algemeen .pdf

# 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. |