Syllabus partim 2 Inleiding tot Biochemische processen REVAKI Ba1 2025-26 (3).pdf

# 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. | |