In principe komen we in de biochemie net zulke reakties tegen als in de algemene scheikunde en zeker als in de koolstofchemie. Denk daarbij met name aan zuur-base reakties, redoxreakties, hidrolyse, condensatie en polimerisatie.
Ga nu eerst een paar opdrachten maken die je helpen om in het onderwerp te komen.
Opdracht 1
Salicylzuur reageert met een oplossing van ammoniak. Geef daarvoor de reaktievergelijking.
Opdracht 2
Neem onderstaande tekst door en kijk of je die begrijpt. Vervolgens kun je enkele berekeningen maken om de raadgevingen van de dokter te kontroleren:
Er komt een dame bij de dokter.
"Ik voel me niet goed, dokter. Al dagenlang doodmoe."
De dokter stuurt haar naar het lab voor bloedanalyse. Ze mag over tien dagen terugkomen.
"Ach doktertje, heb je die resultaten al van het lab? Ik blijf maar zo moe."
"Zeker dame, zegt de dokter, ik heb een lijst met gegevens die aantonen dat de pH van je bloed 7,1 is (dat is laag). En je CO2-concentratie is 1,12 mmol/l wat ook al niet normaal is. Nader onderzoek in het academisch ziekenhuis is noodzakelijk. Intussen raad ik u aan om dagelijks bicarbonaat-tabletten te slikken. Waarschijnlijk heeft uw bloed gebrek aan HCO3--ionen.
Kom over tien dagen nog eens terug.
De patient gaat naar huis, begreep er helemaal niets van, maar gaat wel die pillen slikken.
Opdracht 3
Leg de begrippen uit in de volgende tekst:
IJzer komt het menselijk lichaam binnen in de vorm van ionen, via voeding. Het Fe3+ kan zich omzetten in Fe2+ in zuur milieu en met een reduktor, bijvoorbeeld ascorbaat. Het Fe2+ komt de pancreas binnen bij een pH van 7 en waar Fe2+ weer Fe3+ wordt. Transferrine transporteert Fe3+; Ferritine slaat de IJzerionen op. Heem bevat Fe2+.
Opdracht 4
Is de volgende bewering waar of onwaar?
"In de spijsvertering ondergaan vele polimeren hidrolyse waarbij ze monomeren vormen."
Proteïnen zijn het belangrijkste bestanddeel van de weefsels van ons lichaam (huid, vlees, nagels, haar, en meer). Ze zijn absoluut nodig en worden door het lichaam zelf geproduceerd. Maar daarvoor zijn wel de bouwstenen nodig: aminozuren. Die moeten van buiten komen via het voedsel, tenminste de meeste daarvan. Sommige aminozuren kan het lichaam zelf bouwen. Om genoeg aminozuren binnen te krijgen heeft de mens als voedsel vlees, bonen, vis noten gelatine en andere produkten nodig.
Let op: behalve voor weefsels zijn de proteïnen ook absoluut noodzakelijk in de vorm van enzymen.
Opdracht 5
Waar of onwaar (W / O)? over aminozuren
| aminozuren dienen vooral om vetten te produceren; |
W / O |
| Er zijn 10 voor de mens essentiële aminozuren; |
W / O |
| Alle aminozuren hebben een amfoteer karakter |
W / O |
zuur / base
Aminozuren bevatten een aminogroep, meestal NH2, en een carboxylgroep, -COOH. Daarom kan een aminozuur met basen reageren én met zuren. Het aminozuur is een amfolyt.
Als het aminozuur per molekuul 1 aminogroep en 1 carboxylgroep bevat zal de pH van de oplossing van dit aminozuur ongeveer neutraal zijn (6 - 8) Een aminozuur met extra carboxylgroepen zal een lagere pH veroorzaken en een aminozuur met extra aminogroepen zal een hogere pH veroorzaken.
Opdracht 6
Zoek de struktuur van Lysine of en leg uit welke pH een oplossing van Lysine zal hebben.
Antwoord
Het kan heel goed gebeuren dat een aminozuur zich in een omgeving bevindt waar de carboxylgroep zijn H+ afstaat aan een aminogroep. En dat kan een aminogroep zijn van een ander aminozuurmolekuul, maar net zo gemakkelijk de aminogroep van hetzelfde aminozuurmolekuul. In dat laatste geval is er dus sprake van interne proton-overdracht. Aan één kant is dat molekuul dan --COO- geworden en aan de andere kant ---NH3+. Het deeltje heeft dus zowel een positieve alsook een negatieve lading gekregen en we noemen zo'n deeltje ook wel een "dubbel-ion".
Kortom: een aminozuur kan - afhankelijk van het milieu waarin het zich bevindt - op twee manieren neutraal zijn, of positief of negatief zijn.
Opdracht 7
Welke vorm heeft een eenvoudig aminozuur in een omgeving met pH = 7?
en met pH = 2?
en met pH = 10?
Leg je antwoord uit.
Condensatie en hidrolyse
Behalve in zuur-base reakties kunnen de aminozuren ook prima meedoen aan een ander reaktietype: Condensatie. Daarbij wordt de aminogroep van het ene molekuul gekoppeld aan de OH-groep van een ander molekuul, onder afsplitsing van een watermolekuul. Op deze manier worden twee aminozuren aan elkaar gekoppeld d.m.v. een "peptidebinding".
Opdracht 8
Zoek de strukturen op van Valine en Alanine en laat zien hoe deze op twee verschillende manieren in een condensatiereaktie aan elkaar kunnen koppelen, waarbij dipeptiden ontstaan.
In scheikundige termen zeggen we: de proteï;nen worden gevormd in een "policondensatieproces", waarbij de aminozuren de "monomeren" zijn.
Je mag proteïnen (die we in het nederlands ook vaak eiwitten noemen) beschouwen als een co-polimerisatieprodukt opvatten, omdat er vrijwel altijd verschillende aminozuren meedoen (er zijn zo'n 20 verschillende aminozuren) aan het proces.
Je kunt die hele synthese van eiwitten ook nog op een andere manier bekijken, namelijk als een proces dat gecontroleerd wordt door DNA/RNA. Dat onderwerp behandelen we verderop.
In het volgende schema zie je de deelnemende aminozuren als dubbel-ionen, wat het condensatieproces in het geheel niet beïnvloedt.
Aan de twee uiteinden van zo'n dipeptidebinding bevinden zich nog steeds: een amino groep en een carboxylgroep. Oftewel, de mogelijkheid om door te gaan blijft aanwezig. Opnieuw kunnen die groepen 'condenseren' met andere aminozuren en tri-, tetra-, oligo- of polypeptiden vormen.
Een eiwit (proteíne) kan bestaan uit 50 tot 2000 aan elkaar gekoppelde aminozuren en de molekuulmassa varieert van 5000 tot 20.000
Een paar oefeningen ter herinnering aan strukturen:
Opdracht 9
- Welke zijn de essentiële aminozuren?
- Waarom worden ze zo genoemd?
Optische isomerie
In de natuur heb je maar één soort aminozuren, dat zijn de α-aminozuren. Dit heeft alles te maken met het onderwerp "optische isomerie". Alle aminozuren die in de natuur voorkomen hebben een aminogroep in de α-positie t.o.v. de carboxylgroep.
In de afbeeldingen zien we Alanine. Aan de linkerkant α-alanine (twee keer; de twee strukturen zijn gelijk en ze zijn niet elkaars spiegelbeeld).
Aan de andere kant zie je α-alanine en β-alanina, en deze twee zijn optische isomeren (ze zijn niet idenktiek in driedimensionale zin, maar de twee zijn wel elkaars spiegelbeeld).
Opdracht 10
Geef van Alanine de vier verschillende strukturen (met en zonder ladingen)
Antwoord
Hieronder zie je de struktuur van penicilline (twee keer).
Let op de belangrijke funktionele groepen: peptide en carboxyl en het thiazol (waar S een O vervangt).
Opdracht 11
Waar of onwaar?
- De vorming van eiwitten onder controle van DNA is een polymerisatie. V/F
- De vorming van eiwitten onder controle van DNA is een polyhidrolyse. .V/F
Er bestaat een aminozuur (Cysteíne) dat een andere binding kan maken, namelijk een zwavelbrug (S-S).
Als een heleboel aminozuren een polypeptide maken, dan zal de lange keten zich gaan opvouwen / oprollen tot bepaalde strukturen. In de eerste plaats vormt zich een zgn. Helix, een schroefstruktuur, die we de secundaire struktuur van eiwitten noemen.
De primaire struktuur is eenvoudigweg de volgorde van de aminozuren.
De Helix kan - op zijn beurt - zich weer opvouwen tot een driedimensionale struktuur, die we dan de tertiaire eiwitstruktuur noemen. (zie figuur)
Opdracht 12
Kijk goed naar de afbeelding en probeer de secundaire en de tertiaire struktuur te zien / aan te wijzen én de actieve plek (het co-enzym) van het enzym.
De L-aminozuren zijn de bouwstenen van de eiwitten; zij vormen de peptidebindingen en zijn verantwoordelijk voor de Helixen.
De primaire struktuur van de eiwitten
De volgorde van aminozuren in de polypeptiden, in de proteïnen, noemen we dus de primaire struktuur. Het is de lineaire volgorde van de aminozuren. Deze volgorde is buitengewoon belangrijk voor het funktioneren van dat eiwit. Meestal zal het vervangen van één aminozuur genoeg zijn om de activiteit van het eiwit in het organisme flink te veranderen, wellicht met zeer negatieve gevolgen..
figuur: albumine, De volgorde van de aminozuren en de plaatsen van de zwavelbruggen.
Een eiwitmolekuul kan samengesteld worden uit één of meerdere polypeptiden.
Voorbeeld:
Het albumine (hoofdbestanddeel van eiwit van een ei) heeft één enkele opgerolde polypeptidestruktuur, maar Insuline, het hormoon dat in de pancreas wordt gemaakt en het gehalde aan glucose in het bloed controleert, wordt samengesteld uit twee polypeptidestrukturen. (zie figuur):
Opdracht 13
Stel je een eiwitstruktuur voor met 1000 monomeren van het aminozuur Valine (zie tabellenboek).
Bereken de molekuulmassa.
Antwoord
Het aminozuur Proline dat ergens opduikt in een polypeptideketen verbiedt of verstoort de vorming van de α-helixen. Gevolg: er kunnen geen waterstofbruggen worden gevormd (wegens gebrek aan de juiste polariteit).
Voorbeeld:
Sikkelcelanemie is een erfelijke vorm van anemie (iets wat ontbreekt) en wordt veroorzaakt doordat één bepaald aminozuur ergens in de polypeptideketen van hemoglobine vervangen is door iets anders. (zie ook figuur)
De primaire struktuur (eenvoudigweg de volgorde van de aminozuren, is dus niet dezelfde. De helix zal zich weer op een driedimensionale manier opvouwen, maar er zal een klein verschil zijn uiteindelijk. zie figuur.
De secundaire struktuur van de proteïnen
De polypeptideketens krullen zich op volgens een soort schroefdraad; we spreken ook wel van een "helix". Dat noemen we de secundaire struktuur van het eiwit.
Tertiaire struktuur van proteïnen
Een lange polypeptideketen die al een helix gevormd heeft, dan nog steeds zo lang zijn dat die helix zich gaat opvouwen: de tertiaire struktuur.
Quaternaire struktuur van proteïnen
De zeer grote eiwitmolekulen zijn samengesteld uit meerdere tertiaire bollen: quaternaire struktuur.
Voorbeeld:
In het geval van hemoglobine van het bloed worden vier polypeptideketens die elk al een tertiaire struktuur hadden gevormd, samengevoegd tot één groot geheel: de quaternaire struktuur.
De krachten die de vorming van secundaire en tertiaire strukturen mogelijk maken zijn:
- Waterstofbruggen
- vanderWaals krachten
- dipolaire krachten
- Zwavelbruggen (Cisteíne)
Opdracht 14
Bestudeer goed bovenstaand diagram van hemoglobine en beantwoord de volgende vragen:
- wat betekent 'nm'?
- Waar in het enzym bevindt zich de helix?
- Wat voor krachten stabilizeren de helix (aangegeven met puntjes . . . . . . . )?
- Wijs het co-enzym aan. waar zit dat?
- Heeft het Hb ergens een anorganisch gedeeltje?
- Wat voor krachten stabilizeren de tertiaire struktuur?
Opdracht 15
Waar of onwaar?
| Proteínen zijn polymeren; |
W / O |
| Proteínen hebben een primaire struktuur, dat is de volgorde van de aminozuren; |
W / O |
| Een secundaire struktuur verbindt diverse primaire strukturen met elkaar; |
W / O |
| De tertiaire struktuur is de helixschroefstruktuur; |
W / O |
| De secundaire en tertiaire struktuur danken hun stabiliteit aan waterstof- en zwavel-bruggen/bindingen. |
W / O |
| Proteínen kunnen gedenatureerd worden (reversibel of irreversibel), wat betekent dat ze volledig worden kapotgemaakt met alcohol, met zuur of door verwarming; |
W / O |
De primaire struktuur gaat bij denatureren niet kapot. Dat kan alleen in een chemisch proces (hidrolyse  aminozuren) |
W / O |
| Er bestaan "struktuurproteínen" (zoals albumine) en enzymproteïnen (zoals oxidase) |
W / O |
Even ter herinnering: de Indeling van de proteínen
Je kunt ze indelen naar vorm en dan heb je eiwitten in vezelvorm en in globulaire vorm.
- Vezeleiwitten - toch zeker 10 x zo lang als breed. Zo heb je bijvoorbeeld in de nagels, in huid en huiden: Keratine.
- Globulaire proteïnen - zijn veel ronder van vorm, dus lengte en breedte verschillen niet veel. Voorbeelden: enzymen, antilichamen, membraanproteïnen, hemoglobine, chlorofyl, en meer.
Deze indeling heeft direct te maken met de twee belangrijkste funkties van proteïnen:
- vorming van weefsel (spieren, huid, been, colageen, enz.)
- katalyse (controle van de reakties, transmissie van zenuwimpulsen, immuunbescherming)
De studie over proteïnen vormt de base voor het begrijpen van de genetica. In het laboratorium zal t.b.v. zulke studies in elk geval nodig zijn: zuivering en scheiding van proteínen met technieken zoals chromatografie en elektroforese.
Letten we op de molekuulsamenstelling van de eiwitten, kun je de proteínen indelen in: eenvoudig en complex.
- Eenvoudige proteínen of homoproteínen: - zijn uitsluitend opgebouwd uit aminozuren en niks anders. Voorbeelden: insuline, albumine, keratine, fibrinogeen (dat zich bevindt in het bloedplasma en dat meedoet aan de bloedstolling).
- Complexe eiwitten of heteroproteínen: - zijn gekoppeld met niet-eiwitstrukturen, zoals de prostetische groepen.
Opdracht 16
Hoe klassificeren we de proteínen van vlees?
Voorbeelden:
- Chlorofyl, waarvan de prostetische groep Mg is
- Hemoglobine waarvan Heem met Fe de prostetische groep is
- kaseíne (in melk), waarvan de prostetische groep fosfaat is
- kerneiwitten: - voornamelijk in de ribosomen en waarvan de prostetische groep een ribonucleínezuur is (RNA) of (DNA)
- glycoproteínen, waarvan de prostetische groep een saccharide is; lipoproteínen met lipiden als prostetische groep
N.B.
- Complexe proteínen worden ingedeeld naar hun prostetische groep.
- Als de prostetische groep een bepaalde kleur heeft, wordt ook wel gesproken van chromoproteínen.
Wat betreft hun fundamentele funktie worden de proteínen ingedeeld in struktuureiwitten en enzymen:
- Struktuureiwitten:
behoren bij de celstruktuur en zijn daar "bouwstoffen"
- Enzymeiwitten:
controleren praktisch alle chemische reakties in de cellen.
Opdracht 17:
Hemoglobine dankt zijn rode kleur aan de heemgroep.
Probeer nu hemoglobine te klassificeren en wat is het meest karakteristiek voor de heemgroep?
Hoofddoel van deze cyclus is de vorming van ureum, het eindprodukt dat als afvalstof wordt uitgescheiden uit het lichaam. Belangrijk is dat je snapt dat via de cyclus het lichaam - beetje bij beetje - overtollig stikstof kan kwijtraken. Normaal gesproken komt stikstof in het lichaam via aminozuren.
Deze cyclus is verbonden met de Krebs-cyclus (verbranding van suiker in vele stappen) en deze samenwerking levert een metabolisme op (een sterk katabolisme).
De ureumcyclus dient tegelijke ook voor de afbraak van afgewerkt aminozuur. Het afvalprodukt ureum verlaat het lichaam via de urine.
Opdracht 18
Is de volgende bewering waar of onwaar? Leg uit.
"De naam 'Koolhydraten' baseert zich op een oud wetenschappelijk misverstand."
Eenvoudige indeling van de sacchariden:
- Mono-sacchariden: glucose, fructose, galactose(C6H12O6)
- Di-sacchariden: saccharose (suiker), lactose, maltose (C12H22O11)
- Poli-sacchariden: amide (zetmeel), amilose, cellulose( (C6H10O5)n)
Strukturen:
Monosacchariden
De monosacchariden kunnen zich bevinden in een lineaire of in een cyclische vorm (hierboven zie je alleen cyclische vormen).
Je kunt in onderstaande schema zien hoe glucose de lineaire en de cyclische vorm kan aannemen:
De lineaire struktuur kan gemakkelijk geoxideerd worden. dus met een zwakke oxidator; vaak gebruikt men:
Ag+ ammoniakale zilveroplossing = reagens van Tollens, of met Cu2+(Fehlings' reagens)
De cyclische vorm wordt niet gemakkelijk geoxideerd (geen =O binding voorradig), maar het is nu eenmaal zo dat de twee strukturen, de lineaire en de cyclische in oplossing met elkaar in evenwicht zijn, dus dat de lineaire struktuur er altijd bij zit en die laat zich goed oxideren. Omdat de lineaire tijdens dat proces verdwijnt en in evenwicht is met de cyclische, zal de cyclische vorm steeds meer overgaan in lineaire vorm, oftewel, alles wordt uiteindelijk toch geoxideerd.
Opdracht 19
Bestudeer goed de volgende twee afbeeldingen: glucose en fructose komen op twee manieren voor, de lineaire en de ciclische. De twee formen zijn - in waterig milieu, altijd in evenwicht met elkaar. Toch heeft alleen de lineaire struktuur de juiste groep om te oxideren (de reductorgroep).
Leg duidelijk uit waarom tijdens het redox-proces toch niet alleen de lineaire vorm, maar ook de ciclische vorm verdwijnt.
Disacchariden
Saccharose kan niet geoxideerd worden met Ag+ of met Cu2+.
Maltose en lactose kunnen wel geoxideerd worden met Ag+ of met Cu2+.
Amide, zetmeel wordt niet geoxideerd met Ag+ of met Cu2+.
Opdracht 20
De oxideerbaarheid van een cyclische struktuur hangt af van de plaats van de O (zuurstofatoom) in de ring.
Als zo'n C - O binding in de ring gemakkelijk is te openen (waarbij de lineaire struktuur ontstaat) dan is oxidatie mogelijk.
(zie ook module 11)
Analyseer, met behulp van de strukturen, waarom sommige ringen wel en ander niet gemakkelijk open gaan.
Polysacchariden
Amide of zetmeel heeft een helix-struktuur als het zich in natuurlijke vorm bevindt. In dat geval maakt het met I3--ionen een donkerblauw gekleurd complex.
Opdracht 21
Jodium is een nogal apolaire stof en lost normaal niet op in water. Maar wel als dat water ook jodiumionen bevat, bijvoorbeeld van KI.
Leg dat uit.
Fehlings' Reagens
CuSO4(aq) + 2NaOH(aq) 
Cu(OH)2(s) + Na2SO4(aq)
Cu(OH)2(s) Cu2+ + 2OH-( = evenwicht 1)
Cu2+ + e- Cu+
De toevoeging van NatriumTartraat: de tartraat-ionen grijpen de Cu2+-ionen van evenwicht 1 waardoor het neerslag Cu(OH)2 verdwijnt; tegelijk verschijnt er een transparante oplossing met donkerblauwe kleur = Fehlings' Reagens (FR).
FR bezit dus in basisch milieu opgeloste Cu2+-ionen die een reduktor kunnen oxideren (bijvoorbeeld de aldehydegroep), door een elektron te pakken en een ion Cu+ te vormen. Deze zullen in een vervolgreaktie met OH- het oranjerode neerslag Cu2O(s) vormen.
Dit is een bewijsreaktie voor de aanwezigheid van monosacchariden.
Opdracht 22
Waar of Onwaar?
Om de aanwezigheid van glucose in urine te onderzoeken is een specifieker methode dan Fehlings' Reagens de enzymatische methode met glucose-oxidase.
Antwoord
Aspartaam is een stof die wordt gebruikt door mensen die willen afvallen, die willen voorkomen dat ze vet worden van teveel suiker of door mensen die om andere redenen geen suiker mogen hebben. Het is nu eenmaal zo dat alle suikers nogal veel energie bevatten. In plaats van suiker in de koffie gebruikt men dan vervangers zoals aspartaam,maar er zijn ook andere. Veel suikerhoudende produkten (bijvoorbeeld jam en coca-cola) hebben ook zgn dieetprodukten, d.w.z. zonder suiker, maar met vervangers.
Het geheim is dat aspartaam het lichaam in gaat zonder aan het metabolisme mee te doen, zonder enige energie-waarde, zonder enige vetvorming. Maar een waarschuwing is wel nodig: sommige suikervervangers blijken inmiddels, als je ze erg veel gebruikt, niet zo gezond omdat ze kanker kunnen veroorzaken.
Opdracht 23
Bestudeer de aspartaamstruktuur nog eens goed en wijs daarin aan wat je kent, de funktionele groepen dus.
In principe zijn de regels voor exotherme en endotherme reakties in de biochemie gelijk aan de regels voor de scheikunde in het algemeen. Dus ook voor de chemische reakties in levende wezens. Ook daar vinden chemische reakties plaats die energie opleveren of energie kosten. Wel is het zo dat de energie in levende wezens vaak gedragen en overgebracht wordt via speciale stoffen, zoals ATP (Adenosine Tri. Phosphaat), een molekuul dat vaak om de hoek komt kijken bij reakties die gepaard gaan met energieoverdracht.
De meeste levende wezens moeten ademhalen, waarbij het gaat om het binnenkrijgen van zuurstof. Groene planten hebben nóg een mogelijkheid: de fotosynthese die ongeveer het tegenovergestelde is van ademhaling. Bij de fotosynthese wordt zuurstof gemaakt in plaats van verbruikt.
Respiratie en fotosynthese zijn niet de enige biochemische processen met stevig energie-effect; in feite zijn ALLE biochemische reakties exotherm of endotherm, maar daarover gaan we het hier niet hebben.
Dat zijn twee tegengestelde processen in de natuur:
- de respiratie: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O exotherm(ΔH < 0)
- de fotosinthese: 6 CO2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2 endotherm (ΔH > 0)
Niet alleen mensen en dieren, maar ook planten "ademen"! In tegenstelling tot de fotosynthese geldt voor de ademhaling dat er chemische energie van buiten (in de vorm van zuurstof en bijvoorbeeld suikers) moet worden toegevoerd. De fotosynthese daarentegen produceert juist chemische energie.(bijvoorbeeld ATP en de suikers die bij de ademhaling weer worden verbruikt).
Planten hebben dus beide mogelijkheden, overdag domineert de fotosynthese (o.i.v. licht) en 's nachts de ademhaling.
Opdracht 24
Stel je eens voor dat ergens een mens er in geslaagd is (bijvoorbeeld door mutatie van zijn genen) de mogelijkheid te verkrijgen om ergens in zijn lichaam fotosynthese te realiseren. Wat zouden de konsekwenties zijn?
Antwoord
Net als de Ureumcyclus, vindt ook de Krebscyclus plaats op de mithogondria.
De oxidator (zuurstof, O2) helpt bij de 'decarboxylering van het citroenzuur, tijdens het verloop van al die reakties van deze cyclus.
Eén complete omgang door de cyclus houdt één reduktie in van twee koolstofatomen die overgaan in 2CO2).
De bijgehorende waterstofatomen verbinden zich aan energiedragers: FAD en NAD, die meteen daarna ATP vormen. ATP mogen we beschouwen als een soort brandstof in de levende wezens. De molekulen zitten vol chemische energie.
De hele cyclus is opgebouwd uit negen stappen, deelreakties, met als overall reaktie:
Citraat oxaal acetaat
C6H5O72- +H2O C4H2O52-+2CO2 + 5H·
FAD- en NAD-molekulen pakken de H-radikalen op (neutrale eenzame H-atomen) en verkrijgen daarmee flink veel energie. Daarna reageren deze H-atomen met zuursof en vormen water H2O (zeer exotherme reactie). Water en koolzuurgas zijn de eindprodukten.
De hoofdfunktie van de cyclus is het verkrijgen en opslaan van chemische energie.
Opdracht 25
Wat kun je zeggen over de elektronenoverdracht in bovengenoemde processen?
In de natuur komen we vetten tegen in dierlijk vet en plantaardige olie. Die twee kunnen heel goed dienen als voedsel voor mens en dier. Ze vormen zich in een condensatieproces van gycerol met vetzuren. Glycerol heeft drie OH-groepen en als die alledrie meedoen aan het condensatieproces heten de produkten: "tri-glyceriden".
Vetzuren hebben een chemische struktuur met uiteraard een carboxylgroep (het zijn zuren immers) + een koolstofketen van zo'n 15 tot 20 C's.
Meestal komen de vetzuren voor in verbinding met glycerine, maar hier en daar komen ze ook vrij voor (bijvoorbeeld, stearinezuur = kaarsvet = , C17H35COOH).
In de figuur zie je de strukturen van drie vetzuren.
Eén daarvan in stearinezuur (kaarvet); de ander heeft een dubbele binding, dus is onverzadigd; de derde heeft meerdere dubbele bindingen, dus is meervoudig onverzadigd.
De volgende afbeelding toont vier modellen: drie modellen van onverzadigd vetzuur + één model van glycerine.
De drie vetzuren gaan reageren, elk met één OH-groep van het glycerine, onder gelijktijdige vorming van drie molekulen water.
En in de volgende afbeelding kun je de produkten zien: een vetmolekuul + de drie gevormde watermolekulen:
In de natuur zijn de lipiden (vetten) de mono-, di- en tri-glyceriden van vetzuren, of ook: esters van glycerol en vetzuren.
"Vet" is verzadigd.
Gebruiken we onverzadigde vetzuren: dan wordt het vette karakter minder en het olie-karakter meer.
Olie-achtige stoffen zullen over het algemeen onverzadigd zijn en vette stoffen verzadigd.
Onverzadigde stoffen hebben één of meer dubbele bindingen in de keten die verzadigd kunnen worden, bijvoorbeeld met Brrom (Br2)
Een laag met onverzadigde olie (gele kleur)
laag met vet (troebel)
Laag met Br
2(aq) (gele kleur)
laag van water zonder broom
(kleurloos)
Opdracht 26
Waar of Onwaar?:
De funktie van gal kun je vergelijking met de funktie van zeep.
Opdracht 27
Leg alle begrippen uit van deze tekst:
"Normaal gesproken wordt margarine gemaakt uit de grondstof 'plantaardige olie'. Die olie is vooral opgebouwd uit onverzadigde molekulen. Het probleem zal zijn dat olie een vloeistof is en hoe moet je dat als boter op je brood smeren? Je kunt dat oplossen (wat men vroeger deed) door de dubbele bindingen te verzadigen met waterstof. Meer verzadigd betekent: harder, dus meer een vetkarakter. Maar tegelijk verliest de stof zijn gezonde karakter. De nieuwe manier om van die vloeistof een vaste (en smeerbare) stof te maken is de toepassing van emulgators.
Er zijn 4 + 1 basen, basisstoffen, bouwstenen voor de nucleïnezuren, die het Desoxi ribo nucleïnezuur (DNA) en het Oxiribonucleïnezuur (RNA) construeren, samenstellen.
- DNA wordt opgebouwd door en is dus samengesteld uit Adenine, Guanine, Thimine en Cytosine (A,G,T,C)
- RNA: Adenine, Guanine, Uracil e Cytosine (A,G,U,C)
- Het verschil tussen Thymince en Uracil is slechts één methylgroep.
De dubbele helix van DNA, schematisch en in model:
In zo'n (super)makromolekuul van DNA gaan twee zeer lange helixen samen (zie figuur). Altijd is er die aantrekking tussen G en C of A en T.
DNA"
Opdracht 28
Binnen de dubbele helix nemen de molekulen A, G, T, C e U deel aan de bindingen tussen de twee stringen van die dubbele helix. (zie figuur).
Elke brug moet eenzelfde afstand overbruggen.
Leg uit waarom A en G altijd combineren met T, C en U
4.2 De genetische informatiestroom
We gaan hier niet het hele biologische proces behandelen, maar wel, in het kort, enkele scheikundige karakteristieken bij de vorming van de eiwitten in levende wezens.
Een samenvatting:
De informatiestroom gaat van DNA naar RNA (transcriptie). Het RNA, op zijn beurt, vertaald haar codes voor de juiste eiwit (translatie)
DNA
(transcriptie)
RNA
(translatie / vertaling)
proteïnen
De basevolgorde van een gen (een deel van DNA of RNA) loopt parallel aan de aminozuurvolgorde van het produkt dat dat gen gaat maken (een polypeptide / eiwit).
De gencode ligt helemaal vast in de volgorde van de basen (A, C, T en U) en wel op zodanige manier dat elke drie opeenvolgende basen één aminozuur bepalen. Dus (even vereenvoudigd): als een gen 600 basen heeft dan kan daaruit een eiwit van 200 aminozuren worden geproduceerd. Of eigenlijk moeten we hier niet het woord 'produceren' gebuiken, maar 'bepalen'. Je zult begrijpen dat het van groot belang is om bij de juiste base te starten. Zo zijn er voor starten voor stoppen ook tripletcodes.
Nu zijn er dus vier bases in het erfelijk materiaal, de genen, en daarmee kun je 43 verschillende aminozuren bepalen / definiëren. Maar je weet dat in levende wezens ongeveer 20 verschillende aminozuren worden gebruikt, geen 64. Drie worden er gereserveerd voor het stoppen en starten van de produktie, maar dan nog zijn er 61 over; nog steeds veel meer dan nodig. In de praktijk kunnen meerder codes eenzelfde aminozuur bepalen en zulke codes (codons) worden ook wel synomieme codes genoemd.
Je weet dat het eiwitmolekuul (dus ook het enzym) gevormd wordt uit aminozuren in een polycondensatieproces. De funktie van proteïnen, in het bijzonder van enzymen, is buitengewoon belangrijk in het levende organisme, ook voor het metabolisme. Elk foutje in zo'n enzym kan tot gevolg hebben dat er stagnatie optreedt in het metabolisme. Dat kan ernstige (erfelijke) afwijkingen veroorzaken of zelfs het leven onmogelijk maken. Dus is het controlemechaniek van het lichaam om toch vooral de juiste eiwitten / enzymen aan te maken zeer goed ontwikkeld. De informatie én de controle komt van het DNA, dat zich in de celkernen bevindt. Dat DNA gaat niet zelf naar het plasma (de ribosomen) om die controle uit te voeren. Daarvoor stuurt hij copiën van zichzelf (RNA) (proces heet transcriptie) naar buiten, naar de ribosomen waar ook de aminozuren naar toe gebracht worden om daar in de juiste volgorde aan elkaar te worden gekoppeld.
Het volgende schema toont ongeveer zo'n gebeurtenis:
Bij de
transcriptie worden delen van het DNA (genen) in de kern gecopieerd (met bijna dezelfde vier types nucleínezuren).
Bij de vertaling, de
translatie, bij de ribosomen, worden de aminozuren (20 types in gebruik) aan elkaar gekoppeld tot eiwitten.
Opdracht 29
In de figuur van de dubbele helix van een DNA molekuul kunnen we in het onderste gedeelte een volgorde zien van de basen: - C - T - G - A - (van beneden naar boven).
T, na de transcriptie van DNA naar RNA, heeft die kleine wijziging ondergaan naar U, oftewel, dezelfde volgorde in RNA zal zijn: - C - U - G - A -
Welke aminozuren kunnen hier gevormd worden via dit stuk RNA? gebruik de gencode-tabel.
Kwantitatief gezien, dus in hoeveelheden, zijn er veel meer struktuureiwitten in een levend wezen, dus eiwitten die de weefsels vormen: huid en haar, vlees, enz. Echter, een ander type van enzymen dat niet zozeer in grote hoeveelheden voorkomt, maar toch minstens zo belangrijk is, zo niet belangrijker, zijn de katalysatoren van de biochemische processen: de enzymen.
Een beetje geschiedenis
Louis Pasteur (1822 -1895) was een van de eerste wetenschappers die reakties onderzocht die gekatalyseerd worden door enzymen. Hij geloofde dat gist of levende bacteriën voor zulke reakties die hij "gisting" noemde. bijvoorbeeld ook de omzetting van glucose in alkohol.
In 1897 maakte Eduard Büchner een filtraat zonder cellen dat afgezonderde enzymen bevatten. Daartoe behandelde hij gistcellen met fijn zand. De enzymen die zich in dat filtraat bevonden waren prima in staat om glucose om te zetten in alkohol. Zo bewees hij dat voor enzymactiviteit niet de aanwezigheid van levende cellen vereist is.
Búchner ontving hiervoor de Nobelprijs voor de scheikunde in 1907.
Twee algemene karakteristieken van enzymen:
- Het struktuurdeel van enzymen is een eiwit; deze proteínestruktuur kan gedenatureerd worden, in het bijzonder onder invloed van pH en temperatuur.
- Enzymen zijn (bio)katalysatoren en buitengewoon specifiek en efficiënt; het holoenzym = apo-enzym + co-enzym/prostetische groep.
De werkzaamheid van biokatalysatoren hangt sterk af van de molekuulvorm, in het bijzonder van het oppervlak van dat molekuul.
Bij voorbeeld: Stel je voor dat bepaalde molekulen van het substraat (de reagentia) willen reageren om een produkt te vormen. Dat zal alleen mogelijk zijn als die molekulen met elkaar in kontakt komen en dan nog zo dat ze op de juiste manier met elkaar in kontakt komen. (twee treinstellen koppelen ook alleen maar op één bepaalde manier aan elkaar). Als die molekulen moeten wachten tot ze toevallig een keer botsen en dan ook nog op de juiste manier met elkaar botsen, dan kunnen ze lang wachten. Maar dan komen de katalysatoren, de enzymen eraan om te helpen. Ze halen die molekulen naar zich toe, die passen in hun oppervlak en zo worden die molekulen precies op de goede manier naast elkaar gelegd om gemakkelijk en snel te reageren. Eenmaal aan elkaar zal het enzym de boel weer loslaten en het nieuwe molekuul is gevormd.
Nogmaals: een substraat wil reageren. Het past precies in het oppervlak van het enzym, bij het actiecentrum. Eenmaal daar aangekomen kan het substraat prima reageren (met behulp van de plaatsen a, b en c).
De reaktievergelijking ziet er als volgt uit:
E + S ES E+P
Waar S = substraat, en P = produkt
Het funktioneren van de enzymen heeft dus alles te maken met het oppervlak van haar molekulen. Welke invloed dan ook die dit oppervlak verandert, kan de werkzaamheid van het enzym lelijk verstoren. Denaturatie bijvoorbeeld is desastreus: het enzym (een eiwit) verliest volledig zijn tertiaire struktuur en daarmee zijn ruimtelijke vorm. Dat enzym doet niets meer. Als de denaturatie veroorzaakt werd door temperatuursverhoging is die verandering irreversibel (niet omkeerbaar). Zo'n enzym kun je weggooien. Je kunt ook de pH veranderen of op een andere manier het milieu anders maken door verdunnen of toevoegen van alkohol of zouten. Het is mogelijk dat zulke denaturatie nog (gedeeltelijk) te herstellen is (reversibel). Elk enzym heeft zijn temperatuur en pH waarbij de activiteit het grootst is: de optimale pH en temperatuur.
Opdracht 30
In het volgende schema zie je nóg een type van enzymkatalyse.
Bestudeer de afbeelding goed en verklaar hoe de specificiteit van dit enzym wordt gegarandeerd.
Opdracht 31
Kan de laatste reaktie (S1+ S2 P) een condensatiereaktie zijn?
Leg je antwoord uit.
Fouten in het DNA (mutaties) kunnen verwarring stichten in het (menselijk) lichaam. Misschien worden er dan foute enzymen aangemaakt, dus met een onjuiste ruimtelijke vorm. Zulke deficiënte enzymen maken de normale biochemische reaktie in het metabolisme moelijk of zelfs onmogelijk. Zo iemand lijdt dan aan een ziekte.
Opdracht 32
Hemoglobine (Hb) mogen we beschouwen als een soort enzym met een activator. Welke activator heeft Hb?
Opdracht 33
Toon in een energiediagram wat "activeringsenergie" doet met een chemische reaktie.
Antwoord
De twee substraten S1 en S2 verbinden zich heel specifiek aan het enzym. Andere molekulen passen gewoon niet (ruimtelijk gezien)
Regelmatig, maar niet in alle gevallen, bevindt zich in het actiecentrum van het enzym een co-enzym (zwak gebonden) of een prostetische groep (sterk gebonden).
Veranderingen van de vorm van het actiecentrum kan de enzymactiviteit sterk beïnvloeden, zelfs stil leggen.
Het centrum bevindt zich vaak in een soort spleet waarbinnen het meestal apolair is.
Coenzymen en prostetische groepen ( 
) verbeteren de enzymactiviteit.
Het complete enzym, inclusief de cofactoren en prostetische groepen, noemen we het holo-enzym,
Het enzym zonder cofactoren en prostetische groepen noemen we het apo-enzym.
Regelmatig is het co-enzym een vitamine, en hetzelfde co-enzym kan verschillende enzymen bedienen.
Sommige enzymen vereisen een anorganisch gedeelte, zoals een metaalionen (bijvoorbeeld, Ca2+, Mg2+ of Zn2+).
Deze anorganische component is een 'activator'. Funktioneel gezien is een activator gelijk aan een co-enzym, maar de anorganische componenten noemt met niet: co-enzymen.
Het enzym is een proteïne met:
- een primaire struktuur, geproduceerd onder controle van DNA = de volgorde van de aminozuren
- een secundaire struktuur, = de α-helix (schroef) van de primaire struktuur
- een tertiaire struktuur, = het resultaat als de α-helix zich opvouwt tot een driedimensionale vorm die de specificiteit van het enzym bepaalt evenals de manier waarop dit enzym geremd kan worden..
- een kwaternaire struktuur (niet altijd aanwezig) is de samenvoeging van (vier) gelijke tertiaire strukturen
verschillende soorten enzymen / nomenclatuur:
Meestal begint de naam van een enzym met het substraat + ,direct daarna, de activiteit van dat enzym
| Oxireductases |
katalyseren redoxreakties (bijvoorbeeld:. glucose-oxidase) |
| Transferases |
transporteren funktionele groepen van een gever naar een ontvanger. |
| Hidrolases |
splitsen molekulen (voorbeeld: peptidases, proteases) |
| Liases |
onttrekken of voegen juist toe: bepaalde funktionele groepen (voorbeeld. decarboxilase) |
| Isomerases |
veranderen isomeren (mutase) |
| Ligases |
verbinden verschillende molekulen met elkaar (piruvaatcarboxilase) |
Opdracht 34
Tot welk type behoren:
- Het enzym dat D-glucose kan veranderen in L-glucose?
- Het enzym dat fosfaat kan veranderen in fosfiet?
- Het enzym dat saccharose kan veranderen in glucose en fruktose?
Proteïnen, en zeker de enzymen, zijn zeer gevoelig voor het milieu waarin ze zich bevinden, met name w.b. de pH en de temperatuur. Die hebben grote invloed op de driedimensionale vorm. Wijk je af van de optimale pH en temperatuur, dan zal dat meteen de werkzaamheid van het enzym beïnvloeden.
Een paar mogelijkheden om het milieu van het enzym te wijzigen:
- Verwarming geeft meer beweging van atomen, deeltjes in het algemeen en op bindingen. De toegenomen beweging kan vanderWaals bindingen en polaire aantrekkingen lelijk verstoren. Degelijke covalente bindingen gaan niet zo gemakkelijk stuk bij verwarming.
- Het toevoegen van zuur of alkohol kan de waterstofbruggen breken. Dan zal de tertiaire en misschien ook de secundaire struktuur verloren gaan.
In beide gevallen zal de tertiaire en misschien ook de secundaire struktuur verloren gaan.
Opdracht 35
De figuren tonen de gevoeligheid van de enzymactiviteit voor temperatuur en pH. (de enzym-activiteit vind je op de y-as)
Maak in die figuur een mogelijke schaalverdeling van de x-as en de y-as (een schatting)
Opdracht 36
Leg uit wat er zal gebeuren bij het koken van een ei gedurende enkele minuten.
Hoge temperaturen zijn desastreus voor enzymen. Dit 'koken' is irreversibele denaturatie, onherstelbaar. Terwijl temperatuursverlaging alleen maar de activiteit verlaagt, zonder dat er sprake is van denaturatie.
Ga je terug naar de normale temperaturen van 30 - 40°C, dan komt de activiteit terug. (idee: voor je dood gaat je lichaam invriezen in de hoop dat het over honderd jaar weer tot leven kan worden gebracht)
Het merendeel van de enzymen funktioneert het beste bij pH-waarden van ongeveer 7 (neutraal dus). Maar er zijn een paar uitzonderingen zoals pepsine, dat een optimale pH-waarde heeft bij 1 - 2.
Ook sterke pH schommelingen kunnen het enzym denatureren. Dat kan reversibel zijn, maar niet altijd.
Voorbeelden:
| Pepsine |
1,5 |
in de maag |
| Amilase |
6,6 |
in speeksel |
| Lipase |
8,0 resp. 7,0 |
in de pancreas resp. in de darmen |
| Saccharase |
7,0 |
in de maag |
Opdracht 37
Wat zal de pH in de mond zijn? Maak je antwoord aannemelijk.
Je weet dat de enzymactiviteit afhangt van het enzymoppervlak. Denaturatie houdt in dat de vorm, dus ook het oppervlak van het enzym verandert.
Opdracht 38
Tijdens de spijsvertering in het menselijk lichaam doen diverse enzymen mee, die elk zijn eigen pH-optimum heeft:
| waar: |
enzym |
pH-optimum |
| in het speeksel |
amilase e maltase |
6,6 |
| in de maag |
peptase, rennase |
1,5 - 4 |
| in de pancreas |
amilase, lipase, tryptase, polipeptidase |
6,6 - 9 |
| in de ingewanden |
maltase, saccharase, lactase, ereptase |
6,6 - 8,5 |
- Hoe zit dat met die pH-verschillen in deze vier plekken?
- Waarom verschijnt maltase pas helemaal aan het eind van het spijsverteringssysteem?
Antwoord
Niet gekatalyseerde reakties, die je bijvoorbeeld uren moet koken, zelfs al is er sterk zuur of base aanwezig, kunnen soms in een paar seconden bij fatsoenlijke temperatuur verlopen als het juiste enzym er bij zit, bij de optimale pH en temperatuur.
De enzymen handelen als katalysatoren door sterk de benodigde activeringsenergie te verlagen van deze specifieke biochemische reaktie. De verlaagde activeringsenergie staat toe dat zo'n proces dan verloopt op lichaamstemperatuur en met hoge snelheid
Er zijn diverse manieren om de enzymactiviteit te reguleren:
Verschillende enzymen staan niet meteen klaar om te functioneren, maar bevinden zich in een 'pre-enzym fase', of ook: de zymogene fase. Dit kan nodig zijn om het kwetsbare enzym te beschermen. Het kan ook zijn dat het een enzym betreft dat pas nodig is in geval van ongelukken.
Zo hebben we in de maag pepsinogeen, dat het enzym pepsine kan vormen bij lage pH. Als het eenmaal is gevormd, kan het pepsine niet meer terug. Het pepsinogeen verliest een stuk keten van 44 aminozuren.
Het produkt zelf kan (als het hoge concentraties bereikt heeft) terugreageren en zo een enzym verbieden zijn activiteit voort te zetten.
Als het enzym bekend is kunnen specifieke stoffen worden toegevoegd die de enzymactiviteit kunnen beïnvloeden (remmers = molekulen met een struktuur die lijkt op het normale substraat, maar toch niet helemaal gelijk is). Zo maken die remmer het enzym (tijdelijk) inactief. Dus weer een vorm van regulering.
Eigenlijk hebben we het hier over drugs, geneesmiddelen die - bijvoorbeeld - gebruikt worden bij de chemotherapie door het metabolisme van tumoren te verbieden.
Sommige enzymen hebben naast een actiecentrum nóg een plek waar bepaalde groepen zich kunnen aanhechten: een zgn. alosterisch centrum. Stoffen die in zo'n alosterisch centrum passen kunnen de driedimensionale vorm van het enzym wijzigen, inclusief het actiecentrum, en zo de specificiteit van dit enzym veranderen, en daarmee haar activiteit. Dat kan een positieve invloed zijn (actiever), maar ook een negatieve.
Opdracht 39
Zijn de volgende beweringen (a en b) waar of onwaar? Leg je antwoord uit.
- Een enzym is een (bio)katalysator die de reaktiesnelheid beïnvloedt.
- Een katalysator versnelt (of vertraagt) de snelheid V van een chemische reaktie: S P
- Geef een uitleg voor de letters S, P en V in je eigen woorden.
Meestal zijn biochemische reakties tevens evewichtsreakties. Dat betekent dat de vorming van het produkt na enige tijd de maximum snelheid bereikt op het moment dat het evenwicht is bereikt. Zonder katalysator (zie module 7) kan dat akelig lang duren: huren of zelfs dagen of helemaal nooit. In aanwezigheid van een katalysator (een enzym) wordt dat evenwicht veel sneller bereikt. Dat wil dus niet zeggen dat je méér produkt krijgt, maar wel dat het sneller wordt gemaakt, mogelijk nu in een paar seconden.
Het enzym, de biokatalysator, versnelt meestal het chemisch proces met een factor 106 of meer.
Het substraat vormt een complex met een enzym. Dit complex wordt genoemd: de overgangstoestand. Het substraat verandert in produkt.
Vervolgens scheiden het produkt en het enzym zich van elkaar.
S + E
ES
P + E
a b
De vorming van het complex (a)is ook een evenwichtsreaktie; de laatste reaktie (b) is dat niet. Het enzym versnelt het bereiken van het evenwicht, maar verandert het evenwicht zelf niet. Wel de voming van het produkt.
Elke reaktie verloopt met zijn bepaalde reaktiesnelheid V en met zijn eigen reaktiesnelheidskonstante k
k
1 k
3
k
2
Uitgaande van drie vooronderstellingen die een ideale / optimale situatie veronderstellen, mag je beweren dat de snelheid maximaal zal zijn,
Vmax
Die drie vooronderstellingen zijn:
- een stationaire toestand (steady state) waarin de concentratie van het intermediair ES niet verandert; de vorming van het ES complex vindt plaats met dezelfde snelheid als waarmee ES verdwijnt.
- Alle aanwezige enzym doet mee;
- Het systeem bevindt zich in een optimale omgeving (verzadigd met S, de beste pH, de beste temperatuur);
Op deze manier bereikt de snelheid van de reaktie V haar maximale waarde Vmax
over de vormingssnelheid van het intermediair ES:
over de snelheid van het doorreageren / verdwijnen (in twee richtingen) van dat intermediair ES:
KM is de konstante van Michaelis
Opdracht 40
Leg uit hoe je aan die uitdrukking kan komen, uitgaande van de vooronderstelling 1
Antwoord
KM geeft de affiniteit van het enzym voor het substraat; een lage KM betekent veel ES, oftewel, veel substraat S,
el
dat wil zeggen: een lage KM wil zeggen: een grotere snelheid.
De verhouding tussen de reaktiesnelheid en de KM kun je zien in de Michaelis Menten vergelijking:
De waarden van KM kunnen variëren van 0 tot duizenden.
Opdracht 41
Lees nauwkeurig de praktikumtaak en probeer deze beschrijving te begrijpen en van je kommentaar te voorzien.:
“Je verdeelt een neutraal speekselextract (pH=7) in twee gelijke delen (A en B).
Deel A wordt aangezuurd met HCl totdat de pH=2. Dit mengsel toont geen activiteit meer.
Deel B wordt vermengd met een gelijk volume water. Dit mengsel vertoont geen activiteit meer.
Daarna behandelen we de beide oplossingen, A en B met base totdat de pH=8,5. Er is geen enzymactiviteit meer.
Tenslotte worden de twee delen met pH 8,5 aangezuurd tot pH=2. Alleen deel B toont weer activiteit.”
Opdracht 42
Probeer de volgende proefbeschrijving te begrijpen, mede gebruik makende van grafieken:
"Bij vergelijking van de enzymen bepalen we de parameters Vmax en Km en meten we de reaktiesnelheid (V) als funktie van de substraatconcentratie [S]."
In dit geval - voor een bepaalde standaardhoeveelheid hexokinase of glycokinase- meten we de vormingssnelheid (V) van glucosefosfaat (het produkt G6P) als funktie van de glucoseconcentratie [S].
De resultaten tonen aan dat Vmax van de twee enzymen aan elkaar gelijk zijn (er vormen zich ±100 nmol G6P per minuut), maar dat de Km-waarden flink verschillen:
Km van hexokinase = 0,1 mM, Km da glucokinase = 10 nM (factor 100)."
Kijk nog eens goed naar het volgende evenwicht met de tussenstof SE:
k
1
k
3
k
2
De Michaeliskonstante
geeft de affinitiet van het enzym voor het substraat.
De vergelijking van Michaelis-Menten
geeft de relatie tussen KM en de reaktiesnelheid.
We kennen diverse types van enzymremmers:
- produktremmers
- drugsremmers
- allosterische remmers
http://www.le.ac.uk/by/teach/biochemweb/tutorials/michment2print.html
Enzyme kinetics and the Michaelis-Menten equation
Introduction
Study of the impact made on the rate of an enzyme-catalysed reaction by changes in experimental conditions is known as enzyme kinetics. Knowledge of kinetics can be a very useful tool in understanding the mechanism by which an enzyme carries out its catalytic activity.
The effect of substrate concentration on the initial rate of an enzyme-catalysed reaction is a central concept in enzyme kinetics. When data are generated from experiments of this type and the results plotted as a graph of initial rate (v, y-axis) against substrate concentration ([S] *, x-axis), many enzymes exhibit a rectangular hyperbolic curve like the one shown in the diagram below.
*Note: the use of square brackets, as for [S] above is short-hand notation for "concentration of S", a convention that will be used extensively in the derivation below.
Observations of this type set Leonor Michaelis and Maud Menten thinking about the underlying reasons why a curve should follow this shape and led them to derive an algebraic equation that now bears their names. There are several modern ways to explain the way in which the Michaelis-Menten equation is derived, and one is spelt out below.
Deriving the Michaelis-Menten Equation
Start with the generalised scheme for enzyme-catalysed production of a product (P) from substrate (S). The enzyme (E) does not magically convert S into P, it must first come into physical contact with it, i.e. E binds S to form an enzyme-substrate complex (ES).
Michaelis and Menten therefore set out the following scheme:
The terms k1, k-1 and k2 are rate constants for, respectively, the association of substrate and enzyme, the dissociation of unaltered substrate from the enzyme and the dissociation of product (= altered substrate) from the enzyme. Note that there is the theoretical possibility of a reverse reaction, with ES complex forming from E and P, but this can be ignored because we are considering initial rates of reaction, i.e. when the enzyme is first provided with substrate, so there should not be any product available to combine with enzyme.
The overall rate of the reaction (v) is limited by the step ES to E + P, and this will depend on two factors - the rate of that step (i.e. k2) and the concentration of enzyme that has substrate bound, i.e. [ES]. This can be written as:
(Equation 1)
At this point it is important to draw your attention to two assumptions that are made in this scheme. The first is the availability of a vast excess of substrate, so that [S]>>[E]. Secondly, it is assumed that the system is in steady-state, i.e. that the ES complex is being formed and broken down at the same rate, so that overall [ES] is constant. The formation of ES will depend on the rate constant K1 and the availability of enzyme and substrate, i.e. [E] and [S]. The breakdown of [ES] can occur in two ways, either the conversion of substrate to product or the non-reactive dissociation of substrate from the complex. In both instances the [ES] will be significant. Thus, at steady state we can write:
The next couple of steps are rearrangements of this equation. First of all we can collect together the rate constants on the right-hand side because they are both multiplied by [ES], this gives us:
Then dividing both sides by (k-1 + k2), this becomes:
Notice that the three rate constants are now on the same side of the equation. As the name implies, these terms are constants, so we can actually combine them into one term. This new constant is termed the Michaelis constant and is written KM.
Notice that the three rate constants in the definition of KM are actually inverted (the other way up) compared with our previous equation. This is a 'trick' that makes for easier calculation at a later stage. Substituting this definition of KM into our previous equation now gives us:
(Equation 2)
The total amount of enzyme in the system must be the same throughout the experiment, but it can either be free (unbound) E or in complex with substrate, ES. If we term the total enzyme E0, this relationship can be written out:
This can be rearranged (by subtracting [ES] from each side) to give:
So, the [E] free in solution is equal to the total amount of enzyme minus the amount that has substrate bound. Substituting this definition of [E] back into equation 2 gives us:
This can now be rearranged in several steps. First of all, open the bracket so that the terms [E0] and [ES] are separately multiplied by [S]
Next, multiply each side by KM, this gives us:
Then collect the two [ES] terms together on the same side (you can either think of this as adding [ES][S] to both sides or as 'carry over and change the sign' - your preference will probably be an indication of how long ago you went to school). This gives:
Then because both terms on the right-hand side are multiplied by [ES] we can collect them together into a bracket:
Dividing both sides by (KM + [S]) now gives us:
Substituting this left-hand side into Equation 1 in place of [ES] results in:
The maximum rate, which we can call Vmax, would be achieved when all of the enzyme molecules have substrate bound. Under conditions when [S] is much greater than [E], it is fair to assume that all E will be in the form ES. Therefore [E0] = [ES]. Thinking again about Equation 1, we could substitute the term Vmax for v and [E0] for [ES]. This would give us:
Notice that k2[E0] was present in our previous equation, so we can replace this with Vmax, giving a final equation:
This final equation is actually called the Michaelis-Menten equation.
So what?
Perhaps this derivation still leaves you puzzled about the importance of the Michaelis-Menten equation. The significance becomes clearer when you consider the case when the rate of reaction (v) is exactly half of the maximal reaction rate (Vmax). Under those circumstances, the Michaelis-Menten equation could be written:
On dividing both sides by Vmax this becomes:
Multiplying both sides by (KM + [S]) gives:
And then multiplying both sides by 2 further resolves the equation to:
2[S] on the right-hand side is the same as [S] + [S], so we can take away one [S] from each side. Thus when the rate of the reaction is half of the maximum rate:
The KM of an enzyme is therefore the substrate concentration at which the reaction occurs at half of the maximum rate. If we now reconsider the graph that came at the start of this tutorial it could be written:
What does this all mean in physical terms? KM is an indicator of the affinity that an enzyme has for a given substrate, and hence the stability of the enzyme-substrate complex.
Look at the shape of the graph. At low [S], it is the availability of substrate that is the limiting factor. Therefore as more substrate is added there is a rapid increase in the initial rate of the reaction - any substrate is rapidly mopped up and converted to product. At the KM, 50% of active sites have substrate bound. At higher [S] a point is reached (at least theoretically) where all of the enzyme has substrate bound and is working flat out. Adding more substrate will not increase the rate of the reaction, hence the levelling out observed in the graph.
There are limitations in the quantitative (i.e. numerical) interpretation of this type of graph, known as a Michaelis plot. The Vmax is never really reached and therefore Vmax and hence KM values calculated from this graph are somewhat approximate. A more accurate way to determine Vmax and KM (though still not perfect) is to convert the data into a linear Lineweaver-Burk plot. See separate page:
"Experimental calculation of Vmax and KM "
If, incidentally, we consider that the rate constant k2 for the conversion of ES to E + P in the initial scheme is the step determining the overall rate of production of P (as we have in deriving the Michaelis-Menten equation) then k2 is actually the same term as kcat, the turnover number.
