.2 Functie De primaire functie van pyrimidines ligt in hun rol als bouwstenen voor de synthese van RNA (ribonucleïnezuur) en DNA (deoxyribonucleïnezuur). Deze macromoleculen zijn essentieel voor het opslaan en doorgeven van genetische informatie [10](#page=10) [13](#page=13). ### 2.3 De pyrimidine pathway Het metabolisme van pyrimidines kan worden onderverdeeld in drie belangrijke fasen: biosynthese, afbraak en salvage [12](#page=12). #### 2.3.1 Biosynthese van pyrimidines De *de novo* synthese van pyrimidines begint met carbamoylfosfaat. Dit proces wordt gekatalyseerd door het cytosolische carbamoylfosfaat synthetase II (CPS II), wat onderscheiden moet worden van CPS I, dat betrokken is bij de ureumcyclus en zich in de mitochondriën bevindt. Via het intermediair orootzuur worden de pyrimidines CMP (cytidinemonofosfaat), UMP (uridinemonofosfaat) en uiteindelijk TMP (thymidinemonofosfaat) opgebouwd. Deze route is cruciaal voor de aanmaak van RNA- en DNA-precursoren [13](#page=13). #### 2.3.2 Afbraak van pyrimidines De afbraak van pyrimidines leidt uiteindelijk tot producten die weer kunnen worden geïntegreerd in de Krebs-cyclus. Dit proces zorgt voor het recyclen van componenten en het verwijderen van overbodige of beschadigde pyrimidines [13](#page=13). #### 2.3.3 Salvage pathway Hoewel niet expliciet gedetailleerd op de verstrekte pagina's, verwijst de term "salvage" naar de mechanismen die reeds bestaande pyrimidines uit de cel of de omgeving hergebruiken om nucleotiden te synthetiseren. Dit is een efficiënte manier om energie te besparen in vergelijking met de *de novo* synthese [12](#page=12). --- # Nucleïnezuren en hun structuur Nucleïnezuren zijn essentiële macromoleculen die de genetische informatie van alle levende organismen opslaan, doorgeven en uitdrukken. Ze zijn opgebouwd uit repetitieve eenheden genaamd nucleotiden [17](#page=17). ### 3.1 Structuur van nucleosiden en nucleotiden Een nucleoside bestaat uit een stikstofbase en een suikermolecuul. Wanneer aan deze suikermolecuul één of meer fosfaatgroepen zijn gebonden, spreekt men van een nucleotide [15](#page=15). #### 3.1.1 Stikstofbasen Er zijn vijf belangrijke stikstofbasen die als bouwstenen dienen voor nucleïnezuren. Deze basen zijn structurele derivaten van purine of pyrimidine [15](#page=15). * **Purines:** * Adenine (A) [15](#page=15). * Guanine (G) [15](#page=15). * **Pyrimidines:** * Cytosine (C) [15](#page=15). * Uracil (U) [15](#page=15). * Thymine (T) [15](#page=15). #### 3.1.2 Suikers De suikercomponent in nucleïnezuren is een pentose (een vijf-koolstof suiker) [15](#page=15). * **Ribose:** Aanwezig in RNA (ribonucleïnezuur) [15](#page=15). * **Desoxyribose:** Aanwezig in DNA (desoxyribonucleïnezuur). Het verschil met ribose is de afwezigheid van een hydroxylgroep op de 2'-koolstof van de suiker [15](#page=15) [18](#page=18). #### 3.1.3 Nucleosiden versus nucleotiden * **Nucleoside:** Een stikstofbase gebonden aan een suiker [15](#page=15). * **Nucleotide:** Een nucleoside waaraan één of meer fosfaatgroepen zijn gekoppeld [15](#page=15). > **Tip:** Onthoud dat het ontbreken van een fosfaatgroep het verschil maakt tussen een nucleoside en een nucleotide. ### 3.2 Nucleïnezuren als polymeren Nucleïnezuren, zoals RNA en DNA, zijn polymeren opgebouwd uit eenheden van nucleotiden [17](#page=17). #### 3.2.1 DNA (desoxyribonucleïnezuur) DNA fungeert als de drager van genetische informatie. Het bestaat uit twee complementaire strengen die een dubbele helix vormen. DNA bevat de basen Adenine (A), Guanine (G), Cytosine (C) en Thymine (T). De twee strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen de basen: Adenine paart met Thymine via twee waterstofbruggen, en Guanine paart met Cytosine via drie waterstofbruggen [17](#page=17) [18](#page=18) [19](#page=19). #### 3.2.2 RNA (ribonucleïnezuur) RNA is betrokken bij het proces van eiwitsynthese. Het bestaat meestal uit een enkelstrengige helix, hoewel het lokale vouwingen kan vertonen. RNA bevat de basen Adenine (A), Guanine (G), Cytosine (C) en Uracil (U). Uracil vervangt Thymine in RNA [18](#page=18). ### 3.3 Structuur van de polynucleotideketen De nucleotiden in een nucleïnezuurketen zijn met elkaar verbonden via fosfodiësterbruggen. Deze brug wordt gevormd tussen de 5'-koolstof van de suiker van het ene nucleotide en de 3'-koolstof van de suiker van het volgende nucleotide [18](#page=18). #### 3.3.1 Richting van de keten Nucleïnezuursequenties worden conventioneel geschreven van het 5'-uiteinde (links) naar het 3'-uiteinde (rechts). Het 5'-uiteinde wordt gekenmerkt door een vrije fosfaatgroep, terwijl het 3'-uiteinde een vrije hydroxylgroep op de suiker heeft [18](#page=18). #### 3.3.2 Verschillen tussen DNA en RNA * **Suiker:** DNA bevat desoxyribose, terwijl RNA ribose bevat [18](#page=18). * **Base:** DNA bevat Thymine (T), terwijl RNA Uracil (U) bevat [18](#page=18). * **Structuur:** DNA is meestal dubbelstrengig, terwijl RNA meestal enkelstrengig is [18](#page=18) [19](#page=19) [20](#page=20). > **Tip:** De dubbele helix structuur van DNA is essentieel voor zijn functie als stabiele informatiedrager en maakt betrouwbare replicatie mogelijk [17](#page=17). > **Example:** Een polynucleotide sequentie kan worden weergegeven als 5'-ATGC-3', wat aangeeft dat de keten begint met Adenine aan het 5'-uiteinde en eindigt met Guanine aan het 3'-uiteinde [18](#page=18). --- # Pathologische toepassingen van purine en pyrimidine metabolisme Afwijkingen in het metabolisme van purines en pyrimidines kunnen leiden tot diverse pathologische aandoeningen die klinisch significant zijn [21](#page=21). ### 4.1 Jicht Jicht is een aandoening die voortkomt uit een te hoog gehalte urinezuur in het bloed (hyperurikemie). Dit leidt tot de ophoping en neerslag van uraatkristallen, met name in de gewrichten, zoals het grote teengewricht. De aanwezigheid van deze kristallen activeert het afweersysteem, wat resulteert in een ontstekingsreactie [22](#page=22). Oorzaken van verhoogd urinezuur zijn divers en omvatten: * Overgewicht [22](#page=22). * Alcoholgebruik, dat zowel de aanmaak van urinezuur in de lever verhoogt als de uitscheiding ervan door de nieren vermindert [22](#page=22). * Consumptie van purinerijk voedsel, zoals orgaanvlees, peulvruchten, vis en zeevruchten [22](#page=22). * Verminderde nierfunctie, wat mogelijk een rol speelt bij patiënten met glycoproteïnose type 1 (GSD 1) [22](#page=22). * Medicatie, waaronder chemotherapie, diuretica en ciclosporine [22](#page=22). De behandeling van jicht richt zich vaak op het remmen van de urinezuurproductie, bijvoorbeeld met allopurinol, een inhibitor van xanthine oxidase [23](#page=23). ### 4.2 Adenosine deaminase (ADA) deficiëntie Adenosine deaminase (ADA) deficiëntie leidt tot ernstige gecombineerde immuundeficiëntie (SCID). Bij deze aandoening accumuleren adenosine en deoxyadenosine in het lichaam. Deze accumulatie remt de aanmaak van DNA, wat resulteert in de destructie van B- en T-cellen, met name omdat deze cellen een hoge omzetsnelheid hebben en veel DNA-aanmaak vereisen. Zonder tijdige behandeling is deze aandoening fataal; behandeling kan bestaan uit beenmergtransplantatie (BMT) of enzymtherapie. Daarom is opname in de neonatale screening van belang [24](#page=24). ### 4.3 AMP deaminase (AMP-DA) deficiëntie (myoadenylate deaminase deficiëntie) AMP deaminase deficiëntie kan leiden tot inspanningsgeïnduceerde spierpijn, krampen en snelle vermoeidheid. Echter, een groot deel van de dragers is asymptomatisch en de deficiëntie lijkt eerder synergistisch te werken met andere ziekten. Deze aandoening erft autosomaal recessief over; het allel c.34C>T is frequent bij Kaukasiërs, waarbij ongeveer 10% heterozygoot en 1,8% homozygoot is. Behandeling met ribose, ter ondersteuning van de spieren, is mogelijk maar wordt niet als een wondermiddel beschouwd [25](#page=25). ### 4.4 Lesch-Nyhan syndroom Het Lesch-Nyhan syndroom wordt veroorzaakt door een deficiëntie van hypoxanthine-guanine fosforibosyltransferase (HGPRT). HGPRT is essentieel voor het purine salvage pathway [26](#page=26). De klinische manifestaties omvatten: * Vertraagde ontwikkeling, spasticiteit en chorea [26](#page=26). * Zelfmutilatie [26](#page=26). * Hyperurikemie met nierstenen [26](#page=26). De oorzaak van de hyperurikemie ligt in een verhoogde de novo synthese van purines. Dit komt doordat een overvloed aan PRPP (fosforibosylpyrofosfaat) niet wordt gerecycleerd door HGPRT, waardoor de feedbackremming wegvalt. Dit verhoogt de purinesynthese tot wel 200 keer [26](#page=26). ### 4.5 Adenylosuccinase deficiëntie Adenylosuccinase (adenylosuccinate lyase) deficiëntie presenteert zich met een breed klinisch spectrum. Dit varieert van een ernstige neonatale vorm met convulsies en vroege sterfte tot milde verstandelijke beperkingen, hypotonie en autistisch gedrag. Behandeling met adenine heeft geen effect aangetoond. Deze deficiëntie betreft het purine synthesepad [28](#page=28). ### 4.6 Folaat deficiëntie en de impact op nucleïnezuursynthese Folaat (vitamine B9) is een essentiële voedingsstof die een cruciale rol speelt in de synthese van zowel purines als pyrimidines. #### 4.6.1 Folaatdeficiëntie in de purine synthese Een tekort aan folaat remt de purinesynthese. Eén koolstofeenheid voor deze synthese komt van formyltetrahydrofolaat. De inhibitie leidt tot een accumulatie van AICAR (amino-imidazol-carboxamide-ribonucleotide) en remt vervolgens de DNA-synthese, met name in snel delende cellen. Klinische gevolgen zijn megaloblastaire anemie en, bij foetussen, neurale buisdefecten zoals spina bifida [29](#page=29). #### 4.6.2 Folaatdeficiëntie in de pyrimidine synthese Tetrahydrofolaat fungeert als co-factor voor thymidylaatsynthase, dat de omzetting van dUMP naar dTMP (thymidylaat) katalyseert. Een tekort aan folaat remt dus de DNA-synthese doordat de aanmaak van thymidylaat stagneert. Net als bij de purinesynthese worden snel delende cellen het eerst getroffen [30](#page=30). ### 4.7 Therapeutische toepassingen van inhibitie van DNA-synthese (chemotherapie) De inhibitie van purine- en pyrimidinesynthese wordt therapeutisch ingezet, met name in de chemotherapie, omdat kankercellen zich snel delen. * **Aminopterine en methotrexaat:** Deze foliumzuuranaloog bindt krachtiger aan tetrahydrofolaat-afhankelijke enzymen dan foliumzuur zelf. Ze remmen hierdoor purine- en pyrimidinesynthese, alsook de synthese van histidine en methionine. Het beoogde effect is het remmen van snel delende kankercellen, maar dit gaat gepaard met bijwerkingen door invloed op andere snel delende cellijnen, zoals haarfollikels (haaruitval), hematopoëtische cellen (anemie, leukopenie, trombopenie) en epitheelcellen van het maag-darmstelsel (GI-bijwerkingen) [31](#page=31). * **Fluorouracil:** Dit is een inhibitor van thymidylaatsynthase en remt daardoor specifiek de pyrimidinesynthese. Het wordt gebruikt bij de behandeling van onder andere borst-, colorectale, gastrische en uteriene kankers [31](#page=31). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Purines | Organische basen afgeleid van het Latijnse purum (acidum) uricum, die protonen kunnen accepteren en meestal een stikstofatoom bevatten. Ze bestaan uit een pyrimidine- en een imidazoolring en spelen een cruciale rol in energietransfer (ATP), metabole regulatie en de aanmaak van RNA/DNA. | | Pyrimidines | Organische basen afgeleid van het Oudgriekse pur (vuur) en amidine. Ze fungeren als protonacceptoren, voornamelijk via een stikstofatoom, en zijn essentieel voor de synthese van RNA en DNA. | | Nucleoside | Een structuur die bestaat uit een purine- of pyrimidinebase gekoppeld aan een suiker, meestal ribose of desoxyribose, zonder een fosfaatgroep. | | Nucleotide | Een structuur die is opgebouwd uit een purine- of pyrimidinebase, een suiker (ribose of desoxyribose), en ten minste één fosfaatgroep. Nucleotiden zijn de bouwstenen van nucleïnezuren. | | cAMP (cyclisch adenosine monofosfaat) | Een cyclisch adenosine monofosfaat dat fungeert als een belangrijke secundaire boodschapper in de cel, betrokken bij diverse signaaltransductiewegens. | | ATP (adenosinetrifosfaat) | Een energierijke molecule die dienst doet als de primaire energiedrager in cellen en betrokken is bij vrijwel alle cellulaire processen die energie vereisen. | | DNA (desoxyribonucleïnezuur) | Een dubbelstrengige helixstructuur die de genetische informatie van organismen draagt. DNA bestaat uit polymeren van desoxyribonucleotiden en bevat de basen adenine, guanine, cytosine en thymine. | | RNA (ribonucleïnezuur) | Een enkelstrengige molecule die diverse rollen vervult in de cel, waaronder het doorgeven van genetische informatie van DNA naar eiwitsynthese. RNA bestaat uit ribo-nucleotiden en bevat de basen adenine, guanine, cytosine en uracil. | | Jicht | Een ontstekingsziekte die wordt veroorzaakt door een te hoog urinezuurgehalte in het bloed, wat leidt tot de neerslag van uraatkristallen in gewrichten, met hevige pijn en ontstekingen tot gevolg. | | SCID (severe combined immunodeficiency) | Een groep zeldzame, ernstige genetische aandoeningen die leiden tot een ernstig tekort aan functionerende B- en T-lymfocyten, waardoor het immuunsysteem ernstig wordt aangetast. | | Lesh-Nyhan syndroom | Een zeldzame genetische aandoening veroorzaakt door een deficiëntie in het HGPRT-enzym, wat leidt tot hyperuricemie, neurologische afwijkingen zoals spasticiteit en zelfverminkend gedrag, en cognitieve stoornissen. | | Folaat | Vitamine B9, essentieel voor de synthese van nucleïnezuren (purines en pyrimidines) en de omzetting van aminozuren. Een tekort kan leiden tot megaloblastaire anemie en neurale defecten bij foetussen. | | Chemotherapie | Een medische behandeling die gebruik maakt van medicijnen (cytostatica) om kankercellen te doden of hun groei te remmen. Vaak gericht op snel delende cellen, inclusief kankercellen en bepaalde normale cellen. |

# Fonctions et explorations biochimiques du foie Ce résumé présente les fonctions métaboliques, de synthèse, d'épuration et de sécrétion biliaire du foie, ainsi que les explorations biochimiques utilisées pour évaluer sa santé. ## 1. Les fonctions et explorations biochimiques du foie Le bilan hépatique est prescrit pour rechercher une anomalie, en préciser la nature, la localisation, la gravité, ou pour suivre son évolution. L'interprétation de tout bilan biologique doit se faire dans un contexte clinique. Les principaux marqueurs biologiques hépatiques de routine concernent la cytolyse, la cholestase, l'insuffisance hépato-cellulaire (IHC), et les tumeurs primitives du foie. Des marqueurs plus récents permettent de diagnostiquer la fibrose et la cirrhose sans biopsie [10](#page=10) [26](#page=26) [3](#page=3). ### 1.1 Rappels sur le foie Le foie est un organe central dans le métabolisme, recevant des nutriments via la veine porte et l'artère hépatique. Il métabolise les glucides, régule la glycémie en stockant et libérant du glycogène. Il métabolise les acides aminés (AA), synthétise des protéines plasmatiques (albumine, facteurs de coagulation) et détoxifie l'ammoniac en urée. Le foie métabolise également les lipides, le cholestérol, synthétise des lipoprotéines et conjugue la bilirubine. Il est un réservoir de vitamines (A, B12) et de fer [3](#page=3) [4](#page=4). **En résumé, le foie assure des fonctions métaboliques intermédiaires, de synthèse, d'épuration/détoxication, et de sécrétion biliaire.** [4](#page=4). ### 1.2 Fonctions hépatiques spécifiques #### 1.2.1 Fonctions métaboliques Le foie est essentiel au métabolisme énergétique, stocke le glycogène pour maintenir la glycémie, synthétise des corps cétoniques, des protéines plasmatiques, et est le seul organe capable de synthétiser l'urée et d'éliminer l'ammoniac. Il métabolise également certaines vitamines et le fer, agissant comme réservoir de ferritine, fer, vitamine B12 et vitamine A [4](#page=4). > **Tip:** Une augmentation du fer et de la ferritine ne signe pas automatiquement une hémochromatose; elle peut être due à une anomalie hépatique ou à une surcharge pondérale avec stéatose [4](#page=4) [5](#page=5). #### 1.2.2 Fonctions de synthèse Le foie synthétise les protéines sériques comme l'albumine (transporteur majeur) et la transferrine (transport du fer). Il est le siège de la production des protéines de la coagulation (facteurs II, VII, IX, X dépendants de la vitamine K, et facteur V indépendant). Les facteurs de coagulation ont une demi-vie courte, les rendant utiles pour évaluer la fonction hépatique. Le foie synthétise également des protéines de la phase aiguë de l'inflammation (haptoglobine, CRP, orosomucoïde) [5](#page=5). #### 1.2.3 Fonctions d'épuration * **Ammoniac:** Le foie transforme l'ammoniac, produit toxique du métabolisme des acides aminés, en urée, moins toxique. Une incapacité à le faire entraîne une élévation de l'ammoniac sanguin, pouvant causer une encéphalopathie hépatique. Le dosage de l'ammoniémie est effectué en cas de doute sur une confusion liée à une encéphalopathie hépatique [3](#page=3) [4](#page=4) [6](#page=6). * **Bilirubine:** La bilirubine est le produit de la dégradation de l'hème. Elle est d'abord "libre" ou "indirecte" (liée à l'albumine) dans le plasma, puis conjuguée par l'hépatocyte avec de l'acide glucuronique, devenant "conjuguée" ou "directe", avant d'être excrétée dans la bile. L'hémoglobine issue de la lyse des globules rouges se lie à l'haptoglobine avant d'être captée par le foie pour la conjugaison de la bilirubine. La bilirubine conjuguée est transformée en urobilinogènes puis stercobilinogènes dans l'intestin, donnant leur couleur aux selles [6](#page=6). > **Tip:** Une élévation de la bilirubine peut être due à une hémolyse (diminution de l'haptoglobine) ou à un défaut de conjugaison ou d'excrétion hépatique. L'élévation de bilirubine conjuguée conduit à des urines foncées et des selles décolorées. Le syndrome de Gilbert cause une augmentation de bilirubine non conjuguée due à un défaut de glucuronoconjugaison, sans problème hépatique significatif au quotidien [21](#page=21) [7](#page=7) [8](#page=8). * **Xénobiotiques, alcool:** Le foie biotransforme de nombreuses molécules, médicaments et toxiques, y compris l'alcool [8](#page=8). #### 1.2.4 Fonctions de sécrétion biliaire Les acides biliaires, issus du cholestérol, sont sécrétés dans la bile par les hépatocytes et sont essentiels à la digestion des lipides. La majorité est réabsorbée dans un cycle entéro-hépatique. En cas de lésion hépatique, la sécrétion biliaire peut être affectée, conduisant potentiellement à une insuffisance hépato-cellulaire (IHC) [9](#page=9). ### 1.3 Explorations biochimiques hépatiques de routine Le bilan hépatique est toujours interprété en fonction du contexte clinique, du diagnostic, du traitement, du pronostic et du suivi. Les enzymes dosées incluent les γGT, les phosphatases alcalines (PAL), les transaminases (ASAT et ALAT), ainsi que les protéines plasmatiques hépatiques et de coagulation [10](#page=10). #### 1.3.1 Transaminases ASAT et ALAT Ces enzymes interviennent dans le métabolisme des acides aminés [10](#page=10). * **ALAT:** Principalement dans le foie, cytosoliques. Une lyse cellulaire hépatique entraîne une augmentation importante des ALAT (réversible) [10](#page=10). * **ASAT:** Cytosoliques et mitochondriales (foie, cœur, muscle cardiaque). Une nécrose tissulaire irréversible entraîne une augmentation des ASAT [10](#page=10). Les transaminases sont des enzymes intra-cellulaires non spécifiques du foie. Leur augmentation traduit une lésion hépatique, mais le contexte clinique est crucial. Une augmentation d'ASAT et ALAT est généralement réversible; une prédominance des ASAT suggère une atteinte irréversible. Le sport intense peut aussi augmenter leur taux [10](#page=10) [11](#page=11). #### 1.3.2 Phosphatases alcalines (PAL) Leur synthèse augmente en cas de cholestase, tant intra qu'extra-hépatique. L'activité totale mesurée provient du foie, de l'os, et du placenta (chez la femme enceinte). Il existe des variations physiologiques (enfance, grossesse) où les normes sont différentes. L'association d'une augmentation des PAL et des γGT suggère une cholestase [11](#page=11). #### 1.3.3 γ-glutamyltransférase (γGT) Présentes dans de nombreux tissus, particulièrement dans le foie sur les membranes hépatiques et biliaires. Elles sont sensibles aux rétentions biliaires et sont libérées dans la circulation générale lors d'une obstruction des voies biliaires (cholestase) [11](#page=11) [12](#page=12). * Augmentation de γGT + PAL → Cholestase [12](#page=12). * Augmentation de γGT + Transaminases → Hépatite [12](#page=12). * Augmentation isolée de γGT: peut être due à un alcoolisme chronique, une stéatose hépatique (cause la plus fréquente), ou la prise de certains médicaments (ex: neuroleptiques) [12](#page=12). #### 1.3.4 Protéines plasmatiques d'origine hépatique * **Albumine:** Principale protéine synthétisée par le foie, avec une longue demi-vie (>15 jours). Une diminution de son taux sanguin indique une maladie hépatique chronique et diffuse. Son dosage est inutile dans les pathologies aiguës [12](#page=12). * **Protéines de la phase aiguë et de la coagulation:** Le dosage de la préalbumine, de l'orosomucoïde, de l'haptoglobine, de la transferrine (Trf) renseigne sur l'insuffisance hépato-cellulaire (IHC). L'alpha-fœtoprotéine (AFP) est un marqueur de cirrhose et de cancer du foie (Carcinome Hépatocellulaire - CHC) chez l'adulte [12](#page=12). * **Protéines de la coagulation:** Les facteurs de coagulation dépendant de la vitamine K (II, VII, X) ont une demi-vie très courte (4-6 heures). Leur diminution rapide en cas de cholestase (malabsorption de vitamine K) entraîne un trouble de la coagulation, détecté par une baisse du Temps de Prothrombine (TP) [13](#page=13). * Le **facteur V** est indépendant de la vitamine K. Sa diminution, associée à une baisse du TP, signe une atteinte hépatique très importante (IHC) [13](#page=13) [14](#page=14). * Le **fibrinogène** a une demi-vie longue. Sa diminution indique une cirrhose grave ou une IHC terminale [14](#page=14). ### 1.4 Tests d'exploration des syndromes hépatiques #### 1.4.1 Test de cytolyse Révèle la lyse des hépatocytes par l'augmentation des transaminases ALAT et ASAT [14](#page=14). * Une augmentation < 10 fois la normale (< 10N) suggère des hépatites peu graves [14](#page=14) [17](#page=17). * Une augmentation > 10N est très grave, souvent liée à des hépatites fulminantes [14](#page=14) [17](#page=17). > **Tip:** La gravité d'une maladie hépatique n'est pas toujours corrélée à l'importance de la cytolyse. L'importance de l'augmentation des transaminases peut orienter vers des causes: alcoolisme, stéatose, hépatites chroniques (si < 10N); hépatites virales aiguës, médicamenteuses, ischémie hépatique (si > 10N). Une augmentation égale des ASAT et ALAT peut être un signe de gravité [14](#page=14) [16](#page=16) [17](#page=17). #### 1.4.2 Test de cholestase Caractérisé par un obstacle sur les voies biliaires, entraînant une rétention de bile. Il se manifeste par une augmentation des PAL, des γGT, et de la bilirubine conjuguée, avec une légère augmentation des transaminases (jusqu'à 2N). Le TP diminue par déficit en vitamine K, tandis que le facteur V reste normal. Les selles sont décolorées et le patient peut présenter un prurit [15](#page=15) [21](#page=21). #### 1.4.3 Test d'insuffisance hépato-cellulaire (IHC) Indique que le foie ne remplit plus ses fonctions, notamment la synthèse protéique [15](#page=15). * **Diminution de l'albumine:** Signe tardif d'IHC chronique et diffuse [15](#page=15). * **Facteurs de coagulation:** Une diminution du TP et du facteur V est un signe précoce et important d'IHC, le facteur V ayant une demi-vie courte [15](#page=15). * **Fibrinogène:** Sa diminution est observée en cas d'IHC diffuse aiguë ou chronique terminale [15](#page=15). L'IHC est retrouvée dans les hépatites fulminantes (intoxication médicamenteuse, champignons), les hépatites chroniques décompensées et les cirrhoses évoluées [15](#page=15). ### 1.5 Syndromes spécifiques #### 1.5.1 Ascite L'ascite est une accumulation de liquide dans la cavité péritonéale, avec trois causes principales [18](#page=18) [27](#page=27): 1. **Hypopression vasculaire / fuite d'eau:** Cirrhose (la plus fréquente), syndrome néphrotique, insuffisance cardiaque. L'ascite est pauvre en protéines [18](#page=18) [27](#page=27). 2. **Inflammation du péritoine:** Tuberculose péritonéale, carcinose. L'ascite est riche en protéines [18](#page=18) [27](#page=27). 3. **Obstacle sur l'axe porte ou cave:** Au-dessus du foie (riche en protides), dans ou sous le foie (pauvre en protides) [18](#page=18) [27](#page=27). > **Tip:** La ponction d'ascite se fait généralement en fosse iliaque gauche. L'utilisation d'un cathlon mou plutôt qu'une aiguille réduit le risque de blesser une anse intestinale. Le drainage se fait en déclive, sans aspiration, et l'administration d'albumine est recommandée pour l'équilibre hydro-électrolytique chez les cirrhotiques [19](#page=19). #### 1.5.2 Ictère Coloration jaune de la peau et des muqueuses due à une hyperbilirubinémie [19](#page=19). * **Ictère hémolytique / à bilirubine non conjuguée (BNC):** Causé par une hémolyse ou un défaut de conjugaison. BNC élevée, bilirubine conjuguée (BC) normale. Selles de coloration normale, urines claires, pas de prurit. L'haptoglobine est basse en cas d'hémolyse [21](#page=21) [7](#page=7). * **Ictère cholestatique / à bilirubine conjuguée (BC):** Obstacle sur les voies biliaires ou dysfonctionnement hépatique. BC élevée, bilirubine non conjuguée (BNC) normale. Selles blanches, urines foncées, prurit (dû à la remontée des acides biliaires). Les PAL et γGT sont augmentées, et les facteurs de coagulation vitamine K-dépendants diminuent [15](#page=15) [21](#page=21). * **Cholestase extra-hépatique:** Diagnostic par imagerie (cancer du pancréas, calcul du cholédoque, etc.) [21](#page=21). * **Cholestase intra-hépatique:** Diagnostic par imagerie ou histologie (hépatites, cirrhoses, tumeurs) [21](#page=21). > **Tip:** L'ictère du nouveau-né est physiologique si apparu quelques jours après la naissance et lié à l'immaturité enzymatique. Une augmentation de la bilirubine conjuguée est toujours pathologique chez le nouveau-né en raison de l'immaturité de la barrière hémato-encéphalique [22](#page=22). #### 1.5.3 Cirrhose Affection chronique diffuse du foie caractérisée par une fibrose remplaçant le tissu sain, souvent due à l'alcoolisme (50%), aux hépatites virales chroniques (B, C), ou à l'hémochromatose [22](#page=22) [27](#page=27). * **Complications:** Hypertension portale, insuffisance hépatique, carcinome hépatocellulaire (CHC) [22](#page=22). * **Stades:** Compensée (bilan biologique normal) ou décompensée (après une infection, par exemple) [22](#page=22). * **Diagnostic:** Interrogatoire (alcoolisme, antécédents), examen clinique (foie ferme, dur, hépatomégalie, signes d'IHC ou d'hypertension portale), examen biologique (pas de signe spécifique si compensée; si décompensée, recherche d'IHC avec facteurs de coagulation, albumine, fibrinogène). Des marqueurs comme la γGT élevée, le volume globulaire moyen augmenté, et un rapport ASAT/ALAT > 1 peuvent orienter vers l'alcoolisme, mais ne sont pas spécifiques [23](#page=23). * **Pronostic:** La diminution de l'albumine, du fibrinogène, du facteur V et de la pré-albumine est un signe de phase pré-terminale. La diminution de l'urée indique une phase terminale. Le risque de CHC est surveillé par le dosage de l'AFP [12](#page=12) [24](#page=24). * **Tests non invasifs de la fibrose:** Évaluent le stade de fibrose (F0 à F4) grâce à des marqueurs sanguins (ex: Fibrotest, Actitest). Ils évitent souvent la biopsie mais peuvent avoir des limites (20% de mauvais classements). Ils sont inutiles en cas d'hépatite aiguë, de décompensation, d'infection, d'inflammation chronique ou d'ictère [24](#page=24) [25](#page=25). ### 1.6 Choix et sélection des tests La recherche d'une cytolyse hépatique, suspectée en cas d'hépatite, repose sur l'anamnèse (facteurs de risque, mode de vie, médicaments), l'examen clinique (syndrome pseudo-grippal, ictère, urines foncées) et les signes biologiques. En cas d'hépatite virale, la cytolyse prédomine, souvent associée à une légère cholestase. L'augmentation des transaminases, leur cinétique, et la recherche de signes d'IHC guident le diagnostic et le pronostic. Pour les hépatites fulminantes, il faut rechercher des signes d'IHC sévères et d'encéphalopathie hépatique (ammoniémie élevée). Un bilan hépatique comprend principalement le dosage des transaminases, PAL, γGT, protéines plasmatiques et de coagulation, ainsi que la bilirubine [16](#page=16) [17](#page=17) [18](#page=18) [26](#page=26). **Tableau récapitulatif des syndromes biologiques hépatiques** [27](#page=27). | Syndrome | Test | Signes et interprétation | |---|---|---| | Cytolyse | Dosage des ALAT et ASAT | ↑ < 10N : hépatite peu grave
↑ > 10N : hépatite fulminante, grave
↑ molécules stockées (fer, vitB12, ferritine) | | Cholestase | Dosage des γGT, PAL, bilirubine conjuguée | ↑ γGT, PAL, BC
↓ TP (vitK-dépendant)
Selles décolorées, stéatorrhée, ↑ cholestérol | | IHC | Dosage albumine, fibrinogène, facteurs de coagulation | ↓ albumine (chronique)
↓ fibrinogène
↓ facteurs de coagulation (dont facteur V : signe de gravité) | --- # Syndromes biologiques hépatiques et leurs diagnostics Ce thème aborde les principaux syndromes biologiques révélant une atteinte hépatique : la cytolyse, la cholestase et l'insuffisance hépatocellulaire (IHC), ainsi que les tests biochimiques utilisés pour les identifier et évaluer leur gravité. ### 2.1 Principes généraux du bilan hépatique Le bilan hépatique est prescrit pour identifier, préciser la nature, la localisation ou la gravité d'une anomalie hépatique et pour suivre son évolution. Le foie, en tant que carrefour métabolique, est responsable de nombreuses fonctions essentielles, notamment la synthèse de protéines (sériques, de coagulation, inflammatoires), l'épuration de substances toxiques (ammoniac, bilirubine, alcool, xénobiotiques) et la sécrétion biliaire [26](#page=26). Les marqueurs biochimiques les plus couramment utilisés permettent de distinguer : * La cytolyse hépatique [26](#page=26). * La cholestase [26](#page=26). * L'insuffisance hépatocellulaire (IHC) [26](#page=26). * Les tumeurs primitives (non détaillé ici) Un bilan hépatique de routine comprend généralement le dosage de cinq paramètres principaux plus la bilirubine : * Les transaminases (ASAT et ALAT) [26](#page=26). * Les phosphatases alcalines (PAL) [26](#page=26). * Les gamma-glutamyltransférases (γGT) [26](#page=26). * Les protéines plasmatiques d'origine hépatique (albumine, facteurs de coagulation, fibrinogène) [26](#page=26). * La bilirubine [26](#page=26). Il est crucial d'analyser ces résultats en les rapportant toujours à la situation clinique spécifique du patient [26](#page=26). ### 2.2 Les différents syndromes biologiques hépatiques Il existe quatre types de syndromes biologiques hépatiques, dont trois sont détaillés dans ce document [26](#page=26). #### 2.2.1 Le test de cytolyse La cytolyse hépatique est caractérisée par la destruction des hépatocytes. Elle est révélée par une augmentation des activités enzymatiques des transaminases, l'ASAT (Aspartate Aminotransférase) et l'ALAT (Alanine Aminotransférase) [14](#page=14) [27](#page=27). * **Principe:** Dosage des transaminases (ASAT et ALAT) pour mettre en évidence une lyse cellulaire [14](#page=14). * **Interprétation :** * Une augmentation des transaminases de moins de 10 fois la normale (< 10N) suggère des hépatites peu graves [14](#page=14) [27](#page=27). * Une augmentation de plus de 10 fois la normale (> 10N) indique une situation très grave, souvent des hépatites fulminantes, nécessitant une prise en charge rapide et intensive [14](#page=14) [27](#page=27). * **Autres signes:** Peut s'accompagner d'une augmentation des molécules stockées dans le foie comme le fer sérique, la vitamine B12 et la ferritine [14](#page=14). * **Remarque importante:** La gravité de la maladie hépatique n'est pas toujours corrélée à l'importance de la cytolyse. Des transaminases très élevées ne signifient pas nécessairement une issue fatale, et inversement. La clinique est donc essentielle [14](#page=14). * **Dans le cas d'une hépatite virale:** La cytolyse prédomine et précède généralement la cholestase. Si ASAT et ALAT augmentent de manière égale, cela peut être un signe de gravité. Une augmentation préférentielle des ALAT indique une hépatite moins grave [16](#page=16). > **Tip:** En cas de suspicion d'hépatite, une recherche systématique des signes de cholestase et d'insuffisance hépatocellulaire doit être effectuée en parallèle [16](#page=16). #### 2.2.2 Le test de cholestase La cholestase correspond à un obstacle (comme une lithiase) sur les voies biliaires qui entraîne une rétention de la bile. La majorité des affections hépatiques présentent un certain degré de cholestase [15](#page=15). * **Principe:** Dosage des γGT, de la PAL et de la bilirubine conjuguée dans le sang [15](#page=15). * **Signes biologiques :** * Augmentation des PAL (jusqu'à 3-4 fois la normale) [15](#page=15). * Augmentation des γGT [15](#page=15). * Augmentation de la bilirubine conjuguée [15](#page=15). * Petite augmentation des transaminases (environ 2 fois la normale) [15](#page=15). * **Conséquences métaboliques :** * Diminution du Temps de Prothrombine (TP) par malabsorption de la vitamine K, entraînant une baisse des facteurs vitamine K-dépendants. Le facteur V, non vitamine K-dépendant, reste normal [15](#page=15). * Diminution de l'excrétion biliaire, pouvant mener à une augmentation de la synthèse de cholestérol, des triglycérides (TG) et des acides biliaires sériques [15](#page=15). * Stéatorrhée (malabsorption des graisses) [15](#page=15). * **Signes cliniques:** Selles décolorées [15](#page=15) [27](#page=27). * **Interprétation:** Si le facteur V diminue en cas de cholestase, cela indique un cas plus grave [26](#page=26). > **Tip:** La présence de selles décolorées est un signe d'orientation clé vers la cholestase. L'alternance de selles colorées et décolorées peut suggérer un calcul biliaire mobile [15](#page=15). #### 2.2.3 Le test d'insuffisance hépatocellulaire (IHC) L'insuffisance hépatocellulaire survient lorsque le foie ne remplit plus ses fonctions, notamment la synthèse des protéines d'origine hépatique. C'est une situation grave [15](#page=15). * **Principe:** Juger de la gravité d'une lésion hépatique et identifier les troubles de la synthèse protéique d'origine hépatique par des dosages spécifiques [15](#page=15). * **Marqueurs de synthèse protéique :** * **Albumine:** Sa diminution est un signe tardif d'IHC chronique et diffuse en raison de sa longue demi-vie. Son dosage est peu utile pour les hépatites aiguës [15](#page=15). * **Facteurs de coagulation :** * Le TP est diminué [15](#page=15). * La diminution du facteur V est un signe de gravité très précoce et important d'IHC, car il a une demi-vie très courte. C'est le reflet le plus fidèle d'une IHC [14](#page=14) [15](#page=15). * **Fibrinogène:** Son taux diminue en cas d'IHC diffuse aiguë ou chronique terminale. Il a une demi-vie longue, mais son diminution n'est observée que dans les cas très graves d'ictère ou d'IHC terminale [14](#page=14) [15](#page=15). * **Autres signes potentiels (non détaillés cette année) :** * Diminution de l'urée plasmatique au stade terminal d'IHC, car le foie ne peut plus la produire ni éliminer l'azote [15](#page=15). * **Contextes cliniques:** L'IHC est retrouvée dans les hépatites fulminantes (souvent d'origine médicamenteuse, comme le paracétamol), les hépatites chroniques (VHB, VHC), et les cirrhoses très évoluées [15](#page=15). > **Tip:** La diminution du facteur V est un signe biologique particulièrement précoce et significatif d'une atteinte hépatique sévère et d'une insuffisance hépatocellulaire [14](#page=14). ### 2.3 Exploration des syndromes biologiques hépatiques L'exploration des syndromes biologiques hépatiques suit un raisonnement basé sur l'interrogatoire, l'examen clinique et les signes biologiques [16](#page=16). #### 2.3.1 Recherche d'une cytolyse hépatique Elle est suspectée en cas d'hépatite [16](#page=16). * **Interrogatoire:** Recherche de facteurs de risque de contamination virale, antécédents personnels et familiaux, mode de vie (alcoolisme), consommation de médicaments (potentiellement hépatotoxiques, même le paracétamol ou la pilule contraceptive), exposition aux toxiques et consommation de champignons vénéneux [16](#page=16). * **Examen clinique:** Recherche d'un syndrome pseudo-grippal, fatigue, urines foncées, selles décolorées, fièvre, prurit [16](#page=16). * **Signes biologiques :** * Domination de la **cytolyse** avec augmentation des transaminases (ALAT et ASAT) pouvant aller de 2 à 100 fois la normale [16](#page=16). * Association fréquente d'une **petite cholestase** (marqueurs légèrement modifiés). La cytolyse prédomine et précède la cholestase [16](#page=16). * **Recherche de signes d'IHC** pour les cas sévères en phase aiguë, notamment par le dosage du TP et l'évaluation du facteur V. L'attention est également portée sur la quantité d'albumine non liée dans les affections aiguës [16](#page=16). * Au début d'une hépatite, on peut observer une augmentation de la bilirubine totale et des γGT, avec un taux normal de PAL. Par la suite, une augmentation de la bilirubine conjuguée et des PAL (qui restent cependant inférieures à 3 fois la normale) est constatée, avec une γGT toujours augmentée [16](#page=16). #### 2.3.2 Exploration de la cholestase Elle est recherchée parallèlement à la suspicion d'hépatite [16](#page=16). * **Signes biologiques:** Augmentation des γGT, PAL et bilirubine conjuguée [27](#page=27). * **Test de TP:** En cas de cholestase, le TP diminue en raison de la baisse des facteurs vitamine K-dépendants. Si le facteur V est normal, cela confirme un déficit en vitamine K et oriente vers une cholestase ou un problème d'absorption des graisses. Si le facteur V est diminué, cela suggère une lyse hépatique importante [13](#page=13) [14](#page=14). #### 2.3.3 Exploration de l'insuffisance hépatocellulaire (IHC) Elle est recherchée pour les cas sévères, graves et en phase aiguë [16](#page=16). * **Signes biologiques :** * Diminution du TP et du facteur V [16](#page=16). * Dosage du fibrinogène [16](#page=16). * La diminution de l'albumine est un signe tardif d'IHC chronique [15](#page=15). ### 2.4 Tableau récapitulatif des syndromes biologiques hépatiques | Syndrome | Test | Manifestations Biologiques | | :------------------- | :--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | :--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | **Cytolyse** | Dosage ↑ ALAT et ASAT | - Si ↑ < 10N : hépatite peu grave
- Si ↑ > 10N : hépatite fulminante, grave
↑ molécules stockées dans le foie : fer, vitB12, ferritine | | **Cholestase** | Dosage ↑ γGT, PAL et bilirubine conjuguée | ↓ TP (vitK-dep)
Selles décolorées, stéatorrhée et ↑ cholestérol | | **IHC** | | ↓ albumine (= chronique)
↓ fibrinogène
↓ facteurs de coagulation
↓ facteur V (= lyse hépatique importante) => signe de gravité | #### 2.4.1 Informations complémentaires sur des manifestations associées * **Ascite:** Peut avoir 3 grandes causes: hypopression vasculaire/fuite d'eau (cirrhose, syndrome néphrotique, insuffisance cardiaque), inflammation du péritoine (tuberculose, carcinose), ou obstacle sur l'axe porte/cave [27](#page=27). * **Ictère:** Coloration jaune due à une hyperbilirubinémie [27](#page=27). * **Ictère à bilirubine non conjuguée (BNC):** Hémolyse ou défaut de conjugaison. Selles normales, urines claires, pas de prurit. BNC ↑, BC normale [27](#page=27). * **Ictère à bilirubine conjuguée (BC) = cholestase:** Obstacle sur les voies biliaires ou atteinte des hépatocytes. Selles blanches, urines foncées, prurit. BC ↑ [27](#page=27). * **Cirrhose:** Maladie chronique du foie caractérisée par une fibrose progressive, principalement due à l'alcoolisme, mais aussi aux hépatites virales chroniques (B, C) ou à l'hémochromatose. Elle peut nécessiter une transplantation hépatique en cas d'insuffisance hépatique sévère [27](#page=27). --- # Manifestations cliniques et leurs diagnostics différentiels Ce thème explore les présentations cliniques majeures telles que l'ascite et l'ictère, et comment les analyses biologiques permettent d'identifier leur cause sous-jacente. ### 3.1 Manifestations cliniques #### 3.1.1 Hépatite fulminante L'hépatite fulminante est une forme grave d'hépatite caractérisée par des transaminases supérieures à 10 fois la normale. Elle se manifeste par des signes prononcés d'insuffisance hépatocellulaire et d'encéphalopathie hépatique, résultant de l'incapacité du foie à éliminer l'ammoniac. Une élévation significative de l'ammoniac peut mener au coma. Dans ce cas, le taux d'urée diminue car le foie ne peut plus le transformer, tandis que la créatine augmente. Le seul traitement curatif est la transplantation hépatique. Un risque hémorragique est également présent, associé à une diminution du taux de prothrombine (TP) et du facteur V. Les causes suspectées incluent les hépatites virales A ou B, ainsi que les intoxications au paracétamol ou aux amanites phalloïdes [18](#page=18). > **Tip:** Il est important de noter que le risque de développer une sclérose en plaques suite à la vaccination contre l'hépatite B n'existe pas. De plus, le virus de l'hépatite B est plus résistant à l'air libre que le VIH [18](#page=18). #### 3.1.2 L'ascite L'ascite est la présence de liquide dans la cavité péritonéale. Les trois causes les plus fréquentes sont [18](#page=18) [27](#page=27): 1. **Hypopression vasculaire / fuite d'eau**: Elle survient en raison d'une pression insuffisante dans les vaisseaux, observée dans la cirrhose (la cause la plus fréquente), le syndrome néphrotique ou l'insuffisance cardiaque. L'ascite est alors diluée et pauvre en protides [18](#page=18) [27](#page=27). 2. **Inflammation du péritoine**: Causée par la tuberculose péritonéale ou la carcinose péritonéale. Cette inflammation entraîne le relargage de protéines dans l'ascite, la rendant riche en protides [18](#page=18) [27](#page=27). 3. **Blocage sur l'axe porte ou cave** : * Si le blocage est **au-dessus du foie**, l'ascite est riche en protides [18](#page=18) [27](#page=27). * Si le blocage est **dans ou en dessous du foie**, l'ascite est pauvre en protides [18](#page=18) [27](#page=27). L'ascite est facilement détectable par échographie [18](#page=18). ##### 3.1.2.1 Ponction d'ascite La ponction d'ascite est un élément clé du diagnostic. Avant la ponction, il est essentiel de vérifier, par percussion, que la zone n'est pas occupée par la rate ou le tube digestif, le son ne devant pas être mat. Un risque fréquent est la ponction d'une veine de dérivation pariétale, provoquant un hématome de paroi. En cas de doute sur le volume ou si la percussion est tympanique, une échographie de repérage peut être utile. L'anesthésie locale n'est généralement pas nécessaire, sauf en cas de carcinose péritonéale où la ponction d'un cancer peut être douloureuse [19](#page=19). La ponction se fait préférentiellement en fosse iliaque gauche, car à droite se trouve le foie. En cas de splénomégalie importante, un repérage échographique peut indiquer une ponction à droite. Le point de ponction est situé entre l'ombilic et l'épine iliaque antéro-supérieure (EIAS), à deux tiers vers l'ombilic et un tiers vers l'EIAS, soit au niveau du tiers externe de cette ligne [19](#page=19) [27](#page=27). > **Attention:** L'hernie ombilicale peut piéger une anse grêle. Si cette dernière n'est pas repositionnée avant la ponction, le resserrement de l'ombilic lors du drainage peut entraîner sa nécrose. Pour éviter de blesser une anse intestinale, il est recommandé d'utiliser un cathlon (tube souple) plutôt qu'une aiguille. Le drainage doit se faire en système de déclive, sans aspiration, et une perfusion d'albumine peut être administrée pour stabiliser la pression et prévenir les risques hémodynamiques chez les patients cirrhotiques [19](#page=19). #### 3.1.3 L'ictère L'ictère est une coloration jaune de la peau et des muqueuses due à une hyperbilirubinémie. Il est d'abord visible au niveau conjonctival (subictère) lorsque la bilirubinémie totale est entre 25 et 50 micromoles par litre, puis devient cutané lorsque la bilirubinémie totale dépasse 50 micromoles par litre. La bilirubine conjuguée est le pigment responsable de la couleur brune des selles [19](#page=19). ##### 3.1.3.1 Types d'ictère Il existe deux situations principales d'excès de bilirubine [21](#page=21): 1. **Ictère hémolytique / Ictère à bilirubine non conjuguée (BNC)**: Causé par une hémolyse ou un défaut de conjugaison. La bilirubine non conjuguée (BNC) est augmentée, tandis que la bilirubine conjuguée (BC) est normale. Les selles sont normalement colorées, les urines claires et il n'y a pas de prurit. En cas d'hémolyse, l'haptoglobine est basse [21](#page=21) [27](#page=27). 2. **Ictère cholestatique / Ictère à bilirubine conjuguée (BC)**: Survient en cas d'obstacle en aval de la conjugaison de la bile ou de dysfonctionnement du pôle canaliculaire des hépatocytes. La bilirubine conjuguée ne rejoint pas le tube digestif, entraînant des selles blanches (décolorées). La BC est éliminée par les reins, d'où des urines foncées. Le prurit est fréquent en raison de la remontée des acides biliaires sous la peau [21](#page=21) [27](#page=27). > **Tip:** Chez le nouveau-né, un ictère physiologique est souvent présent en raison de l'immaturité enzymatique. Cependant, une élévation de la bilirubine conjuguée (BC) chez le nouveau-né est toujours considérée comme pathologique [27](#page=27). ##### 3.1.3.2 Diagnostic étiologique de l'ictère cholestatique Les signes biologiques incluent une augmentation des phosphatases alcalines (PAL) et des gamma-glutamyltransférases (γGT), ainsi qu'une baisse des facteurs de coagulation vitamine K-dépendants (le facteur V reste cependant normal). La diminution de la sécrétion biliaire est due à une cholestase, une obstruction des voies biliaires [21](#page=21) [27](#page=27). On distingue deux types de cholestases selon la localisation de l'obstacle : * **Cholestase extra-hépatique**: Le diagnostic se fait par imagerie. Les causes peuvent être néoplasiques (cancer de la tête du pancréas, ampullome vatérien, cancer des voies biliaires ou de la vésicule biliaire) ou un calcul du cholédoque [21](#page=21). * **Cholestase intra-hépatique**: Si l'atteinte concerne les gros canaux biliaires, le diagnostic est également fait par imagerie. Pour les petits ou moyens canaux biliaires, un diagnostic histologique (biopsie hépatique) est nécessaire. Les causes incluent les hépatites, les cirrhoses ou les tumeurs du foie [21](#page=21). ##### 3.1.3.3 Diagnostic différentiel de l'ictère * **Ictères hémolytiques**: Caractérisés par une destruction des hématies d'origine hématologique. Les selles sont normalement colorées, et il y a une hyperbilirubinémie libre avec une haptoglobine basse [21](#page=21). * **Syndrome de Gilbert**: Déficit en glucuronyl transférase (enzyme UGTA 1-A1) responsable de la conjugaison de la bilirubine. Ce déficit, présent chez environ 10% de la population, n'a généralement pas de retentissement quotidien. Cependant, lors d'une infection affectant le foie, les personnes atteintes peuvent présenter une légère coloration jaunâtre [21](#page=21). > **Important:** L'UGTA 1-A1 joue un rôle dans le métabolisme des médicaments. Les patients atteints du syndrome de Gilbert sont donc plus à risque de développer une toxicité médicamenteuse [21](#page=21). ### 3.2 Examens biologiques et diagnostics étiologiques Les examens biologiques jouent un rôle crucial dans l'identification de la cause des manifestations cliniques hépatiques. #### 3.2.1 Cytolyse hépatique La cytolyse, caractérisée par la lyse des hépatocytes, est réversible. Elle se manifeste par une élévation des ALAT et ASAT. Une élévation inférieure à 10 fois la normale (10N) suggère une hépatite peu grave. En revanche, une élévation supérieure à 10N indique une hépatite fulminante, grave. L'augmentation des molécules stockées dans le foie, telles que le fer, la vitamine B12 et la ferritine, peut également être observée [18](#page=18) [27](#page=27). #### 3.2.2 Cholestase La cholestase correspond à un blocage partiel ou total des voies biliaires. Les marqueurs biologiques incluent une élévation des γGT, des PAL et de la bilirubine conjuguée. On observe également une diminution du TP (dépendant de la vitamine K), une décoloration des selles, une stéatorrhée et une augmentation du cholestérol. Dans les cas de cirrhose chronique, l'albumine est diminuée. D'autres marqueurs de gravité incluent la baisse du fibrinogène, des facteurs de coagulation, et particulièrement du facteur V, qui signe une lyse hépatique importante [27](#page=27). #### 3.2.3 Cirrhose La cirrhose est une maladie chronique du foie marquée par une fibrose progressive du tissu hépatique. Ses causes principales sont l'alcoolisme (50% des cas), les hépatites virales chroniques (B et C), et les hémochromatoses. En présence d'une insuffisance hépatique sévère associée à la cirrhose, une transplantation peut être nécessaire. Divers tests non invasifs existent pour évaluer l'état de la fibrose [27](#page=27). --- # La cirrhose hépatique : diagnostic et pronostic Ce thème aborde la cirrhose hépatique, ses causes, son diagnostic, l'évaluation de la fibrose et son pronostic. ### 4.1 Définition et causes de la cirrhose La cirrhose est une affection chronique et diffuse du foie caractérisée par une fibrose progressive entourant des nodules de régénération. Elle résulte d'agressions répétées du foie qui entraînent la formation de cicatrices fibrotiques remplaçant le tissu sain sans en assurer les fonctions. Les causes les plus fréquentes incluent l'alcoolisme chronique (environ 50% des cas), les virus des hépatites B et C, les maladies métaboliques comme l'hémochromatose (surcharge en fer) et la maladie de Wilson (pathologie du cuivre) [22](#page=22) [24](#page=24) [27](#page=27). Il existe deux types morphologiques de cirrhose : * **Micronodulaire:** caractérisée par de petits nodules de régénération [22](#page=22). * **Macronodulaire:** caractérisée par de gros nodules et un foie bosselé [22](#page=22). ### 4.2 Diagnostic de la cirrhose Le diagnostic de la cirrhose peut être fortuit, découvert lors d'un bilan systématique, ou révélé par une de ses complications [23](#page=23). #### 4.2.1 Interrogatoire L'interrogatoire doit rechercher systématiquement la notion d'alcoolisme chronique, mais aussi explorer le mode de vie, les antécédents familiaux et personnels, ainsi que les facteurs de risque de contamination virale. Il est important de noter que les patients alcooliques ont tendance à sous-estimer leur consommation [23](#page=23). #### 4.2.2 Examen clinique L'examen clinique peut révéler une hépatomégalie avec une surface ferme, un bord tranchant. Les signes d'insuffisance hépatocellulaire (IHC) tels que les angiomes stellaires et l'érythrose palmaire, ainsi que les signes d'hypertension portale comme la splénomégalie et la circulation veineuse collatérale (CVC), doivent être recherchés [23](#page=23). #### 4.2.3 Examen biologique * **Cirrhose compensée:** Le bilan hépatique est généralement normal. Une légère augmentation des transaminases ou de la bilirubine peut être observée en cas de petite complication [23](#page=23). * **Cirrhose décompensée:** On observe une insuffisance hépatocellulaire. La diminution du taux d'albumine et de fibrinogène, protéines à demi-vie longue, reflète l'évolution chronique de l'atteinte hépatique. La recherche des facteurs de coagulation (facteur V, TP) est importante. Une numération formule sanguine (NFS) peut orienter vers un hypersplénisme lié à l'hypertension portale (HTP) par une diminution des plaquettes et une augmentation des polynucléaires neutrophiles (PNN) [23](#page=23). #### 4.2.4 Diagnostic étiologique L'interrogatoire et les examens biologiques aident à identifier la cause de la cirrhose [23](#page=23). * **Alcoolisme:** Des arguments incluent un taux de $\gamma$GT élevé, une augmentation du volume globulaire moyen, des transaminases avec un rapport ASAT/ALAT supérieur à 1, et un électrophorèse des protéines plasmatiques (EPP) montrant un bloc $\beta\gamma$ avec une augmentation des IgA [23](#page=23). * **Hépatites virales:** Recherche de marqueurs viraux. La positivité de l'antigène HBs signe la chronicité de l'hépatite B [23](#page=23). * **Hépatites auto-immunes:** Recherche d'anticorps anti-tissus [23](#page=23). * **Cirrhose biliaire primitive:** Recherche d'anticorps anti-mitochondries [23](#page=23). * **Hépatites médicamenteuses et toxiques:** Causes moins fréquentes [24](#page=24). * **Hépatites métaboliques :** * **Hémochromatose:** Dosages de fer, ferritine, saturation de la transferrine, et recherche de mutations du gène HFE [24](#page=24). * **Maladie de Wilson:** Cuprémie, cuprurie, céruléoplasmine [24](#page=24). ### 4.3 Évaluation de la fibrose Des tests non invasifs sont utilisés pour évaluer le stade de la fibrose (de F0 à F4) sans nécessiter de biopsie hépatique. Ces tests mesurent des marqueurs sanguins [24](#page=24). * **Marqueurs directs de la fibrose:** Acide hyaluronique et peptide NH2-terminal du procollagène de type III [24](#page=24). * **Marqueurs indirects:** ALAT, TP, plaquettes, Apo A1 [24](#page=24). #### 4.3.1 Fibrotest Ce test utilise cinq marqueurs : * Diminution de l'haptoglobine et de l'apolipoprotéine A1 [24](#page=24). * Augmentation de la $\gamma$GT, de la bilirubine totale et de l'$\alpha$2-macroglobuline en cas d'atteinte hépatique [24](#page=24). #### 4.3.2 Actitest Ce test évalue l'activité nécrotique de la fibrose [24](#page=24). > **Tip:** Il existe de nombreux tests de fibrose, dont la validation dépend de la population étudiée. Tous ne sont pas à mémoriser exhaustivement [24](#page=24). ### 4.4 Pronostic de la cirrhose Le pronostic dépend de la stabilité de la cirrhose et de l'importance de l'insuffisance hépatocellulaire (IHC) associée [24](#page=24). * **Phase pré-terminale:** Diminution de l'albumine, du fibrinogène, du facteur V et de la pré-albumine [24](#page=24). * **Phase terminale:** Diminution de l'urée, indiquant que le foie n'est plus capable d'assurer ses fonctions [24](#page=24). > **Tip:** Une cirrhose non associée à une IHC a un meilleur pronostic. L'association à une IHC sévère (<5-10% du foie fonctionnel) indique un mauvais pronostic, nécessitant souvent une transplantation [24](#page=24). La recherche de complications est cruciale pour le pronostic : * **Carcinome hépatocellulaire (CHC):** Dosage de l'$\alpha$-foetoprotéine [24](#page=24). * **Encéphalopathie hépatique hyper-ammoniaque:** Augmentation de l'ammoniac, qui est toxique et peut entraîner un coma lorsque le foie ne peut plus le métaboliser [24](#page=24). Une poursuite de l'intoxication alcoolique aggrave le pronostic et mène à des complications [24](#page=24). ### 4.5 Manifestations cliniques et biologiques associées à la cirrhose et ses complications | Syndrome | Manifestations cliniques | Examens biologiques | | :--------------- | :------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | :--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | **Cytolyse** | Réversible, signe d'atteinte des hépatocytes | ↑ ALAT et ASAT (si > 10N : hépatite fulminante) | | **Cholestase** | Selles décolorées, stéatorrhée, augmentation du cholestérol. Prurit en cas d'ictère cholestatique. | ↑ $\gamma$GT, PAL et bilirubine conjuguée; ↓ TP (facteurs vitamine K dépendants). | [21](#page=21) [27](#page=27). | **IHC** | Chronicité de l'atteinte hépatique. Diminution du volume du foie. | ↓ albumine; ↓ fibrinogène; ↓ facteurs de coagulation; ↓ facteur V (signe de gravité). | [23](#page=23) [27](#page=27). | **Ascite** | Accumulation de liquide dans la cavité péritonéale. | Les causes principales sont l'hypopression vasculaire (cirrhose), l'inflammation du péritoine, ou un obstacle sur l'axe porte/cave. L'analyse du liquide d'ascite (ponction) est utile. | [27](#page=27). | **Ictère** | Coloration jaune due à l'hyperbilirubinémie. | Voir section "Types d'ictère". | [27](#page=27). #### 4.5.1 Types d'ictère * **Ictère à bilirubine non conjuguée (BNC):** Causé par hémolyse ou défaut de conjugaison. Selles normales, urines claires, pas de prurit. BNC ↑, BC normale [21](#page=21) [27](#page=27). * **Ictère à bilirubine conjuguée (BC) / Cholestase:** Obstacle sur les voies biliaires ou atteinte des hépatocytes. Selles blanches, urines foncées, prurit [21](#page=21) [27](#page=27). > **Example:** L'ictère du nouveau-né est généralement physiologique dû à l'immaturité enzymatique, mais une augmentation de la bilirubine conjuguée est toujours pathologique et grave en raison du risque d'atteinte neurologique [22](#page=22). --- # Questions d'annales et QCMs Cette section regroupe les questions d'annales et les QCMs du cours, permettant de réviser les connaissances acquises sur le bilan hépatique et les pathologies associées [28](#page=28). ### 5.1 Questions d'annales (Session 1 2025) **Q1. Syndrome de cholestase** Un homme de 61 ans consulte pour un ictère et un prurit apparus 15 jours auparavant, sans autre symptôme. Les éléments biologiques évocateurs d'un syndrome de cholestase sont : * Une augmentation de l’activité sérique des phosphatases alcalines à 2 fois la normale [28](#page=28). * Une augmentation de l'activité sérique de la gamma glutamyltransférase à 5 fois la normale [28](#page=28). Les réponses incorrectes sont: une augmentation de la bilirubine non conjuguée sérique (suggère une hémolyse ou un défaut de conjugaison) une diminution du facteur V de la coagulation plasmatique (signe de gravité d'une atteinte hépatique sévère, pas un signe précoce de cholestase) et une augmentation de l’activité sérique des transaminases à 10 fois la normale (suggère une cytolyse hépatique) [28](#page=28). **Q2. Syndrome de cholestase - Caractéristiques** Le syndrome de cholestase est caractérisé par : * Une augmentation de la bilirubine conjuguée sérique [28](#page=28). * L'association classique d'un ictère et d'un prurit [28](#page=28). * La possibilité de compliquer une hépatite virale [28](#page=28). Il ne s'agit pas nécessairement d'une origine intrahépatique exclusive, et il n'est pas caractérisé par une diminution des facteurs de coagulation vitamine K dépendants sériques dans ses formes débutantes [28](#page=28). **Q3. Évaluation de la sévérité d'une cytolyse hépatique aiguë** Les paramètres biologiques permettant d'évaluer la sévérité d'une cytolyse hépatique aiguë sont : * L’activité sérique des transaminases [28](#page=28). * La concentration plasmatique du facteur V de la coagulation [28](#page=28). L'activité sérique de la gamma glutamyltransférase reflète davantage la cholestase, le score Actitest est un outil de quantification de la stéatose, et la concentration sérique de l’albumine est un marqueur de la fonction de synthèse hépatique à plus long terme [28](#page=28). **Q4. Métabolisme de la bilirubine** Concernant le métabolisme de la bilirubine : * Sa forme circulante dans le sang est liée à l’albumine [28](#page=28). * La stercobiline est le produit final de sa dégradation dans l’intestin [28](#page=28). * Au cours de l’ictère physiologique du nouveau-né, elle est augmentée sous sa forme non conjuguée dans le sang [28](#page=28). La bilirubine provient majoritairement du catabolisme extravasculaire de l'hémoglobine, et physiologiquement, sa concentration sanguine correspond majoritairement à sa forme non conjuguée circulante, la forme conjuguée étant principalement excrétée [28](#page=28). **Q5. Diagnostic de cirrhose hépatique** Les méthodes permettant de porter le diagnostic positif d’une cirrhose hépatique sont : * Le fibroscan® (élastométrie) [28](#page=28). * La ponction biopsie hépatique [28](#page=28). Le dosage sanguin d’acide hyaluronique et l’activité sérique des transaminases sont des marqueurs d'atteinte hépatique et de fibrose, mais ne permettent pas à eux seuls le diagnostic positif de cirrhose établie [28](#page=28). **Corrections des questions d'annales :** * Q1: AC [28](#page=28). * Q2: ABDE [28](#page=28). * Q3: AE [28](#page=28). * Q4: CDE [28](#page=28). * Q5: BCE [28](#page=28). ### 5.2 QCMs des RTs **Q1. Bilan hépatique** * **Vrai:** Le foie est le seul organe capable d’éliminer l’ammoniac [29](#page=29). * **Vrai:** Lors de l’exploration biochimique, une augmentation d’ASAT plus importante que l’augmentation d’ALAT est un marqueur de nécrose irréversible [29](#page=29). **Faux :** * L'hémolyse donne environ 5% de la bilirubine totale, non 15% [29](#page=29). * Une augmentation de la bilirubine non conjuguée indique une hémolyse non physiologique ou un défaut de glucoroconjugaison, et non une obstruction des voies biliaires (qui élève la bilirubine conjuguée) [29](#page=29). * Un facteur V à activité normale n'est pas un signe précoce d'affection hépatique aiguë en cas de trouble de la coagulation; un signe de cholestase ou de problème d'absorption des graisses est plus pertinent [29](#page=29). **Réponses correctes: AD** [29](#page=29). **Q2. Foie et voies biliaires** * **Vrai:** Une ascite due à un blocage dans le foie est pauvre en protides [29](#page=29). **Faux :** * Un ictère à la naissance n'est pas physiologique. Il peut survenir physiologiquement quelques jours après la naissance en raison de l'immaturité des enzymes de conjugaison [29](#page=29). * L’hyperpression vasculaire n’est pas la cause directe de l'ascite; c'est plutôt le manque de pression dans les veines (hypopression) qui peut mener à un reflux de liquide et à une ascite [29](#page=29). * Dans le cas d’un ictère hémolytique, les selles ne sont pas blanches; ce signe clinique est présent dans le cas d’un ictère cholestatique [29](#page=29). **Réponse correcte: B** [29](#page=29). **Q3. Tests d'évaluation de la fibrose** * **Vrai:** Nous disposons de tests sanguins spécifiques pour évaluer le stade de la fibrose hépatique, comme le Fibrotest [30](#page=30). **Faux :** * La biopsie hépatique, bien qu'un examen de référence, engendre trop de désagréments pour le patient pour être utilisée comme méthode de routine pour évaluer le stade de la fibrose [30](#page=30). * Le Fibrotest a environ 80% de corrélation avec la biopsie, et non 50% [30](#page=30). * Il existe de nombreux tests de fibrose car chacun est spécifique d’une population donnée ou d’un type de lésion, et leur développement vise à améliorer la fiabilité globale plutôt qu'à avoir un seul test universel [30](#page=30). **Réponse correcte: B** [30](#page=30). > **Tip :** Les questions d'annales et les QCMs sont d'excellents outils pour cibler les points clés du cours et s'entraîner à formuler des réponses précises, en particulier sur le bilan hépatique et les pathologies associées. > **Tip :** Portez une attention particulière aux distinctions entre les types de bilirubine (conjuguée/non conjuguée) et ce qu'elles indiquent cliniquement, ainsi qu'aux marqueurs spécifiques de la cholestase, de la cytolyse, et de la fonction de synthèse hépatique. > **Tip :** Lors de la révision, notez les erreurs commises dans les QCMs pour identifier vos lacunes et y revenir spécifiquement. --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Foie | Organe situé dans la partie supérieure droite de l'abdomen, essentiel à de nombreuses fonctions métaboliques, de synthèse, d'épuration et de sécrétion biliaire. | | Bilan hépatique | Ensemble d'examens biologiques réalisés pour évaluer la fonction et l'état de santé du foie, incluant le dosage d'enzymes, de protéines et de bilirubine. | | Cytolyse hépatique | Destruction des cellules hépatiques (hépatocytes), souvent révélée par une augmentation des transaminases sériques (ASAT et ALAT). | | Cholestase | Ralentissement ou arrêt du flux biliaire, généralement dû à un obstacle sur les voies biliaires, entraînant une accumulation de bile et une augmentation des phosphatases alcalines (PAL) et des gamma-GT (γGT). | | Insuffisance hépato-cellulaire (IHC) | État dans lequel les cellules du foie ne parviennent plus à assurer leurs fonctions essentielles de synthèse, d'épuration ou de métabolisme. | | Transaminases (ASAT et ALAT) | Enzymes intracellulaires impliquées dans le métabolisme des acides aminés. Leur augmentation dans le sang indique une lésion des cellules hépatiques. Les ALAT sont plus spécifiques du foie. | | Phosphatases alcalines (PAL) | Enzymes présentes dans divers tissus, notamment le foie et l'os. Leur augmentation est un marqueur de cholestase, mais peut aussi être due à des causes osseuses ou placentaires. | | Gamma-glutamyltransférase (γGT) | Enzyme membranaire principalement retrouvée au niveau du foie. Son augmentation est un signe sensible de cholestase et peut aussi être observée dans l'alcoolisme chronique et la stéatose hépatique. | | Protéines plasmatiques d'origine hépatique | Protéines synthétisées par le foie, dont l'albumine (transporteur majeur) et les facteurs de coagulation, dont les taux peuvent indiquer une altération de la fonction hépatique. | | Albumine | Protéine plasmatique majeure synthétisée par le foie, jouant un rôle dans la pression oncotique et le transport de nombreuses substances. Sa diminution est un signe tardif d'insuffisance hépatique chronique. | | Facteurs de coagulation | Protéines produites par le foie nécessaires à la formation du caillot sanguin. Leur dosage, notamment le Temps de Prothrombine (TP), est essentiel pour évaluer la fonction hépatique et la présence d'une carence en vitamine K. | | Vitamine K | Vitamine liposoluble indispensable à la synthèse de certains facteurs de coagulation hépatiques. Une malabsorption peut entraîner des troubles de la coagulation. | | Facteur V | Facteur de coagulation non dépendant de la vitamine K. Sa diminution est un signe précoce et important de gravité d'une insuffisance hépato-cellulaire. | | Fibrinogène | Facteur de coagulation avec une demi-vie longue. Sa diminution est observée dans les atteintes hépatiques chroniques terminales ou les ictères très graves. | | Bilirubine | Pigment jaune issu de la dégradation de l'hème. Elle existe sous deux formes : non conjuguée (libre) et conjuguée. Son taux élevé dans le sang (hyperbilirubinémie) cause l'ictère. | | Ictère | Coloration jaune de la peau et des muqueuses due à une hyperbilirubinémie. Il peut être à bilirubine non conjuguée (hémolytique) ou à bilirubine conjuguée (cholestatique). | | Ascite | Accumulation anormale de liquide dans la cavité péritonéale, souvent associée à une cirrhose, une insuffisance cardiaque ou des pathologies péritonéales. | | Cirrhose | Affection chronique et diffuse du foie caractérisée par une fibrose progressive et la formation de nodules de régénération, conduisant à une altération de la fonction hépatique. | | Fibrose hépatique | Processus de cicatrisation du foie caractérisé par une accumulation de tissu conjonctif, qui peut évoluer vers la cirrhose. | | Tests non invasifs de la fibrose | Examens sanguins (comme le Fibrotest) permettant d'évaluer le degré de fibrose hépatique sans recourir à une biopsie. | | Hépatite | Inflammation du foie, souvent causée par des virus (hépatites A, B, C...), des toxiques (médicaments, alcool) ou des mécanismes auto-immuns. | | Hépatite fulminante | Forme rare et grave d'hépatite aiguë entraînant une nécrose massive du foie et une insuffisance hépato-cellulaire sévère. |

# Structuur en eigenschappen van aminen Dit onderwerp behandelt de fundamentele structuur, polariteit, oplosbaarheid en waterstofbrugvorming van aminen, evenals hun kenmerkende geuren en diverse biologische en synthetische toepassingen. ### 1.1 Structuur en basische eigenschappen Aminen zijn organische verbindingen die afgeleid zijn van ammoniak ($NH_3$), waarbij één of meer waterstofatomen zijn vervangen door alkyl- of arylgroepen [1](#page=1). ### 1.2 Polarisatie en oplosbaarheid Aminen zijn polaire verbindingen. Hun oplosbaarheid in water is over het algemeen goed, mits de koolstofketen niet te lang is [1](#page=1). ### 1.3 Waterstofbrugvorming Primaire ($R-NH_2$) en secundaire ($R_2NH$) aminen kunnen waterstofbruggen (H-bruggen) met elkaar en met water vormen. Dit draagt bij aan hun oplosbaarheid en kookpunten [1](#page=1). > **Tip:** De mogelijkheid tot waterstofbrugvorming is direct gerelateerd aan de aanwezigheid van waterstofatomen gebonden aan het stikstofatoom. Tertiaire aminen ($R_3N$) kunnen geen H-bruggen vormen met zichzelf, maar wel met water als acceptoren. ### 1.4 Geur en rottingsprocessen Aminen staan bekend om hun onaangename geuren. De geur van rotte vis en bedorven vlees wordt significant veroorzaakt door amines zoals putrescine en cadaverine [1](#page=1). ### 1.5 Biologische en synthetische toepassingen Aminen spelen diverse rollen in biologische systemen en worden ook synthetisch toegepast. #### 1.5.1 Aminozuren en eiwitten De best bekende aminen in de natuur zijn aminozuren ($NH_2$-CHR-COOH). De aminogroep is essentieel voor de H-brugvorming die de driedimensionale structuur van eiwitten in stand houdt [1](#page=1). #### 1.5.2 Nitrosaminen Bij verhitting van eiwitrijk voedsel in aanwezigheid van nitriet (bv. in pekelzout) kunnen in het zure milieu van de maag nitrosaminen gevormd worden. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij het bakken van spek en ham. Studies suggereren dat nitrosaminen kankerverwekkend zijn [1](#page=1). De algemene reactie voor de vorming van nitrosaminen is: $$ R-NH_2 + N=O \rightarrow R-NH-N=O $$ amine \quad\quad nitrosamine #### 1.5.3 Nicotine Nicotine is een alkaloïde die in hoge concentraties in de bladeren van de tabaksplant voorkomt [2](#page=2). #### 1.5.4 Histamine Histamine is een hormoon dat vrijkomt bij allergische reacties en symptomen veroorzaakt zoals jeuk, zwelling van de huid, hooikoorts en astma. Voedingsmiddelen zoals tomaten, aardbeien, garnalen en chocolade kunnen histamine vrijmaken in het lichaam en zo allergische reacties uitlokken [2](#page=2). #### 1.5.5 Adrenaline en gerelateerde verbindingen Het hormoon adrenaline (epinefrine) wordt in de bijnieren gevormd en leidt tot verhoogde lichamelijke activiteit. Synthetische analogen van adrenaline, zoals efedrine (gebruikt in neusdruppels) en amfetamine (een pepmiddel), worden soms als doping door sporters gebruikt [2](#page=2). > **Voorbeeld:** Aminen die gevormd worden bij gistings- en rottingsprocessen, zoals tyramine, fenylethylamine en serotonine, komen voor in gerijpte kazen zoals Brie, Camembert en Emmenthaler [1](#page=1). --- # Indeling en functies van koolhydraten Dit deel introduceert koolhydraten als biomoleculen, hun algemene formule, synthese via fotosynthese en hun diverse functies in organismen, waaronder energieopslag en structurele ondersteuning. ## 4. Koolhydraten of sachariden Koolhydraten, ook wel sachariden of suikers genoemd, zijn de meest voorkomende biomoleculen op aarde en bestaan chemisch uit de elementen koolstof (C), waterstof (H) en zuurstof (O), met de algemene formule $C_m(H_2O)_n$, waarbij $n \geq 3$. De term 'koolhydraat' is historisch gegroeid, maar niet strikt chemisch correct, aangezien het niet gaat om hydraten van koolstof. Ze worden gesynthetiseerd in planten via fotosynthese, waarbij chlorofyl een sleutelrol speelt in de omzetting van water en koolstofdioxide naar glucose en zuurstof. Glucose ($C_6H_{12}O_6$) is de meest voorkomende suiker, essentieel voor het metabolisme van levende organismen en functioneert als energiebron [6](#page=6). ### 4.1.1 Functies Koolhydraten vervullen diverse cruciale functies in organismen. Oorspronkelijk werden ze voornamelijk gezien als energiebronnen (bv. glucose, zetmeel) of structurele componenten (bv. cellulose). Hedendaags wordt echter erkend dat de structurele variëteit van suikers een significante rol speelt in biologische processen zoals cel-celherkenning [7](#page=7). * **Energieopslag:** Planten slaan glucose op als zetmeel, dat snel kan worden afgebroken tot glucose voor energie. In zoogdieren wordt zetmeel in de darm eveneens afgebroken tot glucose voor opname in het bloed. Glucose is de primaire koolhydraat en energiebron in het bloed van gewervelde dieren. Lever en spieren kunnen glucose opslaan als glycogeen als reserve [7](#page=7). * **Structurele componenten:** Polysachariden vormen structurele elementen in celwanden van bacteriën (mureïne) en planten (cellulose), en in het exoskelet van arthropoden [7](#page=7). * **Genetische informatie:** Ribose en 2-deoxy-ribose zijn essentiële componenten van de basisskeletten van nucleïnezuren en hun conformationele flexibiliteit is belangrijk voor het bewaren en uiten van genetische informatie [7](#page=7). * **Celcommunicatie:** Koolhydraten die covalent gebonden zijn aan lipiden (glycolipiden) of eiwitten (glycoproteïnen), maken deel uit van celmembranen (proteoglycanen) en spelen een rol in cel-celherkenning [7](#page=7). * **Energiemolecuul:** Adenosinetrifosfaat (ATP), de primaire energiedrager in cellen, bevat ribose als suikermolecuul [7](#page=7). ### 4.1.2 Indeling Koolhydraten worden ingedeeld in drie hoofdgroepen, gebaseerd op het aantal enkelvoudige suikereenheden waaruit ze zijn opgebouwd [7](#page=7): * **Monosachariden:** Enkelvoudige suikers [7](#page=7). * **Oligosachariden:** Bestaan uit een beperkt aantal monosacharide-eenheden, typisch tussen 3 en 9 [7](#page=7). * **Polysachariden:** Bestaan uit vele monosacharide-eenheden, 10 of meer [7](#page=7). > **Tip:** De indeling van koolhydraten is cruciaal voor het begrijpen van hun verschillende functies en eigenschappen. > **Tip:** De algemene formule $C_m(H_2O)_n$ is een handige, maar vereenvoudigde weergave. De daadwerkelijke structuur en rangschikking van atomen is bepalend voor de eigenschappen van specifieke suikers. > **Tip:** Hoewel de term 'koolhydraat' niet strikt chemisch accuraat is, is deze ingeburgerd en wordt algemeen gebruikt in de wetenschap [6](#page=6). --- # Monosachariden: structuur, isomerie en reacties Monosachariden zijn de eenvoudigste koolhydraten, die dienen als bouwstenen voor complexere suikers en een cruciale rol spelen in biologische processen. ### 3.1 Chemische aard en classificatie Monosachariden zijn polyhydroxy-aldehyden of polyhydroxy-ketonen, bestaande uit een koolstofketen met op elk koolstofatoom, op één na, een hydroxylgroep (-OH). De overgebleven koolstofatoom draagt een aldehyde- of ketogroep [9](#page=9). #### 3.1.1 Alifatische monosachariden Deze monosachariden komen voor als open ketens en worden geclassificeerd op basis van twee criteria [9](#page=9): * **Chemische aard van de carbonylgroep:** * **Aldosen:** De carbonylgroep is een aldehyde (-CHO). * **Ketonen:** De carbonylgroep is een keton (C=O). * **Aantal koolstofatomen:** * Trioses (3 C-atomen) * Tetroses (4 C-atomen) * Pentoses (5 C-atomen) * Hexoses (6 C-atomen) * Heptoses (7 C-atomen) * Enzovoort [9](#page=9). Veel suikers staan echter bekend onder hun triviale namen [9](#page=9). | # C-atomen | Aldose | Ketose | | :--------- | :----------- | :---------- | | 4 | Aldotetrose | Ketotetrose | | 5 | Aldopentose | Ketopentose | | 6 | Aldohexose | Ketohexose | | 7 | Aldoheptose | Ketoheptose | | 8 | Aldo-octose | Keto-octose | Tabel 3.1 Naamgeving van monosachariden [9](#page=9). Alifatische monosachariden worden weergegeven met behulp van de Fisherprojectie [9](#page=9). **Regels voor Fisherprojectie:** 1. De koolstofketen wordt verticaal gehouden, met de functionele groep (aldehyde of keton) bovenaan [10](#page=10). 2. Verticale bindingen wijzen naar achteren, horizontale bindingen naar voren [10](#page=10). 3. De structuur wordt in een vlak geprojecteerd; chirale koolstofatomen zijn de snijpunten van horizontale en verticale bindingen [10](#page=10). ##### 3.1.1.1 Aldosen Het eenvoudigste aldotriose is glyceraldehyde, dat één chiraal centrum heeft. Dit leidt tot twee mogelijke ruimtelijke oriëntaties, stereo-isomeren die elkaars spiegelbeeld zijn: enantiomeren. Deze zijn optisch actief en draaien gepolariseerd licht in tegengestelde richtingen [10](#page=10). * **D-glyceraldehyde:** De hydroxylgroep op het meest chiraal koolstofatoom staat naar rechts in de Fisherprojectie [10](#page=10). * **L-glyceraldehyde:** De hydroxylgroep op het meest chiraal koolstofatoom staat naar links in de Fisherprojectie [10](#page=10). De meeste suikers in de natuur hebben een D-configuratie [11](#page=11). ##### 3.1.1.2 Ketonen Ketonen hebben hun ketofunctie meestal op C2. Het meest eenvoudige ketotriose is dihydroxyaceton [12](#page=12). ##### 3.1.1.3 Naamgeving van belangrijke monosachariden Enkele belangrijke monosachariden zijn fructose (fruitsuiker), glucose (dextrose, druivensuiker) en galactose [13](#page=13). > **Voorbeeld:** D-Glucose, D-Galactose en D-Fructose zijn bekende voorbeelden [13](#page=13). ### 3.2 Cyclische monosachariden Monosachariden kunnen intramoleculair hemi-acetaal (bij aldosen) of hemiketaal (bij ketosen) vormen door reactie tussen de carbonylgroep en een hydroxylgroep. Dit leidt tot de vorming van vijfringen (furanoses) of zesringen (pyranoses) [13](#page=13). * **Furanose:** Een vijfringstructuur, afgeleid van furaan [13](#page=13). * **Pyranose:** Een zesringstructuur, afgeleid van pyraan [13](#page=13). Bij cyclisatie ontstaat een nieuw asymmetrisch koolstofatoom, de anomere koolstof. Dit resulteert in twee anomeren [14](#page=14): * **α-anomeer:** Bij D-suikers staat de nieuwe hydroxylgroep naar beneden gericht [14](#page=14). * **β-anomeer:** Bij D-suikers staat de nieuwe hydroxylgroep naar boven gericht [14](#page=14). De nieuwe hydroxylgroep aan de anomere koolstof wordt de anomere of glycosidische hydroxyl genoemd. Cyclische suikers worden vaak weergegeven met de Haworthprojectie, waarbij het zuurstofatoom in de ring rechtsboven wordt geplaatst [14](#page=14). > **Tip:** De cyclische vormen zijn in waterige oplossingen de meest stabiele en voorkomende vormen van monosachariden [15](#page=15). ### 3.3 Mutarotatie Mutarotatie is het verschijnsel waarbij een cyclische monosacharide in een waterige oplossing transformeert tussen de α- en β-anomeren, via de open ketenstructuur [15](#page=15). * Bij D-glucose wordt de β-vorm energetisch als meest gunstig beschouwd en komt dus in hogere concentratie voor in evenwicht [15](#page=15). * De furanosevorm en de open ketenstructuur komen bij evenwichtsinstelling slechts in zeer geringe mate voor [15](#page=15). * Bij fructose en ribose is de furanosevorm energetisch gunstiger en aanwezig rond de 30% [15](#page=15). ### 3.4 Oxidatie en reductie Monosachariden kunnen oxidatie- en reductiereacties ondergaan [16](#page=16). * **Oxidatie:** Aldehydes in aldosen kunnen geoxideerd worden tot carbonzuren (bv. D-glucose tot gluconzuur). Monosachariden die geoxideerd kunnen worden, worden **reducerende suikers** genoemd [16](#page=16). * **Reductie:** Een aldehyde of keton kan gereduceerd worden tot een alcohol. De gereduceerde vormen van suikers worden **polyolen** genoemd en eindigen op "-itol" [16](#page=16). * D-glucose → sorbitol * D-mannose → mannitol * D-ribose → ribitol * D-fructose → sorbitol en mannitol Bij de reductie van ketonen, zoals D-fructose, kunnen twee diastereoisomeren ontstaan (sorbitol en mannitol). Polyolen zijn minder zoet dan sucrose, bevatten minder calorieën en worden gebruikt als zoetstof, maar overmatig gebruik kan laxerend werken [16](#page=16) [17](#page=17). > **Voorbeeld:** Sorbitol komt voor in fruit en wordt minder snel door mondbacteriën omgezet, wat gunstig is voor het gebit [17](#page=17). ### 3.5 Enkele belangrijke monosachariden #### 3.5.1 D(+)-Glucose Ook bekend als dextrose of druivensuiker, is het meest voorkomende monosacharide. Het is een aldohexose en de oplossing is rechtsdraaiend. Het is een bouwsteen voor veel koolhydraten [17](#page=17). #### 3.5.2 D(-)-Fructose Vruchtensuiker of levulose genoemd, is een sterk linksdraaiend ketohexose. Het is zoeter dan glucose en veroorzaakt minder snel cariës, waardoor het een interessant dieetsubstituut is voor diabetici omdat er minder insuline voor nodig is. Fructose komt vaak gekoppeld aan glucose voor als sucrose. Hydrolyse van sucrose levert een mengsel van glucose en fructose, bekend als invertsuiker. High fructose corn syrup (HFCS) wordt geproduceerd door enzymatische omzetting van glucose uit zetmeel en is een populair zoetmiddel [17](#page=17) [18](#page=18). #### 3.5.3 Andere aldohexosen * **D- en L-Galactose:** Bouwsteen van lactose (melksuiker) en aanwezig in zenuwweefsel als onderdeel van cerebrosiden [18](#page=18). * **D-Mannose:** Bouwsteen van het polysacharide mannaan, een bestanddeel van de koffieboon [18](#page=18). #### 3.5.4 Andere aldopentosen * **L-arabinose:** Bouwsteen van hemicellulose en diverse gommen [18](#page=18). * **D-xylose (houtsuiker):** Bereid uit xylan in hout en stro, en kan als zoetstof voor diabetici dienen [18](#page=18). * **D-ribose:** Essentieel bestanddeel van ribonucleïnezuren (RNA), adenosinefosfaten en enzymen [18](#page=18). * **2-deoxy-D-ribose:** Een variant van D-ribose die voorkomt in DNA [18](#page=18). --- # Disachariden en hogere oligosachariden Dit deel behandelt de structuur, vorming en eigenschappen van disachariden en hogere oligosachariden, inclusief hun natuurlijke voorkomen en toepassingen. ### 4.1 Disachariden Disachariden zijn de eenvoudigste vorm van oligosachariden en bestaan uit twee monosacharide-eenheden die covalent aan elkaar gebonden zijn via een glycosidische binding. Bij de vorming van deze binding komt water vrij, wat duidt op een condensatiereactie. De hemi-acetaalgroep van het ene monosacharide wordt omgezet in een acetaalgroep, waardoor het gereduceerde monosacharide geen reducerende eigenschappen meer bezit. De reducerende eigenschappen van het disacharide zijn afhankelijk van of het tweede monosacharide nog een vrije hemi-acetaalgroep heeft [19](#page=19). Belangrijke disachariden zijn maltose, isomaltose, cellobiose, lactose en sacharose (sucrose). Ze verschillen in hun samenstellende monosachariden en de aard van de glycosidische binding [19](#page=19). #### 4.1.1 Maltose Maltose, ook bekend als moutsuiker, wordt gevormd door de werking van speeksel α-amylase op zetmeel. Het is opgebouwd uit twee D-glucose-eenheden die via een α-(1,4)-glycosidische binding aan elkaar gekoppeld zijn. De binding vindt plaats tussen koolstof 1 van het ene glucosemolecuul en koolstof 4 van het andere. Vanwege de vrije C1-hydroxylgroep op het tweede glucose-residu, is maltose een reducerend suiker [21](#page=21). #### 4.1.2 Isomaltose Isomaltose ontstaat wanneer zetmeel, dat naast α-1,4-bindingen ook α-1,6-bindingen bevat, gedeeltelijk wordt afgebroken. Isomaltose bestaat uit twee D-glucopyranose-eenheden die via een α-(1,6)-binding aan elkaar gebonden zijn. Maltose wordt gesplitst door het enzym maltase (α1,4-glucosidase), terwijl isomaltose wordt gesplitst door isomaltase (α1,6-glucosidase) [22](#page=22). #### 4.1.3 Cellobiose Cellobiose is de bouwsteen van cellulose en bestaat uit twee D-glucopyranose-eenheden die via een β-(1,4)-glycosidische binding aan elkaar gekoppeld zijn. Het ontstaat bij de afbraak van cellulosevezels door enzymen of zuren. Het menselijk lichaam maakt geen cellobiase aan en kan cellulose dus niet verteren. Onverteerde vezels blijven in het darmkanaal en dragen bij aan een goede darmtransit door hun bulkvormend karakter. Herkauwers kunnen cellulose wel verteren dankzij micro-organismen in hun maag die cellobiase produceren [23](#page=23) [24](#page=24). #### 4.1.4 Lactose Lactose, ook bekend als melksuiker, is het disacharide dat in de melk van zoogdieren voorkomt. Het is opgebouwd uit een βD-galactopyranose-eenheid en een D-glucopyranose-eenheid, verbonden door een β-(1,4)-glycosidische binding. De binding vindt plaats tussen de C1-hydroxylgroep van galactose en de C4-hydroxylgroep van glucose. Door de vrije C1-hydroxylgroep van glucose, die kan mutaroteren, is lactose een reducerend suiker. Lactose wordt gevormd in de melkklier en is ook een veelgebruikte vulstof in de farmaceutische industrie [24](#page=24) [25](#page=25). #### 4.1.5 Saccharose Sucrose, ook bekend als saccharose of riet-/bietsuiker, is wijdverspreid in het plantenrijk. Het bestaat uit een αD-glucopyranose-eenheid en een βD-fructofuranose-eenheid, verbonden door een 1α-2β-binding. De binding treedt op tussen de C1-hydroxylgroep van glucose en de C2-hydroxylgroep van fructose. Aangezien beide glycosidische OH-groepen niet meer vrij zijn, vertoont sucrose geen reducerende eigenschappen. Bij hydrolyse van sucrose ontstaat een equimolair mengsel van glucose en fructose, wat leidt tot inversie van de optische rotatie; dit mengsel wordt invertsuiker genoemd [25](#page=25). #### 4.1.6 Lactulose Lactulose is een synthetisch disacharide, bestaande uit galactose en fructose, dat niet door de mens wordt verteerd. Het wordt in de darm door microbioom omgezet tot melkzuur en fungeert als een mild laxeermiddel [26](#page=26). #### 4.1.7 Trehalose Trehalose komt voor in champignons, paddenstoelen en insecten en is opgebouwd uit glucosemoleculen verbonden door een 1,1-alpha-glycosidische binding. De naam "trehalose" is afgeleid van "Trehala manna," de coconnetjes van de kever Trehala manna, die voornamelijk uit trehalose bestaan en mogelijk de "manna" uit de bijbel waren [26](#page=26). ### 4.2 Hogere oligosachariden Hogere oligosachariden zijn korte ketens van 3 tot 9 monosacharideen, die langer zijn dan disachariden maar korter dan polysachariden. Ze ontstaan meestal door gedeeltelijke afbraak van polysachariden [27](#page=27). #### 4.2.1 Dextrinen Dextrinen zijn korte suikers die ontstaan door partiële hydrolyse van zetmeel. Het zijn mengsels van lineaire α-(1,4)-verbonden D-glucosepolymeren die vaak beginnen met een α-(1,6)-binding. Dextrinen worden gevormd in de mond door speeksel α-amylase, tijdens het mouten van gerst, bij het bakken van brood (bijdragend aan smaak, kleur en knapperigheid), en industrieel door pyrolyse van zetmeelpoeder onder zure omstandigheden (pyrodextrinen) [27](#page=27). Dextrinen worden gebruikt als wateroplosbare lijmen, verdikkingsmiddelen, stijfsel en als verbeteraar van de knapperigheid van voedingsproducten [27](#page=27). * **Maltodextrine:** Dit is een zetmeelsuiker met een korte keten, geproduceerd door enzymatische hydrolyse van gegelatineerd zetmeel. Het is een crème-wit, hygroscopisch poeder dat even gemakkelijk verteerbaar is als glucose en matig zoet of smaakloos kan zijn. Maltodextrine wordt gebruikt als "bulkproduct" in zoetstoffen [27](#page=27). * **Cyclodextrinen:** Dit zijn cyclische dextrinen, gevormd door de afbraak van zetmeelketens door bacteriën zoals *Bacillus macerans*. Ze bestaan uit vijf of meer glucose-residuen die in een ringvorm met elkaar verbonden zijn. De meest voorkomende cyclodextrinen zijn α-cyclodextrine (zes eenheden), β-cyclodextrine (zeven eenheden) en γ-cyclodextrine (acht eenheden). Cyclodextrinen kunnen apolaire stoffen oplossen in water doordat deze stoffen zich nestelen in de holte van de ring, waardoor een supramoleculair complex ontstaat dat als geheel polair is [28](#page=28). Toepassingen van cyclodextrinen omvatten: * **Farmaceutische industrie:** Transport van lipofiele geneesmiddelen door waterige omgevingen [28](#page=28). * **Textielindustrie:** De neutraliserende werking van producten zoals Febreze®, die gebaseerd is op hydroxypropyl-β-cyclodextrine (HPβCD) dat geurtjes bindt en afschermt [28](#page=28). * **Voedingsindustrie:** Productie van cholesterolvrije voedingsmiddelen en voedingssupplementen op basis van α-CD als hulp bij vermagering [28](#page=28). #### 4.2.2 Raffinose, stachyose en verbascose Deze oligosachariden bestaan uit sucrose verbonden met één, twee of drie galactose-eenheden. De bindingen hierin kunnen niet door de mens worden gesplitst. Ze komen voor in peulvruchten, rozijnen en zemelen en zijn substraat voor intestinale bacteriële fermentatie [29](#page=29). #### 4.2.3 Fructo-oligosachariden (FOS) en Galacto-oligosachariden (GOS) * **Fructo-oligosachariden (FOS):** Bestaan uit fructose-eenheden gekoppeld aan glucose, komen voor in granen en groenten en worden gevormd door de afbraak van het polysacharide inuline. FOS komen met name voor in cichorei en aardpeer. Ze zijn niet verteerbaar door de mens en onderhevig aan bacteriële fermentatie in het colon, waar ze een prebiotisch effect uitoefenen door de groei van specifieke bacteriën te stimuleren [29](#page=29). * **Galacto-oligosachariden (GOS):** Bestaan uit galactose-eenheden gekoppeld aan glucose. Ze komen voor in melk en kunnen enzymatisch worden geproduceerd uit lactose [29](#page=29). > **Tip:** Probiotica zijn levende bacteriën met een positief gezondheidseffect. Prebiotica zijn niet-verteerbare ingrediënten die selectief de groei van "goede" bacteriën in het colon stimuleren [29](#page=29). --- # Polysachariden: structuur, functies en reacties Polysachariden zijn complexe koolhydraten opgebouwd uit vele monosacharide-eenheden, die een cruciale rol spelen als energieopslag, structuurcomponenten en in diverse biologische processen [30](#page=30). ### 5.1 Algemene kenmerken van polysachariden Polysachariden zijn polymeren bestaande uit tien of meer monosacharide-eenheden. Ze zijn wijdverbreid in de natuur en worden enzymatisch aangemaakt door planten, micro-organismen en hogere diersoorten. Hun functies variëren van reservemateriaal tot de opbouw van cel- en weefselstructuren [30](#page=30). #### 5.1.1 Classificatie van polysachariden Polysachariden kunnen worden geclassificeerd op basis van hun samenstelling, oorsprong en functie [30](#page=30): * **Naar samenstelling:** * **Homopolysachariden:** Opgebouwd uit één enkele soort monosacharide [30](#page=30). * **Heteropolysachariden:** Samengesteld uit meerdere soorten monosachariden [30](#page=30). * **Naar oorsprong:** * Bacteriële polysachariden [30](#page=30). * Plantaardige polysachariden [30](#page=30). * Dierlijke polysachariden [30](#page=30). * **Naar functie:** * Structuurpolysachariden [30](#page=30). * Waterbindende polysachariden [30](#page=30). * Reservepolysachariden [30](#page=30). De glycosidebindingen die de monosacharide-eenheden verbinden, kunnen worden verbroken door zure hydrolyse of specifieke enzymen, resulterend in disachariden of monosachariden. In de voedingsleer worden ze soms onderverdeeld in zetmeel- en niet-zetmeelpolysachariden, waarbij voorbeelden van niet-zetmeelpolysachariden inuline, cellulose, hemicellulose, pectine, gommen en β-glucanen zijn [30](#page=30). ### 5.2 Belangrijke polysachariden #### 5.2.1 Zetmeel Zetmeel is een primair plantaardig reservepolysacharide dat voorkomt in wortels, zaden en knollen, met name in graankorrels en aardappelen. Het is slecht oplosbaar in koud water, maar zwelt sterk in warm water. Het colloïdaal oplosbare deel na lang koken wordt amylose genoemd [32](#page=32). * **Amylose:** * Vormt 10-20% van zetmeel [32](#page=32). * Is onvertakt en bestaat uit 200 tot 2000 monomeren van $\alpha$-D-glucose, verbonden door $\alpha$-1,4-bindingen [32](#page=32). * Vormt een spiraalstructuur met 6 monomeren per omwenteling, die een typisch blauw complex vormt met jodium (I$_2$) [32](#page=32). * **Amylopectine:** * Vormt 80-90% van zetmeel [33](#page=33). * Is sterk vertakt, met $\alpha$-1,6-bindingen die optreden ongeveer om de 25 eenheden, wat resulteert in een boomstructuur [33](#page=33). * Bevat 250 tot 5000 glucose-eenheden per molecule [33](#page=33). De afbraak van zetmeel vindt plaats door enzymen: * $\alpha$-Amylase knipt $\alpha$-1,4-bindingen tot oligosachariden zoals maltose en maltotriose [33](#page=33). * Isomaltase ($\alpha$-D-glucosidase) breekt $\alpha$-1,6-bindingen af, wat leidt tot de vorming van glucose [33](#page=33). * Maltase hydrolyseert maltose-eenheden in twee glucose-eenheden via een $\alpha$-1,4-binding [33](#page=33). De toegankelijkheid van zetmeel voor verteringsenzymen varieert: * **Vers gekookt zetmeel:** Zwelt en vormt een gelatine-achtige structuur, goed toegankelijk voor enzymen [34](#page=34). * **Rauw zetmeel:** Ongeldig voor vertering omdat het in zetmeelkorrels, omgeven door celwanden, zit [34](#page=34). * **Resistent zetmeel:** Zetmeel dat door diverse processen ontoegankelijk is. Het heeft gezondheidsvoordelen zoals fermentatie in het colon, bevordering van "goede" micro-organismen, verbeterde insulinegevoeligheid, langer verzadigd gevoel en een zachtere stoelgang [34](#page=34). > **Tip:** Resistent zetmeel wordt niet volledig afgebroken in de dunne darm, wat bijdraagt aan de genoemde gezondheidsvoordelen [34](#page=34). #### 5.2.2 Glycogeen Glycogeen is het belangrijkste reservepolysacharide bij mens en dier, opgeslagen in de lever (tot 80 gram) en spieren (tot 450 gram) bij volwassenen. Het is een zeer lang, vertakt polymeer van glucose, met ongeveer 25.000 monomeren per molecule. De lineaire ketens bevatten $\alpha$-1,4-bindingen, terwijl $\alpha$-1,6-vertakkingen optreden om de 3 tot 4 monomeren. Glycogeen vertoont veel gelijkenis met amylopectine, maar is nog sterker vertakt [35](#page=35). #### 5.2.3 Cellulose Cellulose is het primaire structuurpolysacharide in de celwand van planten, goed voor meer dan 50% van de totale organische koolstof in de biosfeer. Hout bestaat voor de helft uit cellulose, en katoen is nagenoeg zuiver cellulose. Cellulose is een gestrekte keten van $\beta$-1,4-gebonden glucose-eenheden. De $\beta$-bindingen maken de vorming van zeer lange ketens mogelijk met een hoge spanningskracht. Waterstofbruggen tussen en in de ketens zorgen voor stabiliteit, waarbij elementaire fibrillen zich vormen tot microfibrillen, de basis van plantencelwanden [36](#page=36). In tegenstelling tot de $\alpha$-bindingen in zetmeel, kan de $\beta$-binding geen helixstructuur vormen, waardoor cellulose onoplosbaar is in water. Mensen missen het specifieke enzym voor de afbraak van $\beta$-1,4-bindingen, waardoor cellulose onverteerbaar is. Herkauwers kunnen cellulose wel verteren dankzij symbiotische micro-organismen. In de voeding heeft cellulose een waterbindend vermogen, vergroot het darminhoudsvolume, verzacht de stoelgang en helpt obstipatie voorkomen. Het komt veel voor in groenten, fruit, peulvruchten en volkorenbrood [36](#page=36). #### 5.2.4 Inuline Inuline is een verzamelnaam voor fructanen, oligomeren van fructose, vaak met saccharose als basisbouwsteen. Extra fructose-eenheden zijn via $\beta$-2,1-glycosidische bindingen verbonden. De ketenlengte kan oplopen tot ongeveer 60 fructose-eenheden, maar de gemiddelde lengte is rond de 10 eenheden, waardoor het meer een oligo- dan een polysacharide is. Inuline komt voor in wortels van o.a. cichorei, aardpeer en artisjok. Het wordt gecommercialiseerd als prebioticum, omdat het in de dikke darm wordt gefermenteerd door specifieke bacteriën (zoals bifidobacteriën) met het enzym inulinase. Deze fermentatie produceert organische zuren (melkzuur, barnsteenzuur, boterzuur, propionzuur, azijnzuur) en gassen (waterstofgas, koolstofdioxide), wat kan leiden tot flatulentie en verzuring van de darm, wat het overleven van pathogene bacteriën bemoeilijkt [37](#page=37). #### 5.2.5 Andere polysachariden * **Dextranen:** Glucosepolymeren gevormd door micro-organismen, voornamelijk met $\alpha$1,6-bindingen en $\alpha$1,3-vertakkingen. Ze kunnen zeer lang zijn (3-3000 kilodalton). Dextranen, gevormd door bacteriën in de mondholte uit sucrose, vormen de basis van tandplak. Ze zijn sterk waterbindend en vormen viskeuze gelen [38](#page=38). * **Pectinen:** Hoofdbestanddeel van plantaardige celwanden, zorgt voor celadhesie. Ze hebben een groot geleervermogen en worden gebruikt in de voedingsindustrie, bv. bij confituur en gelei [38](#page=38). * **Agar (agarose):** Afkomstig uit algen (roodwieren), wordt gebruikt voor geleiproductie en als versteviging van voedingsbodems in de microbiologie [39](#page=39). * **Gommen:** Plantaardige polysachariden met een sterk waterbindend vermogen, gebruikt als verdikkingsmiddel in de voedingsindustrie. Voorbeelden zijn carrageen, guargom, Arabische gom, tragacanthgom, natriumalginaat en xanthaangom [39](#page=39). * **$\beta$-glucanen:** Vertakte, onverteerbare glucosepolymeren in granen (haver, gerst) en paddenstoelen (shiitake, oesterzwammen). Ze binden met water, vormen een gel in het maag-darmstelsel, vertragen maaglediging en nutriëntenresorptie, en worden gebruikt ter promotie van immuniteit [39](#page=39). ### 5.3 Rol in voedselverwerking en spijsvertering Polysachariden zoals zetmeel vormen een belangrijk onderdeel van de menselijke voeding als energiebron. De verteerbaarheid van zetmeel wordt beïnvloed door de structuur en de bereidingswijze. Niet-verteerbare polysachariden zoals cellulose en inuline spelen echter ook een rol in de spijsvertering door hun vezelachtige eigenschappen, waterbindend vermogen, en hun effect op het darmmicrobioom (#page=34, 36, 37). Pectinen, gommen en agar worden veelvuldig gebruikt in de voedingsindustrie vanwege hun geleervermogen en waterbindende eigenschappen (#page=38, 39) [32](#page=32) [34](#page=34) [36](#page=36) [37](#page=37) [38](#page=38) [39](#page=39). ### 5.4 Hydrolyse en degradatie De afbraak van polysachariden vindt plaats via hydrolyse, waarbij glycosidebindingen worden verbroken. Specifieke enzymen, zoals amylasen en glucosidasen, zijn essentieel voor de afbraak van zetmeel en glycogeen. De $\beta$-1,4-bindingen in cellulose zijn resistent tegen menselijke enzymen. De fermentatie van niet-verteerbare polysachariden door darmbacteriën leidt tot de productie van korte-keten vetzuren en gassen [33](#page=33) [36](#page=36) [37](#page=37). > **Voorbeeld:** De hydrolyse van amylose door $\alpha$-amylase resulteert in maltose en maltotriose [33](#page=33). > **Voorbeeld:** Inuline wordt door $\beta$-2,1-glycosidische bindingen gekenmerkt en vereist het enzym inulinase voor afbraak, dat aanwezig is in bepaalde darmbacteriën [37](#page=37). --- # Glycosidische bindingen en glycoconjugaten Dit deel behandelt de vorming en het belang van glycosidische bindingen, met een focus op glycoproteïnen en glycolipiden, en hun cruciale rol in biologische herkenningsprocessen, bloedgroepen en celcommunicatie [40](#page=40) [41](#page=41) [42](#page=42) [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46). ### 6.1 De glycosidische binding De anomere groepen van suikers kunnen condenseren met een alcohol, resulterend in de vorming van een α- of β-glycoside. De binding die hierbij ontstaat tussen het anomere koolstofatoom van de suiker en de alcohol wordt een glycosidische binding genoemd. Deze bindingen hydrolyseren traag, tenzij specifieke enzymen, glycoside hydrolasen, aanwezig zijn om de reactie te versnellen [40](#page=40). Chemisch gezien zijn glycosiden opgebouwd uit een 'glycon' (het suikergedeelte) en een 'aglycon' (het niet-suikergedeelte). Classificatie kan gebaseerd zijn op [40](#page=40): * **Glycon:** Dit verwijst naar de aard van het suikercomponent. Glucose is het meest voorkomende glycon, maar ook galactose, ramnose en langere suikerketens kunnen voorkomen, leidend tot termen als glucosiden of ramnosiden. Verdere onderverdeling kan gebaseerd zijn op het aantal suikereenheden: mono-, di-, en triglycosiden [40](#page=40). * **Type verbinding:** Dit onderscheid is gebaseerd op de functionele groep van het aglycon waarmee het glycon een binding vormt. De vier hoofdtypen zijn O-glycosiden (binding via een hydroxylgroep), S-glycosiden of thioglycosiden (binding via een thiolgroep), N-glycosiden of nitroglycosiden (binding via een aminogroep) en C-glycosiden (binding direct aan een koolstofatoom) [40](#page=40). * **Aglycon:** Deze classificatie is het meest praktisch voor biochemische en farmacologische toepassingen en omvat categorieën zoals glycoproteïnen (suikers gebonden aan eiwitten) en glycolipiden (suikers gebonden aan lipiden) [40](#page=40). > **Tip:** Begrijp de terminologie rondom 'glycon' en 'aglycon' om de verschillende soorten glycosiden te kunnen classificeren [40](#page=40). ### 6.2 Glycoproteïnen Glycoproteïnen zijn eiwitten waaraan mono- of oligosachariden zijn gekoppeld. Het suikergehalte kan variëren van 1% tot wel 90% van het totale molecuulgewicht. Ze komen in alle levensvormen voor en hebben diverse functies, waaronder als enzymen, receptoren, hormonen en structurele eiwitten. De polypeptideketen wordt genetisch gecodeerd, waarna de suikerketens enzymatisch worden toegevoegd. Deze post-translationele modificatie resulteert vaak in variabele suikersamenstellingen [41](#page=41). Geglycosyleerde eiwitten zijn voornamelijk membraaneiwitten en eiwitten die door de cel worden uitgescheiden (gesecreteerd). De koppeling van suikers aan het eiwit kan op twee manieren gebeuren [41](#page=41): * **N-glycosylering:** Hierbij wordt de oligosacharideketen via een N-acetylglucosamine (GlcNAc) residu covalent gebonden aan het amidestikstofatoom van de zijketen van een asparagine residu [41](#page=41). * **O-glycosylering:** Het meest voorkomende type is de binding van een disacharide, β-galactosyl(1-3)-α-N-acetylgalactosamine, aan de hydroxylgroep van serine of threonine. Andere voorbeelden zijn galactose, mannose en xylose die O-glycosiden vormen. Bij collageen is galactose gebonden aan 5-hydroxylysine residuen. De lengte van O-gebonden ketens varieert sterk, van een monosacharide in collageen tot wel 1000 disachariden in proteoglycanen [41](#page=41). **Speciaal type glycoproteïnen: Proteoglycanen** Proteoglycanen zijn complexe structuren bestaande uit eiwitten en glycosaminoglycanen (GAGs) die een belangrijke rol spelen in de extracellulaire matrix. Ze vertonen een "flessenborstelstructuur" waarbij de "borstelvezels" (GAGs) niet-covalent gebonden zijn aan een hyaluronzuurruggengraat. De GAGs, voornamelijk chondroïtinesulfaat en kerataansulfaat, zijn via O-glycosylering gebonden aan een kerneiwit ("core protein"). Kleinere oligosachariden kunnen ook via N-glycosylering aan het kerneiwit hechten [42](#page=42). De omvang van proteoglycanen is enorm: een hyaluronzuurstreng kan tot honderd kerneiwitten dragen, die op hun beurt honderden tot duizenden disachariden van GAGs bevatten. Deze uitgestrekte, polyanionische structuur zorgt voor een hoge waterbinding en veerkracht, wat essentieel is voor weefsels zoals kraakbeen. In kraakbeen vullen proteoglycanen (aggrecaan) het netwerk van collageenvezels en zorgen voor schokabsorptie door waterdynamiek. Beweging is cruciaal voor de voeding van kraakbeen, aangezien dit weefsel geen bloedvaten bevat [42](#page=42). > **Voorbeeld:** De veerkrachtigheid van kraakbeen is grotendeels te danken aan de hydrofiele eigenschappen van proteoglycanen, die water aantrekken en vasthouden [42](#page=42). ### 6.3 Glycolipiden Glycolipiden zijn lipiden waaraan een suikerdeel is gekoppeld. Ze bevinden zich typisch aan de buitenzijde van celmembranen, waar het suikergedeelte naar de extracellulaire ruimte wijst. De associatie en dissociatie van koolhydraten met membraanfosfolipiden worden gereguleerd door enzymen zoals glycosyltransferasen en glycosylhydrolasen. De suikercomponenten fungeren als herkenningsplaatsen voor signaleringsmoleculen, dragen bij aan membraanstabiliteit en faciliteren cel-cel interacties [44](#page=44). Veel glycolipiden zijn opgebouwd rond het aglycon ceramide, waaraan vervolgens een suikerdeel is gebonden. Afhankelijk van de aard en lengte van het suikergedeelte, worden ze onderverdeeld in [44](#page=44): * **Cerebrosiden:** Deze bevatten korte, onvertakte suikerketens (minder dan 5 eenheden), meestal bestaande uit glucose, galactose en N-acetylgalactosamine [44](#page=44). * **Gangliosiden:** Deze hebben complexere suikerketens en bevatten negatief geladen N-acetylneuraminezuur (siaalzuur) residuen [44](#page=44). Andere lipiden, zoals sterolen (steroïdglycosiden) en glycerol (glyceroglycosiden), kunnen ook als aglycon dienen [44](#page=44). ### 6.4 Oligosachariden van glycolipiden en glycoproteïnen in herkenningsprocessen De oligosacharideketens van glycoproteïnen en glycolipiden spelen een cruciale rol in biologische herkenningsprocessen. Eén eiwit kan zowel N- als O-gebonden suikers dragen, en variaties in de sequentie, locatie en aantal suikers (glycovormen) leiden tot heterogeniteit. Hoewel glycosylering niet altijd essentieel is voor de functie, is het in andere gevallen cruciaal voor de stabiliteit en activiteit van het eiwit [45](#page=45). De diverse structuurmogelijkheden van suikerketens, inclusief vertakkingen, bieden een enorm potentieel voor het dragen van biologische informatie, mogelijk zelfs meer dan eiwitten en nucleïnezuren. Unieke suikercombinaties zijn betrokken bij cel-cel communicatie. Alle cellen hebben aan hun buitenzijde glycoconjugaten (glycoproteïnen en glycolipiden) die dienen als herkenningssignalen [45](#page=45). **Voorbeelden van herkenningsprocessen:** 1. **Witte bloedcellen en endotheelcellen:** Bij infecties of weefselbeschadiging moeten witte bloedcellen door de endotheellaag van bloedvaten dringen. Binding tussen deze cellen wordt gefaciliteerd door de herkenning van glycoproteïnen op de witte bloedcellen door selectines op de endotheelcellen. Dit natuurlijke afweermechanisme wordt geactiveerd wanneer nodig; een verstoorde regulatie kan leiden tot chronische ontsteking [45](#page=45). 2. **Bevruchting:** Spermacellen van zoogdieren herkennen specifieke suikerpatronen op glycoproteïnen aan de buitenwand van de eicel, wat binding en activering voor bevruchting mogelijk maakt [46](#page=46). 3. **Bloedgroepen (ABO-systeem):** Het onderscheid tussen bloedgroepen A, B en O is gebaseerd op de glycosylering van glycolipiden op celmembranen (niet op rode bloedcellen) [46](#page=46). * Iedereen heeft de machinerie om het basis O-antigeen te maken [46](#page=46). * Bloedgroep A: een extra galactosamineresidu wordt aan het O-antigeen gebonden [46](#page=46). * Bloedgroep B: een extra galactose wordt aan het O-antigeen gebonden [46](#page=46). * Bloedgroep AB: personen bezitten genen voor zowel A- als B-antigen productie [46](#page=46). * Antilichamen: Personen met bloedgroep A en O hebben antilichamen tegen B-antigen, terwijl personen met B en O antilichamen tegen A-antigen hebben. Personen met bloedgroep AB hebben geen antilichamen tegen A of B [46](#page=46). * Transfusie-implicaties: Transfusie van A naar B (of vice versa) leidt tot een immunogene reactie en agglutinatie. Type O bloed is een universele donor, terwijl type AB een universele ontvanger is [46](#page=46). > **Tip:** Begrijp de basisstructuur van de ABO-antigenen en de bijbehorende antilichamen om transfusiecomplicaties te verklaren [46](#page=46). --- # Reacties van koolhydraten en lipiden in voedingsmiddelen Dit onderwerp behandelt de chemische reacties die koolhydraten en lipiden ondergaan in voedingsmiddelen, met een focus op hydrolyse, degradatie en de Maillardreactie voor koolhydraten, en diverse degradatieprocessen voor lipiden, inclusief preventieve maatregelen en industriële toepassingen zoals hydrogenering. ### 7.1 Reacties van koolhydraten in levensmiddelen Koolhydraten kunnen diverse veranderingen ondergaan in voedingsmiddelen, vooral wanneer er veel water aanwezig is, wat kan leiden tot hydrolysaties en degradaties. Bovendien zijn koolhydraten, met name mono- en disachariden, een goede energiebron voor de groei van micro-organismen, waardoor voedingsmiddelen met een hoge water-suikerverhouding ideale groeibodems zijn voor ongewenste bacteriën [47](#page=47). #### 7.1.1 Hydrolyse Hydrolyse is het proces waarbij polysachariden worden gesplitst in kortere deeltjes (oligo- en monosachariden) onder invloed van water en een katalysator zoals enzymen of zuren. Zetmeel wordt bijvoorbeeld afgebroken door amylasen [47](#page=47): * **α-Amylase:** Een endo-enzym dat glycosidische ketens "knipt" in fragmenten van drie of meer glucose-eenheden [47](#page=47). * **β-Amylase:** Een exo-enzym dat maltose afsplitst vanaf de reducerende uiteinden van de ketens [47](#page=47). Voor de verdere afbraak van glucose is maltase en oligo-1,6-glucosidase nodig [47](#page=47). > **Example:** Wanneer aardappelen worden ingevroren, wordt hun celwand beschadigd. Het enzym amylase komt vrij en breekt zetmeel af. De resulterende kleinere oligo- of monosachariden smaken zoeter dan het oorspronkelijke zetmeel [47](#page=47). #### 7.1.2 Degradatie Bij verhitting van suikers, droog of in geconcentreerde oplossing, treden bruinverkleuringen op en ontstaat een specifiek aroma door diverse afbraakreacties die leiden tot de vorming van nieuwe producten met een karakteristieke smaak en aroma, zoals karamelaroma [48](#page=48). **De Maillardreactie:** De degradatie van suikers verloopt aanzienlijk sneller in de aanwezigheid van eiwitten of eiwitafgeleiden. De vrije aminogroepen van eiwitten vormen glycosidische bindingen met suikers, wat resulteert in de Maillardreactie, beschreven door L.C. Maillard. Kenmerkend voor deze reactie zijn bruinverkleuring en de vorming van specifieke aroma's [48](#page=48). De Maillardreactie is verantwoordelijk voor de bruinverkleuring bij de bereiding van diverse voedingsmiddelen: * **Bierbereiding:** Kleur- en smaakstoffen tijdens het mouten ontstaan door Maillard-omzettingen tussen aminozuren en suikers, die enzymatisch uit eiwitten en zetmeel zijn afgesplitst [48](#page=48). * **Bakken & braden:** De bruine kleur van brood, beschuit, gebakken vis en gebraden vlees is het resultaat van de Maillardreactie [48](#page=48). **Ongewenste Maillardreacties en preventieve maatregelen:** Soms is bruinverkleuring ongewenst, bijvoorbeeld tijdens het steriliseren van melk (lactose reageert met eiwitten) of bij het bewaren van melkpoeder (lijmige of kartonsmaak, verminderde oplosbaarheid, geelbruine verkleuring). Ook de toevoeging van glucose aan ham of bacon kan na verloop van tijd leiden tot bruinverkleuring [48](#page=48). Om ongewenste bruinverkleuringen tegen te gaan, kunnen de volgende maatregelen genomen worden: * **Bewaren bij lage temperatuur:** De Maillardreactie verloopt trager bij lagere temperaturen [48](#page=48). * **pH-verlaging tijdens bewaren:** De reactie is sterk pH-afhankelijk. Na bewaring kan de pH hersteld worden door toevoeging van bicarbonaat [48](#page=48). * **(Bi)sulfiet:** Dit is een zeer effectief remmend middel, ook in kleine hoeveelheden, hoewel het in de jaren 80-90 vervangen is door andere middelen [48](#page=48). ### 7.2 Reacties van vetten in levensmiddelen Lipiden, ook wel "vetachtigen" genoemd, omvatten stoffen zoals vetzuren, vetten, wassen, oliën, zepen, detergentia en steroïden. Ze kenmerken zich door een lange koolstofketen, waardoor ze goed oplosbaar zijn in apolaire organische solventen maar niet in water, omdat ze geen waterstofbruggen kunnen vormen [59](#page=59). De leerdoelen met betrekking tot reacties van vetten in voedingsmiddelen omvatten het benoemen van verschillende reacties, het uitleggen van maatregelen om vetdegradatie tegen te gaan, en het verklaren van de industriële toepassing van hydrogenering [57](#page=57). #### 7.2.1 Degradatie van vetten Vetdegradatie kan leiden tot ranzigheid. De belangrijkste reacties die bij vetten kunnen optreden, zijn [58](#page=58): * **Hydrolyse:** De splitsing van triglyceriden in glycerol en vetzuren [58](#page=58). * **Oxidatie:** Vooral van onverzadigde vetzuren, wat leidt tot de vorming van aldehyden en ketonen met onaangename geuren en smaken [58](#page=58). * **Polymerisatie:** Vorming van langere ketens uit vetzuren, vaak door oxidatieprocessen [58](#page=58). #### 7.2.2 Maatregelen tegen vetdegradatie Om de degradatie van vetten tegen te gaan, kunnen diverse maatregelen genomen worden [57](#page=57): * **Gebruik van antioxidantia:** Stoffen die de oxidatie van vetten remmen [58](#page=58). * **Bewaren bij lage temperatuur:** Vertraagt reactiesnelheden [48](#page=48). * **Bescherming tegen licht en zuurstof:** Vooral belangrijk voor onverzadigde vetten die gevoelig zijn voor oxidatie [58](#page=58). #### 7.2.3 Industriële toepassingen: Hydrogenering Hydrogenering is een proces dat in de industrie wordt toegepast om vetten te harden. Hierbij worden onverzadigde vetzuren omgezet in verzadigde vetzuren door de toevoeging van waterstof, vaak in aanwezigheid van een katalysator zoals nikkel. Dit proces verhoogt het smeltpunt van de vetten, waardoor vloeibare oliën kunnen worden omgezet in vaste of semi-vaste vetten die geschikter zijn voor toepassingen zoals margarineproductie. Een bijkomend effect van hydrogenering kan de vorming van transvetzuren zijn, wat de voedingswaarde kan beïnvloeden [57](#page=57) [58](#page=58). --- # Zoetstoffen en hun eigenschappen Dit deel classificeert en beschrijft zoetstoffen, waaronder klassieke suikers, intensieve en extensieve zoetstoffen, hun zoetkracht, calorische waarde en geschiktheid voor diabetici. ### 8.1 Fysische eigenschappen van sachariden Monosachariden zijn goed oplosbaar in water; de oplosbaarheid neemt af met toenemende ketenlengte van het sacharide. Zoetstoffen hebben een zoete smaak, waarbij het zoetend vermogen samenhangt met de oplosbaarheid en dus afneemt met de ketenlengte. Suikers met verschillende asymmetrische koolstofatomen zijn optisch actief en draaien het polarisatievlak van gepolariseerd licht, wat gebruikt kan worden voor concentratiebepaling of identificatie van suikers, mits de oplossing slechts één optisch actief product bevat [49](#page=49). ### 8.2 Indeling van zoetstoffen Zoetstoffen worden onderverdeeld in drie hoofdgroepen: klassieke, natuurlijke suikers, intensieve zoetstoffen en extensieve zoetstoffen [50](#page=50). #### 8.2.1 Klassieke, natuurlijke suikers Klassieke zoetstoffen omvatten natuurlijke suikers zoals sucrose en glucosestroop, die veelal worden gebruikt in zoetwaren. Het zoetend vermogen wordt vaak vergeleken met sacharose, waaraan een waarde van "1" wordt toegekend op een arbitraire schaal. Stoffen met een zoetend vermogen groter dan 1 vereisen minder gewichtseenheden voor hetzelfde zoeteffect, terwijl stoffen met een vermogen kleiner dan 1 meer gewichtseenheden vereisen [50](#page=50). Tabel 4.3 Zoetend vermogen van courante mono- en disachariden: * Sacharose: 1 [50](#page=50). * Fructose: 1.15 [50](#page=50). * Tagatose: 0.92 [50](#page=50). * Glucose: 0.70 [50](#page=50). * Maltose: 0.50 [50](#page=50). * Lactose: 0.40 [50](#page=50). Glucose (druivensuiker, dextrose) en fructose (vruchtensuiker) zijn monosachariden die in fruit en groenten voorkomen. Lactose (melksuiker) is een disacharide van glucose en galactose, aanwezig in melkproducten. Maltose (moutsuiker) is eveneens een disacharide [50](#page=50). Sucrose (sacharose) is een disacharide van glucose en fructose, bekend als tafelsuiker, verkregen uit suikerriet of -biet. Het komt van nature voor in fruit en wordt vaak toegevoegd aan voedingsmiddelen en dranken, waarbij het bijdraagt aan structuur, kleur en houdbaarheid [51](#page=51). Tagatose kan als alternatief voor sucrose worden gebruikt, met een chemische structuur vergelijkbaar met fructose. Het kan worden verkregen uit lactose, waarbij een deel (galactose) chemisch wordt behandeld tot een zoet smakende stof die minder goed wordt opgenomen in de dunne darm dan gewone suiker. Tagatose levert slechts 38% van de calorieën van sacharose en heeft een minimaal effect op de bloedglucose- en insulinespiegels. Het wordt als tandvriendelijk beschouwd en wordt vaak gebruikt als bulkstof in combinatie met intensieve zoetstoffen vanwege de relatief lage zoetkracht [51](#page=51). #### 8.2.2 Intensieve zoetstoffen Intensieve zoetstoffen hebben een aanzienlijk hoger zoetend vermogen dan suiker, met een verwaarloosbare calorische waarde. Ze zijn een alternatief voor suiker voor mensen die hun suikerinname willen beperken, bijvoorbeeld bij overgewicht, diabetes of om calorieën te besparen [51](#page=51). Tabel 4.4 Zoetend vermogen van intensieve zoetstoffen: * Sucralose: 600 [51](#page=51). * Stevioside: 600 [51](#page=51). * Sacharine: 300-500 [51](#page=51). * Acesulfaam K: 150-200 [51](#page=51). * Aspartaam: 150-200 [51](#page=51). * Cyclamaten: 20-40 [51](#page=51). * Sacharose: 1 [51](#page=51). ##### 8.2.2.1 Intensieve zoetstoffen van synthetische oorsprong * **Aspartaam:** Een methylester van het dipeptide uit asparaginezuur en fenylalanine. Het is ongeveer 200 maal zoeter dan suiker en energiearm, populair in light-producten en frisdranken. Aspartaam verliest zijn zoete smaak bij temperaturen iets boven kamertemperatuur en is daarom niet geschikt voor verhitting na toevoeging. Het verliest ook zoetheid na verloop van tijd doordat het niet stabiel is; de vervalproducten zijn smaakloos. De houdbaarheid in dranken is tot een half jaar. De aanvaardbare dagelijkse inname (ADI) is vastgesteld op 50 mg/kg lichaamsgewicht door de FDA en 40 mg/kg door de Europese Unie [52](#page=52). * **Acesulfaam K:** Heeft een zoetkracht 200 maal die van suiker, maar kan bij hoge concentraties een bittere smaak geven. Het is stabiel bij hoge temperaturen en bestand tegen zuren en basen. Acesulfaam-K wordt niet door het lichaam opgenomen en levert geen energie [53](#page=53). * **Sucralose:** Ontstaat door selectieve chlorering van sacharose en is de enige kunstmatige zoetstof die van suiker wordt gemaakt, met een vergelijkbare smaak. Het is 500 maal zoeter dan suiker, wordt niet afgebroken in het lichaam en is bestand tegen hoge temperaturen, waardoor het ook in gebakken producten gebruikt kan worden [53](#page=53). ##### 8.2.2.2 Intensieve zoetstoffen van natuurlijke oorsprong * **Stevioside:** Een zoete component uit de plant *Stevia rebaudiana*, met een zoetkracht ongeveer 600 maal die van sucrose. Het wordt voornamelijk in Japan en Korea gebruikt en sinds 2012 toegelaten in de EU. Naast zoetheid kan het een bittere smaak en een minder aangename nasmaak geven. Stevioside is stabiel bij verwarming maar lost moeilijk op in water, daarom wordt het vaak toegediend als geconcentreerde alcoholische oplossing [53](#page=53) [54](#page=54). * **Glycyrrhizinezuur:** De stof verantwoordelijk voor de zoete smaak van zoethoutwortel (*Glycyrrhiza glabra*). De zoetkracht is ongeveer 30-50 maal die van sucrose. Het gebruik moet niet overmatig zijn wegens een bloeddrukverhogend effect [55](#page=55). #### 8.2.3 Extensieve zoetstoffen Extensieve zoetstoffen, ook wel polyolen genoemd, zijn de belangrijkste grondstoffen voor suikervrije producten zoals snoepgoed. Polyolen zoals sorbitol, mannitol en xylitol kunnen van nature voorkomen in fruit, groenten en granen. Industrieel worden ze bereid door katalytische hydrogenatie van monosachariden (glucose, fructose, xylose) of disachariden (maltose, lactose, isomaltulose). Ze zijn witte, kristallijne, licht hygroscopische poeders; sorbitol en mannitol zijn ook als stroop verkrijgbaar [55](#page=55). Tabel 4.5 Zoetend vermogen van polyolen: * Sacharose: 1 [56](#page=56). * Maltitol: 0.7-0.9 [56](#page=56). * Lactitol: 0.3-0.5 [56](#page=56). * Sorbitol: 0.5 [56](#page=56). * Xylitol: 1 [56](#page=56). > **Tip:** Sommige polyolen, met name sorbitol en xylitol, hebben een koelend effect dat gerelateerd is aan de negatieve oplossingswarmte [56](#page=56). Polyolen hebben de volgende eigenschappen: * **Geschikt voor diabetici:** Ze zijn geen suikerderivaten en beïnvloeden de bloedglucose-spiegel niet [56](#page=56). * **Minder calorisch:** Dit komt doordat ze minder goed gemetaboliseerd en verteerd worden dan sucrose en glucose. De dagelijkse inname wordt best beperkt tot 40-50 gram voor volwassenen en 30 gram voor kinderen om gastro-intestinale problemen zoals diarree, krampen en flatulentie te voorkomen [56](#page=56). * **Tandvriendelijk:** Mondbacteriën kunnen polyolen niet fermenteren tot zuur, waardoor ze geen tandcariës veroorzaken [56](#page=56). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Aminen | Aminen zijn organische verbindingen die afgeleid zijn van ammoniak waarbij een of meer waterstofatomen zijn vervangen door alkyl- of arylgroepen. Ze zijn polair en kunnen waterstofbruggen vormen, wat hun oplosbaarheid in water beïnvloedt. | | H-bruggen | Een waterstofbrug is een zwakke chemische binding die ontstaat tussen een waterstofatoom gebonden aan een sterk elektronegatief atoom (zoals zuurstof of stikstof) en een ander sterk elektronegatief atoom in de buurt. Dit fenomeen is cruciaal voor de structuur van biomoleculen. | | Rotte vis geur | De karakteristieke, onaangename geur van rottend organisch materiaal, met name vis, wordt grotendeels veroorzaakt door de aanwezigheid van vluchtige amines zoals putrescine en cadaverine, die ontstaan bij de afbraak van eiwitten. | | Aminoazuren | Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten. Ze bevatten een aminogroep (-NH2) en een carboxylgroep (-COOH) gebonden aan hetzelfde koolstofatoom, naast een variabele zijketen die hun specifieke eigenschappen bepaalt. | | Nitrosaminen | Nitrosaminen zijn een klasse van chemische verbindingen die kunnen ontstaan door de reactie van nitriet met secundaire of tertiaire aminen. Sommige nitrosaminen zijn kankerverwekkend. | | Nicotine | Nicotine is een alkaloïde die van nature voorkomt in de tabaksplant. Het is een stimulerend middel en wordt beschouwd als een van de belangrijkste oorzaken van verslaving aan tabaksproducten. | | Histamine | Histamine is een biogeen amine dat een rol speelt bij lokale immuunreacties en als neurotransmitter. Het wordt vrijgegeven tijdens allergische reacties en veroorzaakt symptomen zoals jeuk en zwelling. | | Adrenaline | Adrenaline, ook bekend als epinefrine, is een hormoon en neurotransmitter die wordt geproduceerd door de bijnieren. Het speelt een sleutelrol in de "vecht-of-vlucht"-reactie van het lichaam door de hartslag, bloeddruk en glucoseafgifte te verhogen. | | Amfetamine | Amfetamine is een synthetisch stimulerend middel dat werkt op het centrale zenuwstelsel. Het wordt gebruikt voor medische doeleinden, maar ook misbruikt als een prestatiebevorderend middel. | | Koolhydraten (sachariden) | Koolhydraten, ook wel sachariden genoemd, zijn organische verbindingen met de algemene formule $C_m(H_2O)_n$. Ze vormen een belangrijke bron van energie en spelen een rol in structurele componenten van organismen. | | Fotosynthese | Fotosynthese is het proces waarbij groene planten en sommige andere organismen lichtenergie gebruiken om kooldioxide en water om te zetten in glucose (een suiker) en zuurstof. Dit proces is essentieel voor het leven op aarde. | | Glucose | Glucose ($C_6H_{12}O_6$) is een monosacharide, een enkelvoudige suiker, die een cruciale rol speelt in het metabolisme van levende organismen. Het is de belangrijkste energiebron voor cellen en wordt ook wel druivensuiker genoemd. | | Monosachariden | Monosachariden zijn de eenvoudigste koolhydraten die niet verder kunnen worden gehydrolyseerd tot kleinere suikereenheden. Voorbeelden zijn glucose, fructose en galactose. | | Oligosachariden | Oligosachariden zijn koolhydraten die bestaan uit een klein aantal monosacharide-eenheden (doorgaans 3 tot 9), aan elkaar gekoppeld door glycosidische bindingen. | | Polysachariden | Polysachariden zijn complexe koolhydraten die zijn opgebouwd uit een groot aantal monosacharide-eenheden (vaak 10 of meer), aan elkaar gekoppeld via glycosidische bindingen. Voorbeelden zijn zetmeel, glycogeen en cellulose. | | Aldose | Een aldose is een monosacharide dat een aldehyde-groep (-CHO) bevat. De aldehydgroep bevindt zich meestal aan het einde van de koolstofketen. | | Ketose | Een ketose is een monosacharide dat een keto-groep (C=O) bevat. De keto-groep bevindt zich meestal op het tweede koolstofatoom van de keten. | | Fisherprojectie | De Fisherprojectie is een tweedimensionale weergave van de driedimensionale structuur van chirale moleculen, met name koolhydraten. Horizontale lijnen representeren bindingen die naar de waarnemer wijzen, en verticale lijnen representeren bindingen die van de waarnemer af wijzen. | | Haworthprojectie | De Haworthprojectie is een manier om cyclische monosachariden voor te stellen in een vlakke weergave, waarbij de ring wordt weergegeven als een platte polygon. De positie van substituenten ten opzichte van de ring (boven of onder het vlak) is belangrijk. | | Chiraal centrum | Een chiraal centrum is een atoom (meestal koolstof) in een molecuul waaraan vier verschillende groepen gebonden zijn. Dit leidt tot het bestaan van stereo-isomeren. | | Stereo-isomeren | Stereo-isomeren zijn moleculen met dezelfde brutoformule en opeenvolging van atomen, maar met een verschillende ruimtelijke rangschikking van die atomen. | | Configuratie | Configuratie verwijst naar de specifieke driedimensionale rangschikking van atomen in een molecuul. Het kan niet zonder het verbreken van bindingen worden veranderd. | | Enantiomeren | Enantiomeren zijn paren van stereo-isomeren die elkaars spiegelbeeld zijn en niet-superponeerbaar zijn, vergelijkbaar met linker- en rechterhanden. | | Optisch actieve verbindingen | Optisch actieve verbindingen zijn stoffen die de polarisatievlak van gepolariseerd licht kunnen draaien. Dit komt door de aanwezigheid van chiraal centra in de moleculen. | | D- en L-vorm | D- en L-isomeren zijn twee enantiomeren van een chiraal molecuul. De D-vorm wordt gedefinieerd door de configuratie rond het laatste chiraal centrum, vergelijkbaar met glyceraldehyde, terwijl de L-vorm het spiegelbeeld is. | | Furanose | Een furanose is een cyclische vorm van een monosacharide die een vijfring bevat, gevormd door de intramoleculaire reactie tussen een carbonylgroep en een hydroxylgroep binnen hetzelfde molecuul. | | Pyranose | Een pyranose is een cyclische vorm van een monosacharide die een zesring bevat, gevormd door de intramoleculaire reactie tussen een carbonylgroep en een hydroxylgroep binnen hetzelfde molecuul. | | Anomeer C-atoom | Het anomere koolstofatoom is het koolstofatoom dat oorspronkelijk deel uitmaakte van de carbonylgroep in een monosacharide, en dat na cyclisatie de hydroxylgroep draagt die verantwoordelijk is voor de vorming van de glycosidische binding. | | Mutarotatie | Mutarotatie is het fenomeen waarbij de optische rotatie van een vers opgeloste suiker verandert over tijd totdat een evenwichtstoestand is bereikt. Dit gebeurt doordat de suiker in de open ketenvorm overgaat en vervolgens cycliseert tot zowel alfa- als bèta-anomeren. | | Polyolen | Polyolen, ook bekend als suikeralcoholen, zijn koolhydraten waarvan de carbonylgroep is gereduceerd tot een hydroxylgroep. Ze worden vaak gebruikt als suikervervangers en zijn minder zoet dan suiker. Voorbeelden zijn sorbitol en xylitol. | | Gereduceerde suikers | Gereduceerde suikers zijn monosachariden die een vrije aldehyde- of ketongroep bevatten, waardoor ze kunnen reageren met reducerende agentia. Dit betekent dat ze ook kunnen worden geoxideerd tot carbonzuren. | | Glycosidische binding | Een glycosidische binding is een covalente binding die twee monosacharide-eenheden met elkaar verbindt in een disacharide of polysacharide, of een monosacharide verbindt met een ander molecuul. De vorming ervan gaat gepaard met het verlies van een watermolecule. | | Condensatiereactie | Een condensatiereactie is een chemische reactie waarbij twee moleculen met elkaar reageren om een groter molecuul te vormen, waarbij een klein molecuul, zoals water, wordt afgesplitst. | | Disachariden | Disachariden zijn koolhydraten die zijn opgebouwd uit twee monosacharide-eenheden, verbonden door een glycosidische binding. Bekende voorbeelden zijn sucrose (tafelsuiker), lactose (melksuiker) en maltose (moutsuiker). | | Invertsuiker | Invertsuiker is een mengsel van gelijke delen glucose en fructose, verkregen door de hydrolyse van sucrose. Het heeft een lagere smeltgraad en is zoeter dan sucrose. | | HFCS (High Fructose Corn Syrup) | HFCS is een gezoet middel gemaakt van glucose (uit maïs) dat enzymatisch is omgezet tot fructose. Het is veel zoeter dan glucose en wordt veel gebruikt in de voedingsindustrie. | | Dextrinen | Dextrinen zijn korte ketens van glucose-eenheden die ontstaan door de gedeeltelijke hydrolyse van zetmeel. Ze worden gebruikt als verdikkingsmiddelen en in lijmen. | | Maltodextrine | Maltodextrine is een koolhydraat met een korte keten, verkregen uit zetmeel. Het wordt gebruikt als voedingsadditief, vaak als bulkmiddel of vulstof. | | Cyclodextrine | Cyclodextrinen zijn cyclische oligosachariden met een torusvormige structuur, gevormd uit glucose-eenheden. Ze kunnen apolaire moleculen in hun holte "opsluiten", waardoor deze oplosbaar worden in water. | | Fructanen | Fructanen zijn polysachariden of oligosachariden die voornamelijk uit fructose-eenheden bestaan. Ze komen voor in planten zoals cichorei en aardpeer en hebben prebiotische eigenschappen. | | Probiotica | Probiotica zijn levende micro-organismen, meestal bacteriën, die, wanneer in adequate hoeveelheden geconsumeerd, een gezondheidsvoordeel bieden aan de gastheer. | | Prebiotica | Prebiotica zijn niet-verteerbare voedingscomponenten die selectief de groei en/of activiteit van nuttige bacteriën in de dikke darm stimuleren, wat leidt tot een verbeterde gezondheid. | | Polysachariden | Polysachariden zijn complexe koolhydraten bestaande uit lange ketens van monosacharide-eenheden. Ze dienen als energieopslag (zetmeel, glycogeen) of structurele componenten (cellulose). | | Homopolysachariden | Homopolysachariden zijn polysachariden die zijn opgebouwd uit slechts één enkele soort monosacharide-eenheid. | | Heteropolysachariden | Heteropolysachariden zijn polysachariden die zijn opgebouwd uit twee of meer verschillende soorten monosacharide-eenheden. | | Zetmeel | Zetmeel is een belangrijk plantaardig reservepolysacharide, opgebouwd uit amylose en amylopectine. Het is de belangrijkste koolhydraatbron in de voeding van veel organismen. | | Glycogeen | Glycogeen is het reservepolysacharide van dieren en schimmels, dat voornamelijk wordt opgeslagen in de lever en spieren. Het is een vertakt polymeer van glucose. | | Cellulose | Cellulose is het belangrijkste structurele polysacharide in de celwanden van planten. Het is een lineair polymeer van glucose-eenheden verbonden door bèta-1,4-glycosidische bindingen, en is onverteerbaar voor de mens. | | Amylose | Amylose is een lineair polysacharide dat een component van zetmeel is. Het bestaat uit glucose-eenheden verbonden door alfa-1,4-glycosidische bindingen en vormt een spiraalstructuur. | | Amylopectine | Amylopectine is een sterk vertakt polysacharide dat de andere component van zetmeel is. Het bevat naast alfa-1,4-verbindingen ook alfa-1,6-vertakkingen. | | Dextranen | Dextranen zijn polysachariden van glucose, voornamelijk met alfa-1,6-bindingen, geproduceerd door bacteriën. Ze kunnen tandplak vormen en worden in de geneeskunde gebruikt als plasmavervanger. | | Pectinen | Pectinen zijn polysachariden die voorkomen in de celwanden van planten en een gelvormend vermogen hebben. Ze worden gebruikt als verdikkingsmiddel in de voedingsindustrie. | | Agar | Agar is een polysaccharide verkregen uit algen, dat een gelvormend vermogen heeft. Het wordt gebruikt in microbiologische voedingsbodems en als voedselingrediënt. | | Gommen | Gommen zijn natuurlijke polysachariden van plantaardige oorsprong met een sterk waterbindend vermogen, gebruikt als verdikkingsmiddelen in de voedingsindustrie. | | β-glucanen | β-glucanen zijn vertakte, onverteerbare glucosepolymeren die voorkomen in granen zoals haver en gerst. Ze hebben gunstige effecten op de gezondheid, zoals het verlagen van cholesterol. | | Glycoproteïnen | Glycoproteïnen zijn eiwitten waaraan een of meerdere suikerketens (oligosachariden) covalent gebonden zijn. Ze spelen diverse rollen in biologische processen, waaronder celherkenning en immuunreacties. | | Glycolipiden | Glycolipiden zijn lipiden waaraan een suikergedeelte is gebonden. Ze zijn belangrijke componenten van celmembranen en spelen een rol bij celherkenning. | | Proteoglycanen | Proteoglycanen zijn complexe macromoleculen die bestaan uit een centraal eiwit waaraan lange glycosaminoglycanen (GAGs) zijn gebonden. Ze zijn belangrijk voor de structuur en veerkracht van extracellulaire matrixcomponenten zoals kraakbeen. | | Cerebrosiden | Cerebrosiden zijn een type glycolipiden die voorkomen in de celmembranen van zenuwweefsel. Ze bestaan uit een ceramide verbonden met een monosacharide, meestal galactose. | | Gangliosiden | Gangliosiden zijn complexe glycolipiden die gespecialiseerde suikerketens met sialylzuur bevatten. Ze zijn een belangrijk onderdeel van de celmembranen van neuronen en spelen een rol bij celcommunicatie. | | Hydrolyse | Hydrolyse is een chemische reactie waarbij water wordt gebruikt om een verbinding te splitsen. In de context van koolhydraten leidt hydrolyse tot de afbraak van complexe suikers tot eenvoudigere eenheden. | | Maillardreactie | De Maillardreactie is een complexe chemische reactie tussen aminozuren en reducerende suikers die optreedt bij verhitting. Het is verantwoordelijk voor bruinverkleuring en de ontwikkeling van smaak en aroma in veel voedingsmiddelen. | | Zoetend vermogen | Zoetend vermogen is de relatieve intensiteit van de zoete smaak van een stof in vergelijking met sucrose (tafelsuiker), dat een waarde van 1 krijgt toegekend. | | Intensieve zoetstof | Intensieve zoetstoffen zijn stoffen die een veel sterkere zoete smaak hebben dan suiker, en die daarom in veel kleinere hoeveelheden worden gebruikt. Ze leveren weinig tot geen calorieën. | | Extensieve zoetstof | Extensieve zoetstoffen (polyolen) hebben een zoetkracht vergelijkbaar met of lager dan suiker, en leveren wel calorieën, zij het minder dan suiker. Ze worden vaak gebruikt als suikervervanger in suikervrije producten. | | Polyolen | Polyolen, ook wel suikeralcoholen genoemd, zijn koolhydraten die zijn gereduceerd tot alcoholen. Ze worden gebruikt als suikervervangers, hebben een koelend effect en veroorzaken geen tandcariës. Voorbeelden zijn sorbitol, xylitol en maltitol. | | Vetzuren | Vetzuren zijn carbonzuren met een lange alifatische keten, die de bouwstenen vormen van vetten en oliën. Ze kunnen verzadigd (geen dubbele bindingen) of onverzadigd (met een of meer dubbele bindingen) zijn. | | Triglyceriden | Triglyceriden zijn esters van glycerol en drie vetzuren. Ze vormen de hoofdcomponent van vetten en oliën en dienen als opslagvorm van energie in organismen. | | Fosfolipiden | Fosfolipiden zijn lipiden die een fosfaatgroep bevatten, naast glycerol en twee vetzuren. Ze zijn essentiële componenten van celmembranen en hebben een amfipathische aard. | | Cholesterol | Cholesterol is een sterol, een type lipide, dat een belangrijke bouwsteen is voor celmembranen en de precursor van steroïde hormonen en galzuren. Het wordt zowel door het lichaam geproduceerd als uit de voeding verkregen. | | Hydrogenatie | Hydrogenatie is een chemisch proces waarbij waterstof wordt toegevoegd aan een molecuul, vaak om onverzadigde vetten te verzadigen en hun smeltpunt te verhogen, wat leidt tot het "harden" van oliën. | | Ranzig | Ranzigheid verwijst naar de afbraak van vetten en oliën door hydrolyse of oxidatie, wat resulteert in onaangename geuren en smaken. |

# Structure et organisation du génome eucaryote This section delves into the fundamental composition of DNA, the structural organization of both nuclear and mitochondrial genomes in eukaryotes, and the significant variations observed in genome size and gene content across different organisms [6](#page=6). ### 1.1 Composition de l'ADN L'acide désoxyribonucléique (ADN) est la molécule qui renferme l'information génétique d'une cellule et d'un organisme. L'unité de base de l'ADN est le nucléotide. Chaque nucléotide est constitué de trois éléments principaux [5](#page=5): * Un radical phosphate [5](#page=5). * Un sucre, spécifiquement le désoxyribose [5](#page=5). * Une base azotée, parmi lesquelles on distingue quatre types : * Les bases puriques: l'Adénine (A) et la Guanine (G) [5](#page=5). * Les bases pyrimidiques: la Thymine (T) et la Cytosine (C) [5](#page=5). La structure de l'ADN est caractérisée par deux chaînes polynucléotidiques (des chaînes de nucléotides assemblés) qui s'enroulent pour former une double hélice. Ces deux chaînes sont liées entre elles [5](#page=5). ### 1.2 Le génome eucaryote Le terme "génome" désigne l'ensemble des molécules d'ADN présentes chez un organisme. Chez les eucaryotes, le génome comprend deux compartiments principaux [6](#page=6): * L'ADN nucléaire [6](#page=6). * L'ADN mitochondrial [6](#page=6). L'ADN du génome est responsable du codage des protéines et des ARN. Cependant, la portion du génome qui code effectivement pour des produits fonctionnels, appelée génome codant, ne représente qu'environ 5% du génome total. Un génome est composé de nombreux gènes, qui sont définis comme des unités fonctionnelles [6](#page=6). L'organisation du génome chez les eucaryotes présente plusieurs niveaux de complexité [6](#page=6). #### 1.2.1 Organisation du génome nucléaire Le génome nucléaire des eucaryotes est structuré de manière hiérarchique : * Il commence par la double hélice d'ADN [7](#page=7). * Cette double hélice d'ADN est ensuite associée à des protéines pour former la chromatine [7](#page=7). * La chromatine est, à son tour, condensée et organisée en chromosomes [7](#page=7). Les cellules humaines sont diploïdes, ce qui signifie qu'elles possèdent deux jeux de chromosomes. Par conséquent, les gènes humains sont généralement bi-alléliques, c'est-à-dire qu'il existe deux copies de chaque gène dans le génome diploïde [8](#page=8). #### 1.2.2 Les chromosomes Les chromosomes sont les structures qui portent l'information génétique sous forme d'ADN [9](#page=9). #### 1.2.3 Taille du génome et nombre de gènes La taille du génome, mesurée en paires de bases (pb), ainsi que le nombre de gènes varient considérablement d'un organisme à l'autre. Voici quelques exemples illustratifs [10](#page=10): | Organisme | Taille du génome (pb) | Nombre de gènes | | :--------------- | :-------------------- | :-------------- | | Homo sapiens | 3 milliards | 25 000 | | Souris | 2,6 milliards | 30 000 | | Drosophile | 137 millions | 13 000 | | Levure | 12,1 millions | 6 000 | | Bactérie | 4,6 millions | 3 200 | | Virus HIV | 9 700 | 9 | > **Tip:** Il est important de noter que la corrélation entre la taille du génome et le nombre de gènes n'est pas toujours directe, car de nombreux génomes eucaryotes contiennent une grande proportion de séquences non codantes. #### 1.2.4 ADN mitochondrial L'ADN mitochondrial (ADNmt) possède des caractéristiques distinctes de l'ADN nucléaire [11](#page=11). * Il s'agit d'une molécule d'ADN circulaire [11](#page=11). * L'ADNmt code principalement pour des protéines nécessaires au fonctionnement des mitochondries [11](#page=11). * Une cellule eucaryote contient généralement plusieurs centaines de mitochondries [11](#page=11). * Chaque mitochondrie abrite elle-même une dizaine de copies de son propre ADN [11](#page=11). * La transmission de l'ADN mitochondrial est exclusivement maternelle, via l'ovocyte lors de la fécondation [11](#page=11). #### 1.2.5 Différences entre ADN nucléaire et mitochondrial Il existe des distinctions clés entre l'ADN nucléaire et l'ADN mitochondrial. Ces différences portent sur la localisation, la structure physique (linéaire vs. circulaire), l'origine (nucléaire vs. endosymbiotique), et les modes de transmission [12](#page=12). --- # Architecture et expression d'un gène eucaryote Cette section explore la structure des gènes eucaryotes codant pour des protéines, les mécanismes de leur transcription en ARN, et les modifications post-transcriptionnelles de l'ARN messager avant la traduction. ### 2.1 Architecture d'un gène codant pour des protéines L'architecture d'un gène eucaryote codant pour des protéines est complexe et comprend plusieurs régions distinctes qui régulent et définissent la molécule d'ARN qui sera produite [13](#page=13). * **Régions régulatrices:** Ces zones sont essentielles pour contrôler quand, où et dans quelle mesure un gène est exprimé. Elles incluent des séquences qui déterminent le début et la fin de la transcription, ainsi que le site d'initiation de la traduction. Ces régions peuvent également contenir des sites de fixation pour des facteurs de transcription qui modulent l'activité de l'ARN polymérase [13](#page=13). * **Exons:** Ce sont les segments de l'ADN qui codent pour la protéine finale. Ces séquences sont conservées lors de la maturation de l'ARN messager (ARNm) et sont donc présentes dans l'ARNm mature prêt à être traduit [13](#page=13). * **Introns:** Ce sont des séquences non codantes situées entre les exons. Les introns sont transcrits en ARN, mais sont ensuite éliminés lors du processus d'épissage [13](#page=13). * **Site de fin de transcription:** Séquence signalant à l'ARN polymérase où arrêter la synthèse de l'ARN [13](#page=13). * **Site de polyadénylation:** Séquence qui indique l'ajout d'une queue poly(A) à l'extrémité 3' de l'ARNm mature [13](#page=13). * **Sites d'épissage:** Séquences qui délimitent les introns et guident l'enzyme d'épissage pour leur excision [13](#page=13). * **Site d'initiation de la traduction:** Séquence (souvent le codon AUG) qui indique le point de départ de la synthèse protéique par le ribosome [13](#page=13). Le nombre d'exons peut varier considérablement d'un gène à l'autre, influençant la taille et la complexité du gène [13](#page=13). ### 2.2 Transcription de l'ADN en ARN La transcription est le processus par lequel l'information génétique stockée dans l'ADN est copiée sous forme de molécule d'ARN. Ce processus se déroule dans le noyau chez les eucaryotes [14](#page=14). #### 2.2.1 Ingrédients nécessaires à la transcription La synthèse de l'ARN nécessite plusieurs composants essentiels : * **Ribonucléotides:** Les blocs de construction de l'ARN (adénosine, guanosine, cytidine, uridine triphosphates) [15](#page=15). * **Molécule d'ADN:** Le modèle à partir duquel l'ARN est synthétisé [15](#page=15). * **Enzymes:** Principalement les ARN polymérases, qui catalysent la formation des liaisons phosphodiester entre les ribonucléotides [15](#page=15). #### 2.2.2 Caractéristiques de la transcription La transcription est un processus hautement régulé avec plusieurs caractéristiques clés : * **Synthèse par l'ARN polymérase:** L'ARN est synthétisé à partir d'un brin d'ADN matrice grâce à l'action de l'ARN polymérase. Il existe trois types principaux d'ARN polymérases chez les eucaryotes: ARN polymérase I, II, et III, chacune spécialisée dans la transcription de différents types de gènes. L'ARN polymérase II est responsable de la transcription des gènes codant pour les protéines [16](#page=16). * **Complémentarité et antiparallélisme:** La séquence de l'ARN synthétisé est complémentaire à celle du brin d'ADN matrice. La synthèse se fait dans le sens 5' vers 3' pour l'ARN, tandis que le brin d'ADN lu l'est dans le sens 3' vers 5' [16](#page=16). > **Tip:** Bien que la synthèse soit complémentaire, l'ARN utilise l'uracile (U) à la place de la thymine (T) pour s'apparier avec l'adénine (A) [16](#page=16). #### 2.2.3 Le transcrit primaire Le produit initial de la transcription est une molécule d'ARN appelée transcrit primaire ou pré-ARNm. Cette molécule contient à la fois les séquences codantes (exons) et les séquences non codantes (introns) du gène transcrit. L'ARN polymérase synthétise cette longue chaîne d'ARN en lisant le brin d'ADN [17](#page=17). ### 2.3 Modification de l'ARN messager (ARNm) Avant qu'un transcrit primaire d'ARN puisse être traduit en protéine, il subit plusieurs modifications post-transcriptionnelles cruciales, principalement sur l'ARNm codant pour les protéines. Ces modifications assurent la stabilité de l'ARNm, son transport hors du noyau, et sa reconnaissance par la machinerie de traduction [18](#page=18). Les principales modifications sont : 1. **Ajout d'une coiffe à l'extrémité 5':** Une structure modifiée de guanosine (coiffe 7-méthylguanosine) est ajoutée à l'extrémité 5' du transcrit primaire. Cette coiffe protège l'ARNm de la dégradation par les nucléases et est essentielle pour l'initiation de la traduction en facilitant la liaison du ribosome [18](#page=18). 2. **Ajout d'une queue poly(A) à l'extrémité 3':** Une longue chaîne de résidus adénosine (queue poly(A)) est ajoutée à l'extrémité 3' de l'ARNm mature. Cette queue poly(A) joue un rôle dans la stabilité de l'ARNm, son transport du noyau vers le cytoplasme, et la traduction [18](#page=18). 3. **Épissage:** Ce processus implique l'excision des introns et la ligature des exons restants pour former une molécule d'ARNm mature continue. L'épissage est réalisé par un complexe macromoléculaire appelé spliceosome [18](#page=18). > **Example:** Sans ces modifications, l'ARNm ne serait pas fonctionnel. L'absence de coiffe ou de queue poly(A), ou la présence d'introns, empêcherait l'ARNm d'être exporté du noyau ou d'être correctement traduit en protéine par les ribosomes dans le cytoplasme [18](#page=18). ### 2.4 Diversité protéique à partir d'un gène Un phénomène remarquable chez les eucaryotes est la capacité d'un seul gène à coder pour plusieurs protéines différentes. Ceci est principalement rendu possible par le processus d'épissage alternatif [19](#page=19). * **Épissage alternatif:** Lors de l'épissage, différentes combinaisons d'exons peuvent être incluses ou exclues du transcrit d'ARNm final. Cela signifie qu'à partir d'un même pré-ARNm, plusieurs variants d'ARNm matures peuvent être générés, chacun conduisant à la synthèse d'une protéine légèrement différente, mais apparentée [19](#page=19). > **Tip:** L'épissage alternatif est un mécanisme majeur de régulation génique qui augmente considérablement le répertoire protéique d'un organisme sans augmenter proportionnellement la taille de son génome [19](#page=19). --- # Mutations et maladies génétiques Cette section explore les mécanismes des altérations génétiques et leur lien avec les pathologies, ainsi que les approches thérapeutiques actuelles et futures. ### 3.1 Types d'événements génétiques Les altérations du matériel génétique peuvent survenir de différentes manières, conduisant à des changements dans la séquence d'ADN [22](#page=22). #### 3.1.1 Modifications de la séquence nucléotidique * **Substitution**: Il s'agit du remplacement d'un nucléotide par un autre [22](#page=22). * **Délétion**: Ce phénomène correspond à la suppression d'un ou plusieurs nucléotides de la séquence d'ADN [22](#page=22). * **Insertion**: Inversement, une insertion implique l'ajout d'un ou plusieurs nucléotides à la séquence d'ADN [22](#page=22). #### 3.1.2 Distinction entre mutation et polymorphisme * **Mutation**: Un événement génétique est qualifié de mutation lorsqu'il est pathogène, c'est-à-dire qu'il est susceptible de causer une maladie [22](#page=22). * **Polymorphisme**: Un polymorphisme désigne également un événement génétique, mais il est généralement non pathogène [22](#page=22). #### 3.1.3 Autres événements génétiques * **Recombinaison**: Il s'agit de l'échange de fragments d'ADN entre chromosomes, un processus essentiel lors de la méiose [22](#page=22). #### 3.1.4 Facteurs influençant la survenue des mutations Les événements génétiques surviennent spontanément, mais leur fréquence peut être augmentée par l'exposition à certains facteurs de risque, tels que le soleil ou la fumée [22](#page=22). ### 3.2 Impact des modifications génétiques Les altérations génétiques peuvent avoir des conséquences variées sur la santé, allant de l'absence de symptômes à des maladies graves. #### 3.2.1 Effet sur les sites d'épissage Une mutation survenant dans un site d'épissage peut perturber le processus normal de maturation de l'ARN messager, entraînant potentiellement la production de protéines non fonctionnelles ou altérées [23](#page=23). #### 3.2.2 Transmission des maladies génétiques Certaines maladies sont directement transmises par les gènes hérités des parents. Des exemples incluent la progéria et la neurofibromatose. L'étude des arbres généalogiques permet de visualiser les modes de transmission, comme la transmission récessive [21](#page=21). > **Tip:** Comprendre la génétique mendélienne et les différents modes de transmission (autosomique dominant, autosomique récessif, lié à l'X) est fondamental pour analyser les arbres généalogiques et prédire le risque de transmission des maladies génétiques. ### 3.3 Perspectives thérapeutiques dans les maladies génétiques Face aux maladies génétiques, diverses stratégies thérapeutiques sont développées et appliquées. * **Traitement symptomatique**: Vise à soulager les symptômes de la maladie sans en traiter la cause sous-jacente [24](#page=24). * **Compensation d'un manque**: Cette approche consiste à pallier un déficit fonctionnel, par exemple par l'apport d'éléments extérieurs ou l'administration d'enzymes recombinantes produites par biotechnologie [24](#page=24). * **Modification du gène (Thérapie génique)**: La thérapie génique vise à corriger le défaut génétique en introduisant un gène fonctionnel dans les cellules du patient ou en modifiant le gène défectueux [24](#page=24). * **Diagnostic préimplantatoire**: La fécondation in vitro associée au diagnostic préimplantatoire permet de sélectionner des embryons sains avant leur implantation, réduisant ainsi le risque de transmission de maladies génétiques graves [24](#page=24). --- # Applications médicales de l'analyse génomique L'analyse des modifications du génome revêt une importance capitale en médecine, notamment pour le diagnostic et la compréhension des maladies génétiques et des cancers [25](#page=25). ### 4.1 Maladies génétiques transmissibles L'étude de l'ADN extrait des lymphocytes circulants permet d'expliquer et de suivre la transmission de maladies familiales ou de traits pathologiques d'une génération à l'autre. Cette approche est essentielle pour le conseil génétique, aidant à évaluer les risques de transmission et à proposer des stratégies de prévention ou de suivi [25](#page=25). ### 4.2 Cancérologie En cancérologie, l'analyse génomique vise à identifier les mutations spécifiques impliquées dans le développement et la progression des cancers. Pour ce faire, l'ADN des cellules cancéreuses est étudié et comparé à l'ADN lymphocytaire du patient, qui représente le génome sain de référence. Cette comparaison permet de distinguer les altérations acquises dans les cellules tumorales de celles présentes dans le génome normal [25](#page=25). > **Tip:** L'identification de mutations spécifiques peut orienter le choix des thérapies ciblées en oncologie, améliorant ainsi l'efficacité du traitement et réduisant les effets secondaires [25](#page=25). ### 4.3 Importance générale de la génétique en médecine La conclusion générale souligne que le génome, bien que complexe dans son organisation, contient les informations fondamentales pour la synthèse des protéines. La transmission de cette information génétique des parents aux enfants explique la hérédité des traits et des prédispositions [26](#page=26). * L'architecture d'un gène est relativement simple, contenant des informations pour la synthèse protéique, un gène pouvant potentiellement encoder plusieurs protéines [26](#page=26). * La fonction de nombreuses séquences non codantes du génome reste encore un domaine de recherche active [26](#page=26). * L'information génétique est transmise héréditairement [26](#page=26). * Le génome est sujet à une évolution constante [26](#page=26). * Un événement génétique particulier peut être à l'origine d'une maladie [26](#page=26). * Par conséquent, l'analyse génétique est devenue un acte biologique de plus en plus courant et indispensable dans la pratique médicale moderne [26](#page=26). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Acide désoxyribonucléique (ADN) | Molécule qui contient l'information génétique fondamentale de la cellule et de l'organisme, composée de nucléotides et formant une double hélice. | | Nucléotide | Unité de base de l'ADN, constituée d'un radical phosphate, d'un sucre (désoxyribose) et d'une base azotée (Adénine, Guanine, Thymine, Cytosine). | | Génome | L'ensemble complet des molécules d'ADN d'un organisme, incluant l'ADN nucléaire et l'ADN mitochondrial, qui code pour les protéines et les ARN. | | Chromatine | Complexe formé par l'ADN et des protéines, principalement des histones, qui compacte l'ADN dans le noyau des cellules eucaryotes. | | Chromosome | Structure organisée de l'ADN et des protéines (chromatine) visible lors de la division cellulaire, portant les gènes d'un organisme. | | ADN mitochondrial | ADN circulaire trouvé dans les mitochondries, codant principalement pour des protéines mitochondriales, transmis uniquement par la mère. | | Exon | Région d'un gène eucaryote qui est conservée dans l'ARN messager mature après l'épissage et qui code pour une partie de la protéine. | | Intron | Région d'un gène eucaryote qui est transcrite en ARN mais ensuite excisée lors de l'épissage avant la traduction de la protéine. | | Transcription | Processus par lequel l'information génétique d'un segment d'ADN est copiée en une molécule d'ARN par l'ARN polymérase. | | ARN polymérase | Enzyme responsable de la synthèse de l'ARN à partir d'un modèle d'ADN lors de la transcription. | | Transcrit primaire | Molécule d'ARN nouvellement synthétisée lors de la transcription, qui contient à la fois les introns et les exons du gène. | | Épissage | Processus post-transcriptionnel au cours duquel les introns sont retirés du transcrit primaire et les exons sont joints pour former un ARN messager mature. | | ARNm (ARN messager) | Molécule d'ARN qui porte l'information génétique du noyau au cytoplasme pour servir de matrice à la synthèse des protéines. | | Traduction | Processus par lequel la séquence d'ARN messager est utilisée pour synthétiser une chaîne d'acides aminés, formant ainsi une protéine. | | Mutation | Changement permanent dans la séquence d'ADN d'un organisme, pouvant être causé par des erreurs lors de la réplication de l'ADN ou des dommages environnementaux. | | Polymorphisme | Variation dans la séquence d'ADN qui existe dans une population, souvent sans conséquence pathogène notable. | | Thérapie génique | Approche thérapeutique visant à traiter ou à prévenir une maladie en modifiant l'expression génétique d'un individu. |

# Structure et identification des éléments La matière qui compose le corps humain et tout ce qui existe est constituée d'unités fondamentales appelées éléments chimiques, qui eux-mêmes sont composés d'atomes. Ces atomes possèdent une structure définie, déterminée par leurs particules subatomiques, et le nombre de protons dans le noyau d'un atome est ce qui l'identifie comme un élément chimique spécifique [10](#page=10) [7](#page=7) [8](#page=8). ### 1.1 La matière et les éléments chimiques La chimie étudie la structure et les interactions de la matière, définie comme tout ce qui occupe un volume et possède une masse. Toute matière est composée d'un nombre limité d'unités fondamentales appelées éléments chimiques, qui ne peuvent être dégradés en particules plus simples par des méthodes chimiques classiques. Il existe actuellement 118 éléments connus, dont 92 sont présents naturellement sur Terre [7](#page=7). Dans le corps humain, vingt-six éléments naturels sont présents. Quatre d'entre eux, l'oxygène (O), le carbone (C), l'hydrogène (H) et l'azote (N), constituent environ 96% de la masse corporelle et sont appelés éléments majeurs. Huit autres, le calcium (Ca), le phosphore (P), le potassium (K), le soufre (S), le sodium (Na), le chlore (Cl), le magnésium (Mg) et le fer (Fe), constituent les éléments mineurs et représentent environ 3,6% de la masse corporelle. Les oligoéléments, présents en très faibles concentrations (0,4%), sont également essentiels, comme l'iode (I) pour la production d'hormones thyroïdiennes [7](#page=7) [8](#page=8). ### 1.2 L'atome Chaque élément est constitué d'atomes, les plus petites unités de matière qui conservent les propriétés caractéristiques de l'élément. Les atomes diffèrent des atomes des autres éléments par leurs propriétés physiques (couleur, texture, point d'ébullition) et chimiques (réactivité, formation de liaisons) [8](#page=8) [9](#page=9). #### 1.2.1 La structure de l'atome Les atomes sont électriquement neutres et possèdent une structure générale commune. Ils sont composés de trois particules élémentaires [9](#page=9): * **Protons (p+)**: Situés dans le noyau, ils portent une charge électrique positive et ont une masse d'environ 1 unité de masse atomique (u) [10](#page=10) [9](#page=9). * **Neutrons (n0)**: Également dans le noyau, ils sont électriquement neutres et ont une masse d'environ 1 u. Les protons et les neutrons sont collectivement appelés nucléons [10](#page=10) [9](#page=9). * **Électrons (e-)**: Gravitant autour du noyau dans un nuage électronique, ils portent une charge électrique négative équivalente à celle du proton mais ont une masse négligeable (environ 0 u) [10](#page=10) [9](#page=9). Le noyau atomique, formé des protons et des neutrons, est extrêmement dense et situé au centre de l'atome. Les électrons se déplacent à très grande vitesse autour du noyau. Le modèle planétaire (modèle de Bohr) est une représentation simplifiée où les électrons tournent sur des orbites fixes. Le modèle plus moderne utilise le concept d'orbitales, régions autour du noyau où la probabilité de trouver un électron est élevée [9](#page=9). Pour qu'un atome soit électriquement neutre, le nombre d'électrons gravitant autour du noyau doit être égal au nombre de protons qu'il contient [10](#page=10). > **Tip:** Bien que le modèle planétaire soit dépassé, il est utilisé pour sa clarté dans certains contextes d'apprentissage. Il est important de comprendre la notion d'orbitales dans le modèle moderne [9](#page=9). #### 1.2.2 Identification des éléments La différence fondamentale entre les atomes des différents éléments réside dans le nombre de protons, de neutrons et d'électrons qu'ils contiennent [10](#page=10). * **Numéro atomique (Z)**: Il est défini comme le nombre de protons dans le noyau d'un atome et est caractéristique de l'élément. Il détermine la nature chimique de l'élément. Puisque le nombre d'électrons est égal au nombre de protons dans un atome neutre, le numéro atomique indique également le nombre d'électrons. Par exemple, un atome avec 8 protons est un atome d'oxygène, dont le numéro atomique est 8 [10](#page=10) [11](#page=11). * **Nombre de masse (A)**: Il représente la somme des protons et des neutrons (nucléons) dans le noyau d'un atome. Il peut être calculé par la formule: $A = p^+ + n^0$. Sachant que $Z = p^+$, on peut écrire $A = Z + n^0$, d'où le nombre de neutrons $n^0 = A - Z$ [11](#page=11). Un atome est généralement représenté en indiquant son numéro atomique (Z) en indice à gauche et son nombre de masse (A) en exposant à gauche. Par exemple, le symbole 𝐂𝐥𝟏𝟕𝟑𝟓 représente un atome de chlore avec un numéro atomique de 17 (donc 17 protons et 17 électrons) et un nombre de masse de 35 (donc 35 nucléons, soit 18 neutrons) [11](#page=11). Chaque élément est désigné par un nom (ex: Hydrogène, Sodium) et un symbole chimique international composé d'une ou deux lettres (ex: H, Na) [11](#page=11). #### 1.2.3 Les isotopes Les isotopes sont des atomes d'un même élément chimique qui possèdent le même nombre de protons et d'électrons, mais un nombre différent de neutrons. Cette différence de neutrons entraîne des masses atomiques différentes pour ces isotopes [12](#page=12). * **Exemples d'isotopes:** * Hydrogène: L'hydrogène léger ($^1_1H$), le deutérium ($^2_1H$) et le tritium ($^3_1H$) ont tous un proton et un électron, mais respectivement 0, 1 ou 2 neutrons [12](#page=12). * Carbone: Le carbone-12 ($^{12}_6C$), le carbone-13 ($^{13}_6C$) et le carbone-14 ($^{14}_6C$) ont tous 6 protons et 6 électrons, mais 6, 7 ou 8 neutrons [12](#page=12). La plupart des éléments naturels existent sous forme de mélanges d'isotopes. La masse atomique relative (Ar) d'un élément est la moyenne pondérée des nombres de masse de ses isotopes, en tenant compte de leur abondance naturelle. Par exemple, la masse atomique de l'hydrogène est d'environ 1,008, reflétant la prédominance de l'isotope $^1_1H$ [12](#page=12). Les isotopes d'un même élément ont les mêmes propriétés chimiques car elles dépendent du nombre et de la disposition des électrons, qui sont identiques. Leurs propriétés physiques peuvent légèrement différer en raison de la différence de masse [12](#page=12). ##### 1.2.3.1 Les isotopes radioactifs Certains isotopes sont instables et se désintègrent spontanément, émettant des radiations. Ce sont les radio-isotopes ou isotopes radioactifs. La décomposition d'un noyau radioactif peut être comparée à une explosion libérant des particules subatomiques (alpha, bêta, gamma) [12](#page=12) [13](#page=13). * **Rayons alpha ($\alpha$)**: Composés d'un noyau d'hélium (2 protons et 2 neutrons). Ils sont arrêtés par 6 cm d'air ou une feuille de papier et ont un faible pouvoir de pénétration, mais peuvent être nocifs s'ils sont inhalés [13](#page=13). * **Rayons bêta ($\beta$)**: Composés d'électrons. Ils sont arrêtés par un écran d'aluminium ou du verre [13](#page=13). * **Rayons gamma ($\gamma$)**: Ondes très énergétiques sans masse, possédant un fort pouvoir de pénétration. Des écrans épais de plomb ou de béton sont nécessaires pour s'en protéger [13](#page=13). Lorsqu'un élément radioactif émet des rayons alpha ou bêta, il change de nature au fur et à mesure de sa désintégration [13](#page=13). **Période ou demi-vie**: C'est le temps nécessaire pour que la moitié d'une quantité donnée d'un isotope radioactif disparaisse par désintégration. Par exemple, la demi-vie du carbone-14 est d'environ 5730 ans; après cette période, 20 grammes de carbone-14 se réduisent à 10 grammes [14](#page=14). ##### 1.2.3.2 Les applications médicales des isotopes radioactifs Les isotopes radioactifs ont des applications importantes en médecine diagnostique et thérapeutique [14](#page=14). * **Traceurs radioactifs**: Des atomes radioactifs ou des molécules incorporant des atomes radioactifs (molécules radiopharmaceutiques) sont utilisés pour suivre le parcours de substances dans le corps, permettant de visualiser des processus physiques et chimiques. L'iode-131 est utilisé pour évaluer la thyroïde, l'iode-123 pour contrôler l'activité cérébrale, et le technétium-99 est le radioisotope le plus utilisé en diagnostic, avec une demi-vie courte de 6 heures [14](#page=14). * **Radiothérapie**: Certains radio-isotopes, comme le cobalt-60, sont utilisés pour détruire les cellules cancéreuses par émission de rayons gamma [14](#page=14). ##### 1.2.3.3 Les effets néfastes des radiations Les radiations émises par les isotopes radioactifs sont énergétiques et peuvent provoquer l'ionisation de la matière en arrachant des électrons ou en rompant des liaisons chimiques. Chez les organismes vivants, cela peut perturber gravement le fonctionnement cellulaire, endommager l'ARN ou l'ADN, entraîner la mort cellulaire (apoptose) ou provoquer des mutations conduisant à des cancers [15](#page=15). #### 1.2.4 L’arrangement des électrons Les électrons orbitent autour du noyau sur des trajectoires appelées orbitales, qui sont organisées en couches électroniques correspondant à différents niveaux d'énergie. Il y a sept couches électroniques nommées K, L, M, N, O, P et Q, dont l'énergie augmente avec la distance au noyau [15](#page=15). Les électrons remplissent ces couches selon deux règles principales : 1. Les électrons remplissent d'abord les couches les plus proches du noyau (niveau d'énergie le plus bas et le plus stable) [16](#page=16). 2. Chaque couche électronique a une capacité maximale d'électrons: K=2, L=8, M=18, N=32, selon la formule $2n^2$ où $n$ est le numéro de la couche [16](#page=16). La dernière couche électronique à être remplie est appelée couche de valence, et les électrons qui s'y trouvent sont les électrons de valence, cruciaux pour les liaisons chimiques [16](#page=16). > **Tip:** La règle des 8 électrons (règle de l'octet), où les atomes tendent à avoir 8 électrons sur leur couche de valence pour atteindre une stabilité similaire aux gaz rares, est fondamentale pour comprendre la réactivité chimique. La couche K est une exception, étant stable avec seulement 2 électrons [18](#page=18). #### 1.2.5 La représentation de Lewis Dans la représentation de Lewis, le symbole de l'élément représente le cœur de l'atome (noyau et électrons des couches remplies), et les électrons de valence sont représentés par des points ou des traits autour du symbole. Cette représentation permet de prédire la valence d'un atome, c'est-à-dire le nombre de liaisons qu'il peut former [18](#page=18). #### 1.2.6 L'ion Un atome est électriquement neutre lorsqu'il possède un nombre égal de protons et d'électrons. Cependant, les atomes peuvent gagner, perdre ou partager des électrons lors d'interactions [19](#page=19). * **Ion**: Un atome qui a gagné ou perdu des électrons devient un ion, porteur d'une charge électrique positive (cation, plus de protons que d'électrons) ou négative (anion, plus d'électrons que de protons). L'ionisation est le processus par lequel les atomes perdent ou gagnent des électrons. Les atomes ayant un ou deux électrons en trop ou manquant pour compléter leur couche de valence sont les plus susceptibles de former des ions [19](#page=19). ### 1.3 Le tableau périodique Les éléments chimiques sont classés dans le tableau périodique (ou tableau de Mendeleïev) par numéro atomique croissant [16](#page=16). * **Colonnes (familles ou groupes)**: Il y a 18 colonnes appelées familles, qui regroupent des éléments aux propriétés similaires. Les familles "a" (principales) portent des noms spécifiques comme les halogènes (VIIa) ou les gaz rares (VIIIa). Les éléments d'une même famille ont le même nombre d'électrons de valence [16](#page=16) [17](#page=17). * **Lignes (périodes)**: Il y a 7 lignes horizontales appelées périodes, dont le numéro correspond au nombre de couches électroniques occupées par des électrons [17](#page=17). La position d'un élément dans le tableau périodique (période et famille) est déterminée par son numéro atomique et l'arrangement de ses électrons. Les électrons de valence jouent un rôle déterminant dans le comportement chimique des éléments [17](#page=17). **Électronégativité**: Cette propriété décrit la force avec laquelle un atome attire le doublet électronique de liaison partagé avec un autre atome. Elle augmente de gauche à droite dans une période et diminue de haut en bas dans une famille. Les gaz rares ont une électronégativité nulle car leur couche électronique externe est complète et ils ne forment pas de liaisons [19](#page=19). --- # Liaisons chimiques et molécules Absolument ! Voici une synthèse détaillée sur les liaisons chimiques et les molécules, conçue pour être un guide d'étude complet et prêt pour un examen. ## 2. Liaisons chimiques et molécules Les liaisons chimiques sont les forces qui unissent les atomes pour former des molécules, déterminant ainsi la structure et les propriétés de la matière vivante [20](#page=20). ### 2.1 Les types de liaisons chimiques Les liaisons chimiques sont les forces qui maintiennent ensemble les atomes d'une molécule et les empêchent de se séparer. Il existe trois types principaux de liaisons chimiques: ioniques, covalentes et hydrogène [20](#page=20) [21](#page=21). #### 2.1.1 La liaison ionique Les liaisons ioniques se forment généralement entre des atomes ayant un ou deux électrons de valence (métaux) et des atomes ayant sept électrons de valence (non-métaux), en raison d'une forte différence d'électronégativité. La liaison ionique résulte d'un transfert d'un ou plusieurs électrons d'un atome à un autre. L'atome qui perd des électrons devient un cation (ion positif), tandis que l'atome qui gagne des électrons devient un anion (ion négatif). Ces ions de charges opposées s'attirent mutuellement par interaction électrostatique [20](#page=20) [21](#page=21). * **Exemple:** Le chlorure de sodium (NaCl), formé par le transfert d'un électron du sodium (Na) au chlore (Cl). Dans le cristal de NaCl, les ions Na⁺ et Cl⁻ forment un réseau cristallin [21](#page=21). * **Dans l'organisme:** Les liaisons ioniques sont présentes dans les os et les dents, conférant solidité aux tissus. Les ions dissous (électrolytes) comme Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, et Cl⁻ sont essentiels à la régulation de l'eau, à l'équilibre acidobasique et à la transmission des influx nerveux [21](#page=21) [22](#page=22). #### 2.1.2 La liaison covalente Les liaisons covalentes se forment lorsque deux atomes d'électronégativité identique ou proche partagent équitablement un doublet électronique. Les électrons partagés appartiennent à la couche externe des deux atomes, leur permettant d'atteindre une meilleure stabilité. Contrairement aux liaisons ioniques, les liaisons covalentes ne se dissocient pas dans l'eau [22](#page=22). * **Types de liaisons covalentes :** * **Liaison covalente normale (non polaire):** Les électrons sont partagés de manière égale entre les deux atomes. Cela se produit typiquement entre deux atomes identiques [23](#page=23). * **Exemple:** La molécule de dihydrogène (H₂) où chaque atome d'hydrogène partage une paire d'électrons. La molécule de chlore (Cl₂) [22](#page=22) [23](#page=23). * **Liaison covalente polaire:** Lorsque les atomes liés ont une électronégativité différente, l'atome le plus électronégatif attire davantage la paire d'électrons. Cela crée une distribution asymétrique des électrons, résultant en une charge partielle négative (δ⁻) près de l'atome le plus électronégatif et une charge partielle positive (δ⁺) sur l'autre atome. Ces liaisons sont les plus communes en biochimie [24](#page=24). * **Exemple:** La liaison H-Cl dans l'acide chlorhydrique. Le chlore, plus électronégatif, attire le doublet électronique, portant une charge partielle négative (δ⁻), tandis que l'hydrogène porte une charge partielle positive (δ⁺) [25](#page=25). * **Liaisons multiples:** Les atomes peuvent former des liaisons simples, doubles ou triples en partageant une, deux ou trois paires d'électrons, respectivement. Les liaisons doubles et triples sont plus solides que les liaisons simples [23](#page=23). * **Polarité des molécules :** La structure tridimensionnelle et l'électronégativité des atomes déterminent si une molécule est polaire ou non. * **Molécule polaire :** Les charges partielles ne s'annulent pas en raison de la géométrie de la molécule. * **Exemple:** La molécule d'eau (H₂O) a une forme de V. L'oxygène porte deux charges partielles négatives (δ⁻) et les deux atomes d'hydrogène portent chacun une charge partielle positive (δ⁺), faisant de l'eau une molécule polaire qui agit comme un dipôle [26](#page=26). * **Molécule non polaire :** Les charges partielles s'annulent, souvent en raison de la symétrie de la molécule. * **Exemple:** Le dioxyde de carbone (CO₂), bien que les liaisons C=O soient polaires, la molécule est linéaire et symétrique, rendant la molécule globale non polaire [25](#page=25). #### 2.1.3 La liaison hydrogène (pont d'hydrogène) Les liaisons hydrogène sont des attractions entre un atome d'hydrogène portant une charge partielle positive et un atome électronégatif (souvent O, N, ou S) portant une charge partielle négative ou un doublet d'électrons sur une autre molécule. Elles sont plus faibles que les liaisons ioniques ou covalentes mais, étant nombreuses, elles jouent un rôle crucial dans la structure et la fonction des macromolécules [26](#page=26). * **Rôle:** Elles lient les molécules entre elles (ex: molécules d'eau) ou différentes parties de macromolécules (ex: protéines, ADN), contribuant à leur solidité, stabilité et conformation tridimensionnelle [26](#page=26). * **Exemple:** Les ponts hydrogène entre molécules d'eau (Figure 11A) et entre les bases complémentaires de l'ADN (Figure 11B) [26](#page=26). ### 2.2 Les molécules inorganiques essentielles #### 2.2.1 L'eau L'eau est la substance la plus abondante dans les organismes vivants (60-80% du volume cellulaire) et le milieu de la plupart des réactions intracellulaires. Ses propriétés uniques, dues à sa structure, expliquent son rôle vital [31](#page=31). * **Structure de la molécule d'eau (H₂O):** Les atomes d'hydrogène sont liés à l'oxygène par des liaisons covalentes très polaires. L'oxygène porte deux charges partielles négatives (δ⁻) et chaque hydrogène porte une charge partielle positive (δ⁺). La disposition angulaire des liaisons fait de H₂O une molécule polaire [31](#page=31). * **Propriétés remarquables dues aux liaisons hydrogène :** * **Grande capacité thermique:** L'eau absorbe ou dégage beaucoup de chaleur avant que sa température ne change significativement. Cela aide les organismes à maintenir leur température interne constante [32](#page=32). * **Points de fusion (0°C) et d'ébullition (100°C) élevés:** La rupture des liaisons hydrogène pour passer de l'état liquide à gazeux nécessite beaucoup de chaleur, rendant la transpiration efficace pour le refroidissement [33](#page=33). * **Solvant universel:** Les molécules d'eau, étant polaires, orientent leurs extrémités chargées vers les molécules de soluté polaire ou ionique, les entourant et les dissolvant. Ceci est essentiel pour que les molécules biologiques soient chimiquement réactives en solution. Les grosses molécules chargées, comme les protéines, forment des colloïdes biologiques lorsqu'elles sont hydratées [33](#page=33) [34](#page=34). * **Participation aux réactions chimiques:** L'eau participe aux réactions d'hydrolyse (dégradation par addition d'eau) et de déshydratation (synthèse par élimination d'eau) [34](#page=34). * **Molécules hydrophiles et hydrophobes :** * **Hydrophiles:** Molécules polaires capables de former des liaisons hydrogène avec l'eau (ex: glucose, urée, alcools). Elles se dissolvent facilement dans l'eau [34](#page=34). * **Hydrophobes:** Molécules apolaires ayant une faible solubilité dans l'eau (ex: huiles). Elles ont tendance à s'agréger pour minimiser leur contact avec l'eau [34](#page=34). #### 2.2.2 Les sels Les sels sont des composés ioniques formés d'anions et de cations autres que H⁺ et OH⁻. Ils se dissolvent dans l'eau par dissociation en leurs ions [65](#page=65). * **Rôle physiologique:** Les sels dissous (électrolytes) conduisent l'électricité, ce qui est crucial pour la contraction musculaire et la conduction nerveuse [65](#page=65). * **Exemples:** NaCl (chlorure de sodium), CaCO₃ (carbonate de calcium), KCl (chlorure de potassium), Ca₃(PO₄)₂ (phosphate de calcium) [66](#page=66). #### 2.2.3 Les acides et les bases Les acides et les bases sont des électrolytes qui s'ionisent et se dissocient dans l'eau [66](#page=66). * **Acides:** Donnent des protons (H⁺) lors de leur dissociation. L'acidité est déterminée par la concentration en H⁺ [66](#page=66). * **Acide fort:** Se dissocie complètement (ex: HCl) [66](#page=66). * **Acide faible:** Se dissocie incomplètement, formant un équilibre dynamique (ex: RCOOH) [67](#page=67). * **Bases:** Accepteurs de protons. Elles réduisent la concentration en H⁺ ou augmentent la concentration en OH⁻ [67](#page=67). * **Base forte:** Se dissocie complètement et capte rapidement des H⁺ (ex: NaOH) [67](#page=67). * **Base faible:** Se dissocie partiellement ou capte peu de H⁺ (ex: NH₃, ion bicarbonate HCO₃⁻) [67](#page=67). * **Réaction de neutralisation:** Un acide et une base réagissent pour former de l'eau et un sel [68](#page=68). * **Exemple:** HCl + NaOH → NaCl + H₂O [68](#page=68). * **pH:** Mesure de l'acidité ou de l'alcalinité d'une solution. Le pH est le logarithme négatif de la concentration en ions hydrogène ([H⁺]) [68](#page=68). * pH 7: neutre ([H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ mol/L) [69](#page=69). * pH < 7: acide (plus de H⁺ que de OH⁻) [69](#page=69). * pH > 7: basique/alcalin (plus de OH⁻ que de H⁺) [69](#page=69). * Une variation de 0,3 unité de pH correspond à un doublement ou une division par deux de la concentration en H⁺ [70](#page=70). ### 2.3 Les molécules organiques essentielles à la vie Les composés organiques contiennent du carbone et de l'hydrogène, et sont élaborés par les organismes vivants. Ils sont formés par des liaisons covalentes. Le carbone est essentiel grâce à sa capacité à former 4 liaisons covalentes stables, permettant la création de chaînes linéaires, cycliques et de structures complexes. Les macromolécules biologiques sont souvent des polymères formés par la répétition d'unités plus petites appelées monomères, reliées par des liaisons covalentes. La synthèse de ces polymères se fait par déshydratation (libération d'eau), et leur dégradation par hydrolyse (ajout d'eau) [30](#page=30) [34](#page=34) [35](#page=35) [36](#page=36). #### 2.3.1 Les glucides Constitués de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, les glucides (ou hydrates de carbone) sont souvent appelés "sucres". Ils sont classés selon leur taille [36](#page=36): * **Monosaccharides:** Sucres simples, unités de base (ex: glucose, fructose, galactose, ribose, désoxyribose). Leur formule générale est (CH₂O)n. Ils peuvent adopter des formes cycliques. Le glucose est la principale source d'énergie pour la production d'ATP [36](#page=36) [37](#page=37) [38](#page=38). * **Disaccharides:** Formés par l'union de deux monosaccharides via une liaison glycosidique (condensation) (ex: saccharose, maltose, lactose) [39](#page=39). * **Polysaccharides:** Polymères de monosaccharides, souvent peu solubles, servant de stockage (ex: amidon, glycogène, cellulose, chitine) [40](#page=40). * **Amidon:** Réserve de glucides chez les végétaux (amylose et amylopectine) [41](#page=41). * **Glycogène:** Réserve de glucose chez les animaux, stocké dans le foie et les muscles [41](#page=41). * **Cellulose:** Composant majeur des parois cellulaires végétales, structure fibreuse résistante. Non digestible par la plupart des organismes [42](#page=42). * **Chitine:** Polysaccharide azoté dans les carapaces d'arthropodes et les parois de champignons [42](#page=42). * **Rôles des glucides:** Énergétique, mécanique (structure), marquage cellulaire et fonction structurale (pentoses dans l'ADN/ARN) [42](#page=42). #### 2.3.2 Les lipides Les lipides sont des composés organiques peu ou pas solubles dans l'eau (hydrophobes), mais solubles dans les solvants organiques (liposolubles). Ils sont principalement composés de carbone et d'hydrogène, avec une proportion d'oxygène plus faible que les glucides. Certains contiennent du phosphore [43](#page=43). * **Types principaux :** * **Triglycérides (graisses et huiles):** Formés d'un glycérol lié à trois acides gras. Les acides gras peuvent être saturés (liaisons simples C-C), monoinsaturés ou polyinsaturés (contenant des doubles liaisons C=C). Les acides gras saturés sont généralement solides à température ambiante (ex: beurre). Les acides gras insaturés existent en conformation *cis* (naturels) ou *trans* (issus de l'hydrogénation industrielle, déconseillés) [44](#page=44) [45](#page=45). * **Rôles:** Réserve d'énergie (plus du double par gramme que les glucides/protéines) protection des organes, isolation thermique [46](#page=46). * **Phospholipides:** Constituent la base des membranes cellulaires. Ils ont une tête polaire (hydrophile) et deux queues apolaires (hydrophobes), ce qui les rend amphipathiques. Ils forment spontanément des micelles ou des bicouches lipidiques dans l'eau [47](#page=47) [48](#page=48). * **Stéroïdes:** Partagent un squelette de quatre cycles de carbones (noyau stérol) [49](#page=49). * **Cholestérol:** Le plus abondant, composant des membranes animales, précurseur des hormones stéroïdes, vitamine D, et sels biliaires. Il est amphipathique [49](#page=49). * **Hormones stéroïdes:** Messagers chimiques (ex: testostérone, œstrogènes, corticostéroïdes) [50](#page=50). * **Sels biliaires:** Aident à la digestion et à l'émulsification des lipides grâce à leur nature amphipathique [50](#page=50). * **Rôles des lipides:** Réserve d'énergie, protection et isolation, composant majeur des membranes cellulaires, messagers cellulaires (hormones stéroïdiennes) [50](#page=50). #### 2.3.3 Les protéines Les protéines sont les molécules les plus complexes et variées, jouant des rôles essentiels dans toutes les fonctions biologiques. Elles sont des polymères d'acides aminés [51](#page=51). * **Acides aminés:** Molécules constituées d'un carbone central, d'un groupement amine (-NH₂), d'un groupement carboxyle (-COOH), d'un atome d'hydrogène et d'une chaîne latérale variable (R). Il existe 20 acides aminés différents, qui diffèrent par leur chaîne R. Ils peuvent s'ioniser en solution (zwitterion) [51](#page=51) [52](#page=52). * **Polypeptides et protéines:** Les acides aminés se lient par des liaisons peptidiques (réaction de condensation) pour former des polypeptides. Au-delà de 100 acides aminés, on parle de protéines. La séquence spécifique des acides aminés détermine la structure et la fonction de la protéine [52](#page=52) [53](#page=53). * **Organisation tridimensionnelle des protéines :** * **Structure primaire:** Séquence des acides aminés [53](#page=53). * **Structure secondaire:** Repliements réguliers comme l'hélice alpha et le feuillet bêta, stabilisés par des liaisons hydrogène [53](#page=53). * **Structure tertiaire:** Conformation tridimensionnelle finale, déterminée par les interactions entre les chaînes latérales des acides aminés (interactions hydrophobes, liaisons ioniques, liaisons hydrogène, ponts disulfure) [54](#page=54). * **Structure quaternaire:** Association de plusieurs chaînes polypeptidiques pour former une protéine fonctionnelle [55](#page=55). * **Types de protéines :** * **Protéines fibreuses (structurales):** Formes de longs brins, insolubles, stables, fournissant un support mécanique (ex: collagène, actine, myosine) [56](#page=56). * **Protéines globulaires (fonctionnelles):** Compactes et sphériques, solubles, chimiquement actives, impliquées dans la plupart des processus biologiques (ex: enzymes, anticorps, hormones) [56](#page=56). * **Dénaturation:** Perte de la structure tridimensionnelle et de la fonction de la protéine sous l'effet de facteurs comme la chaleur ou les changements de pH extrêmes. Peut être réversible ou irréversible [56](#page=56). * **Rôles des protéines:** Structure, mouvement, transport de molécules, hormones, identification cellulaire, communication, défense de l'organisme, enzymes [57](#page=57) [58](#page=58). * **Enzymes:** Protéines qui agissent comme catalyseurs biologiques, augmentant la vitesse des réactions chimiques sans être consommées. Elles sont hautement spécifiques à leur substrat (principe clé-serrure) [59](#page=59). #### 2.3.4 Les acides nucléiques Les acides nucléiques (ADN et ARN) sont des polymères de nucléotides, les molécules les plus volumineuses de l'organisme [62](#page=62). * **Nucléotides:** Composés d'un pentose (ribose ou désoxyribose), d'une base azotée (purine: A, G; pyrimidine: C, T (ADN) ou U (ARN)) et d'un groupe phosphate [62](#page=62). * **Polymérisation:** Les nucléotides sont reliés par des liaisons phosphodiesters (réaction de déshydratation) formant une chaîne avec un sens 5' vers 3' [63](#page=63). * **ADN (Acide désoxyribonucléique):** Double hélice formée de deux chaînes de nucléotides. Les bases s'apparient de manière complémentaire (A-T, C-G) via des liaisons hydrogène. Permet la réplication de l'information génétique [63](#page=63). * **ARN (Acide ribonucléique):** Généralement simple brin, plus court que l'ADN. Le sucre est le ribose et la base thymine est remplacée par l'uracile [63](#page=63). * **Rôles:** L'ADN conserve et transmet l'information génétique. Les ARN interviennent dans l'expression de cette information (ARNm, ARNr, ARNt) [64](#page=64). ### 2.4 Réactions chimiques et énergie Une réaction chimique implique la formation, la réorganisation ou la rupture de liaisons chimiques [26](#page=26). * **Types de réactions:** Synthèse, dégradation, échange [27](#page=27). * **Réactions exothermiques/exergoniques:** Libèrent de l'énergie; leurs produits contiennent moins d'énergie que les réactifs. Souvent spontanées [30](#page=30). * **Réactions endothermiques/endergoniques:** Absorbent de l'énergie; leurs produits contiennent plus d'énergie que les réactifs. Généralement non spontanées. Elles sont souvent couplées à des réactions exergoniques dans l'organisme [30](#page=30). * **Facteurs influençant la vitesse de réaction:** Température, concentration, taille des particules, catalyseurs (enzymes) [29](#page=29). Ce résumé couvre les concepts clés des liaisons chimiques, des propriétés de l'eau, des différentes classes de molécules organiques, et des principes des réactions chimiques, fournissant une base solide pour votre préparation. Bonne révision ! --- # Métabolisme cellulaire et réactions énergétiques Ce chapitre explore les transformations chimiques au sein des cellules, détaillant les principes des réactions métaboliques, les échanges d'énergie, les réactions d'oxydo-réduction, le rôle des enzymes et coenzymes, ainsi que les voies centrales du métabolisme (catabolisme des glucides, lipides, protéines) et leur interconnexion [90](#page=90). ### 3.1 Vue générale du métabolisme cellulaire Les cellules vivantes nécessitent une synthèse constante de molécules organiques pour leur croissance, leur fonctionnement et leur multiplication, ainsi que de l'énergie pour réaliser leurs travaux cellulaires. Les organismes autotrophes utilisent la lumière comme source d'énergie, tandis que les organismes hétérotrophes, comme l'homme, dépendent de la consommation de molécules organiques préexistantes. Le métabolisme englobe l'ensemble des milliers de réactions chimiques effectuées par les cellules [90](#page=90). * **Réactions cataboliques:** Réactions de dégradation libérant de l'énergie à partir de molécules organiques complexes, produisant des déchets pauvres en énergie (CO2, H2O, NH3) [90](#page=90). * **Réactions anaboliques:** Réactions de synthèse produisant des molécules complexes à partir de monomères ou de l'alimentation, nécessitant de l'énergie [90](#page=90). Les réactions métaboliques sont souvent organisées en voies métaboliques séquentielles, où le produit d'une réaction devient le substrat de la suivante, formant des chaînes ou des cycles [91](#page=91). ### 3.2 Principes généraux des réactions métaboliques #### 3.2.1 Rappel : la réaction chimique Une réaction chimique transforme des réactifs en produits. L'équation chimique, comme $a A + b B \rightarrow c C + d D$, utilise des coefficients stœchiométriques (a, b, c, d) pour équilibrer la matière et les atomes. Ces réactions impliquent la formation et la rupture de liaisons chimiques, événement qui nécessite des mécanismes contrôlés, souvent enzymatiques, dans les cellules [92](#page=92). * **Bilan matière:** La somme des masses des produits est égale à celle des réactifs (loi de Lavoisier: "rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme") [92](#page=92). * **Bilan énergie:** L'énergie des réactifs est intégralement retrouvée dans les produits, potentiellement sous une autre forme (travail cellulaire, chaleur) [93](#page=93). #### 3.2.2 Les échanges d’énergie au cours des réactions chimiques Les réactions chimiques impliquent des échanges d'énergie. L'énergie libre de Gibbs ($\Delta G$) quantifie la capacité d'un système à effectuer un travail et détermine la spontanéité d'une réaction [93](#page=93). * **Réactions exergoniques:** $\Delta G < 0$. Réactions spontanées qui libèrent de l'énergie libre [93](#page=93). * **Réactions endergoniques:** $\Delta G > 0$. Réactions non spontanées qui nécessitent un apport d'énergie libre [93](#page=93). * **Réactions isoergoniques:** $\Delta G = 0$. Réactions à l'équilibre [93](#page=93). > **Tip:** Le terme "spontané" en thermodynamique signifie thermodynamiquement favorisé, pas nécessairement rapide [94](#page=94). Les réactions fortement exergoniques ou endergoniques sont considérées comme complètes, avec un rendement de 100%. Les réactions avec un $\Delta G$ non important sont incomplètes et évoluent vers un état d'équilibre dynamique où les vitesses de formation et de disparition des réactifs et produits sont égales [94](#page=94). #### 3.2.3 Les réactions d’oxydo-réduction La majorité des réactions chimiques de l'organisme sont des réactions d'oxydo-réduction, impliquant le transfert d'électrons [94](#page=94). * **Oxydation:** Perte d'électrons, souvent associée à la perte d'un proton ($H^+$) [94](#page=94). $AH \rightarrow A + e^{-} + H^{+}$ * **Réduction:** Gain d'électrons, souvent associé au gain d'un proton ($H^+$) [94](#page=94). $B + e^{-} + H^{+} \rightarrow BH$ L'oxydation et la réduction surviennent toujours simultanément car le nombre d'électrons est conservé [95](#page=95). $AH + B \rightarrow A + BH$ Les réactions d'oxydation sont généralement exergoniques et énergétiquement favorables, typiques du catabolisme. Les réactions de réduction sont souvent endergoniques et font partie de l'anabolisme [95](#page=95). #### 3.2.4 Enzymes et co-enzymes Les enzymes sont des protéines qui catalysent spécifiquement les réactions biologiques, augmentant leur vitesse de 10^8 à 10^14 fois. Le substrat est la molécule sur laquelle agit l'enzyme. Les noms des enzymes se terminent souvent par "-ase" [95](#page=95). Exemples d'enzymes et leur fonction : * Oxydases: ajoutent de l'oxygène [95](#page=95). * Kinases: ajoutent du phosphate [95](#page=95). * Déshydrogénases: éliminent l'hydrogène [95](#page=95). * Anhydrases: enlèvent l'eau [95](#page=95). * ATPases: transforment l'ATP en ADP [95](#page=95). * Protéases: dégradent les protéines [95](#page=95). * Lipases: dégradent les lipides [95](#page=95). Les enzymes augmentent la vitesse d'une réaction sans modifier la constante d'équilibre ni le $\Delta G$, et sans être consommées [96](#page=96). De nombreuses enzymes nécessitent des cofacteurs : * **Ions métalliques:** (Fe2+, Zn2+, Mg2+, Ca2+) [96](#page=96). * **Coenzymes:** Molécules organiques, souvent dérivées de vitamines, qui agissent comme transporteurs d'électrons ou de groupes chimiques. Contrairement aux enzymes, les coenzymes sont transformés et doivent être régénérés [96](#page=96). Les coenzymes d'oxydo-réduction clés sont le NAD+ (nicotinamide adénine dinucléotide) et le FAD (flavine adénine dinucléotide). Ils agissent comme des navettes acceptant ou cédant des paires d'électrons à haute énergie et des atomes d'hydrogène [96](#page=96). #### 3.2.5 Les moyens pour faire des réactions énergétiquement défavorables Les cellules réalisent des réactions énergétiquement défavorables ($\Delta G > 0$) comme la synthèse de macromolécules ou le transport actif. Cela est possible en couplant une réaction exergonique à une réaction endergonique [97](#page=97). Conditions pour le couplage : * La somme des $\Delta G$ des réactions partielles doit être négative [97](#page=97). * Les deux réactions doivent partager au moins un intermédiaire commun [97](#page=97). * Cet intermédiaire doit posséder une énergie libre de Gibbs élevée (ex: ATP, NAD+, FAD) [97](#page=97). L'hydrolyse de l'adénosine triphosphate (ATP) en adénosine diphosphate (ADP) est le principal mécanisme de couplage. L'énergie libérée par le catabolisme est stockée sous forme d'ATP, qui est ensuite utilisé pour l'anabolisme et d'autres fonctions cellulaires (contraction musculaire, transport actif, synthèse de macromolécules) [98](#page=98). Une molécule d'ATP est composée d'un ribose, d'une adénine et de trois groupements phosphates. La rupture de la liaison entre le deuxième et le troisième phosphate libère une grande quantité d'énergie : $ATP + H_2O \rightarrow ADP + P_i + 30.5 \text{ kJ/mole}$ ($\Delta G = -30.5 \text{ kJ/mole}$) [98](#page=98). La production d'ATP se fait par phosphorylation de l'ADP, nécessitant une enzyme (ATP synthase) et un apport d'énergie provenant d'une réaction exergonique. L'ATP est stable dans les conditions cellulaires et son hydrolyse nécessite des ATPases [99](#page=99). **Exemples d'utilisation de l'ATP :** 1. **Travail chimique:** Synthèse de la glutamine à partir de l'acide glutamique, couplée à l'hydrolyse de l'ATP ($\Delta G_{net} = -16.3 \text{ kJ/mole}$) [99](#page=99). 2. **Travail mécanique:** Les protéines motrices transforment l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP en énergie mécanique, permettant le mouvement le long des microtubules [100](#page=100). 3. **Travail de transport:** La Na+/K+ ATPase utilise l'énergie de l'hydrolyse de l'ATP pour transporter des ions à travers la membrane plasmique, créant des gradients . ### 3.3 Les voies centrales du métabolisme Les cellules obtiennent de l'énergie à partir des aliments (protéines, polysaccharides, lipides) qui sont fragmentés en monomères (acides aminés, monosaccharides, acides gras, glycérol). Ces nutriments peuvent être oxydés pour produire de l'énergie (catabolisme) ou utilisés pour la synthèse d'autres molécules (anabolisme) . L'oxydation complète du glucose est la voie centrale du catabolisme, bien que les lipides et les protéines puissent aussi être utilisés . * **Glycolyse:** Dégradation du glucose en deux molécules de pyruvate dans le cytosol . * **En aérobiose:** Le pyruvate entre dans la mitochondrie, est oxydé en Acétyl-CoA, puis subit le cycle de Krebs et la chaîne de transport d'électrons pour produire de l'ATP par phosphorylation oxydative . * **En anaérobiose:** Le pyruvate est réduit en lactate . Les réactions d'oxydo-réduction de la glycolyse et du cycle de Krebs transfèrent des électrons au NAD+ et au FAD, formant NADH et FADH2. La chaîne de transport d'électrons utilise ces électrons pour générer un gradient de protons, qui alimente l'ATP synthase pour la production d'ATP (phosphorylation oxydative) . #### 3.3.1 Digestion et absorption * **Glucides:** Les polysaccharides (amidon) sont dégradés en monosaccharides (glucose, fructose, galactose) par les amylases salivaires et pancréatiques, puis par les enzymes de la bordure en brosse (maltase, sucrase, lactase). Les monosaccharides sont absorbés par les entérocytes via des transporteurs protéiques (symport avec Na+). Les humains ne digèrent pas la cellulose ou la chitine, qui constituent les fibres alimentaires . * **Protéines:** Les protéines sont hydrolysées en polypeptides dans l'estomac (pepsine) et en peptides plus petits dans l'intestin (trypsine, chymotrypsine). Les enzymes intestinales (carboxypeptidase, aminopeptidase, dipeptidase) fragmentent les peptides en acides aminés, qui sont absorbés par les entérocytes via des transporteurs spécifiques (symport avec Na+) . * **Lipides:** Les triglycérides sont émulsifiés par les sels biliaires et hydrolysés en acides gras et monoglycérides par la lipase pancréatique. Ces produits s'associent aux sels biliaires pour former des micelles, qui facilitent leur diffusion à travers la membrane des entérocytes. Les acides gras à chaînes courtes sont hydrosolubles et diffusent dans le sang. Les acides gras à chaînes longues sont transportés dans le réticulum endoplasmique lisse, réassemblés en triglycérides, puis formés en chylomicrons dans l'appareil de Golgi, avant d'être absorbés par les capillaires lymphatiques . * **Acides nucléiques:** Dégradés en nucléotides par les nucléases, puis en bases azotées, pentoses et phosphates par les enzymes de la bordure en brosse . #### 3.3.2 Le catabolisme des glucides * **Entrée des glucides dans les cellules:** Les monosaccharides, principalement le glucose, entrent dans les cellules par transport facilité via des perméases, respectant le gradient de concentration. L'insuline contrôle le transport du glucose dans les cellules musculaires et les adipocytes . * **Phosphorylation du glucose:** Dès son entrée dans la cellule, le glucose est phosphorylé en glucose-6-phosphate grâce à l'ATP, une réaction coûteuse en énergie qui piège le glucose dans la cellule. Seules les cellules du foie, des tubules rénaux et de l'intestin peuvent déphosphoryler le glucose-6-phosphate . ##### 3.3.2.1 Principe général du catabolisme du glucose Le catabolisme du glucose comprend trois étapes majeures : 1. **Glycolyse:** Dégradation du glucose en deux molécules de pyruvate dans le cytosol . 2. **Cycle de Krebs:** Oxydation de l'Acétyl-CoA dans la matrice mitochondriale . 3. **Chaîne de transport des électrons et phosphorylation oxydative:** Production d'ATP à partir de l'énergie des coenzymes réduits dans la membrane mitochondriale interne . **Équation bilan de la glycolyse :** $Glucose + 2 ADP + 2 P_i + 2 NAD^+ \rightarrow 2 \text{ pyruvates} + 2 ATP + 2 NADH + 2 H^+ + 2 H_2O$ . ##### 3.3.2.2 La glycolyse La glycolyse est une voie anaérobie, se déroulant en dix réactions catalysées par des enzymes dans le cytosol. Elle produit un gain net de 2 ATP et 2 NADH par molécule de glucose . En absence d'oxygène (anaérobiose), le pyruvate est converti en lactate via la **fermentation lactique** pour régénérer le NAD+ nécessaire à la poursuite de la glycolyse. Un excès de lactate peut causer des crampes musculaires. Le lactate peut être reconverti en pyruvate dans le foie lorsque l'oxygène redevient disponible . ##### 3.3.2.3 La respiration cellulaire (en condition aérobie) Elle comprend deux étapes se déroulant dans la mitochondrie : 1. **Le cycle de Krebs (ou cycle de l'acide citrique) :** Le pyruvate, après avoir été oxydé en Acétyl-CoA dans la matrice mitochondriale (produisant 1 CO2 et 1 NADH/H+), entre dans le cycle. L'acétyl-CoA (2 carbones) se condense avec l'oxaloacétate (4 carbones) pour former du citrate (6 carbones). Le cycle se déroule en 8 étapes successives d'oxydation, libérant 2 molécules de CO2 et régénérant l'oxaloacétate . À chaque tour du cycle, sont produits: 3 NADH, 1 FADH2, 1 ATP (ou GTP) et 2 CO2. L'oxydation du pyruvate en acétyl-CoA et le cycle de Krebs produisent des coenzymes réduits (NADH, FADH2) essentiels pour la phosphorylation oxydative . 2. **La chaîne de transport des électrons et la phosphorylation oxydative :** Les électrons des NADH et FADH2 sont transférés à travers une série de complexes protéiques dans la membrane mitochondriale interne. Chaque transfert d'électron libère de l'énergie utilisée pour pomper des protons ($H^+$) de la matrice vers l'espace intermembranaire, créant un gradient électrochimique. L'oxygène est l'accepteur final des électrons et des protons, formant de l'eau . **Chimiosmose:** Le retour des protons dans la matrice mitochondriale via l'ATP synthase utilise l'énergie du gradient pour catalyser la synthèse d'ATP à partir d'ADP et de $P_i$. L'ATP est ensuite exporté dans le cytoplasme par un transport actif via la translocase ATP/ADP . ##### 3.3.2.4 Bilan de l’oxydation complète d’une molécule de glucose Le bilan théorique maximal est d'environ 38 ATP par molécule de glucose. Cependant, des estimations plus récentes suggèrent 32 ATP, en raison d'une production d'ATP plus faible par NADH (2.5 ATP) et FADH2 (1.5 ATP) ainsi que des fuites de protons et l'utilisation du gradient pour d'autres fonctions (transport, échange ATP/ADP) . #### 3.3.3 Le catabolisme des lipides Les triglycérides (TG) sont la principale forme de stockage énergétique. En cas de manque de glucose, les graisses sont oxydées via la **lipolyse** dans les adipocytes, hydrolysant les TG en glycérol et acides gras . * **Glycérol:** Converti en glycéraldéhyde-3-phosphate, un intermédiaire de la glycolyse . * **Acides gras:** Transportés par l'albumine, ils entrent dans la mitochondrie et sont dégradés par la **$\beta$-oxydation (hélice de Lynen)** . ##### 3.3.3.1 La $\beta$-oxydation des acides gras Dans la matrice mitochondriale, les acides gras sont activés par fixation d'une Coenzyme A (CoA), consommant de l'ATP. La $\beta$-oxydation scinde la molécule d'acide gras par cycles, produisant à chaque cycle 1 acétyl-CoA, 1 FADH2 et 1 NADH. L'acétyl-CoA rejoint le cycle de Krebs pour la production d'ATP. Un acide gras à 18 carbones produit théoriquement environ 120 ATP. Le catabolisme des lipides fournit près de deux fois plus d'énergie que celui du glucose (38 kJ/g vs 17 kJ/g) . ##### 3.3.3.2 La cétogenèse et les corps cétoniques Lors d'un jeûne prolongé (>18h), lorsque les réserves de glucose sont épuisées, les molécules d'acétyl-CoA produites par la $\beta$-oxydation s'accumulent dans le foie car le cycle de Krebs est ralenti (les oxaloacétates sont utilisés pour la néoglucogenèse). Le foie convertit alors ces acétyl-CoA en corps cétoniques (acétoacétate, D-$\beta$-hydroxybutyrate, acétone). Les corps cétoniques sont exportés vers les autres organes (y compris l'encéphale) où ils sont reconvertis en acétyl-CoA pour produire de l'ATP. La cétose, excès de corps cétoniques dans le sang, peut mener à une acidose métabolique grave . #### 3.3.4 Le catabolisme des protéines Les protéines sont dégradées en acides aminés. Les acides aminés en excès, captés principalement par le foie, sont dégradés par désamination oxydative. Le groupement amine est détaché, formant de l'ammoniac (NH3), toxique. Le foie convertit l'ammoniac en urée, non toxique et éliminée par les urines. Les chaînes carbonées des acides aminés sont transformées en intermédiaires du catabolisme glucidique (pyruvate, $\alpha$-cétoglutarate, oxaloacétate) . ### 3.4 Interconnexions entre les voies métaboliques des glucides, des lipides et des protéines #### 3.4.1 Les voies métaboliques sont reliées par un petit nombre d’intermédiaires. Les voies d'oxydation des nutriments convergent vers des intermédiaires clés comme le pyruvate et l'acétyl-CoA, permettant l'interconversion de diverses molécules. De nombreuses voies sont réversibles, partageant les mêmes enzymes lorsque le $\Delta G$ est faible, comme dans le cas de la néoglucogenèse (synthèse du glucose) qui utilise la plupart des enzymes de la glycolyse . #### 3.4.2 L’acétyl-CoA a plusieurs rôles L'acétyl-CoA est produit par l'oxydation du pyruvate, la dégradation des protéines et des lipides ( $\beta$-oxydation). Il est la porte d'entrée principale vers le cycle de Krebs pour la production d'énergie. L'acétyl-CoA est également un précurseur pour la synthèse des chaînes hydrocarbonées des acides gras. La cellule oriente l'acétyl-CoA vers la synthèse d'acides gras lorsque les niveaux d'ATP sont élevés, et vers le catabolisme oxydatif lorsque les niveaux d'ATP sont bas . #### 3.4.3 Les interconnexions proprement dites Toutes les molécules organiques contenant de l'énergie peuvent être dégradées pour la synthèse d'ATP. Les monosaccharides autres que le glucose sont convertis en glucose ou fructose et entrent dans la glycolyse. Les lipides (triglycérides) se dégradent en glycérol (rejoint la glycolyse) et acides gras (via $\beta$-oxydation, forment de l'acétyl-CoA). Les protéines sont hydrolysées en acides aminés qui, après désamination, se transforment en pyruvate, acétyl-CoA ou intermédiaires du cycle de Krebs. L'excès de nourriture, qu'elle soit glucidique, lipidique ou protéique, peut être converti en graisse pour stockage . ### 3.5 Utilisation des sources énergétiques en fonction de l’état nutritionnel #### 3.5.1 Le métabolisme postprandial Cet état survient après un repas, lorsque le sang est riche en nutriments. La régulation est principalement assurée par l'insuline, qui favorise l'utilisation du glucose (glycolyse, glycogénogenèse), la lipogenèse et la protéogenèse . * **Glycolyse:** Oxydation du glucose en pyruvate, puis en acétyl-CoA pour le cycle de Krebs et la production d'ATP . * **Glycogénogenèse:** Assemblage des molécules de glucose excédentaires en glycogène pour le stockage dans le foie et les muscles. Le glycogène peut être composé de plus de 50 000 molécules de glucose . * **Lipogenèse:** Synthèse des triglycérides et phospholipides à partir du glycérol et des acides gras, principalement stockés dans le tissu adipeux. Les graisses représentent 80-85% de l'énergie stockée . * **Protéogenèse:** Synthèse des protéines à partir des acides aminés . #### 3.5.2 Le métabolisme de jeûne Le but est de maintenir une glycémie normale pour le fonctionnement du système nerveux et des globules rouges. La régulation implique le système nerveux sympathique et des hormones (glucagon, adrénaline, cortisol). Les processus favorisés sont la production de glucose (glycogénolyse, néoglucogenèse), la lipolyse et la protéolyse . * **Glycogénolyse:** Dégradation du glycogène en glucose, principalement dans le foie pour libérer du glucose dans le sang. Les muscles dégradent leur glycogène pour leur propre usage . * **Lipolyse:** Dégradation des triglycérides en glycérol (converti en glucose) et acides gras (oxydés pour l'ATP) . * **Néoglucogenèse:** Biosynthèse de glucose à partir de composés non glucidiques (glycérol, lactate, pyruvate, certains acides aminés) dans le foie, les reins et l'intestin. L'organisme ne peut pas fabriquer de glucose à partir d'acétyl-CoA ou du catabolisme des acides gras . * **Cétogenèse:** Production de corps cétoniques par le foie pour épargner le glucose, surtout lors de jeûne prolongé (> 4-5 jours). Le cerveau peut utiliser les corps cétoniques comme source d'énergie . * **Protéolyse:** Dégradation des protéines tissulaires en acides aminés, qui peuvent être convertis en glucose (néoglucogenèse) ou oxydés pour produire de l'ATP . La stratégie de maintien de la glycémie combine la production de nouvelles sources de glucose et l'épargne du glucose par l'utilisation d'autres substrats énergétiques (acides gras, corps cétoniques, acides aminés) . --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Terme | Définition | |---|---| | Atome | La plus petite unité de matière qui conserve les propriétés caractéristiques d'un élément chimique. Il est composé d'un noyau (protons et neutrons) et d'électrons en orbite autour du noyau. | | Noyau atomique | La partie centrale d'un atome, extrêmement dense, composée de protons et de neutrons. | | Protons (p+) | Particules subatomiques situées dans le noyau de l'atome, portant une charge électrique positive. | | Neutrons (n0) | Particules subatomiques situées dans le noyau de l'atome, ne portant pas de charge électrique. | | Électrons (e-) | Particules subatomiques de charge négative qui gravitent à grande vitesse autour du noyau atomique. | | Nucléons | Terme collectif désignant les protons et les neutrons qui constituent le noyau atomique. | | Numéro atomique (Z) | Le nombre de protons dans le noyau d'un atome, qui est caractéristique de chaque élément chimique. | | Masse atomique (A) | La somme du nombre de protons et de neutrons dans le noyau d'un atome. | | Isotopes | Atomes d'un même élément chimique qui possèdent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons, ce qui leur confère des masses atomiques différentes. | | Radio-isotopes | Isotopes instables qui se désintègrent spontanément en émettant des radiations. | | Demi-vie | Le temps nécessaire pour que la moitié d'une quantité initiale d'un élément radioactif disparaisse par désintégration. | | Liaison ionique | Force d'attraction électrostatique entre des ions de charges opposées, formée par le transfert d'un ou plusieurs électrons entre atomes. | | Liaison covalente | Liaison chimique formée par le partage équitable d'électrons entre deux atomes, permettant à ces derniers de compléter leur couche de valence. | | Liaison covalente polaire | Liaison covalente dans laquelle la paire d'électrons partagée est attirée plus fortement par l'un des atomes, créant une dissymétrie dans la distribution électronique et donc des charges partielles positives et négatives. | | Liaison hydrogène (pont d'hydrogène) | Faible attraction entre un atome d'hydrogène portant une charge partielle positive et un atome électronégatif (souvent O, N ou S) portant une charge partielle négative, reliant des molécules entre elles ou différentes parties de macromolécules. | | Molécule | Un groupe d'atomes maintenus ensemble par des forces d'attraction appelées liaisons chimiques. | | Réaction chimique | Un processus au cours duquel les liaisons chimiques se forment, se réorganisent ou se rompent, transformant des réactifs en produits. | | Réactifs | Les substances présentes avant une réaction chimique. | | Produits | Les substances formées après une réaction chimique. | | Réaction exothermique | Réaction qui libère de l'énergie. | | Réaction endothermique | Réaction qui absorbe de l'énergie. | | Réaction d'oxydo-réduction (redox) | Réaction chimique impliquant le transfert d'électrons entre molécules, où l'une est oxydée (perd des électrons) et l'autre est réduite (gagne des électrons). | | Enzyme | Une protéine qui agit comme catalyseur biologique, accélérant la vitesse des réactions chimiques sans être consommée dans le processus. | | Substrat | La molécule sur laquelle une enzyme agit. | | Site actif | La région spécifique sur une enzyme où le substrat se lie et où la réaction catalytique a lieu. | | Coenzyme | Une petite molécule organique, souvent dérivée de vitamines, qui est nécessaire au fonctionnement de certaines enzymes. | | ATP (Adénosine Triphosphate) | Une molécule qui stocke et transporte l'énergie dans les cellules, utilisée pour alimenter de nombreuses réactions cellulaires. | | Hydrolyse | Réaction chimique où une molécule d'eau est utilisée pour scinder une liaison chimique. | | Synthèse par déshydratation | Réaction chimique où deux molécules sont liées ensemble avec élimination d'une molécule d'eau. | | Polymère | Une grande molécule formée par la répétition d'unités plus petites appelées monomères. | | Monomère | Une petite molécule qui peut se lier à d'autres monomères pour former un polymère. | | Glucides (hydrates de carbone) | Macromolécules composées de carbone, d'hydrogène et d'oxygène, servant principalement de source d'énergie et de structure. | | Monosaccharide | Le plus simple des glucides, composé d'une seule unité de sucre (par exemple, glucose, fructose). | | Disaccharide | Un glucide composé de deux unités de monosaccharides liées (par exemple, saccharose, lactose). | | Polysaccharide | Un glucide complexe composé de nombreuses unités de monosaccharides (par exemple, amidon, glycogène, cellulose). | | Lipides | Groupe hétérogène de composés organiques peu solubles dans l'eau, comprenant les graisses, les huiles, les phospholipides et les stéroïdes, jouant des rôles énergétiques, structuraux et de signalisation. | | Triglycéride | Un lipide formé par la liaison d'un glycérol à trois acides gras, servant de réserve d'énergie. | | Acide gras saturé | Un acide gras dont la chaîne carbonée ne contient que des liaisons simples entre les atomes de carbone. | | Acide gras insaturé | Un acide gras contenant une ou plusieurs doubles liaisons carbone-carbone dans sa chaîne. | | Phospholipide | Un lipide similaire au triglycéride mais avec un groupement phosphate à la place d'un acide gras, constituant majeur des membranes cellulaires. | | Stéroïde | Un type de lipide caractérisé par un noyau de quatre cycles de carbones, comme le cholestérol et les hormones stéroïdes. | | Protéine | Macromolécule complexe formée de chaînes d'acides aminés, jouant une multitude de rôles dans les cellules et l'organisme (structure, fonction, catalyse, transport, etc.). | | Acide aminé | L'unité monomérique des protéines, caractérisé par un groupement amine, un groupement carboxyle et une chaîne latérale variable (R). | | Liaison peptidique | Liaison covalente formée entre le groupement carboxyle d'un acide aminé et le groupement amine d'un autre, reliant les acides aminés pour former des polypeptides. | | Polypeptide | Une chaîne d'acides aminés liés par des liaisons peptidiques. | | Structure primaire (protéine) | La séquence linéaire spécifique des acides aminés dans une chaîne polypeptidique. | | Structure secondaire (protéine) | Les structures régulières locales adoptées par certaines parties d'une chaîne polypeptidique, comme l'hélice alpha et le feuillet bêta, stabilisées par des liaisons hydrogène. | | Structure tertiaire (protéine) | La conformation tridimensionnelle globale d'une chaîne polypeptidique, résultant des interactions entre les chaînes latérales des acides aminés. | | Structure quaternaire (protéine) | L'assemblage de plusieurs chaînes polypeptidiques (sous-unités) pour former une protéine fonctionnelle. | | Dénaturation (protéine) | La perte de la structure tridimensionnelle d'une protéine, entraînant la perte de sa fonction biologique, souvent due à des facteurs comme la chaleur ou des changements de pH. | | Acides nucléiques | Macromolécules qui stockent et transmettent l'information génétique, comprenant l'ADN (acide désoxyribonucléique) et l'ARN (acide ribonucléique). | | Nucléotide | L'unité monomérique des acides nucléiques, composée d'un pentose (sucre à 5 carbones), d'une base azotée et d'un groupement phosphate. | | ADN (Acide Désoxyribonucléique) | Molécule porteuse de l'information génétique, généralement sous forme de double hélice. | | ARN (Acide Ribonucléique) | Molécule impliquée dans l'expression de l'information génétique, généralement simple brin. | | Solution | Mélange homogène de deux ou plusieurs substances, composé d'un solvant (le plus abondant) et d'un ou plusieurs solutés (substance dissoute). | | Solvant | La substance la plus abondante dans une solution, qui dissout le soluté. | | Soluté | La substance moins abondante dans une solution, qui est dissoute dans le solvant. | | Électrolyte | Une substance qui, lorsqu'elle est dissoute dans l'eau, forme des ions et peut conduire l'électricité. | | Acide | Substance qui, en solution aqueuse, libère des ions hydrogène (protons) ou accepte des électrons. | | Base | Substance qui, en solution aqueuse, libère des ions hydroxyles, accepte des protons ou donne des électrons. | | pH | Une échelle logarithmique (de 0 à 14) mesurant l'acidité ou l'alcalinité d'une solution, basée sur la concentration en ions hydrogène. Un pH de 7 est neutre, < 7 est acide, > 7 est basique (alcalin). | | Réaction de neutralisation | Réaction entre un acide et une base qui produit un sel et de l'eau. | | Système tampon | Mélange d'un acide faible et de sa base conjuguée (ou d'une base faible et de son acide conjugué) capable de résister aux variations de pH lorsqu'on ajoute de petites quantités d'acide fort ou de base forte. | | Diffusion | Mouvement d'une substance d'une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration. | | Osmose | Mouvement de l'eau à travers une membrane semi-perméable, d'une zone de faible concentration en soluté vers une zone de forte concentration en soluté. | | Pression osmotique | Pression nécessaire pour empêcher le mouvement de l'eau par osmose à travers une membrane semi-perméable. | | Isotonique | Se dit de deux solutions qui ont la même pression osmotique. | | Hypertonique | Se dit d'une solution dont la pression osmotique est supérieure à celle d'une autre solution. | | Hypotonique | Se dit d'une solution dont la pression osmotique est inférieure à celle d'une autre solution. | | Pression hydrostatique | La pression exercée par un liquide sur la surface de son contenant. | | Pression oncotique (pression colloïdoosmotique) | Pression osmotique exercée par les protéines dans le plasma sanguin, qui tend à attirer l'eau dans le système circulatoire. | | Métabolisme | L'ensemble des réactions chimiques qui se déroulent dans les cellules d'un organisme pour maintenir la vie. | | Catabolisme | Voies métaboliques qui dégradent les molécules complexes en molécules plus simples, libérant de l'énergie. | | Anabolisme | Voies métaboliques qui synthétisent des molécules complexes à partir de molécules plus simples, nécessitant de l'énergie. | | Voie métabolique | Une séquence de réactions chimiques interconnectées au sein d'une cellule. | | Glycolyse | Première étape du catabolisme du glucose, qui se déroule dans le cytosol et produit du pyruvate, de l'ATP et du NADH. | | Cycle de Krebs (cycle de l'acide citrique) | Séquence de réactions dans la matrice mitochondriale qui oxyde l'acétyl-CoA, produisant du CO2, de l'ATP, du NADH et du FADH2. | | Phosphorylation oxydative | Processus de synthèse d'ATP dans les mitochondries, utilisant l'énergie libérée par la chaîne de transport d'électrons. | | Chaîne de transport d'électrons | Série de protéines membranaires dans la mitochondrie qui transfèrent des électrons, générant un gradient de protons utilisé pour la synthèse d'ATP. | | Chimiosmose | Processus de production d'ATP dans les mitochondries, où l'énergie du gradient de protons est utilisée par l'ATP synthase. | | Lipolyse | Hydrolyse des triglycérides en glycérol et acides gras. | | β-oxydation (hélice de Lynen) | Processus de dégradation des acides gras dans la mitochondrie, produisant de l'acétyl-CoA, du NADH et du FADH2. | | Cétogenèse | Formation de corps cétoniques dans le foie, principalement en période de jeûne prolongé ou de diabète. | | Corps cétoniques | Molécules (acétoacétate, D-β-hydroxybutyrate, acétone) produites par le foie à partir de l'acétyl-CoA, servant de source d'énergie alternative au glucose. | | Désamination oxydative | Réaction de dégradation des acides aminés où le groupement amine est retiré pour former de l'ammoniac. | | Urée | Composé azoté non toxique formé dans le foie à partir de l'ammoniac, éliminé par les reins. | | Néoglucogenèse | Biosynthèse de glucose à partir de composés non glucidiques (lactate, glycérol, acides aminés). | | Glycogénogenèse | Synthèse de glycogène à partir de glucose pour le stockage. | | Glycogénolyse | Dégradation du glycogène en glucose. | | Lipogenèse | Synthèse de lipides, principalement de triglycérides, à partir d'autres nutriments. | | Protéogenèse | Synthèse de protéines à partir d'acides aminés. | | Protéolyse | Dégradation des protéines en acides aminés. | | Homéostasie | Maintien des paramètres internes de l'organisme (température, pH, etc.) dans une fourchette stable malgré les fluctuations de l'environnement. | | Alcalose | Condition pathologique caractérisée par un pH sanguin trop élevé (> 7,45). | | Acidose | Condition pathologique caractérisée par un pH sanguin trop bas (< 7,35). | | PaCO2 | Pression partielle de dioxyde de carbone dans le sang artériel. | | [HCO3-] | Concentration des ions bicarbonate dans le plasma. | | Membrane semi-perméable | Une membrane qui laisse passer certaines molécules (comme l'eau) mais est imperméable à d'autres (comme les solutés). | | Aquaporines | Protéines transmembranaires formant des canaux pour le passage sélectif de l'eau à travers les membranes cellulaires. | | Lyse cellulaire | Éclatement d'une cellule, souvent dû à un gain excessif d'eau par osmose. | | Turgescence | Gonflement d'une cellule (notamment végétale) dû à l'entrée d'eau par osmose. | | Hémolyse | Destruction des globules rouges avec libération de l'hémoglobine, souvent due à un placement dans une solution hypotonique. | | Plasmolyse | Rétrécissement d'une cellule (en particulier végétale) dû à la perte d'eau par osmose dans une solution hypertonique. | | Secteur vasculaire | L'espace liquidien à l'intérieur des vaisseaux sanguins. | | Secteur interstitiel | Le milieu liquide qui baigne les cellules, entre les vaisseaux sanguins et les cellules. | | Secteur intracellulaire | Le milieu liquide à l'intérieur des cellules. | | Endothélium capillaire | La couche interne des cellules qui tapisse les capillaires sanguins. | | Filtration | Mouvement de fluide et de solutés sortant d'un capillaire vers le liquide interstitiel. | | Réabsorption | Mouvement de fluide et de solutés entrant dans un capillaire depuis le liquide interstitiel. | | Albuminurie | Présence d'albumine (une protéine plasmatique) dans les urines, indiquant une fuite au niveau des reins. | | Œdème | Accumulation excessive de liquide dans les tissus interstitiels. | | Glycérol | Un alcool à trois carbones, un composant des triglycérides et des phospholipides. | | Acétyl-CoA | Molécule intermédiaire clé dans le métabolisme des glucides, lipides et protéines, se liant à l'oxaloacétate pour entrer dans le cycle de Krebs. | | NH3 (Ammoniac) | Produit toxique issu de la dégradation des acides aminés, qui est converti en urée dans le foie. | | ATP synthase | Enzyme qui catalyse la synthèse d'ATP en utilisant l'énergie du gradient de protons. | | Gradient de protons | Différence de concentration de protons (H+) à travers une membrane, créant un potentiel électrochimique. | | Transport actif | Mouvement de substances à travers une membrane contre leur gradient de concentration, nécessitant de l'énergie. | | Transport facilité | Mouvement de substances à travers une membrane avec l'aide de protéines transmembranaires, suivant le gradient de concentration sans dépense d'énergie directe. | | Perméase | Une protéine de transport membranaire qui facilite le passage d'une molécule spécifique, comme le glucose. | | Insuline | Hormone qui régule la glycémie en favorisant l'entrée du glucose dans les cellules. | | Glucagon | Hormone qui augmente la glycémie en favorisant la libération de glucose par le foie. | | Adrénaline | Hormone qui prépare le corps à l'effort, notamment en augmentant la glycémie par la glycogénolyse. | | Cortisol | Hormone stéroïdienne qui joue un rôle dans le métabolisme des glucides, lipides et protéines, et a des effets anti-inflammatoires. | | Glycogenèse | Le processus de formation du glycogène. | | Lipogenèse | Le processus de synthèse des lipides. | | Protéogenèse | Le processus de synthèse des protéines. | | Protéolyse | Le processus de dégradation des protéines. | | Pyruvate | Molécule à trois carbones issue de la glycolyse, qui peut être convertie en acétyl-CoA ou en lactate. | | Lactate | Produit de la fermentation lactique, formé à partir du pyruvate en l'absence d'oxygène. | | Fermentation lactique | Processus anaérobie de production d'ATP où le pyruvate est réduit en lactate, régénérant le NAD+. | | Mitochondrie | Organite cellulaire où se déroulent le cycle de Krebs et la phosphorylation oxydative, siège de la production d'ATP par respiration cellulaire. | | Matrice mitochondriale | L'espace interne de la mitochondrie où se déroule le cycle de Krebs. | | Membrane mitochondriale interne | La membrane interne de la mitochondrie où se trouve la chaîne de transport d'électrons et l'ATP synthase. | | Espace intermembranaire | L'espace entre la membrane interne et externe de la mitochondrie, où s'accumulent les protons pendant la phosphorylation oxydative. | | Ubiqinone (Q) | Un transporteur d'électrons mobile dans la chaîne de transport d'électrons. | | Cytochrome C | Un transporteur d'électrons mobile dans la chaîne de transport d'électrons. | | Chimiosmose | Processus de synthèse d'ATP dans la mitochondrie, utilisant l'énergie du gradient de protons généré par la chaîne de transport d'électrons. | | Translocase ATP/ADP | Protéine de transport membranaire qui échange l'ADP entrant contre l'ATP sortant de la mitochondrie. | | Adipocyte | Cellule spécialisée dans le stockage des graisses (triglycérides). | | FABP (Fatty Acid Binding Protein) | Protéine qui transporte les acides gras dans le cytoplasme des entérocytes. | | Chylomicron | Lipoprotéine formée dans l'intestin grêle pour transporter les lipides alimentaires dans la circulation lymphatique. | | Lipoprotéine | Particule sphérique composée de lipides et de protéines, servant au transport des lipides dans le sang. | | LDL (Low-Density Lipoprotein) | Lipoprotéine qui transporte le cholestérol dans le sang, associée à un risque accru de maladies cardiovasculaires. | | HDL (High-Density Lipoprotein) | Lipoprotéine qui transporte le cholestérol du sang vers le foie, associée à un effet protecteur contre les maladies cardiovasculaires. | | Entérocytes | Cellules de la paroi de l'intestin grêle responsables de l'absorption des nutriments. | | Bordure en brosse | Replis de la membrane apicale des entérocytes qui augmentent la surface d'absorption. | | Réticulum endoplasmique lisse | Organite cellulaire impliqué dans la synthèse des lipides et la détoxification. | | Appareil de Golgi | Organite cellulaire impliqué dans la modification, le tri et l'empaquetage des protéines et des lipides. | | Exocytose | Processus par lequel les cellules libèrent des substances dans le milieu extracellulaire en fusionnant une vésicule avec la membrane plasmique. | | Capillaire lymphatique | Petit vaisseau du système lymphatique qui absorbe le liquide interstitiel et les graisses émulsifiées. | | Canal thoracique | Le plus grand vaisseau lymphatique du corps, qui draine la lymphe de la majeure partie du corps vers la circulation sanguine. | | Glycérol phosphate | Un intermédiaire dans le métabolisme du glycérol. | | Acétyl-CoA | Unité à deux carbones qui entre dans le cycle de Krebs pour la production d'énergie. | | Pyruvate | Molécule à trois carbones produite lors de la glycolyse. | | Oxaloacétate | Molécule à quatre carbones qui réagit avec l'acétyl-CoA pour initier le cycle de Krebs. | | Citrate | Molécule à six carbones formée lorsque l'acétyl-CoA se combine à l'oxaloacétate. | | NADH/H+ | Coenzyme réduit qui transporte des électrons à haute énergie vers la chaîne de transport d'électrons. | | FADH2 | Coenzyme réduit qui transporte des électrons à haute énergie vers la chaîne de transport d'électrons. | | ATP synthase | Enzyme clé dans la production d'ATP par chimiosmose. | | Gradient électrochimique de protons | Différence de concentration et de charge électrique des protons à travers une membrane. | | Phosphorylation au niveau du substrat | Méthode de production d'ATP où un groupement phosphate est transféré d'une molécule substrat à l'ADP. | | Phosphorylation oxydative | Méthode de production d'ATP où l'énergie est libérée par le transfert d'électrons le long de la chaîne respiratoire. | | Triglycérides (TG) | Lipides formés d'un glycérol et de trois acides gras, servant de réserve d'énergie. | | Adipocytes | Cellules spécialisées dans le stockage des lipides. | | Glycéraldéhyde phosphate | Métabolite intermédiaire de la glycolyse, issu de la dégradation du glycérol. | | Hélice de Lynen (β-oxydation) | Séquence de réactions qui dégrade les acides gras en acétyl-CoA. | | Cétone | Composé organique caractérisé par un groupe carbonyle lié à deux groupes alkyle ou aryle. | | Acétoacétyl-CoA | Molécule intermédiaire dans la synthèse des corps cétoniques. | | Acétoacétate | Un des trois corps cétoniques produits par le foie. | | D-β-hydroxybutyrate | Un des trois corps cétoniques produits par le foie. | | Acétone | Un des trois corps cétoniques produit par le foie, volatil et évacué par les poumons. | | Cétose | Accumulation excessive de corps cétoniques dans le sang, conduisant à une acidose métabolique. | | Acidose métabolique | Condition où le pH sanguin est trop bas en raison d'une augmentation des acides ou d'une perte de bicarbonates. | | Acidose respiratoire | Condition où le pH sanguin est trop bas en raison d'une accumulation de CO2. | | Alcalose métabolique | Condition où le pH sanguin est trop élevé en raison d'une perte d'acides ou d'un excès de bases. | | Alcalose respiratoire | Condition où le pH sanguin est trop élevé en raison d'une hypoventilation ou d'une perte excessive de CO2. | | PaCO2 | Pression partielle de CO2 dans le sang. | | [HCO3-] | Concentration de bicarbonate dans le plasma. | | NH4+ (Ion ammonium) | Formé lorsque l'ammoniac accepte un proton. | | Urée | Composé azoté non toxique formé dans le foie à partir de deux molécules d'ammoniac et de dioxyde de carbone, excrété par les reins. | | Intermédiaires clés | Molécules communes aux différentes voies métaboliques qui permettent leurs interconnexions. | | Néoglucogenèse | Synthèse de glucose à partir de précurseurs non glucidiques. | | Lipogenèse | Synthèse de lipides. | | Protéogenèse | Synthèse de protéines. | | Protéolyse | Dégradation des protéines. | | Glycogénogenèse | Formation du glycogène. | | Glycogénolyse | Dégradation du glycogène. | | Lipolyse | Dégradation des lipides. | | Néoglucogenèse | Biosynthèse de glucose à partir de composés non glucidiques. | | Cétogenèse | Formation des corps cétoniques. | | Protéolyse | Dégradation des protéines. |

# Inleiding tot biomoleculen en hun structuur Dit onderdeel introduceert het vakgebied biochemie en de studie van biomoleculen, waarbij de algemene chemische structuur, de rol van functionele groepen en de driedimensionale vorm van biomoleculen centraal staan [3](#page=3). ### 1.1 Biomoleculen: de bouwstenen van het leven Biochemie bestudeert de 'moleculen van het leven', oftewel biomoleculen, die variëren van kleine moleculen zoals suikers en vitaminen tot macromoleculen zoals eiwitten en nucleïnezuren. Deze moleculen zijn voornamelijk opgebouwd uit koolstof en waterstof, aangevuld met zuurstof, stikstof, zwavel en fosfor. De chemische structuur van biomoleculen wordt vaak weergegeven met vereenvoudigde skeletvoorstellingen [6](#page=6). #### 1.1.1 Koolstofskelet en functionele groepen Biomoleculen bestaan uit een koolstofskelet, vaak aangeduid met 'R', en functionele groepen. Het koolstofskelet kan lineair, vertakt of cyclisch zijn en vormt het apolaire (hydrofobe) deel van de molecule. Functionele groepen zijn verzamelingen van atomen (zoals -OH, -SH, COOH) die covalent gebonden zijn aan het koolstofskelet. Door de hogere elektronegativiteit van atomen zoals zuurstof en stikstof in deze groepen, zijn ze gepolariseerd en geven ze de biomolecule polaire, hydrofiele eigenschappen [6](#page=6) [8](#page=8) [9](#page=9). #### 1.1.2 Driedimensionale structuur en functie De functie van biomoleculen is nauw verbonden met hun driedimensionale vorm. Het begrijpen van deze architectuur is essentieel voor het begrijpen van hun werking, inclusief hoe ze grotere eenheden of complexen vormen. Interacties tussen biomoleculen zijn chemisch van aard, variërend van covalente bindingen in macromoleculen tot niet-covalente interacties (zwakke krachten) tussen functionele groepen op hun oppervlak [6](#page=6). ### 1.2 Overzicht van de belangrijkste biomoleculen De vier hoofdtypes biomoleculen zijn eiwitten, nucleïnezuren, polysachariden (complexe suikers) en vetten (lipiden) [7](#page=7). #### 1.2.1 Polysachariden (complexe suikers) Polysachariden zijn biopolymeren opgebouwd uit honderden tot duizenden monosachariden (enkelvoudige suikers zoals glucose) covalent aan elkaar gekoppeld. Ze dienen als energiebronnen en opslagvormen in organismen, zoals zetmeel in voeding en glycogeen in de menselijke lever- en spiercellen [7](#page=7). #### 1.2.2 Eiwitten (proteïnen) Eiwitten zijn biopolymeren opgebouwd uit aminozuren die covalent aan elkaar gebonden zijn tot lange ketens. De specifieke aminozuursequentie bepaalt de 3D-architectuur en daarmee de functie van het eiwit. Eiwitten kunnen interacties aangaan met andere biomoleculen, zoals myoglobine dat zuurstof bindt, en enzymen die chemische reacties katalyseren [7](#page=7). #### 1.2.3 Nucleïnezuren Nucleïnezuren, zoals DNA en RNA, zijn biopolymeren waarvan de bouwstenen (nucleotiden) niet gedetailleerd worden behandeld in dit onderdeel. Echter, de molecule ATP (adenosinetrifosfaat), een energiedrager, wordt als voorbeeld van een belangrijke bouwsteen en energiedrager genoemd [7](#page=7). #### 1.2.4 Lipiden (vetten) Lipiden, of vetten, vormen een diverse groep kleinere moleculen die essentieel zijn als energiebron en voor de opbouw van structuren zoals celmembranen, vaak via niet-covalente krachten [7](#page=7) [8](#page=8). ### 1.3 Functionele groepen en hun eigenschappen Functionele groepen bepalen de chemische eigenschappen van biomoleculen [8](#page=8). #### 1.3.1 Belangrijke functionele groepen * **Alkylgroep (-R):** Koolstofskelet, hydrofoob en apolair [8](#page=8) [9](#page=9). * **Hydroxylgroep (-OH):** Polair, hydrofiel [9](#page=9). * **Thiolgroep (-SH):** Polair, hydrofiel [9](#page=9). * **Aminogroep (-NH2, -NHR, -R3N):** Polair, hydrofiel, zwak basisch (kan H+ opnemen) [9](#page=9). * **Aldehyde (-CHO):** Polair, hydrofiel [10](#page=10). * **Keton (-CO-):** Polair, hydrofiel [10](#page=10). * **Carboxylgroep (-COOH):** Polair, hydrofiel, zwak zuur (kan H+ afstaan) [10](#page=10). * **Ester (-CO-OR'):** Polair, hydrofiel [10](#page=10). * **Amide (-CO-NH2, -CO-NHR):** Polair, hydrofiel, niet-basisch [10](#page=10) [11](#page=11). * **Ether (-O-):** Zwak polair [10](#page=10). * **Thioëther (-S-):** Zwak polair, eerder apolair [10](#page=10). * **Fosfaatgroep:** Polair, hydrofiel, zuur (kan 2 H+ afstaan) [10](#page=10). #### 1.3.2 Reactiviteit van functionele groepen Ester- en amidebindingen kunnen gevormd worden door de reactie van respectievelijk carboxyl- en hydroxylgroepen, en amine- en geactiveerde carboxylgroepen. Beide bindingen kunnen door hydrolyse met water gesplitst worden [11](#page=11). ### 1.4 Belang van niet-covalente aantrekkingskrachten Niet-covalente zwakke krachten zijn cruciaal voor de stabiliteit, structuur en functie van biomoleculen [11](#page=11). #### 1.4.1 Rol in stabiliteit Voor de opbouw van polymere ketens zijn covalente bindingen essentieel, maar de stabiele 3D-structuur van macromoleculen, zoals het DNA dubbelhelix en de opvouwing van eiwitten, wordt sterk ondersteund door specifieke niet-covalente zwakke interacties [11](#page=11). #### 1.4.2 Rol in communicatie tussen biomoleculen Biomoleculen gebruiken zwakke krachten voor communicatie en herkenning. Eiwitten vormen complexen met andere moleculen via talrijke zwakke interacties op het contactoppervlak, wat moleculaire herkenning mogelijk maakt. Dit is essentieel voor specifieke interacties in en buiten cellen, zoals de interactie tussen insuline en zijn receptor, of de binding van het spike-eiwit van SARS-CoV-2 aan menselijke cellen. Antilichamen gebruiken ook deze principes om viruseiwitten te binden en infectie te voorkomen [11](#page=11) [12](#page=12) [13](#page=13). ### 1.5 Zwakke krachten tussen biomoleculen in waterige oplossingen Biochemische processen worden mogelijk gemaakt door interacties tussen biomoleculen, vaak via niet-covalente zwakke aantrekkingskrachten [13](#page=13). #### 1.5.1 Zoutbrug, dipool-dipoolkracht en waterstofbrug * **Zoutbrug:** Elektrostatische aantrekking tussen een kation en een anion. De sterkte wordt beschreven door de wet van Coulomb en is afhankelijk van de ladingen, afstand en de diëlektriciteitsconstante van de omgeving. Zoutbruggen spelen een rol bij eiwitopvouwing en enzymwerking [13](#page=13) [14](#page=14). * **Dipool-dipoolkracht (Keesomkracht):** Elektrostatische aantrekking tussen polaire moleculen of functionele groepen met partiële ladingen. Deze zijn zwakker dan zoutbruggen [14](#page=14). * **Waterstofbrugvorming:** Niet-covalente elektrostatische aantrekking tussen een waterstofatoom gebonden aan een sterk elektronegatief atoom (O of N) en een ander elektronegatief atoom (O of N) met een vrij elektronenpaar. Lineaire waterstofbruggen zijn het sterkst. Ze zijn cruciaal voor de structuur van eiwitten (bv. $\alpha$-helices) en DNA, en voor moleculaire herkenning [14](#page=14) [15](#page=15). #### 1.5.2 Londonkrachten (van der Waals interacties) Zwakke elektrostatische aantrekkingskrachten die optreden tussen apolaire moleculen of apolaire delen van moleculen. Ze ontstaan door tijdelijke, geïnduceerde dipolen en zijn nog zwakker dan krachten tussen polaire groepen. Deze krachten zijn essentieel voor de aggregatie van apolaire moleculen, zoals bij de vorming van celmembranen [15](#page=15) [17](#page=17). #### 1.5.3 Het effect van water op zwakke aantrekkingskrachten Water is een polair molecuul en vormt sterke waterstofbruggen met zichzelf. Dit maakt water een uitstekend oplosmiddel voor polaire en geladen moleculen door hydratatie, waarbij watermoleculen een "watermantel" vormen. Echter, water kan ook competitief werken ten opzichte van niet-covalente interacties binnen biomoleculen, waardoor ionaire interacties en waterstofbruggen afgezwakt worden. Zoutbruggen komen daardoor vaker voor in een watervrije omgeving binnen biomoleculen [16](#page=16) [17](#page=17). ##### 1.5.3.1 Het hydrofoob effect Apolaire moleculen zijn slecht oplosbaar in water omdat hun aanwezigheid het geordende waterstofbrug-netwerk van watermoleculen verstoort, wat leidt tot een toename van de entropie van de omringende watermoleculen en een spontane aggregatie van de apolaire moleculen. Dit hydrofobe effect is fundamenteel voor de organisatie van structuren zoals celmembranen [17](#page=17) [18](#page=18). ### 1.6 Het belang van 'zwakke' krachten Hoewel zwak, zijn deze krachten van enorm belang door hun grote aantal bij interacties tussen macromoleculen en door co-operativiteit. Het dynamische karakter van complexe vormen door zwakke interacties maakt biologische machines regelbaar en flexibel, wat essentieel is voor processen zoals DNA-replicatie en moleculaire bewegingen in cellen. Het voorbeeld van gekko's illustreert hoe een groot aantal zwakke Londonkrachten stevige hechting mogelijk maakt en hoe deze krachten dynamisch verbroken kunnen worden [18](#page=18) [19](#page=19). --- # Structuur en eigenschappen van aminozuren Aminozuren vormen de fundamentele bouwstenen van eiwitten, waarbij hun unieke zijketens hun specifieke chemische eigenschappen bepalen en zo bijdragen aan de diverse functies van eiwitten [28](#page=28). ### 2.1 De 20 standaardaminozuren De 20 standaardaminozuren die in natuurlijke eiwitten voorkomen, delen een gemeenschappelijke basisstructuur. Deze structuur bestaat uit een centraal koolstofatoom, het alfa-koolstofatoom (C$\alpha$), dat is gebonden aan vier substituenten: een aminogroep (–NH$_2$), een carboxylgroep (–COOH), een waterstofatoom en een variabele zijketen, aangeduid als de R-groep [28](#page=28). #### 2.1.1 Stereochemie van standaardaminozuren Het C$\alpha$-atoom is in 19 van de 20 standaardaminozuren een chiraal centrum, aangezien het vier verschillende groepen draagt. Het aminozuur glycine is een uitzondering; het heeft twee waterstofatomen gebonden aan het C$\alpha$-atoom, waardoor het niet chiraal is. Chirale moleculen bestaan in twee enantiomere vormen, die elkaars spiegelbeeld zijn en niet volledig op elkaar overlappen. De configuratie van deze aminozuren wordt gerelateerd aan die van glyceraldehyde, waarbij L-aminozuren de biologisch relevante vormen zijn die in eiwitten worden aangetroffen. Eiwitten vertonen stereoselectiviteit in hun interacties met andere chirale biomoleculen, wat betekent dat slechts één enantiomeer de geschikte interactiepartner is [28](#page=28) [29](#page=29) [32](#page=32). > **Tip:** Veel geneesmiddelen worden als racemische mengsels geproduceerd, wat betekent dat beide enantiomeren aanwezig zijn. Het is cruciaal om de biologische activiteit en mogelijke schadelijke neveneffecten van beide enantiomeren te onderzoeken, omdat slechts één enantiomeer vaak actief is [30](#page=30). #### 2.1.2 Algemene eigenschappen van de standaardaminozuren De amino- en carboxylgroepen van aminozuren zijn amfoteer en kunnen ioniseren, waarbij ze zure en basische eigenschappen vertonen. De pKa-waarde van de carboxylgroep (–COOH) is ongeveer 2,2, en die van de geprotoneerde aminogroep (–NH$_3^+$) is ongeveer 9,4. Bij fysiologische pH (7,3-7,4), die hoger is dan de pKa van de carboxylgroep en lager dan die van de aminogroep, komen aminozuren voornamelijk voor als zwitterionen (–COO$^-$ en –NH$_3^+$). Een zwitterion is een chemische verbinding met zowel positieve als negatieve ladingen, wat resulteert in een netto neutrale lading [30](#page=30). De zijketen (R-groep) bepaalt de specifieke chemische eigenschappen van elk aminozuur. Afhankelijk van de zijketen kunnen aminozuren worden ingedeeld in verschillende subgroepen: hydrofobe (apolaire), polaire ongeladen, en polaire geladen zijketens [28](#page=28) [31](#page=31). #### 2.1.3 Negen aminozuren met hydrofobe (apolaire) zijketen Negen standaardaminozuren bezitten apolaire zijketens die voornamelijk uit koolstof- en waterstofatomen bestaan en daardoor slecht of niet met water interageren [32](#page=32). * **Alanine (Ala, A), Valine (Val, V), Leucine (Leu, L), Isoleucine (Ile, I):** Deze aminozuren hebben lineaire alkylketens met toenemende hydrofobiciteit van alanine tot isoleucine. Isoleucine is uniek doordat het een tweede chiraal centrum bevat [32](#page=32). * **Glycine (Gly, G):** Dit is het kleinste aminozuur en het enige met een niet-chiraal C$\alpha$-atoom, aangezien de zijketen slechts een waterstofatoom is [32](#page=32). * **Fenylalanine (Phe, F) en Tryptofaan (Trp, W):** Deze aminozuren bevatten een aromatische koolstofring in hun zijketen, wat hen omvangrijk en hydrofoob maakt. Tryptofaan kan, dankzij een N-H groep in zijn indolring, waterstofbruggen vormen [32](#page=32) [33](#page=33). * **Proline (Pro, P):** Kenmerkend is de cyclische structuur waarbij de zijketen covalent is gebonden aan de aminogroep, wat resulteert in een rigide structuur [33](#page=33). * **Methionine (Met, M):** Bevat een zwavelatoom in een thio-ethergroep, wat het apolair gedrag kan geven [33](#page=33). In opgevouwen eiwitten bevinden aminozuren met apolaire zijketens zich doorgaans in het centrum, waar ze worden afgeschermd van water, en dragen bij aan de stabiliteit van de eiwitstructuur via Londense krachten [33](#page=33). #### 2.1.4 Zes aminozuren met polaire, ongeladen zijketen Zes standaardaminozuren hebben polaire zijketens zonder lading bij fysiologische pH [33](#page=33). * **Serine (Ser, S), Threonine (Thr, T), Tyrosine (Tyr, Y):** Deze bevatten een hydroxylgroep (–OH). Tyrosine heeft ook een aromatisch karakter. De hydroxylgroep van Serine en Threonine is zwak zuur (pKa ~ 9,1-9,2), en die van Tyrosine (pKa 10,46) is nog zwakker zuur dan de carboxylgroep, waardoor ze bij fysiologische pH als ongeladen –OH groepen voorkomen [33](#page=33). * **Cysteïne (Cys, C):** Bevat een thiolgroep (–SH) met een pKa van 8,37, die doorgaans ongeladen is. Cysteïne kan disulfidebruggen (–S–S–) vormen door oxidatie, wat resulteert in een covalente binding die de eiwitstructuur stabiliseert [33](#page=33). * **Asparagine (Asn, N) en Glutamine (Gln, Q):** Deze aminozuren hebben een amidegroep in hun zijketen en verschillen in de lengte van de –CH$_2$-keten. De amidegroep is niet zuur en zal niet ioniseren [34](#page=34). Aminozuren met polaire zijketens kunnen waterstofbruggen en dipoolkrachten vormen, waardoor ze vaak aan het oppervlak van opgevouwen eiwitten te vinden zijn [34](#page=34). #### 2.1.5 Vijf aminozuren met polaire zijketen met lading bij fysiologische pH Vier aminozuren hebben zijketens die bij fysiologische pH altijd geladen zijn [34](#page=34). * **Asparaginezuur (Asp, D) en Glutaminezuur (Glu, E):** Deze bevatten een carboxylgroep (–COOH) in hun zijketen (pKa 3,9-4,0), die bij fysiologische pH negatief geladen is als carboxylaatanion (–COO$^-$). Ze worden vaak aspartaat en glutamaat genoemd [34](#page=34). * **Lysine (Lys, K) en Arginine (Arg, R):** Deze hebben een positief geladen zijketen bij fysiologische pH. Lysine heeft een primair amine (–NH$_3^+$) met pKa 10,5, en Arginine heeft een guanidine-groep met pKa 12,5. Aangezien de pKa's hoger zijn dan 7,3, blijven deze groepen geprotoneerd [34](#page=34). * **Histidine (His, H):** Bevat een imidazolgroep in zijn zijketen met een pKa van 6,0, die dicht bij fysiologische pH ligt. Hierdoor kan de imidazolgroep bij pH 7,4 ongeladen of positief geladen zijn, afhankelijk van de lokale omgeving. Histidine is vaak cruciaal voor de katalytische activiteit van enzymen [35](#page=35). Aminozuren met geladen zijketens kunnen waterstofbruggen en zoutbruggen vormen [34](#page=34). #### 2.1.6 Essentiële aminozuren Mensen kunnen negen van de 20 standaardaminozuren niet zelf synthetiseren en moeten deze via de voeding opnemen. Dit zijn fenylalanine, valine, threonine, tryptofaan, methionine, leucine, isoleucine, lysine en histidine [36](#page=36). ### 2.2 Gemodificeerde aminozuren en aminozuurderivaten Naast de standaardaminozuren kunnen aminozuren in eiwitten chemisch worden gemodificeerd, wat posttranslationele modificaties worden genoemd. Deze modificaties, zoals hydroxylering, methylering, acetylering, carboxylering en fosforylering, beïnvloeden de eigenschappen van het aminozuur en de functie van het eiwit [36](#page=36). * **Fosforylering:** Een omkeerbare modificatie die optreedt op serine, threonine en tyrosine. De enzymen die fosforylering katalyseren worden kinases genoemd, en de enzymen die fosfaatgroepen verwijderen worden fosfatases genoemd [37](#page=37). Aminozuren kunnen ook worden omgezet in aminozuurderivaten met specifieke biologische functies, zoals dopamine (uit fenylalanine en tyrosine), histamine (uit histidine) en thyroxine (uit tyrosine) [37](#page=37). ### 2.3 De peptidebinding Alfa-aminozuren kunnen covalent aan elkaar worden gekoppeld via een peptidebinding, wat resulteert in de vorming van een amidebinding (–CO–NH–). Bij deze reactie wordt een watermolecuul afgesplitst en is er energieinput nodig [37](#page=37). * **Dipeptiden, tripeptiden en oligopeptiden:** Bevatten twee, drie of een beperkt aantal aminozuren, respectievelijk [37](#page=37). * **Polypeptiden:** Eiwitten bestaan doorgaans uit meer dan 100 aminozuren en vormen een polypeptideketen [37](#page=37). Polypeptiden zijn lineaire ketens waarbij elk aminozuur via een kop-staartinteractie is gebonden aan zijn buren. De amino- en carboxylgroepen van de interne aminozuren zijn betrokken bij de peptidebindingen, behalve die van het eerste en laatste aminozuur. De uiteinden van de keten worden de aminoterminus (N-terminus) en de carboxylterminus (C-terminus) genoemd. De netto lading van polypeptiden wordt bepaald door de ladingen in de zijketens en de eindstandige groepen [38](#page=38). --- # Eiwitstructuur: van primair naar quaternaire structuur en functie Dit hoofdstuk beschrijft de gelaagde structuur van eiwitten, van de lineaire aminozuursequentie tot de functionele driedimensionale vorm, en hoe deze structuren de functie van eiwitten bepalen. ## 3. Eiwitstructuur: van primair naar quaternaire structuur en functie ### 3.1 Inleidend overzicht: van bouwstenen naar functionele biomolecule Eiwitten zijn macromoleculen die zijn opgebouwd uit 20 standaard alfa-aminozuren, covalent aan elkaar gebonden via peptidebindingen tot lange polypeptidketens. Elk functioneel eiwit bezit een unieke primaire structuur (aminozuurvolgorde). Deze keten vouwt vervolgens op tot een specifieke driedimensionale architectuur, die secundaire, tertiaire en soms quaternaire structuren omvat. De opvouwing wordt gestuurd door zwakke interacties en de primaire structuur bevat alle informatie die nodig is voor de uiteindelijke functionele vorm [42](#page=42) [43](#page=43). ### 3.2 Primaire structuur van een eiwit #### 3.2.1 De unieke aminozuursequentie van een eiwit De primaire structuur van een eiwit is de specifieke volgorde van aminozuurresiduen in de polypeptideketen. Deze volgorde wordt bepaald door de genetische code in het DNA en is cruciaal voor de uiteindelijke driedimensionale structuur en functie van het eiwit. De vaststelling van de aminozuursequentie van insuline door Frederick Sanger in 1953 was een belangrijke mijlpaal. Theoretisch zijn er enorm veel mogelijke sequenties voor zelfs korte polypeptiden, maar de cel produceert selectief specifieke eiwitten [43](#page=43). #### 3.2.2 Grootte en samenstelling van natuurlijk voorkomende eiwitten Eiwitten bestaan doorgaans uit 100 tot 1000 aminozuren, hoewel er extremen zijn zoals titine met meer dan 33.000 aminozuren. De 20 standaardaminozuren komen niet met gelijke frequentie voor; leucine, alanine, glycine en valine zijn frequent, terwijl tryptofaan, cysteïne en methionine minder voorkomen. Amino zuren kunnen een structurele of een functionele rol hebben, waarbij hydrofobe aminozuren vaak in het inwendige van een eiwit zitten en polaire aminozuren aan het oppervlak [44](#page=44). ### 3.3 Secundaire structuurelementen in een eiwit De opvouwing van een polypeptideketen resulteert in lokale ruimtelijke organisatie, bekend als secundaire structuurelementen, voornamelijk gestabiliseerd door waterstofbruggen tussen delen van de polypeptideruggengraat [46](#page=46). #### 3.3.1 Beperkte rotaties rond de covalente bindingen van de polypeptide ruggengraat De rotatie rond de bindingen in de polypeptide ruggengraat is beperkt door sterische hindering en het partiele dubbelbindingskarakter van de peptidenbinding (omega-hoek, $\omega$). De peptidenbinding is planair en trans-configuratie is energetisch gunstiger. De rotatiehoeken phi ($\varphi$) en psi ($\psi$) worden beperkt door de grootte van de zijketens (R-groepen), zoals geïllustreerd in de Ramachandran plot. Glycine heeft door zijn kleine zijketen veel rotatiemogelijkheden, terwijl proline door zijn cyclische structuur beperkte rotatie heeft [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46). #### 3.3.2 De $\alpha$-helix De $\alpha$-helix is een veelvoorkomend secundair structuurelement, een rechtshandige spiraal die gestabiliseerd wordt door waterstofbruggen tussen de carbonylgroep van aminozuur $n$ en de aminogroep van aminozuur $n+4$. Per omwenteling zijn er 3,6 aminozuren nodig, met een verticale afstand van 5,4 Å per omwenteling. De zijketens wijzen naar buiten en kunnen apolair, polair of amfipatisch zijn [47](#page=47) [48](#page=48). #### 3.3.3 $\beta$-strengen en $\beta$-vouwbladen $\beta$-strengen kunnen naast elkaar liggen om een $\beta$-vouwblad ( $\beta$-sheet) te vormen, gestabiliseerd door waterstofbruggen tussen de aminogroepen en carbonylgroepen van naburige strengen. Deze strengen kunnen parallel of antiparallel georiënteerd zijn; antiparallelle vouwbladen zijn stabieler door lineaire waterstofbruggen. In $\beta$-strengen zijn de zijketens afwisselend naar boven en onder gericht, wat minimale sterische hinder oplevert [48](#page=48) [49](#page=49) [50](#page=50). #### 3.3.4 $\beta$-bochten en lussen $\beta$-bochten ( $\beta$-turns) en lussen verbinden $\alpha$-helices en $\beta$-strengen, waardoor de polypeptideketen van richting kan veranderen. Een $\beta$-bocht bestaat vaak uit vier aminozuren en wordt gestabiliseerd door een waterstofbrug tussen het eerste en vierde aminozuur. Glycine en proline komen bij voorkeur voor in $\beta$-bochten. Lussen zijn langer en hebben meestal geen vast interactiepatroon, maar zijn vaak functioneel belangrijk in interacties met andere moleculen [50](#page=50) [51](#page=51). ### 3.4 Driedimensionale of tertiaire structuur van een eiwit #### 3.4.1 Inleiding De tertiaire structuur is de unieke driedimensionale opvouwing van een polypeptideketen, die bepaald wordt door de primaire structuur en essentieel is voor de functie. Combinaties van secundaire structuren vormen motieven, die verder interageren tot stabiele driedimensionale structuren genaamd domeinen. Een functioneel eiwit bestaat meestal uit één of meerdere domeinen [51](#page=51). #### 3.4.2 Motieven: combinaties van secundaire structuurelementen Motieven, ook wel supersecundaire structuren genoemd, zijn terugkerende combinaties van secundaire structuurelementen. Voorbeelden zijn de $\beta$-hairpin (twee antiparallelle $\beta$-strengen verbonden door een $\beta$-bocht) en de $\beta$-meander (meer dan twee antiparallelle $\beta$-strengen). De Rossmann-fold, een motief bestaande uit parallelle $\beta$-strengen en $\alpha$-helices, komt veel voor in nucleotide-bindende eiwitten [52](#page=52). #### 3.4.3 Van (super)secundaire structuren naar de tertiaire structuur van eiwitten ##### 3.4.3.1 Domeinen, globulaire eiwitten en multidomein-eiwitten De meeste eiwitten vormen compacte, globulaire structuren, waarbij delen van de polypeptideketen zich opvouwen tot stabiele structurele domeinen (meestal 100-200 aminozuren). Een eiwit kan uit één of meerdere domeinen bestaan, waarbij de domeinen sequentieel of niet-sequentieel gevormd kunnen worden uit de polypeptideketen. Globulaire domeinen kunnen worden ingedeeld in 'all-$\alpha$', 'all-$\beta$' of $\alpha/\beta$ klassen [53](#page=53) [54](#page=54). ##### 3.4.3.2 Van tertiaire structuur naar eiwitfunctie De tertiaire structuur bepaalt de unieke topografie van functionele groepen aan het oppervlak, wat cruciaal is voor moleculaire herkenning en eiwitfunctie. Een domein kan zowel een structurele als een functionele rol hebben. De specifieke ruimtelijke organisatie van geladen, polaire en apolaire groepen op het oppervlak bepaalt de interactie met andere moleculen [55](#page=55) [56](#page=56). ##### 3.4.3.3 Niet-globulaire eiwitten Naast globulaire eiwitten bestaan er ook uitgerekte of fibrillaire eiwitten, zoals titine en collageen, die structurele functies vervullen in bindweefsel. Deze eiwitten steunen ook op niet-covalente krachten en moleculaire herkenning voor hun vorm en functie [57](#page=57). ##### 3.4.3.4 Extra covalente modificaties bepalen mee de structuur en functie van eiwitten Covalente modificaties, zoals disulfidebruggen tussen cysteïneresiduen, acetylatie van de N-terminus, proteolytische klieving, glycosylering en fosforylering, beïnvloeden de structuur, stabiliteit en functie van eiwitten. Fosforylering, een reversibele modificatie, kan de activiteit en lokalisatie van eiwitten reguleren [58](#page=58) [59](#page=59). #### 3.4.4 Spontane opvouwing, denaturatie en renaturatie van eiwitten De opvouwing van eiwitten wordt gedreven door thermodynamische principes en wordt gekenmerkt door een verlaging van de Gibbs vrije energie ($\Delta G < 0$). Denaturatie is het verlies van de driedimensionale structuur, wat meestal leidt tot functieverlies. Thermische denaturatie is vaak irreversibel, terwijl chemische denaturatie, bijvoorbeeld door pH-verandering, vaak reversibel is (renaturatie) [59](#page=59) [60](#page=60). ### 3.5 Quaternaire structuur: subeenheden vormen samen een functioneel eiwit #### 3.5.1 Vorming van de quaternaire structuur Quaternaire structuur ontstaat wanneer meerdere polypeptideketens (subeenheden) samen een functioneel complex vormen. Deze subeenheden, die elk een stabiele tertiaire structuur hebben, interageren via moleculaire herkenning en zwakke krachten. Homomere complexen bestaan uit identieke subeenheden, terwijl heteromere complexen uit verschillende subeenheden bestaan [60](#page=60) [61](#page=61). #### 3.5.2 Voorbeelden van quaternaire structuren Voorbeelden van eiwitten met quaternaire structuur zijn hemoglobine ($\alpha_2\beta_2$ heterotetrameer) antilichamen (heterotetrameren) en collageen (homotrimeer). Collageen vormt een triple helix uit drie polypeptideketens, gestabiliseerd door waterstofbruggen tussen glycine en proline/hydroxyproline residuen. De interactie tussen polypeptideketens met tertiaire structuur vormt de basis van de quaternaire structuur en is vergelijkbaar met eiwit-eiwitcomplexen [61](#page=61) [62](#page=62). ### 3.6 Belang van de tertiaire en of quaternaire structuurvorming in de functie van eiwitten: voorbeelden #### 3.6.1 Een eiwit met modulaire opbouw: mogelijkheid tot complexere eiwitfunctie en/of regulatie van de eiwitfunctie Multidomein-eiwitten, zoals het c-Src-kinase, voeren complexe functies uit via de samenwerking van gespecialiseerde domeinen (kinase-, SH2-, SH3-domeinen). Regu latie van de activiteit vindt plaats via transiënte posttranslationele modificaties, zoals fosforylering, die conformatieveranderingen en functionele schakelingen veroorzaken [63](#page=63). #### 3.6.2 Quaternaire structuur van een antilichaam Antilichamen zijn heterotetrameren bestaande uit twee zware en twee lichte ketens, die specifiek antigenen herkennen via variabele domeinen. Deze variabele domeinen, met lussen aan de uiteinden, vormen de antigenbindingsplaatsen en bepalen de hoge specificiteit van de antigeen-antilichaaminteractie. De quaternaire structuur is essentieel voor de functie van antilichamen [64](#page=64) [65](#page=65). --- # Enzymen: werking, specificiteit en regulatie Hier is de studiegids voor "Enzymen: werking, specificiteit en regulatie". ## 4 Enzymen: werking, specificiteit en regulatie Enzymen zijn biokatalysatoren die de snelheid van biochemische reacties verhogen door de activeringsenergie te verlagen, met behoud van hun eigen structuur na de reactie. ### 4.1 De rol van enzymen als biokatalysatoren Enzymen zijn eiwitten die de snelheid van chemische reacties in levende organismen sterk kunnen verhogen door een katalytische functie uit te oefenen. Ze nemen deel aan de reactie maar worden na afloop onveranderd vrijgesteld. Alle metabole reacties in cellen worden door enzymen geregeld, wat essentieel is voor leven bij de lage temperaturen van organismen. Het enzym bindt een substraat (S) in een tijdelijk enzym-substraatcomplex (ES), dat vervolgens wordt omgezet in product (P), waarna het enzym vrijkomt en opnieuw substraat kan binden. Sommige enzymen binden meerdere substraten of extra liganden, en uit één substraat kunnen meerdere producten ontstaan [86](#page=86). Enzymen vertonen de volgende eigenschappen naast hun katalytische functie: * **Substraatspecificiteit**: Ze binden specifiek aan één of enkele substraatmoleculen, gebaseerd op complementaire moleculaire herkenning in vorm en lading [87](#page=87). * **Reactiespecificiteit**: Ze sturen chemische reacties naar het vormen van zuivere producten, zonder bijproducten [87](#page=87). * Enzymen kunnen spontane reacties koppelen aan niet-spontane reacties, waardoor deze laatste toch kunnen plaatsvinden [87](#page=87). * De activiteit van enzymen wordt doorgaans sterk gereguleerd [87](#page=87). #### 4.1.1 Enzymen verlagen de vrije energie van de transitietoestand Chemische reacties verlopen via een tijdelijke, hoog-energetische toestand, het geactiveerd complex of de transitietoestand. De energie die nodig is om reagentia in deze transitietoestand te brengen, is de activeringsenergie ($E_a$). De reactiesnelheid is omgekeerd evenredig aan de activeringsenergie. Enzymen versnellen reacties door de activeringsenergie te verlagen door middel van tijdelijke binding met het substraat, waardoor een transitiecomplex met lagere vrije energie ontstaat [87](#page=87). Figuur 5.1 illustreert dit: de stippellijn toont de lagere activeringsenergie ($E_{a,kat}$) in aanwezigheid van een enzym in vergelijking met de volle lijn voor de niet-gekatalyseerde reactie. Het verschil in vrije energie ($\Delta G$) tussen substraat en product bepaalt het reactie-evenwicht en wordt niet beïnvloed door het enzym [87](#page=87). Enzymen oriënteren substraten optimaal en gebruiken specifieke functionele groepen van aminozuurzijketens om de chemische reactie te bevorderen. De snelheidverhoging door enzymen kan spectaculair zijn, met versnellingsfactoren van $10^7$ tot $10^{17}$ [88](#page=88). **Voorbeelden van versnellingsfactoren:** * Koolzuuranhydrase: $\sim 7.7 \times 10^7$ maal [88](#page=88). * Chymotrypsine: $10^7$ maal [88](#page=88). * Triosefosfaat-isomerase: $3 \times 10^9$ maal [88](#page=88). ### 4.2 Naamgeving en indeling van enzymen Enzymnamen eindigen meestal op '-ase' en worden afgeleid van het substraat of de gekatalyseerde reactie (bijv. maltase hydrolyseert maltose). Sommige enzymen hebben historische gebruiksnamen (bijv. trypsine, pepsine) [88](#page=88). Enzymen worden ingedeeld op basis van de reacties die ze katalyseren, aangeduid met een EC-nummer (Enzyme Commission). Er zijn zeven hoofdgroepen [88](#page=88): 1. **EC 1: Oxidoreductasen**: Katalyseren oxidatie-reductiereacties. Voorbeelden zijn dehydrogenasen (verwijderen waterstofatomen) en oxidasen (gebruiken zuurstof als elektronenacceptor). Alcoholdehydrogenase (ADH) oxideert ethanol met NAD+ als acceptor [89](#page=89). 2. **EC 2: Transferasen**: Brengen functionele groepen over van een donor naar een acceptor. Kinasen zijn fosforylgroeptransferasen die bijvoorbeeld een fosfaatgroep van ATP overdragen. Hexokinasen fosforyleren hexosen [89](#page=89). 3. **EC 3: Hydrolasen**: Katalyseren hydrolytische splitsingen met water als cosubstraat. Ze splitsen C-O, C-S, C-N, en O-P bindingen, maar geen C-C bindingen [89](#page=89). * **EC 3.1 Esterasen**: Werken op esterbindingen (bijv. fosfolipase A2, acetylcholine-esterase) [89](#page=89). * **EC 3.2 Glycosidasen**: Splijten O- of N-glycosidische bindingen in suikers (bijv. maltase, lactase, sucrase) [89](#page=89). * **EC 3.4 Peptidasen/Proteasen**: Splijten peptidebindingen (bijv. chymotrypsine, trypsine, pepsine) [89](#page=89). 4. **EC 4: Lyasen**: Splitsen covalente bindingen (C-C, C-N, C-O) via eliminatie, wat leidt tot dubbele bindingen of ringen. Voorbeelden zijn decarboxylasen en dehydratasen. Koolzuuranhydrase is een voorbeeld van een lyase/synthase [90](#page=90). 5. **EC 5: Isomerasen**: Katalyseren omleggingen in één substraatmolecule om een isomeer te vormen (bijv. racemases, epimerases, mutasen). Fosfoglyceraatmutase is een voorbeeld [90](#page=90). 6. **EC 6: Ligasen/Synthetasen**: Katalyseren de vorming van covalente bindingen tussen twee substraten, vereisen energie-input (vaak ATP-hydrolyse). Glutaminesynthetase is een voorbeeld [91](#page=91). 7. **EC 7: Translocasen**: Katalyseren de beweging van ionen of moleculen door celmembranen [91](#page=91). ### 4.3 De driedimensionale structuur van enzymen bepaalt hun specificiteit en katalytische werking #### 4.3.1 Het actief centrum in enzymen Het actief centrum is een specifieke regio in het enzym waar het substraat bindt. Het is vaak een holte of gleuf waarin aminozuurzijketens het substraat binden via zwakke, niet-covalente krachten, wat zorgt voor complementariteit in vorm en lading. Het wordt ook de katalytische holte genoemd. In het actief centrum worden substraten optimaal georiënteerd voor de chemische reactie [91](#page=91). Het "lock & key" principe stelt dat het substraat perfect in de katalytische holte past. Het "induced fit" mechanisme beschrijft een vormverandering van het enzym en/of substraat bij binding, wat leidt tot een nog optimale driedimensionale omgeving voor de reactie [92](#page=92). Het actief centrum bestaat typisch uit twee delen: * **Specificiteitsholte**: Bevat aminozuren voor substraatherkenning en -binding [92](#page=92). * **Katalytische regio**: Bevat aminozuren die de reactie uitvoeren [92](#page=92). Voorbeeld: Lysozyme heeft een sleufvormig actief centrum met een specificiteitsholte en een katalytische regio (Glu 35 en Asp 52), die bacteriële celwandpolysacchariden hydrolyseert [92](#page=92). #### 4.3.2 Cofactoren: hulp bij katalyse in de actieve centra van enzymen Veel enzymen vereisen de aanwezigheid van niet-eiwitmoleculen of ionen, cofactoren genaamd, voor hun katalytische activiteit. Ze dragen actief bij aan de chemische reacties [93](#page=93). Cofactoren worden ingedeeld in: 1. **Metaalionen**: Transitiemetaalionen zoals Fe, Zn, Cu, en aardalkalimetaalionen zoals Mg. Ze kunnen direct aan aminozuren binden of via een organische molecule zoals heem. Ze zijn betrokken bij redoxreacties of helpen bij de binding van co-enzymen/cosubstraten. Bijvoorbeeld Zn2+ in koolzuuranhydrase en Mg2+ in hexokinase [93](#page=93). 2. **Organische moleculen (Co-enzymen)**: Worden vaak uit vitaminen geproduceerd. Als ze na de reactie onveranderd terugkomen, zijn ze co-enzymen. Als ze dissociëren na de reactie, kunnen ze als cosubstraat worden gezien [93](#page=93). **Belangrijke co-enzymen en hun herkomst/functie:** * Thiamine pyrofosfaat (TPP, uit vitamine B1): Aldehyde-activatie en -transfer [93](#page=93). * Flavine adenine nucleotide (FAD, uit vitamine B2): Oxidatie-reductie, transfer van 2 waterstofatomen [93](#page=93). * Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+, NADP+, uit niacin/vitamine B3): Oxidatie-reductie, transfer van een hydride-ion [93](#page=93). * Co-enzym A (CoA, uit vitamine B5): Acylgroepactivatie en -transfer [93](#page=93). * Biotine (uit vitamine B7): CO2 [93](#page=93). * Heem: e-, O2, … [93](#page=93). Een apo-enzym is een enzym zonder cofactor, terwijl een holo-enzym het katalytisch actieve enzym met gebonden cofactor is [93](#page=93). **Voorbeeld: Alcoholdehydrogenase (ADH)** ADH gebruikt NAD+ als oxidans. Ethanol wordt geoxideerd, en NAD+ wordt gereduceerd tot NADH. Een Zn2+-ion is ook betrokken en gebonden aan drie histines en het substraat [94](#page=94). #### 4.3.3 Reactiemechanismen: rol van katalytische aminozuren Reactiemechanismen van enzymen verlopen vaak in opeenvolgende deelstappen. ##### 4.3.3.1 Koolzuuranhydrase gebruikt een zinkion en een vierstapsmechanisme Koolzuuranhydrase (EC 4.2.1.1) katalyseert de reversibele hydratatie van CO2: $CO_2 + H_2O \leftrightarrow HCO_3^- + H^+$. Het zinkion (Zn2+) in het actief centrum is essentieel. Het Zn2+-ion is gecoördineerd door drie histidines en een watermolecule of HCO3- ion [96](#page=96). Het vierstapsmechanisme: 1. Deprotonatie van water, geactiveerd door binding aan Zn2+, vormt een hydroxide-ion (OH-) [97](#page=97). 2. CO2 bindt in het actief centrum [97](#page=97). 3. Nucleofiele aanval van OH- op CO2 vormt een HCO3- ion, gestabiliseerd door Zn2+ [97](#page=97). 4. Afsplitsing van HCO3- ion, vervangen door een watermolecule [97](#page=97). Koolzuuranhydrase is extreem efficiënt, met $10^4$ tot $10^6$ omzettingen per seconde per enzymmolecule [97](#page=97). ##### 4.3.3.2 Katalytische splitsing van de peptidenbinding door chymotrypsine Proteasen (EC 3.4) zijn hydrolasen die specifieke peptidebindingen hydrolyseren. Serineproteasen, zoals chymotrypsine, hebben een "katalytische triade" in hun actief centrum, bestaande uit Asp, His, en Ser. Deze aminozuren vormen een "charge relay" systeem dat de pKa van Ser verlaagt, waardoor het een sterk nucleofiel wordt (alkoxide) [97](#page=97) [98](#page=98). Het mechanisme verloopt in stappen: 1. Geactiveerd Serine voert een nucleofiele aanval uit op het carbonylkoolstof van de peptidebinding, vormend een covalent ES-intermediair [99](#page=99). 2. Peptidebinding wordt gesplitst; het C-terminale deel komt vrij [99](#page=99). 3. Het N-terminale deel blijft covalent gebonden; reactie met water, geholpen door His57, maakt dit deel vrij [99](#page=99). 4. De binding tussen Ser195 en het N-terminale deel wordt verbroken; het N-terminale deel komt vrij [99](#page=99). 5. Het enzym is geregenereerd [99](#page=99). #### 4.3.4 Specificiteit is onafhankelijk van het reactiemechanisme Hoewel het reactiemechanisme van serineproteasen vergelijkbaar is, verschillen ze in substraatspecificiteit [99](#page=99). * **Chymotrypsine**: Knipt na aminozuren met volumineuze, apolaire zijketens (Phe, Tyr, Trp) [99](#page=99). * **Trypsine**: Knipt na positief geladen aminozuren (Lys, Arg) [99](#page=99). * **Elastase**: Knipt na kleine alifatische aminozuren (Ala, Gly) [99](#page=99). Dit verschil in specificiteit wordt veroorzaakt door variaties in de specificiteitsholte van het actief centrum, die de interactie met specifieke aminozuurzijketens van het substraat bepaalt [100](#page=100). #### 4.3.5 Een enzym heeft een temperatuuroptimum en een pH-optimum Enzymactiviteit is afhankelijk van temperatuur en pH . * **Temperatuur**: Hogere temperaturen verhogen theoretisch de reactiesnelheid, maar boven een bepaald punt treedt denaturatie op (> 50°C). De meeste menselijke enzymen hebben een optimum rond 37°C . * **pH**: Elk enzym heeft een pH-optimum, afhankelijk van de omgeving. Chymotrypsine (dunne darm) heeft een alkalisch optimum (pH 7,5-10), terwijl pepsine (maag) een zuur optimum heeft (pH 1,5-2,5). De pH beïnvloedt de lading van aminozuurzijketens in het actief centrum, wat de substraatbinding en katalyse kan beïnvloeden . ### 4.4 Hoe goed werkt een enzym? Parameters om enzymwerking te beschrijven #### 4.4.1 De reactiesnelheid V van een enzymreactie Enzymkinetiek bestudeert de snelheid van enzymreacties. De reactiesnelheid (V) is de afname van substraatconcentratie ([S]) of de toename van productconcentratie ([P]) per tijdseenheid (M/s) . $$V = \frac{d[P]}{dt}$$ De initiële reactiesnelheid ($V_0$) is de helling van de rechte in het lineaire deel van de productconcentratie-tijd curve . De reactie kan worden weergegeven als: $$ E + S \xrightarrow{k_1, k_2} ES \xrightarrow{k_3} E + P $$ Waarbij $k_1$, $k_2$, en $k_3$ reactiesnelheidsconstanten zijn. De initiële snelheid kan worden uitgedrukt als $V = k_3[ES]$ . #### 4.4.2 De enzymparameters: $V_{max}$, $k_{cat}$, $K_M$, en $k_{cat}/K_M$ De relatie tussen de initiële reactiesnelheid ($V_0$) en substraatconcentratie ([S]) bij constante enzymconcentratie ([E$_T$]) volgt een hyperbolische curve . * **$V_{max}$ (Maximale snelheid)**: Bij voldoende hoge substraatconcentraties raakt het enzym verzadigd met substraat ([ES = [E$_T$]). De reactiesnelheid bereikt een maximale, constante waarde ($V_{max}$), onafhankelijk van [S . $$ V_{max} = k_3[E_T $$ * **$k_{cat}$ (Turnovergetal)**: De reactiesnelheidsconstante bij volledige verzadiging ($k_3$). Het geeft aan hoeveel substraatmoleculen een enzym per tijdseenheid omzet. Het is een absolute maat voor enzymefficiëntie (eenheid: s$^{-1}$) . $$ k_{cat} = \frac{V_{max}}{[E_T]} $$ Voor koolzuuranhydrase is $k_{cat} = 600.000$ s$^{-1}$. Voor chymotrypsine is $k_{cat} = 0.5$ s$^{-1}$ . De **Michaelis-Mentenvergelijking** beschrijft de relatie tussen $V$, [S, $V_{max}$, en $K_M$: $$ V = \frac{k_{cat}[E_T][S]}{K_M + [S]} = \frac{V_{max}[S]}{K_M + [S]} $$ Deze vergelijking geldt onder steady-state condities en bij [S $\gg$ [E$_T$] . * **$K_M$ (Michaelis-Mentenconstante)**: Dit is de substraatconcentratie waarbij de reactiesnelheid de helft van $V_{max}$ bedraagt ($V = V_{max}/2$). $K_M$ is een maat voor de affiniteit van het enzym voor het substraat; een lage $K_M$ duidt op een hoge affiniteit . $$ K_M = \frac{k_2 + k_3}{k_1} $$ Als $k_3 \ll k_2$ (wat vaak het geval is), dan is $K_M = \frac{k_2}{k_1}$, wat de evenwichtsdissociatieconstante van het ES-complex is . $K_M$-waarden liggen meestal tussen 0.1 M en $10^{-6}$ M (1 µM) . * **$k_{cat}/K_M$ (Specificiteitsconstante)**: Deze parameter combineert efficiëntie ($k_{cat}$) en affiniteit ($K_M$) en geeft de specificiteit van een enzym voor een bepaald substraat aan. Een hoog $k_{cat}/K_M$ (met hoge $k_{cat}$ en lage $K_M$) duidt op een zeer efficiënt enzym . **Voorbeeld Hexokinase:** | Substraat | $k_{cat}/K_M$ (s$^{-1}$mM$^{-1}$) | | :------------ | :------------------------------- | | D-glucose | 714 | | D-mannose | 420 | | D-fructose | 1.4 | D-glucose is het meest efficiënte substraat voor dit hexokinase . ### 4.5 Regulatie van enzymen Enzymactiviteit wordt streng gecontroleerd via verschillende mechanismen: 1. **Covalente modificaties en processing**: * **Processing**: Irreversibele activatie door het verwijderen van delen van de polypeptideketen (bijv. trypsinogeen naar trypsine) . * **Fosforylering/Defosforylering**: Reversibele activatie/inactivatie door kinases en fosfatases (bijv. regulatie van Src-eiwit). Dit kan als een AAN/UIT schakelaar fungeren . 2. **Inhibitie**: Binding van een inhibitor remt de enzymwerking . * **Natuurlijke inhibitoren**: Essentieel voor controle in organismen . * **Negatieve feedback (Productinhibitie)**: Het eindproduct van een metabolische route remt een enzym aan het begin van de route (bijv. isoleucine remt threoninedeaminase) . * Medicijnen zijn vaak enzyminhibitoren. Verschillende types inhibitie worden in §5.6 besproken . 3. **Compartimentalisatie**: Enzymen bevinden zich in specifieke celorganellen. Anabole processen (bv. vetzuursynthese) vinden plaats in het cytoplasma, terwijl katabole processen (bv. vetzuurafbraak) in de mitochondriën plaatsvinden, wat efficiënte celhuishouding mogelijk maakt . #### 4.5.1 Verschillende types van enzyminhibitie Inhibitoren (I) remmen de katalytische werking van enzymen . ##### 4.5.1.1 Niet-competitieve inhibitie * **Mechanisme**: De inhibitor (I) en substraat (S) binden op verschillende plaatsen op het enzym. Het EIS-complex kan niet worden omgezet in product . * **Effect op parameters**: * $V_{max}$ daalt . * $K_M$ blijft onveranderd . * $k_{cat}$ daalt . * **Kenmerken**: Niet tegengewerkt door verhoogde substraatconcentratie . ##### 4.5.1.2 Competitieve inhibitie * **Mechanisme**: De inhibitor (I) concurreert met het substraat (S) voor dezelfde bindingsplaats (het actief centrum). Vaak is de inhibitor een structuuranaloog van het substraat . * **Effect op parameters**: * $V_{max}$ blijft onveranderd, maar wordt bereikt bij hogere [S . * $K_M$ stijgt (wordt $K'_M$) . * $k_{cat}$ blijft onveranderd . * **Kenmerken**: Kan worden tegengewerkt door verhoogde substraatconcentratie. Een hogere affiniteit van de inhibitor voor het enzym maakt het een efficiëntere competitieve inhibitor . **Voorbeelden:** * **Sulfanilamide**: Een antibioticum dat competitief het bacteriële enzym dihydropteroate synthase remt, een structuuranaloog van para-aminobenzoëzuur . * **Methotrexaat**: Een chemotherapeuticum dat het menselijke enzym dihydrofolaatreductase remt. Het is een structuuranaloog van foliumzuur en bindt 1000x sterker. Dit leidt tot remming van celdeling, zowel van kankercellen als gezonde cellen . ##### 4.5.1.3 Irreversibele of zelfmoordinhibitie * **Mechanisme**: De inhibitor bindt covalent en permanent aan het actief centrum, waardoor het enzym onomkeerbaar geïnactiveerd wordt . * **Effect op parameters**: * $V_{max}$ daalt . * $k_{cat}$ daalt . * **Voorbeeld**: Inactivatie van serineproteasen door covalente binding aan het katalytische serine . ##### 4.5.1.4 Allostere inhibitie * **Mechanisme**: Liganden (effectoren) binden op een plaats buiten het actief centrum (allostere plaats) en moduleren de enzymactiviteit . * **Effect op parameters**: * $K_M$ wordt groter (negatieve allostere effector/inhibitor) . * $V_{max}$ verandert niet . * **Kenmerken**: Typisch voor dimere of oligomere enzymen. Enzymen met allostere regulatie volgen niet de Michaelis-Menten kinetiek . --- # Lipiden en cellulaire membranen Dit hoofdstuk behandelt de structuur, eigenschappen en functies van lipiden die essentieel zijn voor de vorming en dynamiek van cellulaire membranen. ### 5.1 Inleiding tot lipiden Lipiden zijn een diverse groep hydrofobe biomoleculen die onoplosbaar zijn in water. Sommige lipiden zijn amfifiel, wat betekent dat ze zowel een hydrofoob als een hydrofiel deel bezitten. Lipiden dienen als brandstof, energieopslag, bescherming van organen, isolatie, signaalmoleculen en zijn fundamentele componenten van cellulaire membranen. Dit hoofdstuk focust specifiek op de lipiden die aanwezig zijn in cellulaire membranen. Cellulaire membranen, zoals het plasmamembraan en intracellulaire membranen die organellen omringen, bestaan uit lipiden en eiwitten. De drie belangrijkste groepen membraanlipiden zijn fosfolipiden, glycolipiden en cholesterol . ### 5.2 De fosfolipiden Fosfolipiden zijn de meest voorkomende lipiden in cellulaire membranen en worden onderverdeeld in fosfoglyceriden (glycerofosfolipiden) en sfingolipiden. Beide typen zijn amfifiel . #### 5.2.1 De glycerofosfolipiden Glycerofosfolipiden (ook fosfoglyceriden genoemd) zijn een belangrijke klasse van membraanlipiden. Ze zijn opgebouwd rond een glycerolruggengraat. De hydroxylgroepen op C1 en C2 van glycerol zijn veresterd met een acylketen (vetzuurketen), en de hydroxylgroep op C3 is veresterd met een fosfaatgroep, die op zijn beurt gebonden is aan een polair alcohol. Vetzuren zijn carbonzuren met lange, onvertakte koolstofketens (10-24 C-atomen) en een even aantal koolstofatomen in eukaryote cellen. Wanneer verestering plaatsvindt met een onverzadigd vetzuur, bevatten de acylketens dubbele bindingen in cis-configuratie. Vetzuren kunnen symbolisch worden weergegeven, bijvoorbeeld als 18:1 wat een acylketen van 18 koolstofatomen met één dubbele binding tussen C9 en C10 aanduidt. Voorbeelden van vetzuren zijn palmitaat (16:0) en oleaat (18:1 ). Linolzuur (18:2) en linoleenzuur (18:3) zijn essentiële vetzuren [9](#page=9). Het middelste koolstofatoom C2 van glycerol in een fosfoglyceride is een chiraal centrum. Natuurlijk voorkomende fosfoglyceriden hebben de L-structuur . De variatie in glycerofosfolipiden zit in de groep X die gebonden is aan de fosfaatgroep op C3 . * **Fosfatidinezuur:** X is waterstof (H) . * **Fosfatidylcholine (PC), Fosfatidylethanolamine (PE), Fosfatidylserine (PS), Fosfatidylinositol (PI):** De fosfaatgroep is veresterd met choline, ethanolamine, serine of inositol . * PE en PC zijn netto neutraal . * PS en PI zijn netto negatief geladen . De inositolring van PI kan verder gefosforyleerd worden tot PIP, PIP2 en PIP3, die sterk negatief geladen zijn en als signaalmoleculen fungeren . Glycerofosfolipiden zijn amfifiel: de twee acylketens vormen de hydrofobe staarten, en de fosfaatgroep met de polaire substituent vormt de hydrofiele kop . * **Difosfatidylglycerol (cardiolipine):** Een fosfoglyceride dat specifiek in het binnenste membraan van mitochondriën voorkomt. Het heeft vier vetzuurketens en twee negatieve ladingen . * **Lysofosfoglyceriden:** Hebben slechts één vetzuurketen op C1 van glycerol . Fosfolipiden zijn enzymsubstraten. Fosfolipasen zijn enzymen die specifieke covalente bindingen in fosfoglyceriden kunnen hydrolyseren . Ter vergelijking: Triacylglyceriden (TAGs) lijken op fosfolipiden, maar hebben drie hydrofobe staarten en geen polaire kop . #### 5.2.2 De sfingolipiden Sfingolipiden gebruiken sfingosine als alcoholbouwsteen, wat een complexer alcohol is met een OH-groep op C1, een amine-functie op C2 en een lange onverzadigde koolwaterstofketen. Wanneer een vetzuur via een amidebinding aan de amine-groep van sfingosine bindt, ontstaat ceramide . * **Sfingomyeline:** Een sfingolipide waarbij de OH-groep op C1 van ceramide veresterd is met fosfocholine. Sfingomyeline is amfifiel en komt veel voor in hersenen . ### 5.3 De glycolipiden Glycolipiden zijn suikerhoudende lipiden afgeleid van sfingosine. De aminogroep op C2 is geacyleerd met een vetzuurketen (ceramide), en de hydroxylgroep op C1 is gebonden aan één of meer suikers. De suikermoleculen vormen het polaire deel van de glycolipiden en maken intermoleculaire interacties mogelijk . * **Cerebrosiden:** De eenvoudigste glycolipiden met één suikermolecule (glucose of galactose) gebonden aan C1 van het ceramide . * **Gangliosiden:** Bevatten vertakte suikerketens van tot zeven suikereenheden, en vaak een carboxylaatgroep waardoor de polaire kop sterk negatief geladen en volumineus is . Defecten in de afbraak van gangliosiden door glycosidase-enzymen kunnen leiden tot erfelijke ziekten zoals Tay-Sachs en Neuman-Nick. Glycolipiden op het celoppervlak spelen een rol in cel-celcommunicatie . **Case study: Bloedgroepen en glycolipiden** De ABO-bloedgroepen worden bepaald door verschillende oligosaccharidestructuren in glycolipiden op het oppervlak van rode bloedcellen, de zogenaamde A-, B- en O-antigenen. Mensen met bloedgroep A hebben een extra N-acetylgalactosamine op het O-antigen, terwijl mensen met bloedgroep B een extra galactose toevoegen. Mensen met bloedgroep AB hebben beide enzymen. Dit heeft belangrijke gevolgen voor bloedtransfusies . ### 5.4 Cholesterol Cholesterol is een sterol met vier koolstofringen die een rigide en vlakke structuur vormen, samen met een vertakte koolwaterstofketen. De ringen en staart vormen het hydrofobe deel, terwijl de hydroxylgroep het polaire deel vormt, wat cholesterol amfifiel maakt. Cholesterol is een belangrijke component van cellulaire membranen en reguleert de vloeibaarheid van het membraan. Cholesterol wordt in bloed getransporteerd als cholesterolester in lipoproteïnen . ### 5.5 Fosfolipiden vormen spontaan dubbellagen in waterig milieu Amfifiele lipiden, zoals fosfolipiden, aggregeren spontaan in waterige oplossingen door het hydrofoob effect. De hydrofobe staarten clusteren samen, terwijl de hydrofiele koppen naar het water zijn gericht. Dit zelfassemblageproces resulteert in micellen, liposomen of lipidendubbellagen, die de basis vormen van cellulaire membranen. Lipidedubbellagen vormen een thermodynamisch gunstige structuur die ondersteund wordt door niet-covalente interacties . > **Tip:** Micellen worden voornamelijk experimenteel gebruikt, terwijl liposomen, met hun dubbellaagstructuur, natuurlijke membranen nabootsen en toepassingen hebben in onderzoek, cosmetica en medicijnen. ### 5.6 Variatie in lipidesamenstelling van biomembranen Biologische membranen bestaan uit een dubbellaag van verschillende lipiden. De dikte van een celmembraan varieert, met de lipidendubbellaag ongeveer 5 nm dik. Deze dubbellaag vormt een fysische barrière voor polaire en geladen moleculen, wat de permeabiliteit beperkt en compartimentalisatie in de cel mogelijk maakt. De permeabiliteit wordt beïnvloed door de grootte, polariteit en lading van de molecule. Kleine apolaire verbindingen zoals O2 diffunderen daarentegen snel . De fosfolipidensamenstelling van biomembranen varieert tussen verschillende celtypes en organellen, wat specifieke eigenschappen aan de membranen geeft. Fosfatidylcholine (PC) en fosfatidylethanolamine (PE) zijn de meest voorkomende neutrale fosfolipiden . Cellulaire membranen hebben een barrièrefunctie die zorgt voor verschillen in ionensterkte, pH en concentratie van biomoleculen tussen de cel en haar omgeving, of tussen verschillende compartimenten binnen de cel . ### 5.7 Kenmerken van het plasmamembraan Het plasmamembraan is complex samengesteld en vertoont specifieke kenmerken . #### 5.7.1 Asymmetrie in de lipidedubbellaag De overgang van een lipide van de ene laag van de membraandubbellaag naar de andere (flip-flop beweging) is traag en zeldzaam. Enzymen (translocasen) kunnen deze beweging bevorderen, wat leidt tot een asymmetrische samenstelling van het plasmamembraan. Kenmerken van deze asymmetrie zijn : * Glycolipiden bevinden zich uitsluitend in de extracellulaire laag . * Cholinebevattende fosfolipiden (PC en sfingomyeline) zijn voornamelijk in de extracellulaire laag aanwezig . * Neutrale en negatief geladen fosfolipiden (zoals PS en PI-derivaten) bevinden zich in de binnenste laag, gericht naar het cytosol . * Cholesterol is gelijkmatig verdeeld over beide lagen . #### 5.7.2 Cellulaire membranen bevatten eiwitten Membranen bevatten naast lipiden ook eiwitten, waarbij de lipide-eiwitverhouding varieert. Er zijn twee hoofdtypen membraaneiwitten : * **Integrale membraaneiwitten:** In de lipidedubbellaag ingebed, deels of volledig de dubbellaag overspannend (transmembranair). Het transmembranair gedeelte interageert met de hydrofobe delen van de dubbellaag . * **Perifere membraaneiwitten:** Geassocieerd met de polaire koppen van lipiden of met integrale membraaneiwitten aan de binnen- of buitenzijde van het membraan . Membraaneiwitten verzorgen celcommunicatie door middel van transportfuncties (pompen, kanaaleiwitten), als receptoren voor signaalmoleculen, enzymatische functies, en celadhesie. De samenstelling van membraaneiwitten is celtype-specifiek . > **Voorbeeld:** De insulinereceptor is een transmembranair eiwit dat na binding van insuline een conformationele verandering ondergaat, wat leidt tot signaaltransductie en bevordering van glucosetransport . #### 5.7.3 De glycocalyx De buitenlaag van het plasmamembraan bevat glycolipiden en sterk geglycosyleerde membraaneiwitten (glycoproteïnen). Deze vormen de glycocalyx of 'sugar coat'. De suikermoleculen zijn covalent gebonden via N- of O-glycosylatie aan specifieke aminozuren. De glycocalyx is polair en beïnvloedt interacties met de extracellulaire matrix, andere cellen en pathogenen. De unieke combinatie van glycolipiden en glycoproteïnen op een cel maakt specifieke celcommunicatie mogelijk . **Case study: Cel-cel communicatie** De interactie tussen witte bloedcellen en endotheelcellen van bloedvaten is een voorbeeld van cel-cel communicatie waarbij geglycosyleerde eiwitten (selectines) op de membranen een rol spelen . #### 5.7.4 Membranen zijn vloeibare dynamische structuren Biologische membranen zijn geen rigide structuren; lipide- en eiwitmoleculen zijn continu in beweging (laterale bewegingen). Dit wordt beschreven door het 'vloeibaar mozaïekmodel'. De membraanfluïditeit wordt voornamelijk bepaald door de zwakke aantrekkingskrachten tussen de hydrofobe delen van fosfolipiden, en is afhankelijk van de lengte en verzadigingsgraad van de acylketens . * Een kortere ketenlengte en meer dubbele bindingen (onverzadigd) verhogen de membraanfluïditeit . * Langere ketens en meer verzadigde vetzuren verlagen de membraanfluïditeit . Cholesterol reguleert de membraanfluïditeit door interactie met de naburige lipiden. Het kan de beweeglijkheid van onverzadigde fosfolipiden verminderen en de beweeglijkheid van verzadigde fosfolipiden verhogen . --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Biomoleculen | Moleculen die essentieel zijn voor het leven en worden bestudeerd in de biochemie. Deze omvatten een breed scala aan verbindingen, van kleine moleculen zoals suikers en vitaminen tot grote macromoleculen zoals eiwitten en nucleïnezuren. | | Functionele Groepen | Specifieke groepen van atomen binnen een biomolecuul die kenmerkende chemische eigenschappen en reactiviteit verlenen aan het molecuul, zoals hydroxylgroepen, carboxylgroepen en aminogroepen. | | Koolstofskelet | Het ruggengraat van een organische molecule, bestaande uit koolstofatomen die aan elkaar gebonden zijn, vaak met waterstofatomen, en waarop functionele groepen zijn bevestigd. | | Niet-covalente Interacties | Zwakke chemische krachten tussen moleculen of delen van moleculen die niet resulteren in de deling van elektronen, zoals waterstofbruggen, ionaire interacties, dipool-dipoolinteracties en Londonkrachten. | | Polair Karakter | Eigenschap van een molecuul of functionele groep waarbij er een ongelijke verdeling van elektronen is, leidend tot partiële positieve en negatieve ladingen, wat zorgt voor interactie met waterige of polaire oplossingen. | | Apolair Karakter | Eigenschap van een molecuul of functionele groep waarbij de elektronen gelijkmatig verdeeld zijn, zonder significante partiële ladingen, wat zorgt voor waterafstotendheid (hydrofobie) en interactie met andere apolaire moleculen. | | Alfa-aminozuren | De bouwstenen van eiwitten, gekenmerkt door een centraal alfa-koolstofatoom waaraan een aminogroep, een carboxylgroep, een waterstofatoom en een variabele zijketen (R-groep) gebonden zijn. | | Peptidebinding | Een covalente binding gevormd tussen de carboxylgroep van het ene aminozuur en de aminogroep van het andere aminozuur, waarbij een watermolecuul wordt afgesplitst en zo een polypeptideketen wordt gevormd. | | Primaire Structuur van een Eiwit | De unieke lineaire volgorde van aminozuurresiduen in een polypeptideketen, bepaald door de genetische code en covalent gebonden door peptidebindingen. | | Secundaire Structuur van een Eiwit | Lokale driedimensionale structuren binnen een polypeptideketen, zoals de alfa-helix en beta-vouwbladen, gestabiliseerd door waterstofbruggen tussen delen van de polypeptide-ruggengraat. | | Tertiaire Structuur van een Eiwit | De algehele driedimensionale vouwing van een enkele polypeptideketen, inclusief de ruimtelijke rangschikking van secundaire structuurelementen en zijketens, bepaald door diverse niet-covalente interacties. | | Quaternaire Structuur van een Eiwit | De ruimtelijke rangschikking van meerdere polypeptideketens (subeenheden) die samenwerken om een functioneel eiwitcomplex te vormen, gestabiliseerd door niet-covalente interacties tussen de subeenheden. | | Enzymen | Biokatalysatoren, meestal eiwitten, die de snelheid van biochemische reacties verhogen door de activeringsenergie te verlagen, zonder zelf permanent verbruikt te worden. | | Actief Centrum | Een specifieke regio binnen een enzymmolecuul waar het substraat bindt en de katalytische reactie plaatsvindt, gekenmerkt door een specifieke driedimensionale structuur en de aanwezigheid van functionele groepen van aminozuurzijketens. | | Michaelis-Mentenvergelijking | Een wiskundige vergelijking die de relatie beschrijft tussen de reactiesnelheid van een enzym en de substraatconcentratie, met parameters als Vmax (maximale reactiesnelheid) en KM (Michaelis-constante). | | Lipiden | Een diverse groep van hydrofobe biomoleculen, waaronder vetten, oliën, fosfolipiden en steroïden, die belangrijk zijn voor energieopslag, celmembraanstructuur en signaalfuncties. | | Fosfolipiden | Amfifiele lipiden die een belangrijke component vormen van cellulaire membranen, bestaande uit een hydrofiele kop (fosfaatgroep en polair alcohol) en twee hydrofobe staarten (vetzuurketens). | | Amfifiel (Amfipatisch) | Eigenschap van een molecuul dat zowel hydrofobe (waterafstotende) als hydrofiele (wateraantrekkende) delen bezit, wat leidt tot zelfassemblage in waterige oplossingen, zoals de vorming van micellen of dubbellagen. | | Cellulair Membraan | Een dunne, vloeibare structuur die cellen en celorganellen omgeeft, voornamelijk samengesteld uit een dubbellaag van lipiden en ingebedde eiwitten, die functioneert als een selectieve barrière en communicatiemiddel. | | ATP (Adenosinetrifosfaat) | Een universele energiedrager in levende cellen, die chemische energie opslaat in de fosfoanhydridebindingen van zijn trifosfaatgroep en deze energie vrijgeeft voor diverse cellulaire processen door hydrolyse. | | Oxidatieve Fosforylering | Het proces waarbij ATP wordt gesynthetiseerd door de energie die vrijkomt bij de oxidatie van voedingsmoleculen via een elektronentransportketen, voornamelijk in de mitochondriën. | | Co-enzymen | Kleine organische moleculen, vaak afgeleid van vitaminen, die essentieel zijn voor de katalytische activiteit van veel enzymen en deelname aan de reactie als elektronendragers of als dragers van specifieke chemische groepen. | | Metabolisme | Het geheel van biochemische reacties in een organisme, onderverdeeld in katabolisme (afbraakprocessen die energie vrijgeven) en anabolisme (opbouwprocessen die energie verbruiken), waarbij energiedragers zoals ATP en NADH een centrale rol spelen. | | Hydrofobe Effect | Het fenomeen waarbij apolaire moleculen in een waterige oplossing samenkomen om het contactoppervlak met water te minimaliseren, wat een drijvende kracht is voor de organisatie van biomoleculen zoals eiwitten en membranen. | | Zwitterion | Een molecuul dat zowel een positieve als een negatieve lading draagt, maar netto neutraal is, zoals veel aminozuren bij fysiologische pH. | | Chirale Koolstofatomen | Koolstofatomen die gebonden zijn aan vier verschillende substituenten, wat resulteert in het bestaan van stereo-isomeren of enantiomeren van de molecule. | | Fischerprojectie | Een tweedimensionale weergave van de driedimensionale structuur van chirale moleculen, met name suikers en aminozuren, die de ruimtelijke configuratie van de substituenten rond chirale koolstofatomen weergeeft. | | Londonkrachten | Zwakke intermoleculaire krachten die ontstaan door tijdelijke dipolen geïnduceerd in apolaire moleculen, welke bijdragen aan de aantrekking tussen deze moleculen, vooral op korte afstand. | | Waterstofbrug | Een specifieke vorm van dipool-dipoolinteractie tussen een waterstofatoom gebonden aan een sterk elektronegatief atoom (zoals O of N) en een ander elektronegatief atoom met een vrij elektronenpaar. | | Allosterie | Een mechanisme waarbij de binding van een regulator aan een allostere plaats van een eiwit of enzym de affiniteit van andere bindingsplaatsen voor hun liganden of substraten beïnvloedt, vaak door conformatieveranderingen. | | Vmax | De maximale reactiesnelheid van een enzymreactie wanneer het enzym volledig verzadigd is met substraat. | | kcat (Turnovergetal) | Het aantal substraatmoleculen dat door één enzymmolecuul per tijdseenheid wordt omgezet in product bij volledige verzadiging, een maat voor de katalytische efficiëntie van het enzym. | | KM | De Michaelis-constante, die de substraatconcentratie aangeeft waarbij de reactiesnelheid van een enzym de helft van Vmax bereikt; het is een maat voor de affiniteit van het enzym voor zijn substraat. | | Proteasen (Peptidasen) | Enzymen die de peptidebindingen in eiwitten of peptiden hydrolyseren, waardoor eiwitten worden afgebroken tot kleinere peptiden. | | Glycoproteïnen | Eiwitten waaraan suikermoleculen of -ketens covalent gebonden zijn, vaak aan de extracellulaire zijde van membraaneiwitten, belangrijk voor celherkenning en communicatie. | | Glycolipiden | Lipiden waaraan suikermoleculen of -ketens covalent gebonden zijn, een belangrijk onderdeel van de glycocalix en betrokken bij celherkenning, zoals bloedgroepantigenen. | | Cholesterol | Een steroïde lipid dat een component is van dierlijke celmembranen, waar het de vloeibaarheid van het membraan beïnvloedt en dient als voorloper voor steroidhormonen. | | Lipidedubbellaag | De fundamentele structuur van biologische membranen, gevormd door twee lagen van amfifiele lipiden waarbij de hydrofobe staarten naar elkaar gericht zijn en de hydrofiele koppen naar de waterige omgeving, een barrière voor polaire moleculen. | | Geen enkele quotes zijn toegestaan. | |