1. Proteïnen

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.


1.1 Hoe aminozuren reageren

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.


1.2 De vorming van Proteïnen

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
  1. Welke zijn de essentiële aminozuren?
  2. 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?
  1. De vorming van eiwitten onder controle van DNA is een polymerisatie.     V/F
  2. 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:
  1. Waterstofbruggen
  2. vanderWaals krachten
  3. dipolaire krachten
  4. Zwavelbruggen (Cisteíne)

Opdracht 14
Bestudeer goed bovenstaand diagram van hemoglobine en beantwoord de volgende vragen:
  1. wat betekent 'nm'?
  2. Waar in het enzym bevindt zich de helix?
  3. Wat voor krachten stabilizeren de helix (aangegeven met puntjes . . . . . . . )?
  4. Wijs het co-enzym aan. waar zit dat?
  5. Heeft het Hb ergens een anorganisch gedeeltje?
  6. 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.
  1. Vezeleiwitten - toch zeker 10 x zo lang als breed. Zo heb je bijvoorbeeld in de nagels, in huid en huiden: Keratine.
  2. 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:
  1. vorming van weefsel (spieren, huid, been, colageen, enz.)
  2. 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.
  1. 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).
  2. Complexe eiwitten of heteroproteínen: - zijn gekoppeld met niet-eiwitstrukturen, zoals de prostetische groepen.

Opdracht 16
Hoe klassificeren we de proteínen van vlees?

Voorbeelden:
  1. Chlorofyl, waarvan de prostetische groep Mg is
  2. Hemoglobine waarvan Heem met Fe de prostetische groep is
  3. kaseíne (in melk), waarvan de prostetische groep fosfaat is
  4. kerneiwitten: - voornamelijk in de ribosomen en waarvan de prostetische groep een ribonucleínezuur is (RNA) of (DNA)
  5. glycoproteínen, waarvan de prostetische groep een saccharide is; lipoproteínen met lipiden als prostetische groep
N.B.
  1. Complexe proteínen worden ingedeeld naar hun prostetische groep.
  2. 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:
  1. Struktuureiwitten:
    behoren bij de celstruktuur en zijn daar "bouwstoffen"
  2. 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?


1.3 De ureumcyclus

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.